化工分離過(guò)程第六章課件

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化工分離工程ChemicalSeparationEngineering主講：劉俊生合肥學(xué)院化學(xué)與材料工程系E-mail:jsliu@122第六章分離過(guò)程的節(jié)能6.1分離的最小功和熱力學(xué)效率6.2精餾的節(jié)能技術(shù)6.3分離順序的選擇33節(jié)能的實(shí)際意義混合是不可逆過(guò)程，能夠自發(fā)完成，因此，其逆過(guò)程——分離過(guò)程，不能自發(fā)進(jìn)行，必然要消耗能量（熱或功）才能進(jìn)行。計(jì)算分離過(guò)程成本。能耗是大規(guī)模分離過(guò)程的關(guān)鍵指標(biāo)，能耗費(fèi)用總是大于設(shè)備的折舊費(fèi)用，通常會(huì)占據(jù)操作費(fèi)用的主要部分；評(píng)價(jià)分離過(guò)程的主要參數(shù)。確定具體混合物分離的最小能耗，了解影響能耗的主要因素，尋求接近此極限能耗的實(shí)際分離過(guò)程或減小使用昂貴能量具有積極意義。特別是，世界能源日趨緊張的狀況，也使得化工節(jié)能問(wèn)題愈來(lái)愈重要。4Example55節(jié)省分離過(guò)程能耗的措施首先是選取適宜的分離方法，這是節(jié)能的關(guān)鍵步驟:能耗,成熟度,投資額,分離成本；其次是分離過(guò)程在總體工藝流程之中進(jìn)行熱集成:熱交換網(wǎng)絡(luò)的合成；再次是復(fù)雜混合物分離的適宜流程安排:分離順序的選擇；最后是各具體分離操作的適宜操作條件和參數(shù)的確定，以及設(shè)備結(jié)構(gòu)和尺寸的優(yōu)化等:參數(shù)優(yōu)化。66第一節(jié)分離的最小功和熱力學(xué)效率將一個(gè)均相混合物在恒溫恒壓下分離成兩個(gè)不同組成的產(chǎn)物，則要消耗一定的功。但是，不管用什么辦法去完成分離過(guò)程，達(dá)到一定分離目的時(shí)所需的最小功總可以通過(guò)一個(gè)假想的可逆過(guò)程計(jì)算出來(lái)。為什么？77第一節(jié)分離的最小功和熱力學(xué)效率（續(xù)）原因分析：由熱力學(xué)第二定律可知，完成同一變化的任何可逆過(guò)程所需的功均相等，而實(shí)際過(guò)程所需的功一定大于可逆過(guò)程時(shí)的功；因此，最小功的數(shù)值決定于要分離的混合物的組成、壓力和溫度以及分離所得產(chǎn)品的組成、壓力和溫度。88連續(xù)穩(wěn)定分離系統(tǒng)：進(jìn)出系統(tǒng)物流變量：

n，zi，H，S（熵），Q系統(tǒng)對(duì)環(huán)境作功：W6.1.1等溫分離的最小功圖6-1普通的分離過(guò)程

99對(duì)于等溫可逆過(guò)程，根據(jù)熱力學(xué)第二定律：將（6-2）代入（6-1）得到等溫下穩(wěn)定流動(dòng)的分離過(guò)程所需最小功的表達(dá)式：

按熱力學(xué)第一定律（能量守恒）：（6-1）（6-2）（6-3）（6-4）1010式（6-3）可以表示為物流的自由焓增量：

得到逸度表示的最小功：

由自由焓的定義（6-5）混合物的摩爾自由焓可由各組分的化學(xué)位加和得到：（6-8）（6-6）（6-7）組分的基準(zhǔn)態(tài)相同1111分離的最小功表示了分離過(guò)程耗能最低限。在大多數(shù)情況下，實(shí)際分離過(guò)程所需能量是最小功的若干倍。最小分離功的大小標(biāo)志著物質(zhì)分離的難易程度。只有當(dāng)分離過(guò)程完全可逆時(shí)，分離消耗的功才是分離最小功。為了使實(shí)際分離過(guò)程更為經(jīng)濟(jì)，實(shí)際分離過(guò)程能耗應(yīng)盡量接近最小功。在綜合評(píng)價(jià)不同的設(shè)計(jì)方案時(shí)，最小功具有重要的意義。分離過(guò)程最小功的意義

注意1212

分離理想氣體混合物對(duì)于理想氣體混合物，和則式（6-8）可以簡(jiǎn)化為：

此式說(shuō)明：最小功與壓力以及被分離組分的相對(duì)揮發(fā)度無(wú)關(guān)。對(duì)于由混合物分離成純組分的情況，上式（6-9）可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化。（6-9）1313

分離理想氣體混合物例如，對(duì)于由A和B組成的二元?dú)怏w混合物分離成純組分A和B的情況：在等摩爾進(jìn)料的情況下，從式（6-10）得到無(wú)因次最小功的最大值是0.6931。簡(jiǎn)化為（6-10）簡(jiǎn)化的無(wú)量綱最小功1414Note:就雙組分混合物的分離而言對(duì)于分離產(chǎn)品不是純組分的情況：過(guò)程的最小分離功等于原料分離成純組分的最小分離功減去產(chǎn)品分離成純組分所需的分離功?？梢?jiàn)，產(chǎn)品純度越低，所需最小分離功越小。分離成非純產(chǎn)品時(shí)所需最小功小于分離成純產(chǎn)品時(shí)所需最小功。（如例題6-1的結(jié)論）注意1515

分離低壓下的液體混合物對(duì)于在接近或低于環(huán)境壓力下等溫分離液體混合物的情況，式（6-8）可以簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)化為可以看出：-Wmin,T也不受壓力和相對(duì)揮發(fā)度的影響，但與活度系數(shù)有關(guān)。（6-11）1616對(duì)于二元液體混合物分離成純組分液體產(chǎn)品，上式（6-11）可以簡(jiǎn)化為：

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)γi>1

的混合物比活度系數(shù)γi<1

的混合物需要較小的分離功。由上式可知，當(dāng)γA,FxA,F=1和γB,FxB,F=1，因進(jìn)料中兩組分不互溶，已經(jīng)達(dá)到完全分離，-Wmin,T

=0

。簡(jiǎn)化為（6-12）1717Note:必須指出，傳熱是系統(tǒng)與環(huán)境之間另外一種能量傳遞方式。一旦確定了最小功，就可以利用式（6-1）給出的能量衡算式來(lái)計(jì)算相應(yīng)的傳熱速率。對(duì)于理想氣體分離過(guò)程，此氣流在環(huán)境溫度和相同的壓力下進(jìn)入和離開(kāi)系統(tǒng)，由于混合熱為零，故不發(fā)生焓變。這時(shí)由式（6-1）可知，從過(guò)程向環(huán)境的傳熱速率等于環(huán)境對(duì)系統(tǒng)所作的最小功。注意1818Note:對(duì)于形成理想溶液的液相混合物，在環(huán)境溫度和接近于環(huán)境壓力下進(jìn)入和離開(kāi)過(guò)程，則從過(guò)程到環(huán)境的傳熱速率也等于對(duì)過(guò)程所作的最小功。當(dāng)液體形成非理想溶液時(shí)，因?yàn)槌隹谖锪黛实目偤筒坏扔谶M(jìn)口物流焓的總和，故傳熱速率不等于最小功。對(duì)于與理想情況表現(xiàn)為正偏差的溶液，過(guò)剩焓的變化為正，即混合過(guò)程是吸熱的，這時(shí)凈混合熱使最小功比理想溶液的最小功有所降低。注意（6-14）過(guò)剩焓的變化1919Note:放熱速率等于分離的凈放熱與最小功之和。如例題6-2的計(jì)算。對(duì)于負(fù)偏差溶液，過(guò)剩焓為負(fù)，即混合過(guò)程是放熱的。即：溶液為正偏差時(shí)，等溫分離所需的最小功將比相應(yīng)的理想溶液時(shí)的值要小；反之，對(duì)負(fù)偏差系統(tǒng)，將比理想溶液時(shí)要大。

