1、5 传质分离过程的节能,5.1 分离过程节能的基本概念 5.2 精馏节能技术 5.3 分离顺序的选择,5.1 分离过程节能的基本概念,混合物的分离必然消耗外能，能耗是大规模分离过程的关键指标，因此，确定混合物分离的最小能耗，了解影响能耗的因素，寻求接近最小能耗的分离过程。 节省能耗的措施： 首先是选取适宜的分离方法，这是节能的关键步骤； 其次是分离过程在总体工艺流程中进行热集成； 再次是复杂混合物分离的适宜流程安排； 最后是各具体分离操作的适宜操作条件和参数的确定，以及设备结构和尺寸的优化等。,热力学第二定律： 完成同一变化的任何可逆过程所需功相等。,5.1.1有效能（熵）衡算,连续稳定分离系
2、统：,进出系统物流变量：n，zi，H，S（熵），Q,系统对环境作功：W,分离最小功是分离过程必须消耗的最小功的下限，只有当分离过程完全可逆时，分离消耗的功才是分离最小功。,5.1.2 分离最小功,二、分离低压下液体混合物,5.1.3 热力学效率,热力学效率是用来衡量有效能的利用率。 分离过程热力学效率的定义为：分离最小功与实际分离过程的有效能消耗（净功耗）之比值。B分离 / W净 Wmin、To=B分离 该式表明，稳态过程最小分离功等于物流的有效能增量。,如图精馏过程的净耗功为：,若进出体系的物料的焓相近时，近似有QRQCQ，,则,通常:,1)只依靠外加能量(ESA)的分离过程（如精馏、结晶）
3、，热力学效率较高； 2)除加入ESA，还需加入MSA的分离过程（如萃取精馏、共沸精馏、萃取、吸收和吸附等）热力学效率较低； 3)速率控制的分离过程热力学效率更低。,5.1.4分离过程中有效能损失的主要形式,(1)由于流体流动阻力造成的有效能损失Dp (2)节流膨胀过程的有效能损失 (3)由于热交换过程中推动力温差存在造成的有效能损失DT (4)由于非平衡的两项物流在传质设备中混合和接触传质造成的有效能损失Dmt,使净功降低的方法：降低压差 减少温差 减少浓度与平衡浓度差 1）塔设备若N越多，使P，不可逆性越大可使：气速，液层高度；使P 但是：气速，生产能力不变时D ，投资费液层高度，板效率 改
4、进方式：1. 选择合适的塔径、液层高度2. 改板式塔为高效填料塔,2）再沸器、冷凝器若传热温差小，不可逆性减小 但是：传热面积，设备费用液层高度，板效率 改进方式：1. 采用高效换热器2. 改进操作方式 3）传热推动力、传质推动力 精馏操作：Ln+1，Vn-1进入n板，对Vn，Ln在 n 板温度和浓度相互不平衡,改进方式：1. 传热推动力 T=（Tn-1Tn）2.传质推动力 y=（KnXn,iyn-1,i） 即：y-x图中，操作线向平衡线靠近 T y ,N= 换热器台 塔径：中间大，两头小,返回,5.2 精馏节能技术,除了比较明显的节能措施外，选择适宜回流比、进料热状态以及操作压力等，都是重要
5、的精馏节能措施。 (1) 最适宜回流比 一方面，直接影响再沸器和冷凝器的热负荷，决定了精馏分离的净功效，因此，大体上确定了操作费用。 另一方面，还与塔设备的投资密切相关：在Rm附近， R，设备费下降；在较高R处， R，设备费增大；适宜回流比：R=(1.2-1.3)Rm,5.2 精馏节能技术,(2) 最佳进料热状态 高温精馏时（塔顶釜温度高于环境温度） ，当D/F较大又有适用于加热料液的低温热源时，应尽量采用较低的q值，即以汽相或汽液混合物进料为宜；当 D/F较小时，尽量采用较高q，即以液相进料为宜； 低温精馏时，无论D/F多大，均采用较高的q值，即以液体进料为宜； 中等温度精馏，应进行经济比较
6、，确定最佳值。,5.2 精馏节能技术,(3) 中间冷凝器和中间再沸器 如能在塔中部设置中间冷凝器，就可以采用较高温度的冷却剂。 如在塔中部设置中间再沸器，对于高温塔，可应用较低温位的加热剂。 对于精馏，使操作线向平衡线靠拢，提高塔内分离过程的可逆程度。,5.2 精馏节能技术,5.2 精馏节能技术,(4) 多效精馏 多效精馏原理类似于多效蒸发，即利用若干压力不同的精馏塔，按压力高低顺序给与组合，使相邻两塔之间将高压塔顶的蒸汽作为低压塔底的再沸器的预热介质。从而使该分离系统能耗下降。,5.2 精馏节能技术,5.2 精馏节能技术,(5) 热泵精馏 将温度较低的塔顶蒸汽经压缩后作为塔底再沸器的热源，称
