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1、5 传质分离过程的节能传质分离过程的节能5.1 分离过程节能的基本概念分离过程节能的基本概念5.2 精馏节能技术精馏节能技术5.3 分离顺序的选择分离顺序的选择15.1 分离过程节能的基本概念分离过程节能的基本概念n混合物的分离必然消耗外能，能耗是大规模分离过程的关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。耗的因素，寻求接近最小能耗的分离过程。n节省能耗的措施：节省能耗的措施：n首先是选取适宜的分离方法，这是节能的关键步骤；首先是选取适宜的分离方法，
2、这是节能的关键步骤；n其次是分离过程在总体工艺流程中进行热集成；其次是分离过程在总体工艺流程中进行热集成；n再次是复杂混合物分离的适宜流程安排；再次是复杂混合物分离的适宜流程安排；n最后是各具体分离操作的适宜操作条件和参数的确定，以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。及设备结构和尺寸的优化等。2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。5.1.1有效能（熵）衡算有效能（熵）衡算连续稳定分离系统：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，zi，H，S（熵），（熵），Q 系统
3、对环境作功：系统对环境作功： W3n分离最小功是分离过程必须消耗的最小分离最小功是分离过程必须消耗的最小功的下限，只有当分离过程功的下限，只有当分离过程完全可逆完全可逆时，时，分离消耗的功才是分离最小功。分离消耗的功才是分离最小功。5.1.2 分离最小功分离最小功4）（95- -物物一、分离理想气体混合一、分离理想气体混合)85(- -5二、分离低压下液体混合物二、分离低压下液体混合物 65.1.3 热力学效率热力学效率n热力学效率是用来衡量有效能的利用率。热力学效率是用来衡量有效能的利用率。n分离过程热力学效率的定义为：分离最小功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
4、耗（净功耗）与实际分离过程的有效能消耗（净功耗）之比值。之比值。 B分离分离 / W净净nWmin、To= B分离分离 n 该式表明，稳态过程最小分离功等于物流该式表明，稳态过程最小分离功等于物流的有效能增量。的有效能增量。7如图精馏过程的净耗功为：如图精馏过程的净耗功为：QC TCQR TRDW F精 馏 塔 若进出体系的物料的焓若进出体系的物料的焓相近时，近似有相近时，近似有Q QR RQ QC CQ Q， 则则 8通常通常: : 1)1)只依靠外加只依靠外加能量能量(ESA(ESA)的分离过程（如精馏、的分离过程（如精馏、结晶），热力学效率结晶），热力学效率较高较高；2)2)除加入除加入
5、ESAESA，还需加入，还需加入MSAMSA的分离过程（如萃的分离过程（如萃取精馏、共沸精馏、萃取、吸收和吸附等）热取精馏、共沸精馏、萃取、吸收和吸附等）热力学效率力学效率较低较低；3)3)速率速率控制的分离过程热力学效率控制的分离过程热力学效率更低更低。 95.1.4分离过程中有效能损失的主要形式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由于流体流动阻力造成的有效能损失D p(2)节流膨胀过程的有效能损失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由于热交换过程中推动力温差存在造成的有效能损失效能损失D T(4)由于非平衡的两项物流在传质设备
6、中混合和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接触传质造成的有效能损失Dmt10使净功降低的方法：使净功降低的方法： 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）塔设备）塔设备 若若N越多，使越多，使P，不可逆性越大，不可逆性越大 可使：可使：气速气速，液层高度，液层高度；使；使P 但是：但是：气速气速，生产能力不变时，生产能力不变时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. 选择合适的塔径、液层高度选择合适的塔径、液层高度 2. 改板式塔为高效填料塔改板式塔为高效填料塔112）再沸器、冷凝器）再沸
