分離過程及設(shè)備的效率與節(jié)能綜合 (ppt 68頁).ppt

1、Chongqing university of technology,第六章 分離過程及設(shè)備的 效率與節(jié)能綜合,掌握,6.2分離過程的最小分離功,6.3分離過程的節(jié)能,6.4分離過程系統(tǒng)合成,本章小結(jié),本章要求,重點掌握,掌握,6.1氣液傳質(zhì)設(shè)備的效率,了解,（1）氣液傳質(zhì)設(shè)備的效率 1）理解、識記氣液傳質(zhì)設(shè)備級效率的各種定義。 2）掌握影響級效率的因素和塔板上流動液相的三種混和類型。 3）掌握級效率計算方法中的機(jī)理模型方法。 （2）分離過程的最小分離功 1）理解分離過程的最小分離功定義 2）掌握多組分混合物的最小分離功、凈功消耗、熱力學(xué)效率計算,（3）分離過程的節(jié)能 1）理解分離過程熱力學(xué)分

2、析； 2）掌握節(jié)能的主要途徑； 3）識記有關(guān)分離操作的節(jié)能經(jīng)驗規(guī)則 （4）分離過程系統(tǒng)合成 1）理解離順序數(shù)定義及計算公式； 2）掌握分離過程系統(tǒng)合成三種方法。 3）掌握有序試探法中的四大規(guī)則。,6-1氣液傳質(zhì)設(shè)備的效率,6.1 分 離 設(shè) 備 的 級 效 率,一、級效率的定義和影響因素 二、 級效率的計算方法 三、氣液傳質(zhì)設(shè)備的選擇,了解,了解,了解,6-1氣液傳質(zhì)設(shè)備的效率,為確定傳質(zhì)設(shè)備的高度，可通過多級平衡過程的計算，決定完成一定分離任務(wù)所需的理論級數(shù) 將其他因素的影響歸于傳質(zhì)分離的級效率 板式塔:一種塔內(nèi)濃度為不連續(xù)變化的逐板接觸型設(shè)備，每一塔板就是一個傳質(zhì)交換級，并構(gòu)成多級平衡過程

3、的一個單元 傳質(zhì)交換的兩流體在一塊塔板上接觸后并不可能達(dá)到理論上的平衡狀態(tài)，為表示板式塔傳質(zhì)效率的大小，常用板效率,6.1 分 離 設(shè) 備 的 級 效 率,6-1分離設(shè)備的級效率,填料塔: 一種塔內(nèi)濃度為連續(xù)變化的微分接觸型設(shè)備 用相當(dāng)于一個傳質(zhì)單元的高度，或一個理論級的填料高度來表示填料塔的傳質(zhì)效率，稱之為傳質(zhì)單元高度或理論板當(dāng)量高度 討論傳質(zhì)分離的級效率，就是討論影響板式塔的板效率和填料塔的傳質(zhì)單元高度或理論板當(dāng)量高度的各個因素及其計算方法,6.1 分 離 設(shè) 備 的 級 效 率,塔型,板式塔,填料塔,條形,方形,圓形,泡罩塔,篩板塔,浮閥,6.1 分 離 設(shè) 備 的 級 效 率,浮舌,塔

4、板結(jié)構(gòu),填料塔結(jié)構(gòu),篩板,泡罩,填料類型,填料支撐,液體分 布裝置,液體再 分布裝置,一、級效率的定義和影響因素Defination and influencing factors of stage efficiency,實際板和理論板的差異,6.1 分 離 設(shè) 備 的 級 效 率,汽液兩相完全混合，板上 濃度均一，等于離開該板 溢流液的濃度,離開板的汽液相濃度達(dá)到 平衡：,傳質(zhì)量：,均勻流動，各點停留時間 相同,無霧沫夾帶、漏液和液相 夾帶汽相現(xiàn)象等,板上液相濃度徑向分布，液 體入口處濃度高，進(jìn)入的汽 相各點濃度不相同,達(dá)到平衡要無限長時間 影響因素：平衡關(guān)系、塔板 結(jié)構(gòu)，流動情況、物性,不

