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1、Chongqing university of technology Chongqing university of technology第六章 分离过程及设备的效率与节能综合 Chongqing university of technology Chongqing university of technology掌握第六章 主要内容6.2分离过程的最小分离功6.3分离过程的节能6.4分离过程系统合成本章小结本章要求重点掌握掌握6.1气液传质设备的效率了解Chongqing university of technology Chongqing university of technologyv
2、（1）气液传质设备的效率v 1）理解、识记气液传质设备级效率的各种定义。v 2）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。v 3）掌握级效率计算方法中的机理模型方法。v（2）分离过程的最小分离功v 1）理解分离过程的最小分离功定义v 2）掌握多组分混合物的最小分离功、净功消耗、热力学效率计算本章要求Chongqing university of technology Chongqing university of technologyv（3）分离过程的节能v 1）理解分离过程热力学分析；v 2）掌握节能的主要途径；v 3）识记有关分离操作的节能经验规则v（4）分离过程系统合成v 1）
3、理解离顺序数定义及计算公式；v 2）掌握分离过程系统合成三种方法。v 3）掌握有序试探法中的四大规则。本章要求Chongqing university of technology Chongqing university of technology6-1气液传质设备的效率6.1分离设备的级效率一、级效率的定义和影响因素二、级效率的计算方法 三、气液传质设备的选择了解了解了解Chongqing university of technology Chongqing university of technology6-1气液传质设备的效率为确定传质设备的高度，可通过多级平衡过程的计算，决定完成一定分
4、离任务所需的理论级数将其他因素的影响归于传质分离的级效率板式塔:一种塔内浓度为不连续变化的逐板接触型设备，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，为表示板式塔传质效率的大小，常用板效率6.1分离设备的级效率Chongqing university of technology Chongqing university of technology6-1分离设备的级效率 填料塔:一种塔内浓度为连续变化的微分接触型设备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质效率，称之为传质单元高度或理论板当量高
5、度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高度或理论板当量高度的各个因素及其计算方法 6.1分离设备的级效率Chongqing university of technology Chongqing university of technology塔型板式塔填料塔条形方形圆形泡罩塔筛板塔浮阀6.1分离设备的级效率浮舌塔板结构填料塔结构筛板泡罩填料类型填料支撑液体分布装置液体再分布装置Chongqing university of technology Chongqing university of technology一、级效率的定义和影响因素Defination an
6、d influencing factors of stage efficiency 实际板和理论板的差异6.1分离设备的级效率理论板（级）实际板（级）汽液两相完全混合，板上浓度均一，等于离开该板溢流液的浓度 离开板的汽液相浓度达到平衡：传质量：均匀流动，各点停留时间相同无雾沫夹带、漏液和液相夹带汽相现象等板上液相浓度径向分布，液体入口处浓度高，进入的汽相各点浓度不相同达到平衡要无限长时间影响因素：平衡关系、塔板 结构，流动情况、物性不均匀流动，各点停留时间有明显差异雾沫夹带、漏液和液相夹带汽相现象等Chongqing university of technology Chongqing uni
7、versity of technology级效率的定义 1）全塔效率 2）Murphree板效率（干板效率）6.1分离设备的级效率 y*i,j 也可液相浓度计算且不同组分计算结果不同（二元除外）但Chongqing university of technology Chongqing university of technology级效率的定义3）点效率 4）理论板当量高度（HETP）相当于一个理论板的分离程度所需的填料层高度 6.1分离设备的级效率Chongqing university of technology Chongqing university of technology级效率的
8、定义5）传质单元高度 NOG和NOL分别为气相和液相总传质单元数 HOG和HOL分别为气相和液相的总传质单元的填料层高度 kG，kL为气相、液相总传质系数a为填料的有效表面积 6.1分离设备的级效率Chongqing university of technology Chongqing university of technology影响级效率的因素 1）点效率与传质间的关系 6.1分离设备的级效率Chongqing university of technology Chongqing university of technology影响级效率的因素 1）点效率与传质间的关系 点效率，P189
9、（6-10）（6-11）式可经验求6.1分离设备的级效率Chongqing university of technology Chongqing university of technology1）点效率与传质间的关系美国化工学会（AIChE）对泡罩塔和筛板塔提出了下列经验式：6.1分离设备的级效率Chongqing university of technology Chongqing university of technology2）液体混合情况对板效率的影响 板上液体完全混合 液相完全不混合 活塞流 6.1分离设备的级效率当NOG一定时，液体混合作用减弱，使EmV增大，且A越小，EmV越
10、大Chongqing university of technology Chongqing university of technology2、液体混合情况对板效率的影响液体部分混合混合程度介于活塞流和完全混合之间，常称为存在返混 6.1分离设备的级效率Chongqing university of technology Chongqing university of technology2、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v 液相纵向不完全混合，使EmV/EOG对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，液相横向混合，能削弱这种影响，使EmV/EOGv
