5分离过程设计.ppt

第五章分离过程 分离是指将一混合物分成纯物质或组成不同的几股物料 它是化工生产中不可或缺的重要单元过程 化工生产中常见的分离过程基本上可分成三大类 1以能量为分离剂 如精馏 蒸发 结晶 干燥 闪蒸等 2以物质为分离剂 如解吸 吸收 萃取 吸附 浸取 离子交换等3利用物质的密度 粒度 表面等性质不同而进行的机械分离过程 如沉降 离心分离 旋风分离 过滤 浮选等 物质的混合是一个不可逆的熵减过程 能够自发完成 因此 其逆过程分离必然要消耗一定的能量才能进行 这个能量在大多数情况下是热 有时是功 有时同时加入热和功 分离过程设计的目标是在满足产品质量和回收率的前提下尽量减少能量的消耗 所以了解分离所需的最小功 分离过程的理想功 以及能量消耗的大小和哪些因素有关 常有助于人们产生一种新的构思去改进过程 降低能耗 第一节分离过程的热力学效率 1 1最小分离功要计算分离的最小功 可假设一系列可逆过程 计算其中每一过程所需的功 并相加即可得到分离所需要的最小功 实际过程是不可逆过程 因此所需功必然大于可逆过程所需的功 分离的最小功是分离过程所需能量的最低极限 其有三种情况 1当产品和进料的温度 压力相等时所需的分离最小功 对于理想混合物或理想溶液 活度系数等于1 则上式变为 若分离产品不是纯组分 则该过程的最小分离功等于原料分离成纯组分的最小分离功减去产品分离成纯组分所需的最小分离功 由此 产品的纯度越低 所需的分离功越小 下图中的实线表示产品为纯组分时的最小分离功 虚线表示xa1 0 80 xa2 0 22时的最小分离功 讨论一下 图 理想双组分溶液的最小分离功 2若产品的压力和进料不同 则最小分离功需加进修正项 3当产品温度和进料温度不同时 可用产品与进料有效能的差别计算最小分离功 有效能 也称佣 由上可见 佣指一定状态的物质转变到某指定状态时所作的最大有用功 其值减少表示可用于做有用功的潜在有效的能量减少 增加 表示外界必须向系统提供的功的数量 而温度与熵变的乘积不能做有用功的能量 1 2净耗功如果供给分离过程的能量是热量 而不是功 这时用净耗功比较方便 对于任何一个实际过程 净耗功都必须大于佣的变化 若在分离过程中不仅加入能 而且加入功 则应把功加到上式的右端 如果分离过程中没有功的加入 而且进料和产品的焓差与加入系统的热量相比可略去不计 则 1 3热力学效率分离过程热力学效率的定义为最小分离功和加入系统的实际功耗wa之比 第二节分离流程的合成 2 1分离方案数在实际工业中遇到的分离问题常常是多组分的混合物 需要分离成三个以上的产品 这时就产生了分离方案配置问题 即采用什么分离方法 各组分的分离次序 切割的清晰度和是否采用复杂塔等问题 若仅仅需要决定各组分的分离次序 则上述问题就成为确定分离序列问题 对于三组分的分离系统 king曾提出一个分离序列方案的建议 具体见下页图 这些分离方案究竟哪一个最优越 并无一定的规律 要视a b c三个组分相对数量 相对挥发度的大小和产品的纯度而定 若b的数量很小 而a又比c小时 采用方案7 若a大于c时 采用方案8 若组分a的数量很小 或a在b中的纯度要求并不严格 宜采用方案5 同理 若组分c的数量很小 或c在b中的纯度要求并不严格 宜采用方案6 当组分b的数量最大 a c数量相当时 方案3和4可能是有利的 当采用方案3 8时 应与简单方案1 2进行比较后决定 当进料组分多于3个时 各种配置方案的数量远大于3组分时的情况 可能的排列数非常多 我们仅讲述简单清晰切割的分离器所组成的分离配置方案问题 所谓简单是指一个进料和两个产品 清晰切割是指进料中的任一组分只存在一个产品 在另一个产品中完全不存在 若混合物组分数是n 可能采用的分离方法是m种 在可能有的分离方案数sn 可用下式计算 表5 1列出了几个不同m和n值时可能有的分离方案数 由表5 1可见 可能有的分离方案随着产品数和分离方法数的增大而急剧增加 当产品数大于4时 即使只有一种分离方法 