5、均勻流動，各點停留時間 有明顯差異,霧沫夾帶、漏液和液相夾帶 汽相現(xiàn)象等,級效率的定義,1）全塔效率,2）Murphree板效率（干板效率）,6.1 分 離 設(shè) 備 的 級 效 率,y*i,j,也可液相濃度計算,且不同組分計算結(jié)果 不同（二元除外）,但,級效率的定義,3）點效率,4）理論板當(dāng)量高度（HETP）,相當(dāng)于一個理論板的分離程度所 需的填料層高度,6.1 分 離 設(shè) 備 的 級 效 率,級效率的定義,5）傳質(zhì)單元高度,NOG和NOL分別為氣相和液相總傳質(zhì)單元數(shù),HOG和HOL分別為氣相和液相的總傳質(zhì)單元的 填料層高度,kG，kL為氣相、液相總傳質(zhì)系數(shù) a為填料的有效表面積,6.1 分

6、離 設(shè) 備 的 級 效 率,影響級效率的因素,1）點效率與傳質(zhì)間的關(guān)系,6.1 分 離 設(shè) 備 的 級 效 率,影響級效率的因素,1）點效率與傳質(zhì)間的關(guān)系,點效率,，P189（6-10）,（6-11）式可經(jīng)驗求,6.1 分 離 設(shè) 備 的 級 效 率,1）點效率與傳質(zhì)間的關(guān)系,美國化工學(xué)會（AIChE）對泡罩塔和篩板塔提出了下列經(jīng)驗式：,6.1 分 離 設(shè) 備 的 級 效 率,2）液體混合情況對板效率的影響,板上液體完全混合,液相完全不混合 活塞流,6.1 分 離 設(shè) 備 的 級 效 率,當(dāng)NOG一定時，液體混合 作用減弱，使EmV增大， 且A越小，EmV越大,2、液體混合情況對板效率的影響,

7、液體部分混合,混合程度介于活塞流和完全混合之間，常稱為存在返混,6.1 分 離 設(shè) 備 的 級 效 率,2、液體混合情況對板效率的影響,完全混合級效率等于點效率 液相縱向不完全混合，使EmV/EOG對級效率起明顯有利的影響 不均勻流動，環(huán)流會產(chǎn)生不利影響，液相橫向混合，能削弱這種影響，使EmV/EOG 隨塔徑增大，縱向不完全混合性的有利影響下降，不均勻流動趨于嚴(yán)重,6.1 分 離 設(shè) 備 的 級 效 率,液體部分混合,完全混合,完全不混合,6.1 分 離 設(shè) 備 的 級 效 率,？,液體部分混合,6.1 分 離 設(shè) 備 的 級 效 率,3）霧沫夾帶,兩個相在傳質(zhì)交換后的分離，對塔設(shè)備就是氣速較

8、高時造成的霧沫夾帶 影響：使重組分含量高的液體進(jìn)入上層塔板，輕組分濃度下降 濕板效率,e：單位液體流率的霧沫夾帶量，對不同 的塔型，可用經(jīng)驗式估算e,6.1 分 離 設(shè) 備 的 級 效 率,EaEmV,3）霧沫夾帶,6.1 分 離 設(shè) 備 的 級 效 率,3）霧沫夾帶,泛點百分率,求得,由,6.1 分 離 設(shè) 備 的 級 效 率,4）物性的影響,液相粘度，粘度高，兩相接觸差，同時液相擴(kuò)散系數(shù)變小，故效率低 相對揮發(fā)度，大則相當(dāng)于汽相溶解度低，Ki小，液相阻力大，效率低 表面張力梯度 a.正系統(tǒng),泡沫狀態(tài)下操作,b.負(fù)系統(tǒng),噴射狀態(tài)下操作,c.中性系統(tǒng),6.1 分 離 設(shè) 備 的 級 效 率,二

9、、 級效率的計算方法Calculation of stage efficiency,1、經(jīng)驗法 1）奧康奈爾（OConnell）關(guān)系曲線,6.1 分 離 設(shè) 備 的 級 效 率,二、 級效率的計算方法Calculation of stage efficiency,1）奧康奈爾（OConnell）關(guān)系曲線,：全塔平均溫度下進(jìn)料的粘度,：相對揮發(fā)度,6.1 分 離 設(shè) 備 的 級 效 率,2）Van Winkle關(guān)系式,表面張力準(zhǔn)數(shù)：,液體Schmidi準(zhǔn)數(shù)：,Reynolds準(zhǔn)數(shù)：,6.1 分 離 設(shè) 備 的 級 效 率,3）HETP,6.1 分 離 設(shè) 備 的 級 效 率,3）HETP,亂堆填

