分离过程的节能优化与集成

1传质分离过程第七章分离过程的节能优化与集成主要内容及要求：学习并掌握分离过程的最小功和热力学效率，了解精馏的节能技术，分离方法选择的一般原则，分离序列的确定方法及分离过程的集成。2第七章分离过程的节能优化与集成

7.1分离过程的最小功和热力学效率

7.2精馏的节能技术

7.3分离流程的优化

7.4分离流程的集成37.1.3热力学效率和净功消耗4

表征能量被利用的程度有两类效率：基于热力学第一定律的热效率和基于热力学第二定律的热力学效率。热效率只反映出过程中能量在数量上被利用的程度，并未反映出能量转换过程中能量品位上的变化。

5

热力学效率反映了过程中有效能被利用的程度，它是能量在数量上和品位上被利用的综合反映，更准确地反映了过程的完善程度。热力学效率又称为有效能效率。6定义：分离过程中系统有效能的改变与过程所消耗的净功之比。(7-13)分离过程的热力学效率7

通常分离过程所需能量大多是以热能的形式提供，在这种情况下最好是以过程所消耗的净功来计算消耗的能量。8

要降低分离过程的能耗，提高其热力学效率，就应采取措施减小过程的有效能损失。有效能损失是由过程的不可逆性引起的。9（1）流体流动产生压力降；（2）塔内气相和液相间存在温差，再沸器和冷凝器中传热介质和物料之间存在温差；（3）气相和液相浓度与平衡浓度存在差异。精馏过程的不可逆性表现在：？提高热力学效率10增大塔径1）降低压力降降低液层高度设备投资塔板效率改进方式：1.选择合适的塔径、液层高度

2.改板式塔为高效填料塔11“可逆精馏”

2）减小温差和浓差减小传热和传质推动力无限多平衡级，无限多中间再沸器和冷凝器无实用价值12精馏过程节能的途径单个精馏塔的调优节能精馏系统的综合优化节能精馏系统与整个工艺过程的综合优化节能13单个精馏塔的调优节能1）降低再沸器的传热温差，利用载热体来加热，降低成本；2）降低冷凝器的传热温差，回收高温位热量，或利用初级冷凝器回收热量，再用第二冷凝器冷却出料和回流到最终温度；3）通过侧线采出回收热量；4）塔盘改造，增加塔板数，减小回流比，改造塔的内部结构（如使用高效填料代替板式塔盘）；5）加料状态最佳化；6）降低压力降；7）适宜的进料位置，保证分离纯度并减小回流比；8）良好的保温；9）设置中间再沸器和中间冷凝器，使用不同品位的热源和冷源；10）采用多股进料；11）对进料、产品和釜液的显热回收利用。14精馏系统的综合优化节能1）采用最佳分离序列；2）采用最优热集成精馏序列；3）采用热泵精馏；4）采用多效精馏流程；5）采用热耦合精馏。15精馏系统与整个工艺过程的综合优化节能

将整个工艺系统过程中各处的能量统一起来考虑，综合利用，提高整个过程的用能效率，达到最大程度的节省能量。167.2.1精馏塔的多股进料和侧线采出DistillationColumnswithMulti-feedsandMulti-sidestreams17分离对象：组分相同，浓度不同的多股料液一、多股进料分离方法：多个常规精馏塔分别处理多股料液多股料液混合后进入同一精馏塔多股料液从不同位置进入同一精馏塔18例：组分相同，浓度不同的两股二元混合物

两塔式设备费用较高19例：组分相同，浓度不同的两股二元混合物

进料液混合一塔式两段进料一塔式20例：组分相同，浓度不同的两股二元混合物

进料液混合一塔式两段进料一塔式操作线更接近平衡线，传质和传热推动力减小，热力学效率提高，但所需塔板数增加。21

对于多元混合物的分离，若其中某一个或某几个组分的含量较少或对组分间的切割要求不是很严格时，可考虑采用侧线采出的方式代替多个相邻的常规塔，从而降低基建投资和操作费用。二、侧线塔22若第一个塔为A/BC切割塔，则侧线出料位置在进料板之下；侧线出料位置的确定以三元物系（组分A、B、C）为例：若第一个塔为AB/C切割塔，则侧线出料位置在进料板之上。23

当侧线出料位置在进料板之上，主要产品是B，且相对挥发度αAC＞＞αBC时，侧线出料中B的最大浓度和A的最小浓度由进料组成所决定，与塔顶至侧线板之间的板数和回流比无关。247.2.2热泵精馏HeatPumpDistillation25

通过外加功将热量自低位传至高位的系统称为热泵系统。WhatisHeatPumpSystem?

