Chongqing university of technology,第六章 分离过程及设备的 效率与节能综合,掌握,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,本章小结,本章要求,重点掌握,掌握,6.1气液传质设备的效率,了解,（1）气液传质设备的效率 1）理解、识记气液传质设备级效率的各种定义。 2）掌握影响级效率的因素和塔板上流动液相的三种混和类型。 3）掌握级效率计算方法中的机理模型方法。 （2）分离过程的最小分离功 1）理解分离过程的最小分离功定义 2）掌握多组分混合物的最小分离功、净功消耗、热力学效率计算,（3）分离过程的节能 1）理解分离过程热力学分析； 2）掌握节能的主要途径； 3）识记有关分离操作的节能经验规则 （4）分离过程系统合成 1）理解离顺序数定义及计算公式； 2）掌握分离过程系统合成三种方法。 3）掌握有序试探法中的四大规则。,6-1气液传质设备的效率,6.1 分 离 设 备 的 级 效 率,一、级效率的定义和影响因素 二、 级效率的计算方法 三、气液传质设备的选择,了解,了解,了解,6-1气液传质设备的效率,为确定传质设备的高度，可通过多级平衡过程的计算，决定完成一定分离任务所需的理论级数 将其他因素的影响归于传质分离的级效率 板式塔:一种塔内浓度为不连续变化的逐板接触型设备，每一塔板就是一个传质交换级，并构成多级平衡过程的一个单元 传质交换的两流体在一块塔板上接触后并不可能达到理论上的平衡状态，为表示板式塔传质效率的大小，常用板效率,6.1 分 离 设 备 的 级 效 率,6-1分离设备的级效率,填料塔: 一种塔内浓度为连续变化的微分接触型设备 用相当于一个传质单元的高度，或一个理论级的填料高度来表示填料塔的传质效率，称之为传质单元高度或理论板当量高度 讨论传质分离的级效率，就是讨论影响板式塔的板效率和填料塔的传质单元高度或理论板当量高度的各个因素及其计算方法,6.1 分 离 设 备 的 级 效 率,塔型,板式塔,填料塔,条形,方形,圆形,泡罩塔,筛板塔,浮阀,6.1 分 离 设 备 的 级 效 率,浮舌,塔板结构,填料塔结构,筛板,泡罩,填料类型,填料支撑,液体分 布装置,液体再 分布装置,一、级效率的定义和影响因素 Defination and influencing factors of stage efficiency,实际板和理论板的差异,6.1 分 离 设 备 的 级 效 率,汽液两相完全混合，板上 浓度均一，等于离开该板 溢流液的浓度,离开板的汽液相浓度达到 平衡：,传质量：,均匀流动，各点停留时间 相同,无雾沫夹带、漏液和液相 夹带汽相现象等,板上液相浓度径向分布，液 体入口处浓度高，进入的汽 相各点浓度不相同,达到平衡要无限长时间 影响因素：平衡关系、塔板 结构，流动情况、物性,不均匀流动，各点停留时间 有明显差异,雾沫夹带、漏液和液相夹带 汽相现象等,级效率的定义,1）全塔效率,2）Murphree板效率（干板效率）,6.1 分 离 设 备 的 级 效 率,y*i,j,也可液相浓度计算,且不同组分计算结果 不同（二元除外）,但,级效率的定义,3）点效率,4）理论板当量高度（HETP）,相当于一个理论板的分离程度所 需的填料层高度,6.1 分 离 设 备 的 级 效 率,级效率的定义,5）传质单元高度,NOG和NOL分别为气相和液相总传质单元数,HOG和HOL分别为气相和液相的总传质单元的 填料层高度,kG，kL为气相、液相总传质系数 a为填料的有效表面积,6.1 分 离 设 备 的 级 效 率,影响级效率的因素,1）点效率与传质间的关系,6.1 分 离 设 备 的 级 效 率,影响级效率的因素,1）点效率与传质间的关系,点效率,，P189（6-10）,（6-11）式可经验求,6.1 分 离 设 备 的 级 效 率,1）点效率与传质间的关系,美国化工学会（AIChE）对泡罩塔和筛板塔提出了下列经验式：,6.1 分 离 设 备 的 级 效 率,2）液体混合情况对板效率的影响,板上液体完全混合,液相完全不混合 活塞流,6.1 分 离 设 备 的 级 效 率,当NOG一定时，液体混合 作用减弱，使EmV增大， 且A越小，EmV越大,2、液体混合情况对板效率的影响,液体部分混合,混合程度介于活塞流和完全混合之间，常称为存在返混,6.1 分 离 设 备 的 级 效 率,2、液体混合情况对板效率的影响,完全混合级效率等于点效率 液相纵向不完全混合，使EmV/EOG对级效率起明显有利的影响 不均匀流动，环流会产生不利影响，液相横向混合，能削弱这种影响，使EmV/EOG 随塔径增大，纵向不完全混合性的有利影响下降，不均匀流动趋于严重,6.1 分 离 设 备 的 级 效 率,液体部分混合,完全混合,完全不混合,6.1 分 离 设 备 的 级 效 率,？,液体部分混合,6.1 分 离 设 备 的 级 效 率,3）雾沫夹带,两个相在传质交换后的分离，对塔设备就是气速较高时造成的雾沫夹带 影响：使重组分含量高的液体进入上层塔板，轻组分浓度下降 湿板效率,e：单位液体流率的雾沫夹带量，对不同 的塔型，可用经验式估算e,6.1 分 离 设 备 的 级 效 率,EaEmV,3）雾沫夹带,6.1 分 离 设 备 的 级 效 率,3）雾沫夹带,泛点百分率,求得,由,6.1 分 离 设 备 的 级 效 率,4）物性的影响,液相粘度，粘度高，两相接触差，同时液相扩散系数变小，故效率低 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 表面张力梯度 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 分 离 设 备 的 级 效 率,二、 