化工分离过程第7章分离过程的节能优化与集成

传质分离过程第七章分别过程的节能优化与集成主要内容及要求：学习并掌握分别过程的最小功和热力学效率，了解精馏的节能技术，分别方法选择的普通原那么，分别序列确实定方法及分别过程的集成。1第七章分别过程的节能优化与集成7.1分别过程的最小功和热力学效率7.2精馏的节能技术7.3分别流程的优化7.4分别流程的集成2分别是混合的逆过程，不能自发进展，需求以热或功的方式参与能量。能耗是大规模分别过程的关键目的，能耗费用总是大于设备的折旧费用，通常会占据操作费用的主要部分。因此，确定详细混合物分别的最小能耗，了解影响能耗的主要要素，寻求接近此极限能耗的实践分别过程是很有意义的。再者，世界能源日趋紧张的情况也使得化工节能问题显得尤为重要。37.1分别过程的最小功和热力学效率

MinimumWorkandThermodynamicEfficiency4由SLT可知，完成同一变化的任何可逆过程所需的功均相等，因此，到达一定分别目的所需的最小功可以经过假想的可逆过程计算出来。最小功的数值决议于待分别混合物的组成、压力和温度以及分别所得产品的组成、压力和温度。57.1.1最小分别功MinimumWorkofSeparation6Figure7-1Acontinuous,steady-stateflowsystemforageneralseparationprocess摩尔流率传入系统的总热量流率摩尔焓摩尔组成系统对环境做功7FirstLawofThermodynamics---energybalance：(7-1)(streamenthalpyflows+heattransfer+shaftwork)leavingsystem-(streamenthalpyflows+heattransfer+shaftwork)enteringsystem=08对于等温可逆过程，进出系统的物流与环境的温度均为T，根据热力学第二定律：(7-2)流出系统的物流的熵的总和进入系统的物流的熵的总和SecondLawofThermodynamics---entropybalance：(streamentropyflows+entropyflowsbyheattransfer)leavingsystem-(streamentropyflows+entropyflowsbyheattransfer)enteringsystem=productionofentropybytheprocess9得到等温下稳定流动的分别过程所需最小功：(7-2)(7-1)(7-3)即10由自在能的定义G=H－TS式〔7-3〕也可以整理为物流自在能的增量：(7-4)(7-3)11(7-5)一个混合物的摩尔自在能由各组分的偏摩尔自在能，即化学位加和得到：(7-4)而化学位与组分逸度的关系式为：(7-6)12假设进、出物流的同一组分具有一样的基准态，那么得到用逸度表示的最小功：(7-7)(7-4)(7-5)(7-6)13分别的最小功表示了分别过程耗能的最低限。最小分别功的大小标志着物质分别的难易程度，为了使实践分别过程更为经济，应设法使能耗尽量接近于最小功。14对于理想气体混合物：zi=yi且(7-8)一、分别理想气体混合物化简为：(7-7)15对于由A和B两组分构成的二元气体混合物在进料温度和压力下被分别成纯A和纯B产品的情况，式〔7-8〕可简化为无因次最小功：(7-8)(7-9)16假设分别产品不是纯组分，那么该过程的最小分别功等于原料分别成纯组分的最小分别功减去产品分别成纯组分所需求的最小分别功，可见，产品的纯度越低，所需的最小分别功越小。p292例7-117二、分别低压下的液体混合物低压下液体混合物的组成为xi，组分i的逸度，式〔7-7〕简化为：(7-7)(7-10)18(7-10)二元液体混合物分别成纯组分液体产品，式〔7-10〕可化简为：(7-11)除温度以外，最小功仅决议于进料组成和性质，i>1的混合物比i<1的混合物需较小的分别功。19传热速率传热是系统与环境之间另外一种能量传送方式，一旦确定了最小功，可以由能量衡算式计算相应的传热速率。(7-1)20对于等温、等压下理想气体混合物的分别过程，混合热为零，故不发生焓变，从过程向环境的传热速率等于环境对系统所作的最小功。(7-1)21对于等温、等压下理想溶液的分别，从过程到环境的传热速率也等于环境对系统所作的最小功。22对于非理想液体混合物，出口产品物流焓之和不等于进口原料物流焓之和，故传热速率不等于最小功，而是遵照下式：过剩焓与理想溶液呈正偏向的混合物，过剩焓的变化为正，即混合过程是吸热的。在分别该物系时，混合热的释放使最小功比理想情况有所降低，放热速率等于分别的净放热与最小功之和。237.1.2非等温分别和有效能Non-isothermalSeparationandAvailability(Exergy)24当分别过程的产品温度和进料温度不同时，不能用自在能的增量计算最小功，而应根据有效能来计算。