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1、第六章第六章 分离过程及设备的效率与分离过程及设备的效率与节能综合节能综合.1.1气液传质设备的效率气液传质设备的效率 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 （1 1）掌握等温分离的最小功的计算方法，了解）掌握等温分离的最小功的计算方法，了解非等温分离和有效能、净功消耗和热力学效非等温分离和有效能、净功消耗和热力学效率的计算。率的计算。（2 2）了解精馏过程的热力学不可逆分析方法，）了解精馏过程的热力学不可逆分析方法，掌握精馏过程的节能技术。掌握精馏过程的节能技术。（3 3）掌握简单分离和复
2、杂塔的分离顺序的合成）掌握简单分离和复杂塔的分离顺序的合成的原则。的原则。本章要求：本章要求：6.16.1气液传质设备的处理能力和效率气液传质设备的处理能力和效率6.1.1 6.1.1 气液传质设备的处理能力的影响因素气液传质设备的处理能力的影响因素气液传质设备有气液传质设备有板式塔板式塔和和填料塔填料塔两类。两类。影响气液传质设备影响气液传质设备的处理的处理能力的因素能力的因素有：有：6.1.1.16.1.1.1液泛液泛 板式塔：板式塔：，处理能力增加；，处理能力增加；填填料料塔塔：，处处理理能能力力增增加加。规整填料处理能力大于乱堆填料。规整填料处理能力大于乱堆填料。6.1.1.26.1.
3、1.2雾沫夹带雾沫夹带6.1.1.3.6.1.1.3.压力降压力降 板板式式塔塔中中，雾雾沫沫夹夹带带程程度度用用雾雾沫沫夹夹带带量量（0.1kg0.1kg液液体体kgkg气气体体）或或泛泛点点百百分分率率表表示示。随随 。真真空空操操作作设设备备的的 往往往往成成为为限限制制生生产产能能力力的的主主要要原原因因，还还影影响响降降液液管管内内液液位位高高度度，液位高度，液位高度，以造成液泛。，以造成液泛。6.1.1.4.6.1.1.4.停留时间停留时间 精馏中液体在降液管内停留时间一般精馏中液体在降液管内停留时间一般3 35 5秒。秒。6.1.2 6.1.2 气液传质设备的效率及影响因素气液传
4、质设备的效率及影响因素6.1.2.1实际板和理论板的差异实际板和理论板的差异理论板假定理论板假定离开离开该板的汽、液两相达到该板的汽、液两相达到平衡平衡 理论板上相互理论板上相互接触接触的汽液两相的汽液两相完全混合完全混合，板，板上液相浓度均一上液相浓度均一 实际板上汽液两相存在实际板上汽液两相存在不均匀不均匀流动，流动，停留时停留时间间有明显有明显差异差异 实际板存在实际板存在雾沫夹带雾沫夹带、漏液漏液和液相夹带泡沫和液相夹带泡沫现象。现象。6.1.2.2级效率的定义级效率的定义（1 1）全塔效率）全塔效率E ET T（总板效率，塔效率）总板效率，塔效率）为为完完成成给给定定分分离离任任务务
5、所所需需要要的的理理论论塔塔板板数数（N N）与实际塔板数（与实际塔板数（N Nactact）之比。之比。E ET T的特点是的特点是容易测定容易测定和使用。和使用。板式塔板式塔默弗里（默弗里（MurphreeMurphree）板效率板效率 默默弗弗里里板板效效率率实实际际板板上上浓浓度度变变化化与与平平衡衡时时应应达达到到的的浓度变化之比。浓度变化之比。与与 成平衡的气相成平衡的气相 摩尔分率。摩尔分率。默弗里气相板效率默弗里气相板效率y i,j+1xi,j-1yi,jxi,jjj-1一般一般 默弗里液相板效率默弗里液相板效率y i,j+1xi,j-1yi,jxi,jjj-1默弗里（默弗里（
6、Murphree）点效率）点效率 板上气液两相错流，板上气液两相错流，假定液体在垂直方向上假定液体在垂直方向上完全混合。完全混合。若气液两相完全混合，则若气液两相完全混合，则 。与与 成平衡的气相摩尔分率。成平衡的气相摩尔分率。xi,j-1xi,jjj-1填料塔填料塔传质单元高度传质单元高度等板高度（等板高度（HETP）对于填料塔对于填料塔:为相当于一块理论板所需的填料高度。为相当于一块理论板所需的填料高度。对于板式塔对于板式塔:6.1.2.3影响级效率的因素影响级效率的因素点效率与传质间的关系点效率与传质间的关系由双膜理论得：由双膜理论得：G G一一定定，。塔塔板板上上液液层层愈愈厚厚，气气
