第六章 分离过程及设备的效率与节能综合

1、掌握掌握第六章第六章 主要内容主要内容6.26.2分离过程的最小分离功分离过程的最小分离功6.36.3分离过程的节能分离过程的节能6.46.4分离过程系统合成分离过程系统合成本章小结本章小结本章要求本章要求重点掌握重点掌握掌握掌握6.16.1气液传质设备的效率气液传质设备的效率了解了解v（1 1）气液传质设备的效率）气液传质设备的效率v1）理解、识记气液传质设备级效率的各种）理解、识记气液传质设备级效率的各种定义。定义。v2）掌握影响级效率的因素和塔板上流动液）掌握影响级效率的因素和塔板上流动液相的三种混和类型。相的三种混和类型。v3）掌握级效率计算方法中的机理模型方法）掌握级效率计算方法中的

2、机理模型方法。v（2 2）分离过程的最小分离功）分离过程的最小分离功v1）理解分离过程的最小分离功定义）理解分离过程的最小分离功定义v2）掌握多组分混合物的最小分离功、净功）掌握多组分混合物的最小分离功、净功消耗、热力学效率计算消耗、热力学效率计算本章要求本章要求v（3 3）分离过程的节能）分离过程的节能v1）理解分离过程热力学分析；）理解分离过程热力学分析；v2）掌握节能的主要途径；）掌握节能的主要途径；v3）识记有关分离操作的节能经验规则）识记有关分离操作的节能经验规则v（4 4）分离过程系统合成）分离过程系统合成v1）理解离顺序数定义及计算公式；）理解离顺序数定义及计算公式；v2）掌握分

3、离过程系统合成三种方法。）掌握分离过程系统合成三种方法。v3）掌握有序试探法中的四大规则。）掌握有序试探法中的四大规则。本章要求本章要求6-1气液传质设备的效率气液传质设备的效率6.1分分离离设设备备的的级级效效率率一、一、级效率的定义和影响因素级效率的定义和影响因素二、二、 级效率的计算方法级效率的计算方法 三、三、气液传质设备的选择气液传质设备的选择了解了解了解了解了解了解6-1气液传质设备的效率气液传质设备的效率为确定传质设备的高度，可通过多级平衡为确定传质设备的高度，可通过多级平衡过程的计算，决定完成一定分离任务所需的过程的计算，决定完成一定分离任务所需的理论级数理论级数将其他因素的影

4、响归于传质分离的将其他因素的影响归于传质分离的级效率级效率板式塔板式塔:一种塔内浓度为一种塔内浓度为不连续不连续变化的逐板变化的逐板接触型设备，每一塔板就是一个传质交换级接触型设备，每一塔板就是一个传质交换级，并构成多级平衡过程的一个单元，并构成多级平衡过程的一个单元传质交换的两流体在一块塔板上接触后并传质交换的两流体在一块塔板上接触后并不可能达到理论上的平衡状态，不可能达到理论上的平衡状态，为表示板式为表示板式塔传质效率的大小，常用板效率塔传质效率的大小，常用板效率6.1分分离离设设备备的的级级效效率率6-1分离设备的级效率分离设备的级效率 填料塔填料塔: 一种塔内浓度为一种塔内浓度为连续变

5、化连续变化的微分接触的微分接触型设备型设备用相当于一个传质单元的高度，或一用相当于一个传质单元的高度，或一个理论级的填料高度来表示填料塔的传个理论级的填料高度来表示填料塔的传质效率，称之为传质单元高度或理论板质效率，称之为传质单元高度或理论板当量高度当量高度讨论传质分离的级效率，就是讨论影讨论传质分离的级效率，就是讨论影响板式塔的板效率和填料塔的传质单元响板式塔的板效率和填料塔的传质单元高度或理论板当量高度的各个因素及其高度或理论板当量高度的各个因素及其计算方法计算方法 6.1分分离离设设备备的的级级效效率率塔型塔型板式塔板式塔填料塔填料塔条形条形方形方形圆形圆形泡罩塔泡罩塔筛板塔筛板塔浮阀浮

