化工分离过程第六章

1化工分离(fēnlí)工程ChemicalSeparationEngineering主讲(zhǔjiǎng)：刘俊生合肥学院化学与材料工程系E-mail:jsliu@1精品资料22第六章分离过程(guòchéng)的节能6.1分离的最小功和热力学效率6.2精馏的节能技术(jìshù)6.3分离顺序的选择精品资料33节能(jiénénɡ)的实际意义混合是不可逆过程，能够自发完成，因此，其逆过程——分离过程，不能自发进行，必然要消耗能量（热或功）才能进行。计算分离过程成本。能耗是大规模分离过程的关键指标，能耗费用总是大于设备的折旧费用，通常会占据操作费用的主要(zhǔyào)部分；评价分离过程的主要(zhǔyào)参数。确定具体混合物分离的最小能耗，了解影响能耗的主要(zhǔyào)因素，寻求接近此极限能耗的实际分离过程或减小使用昂贵能量具有积极意义。特别是，世界能源日趋紧张的状况，也使得化工节能问题愈来愈重要。精品资料4Example精品资料55节省分离过程(guòchéng)能耗的措施首先是选取适宜的分离方法，这是节能的关键步骤:能耗,成熟度,投资额,分离成本；其次是分离过程在总体工艺流程(liúchéng)之中进行热集成:热交换网络的合成；再次是复杂混合物分离的适宜流程(liúchéng)安排:分离顺序的选择；最后是各具体分离操作的适宜操作条件和参数的确定，以及设备结构和尺寸的优化等:参数优化。精品资料66第一节分离(fēnlí)的最小功和热力学效率将一个均相混合物在恒温恒压下分离(fēnlí)成两个不同组成的产物，则要消耗一定的功。但是，不管用什么办法去完成分离(fēnlí)过程，达到一定分离(fēnlí)目的时所需的最小功总可以通过一个假想的可逆过程计算出来。为什么？精品资料77第一节分离(fēnlí)的最小功和热力学效率（续）原因分析：由热力学第二定律可知，完成同一变化的任何(rènhé)可逆过程所需的功均相等，而实际过程所需的功一定大于可逆过程时的功；因此，最小功的数值决定于要分离的混合物的组成、压力和温度以及分离所得产品的组成、压力和温度。精品资料88连续稳定(wěndìng)分离系统：进出系统(xìtǒng)物流变量：n，zi，H，S（熵），Q系统对环境作功：W6.1.1等温分离的最小功图6-1普通的分离过程

精品资料99对于等温可逆过程，根据热力学第二(dìèr)定律：将（6-2）代入（6-1）得到等温下稳定流动(liúdòng)的分离过程所需最小功的表达式：按热力学第一定律（能量守恒）：（6-1）（6-2）（6-3）（6-4）精品资料1010式（6-3）可以表示为物流的自由(zìyóu)焓增量：得到(dédào)逸度表示的最小功：由自由焓的定义（6-5）混合物的摩尔自由焓可由各组分的化学位加和得到：（6-8）（6-6）（6-7）组分的基准态相同精品资料1111分离的最小功表示了分离过程耗能最低限。在大多数情况下，实际分离过程所需能量是最小功的若干倍。最小分离功的大小标志着物质分离的难易程度。只有当分离过程完全可逆时，分离消耗的功才是分离最小功。为了使实际分离过程更为(ɡènɡwéi)经济，实际分离过程能耗应尽量接近最小功。在综合评价不同的设计方案时，最小功具有重要的意义。分离过程(guòchéng)最小功的意义注意精品资料12分离(fēnlí)理想气体混合物对于理想气体(lǐxiǎnɡqìtǐ)混合物，和则式（6-8）可以简化为：此式说明：最小功与压力以及被分离组分的相对挥发度无关。对于由混合物分离成纯组分的情况，上式（6-9）可以进一步简化。（6-9）精品资料13分离(fēnlí)理想气体混合物例如，对于(duìyú)由A和B组成的二元气体混合物分离成纯组分A和B的情况：在等摩尔进料的情况下，从式（6-10）得到无因次最小功的最大值是0.6931。简化为（6-10）简化的无量纲最小功精品资料1414Note:就双组分混合物的分离而言对于分离产品(chǎnpǐn)不是纯组分的情况：过程的最小分离功等于原料分离成纯组分的最小分离功减去产品(chǎnpǐn)分离成纯组分所需的分离功。可见，产品(chǎnpǐn)纯度越低，所需最小分离功越小。分离成非纯产品(chǎnpǐn)时所需最小功小于分离成纯产品(chǎnpǐn)时所需最小功。（如例题6-1的结论）注意(zhùyì)精品资料15分离低压(dīyā)下的液体混合物对于(duìyú)在接近或低于环境压力下等温分离液体混合物的情况，式（6-8）可以简化为简化为可以看出：-Wmin,T也不受压力和相对挥发度的影响，但与活度系数有关。（6-11）精品资料1616对于(duìyú)二元液体混合物分离成纯组分液体产品，上式（6-11）可以简化为：可见，除温度以外，最小功仅决定于进料组成和性质，活度系数γi>1的混合物比活度系数γi<1的混合物需要较小的分离(fēnlí)功。由上式可知，当γA,FxA,F=1和γB,FxB,F=1，因进料中两组分不互溶，已经达到完全分离(fēnlí)，-Wmin,T=0。简化为（6-12）精品资料1717Note:必须指出，传热是系统与环境之间另外一种能量传递方式。一旦确定了最小功，就可以利用式（6-1）给出的能量衡算式来计算相应的传热速率。对于理想气体分离(fēnlí)过程，此气流在环境温度和相同的压力下进入和离开系统，由于混合热为零，故不发生焓变。这时由式（6-1）可知，从过程向环境的传热速率等于环境对系统所作的最小功。注意(zhùyì)精品资料1818Note:对于形成理想溶液的液相混合物，在环境温度和接近于环境压力下进入和离开过程，则从过程到环境的传热速率也等于对过程所作的最小功。当液体形成非理想溶液时，因为(yīnwèi)出口物流焓的总和不等于进口物流焓的总和，故传热速率不等于最小功。对于与理想情况表现为正偏差的溶液，过剩焓的变化为正，即混合过程是吸热的，这时净混合热使最小功比理想溶液的最小功有所降低。注意(zhùyì)（6-14）过剩焓的变化精品资料1919Note:放热速率等于(děngyú)分离的净放热与最小功之和。如例题6-2的计算。对于负偏差溶液，过剩焓为负，即混合过程是放热的。即：溶液为正偏差时，等温分离所需的最小功将比相应的理想溶液时的值要小；反之，对负偏差系统，将比理想溶液时要大。(-Wmin,T)正偏差体系＜(-Wmin,T)理想体系＜(-Wmin,T)负偏差体系注意(zhùyì)精品资料20等温分离非理想物系最小功耗的规律(guīlǜ):①若溶液为正偏差时（即），等温分离-Wmin,T将比分离理想溶液时小；如例6-2的结果②若溶液为负偏差时（即），等温分离-Wmin,T将比分离理想溶液时大；③对于完全不互溶体系（即）-Wmin,T等于零。Summary