10、料 HETP=0.45-0.6米 鮑爾環(huán)，25mm，HETP=0.3m； 38mm，HETP=0.45m； 50mm，HETP=0.6m。 規(guī)整填料 金屬絲網(wǎng)波紋填料：CY型， HETP=0.125-0.166m； BX型，HETP=0.2-0.25m。 麥勒派克填料，HETP=0.25-0.33m,6.1 分 離 設(shè) 備 的 級 效 率,2、機(jī)理模型,1） 用（6-10，11）式計算出板上的氣相傳質(zhì)單元數(shù)NG和液相傳質(zhì)單元數(shù)NL。 2） 用（6-9）式求出氣相總傳質(zhì)單元數(shù) NOG 3）用（6-8）式求出點效率EOG 4）計算板上液相返混程度Pe 5）查圖6-5或（6-16）計算得EMV/EO

11、G，并得干板效率 EMV 6）從圖6-6，7求霧沫夾帶量并按式（6-19）求Ea 特點：預(yù)測放大塔徑后的板效率 計算繁復(fù),6.1 分 離 設(shè) 備 的 級 效 率,6-2 分離過程的最小分離功 Minimum work of separation process,6.2 分 離 過 程 的 最 小 分 離 功,一、分離的最小功 二、非等溫分離和有效能（Exergy） 三、凈功和熱力學(xué)效率,了解,掌握,掌握,分離過程為什么要節(jié)能？ 什么是分離過程的最小功？ 分離過程的特征？,6-2 分離過程的最小分離功 Minimum work of separation process,6.2 分 離 過 程

12、的 最 小 分 離 功,一、分離的最小功Minimum word of separation,（1）定義 當(dāng)分離過程完全可逆時，分離消耗的功 完全可逆 體系內(nèi)所有的變化過程必須是可逆的 體系只與溫度為T0（絕對溫度）的環(huán)境進(jìn)行可逆的熱交換,？,6.2 分 離 過 程 的 最 小 分 離 功,（1）定義,物質(zhì)分離的難易程度，取決于待分離混合物和 分離所得產(chǎn)物的組成（xi，yi） 、溫度和壓力,6.2 分 離 過 程 的 最 小 分 離 功,（2）分離理想氣體的混合物,理想氣體混合物,由混合物分離成純組分,？,6.2 分 離 過 程 的 最 小 分 離 功,（3）分離低壓的液體混合物,分離成純組分

13、時所需最小功,6.2 分 離 過 程 的 最 小 分 離 功,二、非等溫分離和有效能（Exergy）,若分離過程的產(chǎn)品溫度與原料溫度不同時，分離過程所需的最小功，按物系在分離過程中的有效能的增量變化來表示,6.2 分 離 過 程 的 最 小 分 離 功,三、凈功和熱力學(xué)效率,凈功（Net work consumption ）,6.2 分 離 過 程 的 最 小 分 離 功,熱力學(xué)效率,Thermodynamic efficiency,若分離過程是完全可逆的，熱力學(xué)效率為1.0,實際過程為不可逆過程，故必定小于1.0,例題6-2,6.2 分 離 過 程 的 最 小 分 離 功,典型化工產(chǎn)品精餾比

14、能耗,6-3分離過程的節(jié)能 Energy conservation of separation process,6.3 分 離 過 程 的 節(jié) 能,精餾過程的不可逆性,1）流體流動 流體流動時有壓力降，當(dāng)塔板數(shù)較多時，壓力降也要加大，同時塔頂釜的溫差也會加大，亦即W凈增大 措施：增大塔徑，降低板面液層厚度 , 改變板式塔為高效低壓降填料塔,6.3 分 離 過 程 的 節(jié) 能,2）傳熱,一定溫度梯度的熱量傳遞 因溫差傳熱過程而引起的有效能損失為,措施：使傳熱溫差減小，則傳熱面積需增大,可換用高效換熱器或改進(jìn)操作方式，如熱 虹吸式再沸器或特制循環(huán)式塔換熱器,不同溫度物流的直接混合,6.3 分 離

15、過 程 的 節(jié) 能,3）傳質(zhì),通過一定濃度梯度的質(zhì)量傳遞或不同化學(xué)位物流的直接混合 即上升蒸汽與下流液體進(jìn)行傳質(zhì)過程時，兩相濃度與平衡濃度的差別 化學(xué)位是傳質(zhì)的推動力，正是由于兩相間的化學(xué)位有差異，導(dǎo)致傳質(zhì)過程發(fā)生有效能的損失,6.3 分 離 過 程 的 節(jié) 能,節(jié)省精餾過程能耗的一些措施,1）有效能的充分回收及利用 采用加強(qiáng)設(shè)備的保溫以及回收利用物流的部分顯熱或潛熱等措施 2）減少過程的凈耗功 采用改變分離過程操作條件的方法來減少過程的凈耗功，如嚴(yán)格控制設(shè)計富裕度，選定最佳回流比促使設(shè)備投資費與操作費降為最少,6.3 分 離 過 程 的 節(jié) 能,3）減少質(zhì)量傳遞中的濃度梯度（ ）,從二元系的

