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1、5 传质分离过程的节能,5.1 分离过程节能的基本概念 5.2 精馏节能技术 5.3 分离顺序的选择,5.1 分离过程节能的基本概念,混合物的分离必然消耗外能，能耗是大规模分离过程的关键指标，因此，确定混合物分离的最小能耗，了解影响能耗的因素，寻求接近最小能耗的分离过程。 节省能耗的措施： 首先是选取适宜的分离方法，这是节能的关键步骤； 其次是分离过程在总体工艺流程中进行热集成； 再次是复杂混合物分离的适宜流程安排； 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。,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。,5.1.1有效能（熵）衡算,连续稳定分离系
2、统：,进出系统物流变量：n，zi，H，S（熵），Q,系统对环境作功：W,分离最小功是分离过程必须消耗的最小功的下限，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。,5.1.2 分离最小功,二、分离低压下液体混合物,5.1.3 热力学效率,热力学效率是用来衡量有效能的利用率。 分离过程热力学效率的定义为：分离最小功与实际分离过程的有效能消耗（净功耗）之比值。B分离 / W净 Wmin、To=B分离 该式表明，稳态过程最小分离功等于物流的有效能增量。,如图精馏过程的净耗功为：,若进出体系的物料的焓相近时，近似有QRQCQ，,则,通常:,1)只依靠外加能量(ESA)的分离过程（如精馏、结晶）
3、，热力学效率较高； 2)除加入ESA，还需加入MSA的分离过程（如萃取精馏、共沸精馏、萃取、吸收和吸附等）热力学效率较低； 3)速率控制的分离过程热力学效率更低。,5.1.4分离过程中有效能损失的主要形式,(1)由于流体流动阻力造成的有效能损失Dp (2)节流膨胀过程的有效能损失 (3)由于热交换过程中推动力温差存在造成的有效能损失DT (4)由于非平衡的两项物流在传质设备中混合和接触传质造成的有效能损失Dmt,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
4、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-1Tn）2.传质推动力 y=（KnXn,iyn-1,i） 即：y-x图中，操作线向平衡线靠近 T y ,N= 换热器台 塔径：中间大，两头小,返回,5.2 精馏节能技术,除了比较明显的节能措施外，选择适宜回流比、进料热状态以及操作压力等，都是重要
5、的精馏节能措施。 (1) 最适宜回流比 一方面，直接影响再沸器和冷凝器的热负荷，决定了精馏分离的净功效，因此，大体上确定了操作费用。 另一方面，还与塔设备的投资密切相关：在Rm附近， R，设备费下降；在较高R处， R，设备费增大；适宜回流比：R=(1.2-1.3)Rm,5.2 精馏节能技术,(2) 最佳进料热状态 高温精馏时（塔顶釜温度高于环境温度） ，当D/F较大又有适用于加热料液的低温热源时，应尽量采用较低的q值，即以汽相或汽液混合物进料为宜；当 D/F较小时，尽量采用较高q，即以液相进料为宜； 低温精馏时，无论D/F多大，均采用较高的q值，即以液体进料为宜； 中等温度精馏，应进行经济比较
6、，确定最佳值。,5.2 精馏节能技术,(3) 中间冷凝器和中间再沸器 如能在塔中部设置中间冷凝器，就可以采用较高温度的冷却剂。 如在塔中部设置中间再沸器，对于高温塔，可应用较低温位的加热剂。 对于精馏，使操作线向平衡线靠拢，提高塔内分离过程的可逆程度。,5.2 精馏节能技术,5.2 精馏节能技术,(4) 多效精馏 多效精馏原理类似于多效蒸发，即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。从而使该分离系统能耗下降。,5.2 精馏节能技术,5.2 精馏节能技术,(5) 热泵精馏 将温度较低的塔顶蒸汽经压缩后作为塔底再沸器的热源，称