精品资料21216.1.2非等温分离(fēnlí)和有效能当分离(fēnlí)过程的产品温度和进料温度不同时，不能用自由焓的增量来计算最小功，而应根据有效能的概念来计算最小功。（6-15）由热力学第一定律得到的能量衡算式其中，Q是从温度为T的热源向过程传递的热量；Ws为过程对环境所作的轴功。精品资料22226.1.2非等温分离(fēnlí)和有效能根据热力学第二定律建立熵平衡，可以得到过程的能量(néngliàng)效用，（6-16）ΔS产生是由于不可逆过程而引起的熵变。用T0乘以式（6-16），并与式（6-15）合并，得到式（6-17）（6-17）精品资料2323根据流动系统物流有效能的定义B=H–T0S,得到(dédào)稳态下的有效能平衡方程（6-18）式中有效(yǒuxiào)能B是温度、压力和组成的函数。精品资料2424是热量Q自温度T的热源(rèyuán)向温度为T0的环境传热所产生的等当功由式（6-18）可知，系统(xìtǒng)的净功消耗-W净（总功）为等当功和环境对系统(xìtǒng)所作轴功之和：当过程可逆时，△S产生=0，可得最小分离功：

该式表明，稳态过程最小分离功等于物流的有效能增量。

由卡诺循环可知(6-20)(6-21)非等温不可逆过程）分离净(BWD>-\精品资料2525按照式(6-22)计算分离过程(guòchéng)的最小功时,可先分别计算出ΔH以及ΔS，例如，把理想气体混合物分离为纯组分时，式（6-22）中的ΔH及ΔS可以按照下式计算：(6-23)(6-24)有效(yǒuxiào)能增量可表示为(6-22)精品资料26266.1.3净功消耗(xiāohào)和热力学效率通常，分离(fēnlí)过程所需的能量多半是以热能形式而不是以功的形式提供的。在此情况下,最好是以过程所消耗的净功来计算消耗的能量。一般以W净计算能量：净功消耗：–W净=W入–W出一般分离(fēnlí)过程：原料产物QCQRTCTR精品资料2727如图6-4，精馏过程(guòchéng)依靠从再沸器加入热量QR(温度为TR)和冷凝器移出热量Qc(温度为Tc)，该过程(guòchéng)消耗的净功是：(6-25)若分离过程产生的两股物料的焓差别极小(jíxiǎo).可以忽略时,此时净功为(6-26)精品资料2828对实际分离(fēnlí)过程，式(6-20)中的T0ΔS产生>0，故(-W净)>ΔB分离(fēnlí)把任何分离过程中系统有效能的改变(gǎibiàn)与过程所消耗的净功之比，定义为分离过程的热力学效率:即η=ΔB分离/(-W净)(6-27)Note:

若分离过程是完全可逆的，热力学效率为1.0；实际过程为不可逆过程，故必定小于1.0精品资料2929因为实际的分离过程是不可逆的，所以热力学效率η<1，不同类型的分离过程，其热力学效率各不相同。分离过程热力学效率的一般规律(guīlǜ)如下：一般来说，只靠外加能量的分离过程（如精馏、结晶、部分冷凝），热力学效率往往高一些；同时加入能量分离剂和质量分离剂的分离过程（如共沸精馏、萃取精馏、萃取和吸收等）热力学效率较低；而速率控制的分离过程（如膜分离过程）效率则更低。特别(tèbié)比较精品资料3030[例6-3]设环境温度T0=294K，计算：（1）.再沸器负荷(fùhè)（冷凝器负荷(fùhè)给定）（2）.有效能变化（3）.净功消耗（4）.热力学效率解：计算基准：1小时（1）.由图解得：D=159.21kmol/hW=112.95kmol/hF=272.16kmol/h全塔热量衡算：QR=34311918.14kJ/hPage230精品资料3131T0=294KQR=34311918.14kJ/hQC=32401526kJ/h精品资料3232精品资料33有关(yǒuguān)概念-Wmin,T的意义(yìyì)：表示分离过程能耗的最低限。分离的最小功、热力学效率、等当功、有效能定义、多效精馏等。