要将所有的方案进行比较 其计算工作量已经很大 所以必须采用某种简便的方法 不必研究全部可能的方案就能得到其中较优者 2 2分离方法的选择由上可知 可能的分离方案数随分离方法的增加而急剧增加 因此设计者面临的首要任务是选择一个最有希望的分离方法 用该种分离方法去合成分离序列 但迄今为止 选择分离方法尚无严格的规则可遵循 而是采用探试规则 这些探试规则是根据过去的经验和对研究对象的热力学性质进行半定量分析所得到的结论 显然 根据探试规则得出的结论不一定是最佳方案 但它能大幅度减少可能的方案数 从而提高设计速度 先看几个定义 1分配系数 在平衡状态时某组分在轻相与重相中的分子分数比例 或某组分在溶剂与进料中分子分数的比例 对于精馏而言 即该组分的汽液平衡常数k 2分离因子 两个组分分配系数的比例 对于精馏 即该两个的相对挥发度a 3质量分离剂和能量分离剂 加到分离单元 对所需的分离作出贡献的组分 称为质量分离剂 例如萃取精馏的溶剂 吸收过程的吸收剂等 能量分离剂是指为提供分离单元所需要的汽液相流率而加 入的能量 如精馏塔的再沸器和冷凝器所使用的热剂和冷剂 4次序表 进料各组分按照分配系数递减的次序所排列的表 5关键组分 决定分离要求的两个组分 其中分配系数大者称为轻关键组分 小的为重关键组分 6特定的分离 决定与轻重关键组分和所采用的分离方法 用 a b m表示 a和b分别为轻重关键组分 m为采用的分离方法 二选择分离方法的探试规则主要有以下几种 1选择具有大的分离因子的分离过程 具有较大的分离因子的过程需要比较少的平衡级和分离剂 故分离费较少 物质的分子性质对过程的分离因子有影响 表5 2列出了影响分离过程的分子性质 可根据混合物各组分分子性质的差异程度来选择可能较大的分离因子的分离过程 例如若各组分的偶极矩或极性存在显著差异 采用以极性溶液为溶剂的萃取精馏过程较合适 2尽量避免极端的过程条件 若一个分离过程需要极端的温度或压力 耐腐蚀的设备材料 或高电场等条件 则可能使分离过程的费用高昂 若有其他可行的方案 则应进行经济评价后再做取舍 3当分离过程需要多个分离级时 应优先选择平衡过程而不选择速度控制过程 速度控制过程如电渗析 气体扩散 需要在每个分离级加入能量 而精馏 吸收 萃取等为平衡分离过程 分离剂在每一级重复使用 只需加入一次能量 例如在精馏过程中 热量在再沸器加入 产生上升蒸汽 该蒸汽逐级上升 并不需要在每个平衡级都加入蒸汽 4当分离因子相同时 选择能量分离剂而不要选择质量分离剂 因为选择后者时 它必须和产品再分离 因而需要相继增加另一个分离器 这样便增加了分离过程的费用 5在分离方案方法中优先考虑精馏 其次再考虑其他方案 因为精馏过程有成熟的理论和实践 精馏系统内无固体物料 操作方便 另外精馏是一个使用能量分离剂的平衡分离过程 其无产品数量的限制 从很小到很大的规模都能采用 常常只需要能位等级很低的分离剂 一般排除精馏方案的充分理由是其分离因子小于1 05 除此之外 即使修改工艺条件 也无法满足分离因子的要求 再考虑其他的分离方法 各异构体的分子体积 偶极矩和极性也有细小的差别 若有适当的外部物质能使这些异构体的反应活性有显著差别 或有对异构体有较高吸附选择性的吸附剂 则也可考虑采取化学反应分离或吸附分离 2 3分离序列的确定 确定分离序列目前采用的基本方法有三种 探试合成法 调优合成法和最优化算法合成法 实际中可使用其中一种方法 也可联合使用其中两种方法 1探试法 探试法是人们根据探试规则来合成分离序列的方法 前已述及探试规则是根据多年积累的经验和对过程的热力学性质进行半定量分析所得的结论 利用探试法能迅速得出一个或少数几个较优方案 但由于探试法是基于分离过程的共性规律 无法考虑各个过程的特殊性 因而不太严格 难免失误 探试法优选的目标是年生产费用最低 年生产费用有基建投资的折旧费和操作费两部分组成 下面举例精馏过程分析 其基建投资主要是精馏塔 冷凝器和再沸器的基建费用 