7、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. 采用高效换热器采用高效换热器 2. 改进操作方式改进操作方式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：Ln+1，Vn-1进入进入n板，板， 对对Vn，Ln在在 n 板温度和浓度相互不平衡板温度和浓度相互不平衡12改进方式：改进方式：1. 传热推动力传热推动力 T=（Tn-1Tn） 2.传质推动力传质推动力 y=（KnXn,iyn-1,i） 即：即：y-x图中，操作线向平衡线靠近图中，操作线向平衡线
8、靠近 T y RRmyAXAXAyAR=RmN= 换热器换热器台台塔径：塔径： 中间大，两头小中间大，两头小XAyA可逆精馏可逆精馏操作线与平衡线重合操作线与平衡线重合XA yA 分段精馏分段精馏增加两个换热器增加两个换热器返回返回135.2 精馏节能技术精馏节能技术n除了比较明显的节能措施外，选择适宜回流比、进料热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，都是重要的精馏节能措施。状态以及操作压力等，都是重要的精馏节能措施。(1) 最适宜回流比最适宜回流比 n一方面，直接影响再沸器和冷凝器的热负荷，决定了精一方面，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
9、，因此，大体上确定了操作费用。馏分离的净功效，因此，大体上确定了操作费用。n另一方面，还与塔设备的投资密切相关：另一方面，还与塔设备的投资密切相关： 在在Rm附近，附近， R，设备费下降；在较高，设备费下降；在较高R处，处， R，设备，设备费增大；费增大；n 适宜回流比：适宜回流比：R=(1.2-1.3)Rm145.2 精馏节能技术精馏节能技术(2) 最佳进料热状态最佳进料热状态n高温精馏时（塔顶釜温度高于环境温度）高温精馏时（塔顶釜温度高于环境温度） ，当，当D/F较较大又有适用于加热料液的低温热源时，应尽量采用较大又有适用于加热料液的低温热源时，应尽量采用较低的低的q值，即以汽相或汽液混合
10、物进料为宜；当值，即以汽相或汽液混合物进料为宜；当 D/F较小时，尽量采用较高较小时，尽量采用较高q，即以液相进料为宜；，即以液相进料为宜；n低温精馏时，无论低温精馏时，无论D/F多大，均采用较高的多大，均采用较高的q值，即以值，即以液体进料为宜；液体进料为宜；n中等温度精馏，应进行经济比较，确定最佳值。中等温度精馏，应进行经济比较，确定最佳值。 155.2 精馏节能技术精馏节能技术(3) 中间冷凝器和中间再沸器中间冷凝器和中间再沸器n如能在塔中部设置中间冷凝器，就可以采用较高温度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。的冷却剂。n如在塔中部设置中间再沸器，对于高温塔，可应用较
11、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。低温位的加热剂。n对于精馏，使操作线向平衡线靠拢，提高塔内分离过对于精馏，使操作线向平衡线靠拢，提高塔内分离过程的可逆程度。程的可逆程度。165.2 精馏节能技术精馏节能技术175.2 精馏节能技术精馏节能技术(4) 多效精馏多效精馏n多效精馏原理类似于多效蒸发，即利用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
12、。介质。从而使该分离系统能耗下降。185.2 精馏节能技术精馏节能技术195.2 精馏节能技术精馏节能技术(5) 热泵精馏热泵精馏n将温度较低的塔顶蒸汽经压缩后作为塔底再沸器的热源，将温度较低的塔顶蒸汽经压缩后作为塔底再沸器的热源，称为热泵精馏。有两种形式的热泵流程称为热泵精馏。有两种形式的热泵流程 ；n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，常记为重要经济指标，称为性能系数，常记为C.O.P.。n显然，对于沸点
13、差小的混合物分离的精馏塔应用热泵精馏显然，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。效果会更好。 205.2 精馏节能技术精馏节能技术(6) SRV精馏精馏n具有附加回流和蒸发的精馏简称；具有附加回流和蒸发的精馏简称；n由综合中间再沸，中间冷凝和热泵精馏由综合中间再沸，中间冷凝和热泵精馏技术发展而成。技术发展而成。 21一、分离顺序数一、分离顺序数 将混合物将混合物ABCDE (按挥发度降低排列）按挥发度降低排列）分离为纯组分。分离为纯组分。5.3.1简单分离顺序的合成ABAB二元：二元：一个塔，一个塔，一种方案一种方案三元：三元：ABCABCABABCABCBC二个塔，二个塔，