(-Wmin,T)正偏差體系＜(-Wmin,T)理想體系＜(-Wmin,T)負(fù)偏差體系

注意20等溫分離非理想物系最小功耗的規(guī)律:①若溶液為正偏差時(shí)（即），等溫分離-Wmin,T將比分離理想溶液時(shí)小；如例6-2的結(jié)果②若溶液為負(fù)偏差時(shí)（即），等溫分離-Wmin,T將比分離理想溶液時(shí)大；③對(duì)于完全不互溶體系（即）-Wmin,T等于零。Summary

21216.1.2非等溫分離和有效能當(dāng)分離過(guò)程的產(chǎn)品溫度和進(jìn)料溫度不同時(shí)，不能用自由焓的增量來(lái)計(jì)算最小功，而應(yīng)根據(jù)有效能的概念來(lái)計(jì)算最小功。（6-15）由熱力學(xué)第一定律得到的能量衡算式其中，Q是從溫度為T(mén)的熱源向過(guò)程傳遞的熱量；Ws為過(guò)程對(duì)環(huán)境所作的軸功。22226.1.2非等溫分離和有效能根據(jù)熱力學(xué)第二定律建立熵平衡，可以得到過(guò)程的能量效用，（6-16）ΔS產(chǎn)生是由于不可逆過(guò)程而引起的熵變。用T0乘以式（6-16），并與式（6-15）合并，得到式（6-17）（6-17）2323根據(jù)流動(dòng)系統(tǒng)物流有效能的定義B=H–T0S,得到穩(wěn)態(tài)下的有效能平衡方程（6-18）式中有效能B是溫度、壓力和組成的函數(shù)。2424是熱量Q自溫度T的熱源向溫度為T(mén)0的環(huán)境傳熱所產(chǎn)生的等當(dāng)功

由式（6-18）可知，系統(tǒng)的凈功消耗-W凈（總功）為等當(dāng)功和環(huán)境對(duì)系統(tǒng)所作軸功之和：

當(dāng)過(guò)程可逆時(shí)，△S產(chǎn)生=0，可得最小分離功：

該式表明，穩(wěn)態(tài)過(guò)程最小分離功等于物流的有效能增量。

由卡諾循環(huán)可知(6-20)(6-21)非等溫不可逆過(guò)程）分離凈(BWD>-\2525按照式(6-22)計(jì)算分離過(guò)程的最小功時(shí),可先分別計(jì)算出ΔH以及ΔS，例如，把理想氣體混合物分離為純組分時(shí)，式（6-22）中的ΔH及ΔS可以按照下式計(jì)算：(6-23)(6-24)有效能增量可表示為(6-22)26266.1.3凈功消耗和熱力學(xué)效率

通常，分離過(guò)程所需的能量多半是以熱能形式而不是以功的形式提供的。在此情況下,最好是以過(guò)程所消耗的凈功來(lái)計(jì)算消耗的能量。

一般以W凈計(jì)算能量：

凈功消耗：

–

W凈=W入–W出一般分離過(guò)程：原料產(chǎn)物QCQRTCTR2727如圖6-4，精餾過(guò)程依靠從再沸器加入熱量QR(溫度為T(mén)R)和冷凝器移出熱量Qc(溫度為T(mén)c)，該過(guò)程消耗的凈功是：

(6-25)若分離過(guò)程產(chǎn)生的兩股物料的焓差別極小.可以忽略時(shí),

此時(shí)凈功為(6-26)2828對(duì)實(shí)際分離過(guò)程，式(6-20)中的T0ΔS產(chǎn)生

>0，故(-W凈)>ΔB分離

把任何分離過(guò)程中系統(tǒng)有效能的改變與過(guò)程所消耗的凈功之比，定義為分離過(guò)程的熱力學(xué)效率:即

η=ΔB分離/(-W凈)(6-27)Note:

若分離過(guò)程是完全可逆的，熱力學(xué)效率為1.0；實(shí)際過(guò)程為不可逆過(guò)程，故必定小于1.02929因?yàn)閷?shí)際的分離過(guò)程是不可逆的，所以熱力學(xué)效率η<1，不同類(lèi)型的分離過(guò)程，其熱力學(xué)效率各不相同。分離過(guò)程熱力學(xué)效率的一般規(guī)律如下：一般來(lái)說(shuō)，只靠外加能量的分離過(guò)程（如精餾、結(jié)晶、部分冷凝），熱力學(xué)效率往往高一些；同時(shí)加入能量分離劑和質(zhì)量分離劑的分離過(guò)程（如共沸精餾、萃取精餾、萃取和吸收等）熱力學(xué)效率較低；而速率控制的分離過(guò)程（如膜分離過(guò)程）效率則更低。特別比較3030[例6-3]設(shè)環(huán)境溫度T0=294K，計(jì)算：（1）.再沸器負(fù)荷（冷凝器負(fù)荷給定）（2）.有效能變化（3）.凈功消耗（4）.熱力學(xué)效率解：計(jì)算基準(zhǔn)：1小時(shí)（1）.由圖解得：D=159.21kmol/hW=112.95kmol/hF=272.16kmol/h全塔熱量衡算：QR=34311918.14kJ/hPage2303131T0=294KQR=34311918.14kJ/hQC=32401526kJ/h323233有關(guān)概念-Wmin,T的意義：表示分離過(guò)程能耗的最低限。分離的最小功、熱力學(xué)效率、等當(dāng)功、有效能定義、多效精餾等。

