化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成

化工分離過程__第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成2024/3/28化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成第七章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成7.1分離過程的最小功和熱力學(xué)效率7.2精餾的節(jié)能技術(shù)7.3分離流程的優(yōu)化7.4分離流程的集成2化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成分離是混合的逆過程，不能自發(fā)進(jìn)行，需要以熱或功的形式加入能量。能耗是大規(guī)模分離過程的關(guān)鍵指標(biāo)，能耗費(fèi)用總是大于設(shè)備的折舊費(fèi)用，通常會占據(jù)操作費(fèi)用的主要部分。因此，確定具體混合物分離的最小能耗，了解影響能耗的主要因素，尋求接近此極限能耗的實(shí)際分離過程是很有意義的。再者，世界能源日趨緊張的狀況也使得化工節(jié)能問題顯得尤為重要。3化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成7.1分離過程的最小功和熱力學(xué)效率

MinimumWorkandThermodynamicEfficiency

4化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成由SLT可知，完成同一變化的任何可逆過程所需的功均相等，因此，達(dá)到一定分離目的所需的最小功可以通過假想的可逆過程計(jì)算出來。最小功的數(shù)值決定于待分離混合物的組成、壓力和溫度以及分離所得產(chǎn)品的組成、壓力和溫度。5化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成7.1.1最小分離功MinimumWorkofSeparation6化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成Figure7-1Acontinuous,steady-stateflowsystemforageneralseparationprocess摩爾流率傳入系統(tǒng)的總熱量流率摩爾焓摩爾組成系統(tǒng)對環(huán)境做功7化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成FirstLawofThermodynamics---energybalance：(7-1)(streamenthalpyflows+heattransfer+shaftwork)leavingsystem-(streamenthalpyflows+heattransfer+shaftwork)enteringsystem=08化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成對于等溫可逆過程，進(jìn)出系統(tǒng)的物流與環(huán)境的溫度均為T，根據(jù)熱力學(xué)第二定律：(7-2)流出系統(tǒng)的物流的熵的總和進(jìn)入系統(tǒng)的物流的熵的總和SecondLawofThermodynamics---entropybalance：(streamentropyflows+entropyflowsbyheattransfer)leavingsystem-(streamentropyflows+entropyflowsbyheattransfer)enteringsystem=productionofentropybytheprocess9化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成得到等溫下穩(wěn)定流動的分離過程所需最小功：(7-2)(7-1)(7-3)即10化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成由自由能的定義

G=H－TS式（7-3）也可以整理為物流自由能的增量：(7-4)(7-3)11化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成(7-5)一個(gè)混合物的摩爾自由能由各組分的偏摩爾自由能，即化學(xué)位加和得到：(7-4)而化學(xué)位與組分逸度的關(guān)系式為：(7-6)12化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成若進(jìn)、出物流的同一組分具有相同的基準(zhǔn)態(tài)，則得到用逸度表示的最小功：(7-7)(7-4)(7-5)(7-6)13化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成

分離的最小功表示了分離過程耗能的最低限。最小分離功的大小標(biāo)志著物質(zhì)分離的難易程度，為了使實(shí)際分離過程更為經(jīng)濟(jì)，應(yīng)設(shè)法使能耗盡量接近于最小功。14化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成對于理想氣體混合物：

zi=yi且(7-8)一、分離理想氣體混合物化簡為：(7-7)15化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成對于由A和B兩組分構(gòu)成的二元?dú)怏w混合物在進(jìn)料溫度和壓力下被分離成純A和純B產(chǎn)品的情況，式（7-8）可簡化為無因次最小功：(7-8)(7-9)16化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成如果分離產(chǎn)品不是純組分，則該過程的最小分離功等于原料分離成純組分的最小分離功減去產(chǎn)品分離成純組分所需要的最小分離功，可見，產(chǎn)品的純度越低，所需的最小分離功越小。p292例7-117化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成二、分離低壓下的液體混合物低壓下液體混合物的組成為xi，組分i的逸度

