06-分离过程及设备的效率与节能综合

第六章分离过程及设备的效率与节能综合６.1气液传质设备的效率6.2分离过程的最小分离功6.3分离过程的节能6.4分离过程系统合成（1）掌握等温分离的最小功的计算方法，了解非等温分离和有效能、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）掌握简单分离和复杂塔的分离顺序的合成的原则。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：6.1.1.1液泛板式塔：，处理能力增加；fTuHVL,填料塔：，处理能力增加。规整填料处理能力大于乱堆填料。fLuaVL,,,6.1.1.2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。随。，雾沫夹带量迅速塔负荷,TH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。PP6.1.1.4.停留时间精馏中液体在降液管内停留时间一般≮3～5秒。6.1.2气液传质设备的效率及影响因素6.1.2.1实际板和理论板的差异⑴理论板假定离开该板的汽、液两相达到平衡⑵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⑶实际板上汽液两相存在不均匀流动，停留时间有明显差异⑷实际板存在雾沫夹带、漏液和液相夹带泡沫现象。6.1.2.2级效率的定义（1）全塔效率ET（总板效率，塔效率）－－为完成给定分离任务所需要的理论塔板数（N）与实际塔板数（Nact）之比。actTNNEET的特点是容易测定和使用。⑵板式塔①默弗里（Murphree）板效率1,,1,,,jijijijiMViyyyyE默弗里板效率――实际板上浓度变化与平衡时应达到的浓度变化之比。jiy,――与成平衡的气相摩尔分率。jix,默弗里气相板效率yi,j+1xi,j-1yi,jxi,jjj-1MLiMViEE,,一般1,,1,,,jijijijiMLixxxxE默弗里液相板效率yi,j+1xi,j-1yi,jxi,jjj-1②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。1,,1,,,jijijijiOGiyyyyE若气液两相完全混合，则＝。OGiE,MViE,jiy,――与成平衡的气相摩尔分率。jix,xi,j-1xi,jjj-1jix,jiy,JJ1,jiy⑶填料塔①传质单元高度OGOGNHZOLOLNHZbayyOGyydyN*baxxOLxxdxN*AaKVHGOGAaKLHLOL②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:TTactTEHNNHHETPNZHETP理论级数填料高度6.1.2.3影响级效率的因素⑴点效率与传质间的关系由双膜理论得：OGyEKZa,,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。GaZKOGyeE1ANNNLGOG111KVLANG、NL可由经验式求得。⑵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：yi,j+1xi,j-1yi,jxi,jjj-1①板上液体完全混合MVijijijijiOGEyyyyE,1,,1,,OGNOGMVeEE1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：jijixx,,jix,1,jiyjijiyy,,②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：1OGEMVeE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。1.05.000.53.0EOG／λEMV／EOG完全不混合完全混合③液体部分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。OGMVEEOGMVEEOGMVEE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，不均匀流动则趋于加强。液体流程的平均宽度0Pe]1[1/)(1)[(1)(eeePOGmvPePPeEEewfvGEhlLuD18.0)(68.30171.000378.0)(5.0]1)41[(22/1eOGePEPPe完全混合LEetDlP2完全不混合30（3）雾沫夹带雾沫夹带为级间混合，降低分离设备的分离效果，板效率下降。Colburn（可尔本）1936年推导出下关系：eeEEEMVMVa11aE――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。GLGFvuK求得由vKFu泛点百分率Fuu/Ea求取步骤①由公式求出ＥOGOGNOGeE1②求出彼克来准数由图或公式求出EMV/EOG，进而求出EMV。LEetDlP2③查图得到液泛极限KV，进而求出液泛速度uf④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①液体粘度②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。LL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。LL③相对挥发度大则相当于汽相溶解度低，Ki小，液相阻力大，效率低④表面张力梯度a.正系统重轻01dxd泡沫状态下操作b.负系统重轻01dxd喷射状态下操作c.中性系统重轻01dxd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。245.0049.0E⑴奥康奈尔（O’Connell）关系曲线(图6-8）6.1.3.1经验关联式468.0ln164.0xET1x443.0ln0687.0xET1xiLixxLLMMThVLE30.0lg25.0lg30.067.1lg朱汝瑾公式：⑵VanWinkle关系式⑶HETP乱堆填料HETP一般为0.45~0.6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0.125~0.166m、BX型的HETP为0.2~0.25m，麦勒派克填料的HETP为0.25-0.33m。08.025.014.007.0ecgmvRSDE6.1.3.2机理模型（略）6.1.3.3.由实验装置数据确定板效率当无欲分离物系的气液平衡数据时，达到分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25～50毫米，筛孔1毫米，开孔率10％左右。塔板数任意。在20～1140千帕操作压力范围内，Oldershaw塔的效率与塔径在0.46～1.2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40～60％范围内均可）；3）试验中通过调整塔板数和流率，达到预期分离程度；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6.1.4.1、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①物料具有腐蚀性时，通常选用填料塔；②易发泡物系，宜选填料塔，因其具有限制和破碎泡沫的作用；③对热敏物质或需真空下操作的物系宜选用填料塔；⑤分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）；⑥易聚合和含有固体悬浮物的物系，不宜选用填料塔。④对高粘度的物系的分离，宜选用填料塔（粘度高，板式塔效率低）；（2）塔的操作条件①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；②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；③采用新型填料的填料塔具有较大的生产能力和较小的HETP。（3）塔的操作方式①间歇操作，填料塔持液量较小，较合适；②由多个进料口和侧线采出的精馏塔，用板式塔更合适。6.1.4.2、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，ε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，分离效率低。为此要求：（2）填料种类的选择（4）填料的单位分离能力810~8ppdDdD鲍尔环，矩鞍形填料拉西环填料分离过程为什么要节能？分离过程的特征？多组分分离的多塔排列顺序对能耗是否影响？6.2.分离过程的最小分离功6.2.1.1等温分离最小功当分离过程完全可逆时，分离消耗的功完全可逆①体系内所有的变化过程必须是可逆的②体系只与温度为T0的环境进行可逆的热交换min0WHSTWid6.2.1分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进出WQHnHnjjkk出进jjkkSnSnTQSTHSnSnTHnHnWjjkkjjkk0min出进进出TSHGiiiiZGZG)ˆlnˆ(ln00iiiiffRTconstT出进)ˆln()ˆln(,,,,minjijijkikikfZnfZnRTGnW物质分离的难易程度，取决于待分离混合物和分离所得产物的组成（xi，yi）、温度和压力（1）分离理想气体的混合物理想气体混合物iiyzpyfiiˆ出进)ln()ln(,,,,min,jijijkikikTyynyynRTW由混合物分离成纯组分1,kiy0ln,kiyFiFiFTyyRTnWlnmin,FBFBFAFAFTyyyyRTnW,,,,min,lnln等温等压分离理想气体耗功有以下规律：1）将等分子气体混合物分离成两个纯组分时所需最小功要比分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，分离成两个纯组分比分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)理想气体的分离最小功与P和被分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），若在25℃常压下将空气可逆分离成95％O2的气氧和99％N2的气氮，计算分离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）计算分离产物1，2为非纯产品需最小功设产品气氧的量为xkmol，对分离前后的氧气作物料衡算：1×0.21=0.95x+0.01(1—x)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。