第七章-分离序列综合

1第七章分离序列综合化工生产过程中通常包括多组分混合物分离操作，分离操作广泛用于原料净化、产物分离、成品提纯和废料处理等工艺过程。分离过程与设备在整个装置投资和设备费中占有很大比重，从而构成过程系统中重要组成部分。选择合理的分离方法与确定最优的分离序列，是分离序列综合的主要目的。物质分离是通过设计合理的方法，依靠化学位的差异而实现有序地迁移。一般可按照混合物中各物质的物性差异来选择分离方法。这些物理性质是：沸点、熔点、挥发性、在不同溶剂中的溶解度、吸附性能、吸收性能、相对密度、尺寸（粒度）、电磁性能、化学反应性能等。表7-1是常见的工业分离方法表7-1工业常用的分离方法分离方法进料状态分离介质过程物流状态或增加的相态依据的分离原理平衡闪蒸液和（或）气降低压力或热量传递气或液挥发度的不同精馏液和（或）气热量传递气或液挥发度的不同气体吸收气液体吸收剂液挥发度的不同解吸液气体解吸剂气挥发度的不同萃取精馏液和（或）气液体溶剂或热量传递气和液挥发度的不同共沸精馏液和（或）气液体共沸剂或热量传递气和液挥发度的不同液-液萃取液液体溶剂第二液体溶解度的不同结晶液热量传递固体溶解度的不同气体吸附气固体吸附剂固体吸收能力的不同液体吸附液固体吸附剂固体吸收能力的不同膜分离液或气膜膜渗透压或溶解度的不同超临界萃取液或气超临界萃取剂超临界流体溶解度的不同过滤固液体溶剂液溶解度的不同干燥固或液热量传递气挥发度的不同在选择分离方法时，要注意选择方法的有效性，要注意考虑所选用的方法能否使产品达到所需的纯度要求；另外应尽量选择已成熟的技术，尽量少用化学法。一般对于高产值低产量的精细化学品，分离成本不是重要问题，常选用效率高的新型分离装置，按产品需要可选用膜分离、色谱法等；对于低产值大产量的产品必须考虑分离成本，并尽可能降低能量消耗。精馏是分离均相液体混合物的单元操作，其基本依据是组分挥发性的差异。在工业生产上，精馏往往是首先分离方法。精馏是实现传质分离的重要手段，其节能降耗问题一直是研2究热点。通过对流程合理安排以降低各项费用，是精馏分离序列综合的主要内容。为了找到最优的分离序列，需要采用某种评价指标以便对分离序列的优劣进行判断。分离序列的评判指标可以认为是其中所有独立分离单元评价简单加和。定量的评价指标为设计参数条件下，年度费用总和，通过严格的模拟分析进行优化综合，计算过程非常复杂；为了简化计算，通常采用定性指标：分离易度系数（CES）分离难度系数（CDS）作为置信指标。分离易度系数：fCES，f(≤1)为塔顶与塔釜产品摩尔流量比，△为相邻组分间的沸点差绝对值。即其中D表示塔顶出料摩尔流量，W表示塔底出料摩尔流量。α：相对挥发度分离难度系数定义：——轻、重组分在塔顶摩尔分数比——轻、重组分在塔低摩尔分数比分离易度系数越大或分离难度系数越小，表示轻、重关键组分越易被分离；对特定分离序列，其中独立分离单元分离易度系数总和越大分离难度系数总和越小，该分离序列也就更优。7.1分离序列综合经典方法直观推断是根据经验规则进行系统综合的方法。这些规则虽然没有坚实的数学基础，但大多含有一定的理论依据。由于直观推断规则对问题空间进行约束划分，从而显著缩小了搜索范围。在处理精馏分离序列综合问题时，直观推断往往具有简捷高效的优点。有序直观推断，是把直观推断规则按重要程度分类排序，然后按次序逐步使用这些规则综合分离序列。具体包括四类规则。（1）方法（M）规则（2）设计（D）规则（3）成分（S）规则（4）组成（C）规则WDDWWDWDf//1001）（或bTBDBDBDDhklkxxxxCDSWhklkDhklk1,loglogBDBDBDDhklkxxxxCDSWhklkDhklk1,loglogBDBDBDDhklkxxxxCDSWhklkDhklk1,loglog3下面介绍这四类规则中包括的有序直观推断规则：(1)M1规则在所有其他分离方法中，优先采用能量分离剂分离方法（例如精馏），避免用质量分离剂分离方法（例如萃取）。当关键组分间的相对挥发度小于1.05~1.10时，应该采用质量分离剂分离方法（例如萃取），此时质量分离剂应在下步立即分离。（2）M1规则精馏分离过程尽量避免真空和制冷操作。如需采用真空操作，则可考虑用萃取方案代替；如需采用制冷操作，则可考虑采用吸收方案代替。由于真空和制冷操作能耗较大，有时即使在较高温度和压力下操作也会有利。（3）D1规则当产品集中包括多个多元产品时，倾向于选择得到最少产品种类的分离序列。相同的产品不要在几处分出。因为产品集合越小，相应分离序列中的分离单元就越少，所以费用可能较低。（4）S1规则首先安排除去腐蚀性组分和有毒有害组分，从而避免对后继设备苛刻要求，提高安全操作保证，减少环境污染。（5）S2规则最后处理难分离或分离要求高的组分，特别是当关键组分间的相对挥发度接近1时，应当在没有非关键组分存在的情况下进行分离，这时分离净功耗可以保持较低水平。（6）C1规则进料中含量最多的组分应该首先分离出去，这样可以避免含量最多的组分在后续塔中多次气化与冷凝，降低后续塔的负荷。（8）C2规则如果组分间的性质差异以及组分变化范围不大，则倾向于塔顶和塔底产品量等摩尔分离。精馏塔冷凝器负荷与再沸器负荷不能独立调节，塔顶和塔底产品量等摩尔分离时，精馏段回流比与提馏段蒸发比可以得到较好的平衡。如果不能按塔顶和塔底产品量等摩尔分离（如分离点组分间相对挥发度太小等情况），则可选择具有最大分离易度系数处为分离点。下面结合实例说明有序直观推断法的应用组分mol/h标准沸点T相邻组分的沸点差ΔT分离易度系数CESA氢18-2539223.0B甲烷5-1615719.6C乙烯24-1041614.6D乙烷15-884018.1E丙烯14-4861.1F丙烷6-42414.0G重组分8-1要求分离出6个产品（AB），C，D，E，F，G解：(1)由规则（1）、（2），采用常规蒸馏，加压下冷冻(2)按规则（3），A、B间不要分开，因为A、B两组分混合物为单个产品。4(3)规则（4）未用(4)由规则（5），C/D，E/F的分离应放在最后，因为其相邻组分沸点差最小。(5)规则（6）未用；(6)按规则（7），AB/CDEFG的分离应该优先，因为其CES=19.6为最大；(7)前第四步已确定C/D，E/F的分离放在最后，所以第六步剩下的混合物C、D、E、F、G只能在下面两个方案中选择，该两方案的有关参数如下：选择的方案是：CD/EFG（8）综上所得最终的分离序列为习题：序号流量（kmol/h）相邻组分相对挥发度标准沸点（ºC）f分离易度系数A4-42.1B302.45-6.3C1001.18-0.5D322.8915.0E241.4521.0F102.5036.1参数CD/EFGCDEF/Gf28/398/59△T4041CES28.75.6EFABCDEFGABCDEFGCDEFGEGDCF