天津大學(xué)化工分離工程教案第7章習(xí)題和解答

1、天津大學(xué)化工別離工程教案第7章習(xí)題和解答7.1.1最小別離功別離的最小功表示了別離過(guò)程耗能的最低限.最小別離功的大小標(biāo)志著物質(zhì)別離的難易程度,實(shí)際別離過(guò)程能耗應(yīng)盡量接近最小功.圖7-1連續(xù)稔定別離系統(tǒng)由熱力學(xué)第一定律:9做出立十承inout和熱力學(xué)第二定律對(duì)于等溫可逆過(guò)程：.=?處限-卉outfn得到等溫下穩(wěn)定流動(dòng)的別離過(guò)程所需最小功的表達(dá)式：(7-3)或表示為自由能的形式:例7-2例7-3或表示為逸度的形式:-配7=依乏幾立%InAJ-2W(2JIn幾)一、別離理想氣體混合物對(duì)于理想氣體混合物:一心?=在4Z必,此必必,口一2%Z必,/111%J】對(duì)于由混合物別離成純組分的情況:在等摩爾進(jìn)料

2、下,無(wú)因次最小功的最大值是0.6931.對(duì)于別離產(chǎn)品不是純組分的情況：過(guò)程的最小別離功等于原料別離成純組分的最小別離功減去產(chǎn)品別離成純組分所需的別離功.例7-1二、別離低壓下的液體混合物-嗎弧 L 燈JXW風(fēng)力網(wǎng)-上一X石J風(fēng)力,產(chǎn)Jout2ini7-10對(duì)于二元液體混合物別離成純組分液體產(chǎn)品的情況：-憶二一皮阿【“山7+7-11可見(jiàn),除溫度以外,最小功僅決定于進(jìn)料組成和性質(zhì),活度系數(shù)大于1的混合物比活度系數(shù)小于1的混合物需較小的別離功.當(dāng)進(jìn)料中兩組分不互溶時(shí),一/始07=07-8=2%G.5(7-4)(7-7)_取.T廿二一1n幾F+力(7-9)7-1.2非等溫別離和有效能當(dāng)別離過(guò)程的產(chǎn)品溫

3、度和進(jìn)料溫度不同時(shí),不能用自由能增量計(jì)算最小功,而應(yīng)根據(jù)有效能來(lái)計(jì)算.有效能定義：B=H-TS為環(huán)境溫度)有效能是溫度、壓力和組成的函數(shù).穩(wěn)態(tài)下的有效能平衡方程：Z%取-Z叼%+型沖生=(1-一所.現(xiàn)正(7-18)等當(dāng)功：系統(tǒng)的凈功(總功):_陰爭(zhēng)=唯一好5=工改配8七_(dá)Z盯%+/ZS產(chǎn)生別離+7Jj/S產(chǎn)生(7-20)過(guò)程可逆時(shí),可得最小別離功:該式說(shuō)明,穩(wěn)態(tài)過(guò)程最小別離功等于物流的有效能增量.71.3熱力學(xué)效率和凈功消耗別離過(guò)程的熱力學(xué)效率：系統(tǒng)有效能的改變與過(guò)程所消耗的凈功之比.不二別離/卜0凈7-22out一%與=獨(dú)介禽(7-21a)普通精飾操作圖7-2過(guò)程所消耗的凈功:圖7-2普通精

4、慵塔7-23實(shí)際別離過(guò)程,熱力學(xué)效率必定小于1.試求20-C、101.3kPa條件下,將Ikmol含苯44%摩爾的苯一甲苯溶液別離成純組分產(chǎn)品所需的最小別離功.解：苯一甲苯溶液可視為理想溶液,在等溫、等壓下將Ikmol含苯44%的苯一甲基溶液別離成純組分所需的最小別離功為：-Wminj&314)073+40)(l)0.443n(0.44)+0.561n356)=1.671xlOkJIh例7-1環(huán)境溫度為294.4K,壓力lOl.SkPa,在該環(huán)境條件下將流率為600kmol/h的丙烯-丙烷的混合氣體,連續(xù)別離成相同溫度、壓力下的產(chǎn)品.混合氣體中含丙烯0.60摩爾分?jǐn)?shù)0別離要求為：產(chǎn)品為

