分离过程及设备的效率与节能综合课件.ppt

《分离过程及设备的效率与节能综合课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《分离过程及设备的效率与节能综合课件.ppt（131页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第六章 分离过程及设备的效率与节能综合,.1气液传质设备的效率 6.2分离过程的最小分离功 6.3分离过程的节能 6.4分离过程系统合成,（1）掌握等温分离的最小功的计算方法，了解非等温分离和有效能、净功消耗和热力学效率的计算。 （2）了解精馏过程的热力学不可逆分析方法，掌握精馏过程的节能技术。 （3）掌握简单分离和复杂塔的分离顺序的合成的原则。,6.1气液传质设备的处理能力和效率,6.1.1 气液传质设备的处理能力的影响因素,气液传质设备有板式塔和填料塔两类。,影响气液传质设备的处理能力的因素有：,6.1.1.1液泛,板式塔： ，处理能力增加；,填料塔： ，处理能力增加。规整填料处理能力大于

2、乱堆填料。,6.1.1.2雾沫夹带,6.1.1.3.压力降,板式塔中，雾沫夹带程度用雾沫夹带量（0.1kg液体kg气体）或泛点百分率表示。随 。,真空操作设备的 往往成为限制生产能力的主要原因，还影响降液管内液位高度， ，液位高度，以造成液泛。,6.1.1.4.停留时间,精馏中液体在降液管内停留时间一般35秒。,6.1.2 气液传质设备的效率及影响因素,6.1.2.1实际板和理论板的差异 理论板假定离开该板的汽、液两相达到平衡 理论板上相互接触的汽液两相完全混合，板上液相浓度均一 实际板上汽液两相存在不均匀流动，停留时间有明显差异 实际板存在雾沫夹带、漏液和液相夹带泡沫现象。,6.1.2.2级

3、效率的定义,（1）全塔效率ET（总板效率，塔效率）,为完成给定分离任务所需要的理论塔板数（N）与实际塔板数（Nact）之比。,ET的特点是容易测定和使用。,板式塔,默弗里（Murphree）板效率,默弗里板效率实际板上浓度变化与平衡时应达到的浓度变化之比。,与 成平衡的气相 摩尔分率。,默弗里气相板效率,一般,默弗里液相板效率,默弗里（Murphree）点效率,板上气液两相错流，假定液体在垂直方向上完全混合。,若气液两相完全混合，则 。,与 成平衡的气相摩尔分率。,填料塔,传质单元高度,等板高度（HETP）,对于填料塔: 为相当于一块理论板所需的填料高度。,对于板式塔:,6.1.2.3影响级效

4、率的因素,点效率与传质间的关系,由双膜理论得：,G一定， 。塔板上液层愈厚，气泡愈分散，表面湍动程度愈高，点效率愈高。,NG、NL可由经验式求得。,液体混合情况对板效率的影响,液体流经塔板时，板上任一点的液体会在三个垂直方向上发生混合：纵向混合、横向混合和垂直于塔板液面，沿气流的混合。这些混合将影响板效率。,描述流型对效率影响的数学模型：,板上液体完全混合,板上各点 均相同，并等于该板出口溢流液的xi,j组成，即 ，若进入板各点的 是均一的，则有：,液体完全不混合（活塞流）且停留时间相同,默弗里板效率和点效率间关系式：,由上式得右图知：液体混合作用的减弱使默弗里板效率增大。,液体部分混合,纵向

5、混合将使 下降；横向混合将使 上升。不完全混合使得 。,不均匀流动，尤其是环流会对效率产生不利影响；横向混合能削弱液相不均流动的不利影响；塔径加大，纵向不完全混合有利影响减弱，不均匀流动则趋于加强。,液体流程的平均宽度,完全混合,完全不混合,30,（3）雾沫夹带,雾沫夹带为级间混合，降低分离设备的分离效果，板效率下降。,Colburn（可尔本）1936年推导出下关系：,有雾沫夹带下的板效率。,此外，漏液和气体被液体夹带也会使板效率降低。,求得,由,泛点百分率,Ea求取步骤,由公式 求出OG,求出彼克来准数 由图或公式求出EMV/EOG，进而求出EMV。,查图得到液泛极限KV，进而求出液泛速度u

6、f,查图得夹带分率e，由公式求出有雾沫夹带下的板效率。,（4）物性的影响, 液体粘度,密度梯度,当易挥发组分的 大于难挥发组分的 时，能形成混合旋流，可提高液相传质系数。,大，产生气泡大，相界面小，两相接触差，且液相扩散系数小，效率低。 因精馏T一般较吸收T高， 小，故精馏塔效率高于吸收塔。,相对挥发度 大则相当于汽相溶解度低，Ki小，液相阻力大，效率低 表面张力梯度 a.正系统,泡沫状态下操作,b.负系统,喷射状态下操作,c.中性系统,6.1.3.级效率的计算方法,由理论板数求实际板数需要板效率数据。获取方法有三种：,A、由工业塔数据归纳出的经验关联式求算； B、依赖传质速率的半理论模型求得

7、； C、从实验装置或中间工厂直接得到数据。,奥康奈尔（OConnell）关系曲线(图6-8）,6.1.3.1经验关联式,朱汝瑾公式：,Van Winkle关系式,HETP 乱堆填料HETP一般为0.450.6米；鲍尔环25mm的HETP为0.3m， 38mm的HETP为0.45m，50mm的HETP为0.6m；规整填料如金属丝网波纹填料CY型的HETP为0.1250.166m、BX型的HETP为0.20.25m，麦勒派克填料的HETP为0.25-0.33m。,6.1.3.2机理模型（略）,6.1.3.3.由实验装置数据确定板效率 当无欲分离物系的气液平衡数据时，达到分离程度所需的塔板数最好通过