有效能定义为B=H－T0S有效能Availability(Exergy)Theterm“availability〞means“availableforcompleteconversiontoshaftwork〞.T0------theinfinitesurroundingstemperature.Thistemperatureistypicallyabout300Kandrepresentsthelargestsourceofcoolantassociatedwiththeprocessingplantbeinganalyzed.Thismightbetheaveragetemperatureofcoolingwater,air,oranearbyriver,lake,orocean.25热力学第一定律的能量衡算式:有效能AvailabilityQ---从温度为T的热源向过程传送的热量；Ws---过程对环境所作的轴功。热力学第二定律建立过程的熵平衡:由于不可逆过程引起的熵变26有效能AvailabilityB=H－T0S27有效能Availability热量Q自温度T的热源向温度为T0的环境传热所产生的等当功，即可逆热机的等当功Wc。ThereversibleCarnotheat-enginecycleefficiency,representingthemaximumamountofshaftworkthatcanbeproducedfromQatT,wheretheresidualamountofenergy(Q-Ws)istransferredasheattoasinkatT0.系统的净功耗费〔总功〕-Wnet=Wc-Ws28有效能Availability非等温可逆过程，Sirr=0，最小分别功为：297.1.3热力学效率和净功耗费Second-lawEfficiencyandNetWork30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档次上的变化。

31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档次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。32定义：分别过程中系统有效能的改动与过程所耗费的净功之比。(7-13)分别过程的热力学效率33通常分别过程所需能量大多是以热能的方式提供，在这种情况下最好是以过程所耗费的净功来计算耗费的能量。34图7-2普通精馏塔精馏操作依赖于从再沸器参与热量QR〔温度为TR〕和从冷凝器移出热量Qc〔温度为Tc〕。过程所耗费的净功为：(7-14)35假设分别过程产物的焓与原料的焓差别极小而可以忽略时，那么QR=Qc=Q，净功为:(7-15)36对于实践分别过程，T0Sirr>0，一切情况下〔－Wnet〕>Bsep，热力学效率必定小于1。37普通说来，只靠外加ESA的分别过程〔如精馏、结晶、部分冷凝〕，热力学效率往往高些；同时参与ESA和MSA的分别过程〔如共沸精馏、萃取精馏、萃取和吸附〕热力学效率较低；而速率控制的分别过程〔膜分别〕那么更低。不同类型的分别过程，其热力学效率各不一样。38由于流体阻力呵斥的有效能损耗；节流膨胀过程的有效能损失；由于热交换过程中推进力温差存在呵斥的有效能损失；由于非平衡的两相物流在传质设备中混合和接触传质呵斥的有效能损失。分别过程中有效能损失的主要方式39选取适宜的分别方法；研讨复杂混合物的适宜分别流程；确定各个详细分别操作的适宜条件和参数，以及设备的构造和尺寸等。节约分别过程能耗的途径407.2精馏的节能技术Energy-savingTechnologiesinDistillationSystems41精馏是化学工业中运用最广的分别方法，同时也是能耗最大的单元过程。为什么要实施精馏过程节能？Why？分别过程的能耗大约占整个化学工业用能的40％，而其中95％是精馏过程耗费的。1994年，美国4万多个精馏塔所耗费的能量相当于每天190,000m3〔120万桶〕石油，占全国能耗的3％。精馏节能具有重要意义42要降低分别过程的能耗，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。43〔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别。精馏过程的不可逆性表如今：？提高热力学效率44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良方式：1.选择适宜的塔径、液层高度2.改板式塔为高效填料塔45“可逆精馏〞2〕减小温差和浓差减小传热和传质推进力无限多平衡级，无限多中间再沸器和冷凝器无适用价值46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47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，降低本钱；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〕经过侧线采出回收热量；4〕塔盘改造，添加塔板数，减小回流比，改造塔的内部构造〔如运用高效填料替代板式塔盘〕；5〕加料形状最正确化；6〕降低压力降；7〕适宜的进料位置，保证分别纯度并减小回流比；8〕良好的保温；9〕设置中间再沸器和中间冷凝器，运用不同档次的热源和冷源；10〕采用多股进料；11〕对进料、产品和釜液的显热回收利用。48精馏系统的综合优化节能1〕采用最正确分别序列；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。