5、純丙烯和純丙烷；含丙烯99%摩爾和含丙烷95%摩爾的兩個(gè)物流.確定所需最小功.解：這兩個(gè)組分在分子結(jié)構(gòu)上相似,且壓力為常壓,故進(jìn)料和產(chǎn)品均可看作理想氣體.此物系可以認(rèn)為是理想氣體的混合物,由式7-9得,-Wninj=電31422460010.601ng60+0.401n0.40=9.88x106/11首先通過(guò)物料衡算計(jì)算出別離所得兩個(gè)產(chǎn)品的流率為：含丙烯99%摩爾的產(chǎn)品流率351.0kmol/h；含丙烷95%摩爾的產(chǎn)品流率249.0kmol/h.由式7-8得,=8314294.435l0.991n0.99+O.Olln0.01+2490.051n0.054-0.951n0.95-6000,60

6、In0.60+0.40InO.4Q=8.19xlO8J/h可見(jiàn),別離成非純產(chǎn)品時(shí)所需最小功小于別離成純產(chǎn)品時(shí)所需最小功.在環(huán)境溫度為294.4K,壓力為lOl.SkPa的條件下別離流率為24898kmol/h的甲醇-水混合液體.原料中含甲醇58.07%摩爾所得產(chǎn)品為：含甲醇99.05%摩爾的富甲醇產(chǎn)品和含甲稗1.01%摩爾的廢水.確定過(guò)程需要的最小功.解：根據(jù)VanLaar方程計(jì)算液相活度系數(shù),0.25,0.20og7-log%=；口+1.25上口+0.8上%.4式中M代表甲醇,W代表水.計(jì)算所得活度系數(shù)如下：組分原料活度系數(shù)g富甲醇產(chǎn)品廢水甲醇1.081.001.75水1.201.571.0

7、0通過(guò)物料衡算計(jì)算出兩個(gè)產(chǎn)品的流率為：含甲醇99.05%摩爾的產(chǎn)品流率14491kmol/h：含甲醇1.01%摩爾的廢水流率10407kmol/h.計(jì)算最小功時(shí),可將式7-10分解為一個(gè)理想溶液局部和一個(gè)由于與理想溶液的偏差而產(chǎn)生的過(guò)剩部分之和,最終方程為,-涉r=尺.【殳EIn星-%苧h%3ifxi+曾歸嘲X%/h外,J-2叫2FIn尸力)out2沏2代入數(shù)據(jù)得,=3,8x1010-7.086X109=3.101x1010irh可見(jiàn),由于該物系與理想溶液呈正偏差,使得最小功比理想溶液的減小18.6%o7.2.1精福塔的多股進(jìn)料和側(cè)線采出一、多股進(jìn)料圖7-3兩種不同濃度進(jìn)料的精儲(chǔ)流程兩段進(jìn)料一

8、塔式別離過(guò)程的操作線更接近于平衡線,各平衡級(jí)傳質(zhì)和傳熱的推動(dòng)力減少,精儲(chǔ)過(guò)程的熱力學(xué)效率得以提升,減少了有效能損失.然而由于精饋段操作斜率減小,回流比減小,所需塔板數(shù)增加.圖7-4精飾塔McCabo-Thiele圖二、側(cè)線塔(7-12)(a)西塔式(七)進(jìn)料泡混合一塔式( (O兩段進(jìn)料一塔式以別離三組分混合物為例,假設(shè)其中某一個(gè)組分的含量很少或者對(duì)組分之間的切割要求不嚴(yán)格,那么采用側(cè)線塔代替兩個(gè)相鄰的常規(guī)塔,可降低基建投資和操作費(fèi)用.側(cè)線出料位置：假設(shè)第一個(gè)塔是A/BC切割塔,那么改用側(cè)線出料時(shí),側(cè)線出料位置在進(jìn)料板之下；假設(shè)第一個(gè)塔為AB/C切割塔,那么側(cè)線出料位置在進(jìn)料板之上.砍掉原第二塔