将温度较低的塔顶蒸汽经过压缩升温后作为塔底再沸器的热源，称为热泵精馏。WhatisHeatPumpSystem?26热泵的形式：闭式热泵开式热泵27

用外界的工作介质为冷剂，液态冷剂在冷凝器中蒸发，使塔顶物料冷凝。汽化后的冷剂进入压缩机增压，然后在压缩机出口压力下在再沸器将热量传递给塔釜物料，本身冷凝成液体，如此循环。闭式热泵：图7-5闭式热泵1—精馏塔，2—冷凝器，3—再沸器，4—压缩机，5—节流阀。28开式热泵：

用过程本身的物料为工作介质。（1）以塔釜物料为工质，在冷凝器汽化，取消再沸器。29开式热泵：

用过程本身的物料为工作介质。（2）以塔顶物料为工质，在再沸器冷凝，取消冷凝器。30

热泵精馏是靠消耗一定量机械能来提高低温蒸汽的能位而加以利用的，因此，消耗单位机械能回收的热量是一项重要指标。显然，对于近沸点混合物分离的精馏塔应用热泵精馏效果会更好。由于热泵精馏需要增设压缩机，又要消耗机械能，所以推广应用受到一定的限制。Notes:317.2.3设置中间冷凝器和中间再沸器的精馏Distillationwithmiddle-condenserandmiddle-reboiler32

普通精馏塔只在塔顶和塔釜对物料进行冷凝和蒸发。如果在塔中部增置中间再沸器，把再沸器加热量分配到塔的下段，或者增置中间冷凝器，把冷凝器热负荷分配到塔的上段，则可应用较为廉价的冷源或者温位较低的热源，达到节能的效果。

温度是热能品质的度量，即使热负荷在数量上没有变化，但通过调节温度分布，有可能减少过程的不可逆损失。图7-8二级再沸、二级冷凝精馏塔347.2.4精馏过程的热集成Heat-integratedDistillationSystems

35一、多效精馏Multi-effectDistillation

为节约能耗，加热剂温度最好是略高于塔底温度，而冷却剂温度略低于塔顶温度。而实际情况是，最方便廉价的冷却剂是水或者空气，最常用的加热剂是水蒸气，很难符合上述要求，因此，精馏塔额外消耗掉不少有效能。

解决此问题的办法之一就是采用多效精馏。只要精馏塔底和塔顶的温差比实际可用的加热剂和冷却剂间温差小得多就可考虑采用多效精馏。36并流逆流平流多效精馏的类型：其中以串联的并流装置最为常见。3738（1）投资的限制：影响多效精馏的因素：效数塔数塔设备投资效数换热器传热温差传热面积换热器设备投资

效数的确定要综合考虑投资费用的增加和运行费用的降低。

39（2）操作条件的限制：影响多效精馏的因素：高压塔的压力和温度受系统临界压力和温度、热源的最高温度及热敏性物料的耐受温度等的限制；低压塔往往要受塔顶冷凝器冷却水温度的限制。40

一般情况下，多效精馏的效数为两效或三效。

与单塔精馏相比，两效精馏可节能30~40%。Summary41

用物流直接传热来提供热量，省去再沸器和（或）冷凝器，实现热耦合。二、热偶合精馏ThermallyCoupledDistillation42图7-12简单精馏塔热耦合示意图（按相对挥发度递减顺序）43图7-13简单精馏塔热耦合示意图（按相对挥发度递增顺序）44

热耦合精馏在热力学上是最理想的流程结构，即可节省设备投资，又可节省能耗。但是，至今热耦合精馏并未在工业中获得广泛应用。这是由于在操作中使主、副塔之间气液分配保持设计值是较困难的；分离难度越大，其对气液分配偏离的灵敏度越大，操作越难稳定。因此，往往只对易分离体系才建议采用热耦合精馏。45Summary单个精馏塔的调优节能多股进料和侧线采出Multi-feedsandMulti-sidestreams热泵精馏HeatPumpDistillation

设置中间冷凝器和中间再沸器的精馏Middle-condenserandMiddle-reboiler46Summary精馏系统的综合优化节能精馏系统与整个工艺过程的综合优化节能多效精馏Multi-effectDistillation热耦合精馏ThermallyCoupledDistillation