热力学效率等当功有效能定义式Summary

精品资料3434为什么要进行精馏(jīnɡliú)过程的节能？精馏是化工生产中应用最广泛的分离方法，同时也是能耗最大的单元操作。分离过程的能耗大约占整个化工用能的40%，而其中95%是精馏过程消耗的。例如，据报道，美国4万多个精馏塔所消耗的能量相当于每天190,000m3（120万桶）石油，占全国(quánɡuó)能耗的3%。由此可见，精馏节能具有重要意义。第二节精馏节能技术精品资料356.2.1精馏过程(guòchéng)的热力学不可逆性分析分离过程所需最小功，即△B分离是由原料和产物的组成、温度和压力所决定的。由式（6-27）可知，要提高热力学效率只能采取措施降低过程的净功消耗，使过程尽量接近可逆过程。精馏过程热力学不可逆性主要由以下原因(yuányīn)（三传）引起的：（1）通过一定压力梯度的动量传递；（2）通过一定温度梯度的热量传递或不同温度物流的直接混合；（3）通过一定浓度梯度的质量传递或者不同化学位物流的直接混合。精品资料可见，如果降低流体流动过程(guòchéng)产生的压力降，减小传热过程(guòchéng)的温度差，减小传质过程(guòchéng)的两相浓度与平衡浓度的差别，都将使精馏过程(guòchéng)的净功消耗降低。36精品资料37在精馏塔中上升蒸汽通过塔板产生压力降，塔板数较多时，压力降也要加大。对板式精馏塔而言，为降低压力降，可减低气速、降低每块塔板上的液位高度。但是，减低气速意味着在生产能力相同的情况下需增大塔径，即增加(zēngjiā)设备投资。降低塔板上的液位高度将使塔板效率降低。所以，必须根据各种影响因素选择合适的塔径和液面高度。措施：增大塔径，降低板面液层厚度改板式塔为高效低压降的填料塔精馏过程(guòchéng)净功消耗的降低：精品资料38在精馏过程中，再沸器和冷凝器分别以一定的温差加入和移走热量。若使传热温差减小，则传热面积就需增大，这也会使投资费用增大，因此要选用高效换热器及改进操作方式。采用的措施：例如，采用降膜式再沸器、热虹吸式再沸器、强制(qiángzhì)循环式换热器等；若冷凝器冷却水温度过低，净功消耗必定增加，故冷凝器中热量的回收利用也是精馏过程降低净功消耗的一个重要方面。精品资料39进出每块塔板的气液相在组成与温度上的相互不平衡，是使精馏过程热力学效率下降的重要因素。由下一块板上升的蒸汽与上一块板下流的液体相比，温度要高一些，易挥发组分的含量要小于下流液体成平衡时的数值。要降低净功消耗就必须减小各板传热和传质的推动力，即可以(kěyǐ)尽量使操作线与相平衡线相接近。由图6-3来讨论这个问题。精品资料40由图6-3(b)可知，最小回流比下操作所需的净功要小于较大回流比下的数值。但即使在最小回流比下操作，除了在进料板附近(fùjìn)，其它各板仍有较大的传热和传质推动力。如果将操作线分成几段，就可以减小这些板上的热力学不可逆性。如图6-3(c)将精馏段操作线和提馏段操作线各自分为两段的情况。再进一步分段延伸，最后操作线与平衡线完全重合，即达到图6-3(d)，即所谓的“可逆精馏”精品资料4141Note:极限情况：操作线与平衡线完全重合，即所谓的“可逆精馏”。要达到这样的情况。就要有无限多个平衡级，无限多个中间(zhōngjiān)再沸器和中间(zhōngjiān)冷凝器。此时，精馏段的回流量是越往下越大，提馏段的上升蒸气量是越往上越大，塔径应是两头小、中间(zhōngjiān)大。当然，实际上不可能使用“可逆精馏”，它只是代表一个极限情况。精品资料42精馏过程热力学不可逆的原因三传的不可逆性：（1）流体(liútǐ)流动时有压力差；（2）传热时有一定的温差；（3）传质过程有浓度差。提高精馏过程热力学效率的途径（1）降低流动过程的压力差，变板式塔为填料塔是降低提高生产能力的主要途径；（2）减小塔顶冷凝器和塔底再沸器的温度差,常采用高效换热器或改进操作方式；（3）在较小R或不同R（设中间再沸器或中间冷凝器）下操作，降低传热传质的不可逆性，提高热力学效率；（4）采用双效或多效精馏。Summary

精品资料4343使净功降低的方法：降低压差，减少温差，减少浓度(nóngdù)与平衡浓度(nóngdù)差。1）塔设备若N越多，使△P↑，不可逆性越大可使：气速↓，液层高度↓；使△P↓但是：气速↓，生产能力不变时D↑，投资费用↑液层高度↓，板效率↓改进方式：1.选择合适的塔径、液层高度2.改板式塔为高效填料塔Summary

精品资料44442）再沸器、冷凝器若传热温差小，不可逆性减小但是：传热面积↑，设备费用↑液层高度↓，板效率↓改进(gǎijìn)方式：1.采用高效换热器2.改进(gǎijìn)操作方式3）传热推动力、传质推动力精馏操作：Ln+1，Vn-1进入n板，对Vn，Ln在n板温度和浓度相互不平衡Summary

精品资料45451）降低(jiàngdī)压力降增大(zēnɡdà)塔径设备投资上升降低液层高度塔板效率下降改进的方式：1、选择合适的塔径、液层高度2、改板式塔为高效填料塔2）减小温差和浓度差减小传热和传质推动力“可逆精馏”无限多平衡级、无限多中间再沸器和冷凝器无实用价值Summary

