分離過程及設(shè)備的效率與節(jié)能綜合培訓(xùn)教材(共131頁).ppt

1、第六章第六章 別離過程及設(shè)備的效率與別離過程及設(shè)備的效率與節(jié)能綜合節(jié)能綜合.1 .1氣液傳質(zhì)設(shè)備的效率氣液傳質(zhì)設(shè)備的效率 6.26.2別離過程的最小別離功別離過程的最小別離功 6.36.3別離過程的節(jié)能別離過程的節(jié)能 6.46.4別離過程系統(tǒng)合成別離過程系統(tǒng)合成 1 1掌握等溫別離的最小功的計算方法，了掌握等溫別離的最小功的計算方法，了解非等溫別離和有效能、凈功消耗和熱力學(xué)解非等溫別離和有效能、凈功消耗和熱力學(xué)效率的計算。效率的計算。2 2了解精餾過程的熱力學(xué)不可逆分析方法，了解精餾過程的熱力學(xué)不可逆分析方法，掌握精餾過程的節(jié)能技術(shù)。掌握精餾過程的節(jié)能技術(shù)。3 3掌握簡單別離和復(fù)雜塔的別離順序

2、的合掌握簡單別離和復(fù)雜塔的別離順序的合成的原那么。成的原那么。本章要求：本章要求：6.16.1氣液傳質(zhì)設(shè)備的處理能力和效率氣液傳質(zhì)設(shè)備的處理能力和效率6.1.1 6.1.1 氣液傳質(zhì)設(shè)備的處理能力的影響因素氣液傳質(zhì)設(shè)備的處理能力的影響因素氣液傳質(zhì)設(shè)備有氣液傳質(zhì)設(shè)備有板式塔板式塔和和填料塔填料塔兩類。兩類。影響氣液傳質(zhì)設(shè)備的處理能力的因素有：影響氣液傳質(zhì)設(shè)備的處理能力的因素有：液泛液泛 板式塔：板式塔： ，處理能力增加；，處理能力增加；fTuHVL,填料塔：填料塔： ，處理能力增加。，處理能力增加。規(guī)整填料處理能力大于亂堆填料。規(guī)整填料處理能力大于亂堆填料。fLuaVL,霧沫夾帶霧沫夾帶6.1.

3、.1.3.壓力降壓力降 板式塔中，霧沫夾帶程度用霧沫夾帶量板式塔中，霧沫夾帶程度用霧沫夾帶量（0.1kg0.1kg液體液體kgkg氣體）或泛點百分率表示。氣體）或泛點百分率表示。隨隨 。，霧沫夾帶量迅速塔負(fù)荷,TH 真空操作設(shè)備的真空操作設(shè)備的 往往成為限制生產(chǎn)能力往往成為限制生產(chǎn)能力的主要原因，還影響降液管內(nèi)液位高度，的主要原因，還影響降液管內(nèi)液位高度， ，液位高度液位高度，以造成液泛。，以造成液泛。PP..停留時間停留時間 精餾中液體在降液管內(nèi)停留時間一般精餾中液體在降液管內(nèi)停留時間一般335 5秒。秒。6.1.2 6.1.2 氣液傳質(zhì)設(shè)備的效率及

4、影響因素氣液傳質(zhì)設(shè)備的效率及影響因素實際板和理論板的差異實際板和理論板的差異理論板假定離開該板的汽、液兩相到達(dá)平衡理論板假定離開該板的汽、液兩相到達(dá)平衡 理論板上相互接觸的汽液兩相完全混合，板理論板上相互接觸的汽液兩相完全混合，板上液相濃度均一上液相濃度均一 實際板上汽液兩相存在不均勻流動，停留時實際板上汽液兩相存在不均勻流動，停留時間有明顯差異間有明顯差異 實際板存在霧沫夾帶、漏液和液相夾帶泡沫實際板存在霧沫夾帶、漏液和液相夾帶泡沫現(xiàn)象。現(xiàn)象。級效率的定義級效率的定義1 1全塔效率全塔效率ETET總板效率，塔效率總板效率，塔效率為完成給定別離任務(wù)所需要的理論塔板數(shù)為完成給定別離任務(wù)所需要的理

5、論塔板數(shù)N N與實際塔板數(shù)與實際塔板數(shù)NactNact之比。之比。actTNNEE ET T的特點是的特點是容易測定容易測定和使用。和使用。板式塔板式塔默弗里默弗里MurphreeMurphree板效率板效率 1,1,jijijijiMViyyyyE默弗里板效率默弗里板效率實際板上實際板上濃度變化與平衡時應(yīng)到達(dá)的濃度變化與平衡時應(yīng)到達(dá)的濃度變化之比。濃度變化之比。jiy,與與 成平衡的氣相成平衡的氣相 摩爾分率。摩爾分率。jix,默弗里氣相板效率默弗里氣相板效率y i ,j +1xi,j-1yi,jxi,jjj-1MLiMViEE,一般一般 1,1,jijijijiMLixxxxE默弗里液相板

6、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Murphree點效率點效率 板上氣液兩相錯流，板上氣液兩相錯流，假定液體在垂直方向上假定液體在垂直方向上完全混合。完全混合。 1,1,jijijijiOGiyyyyE若氣液兩相完全混合，則若氣液兩相完全混合，則 。OGiE,MViE,jiy,與與 成平衡的氣相摩爾分率。成平衡的氣相摩爾分率。jix,xi,j-1xi,jjj-1jix,jiy,JJ1, jiy填料塔填料塔傳質(zhì)單元高度傳質(zhì)單元高度OGOGNHZ OLOLNHZ bayyOGyydyN*baxxOLxxdxN*AaKVHGOGAaKLHLOL等板

