化工分离工程06[1]

第六章分离过程的节能教师：马杰混合过程为不可逆过程，其逆过程（分离过程）耗能。学习本章意义：1.确定完成一个分离过程所需理论最小能量；2.确定接近此能量极限的实际过程，或减小使用昂贵能量的实际过程。第六章分离过程的节能第一节分离的最小功和热力学效率第二节精馏的节能技术第三节分离顺序的选择返回第一节分离的最小功和热力学效率6.1.1等温分离最小功6.1.2非等温分离和有效能6.1.3净功消耗和热力学效率返回热力学第二定律：完成同一变化的任何可逆过程所需功相等。6.1.1等温分离最小功1,1,,1HiznmHmizmn,,,1,1,,1mHmizmn2,2,,2HiznWQ连续稳定分离系统：进出系统物流变量：n，zi，H，S（熵），Q系统对环境作功：W）（按热力学第一定律：出进（能量守恒）16WHnQHnkkjj）（自由焓定义：进出56min,jjkkTGnGnGWTSHG）（即：STHWTmin,][1626min,jjkkjjkkTSnSnTHnHnW进出进出）：）代入（将（）（设等温可逆过程：进出26][jjkkSnSnTQmin,,,,,[lnln]610TAFAFBFBFFABABWyyyynRT若将组分构成二元混合物，分离成纯、气体：（））（96])ln)ln[86ˆ,,,,min,jijijkikikTiiiiyynyynRTWPyfyz（（）：代入（进出物一、分离理想气体混合])ˆln)ˆln[ˆlnˆln,,,,min,00jijijkikikTiiiiiifznfznRTWffRTzG（（）（混合物的自由焓：进出)86(二、分离低压下液体混合物）（（（）：代入（进出116)]ln[])ln[86ˆ,,,,,,min,0jijijijkikikikTLiiiixxnxxnRTWfxf）（）（）（分：二元混合物分离成纯组126]lnln[,,,,,,min,FBFBFBFAFAFAFTxxxxnRTW传热速率：进，出TjjkkWHnHnQmin负，过程为放热负偏差溶液：过剩焓为正，过程为吸热正偏差溶液：过剩焓为：过剩焓变化进出EjjEkkHnHn进出，）（非理想溶液：EjjEkkTHnHnWQmin◆TWQH，压力下进入和离开在环境温度和接近环境）。（故：焓变也为理想溶液液相混合物：min00◆TPTWQH，热为下进入和离开，且混合、物料在相同的）。（故：焓变为理想气体：min000◆返回6.1.2非等温分离和有效能615kkjjSSnHnHQWQTW出进（）：从温度为的热源向过程传递热量：过程对环境所作的轴功）（）（）（）（）合并：）后与（乘（用产生进出176115616600000SjjjkkkWQTTSTSTHnSTHnT河水温度）（规定：海洋、大气、环境温度—设0T熵平衡：变：不可逆过程引起的熵）（产生进产生出SSTQSnSnkkjj1660）（）（）代入（有效能定义：产生进出1861176000SjjkkWQTTSTBnBnSTHB非等温不可逆过程）分离净(BW）（净功消耗：产生分离产生进出净20600STBSTBnBn—环境、热源温度—，—热量；—环境传热所作功）的热源向（温度为）（等当功：由卡诺循环，可逆热机TTQTTCTTQW0001分离过程有效能变化（可逆过程）分离净分离的热库交换。—过程的热量与温度为—）（有效能定义：STHBWWTSTHBWSTHBTT00min,000min,0226）产生（分离净非等温可逆过程：0SBW式（6-20），（6-22）中：)246()ln()236(,,,,,FFiiiFTiPiFiiFTiPiFiPxPRdTTTCxSdTTCxH6.1.3净功消耗和热力学效率通常，分离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。一般以W净计算能量：净功消耗：—W净=W入—W出一般分离过程：原料产物QCQRTCTR）（）（可逆热机功：出入CCCRRRTTTQWTTTQW00）（）（）（过程消耗的净功：出入净25600CCCRRRTTTQTTTQ净分离率：定义分离过程热力学效WB分离净产生分离净有：）：由（BWSTBW0206QQQCR有：料的焓差别极小，分离过程产生的焓与原）为：（256)266(0110）（净RCTTQTW非等温可逆过程为1。例6-3设环境温度T0=294K，计算：1.再沸器负荷（冷凝器负荷给定）2.有效能变化3.净功消耗4.热力学效率解：计算机准：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/hT0=294K)/(79.65/38.1740/16.2722027,2.325KkmolkJFSkmolkJFHhkmolkPaK)/(10.66/37.3073/95.1124.2068,8.330KkmolkJWSkmolkJWHhkmolkPaK)/(69.74/9.12793/21.1595.1930,8.319KkmolkJDSkmolkJDHhkmolkPaKQR=34311918.14kJ/hQC=32401526kJ/h进出分离已知hkJBnBnBkmolkJSTHBkmokJSTHBkmolkJSTHBKTjjkkFFF）（）（出入净%23.23.3净分离WB第二节精馏的节能技术6.2.1精馏过程的热力学不可逆性分析6.2.2多效精馏6.2.3低温精馏的热泵6.2.4设置中间冷凝器和中间再沸器的精馏返回6.2.1精馏过程的热力学不可逆性分析1净分离WB逆过程即：使过程尽量接近可）分离净（非等温可逆过程：BW，使若净W●—不可改变—组成有关、与分离PTSTHB0●热力学不可逆性：1.