精品资料4646改进方式：1.传热推动力△T=（Tn-1—Tn）↓2.传质(chuánzhì)推动力△y=（KnXn,i—yn-1,i）↓即：y-x图中，操作线向平衡线靠近△T↓△y↓R>RmyAXAXAyAR=RmN=∞换热器∞台塔径：两头(liǎngtóu)小，中间大XAyA可逆精馏操作线与平衡线重合XAyA分段精馏增加两个换热器精品资料4747可逆精馏(jīnɡliú)的条件①无穷多的理论(lǐlùn)板②无穷多的中间冷凝器③无穷多的中间再沸器小结精品资料48486.2.2多股进料和侧线(cèxiàn)采出多股进料当分离两种或由多种组分相同，组成不同的原料时，一般有两种进料方式：（1）将不同组成的原料混合在一起，以平均组成的原料在塔的同一进料口进料；（2）不同组成的原料在同一个塔的不同位置进料。例如(lìrú)，二组分精馏，两种原料的进料量分别为F1和F2，相应组成为xF1和xF2。混合进料的组成为xFav。将两种进料工况的操作线画在y-x图上，如图6-4所示。精品资料6.2.2多股进料和侧线(cèxiàn)采出多股进料图6-4y-x图和操作(cāozuò)线由图6-4可见，采用二段进料时，操作线趋近于平衡线，不可逆损失降低，因而热能消耗降低。原因：精馏分离消耗能量，而混合是分离的逆过程。在分离过程中，任何具有势差的混合过程，都意为着能耗的增加。Note:采用二段进料复杂塔，由于精馏段操作线斜率减小，回流比减小，所需塔板数要增加。精品资料Examplep233506.现以两种浓度的甲醇一水二组分原料液精馏为例，进料和塔底、塔顶产品的浓度和流量(liúliàng)如下:两种精馏进料方式(fāngshì)比较精品资料Note:无论进料状态如何，塔中精馏段操作线的斜率必小于中间段的，中间段的斜率必小于提馏段的。各股加料的q线方程仍与单股进料时的相同。减小回流比时，三段操作线均向平衡线靠拢，所需理论板数将增加。当回流比减小到某一极限值即最小回流比时，夹点可能出现(chūxiàn)在精馏段操作线与中间段操作线的交点，也可能出现(chūxiàn)在中间段操作线与提馏段操作线的交点。而对于非理想性很强的物系，夹点也可能出现(chūxiàn)在某一中间位置。51精品资料侧线(cèxiàn)出料当需要组成不同的两种或多种产品(chǎnpǐn)时，可在塔内相应组成的塔板上开侧线抽出产品(chǎnpǐn)。侧线抽出的产品(chǎnpǐn)可以是液体或蒸汽。这种出料方式既减少了塔数，也减少了所需热量，是一种节能的好方法。52精品资料如图6-5所示。图6-5(b)侧线出料组成为xD’饱和液体，图6-5(c)侧线出料组成yD’的蒸汽。但是，无论(wúlùn)哪一种情况，中间段操作线斜率必小于精馏段的。在最小回流比下，恒浓区一般出现在q线与平衡线的交点处。侧线出料既可以用于二组分精馏，也可以用于多组分精馏，只是出料组成更为复杂。Note:增加侧线出料后，并没有增加设计变量数，故只能对侧线出料组成中的关键组分进行质量监控。53精品资料54546.2.3设置(shèzhì)中间冷凝器和中间再沸器在普通精馏塔中，热量从温度最高的塔底再沸器加入，从温度最低的塔顶冷凝器移出。由式(6-26)可看出，(-W净)大，η低。加热和冷却的费用也随釜温的升高和顶温的降低而升高。若采用中间温度下操作的中间再沸器和中间冷凝器，可以使操作向可逆精馏的方向趋近。同时可节省和回收较高位的势能。它特别适合于:有较大塔顶、塔釜温差的情况，若中间冷凝器和中间再沸器之间再加一个热泵(rèbènɡ)，则可获得进一步改进。精品资料在精馏塔中增加中间(zhōngjiān)冷凝器和中间(zhōngjiān)再沸器的流程如图6-6(a)所示。55即在精馏(jīnɡliú)段设置中间冷凝器，在提馏段设置中间再沸器。这样，精馏(jīnɡliú)段和提馏段各增加两条操作线如图6-6(b)所示。精品资料5656这时，靠近进料点的精馏段操作线的斜率大于更高处的精馏段操作线的。而靠近进料点的提馏段操作线的斜率小于更低处的提馏段操作线的。与没有中间再沸器和中间冷凝器的精馏塔相比：操作线靠近平衡线，所以精馏过程的有效能损失减少。Notice:这种流程，既然在进料点处两条操作线的斜率保持不变，则说明总冷凝量和总加热量没有变；i.e.两个蒸馏釜的热负荷之和与原来一个蒸馏釜的相同；两个冷凝器的热负荷之和与原来一个冷凝器的相同。但是，与原蒸馏釜相比，第二个蒸馏釜可以使用较低温度的热源(rèyuán)。与原冷凝器相比，第二个冷凝器可以在较高温度下排出热量，从而降低了能量的降级损失。精品资料Note设置中间再沸器和中间冷凝器来降低分离过程的有效能损失(sǔnshī)，不是靠降低总热能消耗量来达到目的的，而是借助于所用热量的品位不同来实现的。因此，增设中间再沸器的条件是：要有不同温度的热源供用。设置中间冷凝器的条件是：中间回收的热量要有适当的用户，或者可以用冷却水冷却，以减少塔顶所需制冷量的负荷。如果中间再沸器和塔底再沸器使用同样的热源，中间冷凝器和塔顶冷凝器使用同样的冷源，则这个流程就毫无意义，结果是浪费了设备投资。57精品资料中间再沸器的使用并不能改变或减少总的再沸器加热负荷，只不过将一部分热量(rèliàng)移往温度级别较低的提馏段；同样中间冷凝器的使用也不能改变或减少总的冷凝器冷却负荷,仅仅是将一部分冷量移往温度级别较高的精馏段。当装置中存在可以利用的废热或冷剂时，节能效果尤为明显。58Summary

精品资料优点(yōudiǎn)两者的优点:（1）可以节省能量。对于低温塔而言，中间(zhōngjiān)冷凝器的使用可以降低塔顶的昂贵冷剂的使用。对于再沸器而言可以回收塔底的冷剂。而对于高温塔而言，中间(zhōngjiān)冷凝器的作用是回收了塔的热量。对于高温塔中间(zhōngjiān)再沸器，目的是可以用比塔底再沸器热源更廉价的热剂。（2）在适当的位置设置中间(zhōngjiān)再沸器和中间(zhōngjiān)冷凝器，可使塔的气液负荷均匀，减小塔径，节约成本。59Summary

精品资料6060SRV蒸馏p234DistillationwithSecondaryRefluxandVaporization是产生(chǎnshēng)二次回流二次再沸的方法。在图6-7所示的原理示意图中，精馏段的操作压力高于提馏段，此压差可导致足够的温差，致使精馏段和提馏段的每一对塔板之间能进行(jìnxíng)希望的热交换。精品资料6161SRV蒸馏特点：精馏段的操作压力高于提馏段，精馏段的中间冷凝热用作为提馏段的中间再沸器的热源。精馏段的液相回流量自下而上渐减，提馏段的蒸汽流率自下而上渐增，特别适合于：对于沸点相近的混合物的冷冻分离，SRV精馏可以(kěyǐ)减少公用费用，很有吸引力。因此，是低温精馏领域值得注意的一个新发展方向。精品资料6262降低精馏能耗的途径各种各样，无论采用何种措施，均能获得一定程度的节能效果，但是最终评价准则是经济效益。在大多数情况下，采用节能技术均会减少操作费用，但会增加(zēngjiā)设备费(如，电炉加热室温与空调加温)，而且往往使操作变得复杂，要求较高的控制水平。总之，需要综合权衡，采取最佳方案。Notice

