化工分離工程061

1、 混合過程為不可逆過程，其混合過程為不可逆過程，其逆過程（分離過程）耗能。逆過程（分離過程）耗能。學習本章意義： 1.確定完成一個分離過程所需理論最小能量； 2.確定接近此能量極限的實際過程，或減小使用昂貴能量的實際過程。 第一節(jié)第一節(jié) 第二節(jié)第二節(jié) 第三節(jié)第三節(jié) 第一節(jié)第一節(jié) 分離的最小功和熱力學效率分離的最小功和熱力學效率.1 .2 .3 熱力學第二定律：熱力學第二定律：完成同一變化的任何可完成同一變化的任何可 逆過程所需功相等。逆過程所需功相等。6.1.1 等溫分離最小功等溫分離最小功1,1 , 1hiznmhmizmn,1,1, 1 mh

2、mizmn2,2 , 2hiznwq連續(xù)穩(wěn)定分離系統(tǒng)：連續(xù)穩(wěn)定分離系統(tǒng)：進出系統(tǒng)物流變量：進出系統(tǒng)物流變量： n，zi，h，s（熵），（熵），q 系統(tǒng)對環(huán)境作功：系統(tǒng)對環(huán)境作功： w）（按熱力學第一定律：按熱力學第一定律：出出進進（能量守恒）（能量守恒）16 whnqhnkkjj）（自由焓定義：自由焓定義：進進出出56min, jjkktgngngwtshg）（即：即：sthwt min,1626min,jjkkjjkktsnsnthnhnw 進進出出進進出出）：）：）代入（）代入（將（將（）（設等溫可逆過程：設等溫可逆過程：進進出出26 jjkksnsntq）（氣氣體體：、成成純純構(gòu)構(gòu)成成二

3、二元元混混合合物物，分分離離若若將將組組分分106lnln,min, fbfbfafaftyyyyrtnwbaab）（96 )ln)ln86,min, jijijkikiktiiiiyynyynrtwpyfyz（）：代代入入（進進出出物物一、分離理想氣體混合一、分離理想氣體混合 )ln)lnlnln,min,00 jijijkikiktiiiiiifznfznrtwffrtzg（）（混混合合物物的的自自由由焓焓：進進出出 )86( 二、分離低壓下液體混合物二、分離低壓下液體混合物 ）（）：代代入入（進進出出116)ln )ln86,min,0 jijijijkikikiktliiiixxnxx

4、nrtwfxf ）（）（）（分：分：二元混合物分離成純組二元混合物分離成純組126lnln,min, fbfbfbfafafaftxxxxnrtw 例例6-1； 例例6-2傳熱速率：傳熱速率： 進進，出出tjjkkwhnhnqmin負，過程為放熱負，過程為放熱負偏差溶液：過剩焓為負偏差溶液：過剩焓為正，過程為吸熱正，過程為吸熱正偏差溶液：過剩焓為正偏差溶液：過剩焓為：過剩焓變化：過剩焓變化進進出出 ejjekkhnhn 進進出出，）（非理想溶液：非理想溶液：ejjekkthnhnwqmintwqh，壓壓力力下下進進入入和和離離開開在在環(huán)環(huán)境境溫溫度度和和接接近近環(huán)環(huán)境境）。（故故：焓焓變變也也

5、為為理理想想溶溶液液液液相相混混合合物物：min00 tptwqh，熱熱為為下下進進入入和和離離開開，且且混混合合、物物料料在在相相同同的的）。（故故：焓焓變變?yōu)闉槔砝硐胂霘鈿怏w體：min000 6.1.2非等溫分離和有效能非等溫分離和有效能：過程對環(huán)境所作的功：過程對環(huán)境所作的功的熱源向過程傳遞熱量的熱源向過程傳遞熱量：從溫度為：從溫度為）（進進出出ssjjkkwtqwqhnhn156 ）（）（）（）（）合并：）合并：）后與（）后與（乘（乘（用用產(chǎn)生產(chǎn)生進進出出176115616600000 sjjjkkkwqttststhnsthnt河水溫度）河水溫度）（規(guī)定：海洋、大氣、（規(guī)定：海洋、大