7、高度等板高度HETP對于填料塔對于填料塔: :為相當(dāng)于一塊理論板所需的填料高度。為相當(dāng)于一塊理論板所需的填料高度。 對于板式塔對于板式塔: : TTactTEHNNHHETPNZHETP理論級數(shù)填料高度 影響級效率的因素影響級效率的因素點效率與傳質(zhì)間的關(guān)系點效率與傳質(zhì)間的關(guān)系由雙膜理論得：由雙膜理論得： OGyEKZa,G G一定，一定， 。塔板上液層。塔板上液層愈厚，氣泡愈分散，表面湍動程度愈高，愈厚，氣泡愈分散，表面湍動程度愈高，點效率愈高。點效率愈高。GaZKOGyeE 1ANNNLGOG111KVLANG、NL可由經(jīng)驗式求得?？捎山?jīng)驗式求得。液體混合情況對板效率的影響液體混合情況對板效

8、率的影響 液體流經(jīng)塔板時，板上液體流經(jīng)塔板時，板上任一點的液體會在三個垂直任一點的液體會在三個垂直方向上發(fā)生混合：方向上發(fā)生混合：縱向縱向混合、混合、橫向橫向混合和混合和垂直垂直于塔板液面，于塔板液面，沿氣流的混合。這些混合將沿氣流的混合。這些混合將影響板效率影響板效率。描述流型對效率影響的數(shù)學(xué)模型：描述流型對效率影響的數(shù)學(xué)模型：y i ,j +1xi,j-1yi,jxi,jjj-1板上液體完全混合板上液體完全混合 MVijijijijiOGEyyyyE,1,1,OGNOGMVeEE1 板上各點板上各點 均相同，并等于該板出口溢均相同，并等于該板出口溢流液的流液的x xi,ji,j組成，即組成

9、，即 ，若進(jìn)入板各，若進(jìn)入板各點的點的 是均一的，則有：是均一的，則有： jijixx,jix,1,jiyjijiyy,液體完全不混合活塞流且停留時間相同液體完全不混合活塞流且停留時間相同默弗里板效率和點效率間關(guān)系式：默弗里板效率和點效率間關(guān)系式： 1OGEMVeE 由上式得右圖知：由上式得右圖知：液體混合作用的減弱液體混合作用的減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體局部混合液體局部混合 縱向混合將使縱向混合將使 下降；橫向混合將使下降；橫向混合將使 上升。不完全混合使得上升。不完全混合使得 。OGMV

10、EEOGMVEEOGMVEE 不均勻流動，尤其是環(huán)流會對效率產(chǎn)生不不均勻流動，尤其是環(huán)流會對效率產(chǎn)生不利影響；橫向混合能削弱液相不均流動的不利影響；橫向混合能削弱液相不均流動的不利影響；塔徑加大，縱向不完全混合有利影利影響；塔徑加大，縱向不完全混合有利影響減弱，不均勻流動那么趨于加強。響減弱，不均勻流動那么趨于加強。液體流程的平均寬度0Pe1 1/ )(1)(1)(eeePOGmvPePPeEEewfvGEhlLuD18. 0)(68. 30171. 000378. 0)(5 . 0 1)41(22/1eOGePEPPe完全混合完全混合 LEetDlP2完全不混合完全不混合 303 3霧沫夾帶

11、霧沫夾帶 霧沫夾帶為級間混合，降低別離設(shè)備的霧沫夾帶為級間混合，降低別離設(shè)備的別離效果，板效率下降。別離效果，板效率下降。 ColburnColburn可爾本可爾本19361936年推導(dǎo)出下關(guān)系：年推導(dǎo)出下關(guān)系： eeEEEMVMVa11aE有霧沫夾帶下的板效率。有霧沫夾帶下的板效率。此外，此外，漏液漏液和和氣氣體被體被液液體體夾帶夾帶也會使也會使板效率降低板效率降低。GLGFvuK求得求得 由由 vKFu泛點百分率泛點百分率 Fuu /E Ea a求取步驟求取步驟由公式由公式 求出求出OGOGOGNOGeE1求出彼克來準(zhǔn)數(shù)求出彼克來準(zhǔn)數(shù) 由圖或公式求出由圖或公式求出E EMVMV/E/EOG

12、OG，進(jìn)而求出，進(jìn)而求出E EMVMV。LEetDlP2查圖得到液泛極限查圖得到液泛極限K KV V，進(jìn)而求出液泛速度，進(jìn)而求出液泛速度u uf f查圖得夾帶分率查圖得夾帶分率e e，由公式求出有霧沫夾帶下，由公式求出有霧沫夾帶下的板效率。的板效率。4 4物性的影響物性的影響 液體粘度液體粘度密度梯度密度梯度 當(dāng)易揮發(fā)組分的當(dāng)易揮發(fā)組分的 大于難揮發(fā)組分的大于難揮發(fā)組分的 時，時，能形成混合旋流，可提高液相傳質(zhì)系數(shù)。能形成混合旋流，可提高液相傳質(zhì)系數(shù)。 LL 大，產(chǎn)生氣泡大，相界面小，兩相接觸大，產(chǎn)生氣泡大，相界面小，兩相接觸差，且液相擴散系數(shù)小，效率低。差，且液相擴散系數(shù)小，效率低。 因因精