9、.考察由C2館分生產(chǎn)聚合級(jí)乙烯的精情系統(tǒng)的別離流程.原料為脫乙烷塔頂館分,其中含乙塊0.72%mol,而聚合級(jí)乙烯的主要指標(biāo)為：C2H4含量不低于99.95%；C2H2含量不高于5X10-60為了使乙煥含量合格,必須首先對(duì)脫乙烷塔塔頂出料中乙塊用催化加氫的方法脫除,加氫反響器出口物料的組成為：乙烯塔操作壓力為2.0MPa,在該操作條件下:解：1設(shè)假設(shè)采用乙烯塔側(cè)線出料的流程附圖1,用式7-26計(jì)算乙烯產(chǎn)品中甲烷的最小含量:0.0051(1.49-1)網(wǎng)的一149(07343)+0,2606(3.94一1)在側(cè)線出料中還有C2H6,其含量在0.02%-0.04%左右,乙烷和甲烷相加已到達(dá)0 1%

10、左右,因此,用側(cè)線塔的方法不能滿足聚合級(jí)乙烯規(guī)格的要求,必須用兩個(gè)常規(guī)塔：加氫反響器出口物料先進(jìn)入第二脫甲烷塔,脫除甲烷后再進(jìn)入乙烯精飾塔別離乙烯和乙烷,見(jiàn)附圖2o例7-5附圖1帶側(cè)線乙烯精餌塔例7-5附圖2第二脫甲烷流程經(jīng)平衡級(jí)計(jì)算,兩個(gè)塔的主要計(jì)算結(jié)果和消耗的能量見(jiàn)附表10京fi乙快加不反城B乙烷由農(nóng)反響ai出后CH4C2H4C2H6流率,kmol/h組成,摩爾14.660.512097.11744.3673.4326.06a=3.94GM=1.49=0.06%假設(shè)經(jīng)過(guò)工藝改良,使加氫反響器出口物料的組成為:CH4C2H4C2H6流率,kmol/h3.692111.6729.77組成,摩爾

11、0.1374.2225.65在這種情況下,假設(shè)直接采用乙烯塔側(cè)線出料,乙烯產(chǎn)品中CH4最低含量能降低到:0.0013x(1.49-1)(1.49xQ.7422+0.2565)x(3.94-1)因此,用側(cè)線塔的方案是可行的.經(jīng)平衡級(jí)嚴(yán)格計(jì)算得到帶側(cè)線的乙烯精飾塔的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)附表lo例7飛附表1乙烯精儲(chǔ)系統(tǒng)常規(guī)與側(cè)線塔方案比擬工程常規(guī)塔方案?jìng)?cè)線塔方案第二脫甲烷塔乙烯精慵塔帶側(cè)線的乙烯精餌塔塔頂組成：CH4%24.385.65C2H4%75.6299.9594.34側(cè)線組成：C2H4%99.95CH4%塔釜組成：CH4%0.031.00回流比43.543.324.31塔頂出料流量,kmol/h56.

12、32048.6260.44例1線出料流量,kxol/h2048.62冷凝器物料溫度,K237242239冷劑溫度,K230230230熱負(fù)荷,106kW22.30782.34385.340功耗(1),kW49451825618920再沸器物料溫度,K253266266冷劑溫度,K273273273熱負(fù)荷,106kW10.28568.47962,250功耗,kW-864-5757-5233總功耗,kW1657913687kW計(jì)；2再沸器的冷量回收,每106kW相當(dāng)于84kW.由附表1所列數(shù)據(jù)可知,采用側(cè)線出料的乙烯精饋塔代替第二脫甲烷塔和乙烯塔,節(jié)省功耗2892KW.h,占原方案功耗的17.4%

