分离过程及设备的效率与节能综合培训教材(共131页).ppt

第六章 别离过程及设备的效率与节能综合 .1气液传质设备的效率 6.2别离过程的最小别离功 6.3别离过程的节能 6.4别离过程系统合成 1掌握等温别离的最小功的计算方法，了解非等温别离和有效能、净功消耗和热力学效率的计算2了解精馏过程的热力学不可逆分析方法，掌握精馏过程的节能技术3掌握简单别离和复杂塔的别离顺序的合成的原那么本章要求：6.1气液传质设备的处理能力和效率6.1.1 气液传质设备的处理能力的影响因素气液传质设备有板式塔和填料塔两类影响气液传质设备的处理能力的因素有：液泛 板式塔： ，处理能力增加；填料塔： ，处理能力增加规整填料处理能力大于乱堆填料雾沫夹带6.1.1.3.压力降 板式塔中，雾沫夹带程度用雾沫夹带量（0.1kg液体kg气体）或泛点百分率表示 真空操作设备的 往往成为限制生产能力的主要原因，还影响降液管内液位高度， ，液位高度，以造成液泛6.1.1.4.停留时间 精馏中液体在降液管内停留时间一般35秒6.1.2 气液传质设备的效率及影响因素 实际板和理论板的差异 理论板假定离开该板的汽、液两相到达平衡 理论板上相互接触的汽液两相完全混合，板上液相浓度均一 实际板上汽液两相存在不均匀流动，停留时间有明显差异 实际板存在雾沫夹带、漏液和液相夹带泡沫现象。

级效率的定义1全塔效率ET总板效率，塔效率为完成给定别离任务所需要的理论塔板数N与实际塔板数Nact之比ET的特点是容易测定和使用板式塔默弗里Murphree板效率 默弗里板效率实际板上浓度变化与平衡时应到达的浓度变化之比与 成平衡的气相 摩尔分率默弗里气相板效率y i ,j +1xi,j-1yi,jxi,jjj-1一般 默弗里液相板效率y i ,j +1xi,j-1yi,jxi,jjj-1默弗里Murphree点效率 板上气液两相错流，假定液体在垂直方向上完全混合 若气液两相完全混合，则 与 成平衡的气相摩尔分率xi,j-1xi,jjj-1填料塔 传质单元高度等板高度HETP对于填料塔:为相当于一块理论板所需的填料高度 对于板式塔: 影响级效率的因素点效率与传质间的关系由双膜理论得： G一定， 塔板上液层愈厚，气泡愈分散，表面湍动程度愈高，点效率愈高NG、NL可由经验式求得液体混合情况对板效率的影响 液体流经塔板时，板上任一点的液体会在三个垂直方向上发生混合：纵向混合、横向混合和垂直于塔板液面，沿气流的混合这些混合将影响板效率描述流型对效率影响的数学模型：y i ,j +1xi,j-1yi,jxi,jjj-1板上液体完全混合 板上各点 均相同，并等于该板出口溢流液的xi,j组成，即 ，若进入板各点的 是均一的，则有： 液体完全不混合活塞流且停留时间相同默弗里板效率和点效率间关系式： 由上式得右图知：液体混合作用的减弱使默弗里板效率增大。

1.05.000.53.0EOGEMVEOG完全不混合完全混合液体局部混合 纵向混合将使 下降；横向混合将使 上升不完全混合使得 不均匀流动，尤其是环流会对效率产生不利影响；横向混合能削弱液相不均流动的不利影响；塔径加大，纵向不完全混合有利影响减弱，不均匀流动那么趋于加强液体流程的平均宽度完全混合 完全不混合 303雾沫夹带 雾沫夹带为级间混合，降低别离设备的别离效果，板效率下降 Colburn可尔本1936年推导出下关系： 有雾沫夹带下的板效率此外，漏液和气体被液体夹带也会使板效率降低求得 由 泛点百分率 Ea求取步骤由公式 求出OG求出彼克来准数 由图或公式求出EMV/EOG，进而求出EMV查图得到液泛极限KV，进而求出液泛速度uf查图得夹带分率e，由公式求出有雾沫夹带下的板效率4物性的影响 液体粘度密度梯度 当易挥发组分的 大于难挥发组分的 时，能形成混合旋流，可提高液相传质系数 大，产生气泡大，相界面小，两相接触差，且液相扩散系数小，效率低 因精馏T一般较吸收T高， 小，故精馏塔效率高于吸收塔相对挥发度 大那么相当于汽相溶解度低，Ki小，液相阻力大，效率低外表张力梯度 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 6.1.3.级效率的计算方法 由理论板数求实际板数需要板效率数据。

获取方法有三种： A、由工业塔数据归纳出的经验关联式求算；B、依赖传质速率的半理论模型求得；C、从实验装置或中间工厂直接得到数据 奥康奈尔OConnell关系曲线(图6-8经验关联式朱汝瑾公式：Van Winkle关系式 HETP 乱堆填料HETP一般为0.450.6米；鲍尔环25mm的HETP为0.3m， 38mm的HETP为0.45m，50mm的HETP为0.6m；规整填料如金属丝网波纹填料CY型的HETP为0.1250.166m、BX型的HETP为0.20.25m，麦勒派克填料的HETP为机理模型略6.1.3.3.由实验装置数据确定板效率当无欲别离物系的气液平衡数据时，到达别离程度所需的塔板数最好通过实验室测定使用称为Oldershaw塔的玻璃或金属筛板塔，塔径2550毫米，筛孔1毫米，开孔率10左右塔板数任意在201140千帕操作压力范围内，Oldershaw塔的效率与塔径在0.461.2米范围的中间试验塔和工业塔的数据一致 AIChE美国化学工程师学会法,基于双膜理论提出的计算方法 Oldershaw塔的偏于保守的试验步骤：1测定泛点；2在约60泛点下操作在4060范围内均可；3试验中通过调整塔板数和流率，到达预期别离程度； 4假设工业塔与Oldershaw塔在相同液气比下操作需要相同的塔板数。