13、餾精餾T T一般較吸收一般較吸收T T高，高， 小，故精餾塔小，故精餾塔效率高效率高于吸收塔。于吸收塔。LL相對揮發(fā)度相對揮發(fā)度 大那么相當(dāng)于汽相溶解度低，大那么相當(dāng)于汽相溶解度低，KiKi小，液相阻力小，液相阻力大，效率低大，效率低外表張力梯度外表張力梯度 a.a.正系統(tǒng)正系統(tǒng) 重輕01dxd泡沫狀態(tài)下操作泡沫狀態(tài)下操作 b.b.負(fù)系統(tǒng)負(fù)系統(tǒng) 重輕01dxd噴射狀態(tài)下操作噴射狀態(tài)下操作 c.c.中性系統(tǒng)中性系統(tǒng) 重輕01dxd6.1.3.級效率的計算方法級效率的計算方法 由理論板數(shù)求實際板數(shù)需要板效率數(shù)據(jù)。由理論板數(shù)求實際板數(shù)需要板效率數(shù)據(jù)。獲取方法有三種：獲取方法有三種： A A、由工業(yè)塔

14、數(shù)據(jù)歸納出的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式求算；、由工業(yè)塔數(shù)據(jù)歸納出的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式求算；B B、依賴傳質(zhì)速率的半理論模型求得；、依賴傳質(zhì)速率的半理論模型求得；C C、從實驗裝置或中間工廠直接得到數(shù)據(jù)。、從實驗裝置或中間工廠直接得到數(shù)據(jù)。245. 0049. 0E 奧康奈爾奧康奈爾OConnellOConnell關(guān)系曲線關(guān)系曲線( (圖圖6-86-8經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式468. 0ln164. 0 xET1x443. 0ln0687. 0 xET1xiLixxLLMMThVLE30. 0lg25. 0lg30. 067. 1lg朱汝瑾公式：Van Winkle關(guān)系式關(guān)系式HETP亂堆填料HETP一般為0.450.6米

15、；鮑爾環(huán)25mm的HETP為0.3m， 38mm的HETP為0.45m，50mm的HETP為0.6m；規(guī)整填料如金屬絲網(wǎng)波紋填料CY型的HETP為0.1250.166m、BX型的HETP為0.20.25m，麥勒派克填料的HETP為。08. 025. 014. 007. 0ecgmvRSDE機理模型略機理模型略.由實驗裝置數(shù)據(jù)確定板效率由實驗裝置數(shù)據(jù)確定板效率當(dāng)無欲別離物系的氣液平衡數(shù)據(jù)時，到當(dāng)無欲別離物系的氣液平衡數(shù)據(jù)時，到達(dá)別離程度所需的塔板數(shù)最好通過實驗室達(dá)別離程度所需的塔板數(shù)最好通過實驗室測定。使用稱為測定。使用稱為Oldershaw塔的玻璃或金塔的玻璃或金屬篩板塔，塔徑屬

16、篩板塔，塔徑2550毫米，篩孔毫米，篩孔1毫米，毫米，開孔率開孔率10左右。塔板數(shù)任意。在左右。塔板數(shù)任意。在201140千帕操作壓力范圍內(nèi)，千帕操作壓力范圍內(nèi)，Oldershaw塔的塔的效率與塔徑在效率與塔徑在0.461.2米范圍的中間試驗米范圍的中間試驗塔和工業(yè)塔的數(shù)據(jù)一致。塔和工業(yè)塔的數(shù)據(jù)一致。 AIChE AIChE美國化學(xué)工程師學(xué)會法美國化學(xué)工程師學(xué)會法, ,基于雙基于雙膜理論提出的計算方法。膜理論提出的計算方法。 OldershawOldershaw塔的偏于保守的試驗步驟：塔的偏于保守的試驗步驟：1 1測定泛點；測定泛點；2 2在約在約6060泛點下操作在泛點下操作在4040606

17、0范圍內(nèi)均范圍內(nèi)均可；可；3 3試驗中通過調(diào)整塔板數(shù)和流率，到達(dá)預(yù)期別離試驗中通過調(diào)整塔板數(shù)和流率，到達(dá)預(yù)期別離程度；程度； 4 4假設(shè)工業(yè)塔與假設(shè)工業(yè)塔與OldershawOldershaw塔在相同液氣比下操塔在相同液氣比下操作需要相同的塔板數(shù)。作需要相同的塔板數(shù)。.1.4.氣液傳質(zhì)設(shè)備的選擇氣液傳質(zhì)設(shè)備的選擇、板式塔和填料塔的選擇、板式塔和填料塔的選擇 項目項目 板式塔板式塔 填料塔填料塔 壓降壓降 較大較大 小尺寸填料較大，大尺寸填料小尺寸填料較大，大尺寸填料及規(guī)整填料較小及規(guī)整填料較小 空塔氣速空塔氣速 較大較大 小尺寸填料較小，大尺寸填料小尺寸填料較小，大尺寸填料及規(guī)整