14、二种方案二种方案22四元：四元：顺序流程顺序流程三个塔，五种方案三个塔，五种方案ABCDABCDBCCDD按相对挥发度按相对挥发度递递减减采出采出ABCDAABCBCABD按相对挥发度按相对挥发度递递增增采出采出AABCDABCBCBCDABCDABCDBCDBCAABCDABBCCDD按相对挥发度按相对挥发度交错交错采出的逆采出的逆序流程序流程235.3分离顺序的选择分离顺序的选择1、首选分离方法为能量分离剂的方法（如普通精、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，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液
15、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分离剂的回收设备。但关键组分的相对挥发度小于小于1.05时，普通精馏在经济上不合算。时，普通精馏在经济上不合算。2、易分离的组分先分、易分离的组分先分n若有若有A、B、C、D四组分，其含量相差不大。四组分，其含量相差不大。245.3分离顺序的选择分离顺序的选择3、易挥发组分先分，即按料液中各组分的挥发度递减的、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。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）、尽可能对分（料液的等摩尔分割）n 当当
16、DB时，塔主体可逆性增大，能耗可以节省。时，塔主体可逆性增大，能耗可以节省。5、量多的组分先分、量多的组分先分n含量最多的组分分离后，避免了该组分在后面塔中的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，当然比较经多次蒸发、冷凝，减少了后继塔的负荷，当然比较经济。济。256、分离要求高和最困难分离的组分后分、分离要求高和最困难分离的组分后分 n由于高纯度分离的塔要求很多的板数，即塔较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。相流率将增大，要
17、用较大的塔径，使投资增加。7、有特殊组分的要先分、有特殊组分的要先分n易腐蚀的组分、热敏性组分易腐蚀的组分、热敏性组分 5.3分离顺序的选择分离顺序的选择26例例6-26-2证明等温分离二元理想气体混合物为纯组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分，其最小功函数的极大值出现在等摩尔组成进料的情况。料的情况。证明：由计算此情况下最小功公式证明：由计算此情况下最小功公式6 61010对二元物系有：对二元物系有：y yBFBF=1-y=1-yAFAF, ,将之代入上式得将之代入上式得27上式两边对上式两边对y yAFAF求导得：求导得： 则则1 1y yAF
18、AF=y=yAFAF, ,解得解得y yAFAF=0.5.=0.5.令令28 由由此此证证得得，最最小小功功函函数数的的极极大大值值出出现现在在等等摩尔组成进料的情况。摩尔组成进料的情况。当当y yAFAF0.50.50.5， 所以所以y yAFAF=0.5=0.5时，时， 有极大值。有极大值。29例例6-2某丙烯某丙烯(A)-丙烷丙烷(B)精馏塔。若进料为泡点精馏塔。若进料为泡点进料，进料量进料，进料量F=272.16kmol/h,HF=1740.38kJ/kmol，SF=65.79kJ/(kmolK)，塔顶馏出液，塔顶馏出液D=159.21kmol/h，HD=12793.9kJ/kmol，
19、SD=74.69 kJ/(kmolK)，塔底釜液，塔底釜液W=112.95kmol/h，HW=3073.37kJ/kmol，SW=66.10 kJ/(kmolK)，假设环境温度，假设环境温度T0294K。计算计算再沸器负荷再沸器负荷(冷凝器负荷冷凝器负荷QC=32401526kJ/h给定给定)；有效能变化；有效能变化；当当再沸器加热剂温度再沸器加热剂温度TR=377.6K，冷凝器冷却剂温，冷凝器冷却剂温度度TC=305.4K时的净功消耗；时的净功消耗；热力学效率。热力学效率。30解：解：作全塔热量衡算：作全塔热量衡算： 己知己知T0294K31净功消耗净功消耗热力学效率热力学效率32例例 苯甲
20、苯常压精馏塔，进料、馏出液及釜液苯甲苯常压精馏塔，进料、馏出液及釜液的温度分别为的温度分别为92 92 、82 82 和和108 108 ，设环境，设环境温度为温度为2020，塔顶冷凝器的热负荷为，塔顶冷凝器的热负荷为997kW997kW（用（用水冷却），塔釜再沸器热负荷为水冷却），塔釜再沸器热负荷为1025kw1025kw（用（用130130蒸汽加热）。试求过程净功消耗。蒸汽加热）。试求过程净功消耗。解：塔顶用水冷却，设循环水温为解：塔顶用水冷却，设循环水温为3535（308K308K）则由式则由式6 6252533例例6-3将下列混合物分离成较纯的单组分物流，将下列混合物分离成较纯的单组分