49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一致同来思索，综合利用，提高整个过程的用能效率，到达最大程度的节省能量。507.2.1精馏塔的多股进料和侧线采出DistillationColumnswithMulti-feedsandMulti-sidestreams51分别对象：组分一样，浓度不同的多股料液一、多股进料分别方法：多个常规精馏塔分别处置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52例：组分一样，浓度不同的两股二元混合物两塔式设备费用较高53例：组分一样，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54例：组分一样，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，传质和传热推进力减小，热力学效率提高，但所需塔板数添加。55对于多元混合物的分别，假设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厉时，可思索采用侧线采出的方式替代多个相邻的常规塔，从而降低基建投资和操作费用。二、侧线塔56假设第一个塔为A/BC切割塔，那么侧线出料位置在进料板之下；侧线出料位置确实定以三元物系〔组分A、B、C〕为例：假设第一个塔为AB/C切割塔，那么侧线出料位置在进料板之上。57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议，与塔顶至侧线板之间的板数和回流比无关。58(7-25)侧线中A的最小浓度－－－Glinos估算式当进料A含量很低，且AB＞＞1时，可获得高纯度的侧线产品B。该式可作为制定方案阶段决议能否采用侧线塔的判据。p299【例7-5】597.2.2热泵精馏HeatPumpDistillation60经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紧缩升温后作为塔底再沸器的热源，称为热泵精馏。WhatisHeatPumpSystem?61热泵的方式：闭式热泵开式热泵62用外界的任务介质为冷剂，液态冷剂在冷凝器中蒸发，使塔顶物料冷凝。汽化后的冷剂进入紧缩机增压，然后在紧缩机出口压力下在再沸器将热量传送给塔釜物料，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—紧缩机，5—节流阀。63开式热泵：用过程本身的物料为任务介质。〔1〕以塔釜物料为工质，在冷凝器汽化，取消再沸器。64开式热泵：用过程本身的物料为任务介质。〔2〕以塔顶物料为工质，在再沸器冷凝，取消冷凝器。65热泵精馏是靠耗费一定量机械能来提高低温蒸汽的能位而加以利用的，因此，耗费单位机械能回收的热量是一项重要目的。显然，对于近沸点混合物分别的精馏塔运用热泵精馏效果会更好。由于热泵精馏需求增设紧缩机，又要耗费机械能，所以推行运用遭到一定的限制。Notes:667.2.3设置中间冷凝器和中间再沸器的精馏Distillationwithmiddle-condenserandmiddle-reboiler67普通精馏塔只在塔顶和塔釜对物料进展冷凝和蒸发。假设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，那么可运用较为廉价的冷源或者温位较低的热源，到达节能的效果。温度是热能质量的度量，即使热负荷在数量上没有变化，但经过调理温度分布，有能够减少过程的不可逆损失。68图7-8二级再沸、二级冷凝精馏塔697.2.4精馏过程的热集成Heat-integratedDistillationSystems70一、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。而实践情况是，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，精馏塔额外耗费掉不少有效能。处理此问题的方法之一就是采用多效精馏。只需精馏塔底和塔顶的温差比实践可用的加热剂和冷却剂间温差小得多就可思索采用多效精馏。71并流逆流平流多效精馏的类型：其中以串联的并流安装最为常见。7273〔1〕投资的限制：影响多效精馏的要素：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确实定要综合思索投资费用的添加和运转费用的降低。74〔2〕操作条件的限制：影响多效精馏的要素：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。75普通情况下，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%。Summary76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、热巧合精馏ThermallyCoupledDistillation77图7-12简单精馏塔热耦合表示图〔按相对挥发度递减顺序〕78图7-13简单精馏塔热耦合表示图〔按相对挥发度递增顺序〕79热耦合精馏在热力学上是最理想的流程构造，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运用。这是由于在操作中使主、副塔之间气液分配坚持设计值是较困难的；分别难度越大，其对气液分配偏离的灵敏度越大，操作越难稳定。因此，往往只对易分别体系才建议采用热耦合精馏。80Summary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-reboiler81Summary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ThermallyCoupledDistillation827.3分别流程的优化