精品资料63636.2.4多效精馏(jīnɡliú)（类似多效蒸发）由式(6-25)，使(-W净)最小功的设想是塔釜加热剂温度(wēndù)略高于釜温；塔顶冷却剂温度(wēndù)略低于顶温。而实际上，最廉价的冷却剂是水和空气，最常用的加热剂是水蒸汽，很难满足以上设想。多效精馏是节省精馏能耗的途径之一。(6-25)精品资料6464采用两效或多效精馏是充分利用能级的一个办法。多效精馏：能量减少30—40%。多效精馏原理类似于多效蒸发，其基本原理是：重复使用供给精馏塔的能量，以提高热力学效率，是以多塔来代替单塔，即将一个分离任务分解为由若干操作压力不同的塔莱完成。即是利用若干压力不同的精馏塔，按压力高低顺序给与组合，使相邻两塔之间将高压塔顶的蒸汽作为低压塔底的再沸器的预热介质。从而(cóngér)使该分离系统能耗下降。精品资料Note多效精馏(jīnɡliú)充分利用了冷热介质之间过剩的温差，虽然其总能量降级和单塔一样，但是，它不是一次性降级的，而是逐塔逐级降低的，这样，每一个塔的塔顶、塔底温差减小了，降低了有效能损失，从而节省了能量消耗。65精品资料666多效精馏(jīnɡliú)流程多效精馏的效数越多，所需加热的蒸汽就越少。但是，效数的增加受到第一级加热蒸汽压力、末级冷却介质(jièzhì)种类（一般应以用常规冷却水冷凝末级塔顶蒸汽为原则）、设备投资费用的限制，所以一般多采用由两塔组成的双效精馏。根据进料方式以及气液间相互流动方向的不同，双效精馏分为五种基本方式，如图6-10.按照操作压力分类：①加压—常压；②加压—减压；③常压—减压；④减压—减压四种。多效精馏的类型：并流、逆流、平流。其中，以串联的并流装置最为常见。精品资料67根据进料方式(fāngshì)以及气液间相互流动方向的不同，双效精馏分为五种基本方式(fāngshì)，如图6-10.精品资料6868(a)并流型，分别(fēnbié)进料(b)逆流(nìliú)型，低压塔产物进高压塔Page236图6-10多效精馏的基本方式精品资料6969(c)混流I型Page236图6-10多效精馏的基本(jīběn)方式(d)混流II型精品资料7070双效精馏(jīnɡliú)的特点1）由一个低压塔和一个高压塔构成(gòuchéng)；2）低压塔的再沸器与高压塔的冷凝器耦合成一台换热器，以高压塔顶蒸汽去加热蒸发低压塔底的物料，（即：高压塔气相采出是低压塔塔釜的热源，用一倍的热处理两倍之多进料）；3）一般地，与单塔精馏相比，可节能30-40%。注意精品资料7171各种双效精馏(jīnɡliú)的异同点（1）加料方式不同(bùtónɡ)，例如，(a)，(b)，(c)三图的进料F中低沸点组分较多；(d)图中进料F中，高沸点成分多，进料全部进入高压塔.（2）出料方式不同(bùtónɡ)，（3）两塔之间物流的走向不同(bùtónɡ)。Summary

精品资料多效精馏节能效果(xiàoguǒ)与效数关系当冷却介质之间的温差一定时，随着效数的增加，各效之间热交换器的温差减小，因而传热面积增加，并且每增加一效，需要增加塔和换热设备各一台，从而设备费用增加。如果每增加一效所需增加的设备费用相同(xiānɡtónɡ)，但是节能效果的增加相差非常大。例如，如果从一效增加到二效，节能效果增加50%，而从四效增加到五效，节能效果仅仅增加5%。效数越大，节能效果增加的就越小。如图6-11所示精品资料多效精馏应用准则多效精馏一般适用于非热敏性物料的分离，并且只要精馏塔塔底和塔顶温差比实际可用的加热剂和冷却剂间温差小得多，就可以考虑采用多效精馏。多效精馏要受到许多因素的影响和限制。①效数的增加受到第一级加热蒸汽压力及末级冷却介质种类的限制，第一塔的最高压力必须(bìxū)低于临界压力;②再沸器的温度不得超过可用热源的最高温度;③塔的最低压力通常要根据冷却水能使塔顶气体冷凝而定;④各塔之间必须(bìxū)有足够的压差和温差，以便有足够的冷凝器一再沸器推动力;⑤效数的增多使操作困难，两塔之间的热偶合，需配备更高级的控制系统。精品资料多效精馏应用(yìngyòng)准则另外，还需要考虑体系相对挥发度、进料组成、热状态、板效率(xiàolǜ)以及现有塔的利用等因素。总之，在考虑多效精馏的节能方案时，要从系统的全过程进行综合分析、评估，以便选择最佳方案来满足工艺要求。目前，在发达国家，多效精馏已经成为一种规范性节能途径，并广泛应用于工业生产中。74精品资料757多效精馏的计算[例6—4]计算分离甲醇(jiǎchún)水溶液时,采用单效精馏和双效精馏所需热量之差别。工艺条件标于图6-8上。浓度为重量百分数。进料及回流均为饱相液体。P237精品资料7676[例6-4]附图甲醇-水体系(tǐxì)逆流双效精馏法精品资料7777得出(déchū)的结论即由单效改为双效可节约热量35％。由低压塔釜送料至高压塔需要(xūyào)液体泵，但由此消耗的能量是很小的，可以忽略不计。精品资料7878影响(yǐngxiǎng)多效精馏的因素（1）投资(tóuzī)的限制：效数塔数塔设备投资效数换热器传热温差传热面积换热器设备投资效数的确定要综合考虑投资费用的增加和运行费用的降低。Summary