21、物流，进料组成如下表，其中组分进料组成如下表，其中组分E具有毒性，试用有具有毒性，试用有序试探法选出一种最佳简单分离顺序。序试探法选出一种最佳简单分离顺序。 组组 分分进料摩尔分率进料摩尔分率(kmol/h)相对挥发相对挥发度度要求产品的要求产品的浓度浓度（mol） A 10 3.58 含含A94% B 10 2.17 含含B94% C 10 1.86 含含C94% D 15 1.00 含含D94% E 30 0.412 含含E94%34n解：根据解：根据S S1 1规则和规则和C C1 1规则，规则， E E为有毒气体为有毒气体且含量最多，应首先将其分离，所以第且含量最多，应首先将其分离，所
22、以第一步应分离组分一步应分离组分E E； nB B、C C组分间相对挥发度最小，相对最难组分间相对挥发度最小，相对最难分离，根据分离，根据S S2 2规则，规则，B B、C C组分最后分离；组分最后分离； nA A为最易分离的物体，所以第二步应分离为最易分离的物体，所以第二步应分离组分组分A A。35具体分离顺序具体分离顺序 366.3.6.3.分离过程的节能分离过程的节能6.3.1.6.3.1.分离过程的热力学分析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热力学不可逆的原因 精馏过程精馏过程不可逆的根本原因是不可逆的根本原因是三三传的不可逆性传的不可逆性。其主要表现于以下几。其主
23、要表现于以下几方面：方面： 37（1 1）流流体体流流动动时时有有 （通通过过一一定定压压力力梯梯度度的的动量传递）；动量传递）；（2 2） 传传热热时时有有一一定定温温差差（通通过过一一定定温温度度梯梯度度的热量传递或不同温度的物流直接混合）；的热量传递或不同温度的物流直接混合）；（3 3） 传传质质过过程程有有浓浓度度差差（通通过过一一定定浓浓度度梯梯度度的质量传递或不同化学位的物流的质量传递或不同化学位的物流直接混合直接混合）；）；（4 4）还可能存在不可逆化学反应。）还可能存在不可逆化学反应。 38提高精馏过程热力学效率的途径提高精馏过程热力学效率的途径 （1 1） 降降低低流流动动过
24、过程程的的 ，变变板板式式塔塔为为填填料塔料塔是降低提高生产能力的主要途径；是降低提高生产能力的主要途径；（2 2）减减小小塔塔顶顶冷冷凝凝器器和和塔塔底底再再沸沸器器的的 , , 常常采用采用高效换热器高效换热器或改进或改进操作方式操作方式；（3 3）在在较较小小R R或或不不同同R R（设设中中间间再再沸沸器器或或中中间间冷冷凝凝器器）下下操操作作，以以便便降降低低传传热热传传质质的的不不可可逆逆性性（降降低低了了所所耗耗能能量量的的品品位位，降降低低了了有有效效能能消消耗耗，从而提高了热力学效率）；从而提高了热力学效率）；39（4 4） 采采用用双双效效或或多多效效精精馏馏（各各塔塔采采
25、用用不不同同压压力力，使使供供入入塔塔内内的的热热量量重重复复使使用用，重重复复使使用用的的次数称为效数）次数称为效数）（5 5）对对原原料料中中各各组组分分沸沸点点差差不不大大的的系系统统采采用用热热泵泵流程流程。有效能的充分回收及利用有效能的充分回收及利用 采用加强设备的采用加强设备的保温保温及利用物流的部分及利用物流的部分显热显热或或潜热潜热等措施等措施 减少过程的净耗功减少过程的净耗功 改变分离过程改变分离过程操作条件操作条件减少过程的净耗功，如严控设计减少过程的净耗功，如严控设计富裕度富裕度，选定，选定最佳最佳R R 406.3.2.6.3.2.设置中间冷凝器和中间再沸器设置中间冷凝
26、器和中间再沸器设设置置设设置置中中间间冷冷凝凝器器和和中中间间再再沸沸器器，使使操操作作更更趋趋于于可可逆逆精精馏馏，净净功功消消耗耗降降低低，同同时时可可回回收收或或节节省省高高位位的的能能量量。当当顶顶低低温温差差较较大大时，效果尤佳。时，效果尤佳。若若在在中中间间冷冷凝凝器器和和中中间间再再沸沸器器之之间间加加一一热热泵泵，效率更高。效率更高。41426.3.3.6.3.3.多效精馏多效精馏 利用若干利用若干压力不同压力不同的精馏塔，按压力高低顺的精馏塔，按压力高低顺序进行组合，使序进行组合，使相邻两塔相邻两塔之间将之间将高压塔顶的蒸高压塔顶的蒸汽汽作为作为低压塔底的再沸器低压塔底的再沸