7、泡泡愈愈分分散散，表表面面湍湍动动程程度度愈愈高高，点效率愈高。点效率愈高。NG、NL可由经验式求得。可由经验式求得。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 液液体体流流经经塔塔板板时时，板板上上任任一一点点的的液液体体会会在在三三个个垂垂直直方方向向上上发发生生混混合合：纵纵向向混混合合、横横向向混混合合和和垂垂直直于于塔塔板板液液面面，沿沿气气流流的的混混合合。这这些些混混合合将将影响板效率影响板效率。描述流型对效率影响的数学模型：描述流型对效率影响的数学模型：y i,j+1xi,j-1yi,jxi,jjj-1板上液体完全混合板上液体完全混合 板上各点板上各点 均相同，并等于
8、该板出口溢均相同，并等于该板出口溢流液的流液的x xi,ji,j组成，即组成，即 ，若进入板各点，若进入板各点的的 是均一的，则有：是均一的，则有：液体完全不混合（活塞流）且停留时间相同液体完全不混合（活塞流）且停留时间相同默弗里板效率和点效率间关系式：默弗里板效率和点效率间关系式：由上式得右图知：由上式得右图知：液体混合作用的减弱液体混合作用的减弱使默弗里板效率增大。使默弗里板效率增大。1.05.000.53.0EOGEMVEOG完全不混合完全不混合完全混合完全混合液体部分混合液体部分混合 纵向混合将使纵向混合将使 下降；横向混合将使下降；横向混合将使 上升。不完全混合使得上升。不完全混合使
9、得 。不不均均匀匀流流动动，尤尤其其是是环环流流会会对对效效率率产产生生不不利利影影响响；横横向向混混合合能能削削弱弱液液相相不不均均流流动动的的不不利利影影响响；塔塔径径加加大大，纵纵向向不不完完全全混混合合有有利利影影响减弱，不均匀流动响减弱，不均匀流动则趋于加强则趋于加强。液体流程的平均宽度完全混合完全混合 完全不混合完全不混合 30（3 3）雾沫夹带）雾沫夹带 雾沫夹带为雾沫夹带为级间混合级间混合，降低分离设备的，降低分离设备的分离效果，分离效果，板效率下降板效率下降。ColburnColburn（可尔本）可尔本）19361936年推导出下关系：年推导出下关系：有雾沫夹带下的板效率。有
10、雾沫夹带下的板效率。此外，此外，漏液漏液和和气气体被体被液液体体夹带夹带也会使也会使板效率降低板效率降低。求得求得 由由 泛点百分率泛点百分率 E Ea a求取步骤求取步骤由公式由公式 求出求出OGOG求出彼克来准数求出彼克来准数 由图或公式求出由图或公式求出E EMVMV/E/EOGOG，进而求出，进而求出E EMVMV。查图得到液泛极限查图得到液泛极限K KV V，进而求出液泛速度，进而求出液泛速度u uf f查图得夹带分率查图得夹带分率e e，由公式求出有雾沫夹带下，由公式求出有雾沫夹带下的板效率。的板效率。（4 4）物性的影响）物性的影响 液体粘度液体粘度密度梯度密度梯度 当易挥发组分
11、的当易挥发组分的 大于难挥发组分的大于难挥发组分的 时，时，能形成混合旋流，可提高液相传质系数。能形成混合旋流，可提高液相传质系数。大大，产产生生气气泡泡大大，相相界界面面小小，两两相相接接触触差，且液相扩散系数小，效率低。差，且液相扩散系数小，效率低。因因精精馏馏T T一一般般较较吸吸收收T T高高，小小，故故精精馏馏塔塔效率高效率高于吸收塔。于吸收塔。相对挥发度相对挥发度 大则相当于汽相溶解度低，大则相当于汽相溶解度低，K Ki i小，液相阻力大，小，液相阻力大，效率低效率低表面张力梯度表面张力梯度 a.a.正系统正系统 泡沫状态下操作泡沫状态下操作 b.b.负系统负系统 喷射状态下操作喷