精品资料7979影响多效精馏(jīnɡliú)的因素（2）操作(cāozuò)条件的限制：

高压塔的压力和温度受系统临界压力和温度、热源的最高温度及热敏性物料的耐热温度等的限制；

低压塔往往要受到塔顶冷凝器冷却水温度的限制。一般情况下，多效精馏的效数为两效或三效两效精馏操作所需热量与单塔精馏相比，可以减少30~40%。精品资料80806.2.5热泵(rèbènɡ)精馏（低温精馏的热泵(rèbènɡ)）任何精馏塔操作上都是塔顶温度(wēndù)低、塔底温度(wēndù)高。塔顶冷凝器需要用冷剂移出热量，塔底再沸器需要加热介质供热。Question:如果把塔顶上升蒸汽的热量传给塔底物料，则热能可以充分利用，行不行呀？Answer:由于温差倒置而不能自动进行。怎么办呀？？精品资料按照热力学第二定律，为了从温度较低的塔顶冷凝器中取出热量，而同时又要把这部分热量送入温度较高的塔釜再沸器中，外界(wàijiè)必须向精馏塔做功。这就相当于用泵或压缩机把热量从温度较低的塔顶送到温度较高的塔釜，这种将精馏塔与制冷循环结合起来的过程就构成了热泵精馏系统。它的原理是使用膨胀阀和压缩机来改变冷凝和（或）沸腾温度，使冷凝器中放出的热量用作再沸器中加热所需的热量。当冷凝器和再沸器不相匹配时，可以用辅助冷凝器和再沸器。81对于(duìyú)组分沸点差较小的低温精馏系统，热泵流程是一种有效的提高热力学效率的手段。精品资料热泵精馏(jīnɡliú)的类型热泵精馏(jīnɡliú)按制冷方式分为四种类型。第1类为一般制冷精馏(jīnɡliú)过程，如图6-12所示。82制冷循环对精馏塔塔顶冷凝器提供冷剂，制冷剂的循环自成系统。精品资料热泵(rèbènɡ)精馏的类型热泵精馏按制冷(zhìlěng)方式分为四种类型。第2类为精馏塔闭式热泵流程，如图6-13所示。83冷凝器是制冷循环制冷剂的蒸发器，再沸器是制冷剂的冷凝器。特点是：塔内物料与制冷循环系统的工质是被隔开的。自成系统。精品资料热泵精馏(jīnɡliú)的类型热泵精馏按制冷方式分为四种类型(lèixíng)。最后两类是开式热泵。图6-12(a)所示为精馏塔A型开式热泵。84塔顶产物乙烯间接对再沸器加热，本身被冷凝，其中一部分作为产品出料，另一部分降压降温后作为塔顶的回流精品资料A型开式热泵(rèbènɡ)特点优点：（1）从制冷循环的角度看：可以理解为砍掉了制冷剂蒸发器，节流后的物料乙烯返回塔顶，既是被分离的物料，又是制冷剂；（2）从精馏角度看：可以理解为塔顶冷凝器与塔底再沸器合二为一。因此，既节约(jiéyuē)了能量，又能省去昂贵的低温换热器。缺点：对操作要求比较严格。Note:采用A型开式热泵，原塔顶冷凝器的传热温差为零，所以提高了热力学效率。85精品资料热泵(rèbènɡ)精馏的类型热泵精馏(jīnɡliú)按制冷方式分为四种类型。最后两类是开式热泵。图6-12(b)所示为精馏(jīnɡliú)塔B型开式热泵。86塔底出料为乙烷，而制冷循环的制冷剂也采用乙烷。精品资料B型开式热泵(rèbènɡ)特点优点：（1）从精馏角度看：可以理解为塔底再沸器与塔顶冷凝器结合为一个(yīɡè)设备；（2）从制冷循环的角度看：可以理解为砍掉了制冷剂冷凝器，将间接传热改为直接传热；塔釜温度=压缩机的排气温度，从而降低了传热的不可逆性。Note:采用B型开式热泵，塔釜再沸器的传热温差为零，所以可以提高热力学效率。87精品资料闭式和开式流程(liúchéng)的比较闭式流程所选用的工作流体在压缩特性、汽化热等性质上可以更优良，但是需要2台换热器，并且为了确保一定的传热推动力，要求(yāoqiú)压缩升温较高；当塔顶蒸汽或釜液蒸汽有较好的压缩特性和较大的汽化热时，宜选用开始流程。一般情况下，当塔顶产品是一个很好的冷剂时，可以考虑采用A型开式热泵；相反，当塔釜产品是一个很好的冷剂时，可以考虑采用B型开式热泵。88注意精品资料[例6-5]在方案比较中，采用美国AspenTech公司的化工流程软件AspenPlus对流程进行(jìnxíng)了模拟，模拟结果见表6-1一表6-3。精品资料9090热泵精馏是靠消耗一定量的机械功来提高低温(dīwēn)蒸汽的能位而加以利用的。由于所获得可利用热量远远超过输入系统的能量，因而可以节能。所以，消耗单位机械能回收的热量是一项重要经济指标。显然，对于沸点差小的混合物分离的精馏塔应用热泵精馏效果会更好。由于热泵精馏需要增加压缩机，又要消耗机械能，所以推广应用受到一定限制。Summary