熱力學(xué)效率等當(dāng)功有效能定義式Summary

3434為什么要進(jìn)行精餾過(guò)程的節(jié)能？精餾是化工生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的分離方法，同時(shí)也是能耗最大的單元操作。分離過(guò)程的能耗大約占整個(gè)化工用能的40%，而其中95%是精餾過(guò)程消耗的。例如，據(jù)報(bào)道，美國(guó)4萬(wàn)多個(gè)精餾塔所消耗的能量相當(dāng)于每天190,000m3（120萬(wàn)桶）石油，占全國(guó)能耗的3%。由此可見(jiàn)，精餾節(jié)能具有重要意義。第二節(jié)精餾節(jié)能技術(shù)356.2.1精餾過(guò)程的熱力學(xué)不可逆性分析分離過(guò)程所需最小功，即△B分離是由原料和產(chǎn)物的組成、溫度和壓力所決定的。由式（6-27）可知，要提高熱力學(xué)效率只能采取措施降低過(guò)程的凈功消耗，使過(guò)程盡量接近可逆過(guò)程。精餾過(guò)程熱力學(xué)不可逆性主要由以下原因（三傳）引起的：（1）通過(guò)一定壓力梯度的動(dòng)量傳遞；（2）通過(guò)一定溫度梯度的熱量傳遞或不同溫度物流的直接混合；（3）通過(guò)一定濃度梯度的質(zhì)量傳遞或者不同化學(xué)位物流的直接混合。可見(jiàn)，如果降低流體流動(dòng)過(guò)程產(chǎn)生的壓力降，減小傳熱過(guò)程的溫度差，減小傳質(zhì)過(guò)程的兩相濃度與平衡濃度的差別，都將使精餾過(guò)程的凈功消耗降低。3637在精餾塔中上升蒸汽通過(guò)塔板產(chǎn)生壓力降，塔板數(shù)較多時(shí)，壓力降也要加大。對(duì)板式精餾塔而言，為降低壓力降，可減低氣速、降低每塊塔板上的液位高度。但是，減低氣速意味著在生產(chǎn)能力相同的情況下需增大塔徑，即增加設(shè)備投資。降低塔板上的液位高度將使塔板效率降低。所以，必須根據(jù)各種影響因素選擇合適的塔徑和液面高度。措施：增大塔徑，降低板面液層厚度改板式塔為高效低壓降的填料塔

精餾過(guò)程凈功消耗的降低：38在精餾過(guò)程中，再沸器和冷凝器分別以一定的溫差加入和移走熱量。若使傳熱溫差減小，則傳熱面積就需增大，這也會(huì)使投資費(fèi)用增大，因此要選用高效換熱器及改進(jìn)操作方式。采用的措施：例如，采用降膜式再沸器、熱虹吸式再沸器、強(qiáng)制循環(huán)式換熱器等；若冷凝器冷卻水溫度過(guò)低，凈功消耗必定增加，故冷凝器中熱量的回收利用也是精餾過(guò)程降低凈功消耗的一個(gè)重要方面。39進(jìn)出每塊塔板的氣液相在組成與溫度上的相互不平衡，是使精餾過(guò)程熱力學(xué)效率下降的重要因素。由下一塊板上升的蒸汽與上一塊板下流的液體相比，溫度要高一些，易揮發(fā)組分的含量要小于下流液體成平衡時(shí)的數(shù)值。要降低凈功消耗就必須減小各板傳熱和傳質(zhì)的推動(dòng)力，即可以盡量使操作線與相平衡線相接近。由圖6-3來(lái)討論這個(gè)問(wèn)題。40由圖6-3(b)可知，最小回流比下操作所需的凈功要小于較大回流比下的數(shù)值。但即使在最小回流比下操作，除了在進(jìn)料板附近，其它各板仍有較大的傳熱和傳質(zhì)推動(dòng)力。如果將操作線分成幾段，就可以減小這些板上的熱力學(xué)不可逆性。如圖6-3(c)將精餾段操作線和提餾段操作線各自分為兩段的情況。再進(jìn)一步分段延伸，最后操作線與平衡線完全重合，即達(dá)到圖6-3(d)，即所謂的“可逆精餾”4141Note:極限情況：操作線與平衡線完全重合，即所謂的“可逆精餾”。要達(dá)到這樣的情況。就要有無(wú)限多個(gè)平衡級(jí)，無(wú)限多個(gè)中間再沸器和中間冷凝器。此時(shí)，精餾段的回流量是越往下越大，提餾段的上升蒸氣量是越往上越大，塔徑應(yīng)是兩頭小、中間大。當(dāng)然，實(shí)際上不可能使用“可逆精餾”，它只是代表一個(gè)極限情況。42精餾過(guò)程熱力學(xué)不可逆的原因三傳的不可逆性：（1）流體流動(dòng)時(shí)有壓力差；（2）傳熱時(shí)有一定的溫差；（3）傳質(zhì)過(guò)程有濃度差。提高精餾過(guò)程熱力學(xué)效率的途徑（1）降低流動(dòng)過(guò)程的壓力差，變板式塔為填料塔是降低提高生產(chǎn)能力的主要途徑；（2）減小塔頂冷凝器和塔底再沸器的溫度差,常采用高效換熱器或改進(jìn)操作方式；（3）在較小R或不同R（設(shè)中間再沸器或中間冷凝器）下操作，降低傳熱傳質(zhì)的不可逆性，提高熱力學(xué)效率；（4）采用雙效或多效精餾。Summary

4343使凈功降低的方法：

降低壓差，減少溫差，減少濃度與平衡濃度差。1）塔設(shè)備若N越多，使△P↑，不可逆性越大

可使：氣速↓，液層高度↓；使△P↓

但是：氣速↓，生產(chǎn)能力不變時(shí)D↑，投資費(fèi)用↑液層高度↓，板效率↓改進(jìn)方式：1.選擇合適的塔徑、液層高度

2.改板式塔為高效填料塔Summary

44442）再沸器、冷凝器若傳熱溫差小，不可逆性減小但是：傳熱面積↑，設(shè)備費(fèi)用↑液層高度↓，板效率↓改進(jìn)方式：1.采用高效換熱器

2.改進(jìn)操作方式3）傳熱推動(dòng)力、傳質(zhì)推動(dòng)力精餾操作：Ln+1，Vn-1進(jìn)入n板，對(duì)Vn，Ln在n板溫度和濃度相互不平衡Summary

45451）降低壓力降增大塔徑設(shè)備投資上升降低液層高度塔板效率下降改進(jìn)的方式：1、選擇合適的塔徑、液層高度2、改板式塔為高效填料塔2）減小溫差和濃度差減小傳熱和傳質(zhì)推動(dòng)力“可逆精餾”無(wú)限多平衡級(jí)、無(wú)限多中間再沸器和冷凝器無(wú)實(shí)用價(jià)值Summary

4646改進(jìn)方式：1.傳熱推動(dòng)力△T=（Tn-1—Tn）↓

2.傳質(zhì)推動(dòng)力△y=（KnXn,i—yn-1,i）↓即：y-x圖中，操作線向平衡線靠近△T↓△y↓R>RmyAXAXAyAR=RmN=∞

換熱器∞臺(tái)塔徑：兩頭小，中間大XAyA可逆精餾操作線與平衡線重合XAyA分段精餾增加兩個(gè)換熱器4747可逆精餾的條件①無(wú)窮多的理論板②無(wú)窮多的中間冷凝器③無(wú)窮多的中間再沸器小結(jié)48486.2.2多股進(jìn)料和側(cè)線采出

多股進(jìn)料當(dāng)分離兩種或由多種組分相同，組成不同的原料時(shí)，一般有兩種進(jìn)料方式：（1）將不同組成的原料混合在一起，以平均組成的原料在塔的同一進(jìn)料口進(jìn)料；（2）不同組成的原料在同一個(gè)塔的不同位置進(jìn)料。例如，二組分精餾，兩種原料的進(jìn)料量分別為F1和F2，相應(yīng)組成為xF1和xF2?；旌线M(jìn)料的組成為xFav。將兩種進(jìn)料工況的操作線畫(huà)在y-x圖上，如圖6-4所示。6.2.2多股進(jìn)料和側(cè)線采出

