第六章分離過程的節能 混合過程為不可逆過程 其逆過程 分離過程 耗能 學習本章意義 1 確定完成一個分離過程所需理論最小能量 2 確定接近此能量極限的實際過程 或減小使用昂貴能量的實際過程 第六章分離過程的節能 第一節分離的最小功和熱力學效率第二節精餾的節能技術第三節分離順序的選擇 返回 第一節分離的最小功和熱力學效率 6 1 1等溫分離最小功6 1 2非等溫分離和有效能6 1 3凈功消耗和熱力學效率 返回 熱力學第二定律 完成同一變化的任何可逆過程所需功相等 6 1 1等溫分離最小功 連續穩定分離系統 進出系統物流變量 n zi H S 熵 Q 系統對環境作功 W 例6 1 二 分離低壓下液體混合物 例6 2 傳熱速率 返回 6 1 2非等溫分離和有效能 熵平衡 式 6 20 6 22 中 返回 6 1 3凈功消耗和熱力學效率 通常 分離過程所需的能量多半是以熱能形式而不是以功的形式提供的 一般以W凈計算能量 凈功消耗 W凈 W入 W出一般分離過程 非等溫可逆過程為1 例6 3設環境溫度T0 294K 計算 1 再沸器負荷 冷凝器負荷給定 2 有效能變化3 凈功消耗4 熱力學效率解 計算基準 1小時1 由圖解得 D 159 21kmol hW 112 95kmol hF 272 16kmol h全塔熱量衡算 QR 34311918 14kJ h T0 294K 返回 第二節精餾的節能技術 6 2 1精餾過程的熱力學不可逆性分析6 2 2多效精餾6 2 3低溫精餾的熱泵6 2 4設置中間冷凝器和中間再沸器的精餾 返回 6 2 1精餾過程的熱力學不可逆性分析 熱力學不可逆性 1 通過一定壓力梯度動量傳遞2 通過一定溫度梯度熱量傳遞3 通過一定濃度梯度質量傳遞 或不同化學位物流直接混合 使凈功降低的方法 降低壓差減少溫差減少濃度與平衡濃度差1 塔設備若N越多 使 P 不可逆性越大可使 氣速 液層高度 使 P 但是 氣速 生產能力不變時D 投資費 液層高度 板效率 改進方式 1 選擇合適的塔徑 液層高度2 改板式塔為高效填料塔 2 再沸器 冷凝器若傳熱溫差小 不可逆性減小但是 傳熱面積 設備費用 液層高度 板效率 改進方式 1 采用高效換熱器2 改進操作方式3 傳熱推動力 傳質推動力精餾操作 Ln 1 Vn 1進入n板 對Vn Ln在n板溫度和濃度相互不平衡 改進方式 1 傳熱推動力 T Tn 1 Tn 2 傳質推動力 y KnXn i yn 1 i 即 y x圖中 操作線向平衡線靠近 T y N 換熱器 臺塔徑 中間大 兩頭小 返回 a 分別進料 b 低壓塔產物進高壓塔 C 產物前饋進料 返回 6 2 2多效精餾多效精餾 能量減少30 40 圖6 7 多效精餾塔的基本方式特點 高壓塔氣相采出是低壓塔塔釜的熱源 用一倍的熱處理兩倍之多進料 例6 4 返回 返回 6 2 3低溫精餾的熱泵用于 組分沸點差較小的低溫精餾采用 膨漲閥 壓縮機三種 1 外部制冷劑圖6 92 壓縮塔頂蒸汽圖6 103 用再沸器氣體閃蒸圖6 11表6 1低溫下丙烯 丙烷分離的熱力學效率和日公用費用 返回 返回 返回 返回 返回 6 2 4設置中間冷凝器和中間再沸器的精餾1 使操作向可逆精餾方向趨近2 采用中等溫度的再沸器和冷凝器圖6 13SRV蒸餾特點 沿全塔布置的換熱元件能大大降低塔頂 塔釜負荷提餾段 蒸汽流率自下而上穩定增加精餾段 液體回流量自上而下穩定增加 返回 返回 返回 第三節分離順序的選擇 6 3 1簡單分離順序的合成6 3 2復雜塔的分離順序 返回 一 分離順序數將混合物ABCDE 按揮發度降低排列 分離為純組分 6 3 1簡單分離順序的合成 二元 一個塔 一種方案 三元 二個塔 二種方案 四元 順序流程 三個塔 五種方案 按相對揮發度交錯采出的逆序流程 C個組分 采用C 1個塔 分離序數為 用 6 28 或 6 29 計算結果列入表6 2 對于特殊精餾 例萃取精餾 加質量分離劑 且數目多 總序數 T 不同質量分離劑對相同組分分離方法數 C 系統組分數 SC 簡單塔計算順序數 例6 5用普通精餾將混合物分離成三個產品 確定分離順序數 相對揮發度遞減 解 產品揮發性不相鄰方法 1 先分出純品 查表6 2 C 5時 SC 142 再將烷烴 烯烴混合結論 采用普通精餾不合理 二 確定分離順序的經驗法 經驗法 啟發法 優點 不用對所有可能的分離順序進行考察 在不作設計和設備費用估計情況下 很快選出好順序 普通塔經驗法 1 按相對揮發度遞減順序分離依據 Underwood式 餾出物中 1 組分數少 Vm少 熱負荷低 2 若混合物中含低沸物 使之不進入后面塔 4 分離要求高的組分最后分分離要求 純度 回收率純度高 N多 此時無關鍵組分 使塔徑減小 5 含量多的組分先分使后面能量降低 塔徑減小 6 特殊組分先分特殊組分 熱敏性 強腐蝕性 易爆 易燃等 注意 1 以上經驗互相沖突 要綜和考慮