7、为热泵精馏。有两种形式的热泵流程 ； 热泵精馏是消耗一定量的机械功来提高低温蒸汽的能位而加以利用的。因此消耗单位机械能能回收的热量是一项重要经济指标，称为性能系数，常记为C.O.P.。 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。,5.2 精馏节能技术,(6) SRV精馏 具有附加回流和蒸发的精馏简称； 由综合中间再沸，中间冷凝和热泵精馏技术发展而成。,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。,5.3.1简单分离顺序的合成,二元：,一个塔， 一种方案,三元：,二个塔， 二种方案,四元：,顺序流程,三个塔，五种方案,按相对挥发度交错采出的逆序流程,5
8、.3分离顺序的选择,1、首选分离方法为能量分离剂的方法（如普通精 馏），其次选用是使用分离剂的方法（如吸收，液液萃取和特殊精馏）。因为后者须增设质量分离剂的回收设备。但关键组分的相对挥发度小于1.05时，普通精馏在经济上不合算。 2、易分离的组分先分 若有A、B、C、D四组分，其含量相差不大。,5.3分离顺序的选择,3、易挥发组分先分，即按料液中各组分的挥发度递减的次序从塔顶蒸出，可减少再沸器与全凝器的负荷。 4、尽可能对分（料液的等摩尔分割）当DB时，塔主体可逆性增大，能耗可以节省。 5、量多的组分先分 含量最多的组分分离后，避免了该组分在后面塔中的多次蒸发、冷凝，减少了后继塔的负荷，当然比
9、较经济。,6、分离要求高和最困难分离的组分后分 由于高纯度分离的塔要求很多的板数，即塔较高，如还有其他非关键组分存在，塔中汽、液相流率将增大，要用较大的塔径，使投资增加。 7、有特殊组分的要先分 易腐蚀的组分、热敏性组分,5.3分离顺序的选择,例6-2证明等温分离二元理想气体混合物为纯组分，其最小功函数的极大值出现在等摩尔组成进料的情况。,证明：由计算此情况下最小功公式610,对二元物系有：yBF=1-yAF,将之代入上式得,上式两边对yAF求导得：,则1yAF=yAF,解得yAF=0.5.,令,由此证得，最小功函数的极大值出现在等摩尔组成进料的情况。,当yAF0.5，,例6-2某丙烯(A)-
10、丙烷(B)精馏塔。若进料为泡点进料，进料量F=272.16kmol/h,HF=1740.38kJ/kmol，SF=65.79kJ/(kmolK)，塔顶馏出液D=159.21kmol/h，HD=12793.9kJ/kmol，SD=74.69 kJ/(kmolK)，塔底釜液W=112.95kmol/h，HW=3073.37kJ/kmol，SW=66.10 kJ/(kmolK)，假设环境温度T0294K。 计算再沸器负荷(冷凝器负荷QC=32401526kJ/h给定)；有效能变化；当再沸器加热剂温度TR=377.6K，冷凝器冷却剂温度TC=305.4K时的净功消耗；热力学效率。,解：作全塔热量衡算：
11、,己知T0294K,净功消耗,热力学效率,例 苯甲苯常压精馏塔，进料、馏出液及釜液的温度分别为92 、82 和108 ，设环境温度为20，塔顶冷凝器的热负荷为997kW（用水冷却），塔釜再沸器热负荷为1025kw（用130蒸汽加热）。试求过程净功消耗。,解：塔顶用水冷却，设循环水温为35（308K）,则由式625,例6-3将下列混合物分离成较纯的单组分物流，进料组成如下表，其中组分E具有毒性，试用有序试探法选出一种最佳简单分离顺序。,解：根据S1规则和C1规则， E为有毒气体且含量最多，应首先将其分离，所以第一步应分离组分E； B、C组分间相对挥发度最小，相对最难分离，根据S2规则，B、C组分