18、填料較大及規(guī)整填料較大 持液量持液量 較大較大 較小較小 液氣比液氣比 適應(yīng)范圍較大適應(yīng)范圍較大 適應(yīng)范圍較小適應(yīng)范圍較小 安裝檢修安裝檢修 較易較易 較難較難 材質(zhì)材質(zhì) 常用金屬材料常用金屬材料 金屬及非金屬材料金屬及非金屬材料 造價造價 大直徑時較低大直徑時較低 新型填料投資較大新型填料投資較大 塔效率塔效率 較穩(wěn)定，效率較高較穩(wěn)定，效率較高 傳統(tǒng)填料較低，新型填料較高傳統(tǒng)填料較低，新型填料較高 板式塔和填料塔的選擇要考慮以下因素：板式塔和填料塔的選擇要考慮以下因素： 1 1物系的性質(zhì)物系的性質(zhì) 物料具有物料具有腐蝕性腐蝕性時，通常選用時，通常選用填料填料塔；塔； 易易發(fā)泡發(fā)泡物系，宜選物

19、系，宜選填料填料塔，因其具塔，因其具有限制和破碎泡沫的作用；有限制和破碎泡沫的作用； 對對熱敏熱敏物質(zhì)或需物質(zhì)或需真空真空下操作的物系下操作的物系宜選用宜選用填料填料塔；塔； 別離有明顯熱效應(yīng)的物系宜選用板式別離有明顯熱效應(yīng)的物系宜選用板式塔持液量大，便于安裝換熱裝置；塔持液量大，便于安裝換熱裝置； 易易聚合聚合和含有和含有固體固體懸浮物的物系，不懸浮物的物系，不宜選用填料塔。宜選用填料塔。對高粘度的物系的別離，宜選用填料對高粘度的物系的別離，宜選用填料塔粘度高，板式塔效率低；塔粘度高，板式塔效率低；2 2塔的操作條件塔的操作條件 板式塔的直徑一般板式塔的直徑一般0.60.6米，填料塔設(shè)備費米

20、，填料塔設(shè)備費隨塔徑增加而迅速增加，大塔隨塔徑增加而迅速增加，大塔慎用慎用填料塔；填料塔； 填料塔填料塔操作彈性小操作彈性小，對液體負(fù)荷變化尤，對液體負(fù)荷變化尤為敏感，板式塔往往具有較大彈性；為敏感，板式塔往往具有較大彈性； 采用采用新型填料新型填料的填料塔具有較大的生產(chǎn)能的填料塔具有較大的生產(chǎn)能力和較小的力和較小的HETPHETP。3 3塔的操作方式塔的操作方式 間歇操作，填料塔持液量較小，較適宜；間歇操作，填料塔持液量較小，較適宜； 由多個進(jìn)料口和側(cè)線采出的精餾塔，用板由多個進(jìn)料口和側(cè)線采出的精餾塔，用板式塔更適宜。式塔更適宜。、填料的選擇、填料的選擇1 1 填料材質(zhì)的選擇填料材質(zhì)的選擇

21、瓷質(zhì)瓷質(zhì)填料填料 耐腐蝕性好，使用溫度范圍較寬，耐腐蝕性好，使用溫度范圍較寬，價廉。但質(zhì)脆、易碎。價廉。但質(zhì)脆、易碎。 金屬金屬填料填料 壁薄，壁薄，大，通量大、壓降小。大，通量大、壓降小。適用于真空精餾。但價高，且應(yīng)注意耐腐問題。適用于真空精餾。但價高，且應(yīng)注意耐腐問題。 塑料塑料填料填料 耐腐蝕性好、質(zhì)輕、耐沖擊、耐腐蝕性好、質(zhì)輕、耐沖擊、不易破碎，通量大、壓降小，但耐高溫性能差。不易破碎，通量大、壓降小，但耐高溫性能差。3 3 填料尺寸的選擇填料尺寸的選擇填料尺寸小，壓降大，費用高；填料尺寸大易填料尺寸小，壓降大，費用高；填料尺寸大易出現(xiàn)液體分布不均及嚴(yán)重壁流，別離效率低。出現(xiàn)液體分布不

22、均及嚴(yán)重壁流，別離效率低。為此要求：為此要求：2 2 填料種類的選擇填料種類的選擇 4 4 填料的單位別離能力填料的單位別離能力8 108 ppdDdD鮑爾環(huán)，矩鞍形填料拉西環(huán)填料 別離過程為什么要節(jié)能？別離過程為什么要節(jié)能？ 別離過程的特征？別離過程的特征？ 多組分別離的多塔排列順序多組分別離的多塔排列順序?qū)δ芎氖欠裼绊憣δ芎氖欠裼绊?？.別離過程的最小別離功別離過程的最小別離功等溫別離最小功等溫別離最小功 當(dāng)別離過程完全可逆時，別離消耗的功當(dāng)別離過程完全可逆時，別離消耗的功 完全可逆完全可逆 體系內(nèi)所有的變化過程必須是可逆的體系內(nèi)所有的變化過程必須是可逆的 體系只與溫度為體系

23、只與溫度為T0T0的環(huán)境進(jìn)行可逆的熱的環(huán)境進(jìn)行可逆的熱交換交換 min0WHSTWid別離過程的最小功別離過程的最小功熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律 等溫可逆過程，進(jìn)出系統(tǒng)的物流與環(huán)境的溫等溫可逆過程，進(jìn)出系統(tǒng)的物流與環(huán)境的溫度均為度均為T,熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律 進(jìn)出WQHnHnjjkk出進(jìn)jjkkSnSnTQSTHSnSnTHnHnWjjkkjjkk0min出進(jìn)進(jìn)出TSHGiiiiZGZG)ln(ln00iiiiffRTconstT 出進(jìn))ln()ln(,minjijijkikikfZnfZnRTGnW物質(zhì)別離的難易程度，取決于待別離混合物和物質(zhì)別離的難易程度，取決于待別離混合物和別離