12、射状态下操作 c.c.中性系统中性系统 6.1.3.级效率的计算方法级效率的计算方法 由理论板数求实际板数需要板效率数据。由理论板数求实际板数需要板效率数据。获取方法有三种：获取方法有三种：A A、由工业塔数据归纳出的经验关联式求算；由工业塔数据归纳出的经验关联式求算；B B、依赖传质速率的半理论模型求得；依赖传质速率的半理论模型求得；C C、从实验装置或中间工厂直接得到数据。从实验装置或中间工厂直接得到数据。奥康奈尔（奥康奈尔（OConnell）关系曲线）关系曲线(图图6-8）6.1.3.1经验关联式经验关联式朱汝瑾公式：Van Winkle关系式关系式HETP乱堆填料HETP一般为0.45
13、0.6米；鲍尔环25mm的HETP为0.3m，38mm的HETP为0.45m，50mm的HETP为0.6m；规整填料如金属丝网波纹填料CY型的HETP为0.1250.166m、BX型的HETP为0.20.25m，麦勒派克填料的HETP为0.25-0.33m。6.1.3.2机理模型机理模型（略）（略）6.1.3.3.由实验装置数据确定板效率由实验装置数据确定板效率当当无无欲欲分分离离物物系系的的气气液液平平衡衡数数据据时时，达达到到分分离离程程度度所所需需的的塔塔板板数数最最好好通通过过实实验验室室测测定定。使使用用称称为为Oldershaw塔塔的的玻玻璃璃或或金金属属筛筛板板塔塔，塔塔径径25
14、50毫毫米米，筛筛孔孔1毫毫米米，开开孔孔率率10左左右右。塔塔板板数数任任意意。在在201140千千帕帕操操作作压压力力范范围围内内，Oldershaw塔塔的的效效率率与与塔塔径径在在0.461.2米米范范围围的的中间试验塔和工业塔的数据一致。中间试验塔和工业塔的数据一致。AIChEAIChE（美国化学工程师学会）法美国化学工程师学会）法,基于双基于双膜理论提出的计算方法膜理论提出的计算方法。OldershawOldershaw塔的偏于保守的试验步骤：塔的偏于保守的试验步骤：1 1）测定泛点；测定泛点；2 2）在在约约6060泛泛点点下下操操作作（在在40406060范范围围内内均均可可）；
15、3 3）试试验验中中通通过过调调整整塔塔板板数数和和流流率率，达达到到预预期期分分离离程度；程度；4 4）假假设设工工业业塔塔与与OldershawOldershaw塔塔在在相相同同液液气气比比下下操操作需要相同的塔板数。作需要相同的塔板数。6.1.4.6.1.4.气液传质设备的选择气液传质设备的选择6.1.4.16.1.4.1、板式塔和填料塔的选择、板式塔和填料塔的选择 项目项目 板式塔板式塔 填料塔填料塔 压降压降 较大较大 小尺寸填料较大，大尺寸填料小尺寸填料较大，大尺寸填料及规整填料较小及规整填料较小 空塔气速空塔气速 较大较大 小尺寸填料较小，大尺寸填料小尺寸填料较小，大尺寸填料及规
16、整填料较大及规整填料较大 持液量持液量 较大较大 较小较小 液气比液气比 适应范围较大适应范围较大 适应范围较小适应范围较小 安装检修安装检修 较易较易 较难较难 材质材质 常用金属材料常用金属材料 金属及非金属材料金属及非金属材料 造价造价 大直径时较低大直径时较低 新型填料投资较大新型填料投资较大 塔效率塔效率 较稳定，效率较高较稳定，效率较高 传统填料较低，新型填料较高传统填料较低，新型填料较高 板式塔和填料塔的选择要考虑以下因素：板式塔和填料塔的选择要考虑以下因素：（1 1）物系的性质）物系的性质 物料具有物料具有腐蚀性腐蚀性时，通常选用时，通常选用填料填料塔；塔；易易发发泡泡物物系系
17、，宜宜选选填填料料塔塔，因因其其具具有限制和破碎泡沫的作用；有限制和破碎泡沫的作用；对对热热敏敏物物质质或或需需真真空空下下操操作作的的物物系系宜选用宜选用填料填料塔；塔；分分离离有有明明显显热热效效应应的的物物系系宜宜选选用用板板式式塔（持液量大，便于安装换热装置）；塔（持液量大，便于安装换热装置）；易易聚聚合合和和含含有有固固体体悬悬浮浮物物的的物物系系，不不宜选用填料塔。宜选用填料塔。对对高高粘粘度度的的物物系系的的分分离离，宜宜选选用用填填料料塔（粘度高，板式塔效率低）；塔（粘度高，板式塔效率低）；（2 2）塔的操作条件）塔的操作条件 板板式式塔塔的的直直径径一一般般0.60.6米米，