SeparationProcessOptimization7.3.1分别方法的选择和分别顺序数

7.3.2分别序列确实定837.3.1分别方法的选择和分别顺序数

SelectionofFeasibleSeparationOperationsandtheNumberofPossibleSeparationSequences84一、分别顺序数NumberofPossibleSeparationSequences图7-15三元混合物简单精馏塔分别(a)相对挥发度递降的顺序(b)相对挥发度递增的顺序85对于C个组分的物系，欲分别成C个较纯的组分产品，需求C-1个塔，可组合的流程方案数为：

86组分数C塔数分离顺序数SC组分数C塔数顺序数SC2117613232287429435981430541410948626542111016796表7-2精馏塔分别塔数和分别顺序数！！！顺序数随着组分数的添加而剧增！！！87对于多于一种分别方法的情况，那么分别所需总顺序数S可按下式估算：不同分别方法数！！！分别方案数随分别方法数的添加而剧增！！！88〔1〕有些情况下，只需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、料液浓度和分别特性，往往还需求选用其他方案，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：89〔2〕除精馏外，还有其他分别方法，如萃取、吸收、吸附、膜分别等也可供选择时，流程方案数将成倍成倍地添加。Notes：〔3〕当采用分别剂时，往往还要思索分别剂的回收和循环运用，因此，能够的分别顺序数将添加更多。90首要义务－－－选择适宜的分别方法，用所选分别方法合成分别序列。91二、分别方法的选择SelectionofFeasibleSeparationOperations92一、经过相的参与和发明来进展分别(PhaseAdditionorCreation)对于均一单相体系的分别，往往经过参与ESA或/和MSA发明或参与第二个不相溶的相来实现分别。部分汽化和冷凝、闪蒸、蒸馏、萃取精馏、共沸精馏、吸收、萃取、枯燥、蒸发、结晶、浸取、泡沫分别等。分别方法：第一种分类方法93二、经过妨碍物分别(Barrier)膜分别〔微滤、超滤、纳滤、反浸透、气体分别、浸透蒸发和蒸汽浸透、液膜等〕。膜的分别机理：筛分机理〔多孔膜〕溶解分散机理〔致密膜〕分别方法：第一种分类方法94三、经过固体试剂进展分别(Solidagent)固体质量分别剂〔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〕分别方法：第一种分类方法95四、经过外场或梯度(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〕分别方法：第一种分类方法96

分子性质与MSA等的相互作用分别过程分子量分子体积分子外形偶极矩和极化度分子电荷化学反响平衡分子大小和外形偶极矩和极化度精馏结晶萃取和吸收吸附渗析超滤气体分散超速离心电泳电渗析离子交换24----112--32--2---2--42--34--3--23----------2------11---22------1--3211---22--223------1＝主要作用，必需；2－主要作用；3－主要作用〔有时需结合其他性质〕；4－作用小；-－无作用。97〔1〕优先选用成熟〔技术与运用〕度较高的分别方法分别方法选择准那么Technologicalandusematuritiesofseparationprocesses98分别方法选择准那么〔2〕优先选用分别因子较大的分别方法降低平衡级数和分别剂用量，降低分别费用。分子性质受影响的分离过程相对分子质量分子形状分子体积偶极矩、极性分子荷电性化学活性精馏、蒸发吸附、结晶吸附萃取、吸附电场分离法化学吸收、反应精馏99分别方法选择准那么极端的温度或压力条件下，要求采用耐腐蚀性能高的设备资料或者高电场等条件，从而使分别过程的费用高昂。假设有其他可行的方案，应进展经济评价后决议其取舍。〔3〕尽量防止运用极端工艺条件温度、压力、pH值、……100分别方法选择准那么〔4〕分别过程需求多个分别级时，优先选择平衡分别过程而不选择速率分别过程速度控制过程往往对每个分别级都需求参与能量；而平衡分别过程普通只需一次参与能量，分别剂在每一级上被反复运用。101分别方法选择准那么〔5〕分别因子一样时，优先选择采用ESA的分别过程而不选择采用MSA的过程采用MSA时，往往需求后续流程增设一个分别器用于MSA和产品的再分别，从而会添加分别过程的费用。