13、.=0.016%注MD230K的冷量功耗按221.7kW/1067.2.2熱泵精儲(chǔ)7.3.1別離方法的選擇和別離順序數(shù)多組分混合物的別離有多個(gè)可能的別離流程方案.圖7-15三元混合物簡(jiǎn)單精儲(chǔ)塔別離(a)產(chǎn)品組分相對(duì)揮發(fā)度遞降的順序( (b)產(chǎn)品組分相對(duì)揮發(fā)度遞增的順序?qū)個(gè)組分的物系,欲分禹成C個(gè)根本純的產(chǎn)品,需要C-1個(gè)塔,可組合成的流程方案數(shù)為:假設(shè)要用一種以上的別離方法,那么別離所需總順序數(shù)S為:圖7-5閉式熱泵1一精飾塔,2冷凝器,S一再沸器,4一壓縮機(jī),5一節(jié)流閥.(T：別離方法數(shù)).選擇別離方法的探試規(guī)那么:選擇具有較大別離因子的別離過(guò)程.盡量防止極端的過(guò)程條件.當(dāng)別離過(guò)程需要多個(gè)

14、別離級(jí)時(shí),應(yīng)優(yōu)先選擇平衡別離過(guò)程而不選擇速度限制過(guò)程.當(dāng)別離因子相同時(shí),選擇能量別離劑而不選擇質(zhì)量別離劑.選擇別離方法時(shí)首先考慮采用精儲(chǔ),只有在精健方案被否認(rèn)后才考慮其他別離方案.表7-3影響別離因子的物質(zhì)性質(zhì)分子性質(zhì)受影響的別離過(guò)程舉例分子性質(zhì)分子量精儲(chǔ),蒸發(fā),氣相擴(kuò)散偶極矩、極性分子形狀吸附,結(jié)晶分子電負(fù)荷分子體積吸附化學(xué)活性受影響的別離過(guò)程舉例萃取、吸附電除法、電除霧化學(xué)吸收、反響精懦通過(guò)外加功將熱量自低位傳至高位的系統(tǒng)稱為熱泵系統(tǒng).精儲(chǔ)塔的熱泵主要有兩種形式：(1)閉式熱泵：用外界的工作介質(zhì)為冷劑,液態(tài)冷劑在冷凝器中蒸發(fā),使塔頂物料冷凝.汽化后的冷劑進(jìn)入壓縮機(jī)升壓,然后在壓縮機(jī)出口壓力

15、下在再沸器將熱量傳遞給塔釜物料,本身冷凝成液體,如此循環(huán)不已.塔內(nèi)物料與制冷系統(tǒng)的工質(zhì)兩者之間是封閉的系統(tǒng).圖7-6開(kāi)式熱泵7-7制冷循環(huán)的壓始圖1一精情塔,2冷凝器,3一再沸密,4一壓縮機(jī),5一節(jié)流閥.(2)開(kāi)式熱泵：以過(guò)程本身的物料為制冷系統(tǒng)的工作介質(zhì).其中一種形式是以塔釜物料為工質(zhì),在冷凝器汽化,取消再沸器,如圖7-6a所示.另一種形式是以塔頂物料為工質(zhì),在再沸器冷凝,取消冷凝器,見(jiàn)圖7-6b.7.2.3設(shè)置中間冷凝器和中間再沸器的精健增設(shè)中間再沸器,把再沸器加熱量分配到塔的下段,或者設(shè)置中間冷凝器,把冷凝器熱負(fù)荷分配到塔的上段,都可以取得節(jié)省能量的效果.圖7-8二級(jí)再沸、二級(jí)冷凝精館塔