通过一定压力梯度动量传递2.通过一定温度梯度热量传递3.通过一定浓度梯度质量传递（或不同化学位物流直接混合）使净功降低的方法：降低压差减少温差减少浓度与平衡浓度差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↑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2）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↓改进方式：1.采用高效换热器2.改进操作方式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改进方式：1.传热推动力△T=（Tn-1—Tn）↓2.传质推动力△y=（KnXn,i—yn-1,i）↓即：y-x图中，操作线向平衡线靠近△T↓△y↓RRmyAXAXAyAR=RmN=∞换热器∞台塔径：中间大，两头小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返回(a)分别进料(b)低压塔产物进高压塔(C)产物前馈进料返回6.2.2多效精馏多效精馏：能量减少30—40%图6-7：多效精馏塔的基本方式特点：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。例6—4%35643.0/1019.9/1043.167节能约单双双单QQhkJQhkJQ返回返回6.2.3低温精馏的热泵用于：组分沸点差较小的低温精馏采用：膨涨阀、压缩机三种：1.外部制冷剂图6—92.压缩塔顶蒸汽图6—103.用再沸器气体闪蒸图6—11表6—1低温下丙烯—丙烷分离的热力学效率和日公用费用返回返回返回返回返回6.2.4设置中间冷凝器和中间再沸器的精馏1.使操作向可逆精馏方向趋近2.采用中等温度的再沸器和冷凝器图6—13SRV蒸馏特点：沿全塔布置的换热元件能大大降低塔顶、塔釜负荷提馏段：蒸汽流率自下而上稳定增加精馏段：液体回流量自上而下稳定增加返回返回返回第三节分离顺序的选择6.3.1简单分离顺序的合成6.3.2复杂塔的分离顺序返回一、分离顺序数将混合物ABCDE···(按挥发度降低排列）分离为纯组分。6.3.1简单分离顺序的合成ABAB二元：一个塔，一种方案三元：ABCABCABABCABCBC二个塔，二种方案四元：顺序流程三个塔，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C个组分，采用C-1个塔，分离序数为：)!1(]12[11CCCSSSSCCijCjC！！）（或：)286()296(用（6—28）或（6—29）计算结果列入表6—2。对于特殊精馏：例萃取精馏：加质量分离剂，且数目多。总序数：T—不同质量分离剂对相同组分分离方法数；C—系统组分数；SC—简单塔计算顺序数。CCSTS1例6-5用普通精馏将混合物分离成三个产品，确定分离顺序数。040341302.1044103302.3.2nCCCCCnCCCCC、、；三个产品：和、、、混合物：（相对挥发度递减）解：产品挥发性不相邻方法：1.先分出纯品，查表6—2：C=5时，SC=142.再将烷烃、烯烃混合结论：采用普通精馏不合理二、确定分离顺序的经验法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。普通塔经验法：1.按相对挥发度递减顺序分离依据：Underwood式：iDiimmiDiiDxVRx,,1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，使之不进入后面塔。高。，热负荷小，净功消耗低果无非关键组分存在，与级间流量成正比，如相差大；、多，物系难分，有：若）（）（非关键组分）的难分组分最后分（无关净关QTTNQQQTTQTWRCCRRC1111.20大。提馏段热力学不可逆性反之，若大。精馏段热力学不可逆性，更接近与）比（）使（定；若后，塔釜蒸汽蒸发量一规定釜采出相差不大）尽可能对分（塔顶与塔提精,1,.3),(WDVLVLWDRWLVDLV4.分离要求高的组分最后分分离要求：纯度、回收率纯度高，N多，此时无关键组分，使塔径减小。5.含量多的组分先分使后面能量降低、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。注意：1.以上经验互相冲突，要综和考虑主要方面；2.不须得到纯组分时，采用侧线采出来减少塔数目。例6-6确定较好的精馏塔序。解：1.根据沸点差和产品纯度来考虑2.根据馏出液和釜液流量相差不大来考虑。6.3.2复杂塔的分离顺序200页例6-7201页