477.3分离流程的优化

SeparationProcessOptimization7.3.1分离方法的选择和分离顺序数

7.3.2分离序列的确定487.3.1分离方法的选择和分离顺序数

SelectionofFeasibleSeparationOperationsandtheNumberofPossibleSeparationSequences49一、分离顺序数NumberofPossibleSeparationSequences图7-15三元混合物简单精馏塔分离

(a)相对挥发度递降的顺序(b)相对挥发度递增的顺序50（1）有些情况下，只有普通精馏塔的流程方案并非是最经济的。对于不同的产品要求、料液浓度和分离特性，往往还需要选用其他方案，如侧线提馏塔、侧线精馏塔、多效精馏塔和热泵精馏塔等复杂塔及特殊精馏塔，流程方案数将变得更多。Notes：51（2）除精馏外，还有其他分离方法，如萃取、吸收、吸附、膜分离等也可供选择时，流程方案数将成倍成倍地增加。Notes：（3）当采用分离剂时，往往还要考虑分离剂的回收和循环使用，因此，可能的分离顺序数将增加更多。52首要任务－－－选择合适的分离方法，用所选分离方法合成分离序列。53二、分离方法的选择SelectionofFeasibleSeparationOperations54一、通过相的加入和创造来进行分离

(PhaseAdditionorCreation)

对于均一单相体系的分离，往往通过加入ESA或/和MSA创造或加入第二个不相溶的相来实现分离。部分汽化和冷凝、闪蒸、蒸馏、萃取精馏、共沸精馏、吸收、萃取、干燥、蒸发、结晶、浸取、泡沫分离等。分离方法：第一种分类方法55二、通过障碍物分离(Barrier)

膜分离（微滤、超滤、纳滤、反渗透、气体分离、渗透蒸发和蒸汽渗透、液膜等）。膜的分离机理：筛分机理（多孔膜）溶解扩散机理（致密膜）分离方法：第一种分类方法56三、通过固体试剂进行分离(Solidagent)固体质量分离剂（吸附剂、离子交换树脂、色谱固定相）吸附、再生（变压吸附、变温吸附）、分子印迹、离子交换、色谱（凝胶色谱、离子交换色谱、亲和色谱）分离方法：第一种分类方法57四、通过外场或梯度

(ExternalFieldorgradient)离心、电解、电渗析、电泳、场流动分级（离心力场、电场、电场和膜、在力场下的层流流动）分离方法：第一种分类方法58精馏是一个使用能量分离剂的过程；操作方便，技术、理论和应用均成熟；适合于不同规模尤其是大规模分离；通常需能位等级很低的分离剂即可。精馏是化工过程中最为常用的分离过程59Summary1.Almostalltheindustrialchemicalprocessesincludeequipmentforseparatingchemicalscontainedintheprocessfeed(s)and/orproducedinreactorswithintheprocess.

几乎所有的化工过程都包含着用以分离原料和产品的分离设备。60Summary2.Morethan30differentseparationoperationsarecommerciallyimportant.

30多种的分离过程已经工业化。61Summary3.Theextentofseparationachievablebyaparticularseparationoperationdependsonexploitationofthedifferencesincertainpropertiesofthespecies.

一个特定分离过程的分离程度取决于对待分离组分之间性质（分子性质、热力学性质、传递性质）差别的开发程度。62Summary4.Themorewidelyusedseparationoperationsinvolvethetransferofspeciesbetweentwophases,oneofwhichiscreatedbyenergytransferorthereductionofpressure,orbyintroductionasaMSA.

应用最广泛的分离过程是相平衡分离过程，通过能量分离剂或质量分离剂产生两相体系。63Summary5.

Lesscommonlyusedseparationoperationsarebasedontheuseofabarrier,asolidagent,oraforcefieldtocausespeciesbeingseparatedtodiffuseatdifferentratesand/ortobeselectivelyabsorbedoradsorbed.

应用相对较少的分离过程是引入障碍物、固体分离剂、外场的分离过程。64Summary6.

Forasequence,system,ortrainofseparators,overallcomponentrecoveiesandproductpuritiesareofprimeimportanceandarerelatedbymaterialbalancestotheindividualsplitratiovaluesfortheseparatorsinthesystem.

分离操作依据质量平衡（物料平衡、物料衡算）；组分的回收率或产品纯度，即组分的分离程度通常用分离因子来描述。65Summary7.

Someseparationoperations,suchasabsorption,arecapableofonlyaspecifieddegreeofseparationforasinglespecies.Otherseparationoperations,suchasdistillation,caneffectasharpsplitbetweentwoso-calledkeycomponents.