7、为热泵精馏。有两种形式的热泵流程 ； 热泵精馏是消耗一定量的机械功来提高低温蒸汽的能位而加以利用的。因此消耗单位机械能能回收的热量是一项重要经济指标，称为性能系数，常记为C.O.P.。 显然，对于沸点差小的混合物分离的精馏塔应用热泵精馏效果会更好。,5.2 精馏节能技术,(6) SRV精馏 具有附加回流和蒸发的精馏简称； 由综合中间再沸，中间冷凝和热泵精馏技术发展而成。,一、分离顺序数将混合物ABCDE (按挥发度降低排列）分离为纯组分。,5.3.1简单分离顺序的合成,二元：,一个塔， 一种方案,三元：,二个塔， 二种方案,四元：,顺序流程,三个塔，五种方案,按相对挥发度交错采出的逆序流程,5
8、.3分离顺序的选择,1、首选分离方法为能量分离剂的方法（如普通精 馏），其次选用是使用分离剂的方法（如吸收，液液萃取和特殊精馏）。因为后者须增设质量分离剂的回收设备。但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。 2、易分离的组分先分 若有A、B、C、D四组分，其含量相差不大。,5.3分离顺序的选择,3、易挥发组分先分，即按料液中各组分的挥发度递减的次序从塔顶蒸出，可减少再沸器与全凝器的负荷。 4、尽可能对分（料液的等摩尔分割）当DB时，塔主体可逆性增大，能耗可以节省。 5、量多的组分先分 含量最多的组分分离后，避免了该组分在后面塔中的多次蒸发、冷凝，减少了后继塔的负荷，当然比
9、较经济。,6、分离要求高和最困难分离的组分后分 由于高纯度分离的塔要求很多的板数，即塔较高，如还有其他非关键组分存在，塔中汽、液相流率将增大，要用较大的塔径，使投资增加。 7、有特殊组分的要先分 易腐蚀的组分、热敏性组分,5.3分离顺序的选择,例6-2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料的情况。,证明：由计算此情况下最小功公式610,对二元物系有：yBF=1-yAF,将之代入上式得,上式两边对yAF求导得：,则1yAF=yAF,解得yAF=0.5.,令,由此证得，最小功函数的极大值出现在等摩尔组成进料的情况。,当yAF0.5，,例6-2某丙烯(A)-
10、丙烷(B)精馏塔。若进料为泡点进料，进料量F=272.16kmol/h,HF=1740.38kJ/kmol，SF=65.79kJ/(kmolK)，塔顶馏出液D=159.21kmol/h，HD=12793.9kJ/kmol，SD=74.69 kJ/(kmolK)，塔底釜液W=112.95kmol/h，HW=3073.37kJ/kmol，SW=66.10 kJ/(kmolK)，假设环境温度T0294K。 计算再沸器负荷(冷凝器负荷QC=32401526kJ/h给定)；有效能变化；当再沸器加热剂温度TR=377.6K，冷凝器冷却剂温度TC=305.4K时的净功消耗；热力学效率。,解：作全塔热量衡算：
11、,己知T0294K,净功消耗,热力学效率,例 苯甲苯常压精馏塔，进料、馏出液及釜液的温度分别为92 、82 和108 ，设环境温度为20，塔顶冷凝器的热负荷为997kW（用水冷却），塔釜再沸器热负荷为1025kw（用130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35（308K）,则由式625,例6-3将下列混合物分离成较纯的单组分物流，进料组成如下表，其中组分E具有毒性，试用有序试探法选出一种最佳简单分离顺序。,解：根据S1规则和C1规则， E为有毒气体且含量最多，应首先将其分离，所以第一步应分离组分E； B、C组分间相对挥发度最小，相对最难分离，根据S2规则，B、C组分