多股進(jìn)料圖6-4y-x圖和操作線由圖6-4可見(jiàn)，采用二段進(jìn)料時(shí)，操作線趨近于平衡線，不可逆損失降低，因而熱能消耗降低。原因：精餾分離消耗能量，而混合是分離的逆過(guò)程。在分離過(guò)程中，任何具有勢(shì)差的混合過(guò)程，都意為著能耗的增加。Note:采用二段進(jìn)料復(fù)雜塔，由于精餾段操作線斜率減小，回流比減小，所需塔板數(shù)要增加。Examplep233506.現(xiàn)以?xún)煞N濃度的甲醇一水二組分原料液精餾為例，進(jìn)料和塔底、塔頂產(chǎn)品的濃度和流量如下:兩種精餾進(jìn)料方式比較Note:無(wú)論進(jìn)料狀態(tài)如何，塔中精餾段操作線的斜率必小于中間段的，中間段的斜率必小于提餾段的。各股加料的q線方程仍與單股進(jìn)料時(shí)的相同。減小回流比時(shí)，三段操作線均向平衡線靠攏，所需理論板數(shù)將增加。當(dāng)回流比減小到某一極限值即最小回流比時(shí)，夾點(diǎn)可能出現(xiàn)在精餾段操作線與中間段操作線的交點(diǎn)，也可能出現(xiàn)在中間段操作線與提餾段操作線的交點(diǎn)。而對(duì)于非理想性很強(qiáng)的物系，夾點(diǎn)也可能出現(xiàn)在某一中間位置。51

側(cè)線出料當(dāng)需要組成不同的兩種或多種產(chǎn)品時(shí)，可在塔內(nèi)相應(yīng)組成的塔板上開(kāi)側(cè)線抽出產(chǎn)品。側(cè)線抽出的產(chǎn)品可以是液體或蒸汽。這種出料方式既減少了塔數(shù)，也減少了所需熱量，是一種節(jié)能的好方法。52如圖6-5所示。圖6-5(b)側(cè)線出料組成為xD’飽和液體，圖6-5(c)側(cè)線出料組成yD’的蒸汽。但是，無(wú)論哪一種情況，中間段操作線斜率必小于精餾段的。在最小回流比下，恒濃區(qū)一般出現(xiàn)在q線與平衡線的交點(diǎn)處。側(cè)線出料既可以用于二組分精餾，也可以用于多組分精餾，只是出料組成更為復(fù)雜。Note:增加側(cè)線出料后，并沒(méi)有增加設(shè)計(jì)變量數(shù)，故只能對(duì)側(cè)線出料組成中的關(guān)鍵組分進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)控。5354546.2.3設(shè)置中間冷凝器和中間再沸器在普通精餾塔中，熱量從溫度最高的塔底再沸器加入，從溫度最低的塔頂冷凝器移出。由式(6-26)可看出，(-W凈)大，η低。加熱和冷卻的費(fèi)用也隨釜溫的升高和頂溫的降低而升高。若采用中間溫度下操作的中間再沸器和中間冷凝器，可以使操作向可逆精餾的方向趨近。同時(shí)可節(jié)省和回收較高位的勢(shì)能。它特別適合于:有較大塔頂、塔釜溫差的情況，若中間冷凝器和中間再沸器之間再加一個(gè)熱泵，則可獲得進(jìn)一步改進(jìn)。在精餾塔中增加中間冷凝器和中間再沸器的流程如圖6-6(a)所示。

55即在精餾段設(shè)置中間冷凝器，在提餾段設(shè)置中間再沸器。這樣，精餾段和提餾段各增加兩條操作線如圖6-6(b)所示。5656這時(shí)，靠近進(jìn)料點(diǎn)的精餾段操作線的斜率大于更高處的精餾段操作線的。而靠近進(jìn)料點(diǎn)的提餾段操作線的斜率小于更低處的提餾段操作線的。與沒(méi)有中間再沸器和中間冷凝器的精餾塔相比：操作線靠近平衡線，所以精餾過(guò)程的有效能損失減少。Notice:這種流程，既然在進(jìn)料點(diǎn)處兩條操作線的斜率保持不變，則說(shuō)明總冷凝量和總加熱量沒(méi)有變；i.e.兩個(gè)蒸餾釜的熱負(fù)荷之和與原來(lái)一個(gè)蒸餾釜的相同；兩個(gè)冷凝器的熱負(fù)荷之和與原來(lái)一個(gè)冷凝器的相同。但是，與原蒸餾釜相比，第二個(gè)蒸餾釜可以使用較低溫度的熱源。與原冷凝器相比，第二個(gè)冷凝器可以在較高溫度下排出熱量，從而降低了能量的降級(jí)損失。Note設(shè)置中間再沸器和中間冷凝器來(lái)降低分離過(guò)程的有效能損失，不是靠降低總熱能消耗量來(lái)達(dá)到目的的，而是借助于所用熱量的品位不同來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因此，增設(shè)中間再沸器的條件是：要有不同溫度的熱源供用。設(shè)置中間冷凝器的條件是：中間回收的熱量要有適當(dāng)?shù)挠脩?hù)，或者可以用冷卻水冷卻，以減少塔頂所需制冷量的負(fù)荷。如果中間再沸器和塔底再沸器使用同樣的熱源，中間冷凝器和塔頂冷凝器使用同樣的冷源，則這個(gè)流程就毫無(wú)意義，結(jié)果是浪費(fèi)了設(shè)備投資。57中間再沸器的使用并不能改變或減少總的再沸器加熱負(fù)荷，只不過(guò)將一部分熱量移往溫度級(jí)別較低的提餾段；同樣中間冷凝器的使用也不能改變或減少總的冷凝器冷卻負(fù)荷,僅僅是將一部分冷量移往溫度級(jí)別較高的精餾段。當(dāng)裝置中存在可以利用的廢熱或冷劑時(shí)，節(jié)能效果尤為明顯。58Summary

優(yōu)點(diǎn)兩者的優(yōu)點(diǎn):（1）可以節(jié)省能量。對(duì)于低溫塔而言，中間冷凝器的使用可以降低塔頂?shù)陌嘿F冷劑的使用。對(duì)于再沸器而言可以回收塔底的冷劑。而對(duì)于高溫塔而言，中間冷凝器的作用是回收了塔的熱量。對(duì)于高溫塔中間再沸器，目的是可以用比塔底再沸器熱源更廉價(jià)的熱劑。（2）在適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)置中間再沸器和中間冷凝器，可使塔的氣液負(fù)荷均勻，減小塔徑，節(jié)約成本。59Summary

6060SRV蒸餾

p234DistillationwithSecondaryRefluxandVaporization

是產(chǎn)生二次回流二次再沸的方法。在圖6-7所示的原理示意圖中，精餾段的操作壓力高于提餾段，此壓差可導(dǎo)致足夠的溫差，致使精餾段和提餾段的每一對(duì)塔板之間能進(jìn)行希望的熱交換。6161SRV蒸餾

特點(diǎn)：精餾段的操作壓力高于提餾段，精餾段的中間冷凝熱用作為提餾段的中間再沸器的熱源。精餾段的液相回流量自下而上漸減，提餾段的蒸汽流率自下而上漸增，特別適合于：對(duì)于沸點(diǎn)相近的混合物的冷凍分離，SRV精餾可以減少公用費(fèi)用，很有吸引力。因此，是低溫精餾領(lǐng)域值得注意的一個(gè)新發(fā)展方向。6262降低精餾能耗的途徑各種各樣，無(wú)論采用何種措施，均能獲得一定程度的節(jié)能效果，但是最終評(píng)價(jià)準(zhǔn)則是經(jīng)濟(jì)效益。在大多數(shù)情況下，采用節(jié)能技術(shù)均會(huì)減少操作費(fèi)用，但會(huì)增加設(shè)備費(fèi)(如，電爐加熱室溫與空調(diào)加溫)，而且往往使操作變得復(fù)雜，要求較高的控制水平?？傊?，需要綜合權(quán)衡，采取最佳方案。Notice

