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1、第六章第六章 分离过程及设备的效率与节能分离过程及设备的效率与节能 第六章第六章 分离过程及设备的效率与节能分离过程及设备的效率与节能 第一节第一节 气液传质设备的效率气液传质设备的效率 第二节第二节 分离的最小功和热力学效率分离的最小功和热力学效率 第三节第三节 分离过程的节能分离过程的节能 第四节第四节 分离过程系统合成分离过程系统合成 混合过程为熵增、自发、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。 第一节第一节 气液传质设备的效率气液传质设备的效率 6.1.1
2、 6.1.1 气液传质设备的级效率及影响因素气液传质设备的级效率及影响因素 6.1.2 6.1.2 气液传质设备级效率计算方法气液传质设备级效率计算方法 6.1.3 6.1.3 气液传质设备的选择气液传质设备的选择 气液传质设备的效率及影响因素气液传质设备的效率及影响因素 理理 论论 板板实实 际际 板板 气液两相完全混合，板上浓度均一。气液两相完全混合，板上浓度均一。 板上液相浓度径向分布，液体入口处浓度板上液相浓度径向分布，液体入口处浓度 高，进入的气相各点浓度不相同。高，进入的气相各点浓度不相同。 离开板的气液相浓度达到平衡：离开板的气液相浓度达到平衡：达到平衡要无限长时间。影响因数：塔
3、板达到平衡要无限长时间。影响因数：塔板 结构，流结构，流 动情况、物性、动情况、物性、 平衡关系。平衡关系。 均匀流动，各点停留时间相同。均匀流动，各点停留时间相同。不均匀流动，各点停留时间不同。不均匀流动，各点停留时间不同。 无雾沫夹带、漏液、液相夹带汽相等。无雾沫夹带、漏液、液相夹带汽相等。有雾沫夹带、漏液、液相夹带汽相等。有雾沫夹带、漏液、液相夹带汽相等。 1 1）效率的表示方法）效率的表示方法 理论板与实际板比较理论板与实际板比较 引入效率概念引入效率概念 x x i,j-1i,j-1 j j j-1j-1 x x i,ji,j y y i,j+1i,j+1 y y i,ji,j 注意
4、：注意： 1.1. 2. 2. 不同组分计算结果不同不同组分计算结果不同( (二元除外二元除外) )。 假设：气相活假设：气相活 塞流，液体完塞流，液体完 全混合全混合 假设：液流主体在垂直方向完全混合。假设：液流主体在垂直方向完全混合。 等板高度小，填料层传质效率高。等板高度小，填料层传质效率高。 2) 2) 效率的影响因素效率的影响因素 传质速率传质速率 液体混合情况对板效率的影响液体混合情况对板效率的影响 雾沫夹带雾沫夹带 气相总传质单元数气相总传质单元数 传质速率传质速率 由双膜理论：由双膜理论： 液体混合情况对板效率的影响液体混合情况对板效率的影响 气相板效率气相板效率= =点效率点
5、效率 两种极限情况的比较：两种极限情况的比较： 完全混合完全混合 完全不混合完全不混合 1 1 美国化工学会（美国化工学会（AIChEAIChE）模型：）模型： 条件：条件：停留时间均一条件下的纵向混合（无横向混合）停留时间均一条件下的纵向混合（无横向混合） 综上所述：综上所述： 1. 1. 完全混合板效率等于点效率；完全混合板效率等于点效率； 2. 2. 液相纵向不完全混合，使液相纵向不完全混合，使 对板效率起明显有利的影响；对板效率起明显有利的影响； 3. 3. 不均匀流动、环流会产生不利影响，液相横向混合，能削弱这不均匀流动、环流会产生不利影响，液相横向混合，能削弱这 种的影响，使种的影