27、器的的加热介质加热介质 多效精馏比单效精馏可多效精馏比单效精馏可节省加热蒸汽节省加热蒸汽的的30%-30%-50%50% 但需但需增增加设备加设备投资投资， 需要更需要更高高的的控制控制系统系统。 43并流型混流型串联型44 低 压 塔 高 压 塔F1F2D2W1W2D1低沸成分高沸成分1 1、并流型、并流型2 2、逆流型、逆流型 低 压 塔 高 压 塔FD2WD1SW低沸成分高沸成分453、混流型、混流型 低 压 塔 高 压 塔FD2WD1SW低沸成分高沸成分W 低 压 塔 高 压 塔FW1W2DS低沸成分高沸成分466.3.4.6.3.4.低温精馏的热泵低温精馏的热泵热泵热泵将精馏和制冷循
28、环结合起来，把塔顶低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。温处的热量传递给塔釜高温处的系统。 解决办法解决办法 将将制制冷冷与与精精馏馏结结合合起起来来，把把热热量量由由低低温温处传向高温处。处传向高温处。存在问题存在问题 T T顶顶TT釜釜，热量不能自动由低温传向高温，热量不能自动由低温传向高温提出设想提出设想 将塔顶移出热量拿到塔釜供热将塔顶移出热量拿到塔釜供热精馏操作共同特点精馏操作共同特点 塔顶温度塔顶温度低于低于塔底温度塔底温度 塔塔顶顶需供冷需供冷移热移热，塔，塔釜釜须须供热供热 47 (1)(1)采用外部致冷剂的热泵采用外部致冷剂的热泵（闭式热泵）（
29、闭式热泵）DW F精精 馏馏 塔塔48(2)(2)采用压缩塔顶蒸汽的热泵采用压缩塔顶蒸汽的热泵（开式（开式A A型热泵）型热泵） FDW 精精 馏馏 塔塔49(3)(3)采塔底液体闪蒸的热泵采塔底液体闪蒸的热泵（开式（开式B B型热泵）型热泵） 低温精馏采用热低温精馏采用热泵可提高热力泵可提高热力学效率。当原学效率。当原料中各组分沸料中各组分沸点接近，且沸点接近，且沸点均小于环境点均小于环境温度时，效果温度时，效果更佳。更佳。DW F精精 馏馏 塔塔50双双塔塔式式热热泵泵精精馏馏流流程程51(4)(4)热泵精馏节能例子热泵精馏节能例子n将温度较低将温度较低的塔顶蒸汽的塔顶蒸汽经压缩后作经压缩
30、后作为塔底再沸为塔底再沸器的热源器的热源n消耗一定量消耗一定量的机械功来的机械功来提高低温蒸提高低温蒸汽的能位而汽的能位而加以利用加以利用 1234526.3.5 6.3.5 有关分离操作的节能经验规则有关分离操作的节能经验规则 nP202表表6-1n、如果进料混合物中不止存在一相，则首选、如果进料混合物中不止存在一相，则首选采用机械分离采用机械分离n、避免热量、冷量或机械功的损失；采用合、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，适的绝热措施；避免排出大量热的或冷的产品，质量分离剂等等质量分离剂等等n、避免作过于安全的设计和（或）没有必要、避免作过于安全的
31、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装置，则寻求有效调节范围的设计n、寻求有效的控制方案，以降低不稳定操作、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互影响对过程的干扰53n、在过程构成中寻求有效能最大者（或成本、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，通过过程的改进费用最大者）作为首要对象，通过过程的改进以降低能耗以降低能耗n、在相际转移时，优先分离掉转移量少的而、在相际转移时，优先分离
32、掉转移量少的而不是转移量多的组分不是转移量多的组分n、使用的换热器要适当，换热器如果较贵，、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就要寻找传热系数较高的n、尽力减少质量分离剂的流量，只要选择性、尽力减少质量分离剂的流量，只要选择性可以达到要求，优先选择可以达到要求，优先选择大的分离剂大的分离剂n、只要好用，优先选择分离因子高的方案、只要好用，优先选择分离因子高的方案54n1010、避免将不相同组成温度的物流混合的设计、避免将不相同组成温度的物流混合的设计n1111、分清不同形式的能量以及不同温度水平的、分清不同形式的能量以及不同温度水平的冷量和热量的价值差别；加进和引出热量
33、要使冷量和热量的价值差别；加进和引出热量要使其温度水平接近于所需要的或是所具有的值；其温度水平接近于所需要的或是所具有的值；尽量有效地利用热源和热阱之间的整个温差，尽量有效地利用热源和热阱之间的整个温差，例如多效蒸发例如多效蒸发n1212、对于在较小温差下输入热量来进行分离的、对于在较小温差下输入热量来进行分离的过程，可以考虑使用热泵的可能性过程，可以考虑使用热泵的可能性n1313、适当采用分级或逆流操作，以降低分离剂、适当采用分级或逆流操作，以降低分离剂用量用量55n1414、当分离因子差不多时，优先选用能量分离、当分离因子差不多时，优先选用能量分离剂过程，而其次选质量分离剂过程，同时，如剂