18、填填料料塔塔设设备备费费随塔径增加而迅速增加，大塔随塔径增加而迅速增加，大塔慎用慎用填料塔；填料塔；填填料料塔塔操操作作弹弹性性小小，对对液液体体负负荷荷变变化化尤尤为敏感，板式塔往往具有较大弹性；为敏感，板式塔往往具有较大弹性；采采用用新新型型填填料料的的填填料料塔塔具具有有较较大大的的生生产产能能力和较小的力和较小的HETPHETP。（3 3）塔的操作方式）塔的操作方式 间歇间歇操作，填料塔持液量较小，较合适；操作，填料塔持液量较小，较合适；由由多多个个进进料料口口和和侧侧线线采采出出的的精精馏馏塔塔，用用板板式塔更合适。式塔更合适。6.1.4.26.1.4.2、填料的选择、填料的选择（1
19、 1）填料材质的选择填料材质的选择 瓷质瓷质填料填料 耐腐蚀性好，使用温度范围较宽，耐腐蚀性好，使用温度范围较宽，价廉。但质脆、易碎。价廉。但质脆、易碎。金属金属填料填料 壁薄，壁薄，大，通量大、压降小。大，通量大、压降小。适用于真空精馏。但价高，且应注意耐腐问题。适用于真空精馏。但价高，且应注意耐腐问题。塑料塑料填料填料 耐腐蚀性好、质轻、耐冲击、耐腐蚀性好、质轻、耐冲击、不易破碎，通量大、压降小，但耐高温性能差。不易破碎，通量大、压降小，但耐高温性能差。（3 3）填料尺寸的选择填料尺寸的选择填填料料尺尺寸寸小小，压压降降大大，费费用用高高；填填料料尺尺寸寸大大易易出出现现液液体体分分布布不
20、不均均及及严严重重壁壁流流，分分离离效效率率低低。为此要求：为此要求：（2 2）填料种类的选择填料种类的选择 （4 4）填料填料的单位分离能力的单位分离能力 分离过程为什么要节能？分离过程为什么要节能？分离过程的特征？分离过程的特征？多多组组分分分分离离的的多多塔塔排排列列顺顺序序对对能耗是否影响能耗是否影响？6.2.6.2.分离过程的最小分离功分离过程的最小分离功6.2.1.16.2.1.1等温分离最小功等温分离最小功 当分离过程完全可逆时，分离消耗的功当分离过程完全可逆时，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变化过程必须是可逆的 体系只体系只与温度与
21、温度为为T T0 0的环境进行可逆的热的环境进行可逆的热交换交换 6.2.16.2.1分离过程的最小功分离过程的最小功热力学第一定律热力学第一定律 等温可逆过程，进出系统的物流与环境的温等温可逆过程，进出系统的物流与环境的温度均为度均为T,热力学第二定律热力学第二定律 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（x xi i，y yi i）、温度和压力温度和压力（1 1）分离理想气体的混合物）分离理想气体的混合物 理想气体混合物理想气体混合物 由混合物分离成纯组分由混合物分离成纯组分 等温等压分离理想气体耗功等温等压分
22、离理想气体耗功有以下规律有以下规律：1 1）将将等等分分子子气气体体混混合合物物分分离离成成两两个个纯纯组组分分时时所所需需最最小小功功要要比比分分离离其其它它混混合合物物所所需需最最小小功功要要大大。此时得无因次最小功为。此时得无因次最小功为0.69310.6931。2 2）同同一一进进料料组组成成y yA A，F F，分分离离成成两两个个纯纯组组分分比比分分离离成成两两个个非非纯纯组组分分所所需需最最小小功功要要大大，产产品品纯纯度度越高，最小功越大。越高，最小功越大。3)3)理理想想气气体体的的分分离离最最小小功功与与P P和和被被分分离离组组分分间间的的相对挥发度相对挥发度无关。无关。