泵和回流罐的费用小于塔系投资的5 可略不计 操作费主要是冷凝器和再沸器所用的冷 热介质 其他的可以略去不计 塔内蒸汽流量v 分离系统的任务一定 精馏过程的设备费和操作费均与蒸汽流量相关 即精馏塔系统的基建费和操作费都取决于蒸汽流量 并与其成正比 各方案中年生产费用最低者也是各塔蒸汽流量之和最小者 最优分离序列的目标函数可用下式表达 n为分离序列中的塔数 蒸汽流量取决于两个因素 塔的进料流量 用轻重关键组分的相对挥发度所表示的分离难易困难程度 分离越是困难 即相对挥发度越小 所需的回流比和蒸汽量越大 塔顶 底温度差 塔顶温度越低 塔底温度越高 则所需的净耗功越大 操作压力其对精馏塔系的基建费用和操作费的影响是增加压力将使塔壁增厚 塔径缩小 增加压力使塔顶和塔釜的温度同时升高 若使用的冷热介质温度不变 则冷凝器的温度差增加使所需的传热面积减小 而再沸器相反 绝大多数情况下 塔压增加使得塔的相对挥发度降低 进而使所需的回流比增加 上升蒸汽量加大 因此操作压力升高对降低年生产费用的影响有利有弊 在压力变化不大的范围内 其综合结果是对年生产费用的变化影响较小 但趋势是随着压力升高生产费增加 探试规则仅适用于简单清晰切割塔 一个进料 2个出料 根据探试规则得到的较优分离序列 可进一步研究有无可能采用侧线出料 中间再沸器或中间冷凝器等节能措施 精馏塔的探试规则有 应把关键组分的相对挥发度最接近1的最困难分离放在最后 即在所有其他组分都除去后再进行分离 关键组分的相对挥发度越接近1越难分离 所需回流比越大 若有非关键组分存在 由此引起的蒸汽流量增加大于其他分离 另一方面当有比轻关键组分更轻的组分进入最困难分离系统时 塔顶温度将比原来的温度低 因而不仅增加了冷量的消耗 而且提高了冷量的等级 相反 重关键组分的增加会提高塔釜温度 增加了塔顶塔釜温差 若再沸器温度很低 能回收冷量 有重组分还降低了从再沸器回收冷量的等级 总之 非关键组分的存在使塔顶 塔釜温差和蒸汽量都增加 两个大数相乘 积必然急剧上升 因此应该把非关键组分先分离 把最难分离的塔放在最后 根据汽液平衡常数的大小进行排列 把轻组分逐个脱除 即采用顺序流程 若改变分离序列并不改变各个塔的关键组分的相对挥发度或回流比 则顺序流程的各塔蒸汽负荷之和最小 而且若有沸点低于环境温度的组分a 则分离该组分的塔必须加压和 或 采用冷冻 若采用顺序流程 则仅第一个塔需要加压冷冻 否则所有含有组分a的塔的塔顶温度均会降低 这会增加塔的净耗功 甚至使原来不必采用加压或冷冻的塔要加压或冷冻 应首先把混合物分成分子数接近的两股流 有可能使回流比和蒸出比得到较好的匹配而降低能耗 回收率要求高的应放在最后 容易造成系统腐蚀或聚合结焦的组分应首先除去 以降低后续设备的材质要求或稳定操作 对于各组分沸点相差很远的混合物 若有的组分需在冷冻的条件下进行分离应使进入冷冻系统或冷冻等级更高的系统的组分数尽量减少 温度越低 单位冷量耗功越大 因而价格越贵 不同温度的冷量功率消耗如表5 3所示 其是以乙烯和丙烯为制冷介质采用不同的压缩机等熵效率所得 2调优合成法其是以某个初始的流程为基础 对其进行一系列修正而合成接近最优系统的方法 其具体步骤如下 利用过去已有的流程 或根据探试规则生产初步流程 根据调优规则开发当前流程所允许的结构变化 对得到的各种结构变化进行分析 确定替代方案 选择其中最好的方案作为改进方案 以改进方案为基础 再进行分析 作进一步的改造 如此反复进行直到不能再改为止 每一个修改的方案都是在前一方案的基础上进行改进的 调优规则如下 有效性 根据调优规则所产生的所有分离序列都应当是可行的 完备性 从任意初始流程开始 反复应用调优规则能产生所有可能的流程 直观合理性 根据调优规则所产生的流程与当前进行调优的流程没有显著的差别 下列两条规则完全满足上述三项要求 规则1 将一个分离任务移至所在分离序列的前一个位置规则2 改变一个分离任务的分离方法 用探试规则产生初始流程 