，式（7-7）簡化為：(7-7)(7-10)18化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成(7-10)二元液體混合物分離成純組分液體產(chǎn)品，式（7-10）可化簡為：

(7-11)除溫度以外，最小功僅決定于進(jìn)料組成和性質(zhì)，

i>1的混合物比i<1的混合物需較小的分離功。19化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成傳熱速率傳熱是系統(tǒng)與環(huán)境之間另外一種能量傳遞方式，一旦確定了最小功，可以由能量衡算式計(jì)算相應(yīng)的傳熱速率。(7-1)20化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成對于等溫、等壓下理想氣體混合物的分離過程，混合熱為零，故不發(fā)生焓變，從過程向環(huán)境的傳熱速率等于環(huán)境對系統(tǒng)所作的最小功。(7-1)21化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成對于等溫、等壓下理想溶液的分離，從過程到環(huán)境的傳熱速率也等于環(huán)境對系統(tǒng)所作的最小功。22化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成對于非理想液體混合物，出口產(chǎn)品物流焓之和不等于進(jìn)口原料物流焓之和，故傳熱速率不等于最小功，而是遵循下式：過剩焓與理想溶液呈正偏差的混合物，過剩焓的變化為正，即混合過程是吸熱的。在分離該物系時(shí)，混合熱的釋放使最小功比理想情況有所降低，放熱速率等于分離的凈放熱與最小功之和。23化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成7.1.2非等溫分離和有效能Non-isothermalSeparationandAvailability(Exergy)24化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成當(dāng)分離過程的產(chǎn)品溫度和進(jìn)料溫度不同時(shí)，不能用自由能的增量計(jì)算最小功，而應(yīng)根據(jù)有效能來計(jì)算。有效能定義為B=H－T0S

有效能Availability(Exergy)Theterm“availability”means“availableforcompleteconversiontoshaftwork”.T0------theinfinitesurroundingstemperature.Thistemperatureistypicallyabout300Kandrepresentsthelargestsourceofcoolantassociatedwiththeprocessingplantbeinganalyzed.Thismightbetheaveragetemperatureofcoolingwater,air,oranearbyriver,lake,orocean.25化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成熱力學(xué)第一定律的能量衡算式:有效能AvailabilityQ---從溫度為T的熱源向過程傳遞的熱量；Ws---過程對環(huán)境所作的軸功。熱力學(xué)第二定律建立過程的熵平衡:由于不可逆過程引起的熵變26化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成有效能AvailabilityB=H－T0S

27化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成有效能Availability熱量Q自溫度T的熱源向溫度為T0的環(huán)境傳熱所產(chǎn)生的等當(dāng)功，即可逆熱機(jī)的等當(dāng)功Wc。ThereversibleCarnotheat-enginecycleefficiency,representingthemaximumamountofshaftworkthatcanbeproducedfromQatT,wheretheresidualamountofenergy(Q-Ws)istransferredasheattoasinkatT0.系統(tǒng)的凈功消耗（總功）-Wnet=Wc-Ws28化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成有效能Availability非等溫可逆過程，

Sirr=0，最小分離功為：29化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成7.1.3熱力學(xué)效率和凈功消耗Second-lawEfficiencyandNetWork30化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成表征能量被利用的程度有兩類效率：基于熱力學(xué)第一定律的熱效率和基于熱力學(xué)第二定律的熱力學(xué)效率。