6、阀6.1分分离离设设备备的的级级效效率率浮舌浮舌塔板结构塔板结构填料塔结构填料塔结构筛板筛板泡罩泡罩填料类型填料类型填料支撑填料支撑液体分液体分布装置布装置液体再液体再分布装置分布装置一、级效率的定义和影响因素一、级效率的定义和影响因素Defination and influencing factors of stage efficiency 实际板和理论板的差异实际板和理论板的差异6.1分分离离设设备备的的级级效效率率理论板（级）理论板（级）实际板（级）实际板（级）iiiixKyy*)(*iiyyV汽液两相完全混合，板上汽液两相完全混合，板上浓度均一，等于离开该板浓度均一，等于离开该板溢流液

7、的浓度溢流液的浓度 离开板的汽液相浓度达到离开板的汽液相浓度达到平衡：平衡：传质量：传质量：均匀流动，各点停留时间均匀流动，各点停留时间相同相同无雾沫夹带、漏液和液相无雾沫夹带、漏液和液相夹带汽相现象等夹带汽相现象等板上液相浓度径向分布，液板上液相浓度径向分布，液体入口处浓度高，进入的汽体入口处浓度高，进入的汽相各点浓度不相同相各点浓度不相同达到平衡要无限长时间达到平衡要无限长时间影响因素：平衡关系、塔板影响因素：平衡关系、塔板 结构，流动情况、物性结构，流动情况、物性不均匀流动，各点停留时间不均匀流动，各点停留时间有明显差异有明显差异雾沫夹带、漏液和液相夹带雾沫夹带、漏液和液相夹带汽相现象等

8、汽相现象等级效率的定义级效率的定义 1）全塔效率）全塔效率 实理NNET2）Murphree板效率板效率（干板效率）（干板效率） 1*1,jjjjmViyyyyE6.1分分离离设设备备的的级级效效率率 y*i,j 也可液相浓度计算也可液相浓度计算且不同组分计算结果且不同组分计算结果不同（二元除外）不同（二元除外）但但mLiE,mVimLiEE,级效率的定义级效率的定义3）点效率）点效率 1*1jjOGyyyyE4）理论板当量高度（）理论板当量高度（HETP） 相当于一个理论板的分离程度所相当于一个理论板的分离程度所需的填料层高度需的填料层高度 HETPNZT6.1分分离离设设备备的的级级效效率

9、率级效率的定义级效率的定义5）传质单元高度）传质单元高度 OGOGNHZ OLOLNHZ NOG和和NOL分别为气相和液相总传质单元数分别为气相和液相总传质单元数 bayyOGyydyN*HOG和和HOL分别为气相和液相的总传质单元的分别为气相和液相的总传质单元的填料层高度填料层高度 akVHGmOGakLHLmOLkG，kL为气相、液相总传质系数为气相、液相总传质系数a为填料的有效表面积为填料的有效表面积 6.1分分离离设设备备的的级级效效率率影响级效率的因素影响级效率的因素 1）点效率与传质间的关系）点效率与传质间的关系 6.1分分离离设设备备的的级级效效率率影响级效率的因素影响级效率的因

10、素 1）点效率与传质间的关系）点效率与传质间的关系 ANNNLGOG111点效率点效率 OGNOGeE1LGNN ,，P189（6-10） （6-11）式可经验求式可经验求6.1分分离离设设备备的的级级效效率率1）点效率与传质间的关系）点效率与传质间的关系美国化工学会美国化工学会（AIChE）对泡罩塔和筛对泡罩塔和筛板塔提出了下列经验式：板塔提出了下列经验式： 2/1)/()(84.1042377. 2567. 4776. 0CfvWGSlLFhN)(GuF)/(GGGCDSLLLtFDN)15. 0213. 0()10127. 4(2/18fvCLlLlZt/FlLhZfvWC0135. 0

11、)(454. 219. 00419. 06.1分分离离设设备备的的级级效效率率2）液体混合情况对板效率的影响液体混合情况对板效率的影响 板上液体板上液体完全混合完全混合 OGmvEE液相液相完全不混合完全不混合 活塞流活塞流 OGmvEE1AEmvOGeAE6.1分分离离设设备备的的级级效效率率当当NOG一定时，液体混合一定时，液体混合作用减弱，使作用减弱，使EmV增大，增大，且且A越小，越小，EmV越大越大2 2、液体混合情况对板效率的影响、液体混合情况对板效率的影响液体液体部分混合部分混合混合程度介混合程度介于活塞流和于活塞流和完全混合之完全混合之间，常称为间，常称为存在返混存在返混 6.