6.1.4.气液传质设备的选择、板式塔和填料塔的选择 项目 板式塔 填料塔 压降 较大 小尺寸填料较大，大尺寸填料及规整填料较小 空塔气速 较大 小尺寸填料较小，大尺寸填料及规整填料较大 持液量 较大 较小 液气比 适应范围较大 适应范围较小 安装检修 较易 较难 材质 常用金属材料 金属及非金属材料 造价 大直径时较低 新型填料投资较大 塔效率 较稳定，效率较高 传统填料较低，新型填料较高 板式塔和填料塔的选择要考虑以下因素： 1物系的性质 物料具有腐蚀性时，通常选用填料塔； 易发泡物系，宜选填料塔，因其具有限制和破碎泡沫的作用； 对热敏物质或需真空下操作的物系宜选用填料塔； 别离有明显热效应的物系宜选用板式塔持液量大，便于安装换热装置； 易聚合和含有固体悬浮物的物系，不宜选用填料塔对高粘度的物系的别离，宜选用填料塔粘度高，板式塔效率低；2塔的操作条件 板式塔的直径一般0.6米，填料塔设备费随塔径增加而迅速增加，大塔慎用填料塔； 填料塔操作弹性小，对液体负荷变化尤为敏感，板式塔往往具有较大弹性； 采用新型填料的填料塔具有较大的生产能力和较小的HETP3塔的操作方式 间歇操作，填料塔持液量较小，较适宜； 由多个进料口和侧线采出的精馏塔，用板式塔更适宜。

填料的选择1 填料材质的选择 瓷质填料 耐腐蚀性好，使用温度范围较宽，价廉但质脆、易碎 金属填料 壁薄，大，通量大、压降小适用于真空精馏但价高，且应注意耐腐问题 塑料填料 耐腐蚀性好、质轻、耐冲击、不易破碎，通量大、压降小，但耐高温性能差3 填料尺寸的选择填料尺寸小，压降大，费用高；填料尺寸大易出现液体分布不均及严重壁流，别离效率低为此要求：2 填料种类的选择 4 填料的单位别离能力 别离过程为什么要节能？ 别离过程的特征？ 多组分别离的多塔排列顺序对能耗是否影响 ？6.2.别离过程的最小别离功等温别离最小功 当别离过程完全可逆时，别离消耗的功 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的环境进行可逆的热交换 别离过程的最小功热力学第一定律 等温可逆过程，进出系统的物流与环境的温度均为T,热力学第二定律 物质别离的难易程度，取决于待别离混合物和别离所得产物的组成xi，yi 、温度和压力1别离理想气体的混合物 理想气体混合物 由混合物别离成纯组分 等温等压别离理想气体耗功有以下规律： 1将等分子气体混合物别离成两个纯组分时所需最小功要比别离其它混合物所需最小功要大此时得无因次最小功为0.6931。

2同一进料组成yA，F，别离成两个纯组分比别离成两个非纯组分所需最小功要大，产品纯度越高，最小功越大3)理想气体的别离最小功与P和被别离组分间的相对挥发度无关4)环境温度较高，所需最小功较大例6-1 设空气中含氧21体积，假设在25常压下将空气可逆别离成95O2的气氧和99N2的气氮，计算别离1kmol空气的最小功 解：设产品气氧为1，气氮为2，氧为A，氮为B， 1计算别离产物1，2为非纯产品需最小功设产品气氧的量为xkmol，对别离前后的氧气作物料衡算： 10.21=0.95x+0.01(1x) 得：x=0.213kmol 所以产品气氮的量为0.787kmol，产品1，2的氧、氮摩尔出料如图计算别离空气为纯N2，纯O2所需最小功 可见，别离成非纯产品时所需最小功小于别离成纯组分产品时所需的最小功2别离低压的液体混合物 别离成纯组分时所需最小功 讨论： 1）若溶液为正偏差（即 ），等温分离最小功将比分离理想溶液时小；2)若溶液为负偏差（即 ），等温分离最小功将比分离理想溶液时大，原因是负偏差系统，不同组分间的分子力大于同一组分分子间的力，所以更难分离；3)对于完全不互溶体系（即 ）最小功等于零。

例6-2证明等温别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： 那么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， 所以yAF=0.5时， 有极大值6.2.2 非等温别离和有效能 别离过程所需的最小功，按物系在别离过程中的有效能的增量变化来表示 别离成纯组分时净功 由可逆热机将热转变为功，以确定实际过程的净功消耗精馏别离 6.2.3 净功消耗 热力学效率热力学效率 假设别离过程是完全可逆的，热力学效率为1实际过程为不可逆过程，故必定小于1.0通常: 1)只依靠外加能量(ESA)的别离过程如精馏、结晶，热力学效率较高；2)除参加ESA，还需参加MSA的别离过程如萃取精馏、共沸精馏、萃取、吸收和吸附等热力学效率较低；3)速率控制的别离过程热力学效率更低 如图精馏过程的净耗功为：QC TCQR TRDW F精 馏 塔 假设进出体系的物料的焓相近时，近似有QRQCQ， 则 例6-2某丙烯(A)-丙烷(B)精馏塔。

假设进料为泡点进料，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： 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35308K则由式6256.3.别离过程的节能6.3.1.别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。