12、最后分离； A为最易分离的物体，所以第二步应分离组分A。,具体分离顺序,6.3.分离过程的节能,6.3.1.分离过程的热力学分析 精馏过程热力学不可逆的原因 精馏过程不可逆的根本原因是三传的不可逆性。其主要表现于以下几方面：,（1）流体流动时有 （通过一定压力梯度的动量传递）； （2） 传热时有一定温差（通过一定温度梯度的热量传递或不同温度的物流直接混合）； （3） 传质过程有浓度差（通过一定浓度梯度的质量传递或不同化学位的物流直接混合）； （4）还可能存在不可逆化学反应。,提高精馏过程热力学效率的途径,（1） 降低流动过程的 ，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
13、凝器和塔底再沸器的 , 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，以便降低传热传质的不可逆性（降低了所耗能量的品位，降低了有效能消耗，从而提高了热力学效率）；,（4） 采用双效或多效精馏（各塔采用不同压力，使供入塔内的热量重复使用，重复使用的次数称为效数）,（5）对原料中各组分沸点差不大的系统采用热泵流程。,有效能的充分回收及利用采用加强设备的保温及利用物流的部分显热或潜热等措施 减少过程的净耗功 改变分离过程操作条件减少过程的净耗功，如严控设计富裕度，选定最佳R,6.3.2.设置中间冷凝器和中间再沸器,设置设置中间冷凝器和中间再沸器，使操作更
14、趋于可逆精馏，净功消耗降低，同时可回收或节省高位的能量。当顶低温差较大时，效果尤佳。 若在中间冷凝器和中间再沸器之间加一热泵，效率更高。,6.3.3.多效精馏,利用若干压力不同的精馏塔，按压力高低顺序进行组合，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加热介质 多效精馏比单效精馏可节省加热蒸汽的30%-50%但需增加设备投资， 需要更高的控制系统。,1、并流型,2、逆流型,3、混流型,6.3.4.低温精馏的热泵,热泵将精馏和制冷循环结合起来，把塔顶低温处的热量传递给塔釜高温处的系统。,解决办法,将制冷与精馏结合起来，把热量由低温处传向高温处。,存在问题,T顶T釜，热量不能自动由低温传
15、向高温,提出设想,将塔顶移出热量拿到塔釜供热,精馏操作共同特点,塔顶温度低于塔底温度,塔顶需供冷移热，塔釜须供热,(1)采用外部致冷剂的热泵（闭式热泵）,(2)采用压缩塔顶蒸汽的热泵（开式A型热泵）,(3)采塔底液体闪蒸的热泵（开式B型热泵）,低温精馏采用热泵可提高热力学效率。当原料中各组分沸点接近，且沸点均小于环境温度时，效果更佳。,双塔式热泵精馏流程,(4)热泵精馏节能例子,将温度较低的塔顶蒸汽经压缩后作为塔底再沸器的热源 消耗一定量的机械功来提高低温蒸汽的能位而加以利用,1,2,3,4,6.3.5 有关分离操作的节能经验规则,P202表6-1 、如果进料混合物中不止存在一相，则首选采用机
16、械分离 、避免热量、冷量或机械功的损失；采用合适的绝热措施；避免排出大量热的或冷的产品，质量分离剂等等 、避免作过于安全的设计和（或）没有必要使分离过度的实际操作；对于生产能力变动的装置，则寻求有效调节范围的设计 、寻求有效的控制方案，以降低不稳定操作时的过量能耗和减少由于能量积累所引起的相互影响对过程的干扰,、在过程构成中寻求有效能最大者（或成本费用最大者）作为首要对象，通过过程的改进以降低能耗 、在相际转移时，优先分离掉转移量少的而不是转移量多的组分 、使用的换热器要适当，换热器如果较贵，就要寻找传热系数较高的 、尽力减少质量分离剂的流量，只要选择性可以达到要求，优先选择大的分离剂 、只要好用，优先选择分离因子高的方案,