24、所得產(chǎn)物的組成別離所得產(chǎn)物的組成xixi，yiyi 、溫度和壓、溫度和壓力力1 1別離理想氣體的混合物別離理想氣體的混合物 理想氣體混合物理想氣體混合物 iiyz pyfii出進(jìn))ln()ln(,min,jijijkikikTyynyynRTW由混合物別離成純組分由混合物別離成純組分1,kiy0ln,kiyFiFiFTyyRTnWlnmin,FBFBFAFAFTyyyyRTnW,min,lnln 等溫等壓別離理想氣體耗功有以下規(guī)律：等溫等壓別離理想氣體耗功有以下規(guī)律： 1 1將等分子氣體混合物別離成兩個純組分時將等分子氣體混合物別離成兩個純組分時所需最小功要比別離其它混合物所需最小功要所需最小

25、功要比別離其它混合物所需最小功要大。此時得無因次最小功為大。此時得無因次最小功為0.69310.6931。2 2同一進(jìn)料組成同一進(jìn)料組成yAyA，F(xiàn) F，別離成兩個純組分比，別離成兩個純組分比別離成兩個非純組分所需最小功要大，產(chǎn)品純別離成兩個非純組分所需最小功要大，產(chǎn)品純度越高，最小功越大。度越高，最小功越大。3)3)理想氣體的別離最小功與理想氣體的別離最小功與P P和被別離組分間和被別離組分間的相對揮發(fā)度無關(guān)。的相對揮發(fā)度無關(guān)。4)4)環(huán)境溫度較高，所需最小功較大環(huán)境溫度較高，所需最小功較大例例6-1 設(shè)空氣中含氧設(shè)空氣中含氧21體積，假設(shè)在體積，假設(shè)在25常常壓下將空氣可逆別離成壓下將空氣

26、可逆別離成95O2的氣氧和的氣氧和99N2的的氣氮，計算別離氣氮，計算別離1kmol空氣的最小功。空氣的最小功。 解：設(shè)產(chǎn)品氣氧為解：設(shè)產(chǎn)品氣氧為1，氣氮為，氣氮為2，氧為，氧為A，氮為，氮為B， 1計算別離產(chǎn)物計算別離產(chǎn)物1，2為非純產(chǎn)品需最小功為非純產(chǎn)品需最小功設(shè)產(chǎn)品氣氧的量為設(shè)產(chǎn)品氣氧的量為xkmol，對別離前后的氧氣作物，對別離前后的氧氣作物料衡算：料衡算：10.21=0.95x+0.01(1x)得：x=0.213kmol所以產(chǎn)品氣氮的量為0.787kmol，產(chǎn)品1，2的氧、氮摩爾出料如圖。kmolkJyynyynRTWijijijikikikT4.105979.0ln79.021.0

27、ln21.0298314.899.0ln99.001.0ln01.0787.0298314.85.0ln5.095.0ln95.0213.0298314.8lnln,min,出進(jìn)計算別離空氣為純N2，純O2所需最小功可見，別離成非純產(chǎn)品時所需最小功小于別離成純組分產(chǎn)品時所需的最小功。kmolkJyyyyRTnWFBFBFAFAFT4 .127379. 0ln79. 021. 0ln21. 0298314. 8lnln,min,2 2別離低壓的液體混合物別離低壓的液體混合物 iiiixpf0iixz 出進(jìn))ln()ln(,minjijijijkikikikxxnxxnRTW別離成純組分時所需最小

28、功別離成純組分時所需最小功 FiFiFiFTxxnRTWlnmin, 出進(jìn))ln()ln(,min,jijijkikikTxxnxxnRTW討論：討論： 1 1）若溶液為）若溶液為正偏差正偏差（即（即 ），等溫分離最），等溫分離最小功將比分離理想溶液時小功將比分離理想溶液時小??；2)2)若溶液為若溶液為負(fù)偏差負(fù)偏差（即（即 ），等溫分離最），等溫分離最小功將比分離理想溶液時小功將比分離理想溶液時大大，原因是負(fù)偏差系統(tǒng)，原因是負(fù)偏差系統(tǒng)，不同組分間的分子力大于同一組分分子間的力，所不同組分間的分子力大于同一組分分子間的力，所以更難分離；以更難分離；3)3)對于對于完全不互溶完全不互溶體系（即體系

29、（即 ）最小最小功等于功等于零零。1, 1BA1, 1BA1, 1,FBBFAAxx例例6-26-2證明等溫別離二元理想氣體混合物為純組證明等溫別離二元理想氣體混合物為純組分，其最小功函數(shù)的極大值出現(xiàn)在等摩爾組成進(jìn)分，其最小功函數(shù)的極大值出現(xiàn)在等摩爾組成進(jìn)料的情況。料的情況。證明：由計算此情況下最小功公式證明：由計算此情況下最小功公式6 61010BFBFAFAFFTyyyyRTnWlnlnmin,對二元物系有：對二元物系有：y yBFBF=1-y=1-yAFAF, ,將之代入上式得將之代入上式得AFAFAFAFFTyyyyRTnW1ln1lnmin,上式兩邊對上式兩邊對y yAFAF求導(dǎo)得：