23、4)4)环境温度环境温度较高较高，所所需最小需最小功功较大较大例例6-1 设空气中含氧设空气中含氧21（体积），若在（体积），若在25常压常压下将空气可逆分离成下将空气可逆分离成95O2的气氧和的气氧和99N2的气氮，的气氮，计算分离计算分离1kmol空气的最小功。空气的最小功。解：设产品气氧为解：设产品气氧为1，气氮为，气氮为2，氧为，氧为A，氮为，氮为B，（1）计算分离产物）计算分离产物1，2为非纯产品需最小功为非纯产品需最小功设产品气氧的量为设产品气氧的量为xkmol，对分离前后的氧气作物，对分离前后的氧气作物料衡算：料衡算：10.21=0.95x+0.01(1x)得：x=0.213km
24、ol所以产品气氮的量为0.787kmol，产品1，2的氧、氮摩尔出料如图。计算分离空气为纯N2，纯O2所需最小功可见，分离成非纯产品时所需最小功小于分离成纯组分产品时所需的最小功。（2 2）分离低压的）分离低压的液体混合物液体混合物 分离成纯组分时所需最小功分离成纯组分时所需最小功 讨论：讨论：1 1）若溶液为）若溶液为正偏差正偏差（即（即 ），等温分离最），等温分离最小功将比分离理想溶液时小功将比分离理想溶液时小小；2)2)若溶液为若溶液为负偏差负偏差（即（即 ），等温分离最），等温分离最小功将比分离理想溶液时小功将比分离理想溶液时大大，原因是负偏差系统，原因是负偏差系统，不同组分间的分子力
25、大于同一组分分子间的力，所不同组分间的分子力大于同一组分分子间的力，所以更难分离；以更难分离；3)3)对于对于完全不互溶完全不互溶体系（即体系（即 ）最小最小功等于功等于零零。例例6-26-2证明等温分离二元理想气体混合物为纯组证明等温分离二元理想气体混合物为纯组分，其最小功函数的极大值出现在等摩尔组成进分，其最小功函数的极大值出现在等摩尔组成进料的情况。料的情况。证明：由计算此情况下最小功公式证明：由计算此情况下最小功公式6 61010对二元物系有：对二元物系有：y yBFBF=1-y=1-yAFAF,将之代入上式得将之代入上式得上式两边对上式两边对y yAFAF求导得：求导得：则则1 1y
26、 yAFAF=y yAFAF,解得解得y yAFAF=0.5.=0.5.令令 由由此此证证得得，最最小小功功函函数数的的极极大大值值出出现现在在等等摩尔组成进料的情况。摩尔组成进料的情况。当当y yAFAF0.50.50.5，所以所以y yAFAF=0.5=0.5时，时，有极大值。有极大值。6.2.2 6.2.2 非等温分离和有效能非等温分离和有效能 分离过程所需的最小功，按物系在分分离过程所需的最小功，按物系在分离离过程过程中的中的有效能的增量有效能的增量变化来表示变化来表示 分离成纯组分时分离成纯组分时净功净功 由由可逆热机可逆热机将热转变将热转变为功，以确定实际过程的为功，以确定实际过程
27、的净功消耗。净功消耗。精馏分离精馏分离 6.2.3 6.2.3 净功消耗净功消耗 6.2.46.2.4热力学效率热力学效率热力学效率热力学效率 若分离过程是若分离过程是完全可逆完全可逆的，热力学效率为的，热力学效率为1 1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1.01.0通常通常:1)1)只依靠外加只依靠外加能量能量(ESA(ESA)的分离过程（如精馏、的分离过程（如精馏、结晶），热力学效率结晶），热力学效率较高较高；2)2)除加入除加入ESAESA，还需加入还需加入MSAMSA的分离过程（如的分离过程（如萃取精馏、共沸精馏、萃取、吸收和吸附等）萃取精馏、共沸精馏、萃
28、取、吸收和吸附等）热力学效率热力学效率较低较低；3)3)速率速率控制的分离过程热力学效率控制的分离过程热力学效率更低更低。如图精馏过程的净耗功为：如图精馏过程的净耗功为：QC TCQR TRDW F精 馏 塔 若进出体系的物料的焓若进出体系的物料的焓相近时，近似有相近时，近似有Q QR RQ QC CQ Q，则则 例例6-2某丙烯某丙烯(A)-丙烷丙烷(B)精馏塔。若进料为泡点进精馏塔。若进料为泡点进料，进料量料，进料量F=272.16kmol/h,HF=1740.38kJ/kmol，SF=65.79kJ/(kmolK)，塔顶馏出液，塔顶馏出液D=159.21kmol/h，HD=12793.9