熱效率只反映出過程中能量在數(shù)量上被利用的程度，并未反映出能量轉(zhuǎn)換過程中能量品位上的變化。

31化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成

熱力學(xué)效率反映了過程中有效能被利用的程度，它是能量在數(shù)量上和品位上被利用的綜合反映，更準(zhǔn)確地反映了過程的完善程度。熱力學(xué)效率又稱為有效能效率。32化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成定義：分離過程中系統(tǒng)有效能的改變與過程所消耗的凈功之比。(7-13)分離過程的熱力學(xué)效率33化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成通常分離過程所需能量大多是以熱能的形式提供，在這種情況下最好是以過程所消耗的凈功來計(jì)算消耗的能量。34化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成圖7-2普通精餾塔精餾操作依賴于從再沸器加入熱量QR（溫度為TR）和從冷凝器移出熱量Qc（溫度為Tc）。過程所消耗的凈功為：(7-14)35化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成若分離過程產(chǎn)物的焓與原料的焓差別極小而可以忽略時(shí)，則QR=Qc=Q，凈功為:(7-15)36化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成對于實(shí)際分離過程，T0

Sirr>0，所有情況下（－Wnet）>

Bsep，熱力學(xué)效率必定小于1。37化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成一般說來，只靠外加ESA的分離過程（如精餾、結(jié)晶、部分冷凝），熱力學(xué)效率往往高些；同時(shí)加入ESA和MSA的分離過程（如共沸精餾、萃取精餾、萃取和吸附）熱力學(xué)效率較低；而速率控制的分離過程（膜分離）則更低。不同類型的分離過程，其熱力學(xué)效率各不相同。38化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成由于流體阻力造成的有效能損耗；節(jié)流膨脹過程的有效能損失；由于熱交換過程中推動力溫差存在造成的有效能損失；由于非平衡的兩相物流在傳質(zhì)設(shè)備中混合和接觸傳質(zhì)造成的有效能損失。分離過程中有效能損失的主要形式39化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成選取適宜的分離方法；研究復(fù)雜混合物的適宜分離流程；確定各個(gè)具體分離操作的適宜條件和參數(shù)，以及設(shè)備的結(jié)構(gòu)和尺寸等。節(jié)約分離過程能耗的途徑40化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成7.2精餾的節(jié)能技術(shù)Energy-savingTechnologiesinDistillationSystems41化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成精餾是化學(xué)工業(yè)中應(yīng)用最廣的分離方法，同時(shí)也是能耗最大的單元過程。為什么要實(shí)施精餾過程節(jié)能？Why？分離過程的能耗大約占整個(gè)化學(xué)工業(yè)用能的40％，而其中95％是精餾過程消耗的。1994年，美國4萬多個(gè)精餾塔所消耗的能量相當(dāng)于每天190,000m3（120萬桶）石油，占全國能耗的3％。精餾節(jié)能具有重要意義42化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成要降低分離過程的能耗，提高其熱力學(xué)效率，就應(yīng)采取措施減小過程的有效能損失。有效能損失是由過程的不可逆性引起的。43化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成（1）流體流動產(chǎn)生壓力降；（2）塔內(nèi)氣相和液相間存在溫差，再沸器和冷凝器中傳熱介質(zhì)和物料之間存在溫差；（3）氣相和液相濃度與平衡濃度存在差異。精餾過程的不可逆性表現(xiàn)在：？提高熱力學(xué)效率44化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成增大塔徑1）降低壓力降降低液層高度設(shè)備投資塔板效率改進(jìn)方式：1.選擇合適的塔徑、液層高度2.