精品资料6.2.6热偶合精馏(jīnɡliú)和隔壁塔（1）热偶合精馏在单个精馏塔中，依靠冷凝器和再沸器分别提供液相回流和塔釜上升蒸汽，但是，在多个精馏塔设计时，设想如果能从某一个塔引出一股液相物流直接作为另一个精馏塔的液相回流，或者是引出一股气相物流直接作为另一个精馏塔的上升蒸汽，则在这些塔中可以省略冷凝器或再沸器，从而实现通过(tōngguò)物流直接接触来提供所需要的热量，称为热耦合。热耦合精馏塔(thermallycoupleddistillation,TCD)就是这样一种流程结构，是一种新型节能精馏方式。它是以主塔和副塔组成的复杂塔系代替常规精馏塔序列，在热力学上是最理想的系统结构，可以同时节省设备投资和能耗，但是，这种精馏方式在设计和操作控制上比较困难。91精品资料图6-15所示为直接序列(xùliè)热偶合流程。（1）热偶合(ǒuhé)精馏第一塔的再沸器通过热耦合由第二塔的返回气相物流所取代，第一塔釜液仍然为第二塔进料，四个塔段分别为1、2、3、4精品资料6.2精馏节能(jiénénɡ)技术在图6-16中，四个塔段重新排列，形成侧线(cèxiàn)提馏式结构。（1）热偶合精馏精品资料94图6-17所示为简单塔间接(jiànjiē)序列热偶合流程。第一塔的冷凝器由热耦合代替，四个塔仍然(réngrán)分别是1、2、3、4；精品资料95在图6-18中，四个塔段重新排列，形成(xíngchéng)侧线提馏式结构。精品资料图6-19(a)所示预分离塔流程中预分离塔有一再(yīzài)沸器和一分凝器。图6-19(b)所示为热偶合预分离流程，又称Petyluk塔。比较图6-19(a)与6-19(b)，总的热负荷和冷负荷几乎相同，但是，两个主塔的塔顶和塔底的气、液流率不同(bùtónɡ)。综合比较：热耦合流程可节约能耗30%。精品资料图6-20所示为热偶合(ǒuhé)的另一结构。（2）隔壁(gébì)塔（自学）精品资料热耦合流程(liúchéng)的适用范围并不适用于所有化工分离过程，应用受到一定的限制；原因：虽然此类塔从热力学角度看具有最理想的系统结构，但是它主要是通过对输入精馏塔的热量的“重复利用”来实现的，当再沸器所提供的热量非常大、或者冷凝器需要将物料冷却至很低的温度时，此工艺会受到很大限制。此外，热耦合流程对所分离物系的纯度、进料组成、相对挥发度及塔的操作压力(yālì)都有一定的要求。98精品资料Note:热偶精馏流程对所分离物系的纯度、进料组成、相对挥发度及塔的操作压力都有一定的要求。1产品纯度：热偶精馏流程所采出的中间产品的纯度以一般精馏塔侧线出料产品的纯度更高。因此，希望得到高纯度的中间产品时，可以考虑采用热偶精馏流程。2进料组成：若分离A,B和C三组分混合物，且相对挥发度依次递增，采用热耦合精馏时，进料中组分B的量应该最多，而组分B和C数量上应相当。3相对挥发度：当组分B是进料中的主要组分时，只有(zhǐyǒu)当组分A、B之间的相对挥发度与组分B、C之间的相对挥发度的比值相当时，采用热耦合精馏节能优势最明显。如果组分A与B（或组分B与C）非常容易分离，从节能角度来看，不如使用常规的双塔流程。4操作压力：整个分离流程的压力不能改变。如果需要改变压力时，只能使用常规的双塔流程。99精品资料100100精馏的节能(jiénénɡ)技术精馏的节能越来越受到广泛重视，目前比较(bǐjiào)常用的方法有：（1）设置中间冷凝器和中间再沸器的精馏，（2）多效精馏，（3）低温精馏的热泵，（4）热偶合精馏。小结精品资料101101第三节分离(fēnlí)顺序的选择6.3.1分离(fēnlí)顺序数6.3.2理想多组分精馏塔序的合成6.3.3非理想多组分精馏塔序的合成精品资料102102第三节分离(fēnlí)顺序的选择多组分物料分离成多个纯组分产品需要采用多个塔，这些塔如何排列，哪个组分首先分出，是化工分离过程中经常遇到的问题。合理的流程安排对节能起着重要作用。目前广泛采用的是一个进料和两个产品的分离塔，称为简单分离塔。当用这类塔分离多组分混合物时，就涉及到首先分离哪个组分，再分离哪一个组分，即分离顺序的问题。此外，在简单分离塔功能的基础上采用多段进料、侧线采出、侧线气提和热耦合等方式所构成的复杂塔及其塔系也大量采用。与简单塔相比(xiānɡbǐ)，这种塔在操作和控制上更复杂，但是在节能和热能综合利用上具有明显的优势。page244精品资料103103将简单分离塔进料中各组分按照(ànzhào)相对挥发度的大小顺序排列，当轻、重关键组分为相邻组分，且二者的回收率均很高时，可以认为是清晰分割。为使问题简化，假设分离顺序中各塔均为清晰分割，并且进料的某一组分只出现在一个产品流中。这时，双组分混合液只要一个塔就可以被分离成二个较纯的组分。随着组分数的增多，分离塔及流程方案数也会增加。6.3.1分离(fēnlí)顺序数精品资料104104例如，以一个由A、B、C三个组分所组成的混合溶液，欲将其分离成三个较纯的不同产品．需要两个塔，此时可有两个流程方案(fāngàn)。一种方案(fāngàn)为在第一个塔内将A分出，然后在第二个塔内将B与C分开；另一种方案(fāngàn)是在第一个塔内将C分出，而在第二个塔内再将A与B分开。对于分离四组分混合物为4个纯的单一组分产品，则需要3个塔和5种不同的分离流程，如图6-21所示。6.3.1简单(jiǎndān)分离顺序的合成精品资料105105Example:将混合物ABCDE···(按挥发(huīfā)度降低排列）分离为纯组分。6.3.1分离(fēnlí)顺序数ABAB二元：一个塔，一种方案三元：ABCABCABABCABCBC二个塔，二种方案精品资料106106四元(sìyuán)：顺序(shùnxù)流程三个塔，五种方案ABCDABCDBCCDD按相对挥发度递减采出ABCDAABCBCABD按相对挥发度递增采出AABCDABCBCBCDABCDABCDBCDBCAABCDABBCCDD按相对挥发度交错采出的逆序流程图6-14分离四组分混合物的五种流程精品资料107107若要把含有C组分的混合液分离成C个以一个(yīɡè)组分为主的较纯产品，则需要C—1个塔。此时就有一个(yīɡè)流程方案及其选择的问题。随溶液中组分数目的增加，可组成的流程方案将显著增加。对C个组分的物系，欲分离成C个以一个(yīɡè)组分为主的纯产品，所需的C—1个塔间可组成的顺序数Sc的计算如下：（6-28）（6-29）用（6—28）或（6—29）计算结果列入表6—2。精品资料108108由此可见，在设计时对所有可能的各种流程方案一一加以计算对比，显然是不可能的。显然，在众多的方案中推出一种最优的方案的确是一件比较困难(kùnnɑn)的事。目前尚无理论推导的办法，主要是靠经验。顺序数随着(suízhe)组分数或产品流的增加而急剧增加。精品资料109109对于特殊精馏：例如(lìrú)，对于萃取精馏：加质量分离剂，且数目多。总顺序数S可以估算：T—为不同(bùtónɡ)质量分离剂对相同组分分离方法数；C—系统组分数；SC—简单分离塔计算顺序数。（6-30）精品资料110110Example若C=4，考虑不同的分离方法为简单精馏，用苯酚的萃取精馏，用苯胺的萃取精馏及用甲醇的萃取精馏等，一共4种方法,由(6-29)和（6-30）得到:Sc=5S=44-1×5=320即可能的顺序数为普通简单精馏的64倍。如果还要考虑由于采用分离剂而引起的其它(qítā)问题，如分离剂的回收和循环使用,以及对产品进行最终混调等，都会使可能的顺序数增加更高。精品资料111111[例6-6]用普通精馏将下列混合物分离(fēnlí)成三个产品，确定分离(fēnlí)顺序数。(Page245)（相对挥发度递减）解：由于产品相对挥发性不相邻，故首先必须将混合物完全分离成纯品。方法(fāngfǎ)：1.先分出纯品，查表6—4：C=5时，SC=142.再将烷烃、烯烃混合结论：采用普通精馏分离这些产品不合理。精品资料6.3.2理想(lǐxiǎng)多组分精馏塔序的合成本节将讨论(tǎolùn)接近理想的物系的耦合分离。图6-22三组分混合物精馏的9种方案。组分A、B、C不形成共沸物，相对挥发度顺序递减，αA＞αB＞αC简单分离塔序在第一个塔中将组分分离，然后再分离另外二个组分。第一个塔省略了再沸器，该耦合方式可以降低设备费；但是，开工和控制比较困难。精品资料113方案(fāngàn)D类似于方案(fāngàn)C，方案E为在主塔（即第一塔）的提馏段以侧线(cèxiàn)采出中间馏分（B+C），再送入侧线(cèxiàn)精馏塔提纯，塔顶得到纯组分B，釜液再返回主塔。方案F与方案E类似，侧线采出口在精馏段，故中间馏分为A+B的混合物，侧线提馏段的作用是从塔釜分离出纯组分B。精品资料114方案G为热耦合系统（即Petyluk塔），第一塔起预分馏作用。由于组分A和B的相对挥发度较大，可以实现完全分离。该塔不设再沸器和冷凝器。热耦合塔的能耗是最低的，但开工和控制比较(bǐjiào)困难。方案(fāngàn)H是隔壁塔，与方案(fāngàn)G比较，隔壁塔节能30%，节约投资25%。方案I采用单塔和提馏段侧线出料。侧线采出口应开在组分B浓度分布最大处。Note:这个方法能得到一定纯度的B，却得不到纯B。精品资料115Summary