63636.2.4多效精餾（類(lèi)似多效蒸發(fā)）由式(6-25)，使(-W凈)最小功的設(shè)想是塔釜加熱劑溫度略高于釜溫；塔頂冷卻劑溫度略低于頂溫。而實(shí)際上，最廉價(jià)的冷卻劑是水和空氣，最常用的加熱劑是水蒸汽，很難滿(mǎn)足以上設(shè)想。多效精餾是節(jié)省精餾能耗的途徑之一。(6-25)6464采用兩效或多效精餾是充分利用能級(jí)的一個(gè)辦法。多效精餾：能量減少30—40%。多效精餾原理類(lèi)似于多效蒸發(fā)，其基本原理是：重復(fù)使用供給精餾塔的能量，以提高熱力學(xué)效率，是以多塔來(lái)代替單塔，即將一個(gè)分離任務(wù)分解為由若干操作壓力不同的塔萊完成。即是利用若干壓力不同的精餾塔，按壓力高低順序給與組合，使相鄰兩塔之間將高壓塔頂?shù)恼羝鳛榈蛪核椎脑俜衅鞯念A(yù)熱介質(zhì)。從而使該分離系統(tǒng)能耗下降。Note多效精餾充分利用了冷熱介質(zhì)之間過(guò)剩的溫差，雖然其總能量降級(jí)和單塔一樣，但是，它不是一次性降級(jí)的，而是逐塔逐級(jí)降低的，這樣，每一個(gè)塔的塔頂、塔底溫差減小了，降低了有效能損失，從而節(jié)省了能量消耗。656666

多效精餾流程多效精餾的效數(shù)越多，所需加熱的蒸汽就越少。但是，效數(shù)的增加受到第一級(jí)加熱蒸汽壓力、末級(jí)冷卻介質(zhì)種類(lèi)（一般應(yīng)以用常規(guī)冷卻水冷凝末級(jí)塔頂蒸汽為原則）、設(shè)備投資費(fèi)用的限制，所以一般多采用由兩塔組成的雙效精餾。根據(jù)進(jìn)料方式以及氣液間相互流動(dòng)方向的不同，雙效精餾分為五種基本方式，如圖6-10.按照操作壓力分類(lèi)：①加壓—常壓；②加壓—減壓；③常壓—減壓；④減壓—減壓四種。多效精餾的類(lèi)型：并流、逆流、平流。其中，以串聯(lián)的并流裝置最為常見(jiàn)。67根據(jù)進(jìn)料方式以及氣液間相互流動(dòng)方向的不同，雙效精餾分為五種基本方式，如圖6-10.6868(a)并流型，分別進(jìn)料(b)逆流型，低壓塔產(chǎn)物進(jìn)高壓塔Page236圖6-10多效精餾的基本方式6969(c)混流I型Page236圖6-10多效精餾的基本方式(d)混流II型7070雙效精餾的特點(diǎn)1）由一個(gè)低壓塔和一個(gè)高壓塔構(gòu)成；2）低壓塔的再沸器與高壓塔的冷凝器耦合成一臺(tái)換熱器，以高壓塔頂蒸汽去加熱蒸發(fā)低壓塔底的物料，（即：高壓塔氣相采出是低壓塔塔釜的熱源，用一倍的熱處理兩倍之多進(jìn)料）；3）一般地，與單塔精餾相比，可節(jié)能30-40%。注意7171各種雙效精餾的異同點(diǎn)（1）加料方式不同，例如，(a)，(b)，(c)三圖的進(jìn)料F中低沸點(diǎn)組分較多；(d)圖中進(jìn)料F中，高沸點(diǎn)成分多，進(jìn)料全部進(jìn)入高壓塔.（2）出料方式不同，（3）兩塔之間物流的走向不同。Summary

多效精餾節(jié)能效果與效數(shù)關(guān)系當(dāng)冷卻介質(zhì)之間的溫差一定時(shí)，隨著效數(shù)的增加，各效之間熱交換器的溫差減小，因而傳熱面積增加，并且每增加一效，需要增加塔和換熱設(shè)備各一臺(tái)，從而設(shè)備費(fèi)用增加。如果每增加一效所需增加的設(shè)備費(fèi)用相同，但是節(jié)能效果的增加相差非常大。例如，如果從一效增加到二效，節(jié)能效果增加50%，而從四效增加到五效，節(jié)能效果僅僅增加5%。效數(shù)越大，節(jié)能效果增加的就越小。如圖6-11所示

多效精餾應(yīng)用準(zhǔn)則多效精餾一般適用于非熱敏性物料的分離，并且只要精餾塔塔底和塔頂溫差比實(shí)際可用的加熱劑和冷卻劑間溫差小得多，就可以考慮采用多效精餾。多效精餾要受到許多因素的影響和限制。①效數(shù)的增加受到第一級(jí)加熱蒸汽壓力及末級(jí)冷卻介質(zhì)種類(lèi)的限制，第一塔的最高壓力必須低于臨界壓力;②再沸器的溫度不得超過(guò)可用熱源的最高溫度;③塔的最低壓力通常要根據(jù)冷卻水能使塔頂氣體冷凝而定;④各塔之間必須有足夠的壓差和溫差，以便有足夠的冷凝器一再沸器推動(dòng)力;⑤效數(shù)的增多使操作困難，兩塔之間的熱偶合，需配備更高級(jí)的控制系統(tǒng)。

多效精餾應(yīng)用準(zhǔn)則另外，還需要考慮體系相對(duì)揮發(fā)度、進(jìn)料組成、熱狀態(tài)、板效率以及現(xiàn)有塔的利用等因素?？傊诳紤]多效精餾的節(jié)能方案時(shí)，要從系統(tǒng)的全過(guò)程進(jìn)行綜合分析、評(píng)估，以便選擇最佳方案來(lái)滿(mǎn)足工藝要求。目前，在發(fā)達(dá)國(guó)家，多效精餾已經(jīng)成為一種規(guī)范性節(jié)能途徑，并廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。747575

多效精餾的計(jì)算[例6—4]計(jì)算分離甲醇水溶液時(shí),采用單效精餾和雙效精餾所需熱量之差別。工藝條件標(biāo)于圖6-8上。濃度為重量百分?jǐn)?shù)。進(jìn)料及回流均為飽相液體。

P2377676[例6-4]附圖甲醇-水體系逆流雙效精餾法7777得出的結(jié)論即由單效改為雙效可節(jié)約熱量35％。由低壓塔釜送料至高壓塔需要液體泵，但由此消耗的能量是很小的，可以忽略不計(jì)。7878影響多效精餾的因素（1）投資的限制：效數(shù)塔數(shù)塔設(shè)備投資效數(shù)換熱器傳熱溫差傳熱面積換熱器設(shè)備投資效數(shù)的確定要綜合考慮投資費(fèi)用的增加和運(yùn)行費(fèi)用的降低。Summary