34、过程，而其次选质量分离剂过程，同时，如有必要分级，则优先考虑平衡过程，其次才考有必要分级，则优先考虑平衡过程，其次才考虑速率控制过程虑速率控制过程n1515、在能量分离剂过程中，优先选择那些相变、在能量分离剂过程中，优先选择那些相变化潜热较低的分离剂化潜热较低的分离剂n1616、如果压力降在能耗方面占重要地位，应设、如果压力降在能耗方面占重要地位，应设法寻找能够降低压力降的有效的设备内件法寻找能够降低压力降的有效的设备内件566.46.4分离过程系统合成分离过程系统合成6.4.1.6.4.1.分离顺序数分离顺序数 若分离为清晰分离塔（若分离为清晰分离塔（锐分离器锐分离器），分离顺序数），分离顺
35、序数S SC C：当采用多种分离方法时当采用多种分离方法时57 6.4.26.4.2分离顺序的合成方法分离顺序的合成方法调优法调优法以以某个某个初始精馏初始精馏塔序塔序为为出发点出发点，按，按 照一定的调优法则和策略对它进行逐照一定的调优法则和策略对它进行逐 步改进，最终合成出最优分离顺序。步改进，最终合成出最优分离顺序。确定分离顺序的方法：确定分离顺序的方法：调优法调优法算算法法合合成成法法（最最优优合合成法）成法）经验法（试探法）经验法（试探法）58经经验验法法：依依据据经经验验规规则则对对具具体体问问题题进进行行定定性性分分析析而确定分离序列的方法而确定分离序列的方法。其其优优点点是是使
36、使用用简简便便，不不需需进进行行十十分分繁繁杂杂的的计计算算即即可可从从大大量量可可能能的的序序列列中中筛筛选选出出接接近近最最优优的的序序列列。不不足足是是缺缺乏乏严严格格的的数数学学基基础础，不不能能合合成成出出最最优优的的序列。序列。算法合成技术算法合成技术：有数学规划法、分支界限法、有序：有数学规划法、分支界限法、有序搜索法和有序分支搜索法等。搜索法和有序分支搜索法等。596.4.2.16.4.2.1试探法试探法 (1)(1)关于分离方法选择的经验规则关于分离方法选择的经验规则n首选首选分离方法为分离方法为ESAESA的方法（如普通精馏），的方法（如普通精馏），n其次其次选用是使用选用
37、是使用MSAMSA的方法（如吸收，液液萃的方法（如吸收，液液萃取和特殊精馏）。取和特殊精馏）。n关键组分的相对挥发度关键组分的相对挥发度1.051.05时，普通精馏在时，普通精馏在经济上不合算经济上不合算n尽量不用尽量不用真空真空蒸馏和蒸馏和冷冻冷冻操作操作 60(2)(2)设计方面的经验规则设计方面的经验规则n倾向于采用产品数目最少的分离序列倾向于采用产品数目最少的分离序列n由分离塔直接得产品是最好的，要避免由分离塔直接得产品是最好的，要避免分离得到的产物混合调配而得产品。分离得到的产物混合调配而得产品。61(3)(3)与组分性质有关的经验规则与组分性质有关的经验规则n优先分离热稳定性优先分
38、离热稳定性差差、具有、具有腐蚀腐蚀性和性和毒毒性的组分；性的组分；n优先分离出能优先分离出能发生反应发生反应的组分；的组分；n产品产品纯度要求高纯度要求高的分离放在分离序列的的分离放在分离序列的最后；最后；n最最难分离难分离的组分最后分离；的组分最后分离；n优先分离优先分离易易于分离的组分。于分离的组分。62(4)(4)与组成和经济性有关的规则与组成和经济性有关的规则n倾向于一分为二的分离；倾向于一分为二的分离；n较轻的组分优先分离；较轻的组分优先分离；n将含量最高的组分优先分离；将含量最高的组分优先分离；n尽量使分离单元内上升的气相流率最小。尽量使分离单元内上升的气相流率最小。 63应用这些
39、规则的最好方法是应用这些规则的最好方法是 n同时满足（或近似满足）几条规则的同时满足（或近似满足）几条规则的序列应予优先考虑；序列应予优先考虑；n同时考虑用不同试探规则确定的几种同时考虑用不同试探规则确定的几种序列；序列；n确定起主要作用的规则；确定起主要作用的规则；n保留保留2 23 3个最好的序列。个最好的序列。646.4.2.26.4.2.2有序试探法有序试探法 n四大类：四大类：n分离方法（分离方法（M M）试探规则，主要是对某一特定试探规则，主要是对某一特定的分离任务，确定最好采用哪一类分离方法；的分离任务，确定最好采用哪一类分离方法；n设计（设计（D D）试探规则，主要决定最好采用
40、的某试探规则，主要决定最好采用的某个特定性质的分离顺序；个特定性质的分离顺序；n组分（）组分（）试探规则，根据被分离组分性质上试探规则，根据被分离组分性质上的差异而提出的规则；的差异而提出的规则；n组成（组成（C C）规则，表示进料组成及产品组成对规则，表示进料组成及产品组成对分离费用的影响。分离费用的影响。 65 (1)(1)M M 规则规则 n M M1 1规则规则：优先优先采用采用ESAESA的方法，其次才考的方法，其次才考虑采用虑采用MSAMSA的方法，若采用的方法，若采用MSAMSA，应在下，应在下一级分离中将其除去，并且不能用一级分离中将其除去，并且不能用MSAMSA来来分离另分离