29、kJ/kmol，SD=74.69 kJ/(kmolK)，塔底釜液，塔底釜液W=112.95kmol/h，HW=3073.37kJ/kmol，SW=66.10 kJ/(kmolK)，假，假设环境温度设环境温度T0294K。计算计算再沸器负荷再沸器负荷(冷凝器负荷冷凝器负荷QC=32401526kJ/h给定给定)；有效能变化；有效能变化；当再沸器加热剂温度当再沸器加热剂温度TR=377.6K，冷凝器冷却剂温度，冷凝器冷却剂温度TC=305.4K时的净时的净功消耗；功消耗；热力学效率。热力学效率。解：解：作全塔热量衡算：作全塔热量衡算：己知己知T0294K净功消耗净功消耗热力学效率热力学效率例例 苯
30、甲苯常压精馏塔，进料、馏出液及釜液苯甲苯常压精馏塔，进料、馏出液及釜液的温度分别为的温度分别为92 92 、82 82 和和108 108，设环境，设环境温度为温度为2020，塔顶冷凝器的热负荷为，塔顶冷凝器的热负荷为997kW997kW（用用水冷却），塔釜再沸器热负荷为水冷却），塔釜再沸器热负荷为1025kw1025kw（用用130130蒸汽加热）。试求过程净功消耗。蒸汽加热）。试求过程净功消耗。解：塔顶用水冷却，设循环水温为解：塔顶用水冷却，设循环水温为3535（308K308K）则由式则由式6 625256.3.6.3.分离过程的节能分离过程的节能6.3.1.6.3.1.分离过程的热力学
31、分析分离过程的热力学分析精馏过程热力学不可逆的原因精馏过程热力学不可逆的原因 精馏过程精馏过程不可逆的根本原因是不可逆的根本原因是三三传的不可逆性传的不可逆性。其主要表现于以下几。其主要表现于以下几方面：方面：（1 1）流流体体流流动动时时有有 （通通过过一一定定压压力力梯梯度度的的动量传递）；动量传递）；（2 2）传传热热时时有有一一定定温温差差（通通过过一一定定温温度度梯梯度度的热量传递或不同温度的物流直接混合）；的热量传递或不同温度的物流直接混合）；（3 3）传传质质过过程程有有浓浓度度差差（通通过过一一定定浓浓度度梯梯度度的质量传递或不同化学位的物流的质量传递或不同化学位的物流直接混合
32、直接混合）；）；（4 4）还可能存在不可逆化学反应。）还可能存在不可逆化学反应。提高精馏过程热力学效率的途径提高精馏过程热力学效率的途径 （1 1）降降低低流流动动过过程程的的 ，变变板板式式塔塔为为填填料塔料塔是降低提高生产能力的主要途径；是降低提高生产能力的主要途径；（2 2）减减小小塔塔顶顶冷冷凝凝器器和和塔塔底底再再沸沸器器的的 ,常常采用采用高效换热器高效换热器或改进或改进操作方式操作方式；（3 3）在在较较小小R R或或不不同同R R（设设中中间间再再沸沸器器或或中中间间冷冷凝凝器器）下下操操作作，以以便便降降低低传传热热传传质质的的不不可可逆逆性性（降降低低了了所所耗耗能能量量的
33、的品品位位，降降低低了了有有效效能能消消耗耗，从而提高了热力学效率）；从而提高了热力学效率）；（4 4）采采用用双双效效或或多多效效精精馏馏（各各塔塔采采用用不不同同压压力力，使使供供入入塔塔内内的的热热量量重重复复使使用用，重重复复使使用用的的次数称为效数）次数称为效数）（5 5）对对原原料料中中各各组组分分沸沸点点差差不不大大的的系系统统采采用用热热泵泵流程流程。有效能的充分回收及利用有效能的充分回收及利用 采用加强设备的采用加强设备的保温保温及利用物流的部分及利用物流的部分显热显热或或潜热潜热等措施等措施 减少过程的净耗功减少过程的净耗功 改变分离过程改变分离过程操作条件操作条件减少过程
34、的净耗功，如严控设计减少过程的净耗功，如严控设计富裕度富裕度，选定，选定最佳最佳R R 6.3.2.6.3.2.设置中间冷凝器和中间再沸器设置中间冷凝器和中间再沸器设设置置设设置置中中间间冷冷凝凝器器和和中中间间再再沸沸器器，使使操操作作更更趋趋于于可可逆逆精精馏馏，净净功功消消耗耗降降低低，同同时时可可回回收收或或节节省省高高位位的的能能量量。当当顶顶低低温温差差较较大大时，效果尤佳。时，效果尤佳。若若在在中中间间冷冷凝凝器器和和中中间间再再沸沸器器之之间间加加一一热热泵泵，效率更高。效率更高。6.3.3.6.3.3.多效精馏多效精馏 利用若干利用若干压力不同压力不同的精馏塔，按压力高低顺的