12、1分分离离设设备备的的级级效效率率2 2、液体混合情况对板效率的影响、液体混合情况对板效率的影响v完全混合级效率等于点效率完全混合级效率等于点效率v液相纵向不完全混合，使液相纵向不完全混合，使EmV/EOG对对级效率起明显有利的影响级效率起明显有利的影响v不均匀流动，环流会产生不利影响，不均匀流动，环流会产生不利影响，液相横向混合，能削弱这种影响，使液相横向混合，能削弱这种影响，使EmV/EOGv随塔径增大，纵向不完全混合性的有随塔径增大，纵向不完全混合性的有利影响下降，不均匀流动趋于严重利影响下降，不均匀流动趋于严重6.1分分离离设设备备的的级级效效率率液体液体部分混合部分混合0PePe1

13、1/ )(1)(1)(eeePOGmVPePPeEEeLEetDlP2wfvGEhlLuD18. 0)(68. 30171. 000378. 0)(5 . 0 1)41(22/1eOGePEP完全混合完全混合 完全不混合完全不混合 6.1分分离离设设备备的的级级效效率率液体液体部分混合部分混合6.1分分离离设设备备的的级级效效率率3）雾沫夹带雾沫夹带 两个相在传质交换后的分离，对塔设两个相在传质交换后的分离，对塔设备就是气速较高时造成的备就是气速较高时造成的雾沫夹带雾沫夹带 影响：影响：使重组分含量高的液体进入上使重组分含量高的液体进入上层塔板，轻组分浓度下降层塔板，轻组分浓度下降湿板效率湿板

14、效率 e：单位液体流率的雾沫夹带量，对不同：单位液体流率的雾沫夹带量，对不同的塔型，可用经验式估算的塔型，可用经验式估算e )1 (1eeEEEmVmVa6.1分分离离设设备备的的级级效效率率EaEmV3）雾沫夹带雾沫夹带GLGFvuK6.1分分离离设设备备的的级级效效率率3）雾沫夹带雾沫夹带Fuu /泛点百分率泛点百分率 求得求得 由由 vKFu6.1分分离离设设备备的的级级效效率率4）物性的影响物性的影响 液相粘度，粘度高，两相接触差，同液相粘度，粘度高，两相接触差，同时液相扩散系数变小，故效率低时液相扩散系数变小，故效率低 相对挥发度，大则相当于汽相溶解度相对挥发度，大则相当于汽相溶解度

15、低，低，Ki小，液相阻力大，效率低小，液相阻力大，效率低表面张力梯度表面张力梯度 a.正系统正系统 重轻01dxd泡沫状态下操作泡沫状态下操作 b.负系统负系统 重轻01dxd喷射状态下操作喷射状态下操作 c.中性系统中性系统 重轻01dxd6.1分分离离设设备备的的级级效效率率二、二、 级效率的计算方法级效率的计算方法Calculation of stage efficiency1、经验法、经验法1）奥康奈尔（）奥康奈尔（OConnell）关系曲线）关系曲线 6.1分分离离设设备备的的级级效效率率二、二、 级效率的计算方法级效率的计算方法Calculation of stage effici