7979影響多效精餾的因素（2）操作條件的限制：

高壓塔的壓力和溫度受系統(tǒng)臨界壓力和溫度、熱源的最高溫度及熱敏性物料的耐熱溫度等的限制；

低壓塔往往要受到塔頂冷凝器冷卻水溫度的限制。一般情況下，多效精餾的效數(shù)為兩效或三效兩效精餾操作所需熱量與單塔精餾相比，可以減少30~40%。80806.2.5熱泵精餾（低溫精餾的熱泵）任何精餾塔操作上都是塔頂溫度低、塔底溫度高。塔頂冷凝器需要用冷劑移出熱量，塔底再沸器需要加熱介質(zhì)供熱。Question:如果把塔頂上升蒸汽的熱量傳給塔底物料，則熱能可以充分利用，行不行呀？Answer:由于溫差倒置而不能自動(dòng)進(jìn)行。怎么辦呀？？按照熱力學(xué)第二定律，為了從溫度較低的塔頂冷凝器中取出熱量，而同時(shí)又要把這部分熱量送入溫度較高的塔釜再沸器中，外界必須向精餾塔做功。這就相當(dāng)于用泵或壓縮機(jī)把熱量從溫度較低的塔頂送到溫度較高的塔釜，這種將精餾塔與制冷循環(huán)結(jié)合起來(lái)的過(guò)程就構(gòu)成了熱泵精餾系統(tǒng)。它的原理是使用膨脹閥和壓縮機(jī)來(lái)改變冷凝和（或）沸騰溫度，使冷凝器中放出的熱量用作再沸器中加熱所需的熱量。當(dāng)冷凝器和再沸器不相匹配時(shí)，可以用輔助冷凝器和再沸器。81對(duì)于組分沸點(diǎn)差較小的低溫精餾系統(tǒng)，熱泵流程是一種有效的提高熱力學(xué)效率的手段。熱泵精餾的類(lèi)型熱泵精餾按制冷方式分為四種類(lèi)型。第1類(lèi)為一般制冷精餾過(guò)程，如圖6-12所示。82制冷循環(huán)對(duì)精餾塔塔頂冷凝器提供冷劑，制冷劑的循環(huán)自成系統(tǒng)。熱泵精餾的類(lèi)型熱泵精餾按制冷方式分為四種類(lèi)型。第2類(lèi)為精餾塔閉式熱泵流程，如圖6-13所示。83冷凝器是制冷循環(huán)制冷劑的蒸發(fā)器，再沸器是制冷劑的冷凝器。特點(diǎn)是：塔內(nèi)物料與制冷循環(huán)系統(tǒng)的工質(zhì)是被隔開(kāi)的。自成系統(tǒng)。熱泵精餾的類(lèi)型熱泵精餾按制冷方式分為四種類(lèi)型。最后兩類(lèi)是開(kāi)式熱泵。圖6-12(a)所示為精餾塔A型開(kāi)式熱泵。84塔頂產(chǎn)物乙烯間接對(duì)再沸器加熱，本身被冷凝，其中一部分作為產(chǎn)品出料，另一部分降壓降溫后作為塔頂?shù)幕亓鰽型開(kāi)式熱泵特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：（1）從制冷循環(huán)的角度看：可以理解為砍掉了制冷劑蒸發(fā)器，節(jié)流后的物料乙烯返回塔頂，既是被分離的物料，又是制冷劑；（2）從精餾角度看：可以理解為塔頂冷凝器與塔底再沸器合二為一。因此，既節(jié)約了能量，又能省去昂貴的低溫?fù)Q熱器。缺點(diǎn)：對(duì)操作要求比較嚴(yán)格。Note:采用A型開(kāi)式熱泵，原塔頂冷凝器的傳熱溫差為零，所以提高了熱力學(xué)效率。85熱泵精餾的類(lèi)型熱泵精餾按制冷方式分為四種類(lèi)型。最后兩類(lèi)是開(kāi)式熱泵。圖6-12(b)所示為精餾塔B型開(kāi)式熱泵。86塔底出料為乙烷，而制冷循環(huán)的制冷劑也采用乙烷。B型開(kāi)式熱泵特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：（1）從精餾角度看：可以理解為塔底再沸器與塔頂冷凝器結(jié)合為一個(gè)設(shè)備；（2）從制冷循環(huán)的角度看：可以理解為砍掉了制冷劑冷凝器，將間接傳熱改為直接傳熱；塔釜溫度=壓縮機(jī)的排氣溫度，從而降低了傳熱的不可逆性。Note:采用B型開(kāi)式熱泵，塔釜再沸器的傳熱溫差為零，所以可以提高熱力學(xué)效率。87閉式和開(kāi)式流程的比較閉式流程所選用的工作流體在壓縮特性、汽化熱等性質(zhì)上可以更優(yōu)良，但是需要2臺(tái)換熱器，并且為了確保一定的傳熱推動(dòng)力，要求壓縮升溫較高；當(dāng)塔頂蒸汽或釜液蒸汽有較好的壓縮特性和較大的汽化熱時(shí)，宜選用開(kāi)始流程。一般情況下，當(dāng)塔頂產(chǎn)品是一個(gè)很好的冷劑時(shí)，可以考慮采用A型開(kāi)式熱泵；相反，當(dāng)塔釜產(chǎn)品是一個(gè)很好的冷劑時(shí)，可以考慮采用B型開(kāi)式熱泵。88注意[例6-5]在方案比較中，采用美國(guó)AspenTech公司的化工流程軟件AspenPlus對(duì)流程進(jìn)行了模擬，模擬結(jié)果見(jiàn)表6-1一表6-3。9090熱泵精餾是靠消耗一定量的機(jī)械功來(lái)提高低溫蒸汽的能位而加以利用的。由于所獲得可利用熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)輸入系統(tǒng)的能量，因而可以節(jié)能。所以，消耗單位機(jī)械能回收的熱量是一項(xiàng)重要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。顯然，對(duì)于沸點(diǎn)差小的混合物分離的精餾塔應(yīng)用熱泵精餾效果會(huì)更好。由于熱泵精餾需要增加壓縮機(jī)，又要消耗機(jī)械能，所以推廣應(yīng)用受到一定限制。Summary