102分别方法选择准那么〔6〕优先思索精馏运用ESA的平衡分别过程不含固体物料，操作方便技术、实际和运用均成熟适宜于不同规模尤其是大规模的分别需求普通只需能位等级很低的分别剂即可否认精馏方案的充分理由是<1.05103精馏是一个运用能量分别剂的过程；操作方便，技术、实际和运用均成熟；适宜于不同规模尤其是大规模分别；通常需能位等级很低的分别剂即可。精馏是化工过程中最为常用的分别过程104Summary1.Almostalltheindustrialchemicalprocessesincludeequipmentforseparatingchemicalscontainedintheprocessfeed(s)and/orproducedinreactorswithintheprocess.几乎一切的化工过程都包含着用以分别原料和产品的分别设备。105Summary2.Morethan30differentseparationoperationsarecommerciallyimportant.30多种的分别过程曾经工业化。106Summary3.Theextentofseparationachievablebyaparticularseparationoperationdependsonexploitationofthedifferencesincertainpropertiesofthespecies.一个特定分别过程的分别程度取决于对待分别组分之间性质〔分子性质、热力学性质、传送性质〕差别的开发程度。107Summary4.Themorewidelyusedseparationoperationsinvolvethetransferofspeciesbetweentwophases,oneofwhichiscreatedbyenergytransferorthereductionofpressure,orbyintroductionasaMSA.运用最广泛的分别过程是相平衡分别过程，经过能量分别剂或质量分别剂产生两相体系。108Summary5.Lesscommonlyusedseparationoperationsarebasedontheuseofabarrier,asolidagent,oraforcefieldtocausespeciesbeingseparatedtodiffuseatdifferentratesand/ortobeselectivelyabsorbedoradsorbed.运用相对较少的分别过程是引入妨碍物、固体分别剂、外场的分别过程。109Summary6.Forasequence,system,ortrainofseparators,overallcomponentrecoveiesandproductpuritiesareofprimeimportanceandarerelatedbymaterialbalancestotheindividualsplitratiovaluesfortheseparatorsinthesystem.分别操作根据质量平衡〔物料平衡、物料衡算〕；组分的回收率或产品纯度，即组分的分别程度通常用分别因子来描画。110Summary7.Someseparationoperations,suchasabsorption,arecapableofonlyaspecifieddegreeofseparationforasinglespecies.Otherseparationoperations,suchasdistillation,caneffectasharpsplitbetweentwoso-calledkeycomponents.某些分别操作〔如吸收〕只能规定一个组分的分别程度，而另一些分别操作〔如精馏〕那么可规定两个关键组分的分别程度。111Summary8.Forgivenfeed(s)andproductspecifications,thebestseparationprocessmustfrequentlybeselectedfromamonganumberoffeasiblecandidates.Thecostofrecoveringandpurifyingachemicaldependsonitsconcentrationinthefeedmixture.Theextentofindustrialuseofaseparationoperationdependsonthetechnologicalmaturityoftheoperation.分别过程的本钱主要取决于组分在原料中的含量，其工业运用程度主要取决于技术成熟度。