11、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6.1分离设备的级效率Chongqing university of technology Chongqing university of technology液体部分混合完全混合 完全不混合 6.1分离设备的级效率Chongqing university of technology Chongqing university of technology液体部分混合6.1分离设备的级效率Chongqing university of technology Chongqing university of technology3）雾沫夹带
12、 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雾沫夹带 影响：使重组分含量高的液体进入上层塔板，轻组分浓度下降湿板效率 e：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e 6.1分离设备的级效率EaEmVChongqing university of technology Chongqing university of technology3）雾沫夹带6.1分离设备的级效率Chongqing university of technology Chongqing university of technology3）雾沫夹带泛点百分率 求得 由 6.1分离设备的级效率Chong
13、qing university of technology Chongqing university of technology4）物性的影响 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 相对挥发度，大则相当于汽相溶解度低，Ki小，液相阻力大，效率低表面张力梯度 a.正系统 泡沫状态下操作 b.负系统 喷射状态下操作 c.中性系统 6.1分离设备的级效率Chongqing university of technology Chongqing university of technology二、级效率的计算方法Calculation of stage efficiency1、经
14、验法1）奥康奈尔（OConnell）关系曲线 6.1分离设备的级效率Chongqing university of technology Chongqing university of technology二、级效率的计算方法Calculation of stage efficiency1）奥康奈尔（OConnell）关系曲线：全塔平均温度下进料的粘度：相对挥发度 6.1分离设备的级效率Chongqing university of technology Chongqing university of technology2）Van Winkle关系式 表面张力准数：液体Schmidi准数：R
15、eynolds准数：6.1分离设备的级效率Chongqing university of technology Chongqing university of technology3）HETP6.1分离设备的级效率Chongqing university of technology Chongqing university of technology3）HETP乱堆填料 HETP=0.45-0.6米鲍尔环，25mm，HETP=0.3m；38mm，HETP=0.45m；50mm，HETP=0.6m。规整填料 金属丝网波纹填料：CY型，HETP=0.125-0.166m；BX型，HETP=0.2-
16、0.25m。麦勒派克填料，HETP=0.25-0.33m 6.1分离设备的级效率Chongqing university of technology Chongqing university of technology2、机理模型 1）用（6-10，11）式计算出板上的气相传质单元数NG和液相传质单元数NL。2）用（6-9）式求出气相总传质单元数 NOG3）用（6-8）式求出点效率EOG 4）计算板上液相返混程度Pe5）查图6-5或（6-16）计算得EMV/EOG，并得干板效率 EMV6）从图6-6，7求雾沫夹带量并按式（6-19）求Ea 特点：预测放大塔径后的板效率 计算繁复6.1分离设备的
17、级效率 6-2 分离过程的最小分离功Minimum workMinimum work of separation processof separation process 6.2分离过程的最小分离功一、分离的最小功二、非等温分离和有效能（Exergy）三、净功和热力学效率 了解掌握掌握 分离过程为什么要节能？什么是分离过程的最小功？分离过程的特征？6-2 分离过程的最小分离功Minimum workMinimum work of separation processof separation process 6.2分离过程的最小分离功Chongqing university of techno
18、logy Chongqing university of technology一、分离的最小功Minimum word of separation v（1）定义 当分离过程完全可逆时，分离消耗的功 完全可逆 体系内所有的变化过程必须是可逆的 体系只与温度为T0（绝对温度）的环境进行可逆的热交换 6.2分离过程的最小分离功Chongqing university of technology Chongqing university of technology（1）定义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（xi，yi）、温度和压力6.2分离过程的最小分离功Chongqing
19、university of technology Chongqing university of technology（2）分离理想气体的混合物 理想气体混合物 由混合物分离成纯组分6.2分离过程的最小分离功Chongqing university of technology Chongqing university of technology（3）分离低压的液体混合物 分离成纯组分时所需最小功 6.2分离过程的最小分离功Chongqing university of technology Chongqing university of technology二、非等温分离和有效能（Exergy
20、）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，按物系在分离过程中的有效能的增量变化来表示 6.2分离过程的最小分离功Chongqing university of technology Chongqing university of technology三、净功和热力学效率 净功（Net work consumption）6.2分离过程的最小分离功Chongqing university of technology Chongqing university of technology热力学效率 Thermodynamic efficiency 若分离过程是完全可逆的，热力学效率