某些分离操作（如吸收）只能规定一个组分的分离程度，而另一些分离操作（如精馏）则可规定两个关键组分的分离程度。66Summary8.Forgivenfeed(s)andproductspecifications,thebestseparationprocessmustfrequentlybeselectedfromamonganumberoffeasiblecandidates.Thecostofrecoveringandpurifyingachemicaldependsonitsconcentrationinthefeedmixture.Theextentofindustrialuseofaseparationoperationdependsonthetechnologicalmaturityoftheoperation.

分离过程的成本主要取决于组分在原料中的含量，其工业应用程度主要取决于技术成熟度。677.3.2分离序列的确定

DeterminationofSeparationSequence68探试合成法调优合成法最优化算法分离序列的确定需要采用非线性混合整数规划的算法进行严格计算，计算工作量大，对组分数较多的分离问题尚无法确定。69根据探试规则合成分离序列的方法。一、探试合成法TrialMethod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一些结论。探试法能迅速得出一个或少数几个较优方案。探试规则仅适用于简单清晰切割塔，即只有一个进料，两个出料，进料组分只出现在一个出料中的精馏塔。70

不同的流程往往有各自不同的优缺点，这些优缺点因不同情况而异，因此，分离方案的取舍不仅取决于每个塔系本身能耗的高低，而且还取决于不同分离流程所引起的其他工艺部分能耗的变化。分离流程的最终确定必须结合过程特点对全系统进行分析和计算，得到全面而正确的结论。Note：71一、调优合成法OptimizationMethod

以某个初始的流程为基础，经过一系列修正而合成接近最优系统的方法。具体步骤：①利用已有流程或根据探试规则确定初步流程；②根据调优规则开发当前流程所允许的结构变化；③对得到的各种结构变化进行分析，确定替代方案，并选择其中最优的方案作为改进方案；④以改进的方案为基础，再进行分析，作进一步的改进，如此反复进行直到不再改动为止。72①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；调优规则，应当具有下列特性：②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；③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区别。73选择适宜的最优的分离方法时应考虑：Summary（1）可行性（2）产品的价值（3）产品的损坏（4）过程的优缺点（5）分子性质（6）经验在分离方法和设备选定后，操作中的波动和应对措施也是非常重要的。747.4分离流程的集成

SeparationProcessIntegration7.4.1反应精馏ReactiveDistillation

7.4.2-1精馏与萃取的集成

7.4.2-2精馏与膜分离过程的集成

75

化学吸收化学萃取反应精馏膜反应器控制释放膜生物传感器分离过程与反应过程的耦合76

共沸精馏－萃取共沸精馏－萃取精馏渗透蒸发－精馏渗透蒸发－吸附渗透蒸发－吸收蒸汽渗透－精馏分离过程与分离过程的耦合777.4.1反应精馏

ReactiveDistillation787.4.1反应精馏在反应同时，用精馏方法分离产物的过程。类型：

（1）利用精馏促进反应；（2）通过反应来促进精馏分离。催化精馏：如果反应是在固体催化剂上进行，将催化剂填充于精馏塔中，它既起加速反应的催化作用，又作为填料起分离作用，这种反应精馏称为催化反应精馏或催化精馏。797.4.1反应精馏既适合于可逆反应，也适合于连串反应。对于可逆反应：利用产物和反应物挥发度的差异，精馏使产物离开反应区，从而破坏原有的化学平衡，使反应向生成产物的方向移动，在一定程度上变可逆反应为不可逆，提高转化率，同时得到高纯度产物。例如：乙醇和醋酸的酯化反应

CH3COOH+C2H5OH→CH3COOC2H5+H2O

酯、水和醇三元共沸物的沸点低于乙醇与醋酸的沸点，且共沸物中含醋酸乙酯82.6wt.%。将生成的醋酸乙酯不断从塔顶蒸出，提高反应转化率。807.4.1反应精馏对于连串反应：A→R→S①S为目的产物一般两步反应的温度和反应速度均不同，传统方法是将两个反应分别在两个反应器中进行。反应精馏能使两步反应在同一塔设备的两个反应区进行，利用精馏作用提供合适的浓度和温度分布，缩短反应时间，提高收率和产品纯度。②R为目的产物利用反应精馏的分离作用把产物R尽快移出反应区，从而避免副反应。81反应精馏工艺条件的影响1.进料位置