112例：分别C8馏分制取对二甲苯C8馏分：C8芳烃馏分或混合二甲苯邻二甲苯、间二甲苯、对二甲苯、乙苯o-Xylenem-Xylenep-XyleneEthylbenzenecompositionReformate重整油Crackedgasoline裂解汽油toluenedisproportionation甲苯歧化Coaltar煤焦油Ethylbenzene1530-10p-Xylene20152620o-Xylene20152420m-Xylene45405050Compositionofxylenesinvarioussources113例：分别C8馏分制取对二甲苯PropertiesofxylenesandethylbenzenePropertieso-Xylenem-Xylenep-XyleneEthylbenzeneMolecularweight106106106106Boilingpoint(oC)144139138136Freezingpoint(oC)-25-4813-95Dipolemoment(10-8,esu)0.620.360-Dielectricconstant2.262.242.232.24Surfacetension(20oC,dyn/cm)30.0328.6328.3129.04Densityd4200.8740.8640.8620.867relativealkalinity相对碱度210010.14114例：分别C8馏分制取对二甲苯PropertiesofxylenesandethylbenzenePropertieso-Xylenem-Xylenep-XyleneEthylbenzeneMolecularweight106106106106Boilingpoint(oC)144139138136Freezingpoint(oC)-25-4813-95Dipolemoment(10-8,esu)0.620.360-Dielectricconstant2.262.242.232.24Surfacetension(20oC,dyn/cm)30.0328.6328.3129.04Densityd4200.8740.8640.8620.867relativealkalinity相对碱度210010.14以分子量差别为根底的分别方法不适用115例：分别C8馏分制取对二甲苯PropertiesofxylenesandethylbenzenePropertieso-Xylenem-Xylenep-XyleneEthylbenzeneMolecularweight106106106106Boilingpoint(oC)144139138136Freezingpoint(oC)-25-4813-95Dipolemoment(10-8,esu)0.620.360-Dielectricconstant2.262.242.232.24Surfacetension(20oC,dyn/cm)30.0328.6328.3129.04Densityd4200.8740.8640.8620.867relativealkalinity相对碱度210010.14o-与p-和m-xylene的相对挥发度为1.16，原理上可用精馏但不经济。116例：分别C8馏分制取对二甲苯PropertiesofxylenesandethylbenzenePropertieso-Xylenem-Xylenep-XyleneEthylbenzeneMolecularweight106106106106Boilingpoint(oC)144139138136Freezingpoint(oC)-25-4813-95Dipolemoment(10-8,esu)0.620.360-Dielectricconstant2.262.242.232.24Surfacetension(20oC,dyn/cm)30.0328.6328.3129.04Densityd4200.8740.8640.8620.867relativealkalinity相对碱度210010.14极性有差别，但差别不大。外加MSA的方法不胜利。117例：分别C8馏分制取对二甲苯PropertiesofxylenesandethylbenzenePropertieso-Xylenem-Xylenep-XyleneEthylbenzeneMolecularweight106106106106Boilingpoint(oC)144139138136Freezingpoint(oC)-25-4813-95Dipolemoment(10-8,esu)0.620.360-Dielectricconstant2.262.242.232.24Surfacetension(20oC,dyn/cm)30.0328.6328.3129.04Densityd4200.8740.8640.8620.867relativealkalinity相对碱度210010.14由介电常数可看出，分子间力的变化不大。118例：分别C8馏分制取对二甲苯PropertiesofxylenesandethylbenzenePropertieso-Xylenem-Xylenep-XyleneEthylbenzeneMolecularweight106106106106Boilingpoint(oC)144139138136Freezingpoint(oC)-25-4813-95Dipolemoment(10-8,esu)0.620.360-Dielectricconstant2.262.242.232.24Surfacetension(20oC,dyn/cm)30.0328.6328.3129.04Densityd4200.8740.8640.8620.867relativealkalinity相对碱度210010.14外表张力和密度都很接近。