21、为1.0实际过程为不可逆过程，故必定小于1.0例题6-26.2分离过程的最小分离功Chongqing university of technology Chongqing university of technologyv 典型化工产品精馏比能耗组分比能耗kJkg-1组分比能耗kJkg-1原油精馏乙烯和丙烯丁二烯乙二醇乙醇448.93528.57329.26501.220952.6醋酸丙酮甘油邻二甲苯氧和氮6710.55052.134587.614000.2367.5 6-3 分离过程的节能Energy conservation of separation processEnergy cons
22、ervation of separation process 6.3 6.3分 分离 离过 过程 程的 的节 节能 能Chongqing university of technology Chongqing university of technology精馏过程的不可逆性 1）流体流动 流体流动时有压力降，当塔板数较多时，压力降也要加大，同时塔顶釜的温差也会加大，亦即W净增大 措施：增大塔径，降低板面液层厚度,改变板式塔为高效低压降填料塔 6.3 6.3分 分离 离过 过程 程的 的节 节能 能Chongqing university of technology Chongqing univ
23、ersity of technology2）传热 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 措施：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 6.3 6.3分 分离 离过 过程 程的 的节 节能 能Chongqing university of technology Chongqing university of technology3）传质 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 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 化学位是传质的推动力，正是由于两相间
24、的化学位有差异，导致传质过程发生有效能的损失 6.6.3 3分 分离 离过 过程 程的 的节 节能 能Chongqing university of technology Chongqing university of technology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 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 2）减少过程的净耗功 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 6.3 6.3分 分离 离过 过程 程的 的节 节能 能Chongqing university of t
25、echnology Chongqing university of technology3）减少质量传递中的浓度梯度（）从二元系的图中可看出，若将操作线向平衡线靠近，即能减少传质推动力，从而减少了精馏过程的不可逆程度，降低净功耗 为此采用中间冷凝及中间再沸手段 6.3 6.3分 分离 离过 过程 程的 的节 节能 能Chongqing university of technology Chongqing university of technology3）减少质量传递中的浓度梯度（）6.3 6.3分 分离 离过 过程 程的 的节 节能 能Chongqing university of tech
26、nology Chongqing university of technology3）减少质量传递中的浓度梯度（）6.3 6.3分 分离 离过 过程 程的 的节 节能 能Chongqing university of technology Chongqing university of technology4）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 6.3 6.3分 分离 离过 过程 程的 的节 节能 能多效精馏比单效精馏可节省加热蒸汽的30%-50%Ch
27、ongqing university of technology Chongqing university of technology4）多效精馏6.3 6.3分 分离 离过 过程 程的 的节 节能 能Chongqing university of technology Chongqing university of technology5）热泵精馏(Heat pump Distillation)v将温度较低的塔顶蒸汽经压缩后作为塔底再沸器的热源v消耗一定量的机械功来提高低温蒸汽的能位而加以利用 12346.6.2 2分 分离 离过 过程 程的 的节 节能 能Chongqing univers
28、ity of technology Chongqing university of technology 6-4 分离过程的系统合成 Synthesis of Separation process system 一、多组分精馏分离流程方案数Program numbers of Multicomponent distillation separation flows二、安排分离流程的一些经验规则Empirical regulations of arranging separation flows Chongqing university of technology Chongqing unive
29、rsity of technologyv 湖南与江苏两厂能耗对比结果厂地产品纯度塔数合计总塔高m热耗MJt-1冷耗MJt-1蒸汽消耗tt-1邻氯甲苯对氯甲苯湖南江苏97%97%97%98%53134.893.452016465562225464709.5733.171 6-4 分离过程的系统合成 Synthesis of Separation process system 6.4 6.4分 分离 离过 过程 程的 的系 系统 统合 合成 成Chongqing university of technology Chongqing university of technology 6-4 分离过程
30、的系统合成 Synthesis of Separation process system v一、多组分精馏分离流程方案数v 1）简单精馏塔分离，简单-清晰的分割v 只用简单塔将有c个组分所组成溶液分离成c个产品时，需要c-1个塔 若为5组分，则Sc=146.4 6.4分 分离 离过 过程 程的 的系 系统 统合 合成 成若为10组分，Sc=4862 Chongqing university of technology Chongqing university of technology2）多方法分离情况 v若考虑复杂塔或特殊精馏以及应用吸收，其总顺序为 T为所考虑的不同分离方法数 6.4 6.