6.2.6熱偶合精餾和隔壁塔（1）熱偶合精餾在單個(gè)精餾塔中，依靠冷凝器和再沸器分別提供液相回流和塔釜上升蒸汽，但是，在多個(gè)精餾塔設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)想如果能從某一個(gè)塔引出一股液相物流直接作為另一個(gè)精餾塔的液相回流，或者是引出一股氣相物流直接作為另一個(gè)精餾塔的上升蒸汽，則在這些塔中可以省略冷凝器或再沸器，從而實(shí)現(xiàn)通過(guò)物流直接接觸來(lái)提供所需要的熱量，稱(chēng)為熱耦合。熱耦合精餾塔(thermallycoupleddistillation,TCD)就是這樣一種流程結(jié)構(gòu)，是一種新型節(jié)能精餾方式。它是以主塔和副塔組成的復(fù)雜塔系代替常規(guī)精餾塔序列，在熱力學(xué)上是最理想的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可以同時(shí)節(jié)省設(shè)備投資和能耗，但是，這種精餾方式在設(shè)計(jì)和操作控制上比較困難。91圖6-15所示為直接序列熱偶合流程。（1）熱偶合精餾第一塔的再沸器通過(guò)熱耦合由第二塔的返回氣相物流所取代，第一塔釜液仍然為第二塔進(jìn)料，四個(gè)塔段分別為1、2、3、46.2精餾節(jié)能技術(shù)在圖6-16中，四個(gè)塔段重新排列，形成側(cè)線提餾式結(jié)構(gòu)。（1）熱偶合精餾94圖6-17所示為簡(jiǎn)單塔間接序列熱偶合流程。第一塔的冷凝器由熱耦合代替，四個(gè)塔仍然分別是1、2、3、4；95在圖6-18中，四個(gè)塔段重新排列，形成側(cè)線提餾式結(jié)構(gòu)。圖6-19(a)所示預(yù)分離塔流程中預(yù)分離塔有一再沸器和一分凝器。圖6-19(b)所示為熱偶合預(yù)分離流程，又稱(chēng)Petyluk塔。比較圖6-19(a)與6-19(b)，總的熱負(fù)荷和冷負(fù)荷幾乎相同，但是，兩個(gè)主塔的塔頂和塔底的氣、液流率不同。綜合比較：熱耦合流程可節(jié)約能耗30%。圖6-20所示為熱偶合的另一結(jié)構(gòu)。（2）隔壁塔（自學(xué)）熱耦合流程的適用范圍并不適用于所有化工分離過(guò)程，應(yīng)用受到一定的限制；原因：雖然此類(lèi)塔從熱力學(xué)角度看具有最理想的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，但是它主要是通過(guò)對(duì)輸入精餾塔的熱量的“重復(fù)利用”來(lái)實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)再沸器所提供的熱量非常大、或者冷凝器需要將物料冷卻至很低的溫度時(shí)，此工藝會(huì)受到很大限制。此外，熱耦合流程對(duì)所分離物系的純度、進(jìn)料組成、相對(duì)揮發(fā)度及塔的操作壓力都有一定的要求。98Note:熱偶精餾流程對(duì)所分離物系的純度、進(jìn)料組成、相對(duì)揮發(fā)度及塔的操作壓力都有一定的要求。1產(chǎn)品純度：熱偶精餾流程所采出的中間產(chǎn)品的純度以一般精餾塔側(cè)線出料產(chǎn)品的純度更高。因此，希望得到高純度的中間產(chǎn)品時(shí)，可以考慮采用熱偶精餾流程。2進(jìn)料組成：若分離A,B和C三組分混合物，且相對(duì)揮發(fā)度依次遞增，采用熱耦合精餾時(shí)，進(jìn)料中組分B的量應(yīng)該最多，而組分B和C數(shù)量上應(yīng)相當(dāng)。3相對(duì)揮發(fā)度：當(dāng)組分B是進(jìn)料中的主要組分時(shí)，只有當(dāng)組分A、B之間的相對(duì)揮發(fā)度與組分B、C之間的相對(duì)揮發(fā)度的比值相當(dāng)時(shí)，采用熱耦合精餾節(jié)能優(yōu)勢(shì)最明顯。如果組分A與B（或組分B與C）非常容易分離，從節(jié)能角度來(lái)看，不如使用常規(guī)的雙塔流程。4操作壓力：整個(gè)分離流程的壓力不能改變。如果需要改變壓力時(shí)，只能使用常規(guī)的雙塔流程。99100100精餾的節(jié)能技術(shù)精餾的節(jié)能越來(lái)越受到廣泛重視，目前比較常用的方法有：（1）設(shè)置中間冷凝器和中間再沸器的精餾，（2）多效精餾，（3）低溫精餾的熱泵，（4）熱偶合精餾。小結(jié)101101第三節(jié)分離順序的選擇6.3.1分離順序數(shù)6.3.2理想多組分精餾塔序的合成6.3.3非理想多組分精餾塔序的合成102102第三節(jié)分離順序的選擇

多組分物料分離成多個(gè)純組分產(chǎn)品需要采用多個(gè)塔，這些塔如何排列，哪個(gè)組分首先分出，是化工分離過(guò)程中經(jīng)常遇到的問(wèn)題。合理的流程安排對(duì)節(jié)能起著重要作用。目前廣泛采用的是一個(gè)進(jìn)料和兩個(gè)產(chǎn)品的分離塔，稱(chēng)為簡(jiǎn)單分離塔。當(dāng)用這類(lèi)塔分離多組分混合物時(shí)，就涉及到首先分離哪個(gè)組分，再分離哪一個(gè)組分，即分離順序的問(wèn)題。此外，在簡(jiǎn)單分離塔功能的基礎(chǔ)上采用多段進(jìn)料、側(cè)線采出、側(cè)線氣提和熱耦合等方式所構(gòu)成的復(fù)雜塔及其塔系也大量采用。與簡(jiǎn)單塔相比，這種塔在操作和控制上更復(fù)雜，但是在節(jié)能和熱能綜合利用上具有明顯的優(yōu)勢(shì)。page244103103

將簡(jiǎn)單分離塔進(jìn)料中各組分按照相對(duì)揮發(fā)度的大小順序排列，當(dāng)輕、重關(guān)鍵組分為相鄰組分，且二者的回收率均很高時(shí)，可以認(rèn)為是清晰分割。為使問(wèn)題簡(jiǎn)化，假設(shè)分離順序中各塔均為清晰分割，并且進(jìn)料的某一組分只出現(xiàn)在一個(gè)產(chǎn)品流中。這時(shí)，雙組分混合液只要一個(gè)塔就可以被分離成二個(gè)較純的組分。隨著組分?jǐn)?shù)的增多，分離塔及流程方案數(shù)也會(huì)增加。6.3.1分離順序數(shù)104104例如，以一個(gè)由A、B、C三個(gè)組分所組成的混合溶液，欲將其分離成三個(gè)較純的不同產(chǎn)品．需要兩個(gè)塔，此時(shí)可有兩個(gè)流程方案。一種方案為在第一個(gè)塔內(nèi)將A分出，然后在第二個(gè)塔內(nèi)將B與C分開(kāi)；另一種方案是在第一個(gè)塔內(nèi)將C分出，而在第二個(gè)塔內(nèi)再將A與B分開(kāi)。對(duì)于分離四組分混合物為4個(gè)純的單一組分產(chǎn)品，則需要3個(gè)塔和5種不同的分離流程，如圖6-21所示。6.3.1簡(jiǎn)單分離順序的合成105105Example:將混合物ABCDE···

(按揮發(fā)度降低排列）分離為純組分。6.3.1分離順序數(shù)ABAB二元：一個(gè)塔，一種方案三元：ABCABCABABCABCBC二個(gè)塔，二種方案106106四元：順序流程三個(gè)塔，五種方案ABCDABCDBCCDD按相對(duì)揮發(fā)度遞減采出ABCDAABCBCABD按相對(duì)揮發(fā)度遞增采出AABCDABCBCBCDABCDABCDBCDBCAABCDABBCCDD按相對(duì)揮發(fā)度交錯(cuò)采出的逆序流程圖6-14分離四組分混合物的五種流程107107若要把含有C組分的混合液分離成C個(gè)以一個(gè)組分為主的較純產(chǎn)品，則需要C—1個(gè)塔。此時(shí)就有一個(gè)流程方案及其選擇的問(wèn)題。隨溶液中組分?jǐn)?shù)目的增加，可組成的流程方案將顯著增加。對(duì)C個(gè)組分的物系，欲分離成C個(gè)以一個(gè)組分為主的純產(chǎn)品，所需的C—1個(gè)塔間可組成的順序數(shù)Sc的計(jì)算如下：（6-28）（6-29）用（6—28）或（6—29）計(jì)算結(jié)果列入表6—2。108108由此可見(jiàn)，在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)所有可能的各種流程方案一一加以計(jì)算對(duì)比，顯然是不可能的。顯然，在眾多的方案中推出一種最優(yōu)的方案的確是一件比較困難的事。目前尚無(wú)理論推導(dǎo)的辦法，主要是靠經(jīng)驗(yàn)。順序數(shù)隨著組分?jǐn)?shù)或產(chǎn)品流的增加而急劇增加。109109對(duì)于特殊精餾：例如，對(duì)于萃取精餾：加質(zhì)量分離劑，且數(shù)目多。總順序數(shù)S可以估算：