35、精馏塔，按压力高低顺序进行组合，使序进行组合，使相邻两塔相邻两塔之间将之间将高压塔顶的蒸高压塔顶的蒸汽汽作为作为低压塔底的再沸器低压塔底的再沸器的的加热介质加热介质 多效精馏比单效精馏可多效精馏比单效精馏可节省加热蒸汽节省加热蒸汽的的30%-30%-50%50%但需但需增增加设备加设备投资投资，需要更需要更高高的的控制控制系统系统。并流型混流型串联型 低 压 塔 高 压 塔F1F2D2W1W2D1低沸成分高沸成分1 1、并流型、并流型2 2、逆流型、逆流型 低 压 塔 高 压 塔FD2WD1SW低沸成分高沸成分3、混流型、混流型 低 压 塔 高 压 塔FD2WD1SW低沸成分高沸成分W 低 压
36、 塔 高 压 塔FW1W2DS低沸成分高沸成分6.3.4.6.3.4.低温精馏的热泵低温精馏的热泵热泵热泵将精馏和制冷循环结合起来，把塔顶低将精馏和制冷循环结合起来，把塔顶低温处的热量传递给塔釜高温处的系统。温处的热量传递给塔釜高温处的系统。解决办法解决办法 将将制制冷冷与与精精馏馏结结合合起起来来，把把热热量量由由低低温温处传向高温处。处传向高温处。存在问题存在问题 T T顶顶T T釜釜，热量不能自动由低温传向高温，热量不能自动由低温传向高温提出设想提出设想 将塔顶移出热量拿到塔釜供热将塔顶移出热量拿到塔釜供热精馏操作共同特点精馏操作共同特点 塔顶温度塔顶温度低于低于塔底温度塔底温度 塔塔顶
37、顶需供冷需供冷移热移热，塔，塔釜釜须须供热供热 (1)(1)采用外部致冷剂的热泵采用外部致冷剂的热泵（闭式热泵）（闭式热泵）DW F精精 馏馏 塔塔(2)(2)采用压缩塔顶蒸汽的热泵采用压缩塔顶蒸汽的热泵（开式（开式A A型热泵）型热泵）FDW 精精 馏馏 塔塔(3)(3)采塔底液体闪蒸的热泵采塔底液体闪蒸的热泵（开式（开式B B型热泵）型热泵）低温精馏采用热低温精馏采用热泵可提高热力泵可提高热力学效率。当原学效率。当原料中各组分沸料中各组分沸点接近，且沸点接近，且沸点均小于环境点均小于环境温度时，效果温度时，效果更佳。更佳。DW F精精 馏馏 塔塔双双塔塔式式热热泵泵精精馏馏流流程程(4)(
38、4)热泵精馏节能例子热泵精馏节能例子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 12346.3.5 6.3.5 有关分离操作的节能经验规则有关分离操作的节能经验规则 P202表表6-1、如果进料混合物中不止存在一相，则首选、如果进料混合物中不止存在一相，则首选采用机械分离采用机械分离、避免热量、冷量或机械功的损失；采用合、避免热量、冷量或机械功的损失；采用合适的绝热措施；避免排出大量热的或冷的产品，适的绝热措施；避免排出大量热的或冷的产品，质量分
39、离剂等等质量分离剂等等、避免作过于安全的设计和（或）没有必要、避免作过于安全的设计和（或）没有必要使分离过度的实际操作；对于生产能力变动的使分离过度的实际操作；对于生产能力变动的装置，则寻求有效调节范围的设计装置，则寻求有效调节范围的设计、寻求有效的控制方案，以降低不稳定操作、寻求有效的控制方案，以降低不稳定操作时的过量能耗和减少由于能量积累所引起的相时的过量能耗和减少由于能量积累所引起的相互影响对过程的干扰互影响对过程的干扰、在过程构成中寻求有效能最大者（或成本、在过程构成中寻求有效能最大者（或成本费用最大者）作为首要对象，通过过程的改进费用最大者）作为首要对象，通过过程的改进以降低能耗以降