8、实验室测定。使用称为Oldershaw塔的玻璃或金属筛板塔，塔径2550毫米，筛孔1毫米，开孔率10左右。塔板数任意。在201140千帕操作压力范围内，Oldershaw塔的效率与塔径在0.461.2米范围的中间试验塔和工业塔的数据一致。,AIChE（美国化学工程师学会）法,基于双膜理论提出的计算方法。,Oldershaw塔的偏于保守的试验步骤：,1）测定泛点； 2）在约60泛点下操作（在4060范围内均可）； 3）试验中通过调整塔板数和流率，达到预期分离程度； 4）假设工业塔与Oldershaw塔在相同液气比下操作需要相同的塔板数。,6.1.4.气液传质设备的选择,6.1.4.1、板式塔和填

9、料塔的选择,板式塔和填料塔的选择要考虑以下因素：,（1）物系的性质,物料具有腐蚀性时，通常选用填料塔；,易发泡物系，宜选填料塔，因其具有限制和破碎泡沫的作用；,对热敏物质或需真空下操作的物系宜选用填料塔；,分离有明显热效应的物系宜选用板式塔（持液量大，便于安装换热装置）；,易聚合和含有固体悬浮物的物系，不宜选用填料塔。,对高粘度的物系的分离，宜选用填料塔（粘度高，板式塔效率低）；,（2）塔的操作条件,板式塔的直径一般0.6米，填料塔设备费随塔径增加而迅速增加，大塔慎用填料塔；,填料塔操作弹性小，对液体负荷变化尤为敏感，板式塔往往具有较大弹性；,采用新型填料的填料塔具有较大的生产能力和较小的HE

10、TP。,（3）塔的操作方式,间歇操作，填料塔持液量较小，较合适；,由多个进料口和侧线采出的精馏塔，用板式塔更合适。,6.1.4.2、填料的选择,（1） 填料材质的选择,瓷质填料 耐腐蚀性好，使用温度范围较宽，价廉。但质脆、易碎。,金属填料 壁薄，大，通量大、压降小。适用于真空精馏。但价高，且应注意耐腐问题。,塑料填料 耐腐蚀性好、质轻、耐冲击、不易破碎，通量大、压降小，但耐高温性能差。,（3） 填料尺寸的选择 填料尺寸小，压降大，费用高；填料尺寸大易出现液体分布不均及严重壁流，分离效率低。为此要求：,（2） 填料种类的选择,（4） 填料的单位分离能力,分离过程为什么要节能？ 分离过程的特征？

11、多组分分离的多塔排列顺序对能耗是否影响 ？,6.2.分离过程的最小分离功,6.2.1.1等温分离最小功 当分离过程完全可逆时，分离消耗的功 完全可逆 体系内所有的变化过程必须是可逆的 体系只与温度为T0的环境进行可逆的热交换,6.2.1分离过程的最小功,热力学第一定律,等温可逆过程，进出系统的物流与环境的温度均为T,热力学第二定律,物质分离的难易程度，取决于待分离混合物和 分离所得产物的组成（xi，yi） 、温度和压力,（1）分离理想气体的混合物,理想气体混合物,由混合物分离成纯组分,等温等压分离理想气体耗功有以下规律：,1）将等分子气体混合物分离成两个纯组分时所需最小功要比分离其它混合物所需

12、最小功要大。此时得无因次最小功为0.6931。 2）同一进料组成yA，F，分离成两个纯组分比分离成两个非纯组分所需最小功要大，产品纯度越高，最小功越大。 3)理想气体的分离最小功与P和被分离组分间的相对挥发度无关。 4)环境温度较高，所需最小功较大,例6-1 设空气中含氧21（体积），若在25常压下将空气可逆分离成95O2的气氧和99N2的气氮，计算分离1kmol空气的最小功。,解：设产品气氧为1，气氮为2，氧为A，氮为B， （1）计算分离产物1，2为非纯产品需最小功 设产品气氧的量为xkmol，对分离前后的氧气作物料衡算：,10.21=0.95x+0.01(1x) 得：x=0.213kmol

13、 所以产品气氮的量为0.787kmol，产品1，2的氧、氮摩尔出料如图。,计算分离空气为纯N2，纯O2所需最小功,可见，分离成非纯产品时所需最小功小于分离成纯组分产品时所需的最小功。,（2）分离低压的液体混合物,分离成纯组分时所需最小功,讨论：,1）若溶液为正偏差（即 ），等温分离最小功将比分离理想溶液时小； 2)若溶液为负偏差（即 ），等温分离最小功将比分离理想溶液时大，原因是负偏差系统，不同组分间的分子力大于同一组分分子间的力，所以更难分离； 3)对于完全不互溶体系（即 ）最小功等于零。,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

14、：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，,6.2.2 非等温分离和有效能,分离过程所需的最小功，按物系在分离过程中的有效能的增量变化来表示,分离成纯组分时,净功,由可逆热机将热转变为功，以确定实际过程的净功消耗。精馏分离,6.2.3 净功消耗,6.2.4热力学效率,热力学效率,若分离过程是完全可逆的，热力学效率为1,实际过程为不可逆过程，故必定小于1.0,通常:,1)只依靠外加能量(ESA)的分离过程（如精

15、馏、结晶），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。,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,例6-2某丙烯(A)-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