T—為不同質(zhì)量分離劑對(duì)相同組分分離方法數(shù)；

C—系統(tǒng)組分?jǐn)?shù)；SC—簡(jiǎn)單分離塔計(jì)算順序數(shù)。（6-30）110110Example若C=4，考慮不同的分離方法為簡(jiǎn)單精餾，用苯酚的萃取精餾，用苯胺的萃取精餾及用甲醇的萃取精餾等，一共4種方法,由(6-29)和（6-30）得到:Sc=5S=44-1×5=320即可能的順序數(shù)為普通簡(jiǎn)單精餾的64倍。如果還要考慮由于采用分離劑而引起的其它問(wèn)題，如分離劑的回收和循環(huán)使用,以及對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行最終混調(diào)等，都會(huì)使可能的順序數(shù)增加更高。111111[例6-6]

用普通精餾將下列混合物分離成三個(gè)產(chǎn)品，確定分離順序數(shù)。(Page245)（相對(duì)揮發(fā)度遞減）解：由于產(chǎn)品相對(duì)揮發(fā)性不相鄰，故首先必須將混合物完全分離成純品。

方法：1.先分出純品，查表6—4：C=5時(shí)，SC=14

2.再將烷烴、烯烴混合

結(jié)論：采用普通精餾分離這些產(chǎn)品不合理。6.3.2理想多組分精餾塔序的合成本節(jié)將討論接近理想的物系的耦合分離。圖6-22三組分混合物精餾的9種方案。組分A、B、C不形成共沸物，相對(duì)揮發(fā)度順序遞減，αA＞αB＞αC簡(jiǎn)單分離塔序在第一個(gè)塔中將組分分離，然后再分離另外二個(gè)組分。第一個(gè)塔省略了再沸器，該耦合方式可以降低設(shè)備費(fèi)；但是，開(kāi)工和控制比較困難。113方案D類(lèi)似于方案C，方案E為在主塔（即第一塔）的提餾段以側(cè)線采出中間餾分（B+C），再送入側(cè)線精餾塔提純，塔頂?shù)玫郊兘M分B，釜液再返回主塔。方案F與方案E類(lèi)似，側(cè)線采出口在精餾段，故中間餾分為A+B的混合物，側(cè)線提餾段的作用是從塔釜分離出純組分B。114方案G為熱耦合系統(tǒng)（即Petyluk塔），第一塔起預(yù)分餾作用。由于組分A和B的相對(duì)揮發(fā)度較大，可以實(shí)現(xiàn)完全分離。該塔不設(shè)再沸器和冷凝器。熱耦合塔的能耗是最低的，但開(kāi)工和控制比較困難。方案H是隔壁塔，與方案G比較，隔壁塔節(jié)能30%，節(jié)約投資25%。方案I采用單塔和提餾段側(cè)線出料。側(cè)線采出口應(yīng)開(kāi)在組分B濃度分布最大處。Note:這個(gè)方法能得到一定純度的B，卻得不到純B。115Summary

應(yīng)該指出：上述分析不限于一個(gè)分離產(chǎn)品中只含有一個(gè)組分的情況，它也適用于將不論多少組分的混合物分離成三種不同產(chǎn)品的分離過(guò)程。另外，對(duì)于具有更多組分的系統(tǒng)，可能的分離方案數(shù)量是按照幾何級(jí)數(shù)增加的，選擇塔序的問(wèn)題變得更為復(fù)雜。這些塔序方案僅僅是所做工作的開(kāi)始，因?yàn)闊峤粨Q和能量集成的問(wèn)題以及流程的選擇交織在一起。流程的初步設(shè)計(jì)可以采用啟發(fā)法。啟發(fā)法不一定得到優(yōu)化的分離流程，但是能得到接近優(yōu)化的流程。Question?何為啟發(fā)法？116116經(jīng)驗(yàn)法（啟發(fā)法）優(yōu)點(diǎn)：

不用對(duì)所有可能的分離順序進(jìn)行考察，在不作設(shè)計(jì)和設(shè)備費(fèi)用估計(jì)情況下，很快選出好順序。普通精餾塔經(jīng)驗(yàn)法：1.按相對(duì)揮發(fā)度遞減順序逐個(gè)從塔頂分離出各組分。依據(jù)：Underwood式：餾出物中：1.組分?jǐn)?shù)少，Vm少，熱負(fù)荷低；

2.若混合物中含低沸物，使之不進(jìn)入后面塔。確定分離順序的經(jīng)驗(yàn)法1172．最難分離的應(yīng)放在塔序的最后。若關(guān)鍵組分的αLH接近1，則應(yīng)在所有非關(guān)鍵組分都分離出去以后再行分離輕關(guān)鍵和重關(guān)鍵。因?yàn)閷?duì)于難分離組分，要達(dá)到一定的分離要求，需要的塔板數(shù)N多、回流比R大，若還有別的組分在一起，則塔內(nèi)流率大，能耗高，設(shè)備費(fèi)高。3．應(yīng)使各個(gè)塔的餾出液流率（mol數(shù)）D和釜液流率盡量接近。因?yàn)?，Qc、QD與R和V’有關(guān)，二者彼此相關(guān)，若二者相差較大，將使精餾段或提餾段操作的可逆性不好，增加能量消耗。4．分離很高回收率的組分的塔應(yīng)放在塔序的最后。5．進(jìn)料中含量高的組分盡量提前分出

使后面能量降低、塔徑減小。6.特殊組分先分

特殊組分：熱敏性、強(qiáng)腐蝕性、易爆、易燃等。118118Note:上述各條經(jīng)驗(yàn)原則，在實(shí)際中常常互相沖突。對(duì)具體物系往往會(huì)出現(xiàn)按這一原則可選擇這種方案，而按另一種原則又可選擇另一種方案。在實(shí)際設(shè)計(jì)中需要對(duì)若干不同方案進(jìn)行對(duì)比，以明確在該具體條件下哪個(gè)因素是主要的。上述經(jīng)驗(yàn)規(guī)律的真正作用是在于剔除那些比較明顯不合理的方案以有利于設(shè)計(jì)者對(duì)方案的選擇，大大縮短評(píng)比的范圍。119舉例：輕油裂解產(chǎn)品的分離,分離順序分析：組分相對(duì)揮發(fā)度α流率/kmol·h-1A

2.451.5B

1.1845.4C

1.03154.7D

48.1E

2.5036.7FnC518.1Example120根據(jù)原則1：分離方案為A︱B+C+D+E+