6、氣、環(huán)境溫度環(huán)境溫度設設0t熵平衡：熵平衡：變變：不可逆過程引起的熵：不可逆過程引起的熵）（產(chǎn)生產(chǎn)生進進產(chǎn)生產(chǎn)生出出sstqsnsnkkjj 1660）（）（）代代入入（有有效效能能定定義義：產(chǎn)產(chǎn)生生進進出出1861176000 sjjkkwqttstbnbnsthb非等溫不可逆過程）非等溫不可逆過程）分離分離凈凈(bw ）（凈功消耗：凈功消耗：產(chǎn)生產(chǎn)生分離分離產(chǎn)生產(chǎn)生進進出出凈凈20600 stbstbnbnwwwjjkksc環(huán)境、熱源溫度環(huán)境、熱源溫度，熱量；熱量；環(huán)境傳熱所作功）環(huán)境傳熱所作功）的熱源向的熱源向（溫度為（溫度為）（等當功：等當功：由卡諾循環(huán)，可逆熱機由卡諾循環(huán)，可逆熱機t

7、tqttcttqw0001 分離過程有效能變化分離過程有效能變化（可逆過程）（可逆過程）分離分離凈凈分離分離的熱庫交換。的熱庫交換。過程的熱量與溫度為過程的熱量與溫度為）（有效能定義：有效能定義：sthbwwtsthbwsthbtt 00min,000min,0226）產(chǎn)生產(chǎn)生（分離分離凈凈非等溫可逆過程：非等溫可逆過程：0 sbw式（式（6-20），（），（6-22）中：）中：)246()ln()236(, ffiiiftipifiiftipifipxprdtttcxsdttcxh.3凈功消耗和熱力學效率凈功消耗和熱力學效率 通常，分離過程所需的能量多半是以熱能形式通常，分離

8、過程所需的能量多半是以熱能形式而不是以功的形式提供的。而不是以功的形式提供的。一般以一般以w凈凈計算能量：計算能量： 凈功消耗：凈功消耗： w凈凈=w入入w出出一般分離過程：一般分離過程：原料原料產(chǎn)物產(chǎn)物qcqrtctr）（）（可逆熱機功：可逆熱機功：出出入入cccrrrtttqwtttqw00 ）（）（）（過程消耗的凈功：過程消耗的凈功：出出入入凈凈25600 cccrrrtttqtttqwww1 凈凈分分離離率率：定定義義分分離離過過程程熱熱力力學學效效wb 分離分離凈凈產(chǎn)生產(chǎn)生分離分離凈凈有：有：）：）：由（由（bwstbw 0206qqqcr 有：有：料的焓差別極小，料的焓差別極小，分

9、離過程產(chǎn)生的焓與原分離過程產(chǎn)生的焓與原）為：）為：（256 )266(0110 ）（凈凈rcttqtw 非等溫可逆非等溫可逆過程為過程為1。例例6-3 設環(huán)境溫度設環(huán)境溫度t0=294k，計算：，計算： 1. 再沸器負荷（冷凝器負荷給定）再沸器負荷（冷凝器負荷給定） 2. 有效能變化有效能變化 3. 凈功消耗凈功消耗 4. 熱力學效率熱力學效率解：解：計算機準：計算機準：1小時小時1. 由圖解得：由圖解得：d=159.21kmol/h w=112.95kmol/h f=272.16kmol/h全塔熱量衡算：全塔熱量衡算：qr=34311918.14kj/ht0=294k)/(79.65/38.

10、1740/16.2722027,2 .325kkmolkjfskmolkjfhhkmolkpak )/(10.66/37.3073/95.1124 .2068,8 .330kkmolkjwskmolkjwhhkmolkpak )/(69.74/9 .12793/21.1595 .1930,8 .319kkmolkjdskmolkjdhhkmolkpak qr=34311918.14kj/hqc=32401526kj/h 進進出出分離分離已知已知hkjbnbnbkmolkjsthbkmokjsthbkmolkjsthbktjjkkfffwwwddd/1483509/88.17601/03.163

