5分离过程设计.ppt
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1、第五章 分离过程,分离是指将一混合物分成纯物质或组成不同的几股物料,它是化工生产中不可或缺的重要单元过程。化工生产中常见的分离过程基本上可分成三大类:1 以能量为分离剂,如精馏、蒸发、结晶、干燥、闪蒸等;2 以物质为分离剂,如解吸、吸收、萃取、吸附、浸取、离子交换等3 利用物质的密度、粒度、表面等性质不同而进行的机械分离过程,如沉降、离心分离、旋风分离、过滤、浮选等。,物质的混合是一个不可逆的熵减过程,能够自发完成。因此,其逆过程分离必然要消耗一定的能量才能进行。这个能量在大多数情况下是热,有时是功,有时同时加入热和功。分离过程设计的目标是在满足产品质量和回收率的前提下尽量减少能量的消耗。所以
2、了解分离所需的最小功(分离过程的理想功)以及能量消耗的大小和哪些因素有关,常有助于人们产生一种新的构思去改进过程,降低能耗。,第一节 分离过程的热力学效率,1.1 最小分离功 要计算分离的最小功,可假设一系列可逆过程,计算其中每一过程所需的功,并相加即可得到分离所需要的最小功。实际过程是不可逆过程,因此所需功必然大于可逆过程所需的功,分离的最小功是分离过程所需能量的最低极限,其有三种情况:1 当产品和进料的温度、压力相等时所需的分离最小功:,对于理想混合物或理想溶液,活度系数等于1,则上式变为:,若分离产品不是纯组分,则该过程的最小分离功等于原料分离成纯组分的最小分离功减去产品分离成纯组分所需
3、的最小分离功:,由此,产品的纯度越低,所需的分离功越小,下图中的实线表示产品为纯组分时的最小分离功,虚线表示XA1=0.80,XA2=0.22时的最小分离功。,讨论一下,图:理想双组分溶液的最小分离功,2 若产品的压力和进料不同,则最小分离功需加进修正项,3 当产品温度和进料温度不同时,可用产品与进料有效能的差别计算最小分离功。有效能,也称佣,,由上可见,佣指一定状态的物质转变到某指定状态时所作的最大有用功,其值减少表示可用于做有用功的潜在有效的能量减少,增加,表示外界必须向系统提供的功的数量。而温度与熵变的乘积不能做有用功的能量。,1.2 净耗功 如果供给分离过程的能量是热量,而不是功,这时
4、用净耗功比较方便。,对于任何一个实际过程,净耗功都必须大于佣的变化。若在分离过程中不仅加入能,而且加入功,则应把功加到上式的右端。如果分离过程中没有功的加入,而且进料和产品的焓差与加入系统的热量相比可略去不计,则:,1.3 热力学效率 分离过程热力学效率的定义为最小分离功和加入系统的实际功耗WA之比:,第二节 分离流程的合成,2.1 分离方案数 在实际工业中遇到的分离问题常常是多组分的混合物,需要分离成三个以上的产品,这时就产生了分离方案配置问题。即采用什么分离方法,各组分的分离次序,切割的清晰度和是否采用复杂塔等问题。若仅仅需要决定各组分的分离次序,则上述问题就成为确定分离序列问题。对于三组
5、分的分离系统,King曾提出一个分离序列方案的建议,具体见下页图,这些分离方案究竟哪一个最优越,并无一定的规律,要视A、B、C三个组分相对数量、相对挥发度的大小和产品的纯度而定。,若B的数量很小,而A又比C小时,采用方案7,若A大于C时,采用方案8.若组分A的数量很小,或A在B中的纯度要求并不严格,宜采用方案5.同理,若组分C的数量很小,或C在B中的纯度要求并不严格,宜采用方案6.当组分B的数量最大,A、C数量相当时,方案3和4可能是有利的。当采用方案3-8时,应与简单方案1、2进行比较后决定。当进料组分多于3个时,各种配置方案的数量远大于3组分时的情况,可能的排列数非常多。我们仅讲述简单清晰