6、响，使 ； 4. 4. 随塔经增大，纵向不完全混合性的有利影响下降，不均匀流动随塔经增大，纵向不完全混合性的有利影响下降，不均匀流动 趋于严重。趋于严重。 雾沫夹带雾沫夹带 使重组分含量高的液体进入上层塔板，上层塔板轻组分使重组分含量高的液体进入上层塔板，上层塔板轻组分 浓度下降浓度下降 雾沫夹带对板效率的影响：雾沫夹带对板效率的影响： 气液传质设备级效率计算方法气液传质设备级效率计算方法 1 1）经验法）经验法 奥康奈尔（奥康奈尔（OConnellOConnell）关系曲线）关系曲线: P193: P193图图 6-8 6-8 板式塔板式塔 或或 Van WinkleVan Winkle关系
7、式关系式 填料塔填料塔HETPHETP： 经验值：经验值： 乱堆填料乱堆填料0.45-0.6m0.45-0.6m； 鲍尔环鲍尔环25mm25mm的的HETPHETP为为0.3m0.3m， 鲍尔环鲍尔环38mm38mm的的HETPHETP为为0.45m,0.45m, 鲍尔环鲍尔环50mm50mm的的HETPHETP为为0.6m0.6m； 规整填料：规整填料： 金属丝网波纹填料金属丝网波纹填料CYCY型的型的HETPHETP为为0.125-0.166m0.125-0.166m 金属丝网波纹填料金属丝网波纹填料BXBX型的型的HETPHETP为为0.2-0.25m0.2-0.25m， 麦勒派克填料麦
8、勒派克填料HETPHETP为为0.25-0.33m0.25-0.33m。 陶瓷鲍鲍尔环环 塑料鲍鲍尔环环(填料) 陶瓷规规整波纹纹填 料 丝丝网波纹纹填料 2 2）机理模型（用来预测放大后塔板效率）机理模型（用来预测放大后塔板效率） 美国化工学会（美国化工学会（AIChEAIChE）提出的方法：）提出的方法： 计算计算N NG G、 、N N L L 、N NOG OG： ： 计算计算E EOG OG： ： 计算计算ZcZc，查图得，查图得E EMV MV： ： 查图查图6-66-6、6-76-7得雾沫夹带量，并求得雾沫夹带量，并求E E a a 。 第二节第二节 分离的最小功和热力学效率分离
9、的最小功和热力学效率 6.2.1 6.2.1 等温分离最小功等温分离最小功 6.2.2 6.2.2 非等温分离和有效能非等温分离和有效能 6.2.3 6.2.3 净功消耗和热力学效率净功消耗和热力学效率 热力学第二定律：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。完成同一变化的任何可逆过程所需功相等。 6.2.1 6.2.1 等温分离最小功等温分离最小功 连续稳定分离系统：连续稳定分离系统： 进出系统物流变量：进出系统物流变量： n n、z z i i 、HH、S S（熵）、（熵）、Q Q 系统对环境作功：系统对环境作功：WW 最小功：最小功：如果组成分离过程的每个过程均是理想可逆过
10、程，则如果组成分离过程的每个过程均是理想可逆过程，则 所消耗的功最小。所消耗的功最小。 等温条件下的最小分离功等温条件下的最小分离功 分离理想气体混合物分离理想气体混合物 分离低压下液体混合物分离低压下液体混合物 6.2.2 6.2.2 非等温分离和有效能非等温分离和有效能 熵平衡：熵平衡： 设设T T 0 0 环境温度环境温度 ( (非等温不可逆过程非等温不可逆过程) ) 分离净 BW D- 分离过程有效能变化分离过程有效能变化 式式(6-13)(6-13)、(6-14)(6-14)中：中： 6.2.3 6.2.3 净功消耗和热力学效率净功消耗和热力学效率 一般分离过程：一般分离过程： 原料
11、 产物 QQ C C QQ R R T TC C T TR R 通常，分离过程所需的能量多半是以热能形式而不是以通常，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。功的形式提供的。一般以一般以WW净计算能量：净计算能量： 净功消耗：净功消耗： W W净 净=W =W入 入W W出 出 非等温可逆过程为非等温可逆过程为1 1。 QR=34311918.14kJ/h QQ C C =32401526kJ/h=32401526kJ/h 例：丙烯例：丙烯- -丙烷精馏塔按附图操作条件操作，设环境温度丙烷精馏塔按附图操作条件操作，设环境温度T T 0 0 =294K=294K，计，计 算：