119例：分别C8馏分制取对二甲苯PropertiesofxylenesandethylbenzenePropertieso-Xylenem-Xylenep-XyleneEthylbenzeneMolecularweight106106106106Boilingpoint(oC)144139138136Freezingpoint(oC)-25-4813-95Dipolemoment(10-8,esu)0.620.360-Dielectricconstant2.262.242.232.24Surfacetension(20oC,dyn/cm)30.0328.6328.3129.04Densityd4200.8740.8640.8620.867relativealkalinity相对碱度210010.14凝固点差别显著，分子外形也有较大差别。深冷结晶法碱度差别较为显著。络合萃取法120例：分别C8馏分制取对二甲苯利用分子外形上的差别和分子筛的择形性能，还可采用吸附法分别。利用参与化学反响的才干不同，如利用三种异构体的空间效应不同，即用浓H2SO4磺化时，邻二甲苯和间二甲苯可被磺化，而对二甲苯不被磺化，再对磺化后产物进展分别。但该法运用大量化学品〔硫酸〕而不适宜工业化消费。分别C8馏分的工业化方法：深冷结晶法、络合萃取法、吸附法121例：分别C8馏分制取对二甲苯深冷结晶法：由精馏、结晶和异构化三部分组成。C8馏分预热后进入邻二甲苯精馏塔，脱除邻二甲苯〔塔釜产品，纯度91％〕；塔顶物料进入乙苯精馏塔〔所需塔板数较多，采用三塔串联〕，塔顶得到纯度98％的乙苯；塔釜物料进入结晶分别器〔两段式〕，得到纯度大于98％的对二甲苯产品；结晶第一段分别后母液中焓较多的间二甲苯，经异构化反响转化为对二甲苯，反响混合物再进入精馏分别，构成闭路循环。122例：分别C8馏分制取对二甲苯络合萃取法：利用烃类的碱性与络合萃取剂的酸性构成酸碱络合物进展分别。络合萃取剂为BF3-HF。络合萃取流程：〔1〕用络合萃取剂BF3-HF对间二甲苯进展萃取分别；〔2〕萃取液中间二甲苯络合物的分解；〔3〕以BF3-HF为催化剂进展间二甲苯的异构化反响；〔4〕邻-、对-二甲苯和乙苯的精馏分别。123例：分别C8馏分制取对二甲苯吸附法：1969年美国环球油品公司〔UOP〕推出，1972年工业化。40～200oC，1～24atm下液相吸附操作。对p-xylene的一步收率可达90％，纯度可达99.5％以上。防止了结晶法的深度冷冻和固体处置过程，抑制了络合萃取中存在的腐蚀问题。缺陷是需求价钱昂贵的分子筛做吸附剂，需求再生过程。1247.3.2分别序列确实定

DeterminationofSeparationSequence125分别序列确实定分别流程的优劣最终表达在产品的技术经济目的上，它包括设备投资费、公用工程〔水、电、汽〕的能源耗费、操作管理等各方面；这些目的又综合表达在产品的本钱上。最优方案确实定目前尚无实际推导的方法，主要是根据阅历先挑选出一些可行的候选方案，再运用系统优化的方法对其进一步研讨，最后确定流程方案。126探试合成法调优合成法最优化算法分别序列确实定需求采用非线性混合整数规划的算法进展严厉计算，计算任务量大，对组分数较多的分别问题尚无法确定。127根据探试规那么合成分别序列的方法。一、探试合成法TrialMethod探试规那么是根据多年积累的阅历和对过程的热力学性质进展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。探试规那么仅适用于简单明晰切割塔，即只需一个进料，两个出料，进料组分只出如今一个出料中的精馏塔。128一、探试合成法TrialMethod探试法优选的目的－－－年消费费用最低基建投资的折旧费用操作费用精馏塔，冷凝器和再沸器的基建费用。泵和回流罐的费用，普通<投资的5%，可略去不计。冷凝器和再沸器所用的冷却和加热介质。其他操作费用，可略去不计。129试探规那么〔1〕按相对挥发度递减的顺序从塔顶分别出各组分〔2〕最难的分别放在塔序的最后〔3〕每个塔的馏出液与釜液的摩尔流率尽量接近〔4〕回收率要求高的分别放在最后〔5〕进料中含量高的组分尽量提早分出〔6〕有害组分尽早分出〔7〕进入低温分别系统的组分尽量少上述七条原那么在实践中经常出现冲突，针对详细物系需对不同方案进展对比，剔除明显不够合理的方案，减少可选方案的范围，以利于选择出适宜的方案。130探试法是基于分别过程的共性规律，无法思索到不同过程的特殊性，因此是不严厉的，实践运用时难免会出现失误。实践中，上述原那么经常冲突，需针对详细物系对不同方案进展对比，剔除明显不合理的方案，减少可选方案范围，选择出适宜的方案。例7-8、例7-9131不同的流程往往有各自不同的优缺陷，这些优缺陷因不同情况而异，因此，分别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别流程所引起的其他工艺部分能耗的变化。分别流程的最终确定必需结合过程特点对全系统进展分析和计算，得到全面而正确的结论。Note：132一、调优合成法OptimizationMethod以某个初始的流程为根底，经过一系列修正而合成接近最优系统的方法。详细步骤：①利用已有流程或根据探试规那么确定初步流程；②根据调优规那么开发当前流程所允许的构造变化；③对得到的各种构造变化进展分析，确定替代方案，并选择其中最优的方案作为改良方案；④以改良的方案为根底，再进展分析，作进一步的改良，如此反复进展直到不再改动为止。133①有效性：根据调优规那么所产生的一切分别序列都该当是可行的；调优规那么，该当具有以下特性：②完备性：从恣意初始流程开场，反复运用调优规那么能产生一切能够的流程；③直观合理性：根据调优规那么所产生的流程与当前进展调优的流程没有显著的区别。134规那么1：将一个分别义务移至所在分别序列的前一个位置。两条常用的调优规那么:规那么2：改动一个分别义务的分别方法。调优的速度和质量在很大程度上依赖于设计人员的素质和阅历。135选择适宜的最优的分别方法时应思索：Summary〔1〕可行性〔2〕产品的价值〔3〕产品的损坏〔4〕过程的优缺陷〔5〕分子性质〔6〕阅历在分别方法和设备选定后，操作中的动摇和应对措施也是非常重要的。1367.4分别流程的集成