16、ency1）奥康奈尔（）奥康奈尔（OConnell）关系曲线）关系曲线 245. 0)(49. 0LTE468. 0ln164. 0 xET443. 0ln0687. 0 xET1x1xiLixxL：全塔平均温度下进料的粘度：全塔平均温度下进料的粘度 ：相对挥发度：相对挥发度 6.1分分离离设设备备的的级级效效率率2）Van Winkle关系式关系式 08. 025. 014. 007. 0ecgmvRSDE表面张力准数：表面张力准数： vLLgUD液体液体Schmidi准数：准数： LKLLcDSReynolds准数：准数： ALvvweFUhR6.1分分离离设设备备的的级级效效率率3）HE

17、TP6.1分分离离设设备备的的级级效效率率3）HETP乱堆填料乱堆填料 HETP=0.45-0.6米米鲍尔环鲍尔环，25mm，HETP=0.3m； 38mm，HETP=0.45m； 50mm，HETP=0.6m。规整填料规整填料 金属丝网波纹填料：金属丝网波纹填料：CY型，型， HETP=0.125-0.166m； BX型，型，HETP=0.2-0.25m。 麦勒派克填料，麦勒派克填料，HETP=0.25-0.33m 6.1分分离离设设备备的的级级效效率率2、机理模型机理模型 1） 用（用（6-10，11）式计算出板上的气相传质单）式计算出板上的气相传质单元数元数NG和液相传质单元数和液相传质

18、单元数NL。2） 用（用（6-9）式求出气相总传质单元数）式求出气相总传质单元数 NOG3）用（）用（6-8）式求出点效率）式求出点效率EOG 4）计算板上液相返混程度）计算板上液相返混程度Pe5）查图）查图6-5或（或（6-16）计算得）计算得EMV/EOG，并得干板并得干板效率效率 EMV6）从图）从图6-6，7求雾沫夹带量并按式（求雾沫夹带量并按式（6-19）求）求Eav特点：特点：预测放大塔径后的板效率预测放大塔径后的板效率v 计算繁复计算繁复6.1分分离离设设备备的的级级效效率率分离过程的最小分离功分离过程的最小分离功 6.2分分离离过过程程的的最最小小分分离离功功一、一、分离的最小

19、功分离的最小功二、二、非等温分离和有效能非等温分离和有效能（Exergy） 三、三、净功和热力学效率净功和热力学效率 了解了解掌握掌握掌握掌握 分离过程为什么要节能？分离过程为什么要节能？ 什么是分离过程的最小功？什么是分离过程的最小功？ 分离过程的特征？分离过程的特征？ 分离过程的最小分离功分离过程的最小分离功 6.2分分离离过过程程的的最最小小分分离离功功一、一、分离的最小功分离的最小功Minimum word of separation v（1）定义）定义 当分离过程当分离过程完全可逆完全可逆时，分离消耗的功时，分离消耗的功 完全可逆完全可逆 体系内所有的变化过程必须是可逆的体系内所有的

20、变化过程必须是可逆的 体系只与温度为体系只与温度为T0（绝对温度）的环（绝对温度）的环境进行可逆的热交换境进行可逆的热交换 min0WHSTWid6.2分分离离过过程程的的最最小小分分离离功功（1）定义定义进出进出)(0minjjkkjjkkSnSnTHnHnSTHWTSHGiiiiZGZG)ln(ln00iiiiffRTconstT 物质分离的难易程度，取决于待分离混合物和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（分离所得产物的组成（xi，yi） 、温度和压力、温度和压力6.2分分离离过过程程的的最最小小分分离离功功（2）分离理想气体的混合物分离理想气体的混合物 理想气体混

21、合物理想气体混合物 iiyz pyfii由混合物分离成纯组分由混合物分离成纯组分1,kiy0ln,kiyiFiFFTyyRTnWlnmin,6.2分分离离过过程程的的最最小小分分离离功功（3）分离低压的液体混合物 iiiixpf0iixz 分离成纯组分时所需最小功分离成纯组分时所需最小功 iFiFiFFTxxnRTWlnmin,6.2分分离离过过程程的的最最小小分分离离功功二、非等温分离和有效能二、非等温分离和有效能（Exergy） 若分离过程的产品温度与原料温度不同若分离过程的产品温度与原料温度不同时，分离过程所需的最小功，按物系在时，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