12、最后分离； A为最易分离的物体，所以第二步应分离组分A。,具体分离顺序,6.3.分离过程的节能,6.3.1.分离过程的热力学分析 精馏过程热力学不可逆的原因 精馏过程不可逆的根本原因是三传的不可逆性。其主要表现于以下几方面：,（1）流体流动时有 （通过一定压力梯度的动量传递）； （2） 传热时有一定温差（通过一定温度梯度的热量传递或不同温度的物流直接混合）； （3） 传质过程有浓度差（通过一定浓度梯度的质量传递或不同化学位的物流直接混合）； （4）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,（1） 降低流动过程的 ，变板式塔为填料塔是降低提高生产能力的主要途径；,（2）减小塔顶冷
13、凝器和塔底再沸器的 , 常采用高效换热器或改进操作方式；,（3）在较小R或不同R（设中间再沸器或中间冷凝器）下操作，以便降低传热传质的不可逆性（降低了所耗能量的品位，降低了有效能消耗，从而提高了热力学效率）；,（4） 采用双效或多效精馏（各塔采用不同压力，使供入塔内的热量重复使用，重复使用的次数称为效数）,（5）对原料中各组分沸点差不大的系统采用热泵流程。,有效能的充分回收及利用采用加强设备的保温及利用物流的部分显热或潜热等措施 减少过程的净耗功 改变分离过程操作条件减少过程的净耗功，如严控设计富裕度，选定最佳R,6.3.2.设置中间冷凝器和中间再沸器,设置设置中间冷凝器和中间再沸器，使操作更
14、趋于可逆精馏，净功消耗降低，同时可回收或节省高位的能量。当顶低温差较大时，效果尤佳。 若在中间冷凝器和中间再沸器之间加一热泵，效率更高。,6.3.3.多效精馏,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底的再沸器的加热介质 多效精馏比单效精馏可节省加热蒸汽的30%-50%但需增加设备投资， 需要更高的控制系统。,1、并流型,2、逆流型,3、混流型,6.3.4.低温精馏的热泵,热泵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。,解决办法,将制冷与精馏结合起来，把热量由低温处传向高温处。,存在问题,T顶T釜，热量不能自动由低温传
15、向高温,提出设想,将塔顶移出热量拿到塔釜供热,精馏操作共同特点,塔顶温度低于塔底温度,塔顶需供冷移热，塔釜须供热,(1)采用外部致冷剂的热泵（闭式热泵）,(2)采用压缩塔顶蒸汽的热泵（开式A型热泵）,(3)采塔底液体闪蒸的热泵（开式B型热泵）,低温精馏采用热泵可提高热力学效率。当原料中各组分沸点接近，且沸点均小于环境温度时，效果更佳。,双塔式热泵精馏流程,(4)热泵精馏节能例子,将温度较低的塔顶蒸汽经压缩后作为塔底再沸器的热源 消耗一定量的机械功来提高低温蒸汽的能位而加以利用,1,2,3,4,6.3.5 有关分离操作的节能经验规则,P202表6-1 、如果进料混合物中不止存在一相，则首选采用机
16、械分离 、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，质量分离剂等等 、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,、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，通过过程的改进以降低能耗 、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 、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 、尽力减少质量分离剂的流量，只要选择性可以达到要求，优先选择大的分离剂 、只要