加料位置决定了精馏段、反应段和提馏段的关系，对塔内浓度分布有强烈的影响。为保证各反应物与催化剂充分接触和有足够的反应停留时间，通常，挥发度大的反应物在靠近塔的下部进料，反之挥发度小的反应物及催化剂在塔的上部进料。进料位置的确定还要保证有足够长度的反应段，达到充分反应和分离产物的双重目的。故确定反应精馏塔进料位置的原则是：①保证反应物与催化剂充分接触；②保证一定的反应停留时间；③保证达到预期的产物的分离。82反应精馏工艺条件的影响2.回流比

改变回流比使塔板上液相组成发生变化而影响反应，同时也改变了液体与催化剂的表面接触状况和液体在反应段的停留时间。反应精馏回流比的设计计算比普通精馏计算要复杂得多，而且对平衡反应和反应速率控制的反应体系不同。对一定的分离任务，回流比一般只能在一定范围内变化。83反应精馏工艺条件的影响3.催化剂的充填方式满足的条件：①催化剂床层具有足够的自由空间，提供气液相的流动通道，以进行液相反应和气液传质，并满足设计允许的塔板压力降；②具有足够的表面积进行催化反应；③允许催化剂颗粒的膨胀和收缩，而不损伤催化剂；④结构简单便于更换。84反应精馏的局限性①反应精馏仅适用于反应过程和分离过程可在同一温度范围内进行的工艺，即在催化剂具有较高活性的温度范围内，反应物系能够进行精馏分离。85反应精馏的局限性②根据反应物和产物的相对挥发度大小，反应体系可分为四种类型：产物>或<反应物；反应物介于产物之间；

产物介于反应物之间；

产物反应物可采用反应精馏867.4.2精馏与其它分离过程的集成IntegrationofDistillationandOtherSeparationOperations87一、精馏与萃取的集成IntegrationofDistillationandExtraction881、萃取-共沸精馏Extraction-AzeotropicDistillation选择一种溶剂，它既能作为萃取过程的萃取剂，又是共沸精馏的共沸剂，从而避免再加入新的溶剂。89例：萃取-共沸精馏分离醋酸-水溶液

选用醋酸乙酯作为醋酸的萃取溶剂，且其与水形成非均相共沸物，可将醋酸的浓缩与溶剂醋酸乙酯的再生结合在一个共沸精馏塔内进行。90例：萃取-共沸精馏分离醋酸-水溶液Aceticacid+H2OEAEA+acid+H2OH2O+EAAceticacidH2O酯相水相912、加盐萃取-共沸精馏SaltExtraction-AzeotropicDistillation

利用无机盐对有机溶剂“盐析”效应提高萃取剂的分配系数和选择性，扩大不互溶区域，提高萃取相产物的浓度，从而达到节能的效果。92例：加盐萃取-共沸精馏分离醋酸-水溶液

选择萃取能力和共沸带水能力适中的醋酸异丙酯作溶剂，加入NaCl、Na2SO4、MgCl2等盐后，醋酸的分配系数提高，同时三元相图中两相区的范围和萃取液最高浓度增大；且在相当大范围内萃余相中不含溶剂。93表7-5单位醋酸能耗与原料浓度关系原料醋酸浓度wt％醋酸的热量消耗，kJ/kg共沸精馏萃取-共沸精馏加盐萃取-共沸精馏706182.9986463.987609629.8168895.317002.0945014455.198912.4797693.8864021693.478938.8619719.8493033752.938982.41210768.8421%27%94二、精馏与膜分离的集成IntegrationofDistillationandMembraneProcess951、精馏-渗透汽化Distillation-Pervaporation分离对象：共沸物或近沸物、且两组分含量接近。MixtureMembranebenzene/cyclohexane亲苯膜dimethylcarbonate(DMC)/methanol亲甲醇膜ethanol/water亲水膜ethyltert-butylether(ETBE)/ethanol亲乙醇膜；亲水膜isopropanol/water亲水膜methylisobutylketone;MIBK/water亲水膜methyltert-butylether(MTBE)/methanol亲甲醇膜96例1：精馏-渗透蒸发集成分离MTBE-MeOH醋酸纤维素膜（卷式）减少设备投资5-20%，降低蒸汽消耗量10-30%。AirProductsandChemicalsInc.,198997例2：精馏-渗透蒸发集成分离DMC-MeOHItemAzeotropicDistillationDistillation-PervaporationCapitalinvestmentofplant150.060.0Utilitiescost(water,electricity,vapor,etc.)17.14.5Costofmembranes2.1Costofoperation17.16.6表7-7DMC/MeOH分离过程的比较（$10,000）TexacoInc.,USA98例3：酯化反应-精馏-渗透蒸发集成GFTInc.,Ge