改板式塔為高效填料塔45化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成“可逆精餾”2）減小溫差和濃差減小傳熱和傳質(zhì)推動力無限多平衡級，無限多中間再沸器和冷凝器無實(shí)用價(jià)值46化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成精餾過程節(jié)能的途徑單個(gè)精餾塔的調(diào)優(yōu)節(jié)能精餾系統(tǒng)的綜合優(yōu)化節(jié)能精餾系統(tǒng)與整個(gè)工藝過程的綜合優(yōu)化節(jié)能47化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成單個(gè)精餾塔的調(diào)優(yōu)節(jié)能1）降低再沸器的傳熱溫差，利用載熱體來加熱，降低成本；2）降低冷凝器的傳熱溫差，回收高溫位熱量，或利用初級冷凝器回收熱量，再用第二冷凝器冷卻出料和回流到最終溫度；3）通過側(cè)線采出回收熱量；4）塔盤改造，增加塔板數(shù)，減小回流比，改造塔的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（如使用高效填料代替板式塔盤）；5）加料狀態(tài)最佳化；6）降低壓力降；7）適宜的進(jìn)料位置，保證分離純度并減小回流比；8）良好的保溫；9）設(shè)置中間再沸器和中間冷凝器，使用不同品位的熱源和冷源；10）采用多股進(jìn)料；11）對進(jìn)料、產(chǎn)品和釜液的顯熱回收利用。48化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成精餾系統(tǒng)的綜合優(yōu)化節(jié)能1）采用最佳分離序列；2）采用最優(yōu)熱集成精餾序列；3）采用熱泵精餾；4）采用多效精餾流程；5）采用熱耦合精餾。49化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成精餾系統(tǒng)與整個(gè)工藝過程的綜合優(yōu)化節(jié)能將整個(gè)工藝系統(tǒng)過程中各處的能量統(tǒng)一起來考慮，綜合利用，提高整個(gè)過程的用能效率，達(dá)到最大程度的節(jié)省能量。50化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成7.2.1精餾塔的多股進(jìn)料和側(cè)線采出DistillationColumnswithMulti-feedsandMulti-sidestreams51化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成分離對象：組分相同，濃度不同的多股料液一、多股進(jìn)料分離方法：多個(gè)常規(guī)精餾塔分別處理多股料液多股料液混合后進(jìn)入同一精餾塔多股料液從不同位置進(jìn)入同一精餾塔52化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成例：組分相同，濃度不同的兩股二元混合物兩塔式設(shè)備費(fèi)用較高53化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成例：組分相同，濃度不同的兩股二元混合物進(jìn)料液混合一塔式兩段進(jìn)料一塔式54化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成例：組分相同，濃度不同的兩股二元混合物進(jìn)料液混合一塔式兩段進(jìn)料一塔式操作線更接近平衡線，傳質(zhì)和傳熱推動力減小，熱力學(xué)效率提高，但所需塔板數(shù)增加。55化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成對于多元混合物的分離，若其中某一個(gè)或某幾個(gè)組分的含量較少或?qū)M分間的切割要求不是很嚴(yán)格時(shí)，可考慮采用側(cè)線采出的方式代替多個(gè)相鄰的常規(guī)塔，從而降低基建投資和操作費(fèi)用。二、側(cè)線塔56化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成若第一個(gè)塔為A/BC切割塔，則側(cè)線出料位置在進(jìn)料板之下；側(cè)線出料位置的確定以三元物系（組分A、B、C）為例：若第一個(gè)塔為AB/C切割塔，則側(cè)線出料位置在進(jìn)料板之上。57化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成當(dāng)側(cè)線出料位置在進(jìn)料板之上，主要產(chǎn)品是B，且相對揮發(fā)度αAC＞＞αBC時(shí)，側(cè)線出料中B的最大濃度和A的最小濃度由進(jìn)料組成所決定，與塔頂至側(cè)線板之間的板數(shù)和回流比無關(guān)。58化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成(7-25)側(cè)線中A的最小濃度－－－Glinos估算式當(dāng)進(jìn)料A含量很低，且