17、好用，优先选择分离因子高的方案,10、避免将不相同组成温度的物流混合的设计 11、分清不同形式的能量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，例如多效蒸发 12、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 13、适当采用分级或逆流操作，以降低分离剂用量,14、当分离因子差不多时，优先选用能量分离剂过程，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，其次才考虑速率控制过程 15、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 16、如果压力降在能耗方面
18、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,6.4分离过程系统合成,6.4.1.分离顺序数 若分离为清晰分离塔（锐分离器），分离顺序数SC：,当采用多种分离方法时,6.4.2 分离顺序的合成方法,调优法以某个初始精馏塔序为出发点，按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。,确定分离顺序的方法：,经验法：依据经验规则对具体问题进行定性分析而确定分离序列的方法。 其优点是使用简便，不需进行十分繁杂的计算即可从大量可能的序列中筛选出接近最优的序列。不足是缺乏严格的数学基础，不能合成出最优的序列。,算法合成技术：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。
19、,6.4.2.1试探法,(1)关于分离方法选择的经验规则 首选分离方法为ESA的方法（如普通精馏）， 其次选用是使用MSA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1.05时，普通精馏在经济上不合算 尽量不用真空蒸馏和冷冻操作,(2)设计方面的经验规则,倾向于采用产品数目最少的分离序列 由分离塔直接得产品是最好的，要避免分离得到的产物混合调配而得产品。,(3)与组分性质有关的经验规则,优先分离热稳定性差、具有腐蚀性和毒性的组分； 优先分离出能发生反应的组分； 产品纯度要求高的分离放在分离序列的最后； 最难分离的组分最后分离； 优先分离易于分离的组分。,(4)与组成和经济性有关
20、的规则,倾向于一分为二的分离； 较轻的组分优先分离； 将含量最高的组分优先分离； 尽量使分离单元内上升的气相流率最小。,应用这些规则的最好方法是,同时满足（或近似满足）几条规则的序列应予优先考虑； 同时考虑用不同试探规则确定的几种序列； 确定起主要作用的规则； 保留23个最好的序列。,6.4.2.2有序试探法,四大类： 分离方法（M）试探规则，主要是对某一特定的分离任务，确定最好采用哪一类分离方法； 设计（D）试探规则，主要决定最好采用的某个特定性质的分离顺序； 组分（）试探规则，根据被分离组分性质上的差异而提出的规则； 组成（C）规则，表示进料组成及产品组成对分离费用的影响。,(1)M 规则
21、,M1规则：优先采用ESA的方法，其次才考虑采用MSA的方法，若采用MSA，应在下一级分离中将其除去，并且不能用MSA来分离另MSA。 M2规则：尽量避免采用真空精馏、冷冻操作。,(2)D 规则,产品集合中元素最少的分离序列最有利 (3)S规则 S1规则：首先除掉具有腐蚀性、毒性组分，以减少污染，对后续设备及操作条件就不必提出过高的要求。 S2规则：最后处理难分离和分离要求高的组分。,(4)C 规则,C1规则：规定应将进料中含量最多的组分首先分离出去。 C2规则：指出等摩尔分割最有利。、 难以判断哪一种分离最接近一分为二，选择最大CES处为分离点,（CES）=f,欲分离两个组分的沸点差，或（-