22、化来表示分离过程中的有效能的增量变化来表示 )()(000SSTHHWBR)()(12012SSTHHBiFTTpiiFdTcyHiFTTFiFipiiFpypRdTTcyS)ln(6.2分分离离过过程程的的最最小小分分离离功功三、三、净功和热力学效率净功和热力学效率 净功净功（Net work consumption ）出入净WWW)(0HHHTTTQW净)(0LLLTTTQ)11(0HLTTQTW净6.2分分离离过过程程的的最最小小分分离离功功热力学效率热力学效率 Thermodynamic efficiency 净分离净WBWWmin若分离过程是完全可逆的，热力学效率为若分离过程是完全可

23、逆的，热力学效率为1.0实际过程为不可逆过程，故必定小于实际过程为不可逆过程，故必定小于1.0例题例题6-26.2分分离离过过程程的的最最小小分分离离功功v典型化工产品精馏比能耗典型化工产品精馏比能耗组分组分比能耗比能耗kJkg-1组分组分比能耗比能耗kJkg-1原油精馏原油精馏乙烯和丙烯乙烯和丙烯丁二烯丁二烯乙二醇乙二醇乙醇乙醇448.93528.57329.26501.220952.6醋酸醋酸丙酮丙酮甘油甘油邻二甲苯邻二甲苯氧和氮氧和氮6710.55052.134587.614000.2367.5 精馏过程的不可逆性精馏过程的不可逆性 1）流体流动）流体流动 流体流动时有压力降，当塔板数较

24、流体流动时有压力降，当塔板数较多时，压力降也要加大，同时塔顶多时，压力降也要加大，同时塔顶釜的温差也会加大，亦即釜的温差也会加大，亦即W净净增大增大 措施：措施：增大塔径，降低板面液层厚增大塔径，降低板面液层厚度度 , 改变板式塔为高效低压降填料改变板式塔为高效低压降填料塔塔 2）传热传热 一定温度梯度的热量传递一定温度梯度的热量传递 因温差传热过程而引起的有效能损失为因温差传热过程而引起的有效能损失为 )(0LHLHTTTTQTD措施：措施：使传热温差减小，则传热面积需增大使传热温差减小，则传热面积需增大 可换用高效换热器或改进操作方式，如热可换用高效换热器或改进操作方式，如热虹吸式再沸器或

25、特制循环式塔换热器虹吸式再沸器或特制循环式塔换热器 不同温度物流的直接混合不同温度物流的直接混合 3）传质）传质 通过一定浓度梯度的质量传递或不同化通过一定浓度梯度的质量传递或不同化学位物流的直接混合学位物流的直接混合 即上升蒸汽与下流液体进行传质过程时即上升蒸汽与下流液体进行传质过程时，两相浓度与平衡浓度的差别，两相浓度与平衡浓度的差别 化学位是传质的推动力，正是由于两相化学位是传质的推动力，正是由于两相间的化学位有差异，导致传质过程发生间的化学位有差异，导致传质过程发生有效能的损失有效能的损失 节省精馏过程能耗的一些措施节省精馏过程能耗的一些措施 1）有效能的充分回收及利用）有效能的充分回

26、收及利用 采用加强设备的保温以及回收利用物采用加强设备的保温以及回收利用物流的部分显热或潜热等措施流的部分显热或潜热等措施 2）减少过程的净耗功）减少过程的净耗功 采用改变分离过程操作条件的方法来采用改变分离过程操作条件的方法来减少过程的净耗功，如严格控制设计减少过程的净耗功，如严格控制设计富裕度，选定最佳回流比促使设备投富裕度，选定最佳回流比促使设备投资费与操作费降为最少资费与操作费降为最少 3）减少质量传递中的浓度梯度（）减少质量传递中的浓度梯度（ ） 从二元系的图中可从二元系的图中可看出，若将操作线看出，若将操作线向平衡线靠近，即向平衡线靠近，即能减少传质推动力能减少传质推动力，从而减少