AB＞＞1時(shí)，可獲得高純度的側(cè)線產(chǎn)品B。該式可作為制定方案階段決定是否采用側(cè)線塔的判據(jù)。p299【例7-5】59化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成7.2.2熱泵精餾HeatPumpDistillation60化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成通過外加功將熱量自低位傳至高位的系統(tǒng)稱為熱泵系統(tǒng)。WhatisHeatPumpSystem?將溫度較低的塔頂蒸汽經(jīng)過壓縮升溫后作為塔底再沸器的熱源，稱為熱泵精餾。WhatisHeatPumpSystem?61化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成熱泵的形式：閉式熱泵開式熱泵62化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成用外界的工作介質(zhì)為冷劑，液態(tài)冷劑在冷凝器中蒸發(fā)，使塔頂物料冷凝。汽化后的冷劑進(jìn)入壓縮機(jī)增壓，然后在壓縮機(jī)出口壓力下在再沸器將熱量傳遞給塔釜物料，本身冷凝成液體，如此循環(huán)。閉式熱泵：圖7-5閉式熱泵1—精餾塔，2—冷凝器，3—再沸器，4—壓縮機(jī)，5—節(jié)流閥。63化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成開式熱泵：用過程本身的物料為工作介質(zhì)。（1）以塔釜物料為工質(zhì)，在冷凝器汽化，取消再沸器。64化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成開式熱泵：用過程本身的物料為工作介質(zhì)。（2）以塔頂物料為工質(zhì)，在再沸器冷凝，取消冷凝器。65化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成熱泵精餾是靠消耗一定量機(jī)械能來提高低溫蒸汽的能位而加以利用的，因此，消耗單位機(jī)械能回收的熱量是一項(xiàng)重要指標(biāo)。顯然，對于近沸點(diǎn)混合物分離的精餾塔應(yīng)用熱泵精餾效果會更好。由于熱泵精餾需要增設(shè)壓縮機(jī)，又要消耗機(jī)械能，所以推廣應(yīng)用受到一定的限制。Notes:66化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成7.2.3設(shè)置中間冷凝器和中間再沸器的精餾Distillationwithmiddle-condenserandmiddle-reboiler67化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成普通精餾塔只在塔頂和塔釜對物料進(jìn)行冷凝和蒸發(fā)。如果在塔中部增置中間再沸器，把再沸器加熱量分配到塔的下段，或者增置中間冷凝器，把冷凝器熱負(fù)荷分配到塔的上段，則可應(yīng)用較為廉價(jià)的冷源或者溫位較低的熱源，達(dá)到節(jié)能的效果。溫度是熱能品質(zhì)的度量，即使熱負(fù)荷在數(shù)量上沒有變化，但通過調(diào)節(jié)溫度分布，有可能減少過程的不可逆損失。68化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成圖7-8二級再沸、二級冷凝精餾塔69化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成7.2.4精餾過程的熱集成Heat-integratedDistillationSystems

70化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成一、多效精餾Multi-effectDistillation為節(jié)約能耗，加熱劑溫度最好是略高于塔底溫度，而冷卻劑溫度略低于塔頂溫度。而實(shí)際情況是，最方便廉價(jià)的冷卻劑是水或者空氣，最常用的加熱劑是水蒸氣，很難符合上述要求，因此，精餾塔額外消耗掉不少有效能。解決此問題的辦法之一就是采用多效精餾。只要精餾塔底和塔頂?shù)臏夭畋葘?shí)際可用的加熱劑和冷卻劑間溫差小得多就可考慮采用多效精餾。71化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成并流逆流平流多效精餾的類型：其中以串聯(lián)的并流裝置最為常見。72化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成73化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成（1）投資的限制：影響多效精餾的因素：效數(shù)塔數(shù)塔設(shè)備投資效數(shù)換熱器傳熱溫差傳熱面積換熱器設(shè)備投資效數(shù)的確定要綜合考慮投資費(fèi)用的增加和運(yùn)行費(fèi)用的降低。