30、求導(dǎo)得：AFAFAFAFFTyyyyRTnWln1ln11ln1lnmin, 那么那么1 1yAF=yAF,yAF=yAF,解得解得yAF=0.5.yAF=0.5.，即0ln1ln,0min, AFAFFTyyRTnW令令 由此證得，最小功函數(shù)的極大值出現(xiàn)在等由此證得，最小功函數(shù)的極大值出現(xiàn)在等摩爾組成進(jìn)料的情況。摩爾組成進(jìn)料的情況。當(dāng)當(dāng)y yAFAF， RTnWFTmin,所以所以y yAFAF=0.5=0.5時，時， 有極大值。有極大值。6.2.2 6.2.2 非等溫別離和有效能非等溫別離和有效能 別離過程所需的最小功，按物系在別別離過程所需的最小功，按物系在別離過程中的

31、有效能的增量變化來表示離過程中的有效能的增量變化來表示 )()(12012SSTHHBSTHWBT0min,0分離iFTTpiiFdTcyHiFTTFiFipiiFpypRdTTcyS)ln(別離成純組分時別離成純組分時STHB0凈功凈功LCHRTTQTTQWWW0011 出入凈 由可逆熱機將熱轉(zhuǎn)變由可逆熱機將熱轉(zhuǎn)變?yōu)楣Γ源_定實際過程為功，以確定實際過程的凈功消耗。精餾別離的凈功消耗。精餾別離 6.2.3 6.2.3 凈功消耗凈功消耗 RRTTQW01入CCTTQW01出熱力學(xué)效率熱力學(xué)效率熱力學(xué)效率熱力學(xué)效率 凈分離凈WBWWmin假設(shè)別離過程是完全可逆的，熱力學(xué)效率為假設(shè)別離過程是完全可

32、逆的，熱力學(xué)效率為1 1實際過程為不可逆過程，故必定小于實際過程為不可逆過程，故必定小于1.01.0通常通常: : 1)1)只依靠外加能量只依靠外加能量(ESA)(ESA)的別離過程如精餾、的別離過程如精餾、結(jié)晶，熱力學(xué)效率較高；結(jié)晶，熱力學(xué)效率較高；2)2)除參加除參加ESAESA，還需參加，還需參加MSAMSA的別離過程如萃的別離過程如萃取精餾、共沸精餾、萃取、吸收和吸附等熱取精餾、共沸精餾、萃取、吸收和吸附等熱力學(xué)效率較低；力學(xué)效率較低；3)3)速率控制的別離過程熱力學(xué)效率更低。速率控制的別離過程熱力學(xué)效率更低。 如圖精餾過程的凈耗功為：如圖精餾過程的凈耗功為：QC TCQR TRDW

33、F精 餾 塔CCRRTTQTTQW0011凈 假設(shè)進(jìn)出體系的物料的假設(shè)進(jìn)出體系的物料的焓相近時，近似有焓相近時，近似有QRQRQCQCQ Q， 則則 RCTTTQW110凈例例6-2某丙烯某丙烯(A)-丙烷丙烷(B)精餾塔。假設(shè)進(jìn)料為泡點精餾塔。假設(shè)進(jìn)料為泡點進(jìn)料，進(jìn)料量進(jìn)料，進(jìn)料量F=272.16kmol/h,HF=1740.38kJ/kmol，SF=65.79kJ/(kmolK)，塔頂餾出液，塔頂餾出液D=159.21kmol/h，HD=12793.9kJ/kmol，SD=74.69 kJ/(kmolK)，塔底釜液，塔底釜液W=112.95kmol/h，HW=3073.37kJ/kmol，

34、SW=66.10 kJ/(kmolK)，假設(shè)環(huán)境溫度假設(shè)環(huán)境溫度T0294K。計算計算再沸器負(fù)荷再沸器負(fù)荷(冷凝器負(fù)荷冷凝器負(fù)荷QC=32401526kJ/h給定給定)；有效能變化；有效能變化；當(dāng)再沸器加熱劑溫度當(dāng)再沸器加熱劑溫度TR=377.6K，冷凝器冷卻劑溫度，冷凝器冷卻劑溫度TC=305.4K時的時的凈功消耗；凈功消耗；熱力學(xué)效率。熱力學(xué)效率。解：解：作全塔熱量衡算：作全塔熱量衡算： 己知己知T0294KCWDRFQWHDHQFHhkJFHQWHDHQFCWDR14.3431191838.174016.2723240152637.303795.1129 .1279321.159hkJS

35、THBDDD96.916469.742949 .129730hkJSTHBwWw03.163600hkJSTHBFFF88.176010hkJBnBnBjjkk148350903.1636095.11296.916421.15988.1760116.272出進(jìn)分離凈功消耗凈功消耗熱力學(xué)效率熱力學(xué)效率hkJTTQTTQWCCRR3 .63871134 .3052941324015266 .377294114.343119181100凈%23.233 .63871131483509凈WB例例 苯甲苯常壓精餾塔，進(jìn)料、餾出液及釜液苯甲苯常壓精餾塔，進(jìn)料、餾出液及釜液的溫度分別為的溫度分別為92 92