41、另MSAMSA。nM M2 2规则规则：尽量避免采用：尽量避免采用真空真空精馏、精馏、冷冻冷冻操操作。作。66 (2)(2)D D 规则规则 n产品集合中元素最少的分离序列最有利产品集合中元素最少的分离序列最有利 (3)S(3)S规则规则nS S1 1规则规则：首先除掉具有腐蚀性、毒性组分，：首先除掉具有腐蚀性、毒性组分，以减少污染，对后续设备及操作条件就以减少污染，对后续设备及操作条件就不必提出过高的要求。不必提出过高的要求。nS S2 2规则规则：最后处理难分离和分离要求高的：最后处理难分离和分离要求高的组分。组分。67 (4)(4)C C 规则规则nC C1 1规则规则：规定应将进料中：
42、规定应将进料中含量最多含量最多的组分首的组分首先先分离出去。分离出去。nC C2 2规则规则：指出：指出等摩尔分割等摩尔分割最有利。、最有利。、n难以判断哪一种分离最接近一分为二，选择最难以判断哪一种分离最接近一分为二，选择最大大C CESES处为分离点处为分离点 （CES）=f 欲分离两个组分的沸点差，或欲分离两个组分的沸点差，或（-1)100；f=D/W，DW ； f=W/D，DW。68这七条规则的重要性按下列次序排列：这七条规则的重要性按下列次序排列：M M1 1M M2 2D DS S1 1S S2 2C C1 1C C2 2 类别经验规则优先使用能量分离先使用能量分离剂的方法的方法尽
43、可能避免采用真空精尽可能避免采用真空精馏及冷及冷冻操作操作选择能能产生最少生最少产品集合的分离品集合的分离顺序序首先移除腐首先移除腐蚀性和危性和危险性的性的组分分将最困将最困难的分离放在分离的分离放在分离顺序的最后序的最后先分离出含量最多的先分离出含量最多的组分分优先采用等摩先采用等摩尔尔分割或分割或数数值最大的最大的分割分割69例例6-3将下列混合物分离成较纯的单组分物流，将下列混合物分离成较纯的单组分物流，进料组成如下表，其中组分进料组成如下表，其中组分E具有毒性，试用有具有毒性，试用有序试探法选出一种最佳简单分离顺序。序试探法选出一种最佳简单分离顺序。 组组 分分进料摩尔分进料摩尔分率率
44、(kmol/h)相对挥发相对挥发度度要求产品的要求产品的浓度浓度（mol） A 10 3.58 含含A94% B 10 2.17 含含B94% C 10 1.86 含含C94% D 15 1.00 含含D94% E 30 0.412 含含E94%70n解：根据解：根据S S1 1规则和规则和C C1 1规则，规则， E E为有毒气体为有毒气体且含量最多，应首先将其分离，所以第且含量最多，应首先将其分离，所以第一步应分离组分一步应分离组分E E； nB B、C C组分间相对挥发度最小，相对最难组分间相对挥发度最小，相对最难分离，根据分离，根据S S2 2规则，规则，B B、C C组分最后分离；组
45、分最后分离； nA A为最易分离的物体，所以第二步应分离为最易分离的物体，所以第二步应分离组分组分A A。71具体分离顺序具体分离顺序 726.4.36.4.3复杂塔的分离顺序复杂塔的分离顺序( (略）略） n在简单分离塔的基础上加上在简单分离塔的基础上加上多段进料多段进料、侧线出料侧线出料、预分馏预分馏、侧线精馏侧线精馏、侧线提侧线提馏馏和和热偶合热偶合等组合方式构成等组合方式构成复杂塔复杂塔及包及包括复杂塔在内的塔序，力求降低能耗。括复杂塔在内的塔序，力求降低能耗。73 1 1、按按相相对对挥挥发发度度递递减减的的顺顺序序逐逐个个从从塔顶分离出各组分塔顶分离出各组分（直接分离序列）（直接分
46、离序列） 恩德伍德公式两边同乘以恩德伍德公式两边同乘以D D：对普通精馏塔塔序可从以下规则加以考虑对普通精馏塔塔序可从以下规则加以考虑74 （1 1） LNKLNK存存在在， , , 塔塔顶顶组组分分越越多多，塔塔顶顶冷冷凝凝器器和和塔塔釜釜再再沸沸器器传传热热负负荷荷越越大大，能能耗大耗大。所以，上顺序优。所以，上顺序优。（2 2）当当混混合合物物中中某某些些组组分分沸沸点点小小于于常常温温时时，该该规规则则可可使使难难凝凝组组分分首首先先分分离离出出，减减少少高高压压或或低温塔低温塔的的数目数目。752 2、最难分离组分应放在塔序的最后最难分离组分应放在塔序的最后76（1 1）使使级级间间