级效率的计算方法 Calculation of stage efficiency,1、经验法 1）奥康奈尔（OConnell）关系曲线,6.1 分 离 设 备 的 级 效 率,二、 级效率的计算方法 Calculation of stage efficiency,1）奥康奈尔（OConnell）关系曲线,：全塔平均温度下进料的粘度,：相对挥发度,6.1 分 离 设 备 的 级 效 率,2）Van Winkle关系式,表面张力准数：,液体Schmidi准数：,Reynolds准数：,6.1 分 离 设 备 的 级 效 率,3）HETP,6.1 分 离 设 备 的 级 效 率,3）HETP,乱堆填料 HETP=0.45-0.6米 鲍尔环，25mm，HETP=0.3m； 38mm，HETP=0.45m； 50mm，HETP=0.6m。 规整填料 金属丝网波纹填料：CY型， HETP=0.125-0.166m； BX型，HETP=0.2-0.25m。 麦勒派克填料，HETP=0.25-0.33m,6.1 分 离 设 备 的 级 效 率,2、机理模型,1） 用（6-10，11）式计算出板上的气相传质单元数NG和液相传质单元数NL。 2） 用（6-9）式求出气相总传质单元数 NOG 3）用（6-8）式求出点效率EOG 4）计算板上液相返混程度Pe 5）查图6-5或（6-16）计算得EMV/EOG，并得干板效率 EMV 6）从图6-6，7求雾沫夹带量并按式（6-19）求Ea 特点：预测放大塔径后的板效率 计算繁复,6.1 分 离 设 备 的 级 效 率,6-2 分离过程的最小分离功 Minimum work of separation process,6.2 分 离 过 程 的 最 小 分 离 功,一、分离的最小功 二、非等温分离和有效能（Exergy） 三、净功和热力学效率,了解,掌握,掌握,分离过程为什么要节能？ 什么是分离过程的最小功？ 分离过程的特征？,6-2 分离过程的最小分离功 Minimum work of separation process,6.2 分 离 过 程 的 最 小 分 离 功,一、分离的最小功 Minimum word of separation,（1）定义 当分离过程完全可逆时，分离消耗的功 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（绝对温度）的环境进行可逆的热交换,？,6.2 分 离 过 程 的 最 小 分 离 功,（1）定义,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,6.2 分 离 过 程 的 最 小 分 离 功,（2）分离理想气体的混合物,理想气体混合物,由混合物分离成纯组分,？,6.2 分 离 过 程 的 最 小 分 离 功,（3）分离低压的液体混合物,分离成纯组分时所需最小功,6.2 分 离 过 程 的 最 小 分 离 功,二、非等温分离和有效能（Exergy）,若分离过程的产品温度与原料温度不同时，分离过程所需的最小功，按物系在分离过程中的有效能的增量变化来表示,6.2 分 离 过 程 的 最 小 分 离 功,三、净功和热力学效率,净功（Net work consumption ）,6.2 分 离 过 程 的 最 小 分 离 功,热力学效率,Thermodynamic efficiency,若分离过程是完全可逆的，热力学效率为1.0,实际过程为不可逆过程，故必定小于1.0,例题6-2,6.2 分 离 过 程 的 最 小 分 离 功,典型化工产品精馏比能耗,6-3分离过程的节能 Energy conservation of separation process,6.3 分 离 过 程 的 节 能,精馏过程的不可逆性,1）流体流动 流体流动时有压力降，当塔板数较多时，压力降也要加大，同时塔顶釜的温差也会加大，亦即W净增大 措施：增大塔径，降低板面液层厚度 , 改变板式塔为高效低压降填料塔,6.3 分 离 过 程 的 节 能,2）传热,一定温度梯度的热量传递 因温差传热过程而引起的有效能损失为,措施：使传热温差减小，则传热面积需增大,可换用高效换热器或改进操作方式，如热 虹吸式再沸器或特制循环式塔换热器,不同温度物流的直接混合,6.3 分 离 过 程 的 节 能,3）传质,通过一定浓度梯度的质量传递或不同化学位物流的直接混合 即上升蒸汽与下流液体进行传质过程时，两相浓度与平衡浓度的差别 化学位是传质的推动力，正是由于两相间的化学位有差异，导致传质过程发生有效能的损失,6.3 分 离 过 程 的 节 能,节省精馏过程能耗的一些措施,1）有效能的充分回收及利用 采用加强设备的保温以及回收利用物流的部分显热或潜热等措施 2）减少过程的净耗功 采用改变分离过程操作条件的方法来减少过程的净耗功，如严格控制设计富裕度，选定最佳回流比促使设备投资费与操作费降为最少,6.3 分 离 过 程 的 节 能,3）减少质量传递中的浓度梯度（ ）,从二元系的图中可看出，若将操作线向平衡线靠近，即能减少传质推动力，从而减少了精馏过程的不可逆程度，降低净功耗 为此采用中间冷凝及中间再沸手段,6.3 分 离 过 程 的 节 能,3）减少质量传递中的浓度梯度（ ）,6.3 分 离 过 程 的 节 能,3）减少质量传递中的浓度梯度（ ）,6.3 分 离 过 程 的 节 能,4）多效精馏 (Multiple Effect Distillation),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顶的再沸器的预热介质,6.3 分 离 过 程 的 节 能,4）多效精馏,6.3 分 离 过 程 的 节 能,5）热泵精馏 (Heat pump Dist