6、切割的分离器所组成的分离配置方案问题。所谓简单是指一个进料和两个产品;清晰切割是指进料中的任一组分只存在一个产品,在另一个产品中完全不存在。,若混合物组分数是N,可能采用的分离方法是M种,在可能有的分离方案数SN,可用下式计算:,表5-1列出了几个不同M和N值时可能有的分离方案数。,由表5-1可见,可能有的分离方案随着产品数和分离方法数的增大而急剧增加,当产品数大于4时,即使只有一种分离方法。要将所有的方案进行比较,其计算工作量已经很大,所以必须采用某种简便的方法,不必研究全部可能的方案就能得到其中较优者。,2.2 分离方法的选择由上可知,可能的分离方案数随分离方法的增加而急剧增加,因此设计者
7、面临的首要任务是选择一个最有希望的分离方法,用该种分离方法去合成分离序列。但迄今为止,选择分离方法尚无严格的规则可遵循,而是采用探试规则。这些探试规则是根据过去的经验和对研究对象的热力学性质进行半定量分析所得到的结论。显然,根据探试规则得出的结论不一定是最佳方案,但它能大幅度减少可能的方案数,从而提高设计速度。先看几个定义:1 分配系数:在平衡状态时某组分在轻相与重相中的分子分数比例,或某组分在溶剂与进料中分子分数的比例。对于精馏而言,即该组分的汽液平衡常数K。2 分离因子:两个组分分配系数的比例,对于精馏,即该两个的相对挥发度a。3 质量分离剂和能量分离剂:加到分离单元,对所需的分离作出贡献
8、的组分,称为质量分离剂,例如萃取精馏的溶剂,吸收过程的吸收剂等。能量分离剂是指为提供分离单元所需要的汽液相流率而加,入的能量,如精馏塔的再沸器和冷凝器所使用的热剂和冷剂。4 次序表:进料各组分按照分配系数递减的次序所排列的表。,5 关键组分:决定分离要求的两个组分,其中分配系数大者称为轻关键组分,小的为重关键组分。6 特定的分离:决定与轻重关键组分和所采用的分离方法,用(A/B)M表示,A和B分别为轻重关键组分,M为采用的分离方法。,二 选择分离方法的探试规则 主要有以下几种:1 选择具有大的分离因子的分离过程。具有较大的分离因子的过程需要比较少的平衡级和分离剂,故分离费较少。物质的分子性质对
9、过程的分离因子有影响,表5-2列出了影响分离过程的分子性质。,可根据混合物各组分分子性质的差异程度来选择可能较大的分离因子的分离过程。例如若各组分的偶极矩或极性存在显著差异,采用以极性溶液为溶剂的萃取精馏过程较合适。2 尽量避免极端的过程条件。若一个分离过程需要极端的温度或压力,耐腐蚀的设备材料,或高电场等条件,则可能使分离过程的费用高昂。若有其他可行的方案,则应进行经济评价后再做取舍。,3 当分离过程需要多个分离级时,应优先选择平衡过程而不选择速度控制过程,速度控制过程如电渗析、气体扩散,需要在每个分离级加入能量;而精馏、吸收、萃取等为平衡分离过程,分离剂在每一级重复使用,只需加入一次能量。
10、例如在精馏过程中,热量在再沸器加入,产生上升蒸汽,该蒸汽逐级上升,并不需要在每个平衡级都加入蒸汽。4 当分离因子相同时,选择能量分离剂而不要选择质量分离剂。因为选择后者时,它必须和产品再分离,因而需要相继增加另一个分离器,这样便增加了分离过程的费用。5 在分离方案方法中优先考虑精馏,其次再考虑其他方案,因为精馏过程有成熟的理论和实践,精馏系统内无固体物料,操作方便;另外精馏是一个使用能量分离剂的平衡分离过程,其无产品数量的限制,从很小到很大的规模都能采用,常常只需要能位等级很低的分离剂。一般排除精馏方案的充分理由是其分离因子小于1.05,除此之外,即使修改工艺条件,也无法满足分离因子的要求,再