16、(fc14415xl82761.0432xlO4節(jié)省功耗的百分?jǐn)?shù)=6.432=15.6%6.697.2.4精儲(chǔ)系統(tǒng)的熱集成一、多效精饋加壓一常壓；加壓一減壓；常壓一減壓；減壓一減壓.兩效精儲(chǔ)操作所需熱量與單塔精儲(chǔ)相比,可以減少3040%圖7f多效精館的根本流程簡(jiǎn)單精情塔應(yīng)設(shè)有一個(gè)再沸得和一個(gè)冷凝器,如果能用物流直接傳熱來(lái)提供熱量,那么可砍掉再沸器和或冷凝器,實(shí)現(xiàn)熱耦合.熱耦合精用在熱力學(xué)上是最理想的流程結(jié)構(gòu),即可節(jié)省設(shè)備投資,又可節(jié)省能耗.所以,這種方式受到廣泛注意和大量研究.但是,至今熱耦合精饋并未在工業(yè)中獲得廣泛應(yīng)用,這是由于在操作中使主、副塔之間氣液分配保持設(shè)計(jì)值是較困難的； 別離難度越

17、大,其對(duì)氣液分配偏離的靈敏度越大,操作越難穩(wěn)定.因此,只對(duì)易嗯龍廿苴綽以仆平史很1管南段分、麻勒兜分別離體系推薦采用熱耦精饋.圖7-12按相對(duì)揮發(fā)度遞降順序別離產(chǎn)品的簡(jiǎn)單精儲(chǔ)塔熱耦合(a)兩筒單精餌塔的熱耦合( (b)側(cè)線精掠塔線區(qū)窟塔軸構(gòu)圖7-13按相對(duì)揮發(fā)度遞增順序別離產(chǎn)品的簡(jiǎn)單精掠塔熱耦合(a)兩簡(jiǎn)單精儲(chǔ)塔的熱耦合( (b)側(cè)線精飾塔例7-7有鄰、間、對(duì)二甲苯混合物欲別離成純物質(zhì),試根據(jù)其分子性質(zhì)選擇別離方法.解：表7-S所列各種分子性質(zhì)中除了分子形狀外,鄰、 間、 對(duì)二甲苯的其他性質(zhì)都差異不大,因此可以預(yù)計(jì)精憎、萃取、吸收等過(guò)程都不能有效地將該混合物別離成純化合物.但隨著溫度降低,各異

18、構(gòu)體變成固體后其分子形狀的差異比擬顯著,故建議采用冷凍結(jié)晶別離.各異構(gòu)體的分子體積、 偶極矩和極性也有細(xì)小的差異,如果有適當(dāng)?shù)耐饧游镔|(zhì)能使這些異構(gòu)體的反響活性有顯著差異,或者選擇對(duì)異構(gòu)體有較高吸附選擇性的吸附劑,那么也可以考慮采取化學(xué)反響分離或者吸附別離.7.3.2別離序列確實(shí)定常用方法：先用探試規(guī)那么產(chǎn)生初始流程,再用調(diào)優(yōu)法加以改良.一、探試合成法到目前為止,探試規(guī)那么僅適用于簡(jiǎn)單清楚切割塔,即只有一個(gè)進(jìn)料,兩個(gè)出料,進(jìn)料組分只出現(xiàn)在一個(gè)出料中的精飾塔.對(duì)于普通精飾塔組成的塔序可從以下探試規(guī)那么考慮：1按相對(duì)揮發(fā)度遞減的順序逐個(gè)從塔頂別離出各組分.2最難的別離應(yīng)放在塔序的最后.3應(yīng)使每個(gè)塔的

19、惚出液與釜液的摩爾流率盡量接近.4回收率要求高的別離應(yīng)放在最后.5進(jìn)料中含量高的組分盡量提前分出.6有害組分應(yīng)先分.7進(jìn)入低溫別離系統(tǒng)的組分盡量少.例7-8例7T二、調(diào)優(yōu)合成法調(diào)優(yōu)合成法是以某個(gè)初始的流程為根底,經(jīng)過(guò)一系列修正而合成接近最優(yōu)系統(tǒng)的方法.其具體步噱為：利用已有的流程,或者根據(jù)探試規(guī)那么確定初步流程；根據(jù)調(diào)優(yōu)規(guī)那么開(kāi)發(fā)當(dāng)前流程所允許的結(jié)構(gòu)變化；對(duì)得到的各種結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行分析,確定替代方案,選擇最好的方案作為改良方案；以改良的方案為根底,再進(jìn)行分析,進(jìn)一步改良,如此反夏進(jìn)行直到不再改動(dòng)為止.用于產(chǎn)生一個(gè)別離序列所有允許的結(jié)構(gòu)變化的調(diào)優(yōu)規(guī)那么,應(yīng)當(dāng)具有以下特性：有效性：根據(jù)調(diào)優(yōu)規(guī)那么所產(chǎn)