12、算：1) 1) 再沸器负荷（冷凝器负荷给定）再沸器负荷（冷凝器负荷给定）; 2) ; 2) 有效能变化有效能变化; 3) ; 3) 净功消耗；净功消耗； 4) 4) 热力学效率。热力学效率。 进料（泡点液体）进料（泡点液体） 馏出物馏出物 冷却水冷却水 305.4K305.4K 釜液釜液 水蒸气水蒸气 377.6K377.6K 解：解：计算基准：计算基准：1 1小时小时 1 1）由图解得：）由图解得： D=159.21kmol/h D=159.21kmol/h ；W=112.95kmol/hW=112.95kmol/h；F=272.16kmol/hF=272.16kmol/h 全塔热量衡算：全
13、塔热量衡算：FHF+QR=DHD+WHw+Qc Q Q R R =34311918.14kJ/h=34311918.14kJ/h 第三节第三节 分离过程的节能分离过程的节能 6.3.1 6.3.1 分离过程的热力学不可逆性分析分离过程的热力学不可逆性分析 6.3.2 6.3.2 多效精馏多效精馏 6.3.3 6.3.3 低温精馏的热泵低温精馏的热泵 6.3.4 6.3.4 设置中间冷凝器和中间再沸器的精馏设置中间冷凝器和中间再沸器的精馏 6.3.1 6.3.1 分离过程的热力学不可逆性分析分离过程的热力学不可逆性分析 即：使过程尽量接近可即：使过程尽量接近可逆过程。逆过程。（非等温可逆过程：（
14、非等温可逆过程：-W-W净 净= = B B分离分离） ） 热力学不可逆性：热力学不可逆性： 1. 1. 通过一定压力梯度动量传递通过一定压力梯度动量传递 2. 2. 通过一定温度梯度热量传递通过一定温度梯度热量传递 3. 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通过一定浓度梯度质量传递（或不同化学位物流直接混合） 4. 4. 可能存在不可逆化学反应可能存在不可逆化学反应 降低净功的方法：降低净功的方法： 降低压差降低压差 减少温差减少温差 减少浓度与平衡浓度差减少浓度与平衡浓度差 1 1）塔设备）塔设备 若若N N越多，使越多，使PP，不可逆性越大，不可逆性越大 可使：可使：
15、气速气速 ，液层高度，液层高度 ；使；使P P 但是：但是：气速气速 ，生产能力不变时，生产能力不变时D D ，投资费，投资费 液层高度液层高度 ，板效率，板效率 改进方式：改进方式：1. 1. 选择合适的塔径、液层高度选择合适的塔径、液层高度 2. 2. 改板式塔为高效填料塔改板式塔为高效填料塔 2 2）再沸器、冷凝器）再沸器、冷凝器 若传热温差小，不可逆性减小若传热温差小，不可逆性减小 但是：但是：传热面积传热面积 ，设备费用，设备费用 液层高度液层高度 ，板效率，板效率 改进方式：改进方式：1. 1. 采用高效换热器采用高效换热器 2. 2. 改进操作方式改进操作方式 3 3）传热推动力、传质推动力）传热推动力、传质推动力 精馏操作：精馏操作：L Ln+1 n+1， ，V Vn-1 n-1进入 进入n n板，对板，对V V n n ，L L n n 在在 n n 板温板温 度和浓度相互不平衡度和浓度相互不平衡 改进方式：改进方式：1. 1. 传热推动力传热推动力 T=T=（T Tn-1 n-1-T -T n n ） 2. 2. 传质推动力传质推动力 y=y=（KK n nX X n,in,i-y -yn-1,i n-1,i） ） 即：即：y-xy-x图中，操作线向平衡线靠近图中，操作线向平衡线靠近 T