47、流流率率，再再沸沸器器加加入入热热量量,净净功功消耗消耗 ；（2 2）塔顶与塔底）塔顶与塔底温差温差 ，使净功消耗，使净功消耗 ；（3 3）分分离离难难分分离离组组分分精精馏馏塔塔（N N多多塔塔高高）的的级级间流率间流率 ，塔径，塔径 ，设备费用，设备费用 。773 3、各塔的馏出液和釜液摩尔流率尽量接近、各塔的馏出液和釜液摩尔流率尽量接近 全全塔塔内内回回流流比比较较平平衡衡，操操作作可可逆逆性性好好，效效率率高高，净功消耗低。净功消耗低。784 4、分离收率很高的组分应最后分出、分离收率很高的组分应最后分出n此塔此塔N N多塔高放于最后减小塔径，减小设备费多塔高放于最后减小塔径，减小设备
48、费用用。5 5、进料含量高的组分尽量提前分出、进料含量高的组分尽量提前分出避免该组分在后继塔中多次蒸发和冷凝，减小后避免该组分在后继塔中多次蒸发和冷凝，减小后继塔的流率和冷凝器、再沸器的负荷，节省能继塔的流率和冷凝器、再沸器的负荷，节省能耗和设备费用耗和设备费用 796 6、特殊组分的要先分、特殊组分的要先分 当上面各条规则发生矛盾时，抓主当上面各条规则发生矛盾时，抓主要矛盾，从中选出最适宜的塔序。要矛盾，从中选出最适宜的塔序。80有有的的提提出出如如下下原原则则，发发生生矛矛盾盾和和含含义义交交叉叉时，时，在前的原则优先遵循在前的原则优先遵循：（1 1）优先应用普通精馏）优先应用普通精馏 如
49、必须选用如必须选用MSAMSA的分离方法（时），的分离方法（时），MSAMSA应应在接下来的塔中立即分出。在接下来的塔中立即分出。 81（2 2）避免减压操作和使用冷冻剂）避免减压操作和使用冷冻剂 避避免免压压力力偏偏离离常常压压和和塔塔温温过过高高或或过过低低，若若必必须须偏偏离离常常压压，宁宁用用高高压压而而不不用用减减压压操操作作，塔塔温温宁宁高高不不用用冷冷冻冻剂剂。当当精精馏馏需需要要减减压压操操作作时时，应应考考虑虑采采用用萃萃取取操操作作；当当需需要要冷冷冻冻剂剂时时，应应考考虑吸收操作。虑吸收操作。82（3 3）产品数量应最少）产品数量应最少 当有些产品是混合物时，所选塔序最好
50、当有些产品是混合物时，所选塔序最好能直接分出这种产品，当需混合办法的此产能直接分出这种产品，当需混合办法的此产品时，所用混合操作应最少。品时，所用混合操作应最少。 （4 4）具有腐蚀性和危险性的组分应首先分离）具有腐蚀性和危险性的组分应首先分离 （5 5）难以进行的分离应放于最后）难以进行的分离应放于最后 （6 6）含量最大的应先分出）含量最大的应先分出 （7 7）使塔两端产品等摩尔流率的分离有利）使塔两端产品等摩尔流率的分离有利 83 应应用用（1 1）（2 2）两两条条可可首首先先解解决决所所用用的的 分分 离离 方方 法法 ； 根根 据据 产产 品品 要要 求求 用用（3 3）（4 4）
51、（5 5）条条可可确确定定什什么么分分离离是是不不能能进进行行的的，什什么么分分离离时时应应最最先先进进行行的的，什什么么分分离离应应放放在在最最后后；应应用用（6 6）（7 7）两两条条合合成出分离序列。成出分离序列。 84还有的提出选择塔序的四条原则：还有的提出选择塔序的四条原则：（1 1）关关键键组组分分的的相相对对挥挥发发度度接接近近于于1 1时时，希希望望在在没有非关键组分存在下分离这一对关键组分；没有非关键组分存在下分离这一对关键组分；（2 2）一一般般说说来来按按相相对对挥挥发发度度由由大大到到小小逐逐个个从从塔塔顶分离各组分的塔序是有利的；顶分离各组分的塔序是有利的；（3 3）
52、应使各塔的）应使各塔的D D和和W W的摩尔流率尽量接近；的摩尔流率尽量接近；（4 4）分离回收率很高的组分的塔应放在最后。）分离回收率很高的组分的塔应放在最后。6.3.2 6.3.2 复杂塔的分离顺序（略）复杂塔的分离顺序（略）852 2、过程合成的基本方法：、过程合成的基本方法： （1 1）探试法）探试法 应用探试规则探试规则作出判断，从众多的可行结构中选出少量最有希望的结构方案，然后对这几个方案进行深入分析，从中找出最优的方案。 根据以往的经验和直觉建立的半定量的经验和直觉建立的半定量的判断规则判断规则。根据归纳法的逻辑，即从个别推论到一般，因此其有可能导致错误的结论。但探试规则可使搜索
53、空间大大缩小，能较快搜索空间大大缩小，能较快地找到接近最优解。地找到接近最优解。86 用严严格格的的数数值值计计算算法排除大量可能方案，搜索空间缩小。对各种方案进行分枝，设定目标函数的上下界，通过分枝上结点的计算和目标函数值比较，对界限不断加以改进，并决定结点处是否需要进一步分枝，最终找出最优解。（2）分枝定界法（分枝定界法）分枝定界法（分枝定界法） 这种方法不会将最优解漏掉，但计算量大。这种方法不会将最优解漏掉，但计算量大。 为探试规则和分枝定界法的结合。调优法每一次仅在在现有方案周围的某个空间范围内搜索索，使使系系统统不不断得到断得到改进。综合了探试法和分枝定界法的优点。（3）调优法）调优法87
