工业过程的耦合与强化.ppt

1、第四章: 工业过程的耦合与强化,黄克谨 北京化工大学信息科学与技术学院,主要内容,过程耦合与过程强化; 过程耦合与过程强化的基本原理； 过程耦合与过程强化的应用； 例子一：一个理想二元蒸馏塔的耦合设计 例子二：一个理想二元蒸馏塔的强化设计,过程耦合 (Process Integration),过程耦合的定义； 通过物质与能量利用的优效关联, 提高系统的热力学效率。 过程耦合的分类； 1. 物质耦合 (Mass Integration) 2. 能量耦合 (Energy Integration),过程强化 (Process Intensification),过程强化的定义； 将多个操作耦合在一个单

2、元之中, 加强物质与能量耦合的效果, 能降低投资费用和操作费用。 过程强化的特点； 打破了常规设计在系统结构上的制限。,耦合设计的指导思想 追求平衡操作的极限;,强化设计的指导思想 打破平衡的制限; 反应平衡 反应蒸馏塔 汽液平衡 超重力蒸馏塔， 膜蒸馏塔,进行耦合与强化设计的意义,节省操作能耗与/或设备投资成本； 推动绿色工业设计的实现；,例子: 一个理想二元蒸馏塔设计,给定一个二元精馏塔，分离由物质A和B组成的混合物。进料流量为100 mol/s, 进料浓度是A:B = 0.5:0.5。 塔顶产品浓度为0.95(A), 塔底产品浓度也为0.95(B)。 操作压力是9 bar。气化潜热为69

3、44 cal/mol (满足衡分子流假设)。 塔板稳态滞液量为1 mol。冷凝器和再沸器的稳态液量分别为30 mol。,汽液平衡计算,塔内气液平衡按下式计算： Pj = xA, jPAs + xB, jPBs (1) yi, j = xi, jPis / Pj (2) 饱和蒸汽压按下式计算： Ln Pis = Avp, i Bvp, i/Tj (3) A(Avp/Bvp) = 11.6531/3862 B(Avp/Bvp) = 12.3463/3862,理想二元蒸馏塔的基本结构,理想二元蒸馏塔的能量耦合设计-对提馏段放热设计,理想二元蒸馏塔的能量耦合设计-对精馏段吸热设计,理想二元蒸馏塔的能量

4、耦合设计-内部热耦合蒸馏塔的概念,理想二元蒸馏塔的能量耦合设计-外部热耦合蒸馏塔的概念,三元蒸馏塔物质耦合设计-隔离壁蒸馏塔,三元蒸馏塔物质耦合设计-隔离壁蒸馏塔,DWC与常规精馏序列的比较,常规制造过程的缺陷,先反应后分离的设计理念; 需要多个设备相连接, 较高的投资成本; 拓扑结构限制了耦合设计的可能性。,反应蒸馏塔的提出,反应蒸馏塔的强化设计,Li, Ping, Kejin Huang, Quanquan Lin; “A Generalized Method for the Synthesis and Design of Reactive Distillation Columns,” C

5、hemical Engineering Research “Reactive Distillation Design for Mixtures with the Most Unfavorable Relative Volatilities,” AIChE Journal (submitted).,总结,本章介绍了工业过程的耦合设计与强化设计的基本概念与原理, 前者能提高操作效率, 而后者既能提高操作效率, 又能降低投资成本。 耦合设计与强化设计依赖于对过程的深刻认识与理解， 需要高度的技巧。 通过一个理想二元蒸馏塔, 显示了进行耦合设计与强化设计的有效性。,作业-1: 根据下图, 分析过程耦合与过程强化的可能性。,作业-2: 试通过计算说明内部热耦合蒸馏塔节能的可能性。,阅读文献,1. Smith, R.; Chemical Process Design, McGraw-Hill, New York (1995). 2. M. M. El-Halwagi, Pollution Pr