27、了精馏，从而减少了精馏过程的不可逆程度过程的不可逆程度，降低净功耗，降低净功耗v为此采用中间冷凝为此采用中间冷凝及中间再沸手段及中间再沸手段 y3）减少质量传递中的浓度梯度（）减少质量传递中的浓度梯度（ ） y3）减少质量传递中的浓度梯度（）减少质量传递中的浓度梯度（ ） y4）多效精馏多效精馏(Multiple Effect Distillation) 利用若干压力不同的精馏塔，按压力高低顺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顶的再沸器的预热介质蒸汽作为低压塔顶的再沸器的预热介质 多效精馏比单效精馏可

28、节省多效精馏比单效精馏可节省加热蒸汽的加热蒸汽的30%-50%4 4）多效精馏）多效精馏5 5）热泵精馏）热泵精馏(Heat pump Distillation) v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后作为塔底再沸为塔底再沸器的热源器的热源v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 1234 一、一、多组分精馏分离流程方案数多组分精馏分离流程方案数Program numbers of Multicomponent distillation separation flows二、二、安排分离流程的一些经验规则安排分离流程

29、的一些经验规则Empirical regulations of arranging separation flows v湖南与江苏两厂能耗对比结果湖南与江苏两厂能耗对比结果厂地厂地产品纯度产品纯度塔塔数数合计合计总塔总塔高高m热耗热耗MJt-1冷耗冷耗MJt-1蒸汽蒸汽消耗消耗tt-1邻氯邻氯甲苯甲苯对氯对氯甲苯甲苯湖南湖南江苏江苏97% 97%97% 98%53134.893.452016465562225464709.5733.171 v一、一、多组分精馏分离流程方案数多组分精馏分离流程方案数v1）简单精馏塔分离，简单）简单精馏塔分离，简单-清晰的分割清晰的分割v 只用简单塔将有只用简单塔

30、将有c个组分所组成溶液分个组分所组成溶液分离成离成c个产品时，需要个产品时，需要c-1个塔个塔 )!1( !)!1(211cccSSScjjcjc若为若为5组分，则组分，则Sc=14若为若为10组分，组分，Sc=4862 2）多方法分离情况多方法分离情况 v若考虑复杂塔或特殊精馏以及应用吸若考虑复杂塔或特殊精馏以及应用吸收，其总顺序为收，其总顺序为 ccSTS1T为所考虑的不同分离方法数为所考虑的不同分离方法数 134143143415S3）多组分分离序列多组分分离序列 3）多组分分离序列多组分分离序列 3 3）多组分分离序列）多组分分离序列 3）多组分分离序列多组分分离序列 二、二、安排分离

31、流程的一些经验规则安排分离流程的一些经验规则 1）首选分离方法为能量分离剂的方法）首选分离方法为能量分离剂的方法（如普通精馏）如普通精馏）v其次选用是使用物质分离剂的方法（其次选用是使用物质分离剂的方法（如吸收，液液萃取和特殊精馏）。如吸收，液液萃取和特殊精馏）。v关键组分的相对挥发度小于关键组分的相对挥发度小于1.05时，普时，普通精馏在经济上不合算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 2 . 0,25. 0BAxx3 . 0,25. 0DCxx5 . 3, 3 . 1, 5 . 2CDBCAB3 3）易挥发组分先分（直接分离序列）易挥发组分先分（直接分离序列） 4

32、. 2, 3 . 2, 5 . 2CDBCABciiiDimDxV14）尽可能对分）尽可能对分（料液的等摩尔分割）（料液的等摩尔分割） 55. 0, 1 . 0DCxx1 . 0,25. 0BAxx5）量多的组分先分量多的组分先分 6）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7）有特殊组分的要先分）有特殊组分的要先分注意：注意：v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；v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；v确定起主要作用的规则；确定起主要作用的规则；v保留保留23个最好的序列。个最好的序列。 例题例题6-3是非：是非：分离过程的最小功为当分离过程可逆时，分离分离过程的最小功为当分离过程可逆时，分离 所消耗的功所消耗的功是非：是非：分离程度越高，分离过程的最小功越