11、60/96.9164294. 10000hkjttqttqwwwccrr/3 .638711311. 200 ）（）（出出入入凈凈%23.23. 3 凈凈分離分離wb 習題： p202 3題 3題6.2.1 6.2.2 6.2.3 6.2.4 .1精餾過程的熱力學不可逆性分析精餾過程的熱力學不可逆性分析1 凈凈分離分離wb 逆過程逆過程即：使過程盡量接近可即：使過程盡量接近可）分離分離凈凈（非等溫可逆過程：（非等溫可逆過程：bw ，使，使若若凈凈w不可改變不可改變組成有關組成有關、與與分離分離ptsthb 0 熱力學不可逆性：熱力學不可逆性：1.通過一定壓力梯度動量傳遞通過一定

12、壓力梯度動量傳遞2.通過一定溫度梯度熱量傳遞通過一定溫度梯度熱量傳遞3.通過一定濃度梯度質(zhì)量傳遞（或不同化學位物流直接混合通過一定濃度梯度質(zhì)量傳遞（或不同化學位物流直接混合）使凈功降低的方法：使凈功降低的方法： 降低壓差降低壓差 減少溫差減少溫差 減少濃度與平衡濃度差減少濃度與平衡濃度差1）塔設備）塔設備 若若n越多，使越多，使p，不可逆性越大，不可逆性越大 可使：可使：氣速氣速，液層高度，液層高度；使；使p 但是：但是：氣速氣速，生產(chǎn)能力不變時，生產(chǎn)能力不變時d ，投資費，投資費 液層高度液層高度，板效率，板效率改進方式：改進方式：1. 選擇合適的塔徑、液層高度選擇合適的塔徑、液層高度 2.

13、 改板式塔為高效填料塔改板式塔為高效填料塔2）再沸器、冷凝器）再沸器、冷凝器 若傳熱溫差小，不可逆性減小若傳熱溫差小，不可逆性減小但是：但是：傳熱面積傳熱面積，設備費用，設備費用 液層高度液層高度，板效率，板效率改進方式：改進方式：1. 采用高效換熱器采用高效換熱器 2. 改進操作方式改進操作方式3）傳熱推動力、傳質(zhì)推動力）傳熱推動力、傳質(zhì)推動力精餾操作：精餾操作：ln+1，vn-1進入進入n板，板， 對對vn，ln在在 n 板溫度和濃度相互不平衡板溫度和濃度相互不平衡改進方式：改進方式：1. 傳熱推動力傳熱推動力 t=（tn-1tn） 2.傳質(zhì)推動力傳質(zhì)推動力 y=（knxn,iyn-1,i

14、） 即：即：y-x圖中，操作線向平衡線靠近圖中，操作線向平衡線靠近 t y rrmyaxaxayar=rmn= 換熱器換熱器臺臺塔徑：塔徑： 中間大，兩頭小中間大，兩頭小xaya可逆精餾可逆精餾操作線與平衡線重合操作線與平衡線重合xa ya 分段精餾分段精餾增加兩個換熱器增加兩個換熱器(a) 分別進料(b) 低壓塔產(chǎn)物進高壓塔(c) 產(chǎn)物前饋進料產(chǎn)物前饋進料6.2.2 多效精餾多效精餾多效精餾：多效精餾：能量減少能量減少3040% 圖圖6-7：特點：特點：高壓塔氣相采出是低壓塔塔釜的熱源；高壓塔氣相采出是低壓塔塔釜的熱源； 用一倍的熱處理兩倍之多進料。用一倍的熱處理兩倍之多進料。例例%3564

15、3. 0/1019. 9/1043. 167節(jié)能約節(jié)能約單單雙雙雙雙單單 qqhkjqhkjq6.2.3 低溫精餾的熱泵低溫精餾的熱泵用于：用于：組分沸點差較小的低溫精餾組分沸點差較小的低溫精餾采用：采用：膨漲閥、壓縮機膨漲閥、壓縮機三種：三種：1. 外部制冷劑外部制冷劑 2. 壓縮塔頂蒸汽壓縮塔頂蒸汽 3. 用再沸器氣體閃蒸用再沸器氣體閃蒸 表表61 6.2.4 設置設置的精餾的精餾 1. 使操作向可逆精餾方向趨近使操作向可逆精餾方向趨近 2. 采用中等溫度的再沸器和冷凝器采用中等溫度的再沸器和冷凝器 圖圖613 特點：特點：沿全塔布置的換熱元件能大大降低塔沿全塔布置的換熱元件能大大降低塔頂