16、圖中可看出，若將操作線向平衡線靠近，即能減少傳質(zhì)推動力，從而減少了精餾過程的不可逆程度，降低凈功耗 為此采用中間冷凝及中間再沸手段,6.3 分 離 過 程 的 節(jié) 能,3）減少質(zhì)量傳遞中的濃度梯度（ ）,6.3 分 離 過 程 的 節(jié) 能,3）減少質(zhì)量傳遞中的濃度梯度（ ）,6.3 分 離 過 程 的 節(jié) 能,4）多效精餾(Multiple Effect Distillation),利用若干壓力不同的精餾塔，按壓力高低順序進(jìn)行組合，使相鄰兩塔之間將高壓塔頂?shù)恼羝鳛榈蛪核數(shù)脑俜衅鞯念A(yù)熱介質(zhì),6.3 分 離 過 程 的 節(jié) 能,4）多效精餾,6.3 分 離 過 程 的 節(jié) 能,5）熱泵精餾(H

17、eat pump Distillation),將溫度較低的塔頂蒸汽經(jīng)壓縮后作為塔底再沸器的熱源 消耗一定量的機(jī)械功來提高低溫蒸汽的能位而加以利用,1,2,3,4,6.2 分 離 過 程 的 節(jié) 能,6-4分離過程的系統(tǒng)合成 Synthesis of Separation process system,一、多組分精餾分離流程方案數(shù) Program numbers of Multicomponent distillation separation flows 二、安排分離流程的一些經(jīng)驗規(guī)則 Empirical regulations of arranging separation flows,湖南

18、與江蘇兩廠能耗對比結(jié)果,6-4分離過程的系統(tǒng)合成 Synthesis of Separation process system,6.4 分 離 過 程 的 系 統(tǒng) 合 成,6-4分離過程的系統(tǒng)合成 Synthesis of Separation process system,一、多組分精餾分離流程方案數(shù) 1）簡單精餾塔分離，簡單-清晰的分割 只用簡單塔將有c個組分所組成溶液分離成c個產(chǎn)品時，需要c-1個塔,若為5組分，則Sc=14,6.4 分 離 過 程 的 系 統(tǒng) 合 成,若為10組分，Sc=4862,2）多方法分離情況,若考慮復(fù)雜塔或特殊精餾以及應(yīng)用吸收，其總順序為,T為所考慮的不同分離方

19、法數(shù),6.4 分 離 過 程 的 系 統(tǒng) 合 成,3）多組分分離序列,6.4 分 離 過 程 的 系 統(tǒng) 合 成,3）多組分分離序列,6.4 分 離 過 程 的 系 統(tǒng) 合 成,3）多組分分離序列,6.4 分 離 過 程 的 系 統(tǒng) 合 成,3）多組分分離序列,6.4 分 離 過 程 的 系 統(tǒng) 合 成,二、安排分離流程的一些經(jīng)驗規(guī)則,1）首選分離方法為能量分離劑的方法（如普通精餾） 其次選用是使用物質(zhì)分離劑的方法（如吸收，液液萃取和特殊精餾）。 關(guān)鍵組分的相對揮發(fā)度小于1.05時，普通精餾在經(jīng)濟(jì)上不合算,6.4 分 離 過 程 的 系 統(tǒng) 合 成,2）易分離的組分先分,6.4 分 離 過 程 的 系 統(tǒng) 合 成,3）易揮發(fā)組分先分（直接分離序列）,6.4 分 離 過 程 的 系 統(tǒng) 合 成,4）盡可能對分（料液的等摩爾分割）,6.4 分 離 過 程 的 系 統(tǒng) 合 成,5）量多的組分先分,6）分離要求高和最困難分離的組分后分 7）有特殊組分的要先分 注意： 同時滿足（或近似滿足）幾條規(guī)則的序列應(yīng)予優(yōu)先考慮； 同時考慮用不同試探規(guī)則確定的幾種序列； 確定起主要作用的規(guī)則； 保留23個最好的序列。,例題6-3,