11、考虑其他的分离方法。,各异构体的分子体积,偶极矩和极性也有细小的差别,若有适当的外部物质能使这些异构体的反应活性有显著差别,或有对异构体有较高吸附选择性的吸附剂,则也可考虑采取化学反应分离或吸附分离,2.3 分离序列的确定:确定分离序列目前采用的基本方法有三种,探试合成法,调优合成法和最优化算法合成法;实际中可使用其中一种方法,也可联合使用其中两种方法。1 探试法:探试法是人们根据探试规则来合成分离序列的方法,前已述及探试规则是根据多年积累的经验和对过程的热力学性质进行半定量分析所得的结论,利用探试法能迅速得出一个或少数几个较优方案。但由于探试法是基于分离过程的共性规律,无法考虑各个过程的特殊
12、性,因而不太严格,难免失误。探试法优选的目标是年生产费用最低。年生产费用有基建投资的折旧费和操作费两部分组成。下面举例精馏过程分析:其基建投资主要是精馏塔、冷凝器和再沸器的基建费用,泵和回流罐的费用小于塔系投资的5%,可略不计;操作费主要是冷凝器和再沸器所用的冷、热介质,其他的可以略去不计。,塔内蒸汽流量V:分离系统的任务一定,精馏过程的设备费和操作费均与蒸汽流量相关,即精馏塔系统的基建费和操作费都取决于蒸汽流量,并与其成正比。各方案中年生产费用最低者也是各塔蒸汽流量之和最小者,最优分离序列的目标函数可用下式表达(N为分离序列中的塔数)。,蒸汽流量取决于两个因素:塔的进料流量;用轻重关键组分的
13、相对挥发度所表示的分离难易困难程度。分离越是困难,即相对挥发度越小,所需的回流比和蒸汽量越大。塔顶、底温度差:塔顶温度越低、塔底温度越高。则所需的净耗功越大。操作压力 其对精馏塔系的基建费用和操作费的影响是增加压力将使塔壁增厚,塔径缩小;增加压力使塔顶和塔釜的温度同时升高,若使用的冷热介质温度不变,则冷凝器的温度差增加使所需的传热面积减小,而再沸器相反;,绝大多数情况下,塔压增加使得塔的相对挥发度降低,进而使所需的回流比增加,上升蒸汽量加大。因此操作压力升高对降低年生产费用的影响有利有弊,在压力变化不大的范围内,其综合结果是对年生产费用的变化影响较小,但趋势是随着压力升高生产费增加。探试规则仅
14、适用于简单清晰切割塔(一个进料,2个出料),根据探试规则得到的较优分离序列,可进一步研究有无可能采用侧线出料,中间再沸器或中间冷凝器等节能措施。精馏塔的探试规则有:应把关键组分的相对挥发度最接近1的最困难分离放在最后,即在所有其他组分都除去后再进行分离。关键组分的相对挥发度越接近1越难分离,所需回流比越大。若有非关键组分存在,由此引起的蒸汽流量增加大于其他分离。另一方面当有比轻关键组分更轻的组分进入最困难分离系统时,塔顶温度将比原来的温度低,因而不仅增加了冷量的消耗,而且提高了冷量的等级;相反,重关键组分的增加会提高塔釜温度,增加了塔顶塔釜温差。若再沸器温度很低,能回收冷量,有重组分还降低了从
15、再沸器回收冷量的等级。,总之,非关键组分的存在使塔顶、塔釜温差和蒸汽量都增加,两个大数相乘,积必然急剧上升。因此应该把非关键组分先分离,把最难分离的塔放在最后。根据汽液平衡常数的大小进行排列,把轻组分逐个脱除,即采用顺序流程。若改变分离序列并不改变各个塔的关键组分的相对挥发度或回流比,则顺序流程的各塔蒸汽负荷之和最小;而且若有沸点低于环境温度的组分A,则分离该组分的塔必须加压和(或)采用冷冻,若采用顺序流程,则仅第一个塔需要加压冷冻,否则所有含有组分A的塔的塔顶温度均会降低,这会增加塔的净耗功,甚至使原来不必采用加压或冷冻的塔要加压或冷冻。应首先把混合物分成分子数接近的两股流。有可能使回流比和
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