再用调优法加以改进 是有经验的设计者常用的过程合成方法 但调优的速度和质量很大程度上依赖于设计人员的素质和经验 3最优化算法合成法合成分离序列的问题可以这样定义 对一已知进料 用某种方法合成一个分离序列 使该分离序列能以最小的费用将进料分离成指定规格要求的产品 这问题可用如下数学表达式 由上式可知 该问题是非线性混合整数规划问题 一方面要对常用哪一个分离序列作出离散决策 同时又要对在连续范围内变化的设计变量作出连续决策 解此题可用适用于求解非线性混合整数规划的一些算法来解决 如动态规划法 分枝界限法等 动态规划法它是一种分解方法 把一个n级的决策过程化成n步的一级决策过程 进行决策的步骤是从过程的末端开始 第一步求最后一级对于给定的输入的最优决策 第二步将最后两级一起考虑 求出对最后第二级输入的最优决策 依次类推 进行第三步 第四步 决策 直到过程的开端 以一个四组分混合物分离的过程为例 说明这种方法的基本思想和解题步骤 由上可知 若直接计算最优分离序列 计算工作量为分离序列数乘每个序列中的分离器数 采用动态规划法计算工作量就降为总分离器数 若混合物组分分别为4 5和6 其相对工作量如下 由此可见 混合物的组分数越多 动态规划法的效率越高 但是当组分数较多时 动态规划法的计算工作量仍然很大 为了克服这个缺点 提出了用分枝限界法来合成分离序列 2分枝限界法此法的思路是首先将原始问题分解 产生一组子问题 其次是建立某个子问题解的边界 然后对每个子问题进行计算 若在解题过程中或解题结束时发现某组解在边界之外 就划去这个子问题 从而减少了计算工作量 其主要步骤如下 列出所有可能的分离序列和分离器 对于某个有希望的分离序列计算其总费用的上限c0和下限c1 该分离序列称为基本分离序列 计算各个分离序列的费用 任何一个序列 不论是已完成的完整序列或是只是完成一部分的非完整序列 只要它的下界值大于c0 那么这个序列就不可能时最优序列 应删去 因此分枝界限法的优点是在某个分离序列费用计算完成前就可将其删去 但其缺点是计算分离序列的下界限的方法比较复杂 使该法的应用受到限制 总之 直接最优化合成法的优点是严格 但缺点是计算工作量大 特别是对于组分数较多的分离问题 利用最优化算法确定分离序列至今尚不现实 第三节分离方法和设备 有滤饼过滤和深层过滤之分 流体旋转式离心机 机械旋转式离心机 浮选工艺中固体的分离取决于颗粒表面性质的不同 有些易于粘附于气泡表面 有些难于粘附 通常向悬浮液中加入许多试剂以满足不同的浮选要求 调节剂 加调节剂的目的是控制ph值 常用酸 生石灰 氢氧化钠等 捕浆剂 捕浆剂为疏水剂 可优先吸附到某种颗粒表面上 将颗粒表面覆盖或部分覆盖 以增加颗粒的疏水性 使之易于与气泡粘附 活化剂 能活化矿物表面 使矿物颗粒易于捕集 抑浮剂 优先吸附到某种颗粒表面 降低其疏水性 阻止其与气泡粘附 发泡剂 为表面活性剂 加入悬浮介质中生成稳定的泡沫有助于分离 浮选也常用于从油水混合物中分离出油 此时不需加入试剂 因为油本身就是强疏水性物质 气泡可通过以下三种方法产生 a通过某种形式的鼓泡系统 直接形成泡沫 b将气体加压溶解于液体中 然后减压释放到浮选池中 自然形成气泡 c液体电解产生气泡 常用于均相分离 分离均相混合物首选蒸馏方法 原因如下 a适用于很大的流量范围 很多其他方法只能采用小流量 b适用于不同的进料浓度 很多其他方法常只适用于较浓的料液分离 c可产生高纯度产品 很多其他方法只能进行部分分离得不到高纯度产品 以下几种情况不适用于采用蒸馏方法分离 低分子量物料分离 宜采用吸收 吸附或气体膜分离 大分子量热敏性物质的分离 吸附 膜 萃取等 分离较低浓度的组分 宜采用吸收 吸附 组分的类别分离 蒸馏是按照物质的沸点来分的 而不是根据物性分离的 所以类别分离最好采用液液萃取等 相对挥发度低或共沸物的分离 宜采用萃取蒸馏 共沸蒸馏 结晶或液液萃取等 从不挥发性物质中分离挥发性物质 常用蒸发 干燥等 