36、 、82 82 和和108 108 ，設(shè)環(huán)境，設(shè)環(huán)境溫度為溫度為2020，塔頂冷凝器的熱負(fù)荷為，塔頂冷凝器的熱負(fù)荷為997kW997kW用用水冷卻，塔釜再沸器熱負(fù)荷為水冷卻，塔釜再沸器熱負(fù)荷為1025kw1025kw用用130130蒸汽加熱。試求過程凈功消耗。蒸汽加熱。試求過程凈功消耗。解：塔頂用水冷卻，設(shè)循環(huán)水溫為解：塔頂用水冷卻，設(shè)循環(huán)水溫為3535308K308K則由式則由式6 62525C0CR0RTT1QTT1Q凈WkJ/h22.231308293199740329311025凈W.別離過程的節(jié)能別離過程的節(jié)能.3.1.別離過程的熱力學(xué)分析別離過程的熱力學(xué)

37、分析精餾過程熱力學(xué)不可逆的原因精餾過程熱力學(xué)不可逆的原因 精餾過程不可逆的根本原因是三精餾過程不可逆的根本原因是三傳的不可逆性。其主要表現(xiàn)于以下幾傳的不可逆性。其主要表現(xiàn)于以下幾方面：方面： 1 1流體流動時有流體流動時有 通過一定壓力梯度的通過一定壓力梯度的動量傳遞；動量傳遞；2 2 傳熱時有一定溫差通過一定溫度梯度傳熱時有一定溫差通過一定溫度梯度的熱量傳遞或不同溫度的物流直接混合；的熱量傳遞或不同溫度的物流直接混合；3 3 傳質(zhì)過程有濃度差通過一定濃度梯度傳質(zhì)過程有濃度差通過一定濃度梯度的質(zhì)量傳遞或不同化學(xué)位的物流直接混合；的質(zhì)量傳遞或不同化學(xué)位的物流直接混合；4 4還可能存在不可逆化學(xué)反

38、響。還可能存在不可逆化學(xué)反響。 P提高精餾過程熱力學(xué)效率的途徑提高精餾過程熱力學(xué)效率的途徑 （1 1） 降低流動過程的降低流動過程的 ，變，變板式塔板式塔為為填填料塔料塔是降低提高生產(chǎn)能力的主要途徑；是降低提高生產(chǎn)能力的主要途徑；P（2 2）減小塔頂冷凝器和塔底再沸器的）減小塔頂冷凝器和塔底再沸器的 , , 常常采用采用高效換熱器高效換熱器或改進(jìn)或改進(jìn)操作方式操作方式；T3 3在較小在較小R R或不同或不同R R設(shè)中間再沸器或中間冷設(shè)中間再沸器或中間冷凝器下操作，以便降低傳熱傳質(zhì)的不可逆性凝器下操作，以便降低傳熱傳質(zhì)的不可逆性降低了所耗能量的品位，降低了有效能消耗，降低了所耗能量的品位，降低了

39、有效能消耗，從而提高了熱力學(xué)效率；從而提高了熱力學(xué)效率；4 4 采用雙效或多效精餾各塔采用不同壓采用雙效或多效精餾各塔采用不同壓力，使供入塔內(nèi)的熱量重復(fù)使用，重復(fù)使用的力，使供入塔內(nèi)的熱量重復(fù)使用，重復(fù)使用的次數(shù)稱為效數(shù)次數(shù)稱為效數(shù)5 5對原料中各組分沸點差不大的系統(tǒng)采用熱對原料中各組分沸點差不大的系統(tǒng)采用熱泵流程。泵流程。有效能的充分回收及利用有效能的充分回收及利用 采用加強設(shè)備的保溫及利用物流的局部顯熱或潛熱采用加強設(shè)備的保溫及利用物流的局部顯熱或潛熱等措施等措施 減少過程的凈耗功減少過程的凈耗功 改變別離過程操作條件減少過程的凈耗功，如嚴(yán)控設(shè)計改變別離過程操作條件減少過程的凈耗功，如嚴(yán)控

40、設(shè)計富裕度，選定最正確富裕度，選定最正確R R .3.2.設(shè)置中間冷凝器和中間再沸器設(shè)置中間冷凝器和中間再沸器設(shè)置設(shè)置中間冷凝器和設(shè)置設(shè)置中間冷凝器和中間再沸器，使操作中間再沸器，使操作更趨于可逆精餾，凈更趨于可逆精餾，凈功消耗降低，同時可功消耗降低，同時可回收或節(jié)省高位的能回收或節(jié)省高位的能量。當(dāng)頂?shù)蜏夭钶^大量。當(dāng)頂?shù)蜏夭钶^大時，效果尤佳。時，效果尤佳。假設(shè)在中間冷凝器和中假設(shè)在中間冷凝器和中間再沸器之間加一熱間再沸器之間加一熱泵，效率更高。泵，效率更高。.3.3.多效精餾多效精餾 利用假設(shè)干壓力不同的精餾塔，按壓力上下利用假設(shè)干壓力不同的精餾塔，按壓力上下順序進(jìn)

41、行組合，使相鄰兩塔之間將高壓塔頂?shù)捻樞蜻M(jìn)行組合，使相鄰兩塔之間將高壓塔頂?shù)恼羝鳛榈蛪核椎脑俜衅鞯募訜峤橘|(zhì)蒸汽作為低壓塔底的再沸器的加熱介質(zhì) 多效精餾比單效精餾可節(jié)省加熱蒸汽的多效精餾比單效精餾可節(jié)省加熱蒸汽的30%-30%-50%50% 但需增加設(shè)備投資，但需增加設(shè)備投資， 需要更高的控制系需要更高的控制系統(tǒng)。統(tǒng)。 并流型混流型串聯(lián)型 低 壓 塔 高 壓 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 壓 塔 高 壓 塔FD2WD1SW低沸成分高沸成分3、混流型、混流型 低 壓 塔 高 壓 塔FD2WD1SW低沸成分高沸成分W 低 壓 塔 高 壓