22、1)100；,f=D/W，DW ； f=W/D，DW。,这七条规则的重要性按下列次序排列： M1M2DS1S2C1C2,例6-3将下列混合物分离成较纯的单组分物流，进料组成如下表，其中组分E具有毒性，试用有序试探法选出一种最佳简单分离顺序。,解：根据S1规则和C1规则， E为有毒气体且含量最多，应首先将其分离，所以第一步应分离组分E； B、C组分间相对挥发度最小，相对最难分离，根据S2规则，B、C组分最后分离； A为最易分离的物体，所以第二步应分离组分A。,具体分离顺序,6.4.3复杂塔的分离顺序(略）,在简单分离塔的基础上加上多段进料、侧线出料、预分馏、侧线精馏、侧线提馏和热偶合等组合方式构
23、成复杂塔及包括复杂塔在内的塔序，力求降低能耗。,1、按相对挥发度递减的顺序逐个从塔顶分离出各组分（直接分离序列）,恩德伍德公式两边同乘以D：,对普通精馏塔塔序可从以下规则加以考虑,（1） LNK存在， , 塔顶组分越多，塔顶冷凝器和塔釜再沸器传热负荷越大，能耗大。所以，上顺序优。,（2）当混合物中某些组分沸点小于常温时，该规则可使难凝组分首先分离出，减少高压或低温塔的数目。,2、 最难分离组分应放在塔序的最后,（1）使级间流率，再沸器加入热量,净功消耗 ；,（2）塔顶与塔底温差 ，使净功消耗 ；,（3）分离难分离组分精馏塔（N多塔高）的级间流率 ，塔径 ，设备费用 。,3、各塔的馏出液和釜液摩
24、尔流率尽量接近,全塔内回流比较平衡，操作可逆性好，效率高，净功消耗低。,4、分离收率很高的组分应最后分出,此塔N多塔高放于最后减小塔径，减小设备费用。 5、进料含量高的组分尽量提前分出 避免该组分在后继塔中多次蒸发和冷凝，减小后继塔的流率和冷凝器、再沸器的负荷，节省能耗和设备费用,6、特殊组分的要先分,当上面各条规则发生矛盾时，抓主要矛盾，从中选出最适宜的塔序。,有的提出如下原则，发生矛盾和含义交叉时，在前的原则优先遵循：,（1）优先应用普通精馏,如必须选用MSA的分离方法（时），MSA应在接下来的塔中立即分出。,（2）避免减压操作和使用冷冻剂,避免压力偏离常压和塔温过高或过低，若必须偏离常压
25、，宁用高压而不用减压操作，塔温宁高不用冷冻剂。当精馏需要减压操作时，应考虑采用萃取操作；当需要冷冻剂时，应考虑吸收操作。,（3）产品数量应最少,当有些产品是混合物时，所选塔序最好能直接分出这种产品，当需混合办法的此产品时，所用混合操作应最少。,（4）具有腐蚀性和危险性的组分应首先分离,（5）难以进行的分离应放于最后,（6）含量最大的应先分出,（7）使塔两端产品等摩尔流率的分离有利,应用（1）（2）两条可首先解决所用的分离方法； 根据产品要求用（3）（4）（5）条可确定什么分离是不能进行的，什么分离时应最先进行的，什么分离应放在最后；应用（6）（7）两条合成出分离序列。,还有的提出选择塔序的四条
26、原则：,（1）关键组分的相对挥发度接近于1时，希望在没有非关键组分存在下分离这一对关键组分； （2）一般说来按相对挥发度由大到小逐个从塔顶分离各组分的塔序是有利的； （3）应使各塔的D和W的摩尔流率尽量接近； （4）分离回收率很高的组分的塔应放在最后。,6.3.2 复杂塔的分离顺序（略）,2、过程合成的基本方法：,（1）探试法,应用探试规则作出判断，从众多的可行结构中选出少量最有希望的结构方案，然后对这几个方案进行深入分析，从中找出最优的方案。,根据以往的经验和直觉建立的半定量的判断规则。根据归纳法的逻辑，即从个别推论到一般，因此其有可能导致错误的结论。但探试规则可使搜索空间大大缩小，能较快地找到接近最优解。,用严格的数值计算法排除大量可能方案，搜索空间缩小。对各种方案进行分枝，设定目标函数的上下界，通过分枝上结点的计算和目标函数值比较，对界限不断加以改进，并决定结点处是否需要进一步分枝，最终找出最优解。,（2）分枝定界法（分枝定界法）,这种方法不会将最优解漏掉，但计算量大。,为探试规则和分枝定界法的结合。调优法每一次仅在现有方案周围的某个空间范围内搜索，使系统不断得到改进。综合了探试法和分枝定界法的优点。,（3）调优法,