应该指出：上述分析不限于一个分离产品中只含有一个组分的情况，它也适用于将不论多少组分的混合物分离成三种不同产品的分离过程(guòchéng)。另外，对于具有更多组分的系统，可能的分离方案数量是按照几何级数增加的，选择塔序的问题变得更为复杂。这些塔序方案仅仅是所做工作的开始，因为热交换和能量集成的问题以及流程的选择交织在一起。流程的初步设计可以采用启发法。启发法不一定得到优化的分离流程，但是能得到接近优化的流程。Question?何为启发法？精品资料116116经验法（启发法）优点：不用对所有可能的分离顺序进行考察，在不作设计和设备费用估计情况下，很快选出好顺序。普通精馏塔经验法：1.按相对挥发度递减顺序逐个从塔顶分离出各组分(zǔfèn)。依据：Underwood式：馏出物中：1.组分数少，Vm少，热负荷低；2.若混合物中含低沸物，使之不进入(jìnrù)后面塔。确定分离顺序的经验法精品资料1172．最难分离的应放在塔序的最后。若关键组分的αLH接近1，则应在所有非关键组分都分离出去以后再行分离轻关键和重关键。因为对于难分离组分，要达到一定的分离要求，需要的塔板数N多、回流比R大，若还有别的组分在一起，则塔内流率大，能耗高，设备费高。3．应使各个塔的馏出液流率（mol数）D和釜液流率尽量接近。因为，Qc、QD与R和V’有关，二者彼此相关，若二者相差较大，将使精馏段或提馏段操作的可逆性不好，增加能量消耗。4．分离很高回收率的组分的塔应放在塔序的最后。5．进料中含量高的组分尽量提前(tíqián)分出使后面能量降低、塔径减小。6.特殊组分先分特殊组分：热敏性、强腐蚀性、易爆、易燃等。精品资料118118Note:上述各条经验原则，在实际中常常互相冲突。对具体物系往往(wǎngwǎng)会出现按这一原则可选择这种方案，而按另一种原则又可选择另一种方案。在实际设计中需要对若干不同方案进行对比，以明确在该具体条件下哪个因素是主要的。上述经验规律的真正作用是在于剔除那些比较明显不合理的方案以有利于设计者对方案的选择，大大缩短评比的范围。精品资料119举例：轻油裂解产品的分离(fēnlí),分离(fēnlí)顺序分析：组分相对挥发度α流率/kmol·h-1A

2.451.5B

1.1845.4C

1.03154.7D

48.1E

2.5036.7FnC518.1Example精品资料120根据(gēnjù)原则1：分离方案为A︱B+C+D+E+F或A+B+C+D+E︱