40、低能耗、在相际转移时，优先分离掉转移量少的而、在相际转移时，优先分离掉转移量少的而不是转移量多的组分不是转移量多的组分、使用的换热器要适当，换热器如果较贵，、使用的换热器要适当，换热器如果较贵，就要寻找传热系数较高的就要寻找传热系数较高的、尽力减少质量分离剂的流量，只要选择性、尽力减少质量分离剂的流量，只要选择性可以达到要求，优先选择可以达到要求，优先选择大的分离剂大的分离剂、只要好用，优先选择分离因子高的方案、只要好用，优先选择分离因子高的方案1010、避免将不相同组成温度的物流混合的设计、避免将不相同组成温度的物流混合的设计1111、分清不同形式的能量以及不同温度水平的、分清不同形式的能量
41、以及不同温度水平的冷量和热量的价值差别；加进和引出热量要使冷量和热量的价值差别；加进和引出热量要使其温度水平接近于所需要的或是所具有的值；其温度水平接近于所需要的或是所具有的值；尽量有效地利用热源和热阱之间的整个温差，尽量有效地利用热源和热阱之间的整个温差，例如多效蒸发例如多效蒸发1212、对于在较小温差下输入热量来进行分离的、对于在较小温差下输入热量来进行分离的过程，可以考虑使用热泵的可能性过程，可以考虑使用热泵的可能性1313、适当采用分级或逆流操作，以降低分离剂、适当采用分级或逆流操作，以降低分离剂用量用量1414、当分离因子差不多时，优先选用能量分离、当分离因子差不多时，优先选用能量分
42、离剂过程，而其次选质量分离剂过程，同时，如剂过程，而其次选质量分离剂过程，同时，如有必要分级，则优先考虑平衡过程，其次才考有必要分级，则优先考虑平衡过程，其次才考虑速率控制过程虑速率控制过程1515、在能量分离剂过程中，优先选择那些相变、在能量分离剂过程中，优先选择那些相变化潜热较低的分离剂化潜热较低的分离剂1616、如果压力降在能耗方面占重要地位，应设、如果压力降在能耗方面占重要地位，应设法寻找能够降低压力降的有效的设备内件法寻找能够降低压力降的有效的设备内件6.46.4分离过程系统合成分离过程系统合成6.4.1.6.4.1.分离顺序数分离顺序数 若分离为清晰分离塔（若分离为清晰分离塔（锐分
43、离器锐分离器），分离顺序数），分离顺序数S SC C：当采用多种分离方法时当采用多种分离方法时 6.4.26.4.2分离顺序的合成方法分离顺序的合成方法调优法调优法以以某个某个初始精馏初始精馏塔序塔序为为出发点出发点，按，按 照一定的调优法则和策略对它进行逐照一定的调优法则和策略对它进行逐 步改进，最终合成出最优分离顺序。步改进，最终合成出最优分离顺序。确定分离顺序的方法：确定分离顺序的方法：调优法调优法算算法法合合成成法法（最最优优合合成法）成法）经验法（试探法）经验法（试探法）经经验验法法：依依据据经经验验规规则则对对具具体体问问题题进进行行定定性性分分析析而确定分离序列的方法而确定分离序
44、列的方法。其其优优点点是是使使用用简简便便，不不需需进进行行十十分分繁繁杂杂的的计计算算即即可可从从大大量量可可能能的的序序列列中中筛筛选选出出接接近近最最优优的的序序列列。不不足足是是缺缺乏乏严严格格的的数数学学基基础础，不不能能合合成成出出最最优优的的序列。序列。算法合成技术算法合成技术：有数学规划法、分支界限法、有序：有数学规划法、分支界限法、有序搜索法和有序分支搜索法等。搜索法和有序分支搜索法等。6.4.2.16.4.2.1试探法试探法(1)(1)关于分离方法选择的经验规则关于分离方法选择的经验规则首选首选分离方法为分离方法为ESAESA的方法（如普通精馏），的方法（如普通精馏），其次
45、其次选用是使用选用是使用MSAMSA的方法（如吸收，液液萃的方法（如吸收，液液萃取和特殊精馏）。取和特殊精馏）。关键组分的相对挥发度关键组分的相对挥发度1.05 x xHKHK，W W4 4、先列出计算过程顺序示意图，再计算可减、先列出计算过程顺序示意图，再计算可减少错误。少错误。第六章第六章 分离过程及设备的效率与节能综合分离过程及设备的效率与节能综合.1气液传质设备的效率气液传质设备的效率 6.2.分离过程的最小分离功分离过程的最小分离功6.2.1分离过程的最小功分离过程的最小功6.2.1.1等温分离最小功等温分离最小功（1）分离理想气体的混合物）分离理想气体的混合物（2）分离低压）分离低压的液体混合物的液体混合物