31、4分 分离 离过 过程 程的 的系 系统 统合 合成 成Chongqing university of technology Chongqing university of technology3）多组分分离序列 6.4 6.4分 分离 离过 过程 程的 的系 系统 统合 合成 成Chongqing university of technology Chongqing university of technology3）多组分分离序列 6.4 6.4分 分离 离过 过程 程的 的系 系统 统合 合成 成Chongqing university of technology Chongqing u
32、niversity of technology3）多组分分离序列 6.4 6.4分 分离 离过 过程 程的 的系 系统 统合 合成 成Chongqing university of technology Chongqing university of technology3）多组分分离序列 6.4 6.4分 分离 离过 过程 程的 的系 系统 统合 合成 成Chongqing university of technology Chongqing university of technology二、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（如普通精馏）其次选用是使用物质分离
33、剂的方法（如吸收，液液萃取和特殊精馏）。关键组分的相对挥发度小于1.05时，普通精馏在经济上不合算 6.4 6.4分 分离 离过 过程 程的 的系 系统 统合 合成 成Chongqing university of technology Chongqing university of technology2）易分离的组分先分 6.4 6.4分 分离 离过 过程 程的 的系 系统 统合 合成 成Chongqing university of technology Chongqing university of technology3）易挥发组分先分（直接分离序列）6.4 6.4分 分离 离过 过
34、程 程的 的系 系统 统合 合成 成Chongqing university of technology Chongqing university of technology4）尽可能对分（料液的等摩尔分割）6.4 6.4分 分离 离过 过程 程的 的系 系统 统合 合成 成Chongqing university of technology Chongqing university of technology5）量多的组分先分 6）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注意：v 同时满足（或近似满足）几条规则的序列应予优先考虑；v 同时考虑用不同试探规则确定的几种序列；v 确
35、定起主要作用的规则；v 保留23个最好的序列。例题6-36.4 6.4分 分离 离过 过程 程的 的系 系统 统合 合成 成Chongqing university of technology Chongqing university of technology是非：分离过程的最小功为当分离过程可逆时，分离 所消耗的功是非：分离程度越高，分离过程的最小功越大是非：当板上液体达到完全混合时，点效率与板效率 的关系为EMV=EOG 是非：等温下将同样组成的二元混合物分离为纯组分，最小功值最小的是分离理想溶液.Chongqing university of technology Chongqing
36、university of technology1.实际板和理论板的差异表现在那些地方，这些差异的影响应用什么方法来处理？2.常用的有几种级效率？影响级效率的因素有哪些？3.影响气液传质设备处理能力的主要因素有哪些？4.分离最小功的条件是什么，说明什么是完全可逆。5.精馏过程的不可逆性表现在哪些方面？节省精馏过程能耗有哪些措施？6.试列举确定多组分分离顺序的经验法所包含的主要规则。7.强化分离操作有哪些途径和分离过程选择有哪些方法。Chongqing university of technology Chongqing university of technologyv 从实际板和理论板的差异
37、的出发，了解影响级效率的因素。一般了解级效率的定义。讲解Pe的含义，会用来判别板式塔板上混合的情况。了解分离最小功的条件是完全可逆，说明理想功与最小功的关系。介绍净功和损耗功和热力学的关系，掌握分离工程的最小功、净功消耗和热力学效率的计算方法；精馏过程的节能技术和分离顺序的选择，掌握强化分离操作的途径和分离过程选择的方法v 重点：气液传质设备效率的估算方法。分离工程的最小功。精馏过程的节能，分离顺序的选择和掌握强化分离操作的途径和分离过程选择的方法v 难点：确定传质设备效率的经验方法和机理模型。分离工程的有效能分析和节能Chongqing university of technology Chongqing university of technology做练习退 退出 出回 回章节 章节目录 目录阅读 阅读使用 使用说明 说明