42、 塔FW1W2DS低沸成分高沸成分.3.4.低溫精餾的熱泵低溫精餾的熱泵熱泵熱泵將精餾和制冷循環(huán)結(jié)合起來，把塔頂?shù)蛯⒕s和制冷循環(huán)結(jié)合起來，把塔頂?shù)蜏靥幍臒崃總鬟f給塔釜高溫處的系統(tǒng)。溫處的熱量傳遞給塔釜高溫處的系統(tǒng)。 解決方法解決方法 將將制冷與精餾結(jié)合制冷與精餾結(jié)合起來，把熱量由低溫起來，把熱量由低溫處傳向高溫處。處傳向高溫處。存在問題存在問題 T T頂頂TT釜釜，熱量不能自動由低溫傳向高溫，熱量不能自動由低溫傳向高溫提出設(shè)想提出設(shè)想 將塔頂移出熱量拿到塔釜供熱將塔頂移出熱量拿到塔釜供熱精餾操作共同特點精餾操作共同特點 塔頂溫度塔頂溫度低于低于塔底溫度塔底溫度 塔塔頂頂需供冷需

43、供冷移熱移熱，塔，塔釜釜須須供熱供熱 (1) (1)采用外部致冷劑的熱泵閉式熱泵采用外部致冷劑的熱泵閉式熱泵DW F精精 餾餾 塔塔(2)(2)采用壓縮塔頂蒸汽的熱泵開式采用壓縮塔頂蒸汽的熱泵開式A A型熱泵型熱泵 FDW 精精 餾餾 塔塔(3)(3)采塔底液體閃蒸的熱泵開式采塔底液體閃蒸的熱泵開式B B型熱泵型熱泵 低溫精餾采用熱低溫精餾采用熱泵可提高熱力泵可提高熱力學(xué)效率。當(dāng)原學(xué)效率。當(dāng)原料中各組分沸料中各組分沸點接近，且沸點接近，且沸點均小于環(huán)境點均小于環(huán)境溫度時，效果溫度時，效果更佳。更佳。DW F精精 餾餾 塔塔雙塔式熱泵精餾流程雙塔式熱泵精餾流程(4)(4)熱泵精餾節(jié)能例子熱泵精餾

44、節(jié)能例子將溫度較低將溫度較低的塔頂蒸汽的塔頂蒸汽經(jīng)壓縮后作經(jīng)壓縮后作為塔底再沸為塔底再沸器的熱源器的熱源消耗一定量消耗一定量的機械功來的機械功來提上下溫蒸提上下溫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 有關(guān)別離操作的節(jié)能經(jīng)驗規(guī)那有關(guān)別離操作的節(jié)能經(jīng)驗規(guī)那么么 P202表表6-1、如果進(jìn)料混合物中不止存在一相，那么首、如果進(jìn)料混合物中不止存在一相，那么首選采用機械別離選采用機械別離、防止熱量、冷量或機械功的損失；采用適、防止熱量、冷量或機械功的損失；采用適宜的絕熱措施；防止排出大量熱的或冷的產(chǎn)品，宜的絕熱措施；防止排出大量熱的或冷的產(chǎn)品，質(zhì)量別離劑等等質(zhì)量別離劑等

45、等、防止作過于平安的設(shè)計和或沒有必要、防止作過于平安的設(shè)計和或沒有必要使別離過度的實際操作；對于生產(chǎn)能力變動的使別離過度的實際操作；對于生產(chǎn)能力變動的裝置，那么尋求有效調(diào)節(jié)范圍的設(shè)計裝置，那么尋求有效調(diào)節(jié)范圍的設(shè)計、尋求有效的控制方案，以降低不穩(wěn)定操作、尋求有效的控制方案，以降低不穩(wěn)定操作時的過量能耗和減少由于能量積累所引起的相時的過量能耗和減少由于能量積累所引起的相互影響對過程的干擾互影響對過程的干擾、在過程構(gòu)成中尋求有效能最大者或本錢、在過程構(gòu)成中尋求有效能最大者或本錢費用最大者作為首要對象，通過過程的改進(jìn)費用最大者作為首要對象，通過過程的改進(jìn)以降低能耗以降低能耗、在相際轉(zhuǎn)移時，優(yōu)先別離掉轉(zhuǎn)移量少的而、在相際轉(zhuǎn)移時，優(yōu)先別離掉轉(zhuǎn)移量少的而不是轉(zhuǎn)移量多的組分不是轉(zhuǎn)移量多的組分、使用的換熱器要適當(dāng)，換熱器如果較貴，、使用的換熱器要適當(dāng)，換熱器如果較貴，就要尋找傳熱系數(shù)較高的就要尋找傳熱系數(shù)較高的、盡力減少質(zhì)量別離劑的流量，只要選擇性、盡力減少質(zhì)量別離劑的流量，只要選擇性可以到達(dá)要求，優(yōu)先選擇大的別離劑可以到達(dá)要求，優(yōu)先選擇大的別離劑、