SeparationProcessIntegration7.4.1反响精馏ReactiveDistillation

7.4.2-1精馏与萃取的集成

7.4.2-2精馏与膜分别过程的集成137化学吸收化学萃取反响精馏膜反响器控制释放膜生物传感器分别过程与反响过程的耦合138

共沸精馏－萃取共沸精馏－萃取精馏浸透蒸发－精馏浸透蒸发－吸附浸透蒸发－吸收蒸汽浸透－精馏分别过程与分别过程的耦合1397.4.1反响精馏

ReactiveDistillation1407.4.1反响精馏在反响同时，用精馏方法分别产物的过程。类型：〔1〕利用精馏促进反响；〔2〕经过反响来促进精馏分别。催化精馏：假设反响是在固体催化剂上进展，将催化剂填充于精馏塔中，它既起加速反响的催化作用，又作为填料起分别作用，这种反响精馏称为催化反响精馏或催化精馏。1417.4.1反响精馏既适宜于可逆反响，也适宜于连串反响。对于可逆反响：利用产物和反响物挥发度的差别，精馏使产物分开反响区，从而破坏原有的化学平衡，使反响向生成产物的方向挪动，在一定程度上变可逆反响为不可逆，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响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，提高反响转化率。1427.4.1反响精馏对于连串反响：A→R→S①S为目的产物普通两步反响的温度和反响速度均不同，传统方法是将两个反响分别在两个反响器中进展。反响精馏能使两步反响在同一塔设备的两个反响区进展，利用精馏作用提供适宜的浓度和温度分布，缩短反响时间，提高收率和产品纯度。②R为目的产物利用反响精馏的分别作用把产物R尽快移出反响区，从而防止副反响。143反响精馏工艺条件的影响1.进料位置加料位置决议了精馏段、反响段和提馏段的关系，对塔内浓度分布有剧烈的影响。为保证各反响物与催化剂充分接触和有足够的反响停留时间，通常，挥发度大的反响物在接近塔的下部进料，反之挥发度小的反响物及催化剂在塔的上部进料。进料位置确实定还要保证有足够长度的反响段，到达充分反响和分别产物的双重目的。故确定反响精馏塔进料位置的原那么是：①保证反响物与催化剂充分接触；②保证一定的反响停留时间；③保证到达预期的产物的分别。144反响精馏工艺条件的影响2.回流比改动回流比使塔板上液相组成发生变化而影响反响，同时也改动了液体与催化剂的外表接触情况和液体在反响段的停留时间。反响精馏回流比的设计计算比普通精馏计算要复杂得多，而且对平衡反响和反响速率控制的反响体系不同。对一定的分别义务，回流比普通只能在一定范围内变化。145反响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在空间，提供气液相的流动通道，以进展液相反响和气液传质，并满足设计允许的塔板压力降；②具有足够的外表积进展催化反响；③允许催化剂颗粒的膨胀和收缩，而不损伤催化剂；④构造简单便于改换。146反响精馏的局限性①反响精馏仅适用于反响过程和分别过程可在同一温度范围内进展的工艺，即在催化剂具有较高活性的温度范围内，反响物系可以进展精馏分别。147反响精馏的局限性②根据反响物和产物的相对挥发度大小，反响体系可分为四种类型：产物>或<反响物；反响物介于产物之间；产物介于反响物之间；产物反响物可采用反响精馏1487.4.2精馏与其它分别过程的集成IntegrationofDistillationandOtherSeparationOperations149一、精馏与萃取的集成IntegrationofDistillationandExtraction1501、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，从而防止再参与新的溶剂。151例：萃取-共沸精馏分别醋酸-水溶液选用醋酸乙酯作为醋酸的萃取溶剂，且其与水构成非均相共沸物，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展。152例：萃取-共沸精馏分别醋酸-水溶液Aceticacid+H2OEAEA+acid+H2OH2O+EAAceticacidH2O酯相水相1532、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，扩展不互溶区域，提高萃取相产物的浓度，从而到达节能的效果。154例：加盐萃取-共沸精馏分别醋酸-水溶液选择萃取才干和共沸带水才干适中的醋酸异丙酯作溶剂，参与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