16、、塔釜負荷頂、塔釜負荷 提餾段：提餾段：蒸汽流率自下而上穩(wěn)定增加蒸汽流率自下而上穩(wěn)定增加 精餾段：精餾段：液體回流量自上而下穩(wěn)定增加液體回流量自上而下穩(wěn)定增加6.3.1 6.3.2 一、分離順序數(shù)一、分離順序數(shù) 將混合物將混合物abcde (按揮發(fā)度降低排列）按揮發(fā)度降低排列）分離為純組分。分離為純組分。.1簡單分離順序的合成簡單分離順序的合成abab二元：二元：一個塔，一個塔，一種方案一種方案三元：三元：abcabcababcabcbc二個塔，二個塔，二種方案二種方案四元：四元：順序流程順序流程三個塔，五種方案三個塔，五種方案abcdabcdbccdd按相對揮發(fā)按相對揮發(fā)度度

17、遞減遞減采出采出abcdaabcbcabd按相對揮發(fā)按相對揮發(fā)度度遞增遞增采出采出aabcdabcbcbcdabcdabcdbcdbcaabcdabbccdd按相對揮按相對揮發(fā)度發(fā)度交錯交錯采出的逆采出的逆序流程序流程c個組分，采用個組分，采用c-1個塔，分離序數(shù)為：個塔，分離序數(shù)為：)!1(1211 cccssssccijcjc?。ɑ颍夯颍?286( )296( 用（用（628）或（）或（629）計算結(jié)果列入）計算結(jié)果列入表表62。對于特殊精餾：對于特殊精餾： 例萃取精餾：加質(zhì)量分離劑，且數(shù)目多。例萃取精餾：加質(zhì)量分離劑，且數(shù)目多?？傂驍?shù)：總序數(shù)： t不同質(zhì)量分離劑對相同組分分離方法數(shù)；不

18、同質(zhì)量分離劑對相同組分分離方法數(shù)； c系統(tǒng)組分數(shù)；系統(tǒng)組分數(shù)；sc簡單塔計算順序數(shù)。簡單塔計算順序數(shù)。ccsts1 例例6-5 用普通精餾將混合物分離成三個產(chǎn)用普通精餾將混合物分離成三個產(chǎn)品，確定分離順序數(shù)。品，確定分離順序數(shù)。040341302. 1044103302. 3. 2ncccccnccccc、；三個產(chǎn)品：三個產(chǎn)品：和和、混合物：混合物： （相對揮發(fā)度遞減）（相對揮發(fā)度遞減）解：產(chǎn)品揮發(fā)性不相鄰解：產(chǎn)品揮發(fā)性不相鄰 方法：方法：1. 先分出純品，先分出純品， 查表查表62：c=5時，時，sc=14 2. 再將烷烴、烯烴混合再將烷烴、烯烴混合 結(jié)論：采用普通精餾不合理結(jié)論：采用普通精

19、餾不合理二、確定分離順序的經(jīng)驗法二、確定分離順序的經(jīng)驗法u經(jīng)驗法（啟發(fā)法）優(yōu)點：經(jīng)驗法（啟發(fā)法）優(yōu)點： 不用對所有可能的分離順序進行考察，在不作不用對所有可能的分離順序進行考察，在不作設計和設備費用估計情況下，很快選出好順序。設計和設備費用估計情況下，很快選出好順序。普通塔經(jīng)驗法：普通塔經(jīng)驗法：1.按相對揮發(fā)度遞減順序分離按相對揮發(fā)度遞減順序分離依據(jù)：依據(jù)：underwood式：式： idiimmidiidxvrx,1餾出物中：餾出物中：1. 組分數(shù)少，組分數(shù)少，vm少，熱負荷低；少，熱負荷低； 2. 若混合物中含低沸物，使之不進入后面塔。若混合物中含低沸物，使之不進入后面塔。高高。，熱熱負負荷荷小小，凈凈功功消消耗耗低低果果無無非非關關鍵鍵組組分分存存在在，與與級級間間流流量量成成正正比比，如如相相差差大大；、多多，物物系系難難分分，有有：若若）（）（非非關關鍵鍵組組分分）的的難難分分組組分分最最后后