20、生的所有別離序列都應(yīng)當(dāng)是可行的；完備性：從任意初始流程開(kāi)始,反發(fā)應(yīng)用調(diào)優(yōu)規(guī)那么能產(chǎn)生所有可能的流程；直觀合理性：根據(jù)調(diào)優(yōu)規(guī)那么所產(chǎn)生的流程與當(dāng)前進(jìn)行調(diào)優(yōu)的流程沒(méi)有顯著的區(qū)別.以下兩條規(guī)那么完全滿足上述三項(xiàng)要求：規(guī)那么1:將一個(gè)別離任務(wù)移至所在別離序列的前一個(gè)位置；規(guī)那么2：改變一個(gè)別離任務(wù)的別離方法.例7-8將一點(diǎn)類混合物送入精儲(chǔ)裝置進(jìn)行別離,各組分的流率為組分丙烷異丁烷正丁烷戊烷己烷庚烷合計(jì)流率,kmol/h10101010101060要求產(chǎn)品的指標(biāo)：丙烷懶分一含丙烷94%摩爾；異丁烷情分一含異丁烷94%摩爾；正丁烷館分一含丁烷94%摩爾；戊烷儲(chǔ)分含戊烷以上94%摩爾；試比擬可行的別離方案.

21、解:根據(jù)要求,作粗略的物料衡算:組分丙烷情分異丁烷情分正丁烷饋分kmol/h戊烷惚分C39.80.2i-C40.58.90.20.4nC40.10.38.51.1C50.39.7C610.0C710.0合計(jì)10.49.49.031.2如附圖所示,可以有五種不同的別離方案.根據(jù)沸點(diǎn)差及產(chǎn)品純度考慮,異丁烷和正丁烷之間別離要求最高,應(yīng)將其別離放在最后,故( (a)、( (d)、( (e)三種流程可不予考慮.根據(jù)產(chǎn)品組成,作流程(b)和(c)中第一塔與第二塔的物料衡算,如下表所示.與流程(c)相比,流程(b)的蝕出液與釜液之比更接近于1,因此可認(rèn)為流程(b)可能是較好的方案.第一塔流率,kmol/h

22、第二塔流率,懦出液kmol/h釜液懦出液釜液流程(b)28.831.210.318.5流程(c)10.349.718.531.2例7-8附圖不同塔序的別離方案例7-9在以柴油為裂解原料的乙烯裝置中,來(lái)自裂解爐的裂解氣經(jīng)廢熱鍋爐和淬冷器急冷后降溫到200oC左右進(jìn)入深冷別離系統(tǒng),裂解氣組成(不計(jì)水蒸氣)見(jiàn)附表1例7-9附表1裂解氣組成組分摩爾,%組分摩爾,甲烷23.91甲基乙快+丙二烯0.55乙烯29.70碳四5.42乙烷6.10碳五0,82乙煥0.46碳六一碳八4.90丙烯11.6燃料油2.40丙烷0.35其它13.79主要?jiǎng)e離產(chǎn)品的規(guī)格為：高純度乙烯乙烯：99.95%(mol)；乙煥：V5X10W(mol)高純度丙烯丙烯99.5%(mol)：乙烯 V10X10-6(mol)；乙塊 V1X10-6(mol)；甲基乙快+丙二烯95%(mol)；乙烯0.2%(mol)；碳三液化氣丙飾15%(mol)；碳四循分 V1%(mol)；碳四儲(chǔ)分碳三點(diǎn)0.5%(wt)；碳五燒0.5%(wt)：碳五及汽油慵分碳四點(diǎn)0-5%(wt);ASTM終沸點(diǎn)205