含可凝组分与不可凝组分的分离 这种情况最好是部分冷凝后进行非均相分离 当要求生产能力较低时 用单级蒸发 而多效蒸发系统则可进一步回收汽化物质的潜热 常见的三种不同的三效蒸发流程为 并流 顺流 加料蒸发流程 新鲜进料和蒸汽流向相同 由第一效顺序流至下一效 溶液的沸点逐渐降低 适用于产品高温分解体系 由于蒸发室压力也逐渐降低 故溶液在级间的输送可自动进行而不需要输送泵 逆流加料蒸发流程 原料液由最后即最冷一级加入 浓缩产品从第一级取出 当浓缩液的粘度较高时 宜采用此流程 在前级中 温度高可以降低粘度 并且传热系数较高 但由于溶液流向与压力降方向相反 故必须用泵完成级间输送 平行流加料蒸发流程 原料液分别加入到各级中 浓缩液也分别从各级底部取出 蒸汽的流向仍是从第一级流至最后一级 该流程适合于所处理的原料液接近饱和特别是在蒸发过程中有结晶析出的溶液 还有许多不同的加料方式流程 可以具有以上三种流程的优点 三效蒸发的操作方式 假设每级进出料都是饱和溶液 且蒸发和冷凝热负荷都按常温计算 下图为三效蒸发器的温度 焓变化关系图 蒸发器设计的自由度 在独立设计蒸发器时 有三个自由度 通过调整操作压力改变蒸发温度 压力降低的影响如上图 a 所示 通过调整换热面积改变级间温差 传热面积降低的影响如上图 b 所示 通过调整级数改变热通量 当级数由3变为6时的影响如上图 c 所示 假设这些变量已经确定 如何开始设计呢 首先最重要的是确定级数 级数与总费用的关系曲线如图所示 存在一个最佳级数 但在没有进行全系统热集成之前 无需对级数进行优化 因为热集成对此最优值的影响是很大的 多效蒸发器级数与总费用关系 此时只能对蒸发器级数做出合理估计 然后再根据级数确定系统的热通量 才能做进一步设计 一般情况下 蒸发器最高允许温度受产品分解和结渣性能制约 所以最高压力级的压力必须使操作温度低于此极限温度 而最低压力以能使用冷却水或空气冷却为准 若产品不存在热分解和结渣问题 则最高压力级温度低于蒸汽温度 最低压力级温度高于冷却水或空冷温度 对于一定级数的蒸发器 若所有蒸发器的传热系数相同 所有蒸发或冷却负荷都按常温计算 蒸发混合物的沸点升高可略去不计 通过系统的潜热为常数 则当各级温差相同时 设备费用最低 若蒸发器压力不受蒸汽温度限制而是受产品分解或结渣控制 则 t0为实际温度上限和冷介质温度差 这种确定可满足进一步设计的需要 因为考虑系统集成会使蒸发器设计发生较大变化 另外一个重要因素是蒸发器的进料条件 若冷进料则逆流加料流程较好 因为只有较少量的液体经过第二级和第一级加热至较高温度 但在流程设计初期不能假设冷进料 因为经过与其他过程热集成后 进料可能被预热 若蒸发器设计没有考虑其他过程 则与其他过程热集成后可能会与原设计的差别很大 总之要选择简单的 费用低的 蒸馏操作的参数选择 1操作压力 随压力增加 分离变得更难进行 相对挥发度降低了 即需要更多的板数和更高的回流比 蒸发潜热也降低了 致使再沸器和冷凝器的热负荷降低 气体密度增加 则塔径减小 再沸器温度升高 会使物料热分解甚至结渣 冷凝器的温度也会升高 这使得能耗增加 压力降低会使以上情况反向进行 但要避免真空或冷冻操作 若过程允许 则至少应使操作压力高于大气压 冷凝器可用水冷或空冷 确定压力时要考虑塔顶产物的泡点温度高于夏季冷却水温度10 若在该条件下压力低于常压 则选择常压操作 除非热敏性等物质 一般不采用真空操作 2回流比 回流比与设备和操作费用的关系如下页图示 最小回流比时 板数无穷多 设备费很大 随回流比增加 板数减少 设备费降低 而再沸器和冷凝器的负荷却增加 蒸馏塔 再沸器和冷凝器的年平均设备费与年能耗费总和与回流比之间存在一个最佳操作点 即最佳回流比 其值一般为最小回流比的1 1倍 然而大多数设计者常采用的值大于1 1 因为较小的设计误差或操作条件的微小变化就会造成分离结果达不到要求 所以在该设计阶段不进行如图所 蒸馏塔设备费和能量费与回流比的关系 示的优化 当蒸馏塔与其他