设备管理_分离过程及设备的效率与节能综合培训教材

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 3 5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uf 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 C 从实验装置或中间工厂直接得到数据 奥康奈尔 O Connell 关系曲线 图6 8 6 1 3 1经验关联式 朱汝瑾公式 VanWinkle关系式 HETP乱堆填料HETP一般为0 45 0 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0 125 0 166m BX型的HETP为0 2 0 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实验室测定 使用称为Oldershaw塔的玻璃或金属筛板塔 塔径25 50毫米 筛孔1毫米 开孔率10 左右 塔板数任意 在20 1140千帕操作压力范围内 Oldershaw塔的效率与塔径在0 46 1 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40 60 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HETP 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 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95 O2的气氧和99 N2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 1 0 21 0 95x 0 01 1 x 得 x 0 213kmol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 由计算此情况下最小功公式6 10 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1 yAF 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yAF 0 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QR QC Q 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 kmol K 塔顶馏出液D 159 21kmol h HD 12793 9kJ kmol SD 74 69kJ kmol K 塔底釜液W 112 95kmol h HW 3073 37kJ kmol SW 66 10kJ kmol K 假设环境温度T0 294K 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 己知T0 294K 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6 25 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 10 避免将不相同组成温度的物流混合的设计11 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 加进和引出热量要使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 例如多效蒸发12 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13 适当采用分级或逆流操作 以降低分离剂用量 14 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15 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16 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 6 4分离过程系统合成 6 4 1 分离顺序数若分离为清晰分离塔 锐分离器 分离顺序数SC 当采用多种分离方法时 6 4 2分离顺序的合成方法 调优法 以某个初始精馏塔序为出发点 按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 确定分离顺序的方法 经验法 依据经验规则对具体问题进行定性分析而确定分离序列的方法 其优点是使用简便 不需进行十分繁杂的计算即可从大量可能的序列中筛选出接近最优的序列 不足是缺乏严格的数学基础 不能合成出最优的序列 算法合成技术 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 6 4 2 1试探法 1 关于分离方法选择的经验规则首选分离方法为ESA的方法 如普通精馏 其次选用是使用MSA的方法 如吸收 液液萃取和特殊精馏 关键组分的相对挥发度 1 05时 普通精馏在经济上不合算尽量不用真空蒸馏和冷冻操作 2 设计方面的经验规则 倾向于采用产品数目最少的分离序列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 3 与组分性质有关的经验规则 优先分离热稳定性差 具有腐蚀性和毒性的组分 优先分离出能发生反应的组分 产品纯度要求高的分离放在分离序列的最后 最难分离的组分最后分离 优先分离易于分离的组分 4 与组成和经济性有关的规则 倾向于一分为二的分离 较轻的组分优先分离 将含量最高的组分优先分离 尽量使分离单元内上升的气相流率最小 应用这些规则的最好方法是 同时满足 或近似满足 几条规则的序列应予优先考虑 同时考虑用不同试探规则确定的几种序列 确定起主要作用的规则 保留2 3个最好的序列 6 4 2 2有序试探法 四大类 分离方法 M 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 设计 D 试探规则 主要决定最好采用的某个特定性质的分离顺序 组分 试探规则 根据被分离组分性质上的差异而提出的规则 组成 C 规则 表示进料组成及产品组成对分离费用的影响 1 M规则 M1规则 优先采用ESA的方法 其次才考虑采用MSA的方法 若采用MSA 应在下一级分离中将其除去 并且不能用MSA来分离另MSA M2规则 尽量避免采用真空精馏 冷冻操作 2 D规则 产品集合中元素最少的分离序列最有利 3 S规则S1规则 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不必提出过高的要求 S2规则 最后处理难分离和分离要求高的组分 4 C规则 C1规则 规定应将进料中含量最多的组分首先分离出去 C2规则 指出等摩尔分割最有利 难以判断哪一种分离最接近一分为二 选择最大CES处为分离点 CES f 欲分离两个组分的沸点差 或 1 100 f D W D W f W D D W 这七条规则的重要性按下列次序排列 M1 M2 D S1 S2 C1 C2 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 4 3复杂塔的分离顺序 略 在简单分离塔的基础上加上多段进料 侧线出料 预分馏 侧线精馏 侧线提馏和热偶合等组合方式构成复杂塔及包括复杂塔在内的塔序 力求降低能耗 1 按相对挥发度递减的顺序逐个从塔顶分离出各组分 直接分离序列 恩德伍德公式两边同乘以D 对普通精馏塔塔序可从以下规则加以考虑 1 LNK存在 塔顶组分越多 塔顶冷凝器和塔釜再沸器传热负荷越大 能耗大 所以 上顺序优 2 当混合物中某些组分沸点小于常温时 该规则可使难凝组分首先分离出 减少高压或低温塔的数目 2 最难分离组分应放在塔序的最后 1 使级间流率 再沸器加入热量 净功消耗 2 塔顶与塔底温差 使净功消耗 3 分离难分离组分精馏塔 N多塔高 的级间流率 塔径 设备费用 3 各塔的馏出液和釜液摩尔流率尽量接近 全塔内回流比较平衡 操作可逆性好 效率高 净功消耗低 4 分离收率很高的组分应最后分出 此塔N多塔高放于最后减小塔径 减小设备费用 5 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 减小后继塔的流率和冷凝器 再沸器的负荷 节省能耗和设备费用 6 特殊组分的要先分 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 有的提出如下原则 发生矛盾和含义交叉时 在前的原则优先遵循 1 优先应用普通精馏 如必须选用MSA的分离方法 时 MSA应在接下来的塔中立即分出 2 避免减压操作和使用冷冻剂 避免压力偏离常压和塔温过高或过低 若必须偏离常压 宁用高压而不用减压操作 塔温宁高不用冷冻剂 当精馏需要减压操作时 应考虑采用萃取操作 当需要冷冻剂时 应考虑吸收操作 3 产品数量应最少 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品时 所用混合操作应最少 4 具有腐蚀性和危险性的组分应首先分离 5 难以进行的分离应放于最后 6 含量最大的应先分出 7 使塔两端产品等摩尔流率的分离有利 应用 1 2 两条可首先解决所用的分离方法 根据产品要求用 3 4 5 条可确定什么分离是不能进行的 什么分离时应最先进行的