74化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成（2）操作條件的限制：影響多效精餾的因素：高壓塔的壓力和溫度受系統(tǒng)臨界壓力和溫度、熱源的最高溫度及熱敏性物料的耐受溫度等的限制；低壓塔往往要受塔頂冷凝器冷卻水溫度的限制。75化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成一般情況下，多效精餾的效數(shù)為兩效或三效。與單塔精餾相比，兩效精餾可節(jié)能30~40%。Summary76化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成用物流直接傳熱來提供熱量，省去再沸器和（或）冷凝器，實(shí)現(xiàn)熱耦合。二、熱偶合精餾ThermallyCoupledDistillation77化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成圖7-12簡單精餾塔熱耦合示意圖（按相對揮發(fā)度遞減順序）78化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成圖7-13簡單精餾塔熱耦合示意圖（按相對揮發(fā)度遞增順序）79化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成熱耦合精餾在熱力學(xué)上是最理想的流程結(jié)構(gòu)，即可節(jié)省設(shè)備投資，又可節(jié)省能耗。但是，至今熱耦合精餾并未在工業(yè)中獲得廣泛應(yīng)用。這是由于在操作中使主、副塔之間氣液分配保持設(shè)計(jì)值是較困難的；分離難度越大，其對氣液分配偏離的靈敏度越大，操作越難穩(wěn)定。因此，往往只對易分離體系才建議采用熱耦合精餾。80化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成Summary單個(gè)精餾塔的調(diào)優(yōu)節(jié)能多股進(jìn)料和側(cè)線采出Multi-feedsandMulti-sidestreams熱泵精餾HeatPumpDistillation

設(shè)置中間冷凝器和中間再沸器的精餾Middle-condenserandMiddle-reboiler81化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成Summary精餾系統(tǒng)的綜合優(yōu)化節(jié)能精餾系統(tǒng)與整個(gè)工藝過程的綜合優(yōu)化節(jié)能多效精餾Multi-effectDistillation熱耦合精餾ThermallyCoupledDistillation

82化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成7.3分離流程的優(yōu)化

SeparationProcessOptimization7.3.1分離方法的選擇和分離順序數(shù)

7.3.2分離序列的確定83化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成7.3.1分離方法的選擇和分離順序數(shù)

SelectionofFeasibleSeparationOperationsandtheNumberofPossibleSeparationSequences84化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成一、分離順序數(shù)NumberofPossibleSeparationSequences圖7-15三元混合物簡單精餾塔分離

(a)相對揮發(fā)度遞降的順序(b)相對揮發(fā)度遞增的順序85化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成對于C個(gè)組分的物系，欲分離成C個(gè)較純的組分產(chǎn)品，需要C-1個(gè)塔，可組合的流程方案數(shù)為：

86化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成組分?jǐn)?shù)C塔數(shù)分離順序數(shù)SC組分?jǐn)?shù)C塔數(shù)順序數(shù)SC2117613232287429435981430541410948626542111016796表7-2精餾塔分離塔數(shù)和分離順序數(shù)！??！順序數(shù)隨著組分?jǐn)?shù)的增加而劇增?。。?7化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成對于多于一種分離方法的情況，則分離所需總順序數(shù)S可按下式估算：不同分離方法數(shù)！??！分離方案數(shù)隨分離方法數(shù)的增加而劇增?。?！88化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成（1）有些情況下，只有普通精餾塔的流程方案并非是最經(jīng)濟(jì)的。對于不同的產(chǎn)品要求、料液濃度和分離特性，往往還需要選用其他方案，如側(cè)線提餾塔、側(cè)線精餾塔、多效精餾塔和熱泵精餾塔等復(fù)雜塔及特殊精餾塔，流程方案數(shù)將變得更多。Notes：89化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成（2）除精餾外，還有其他分離方法，如萃取、吸收、吸附、膜分離等也可供選擇時(shí)，流程方案數(shù)將成倍成倍地增加。Notes：（3）當(dāng)采用分離劑時(shí)，往往還要考慮分離劑的回收和循環(huán)使用，因此，可能的分離順序數(shù)將增加更多。90化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成首要任務(wù)－－－選擇合適的分離方法，用所選分離方法合成分離序列。91化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成二、分離方法的選擇SelectionofFeasibleSeparationOperations92化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成一、通過相的加入和創(chuàng)造來進(jìn)行分離

(PhaseAdditionorCreation)

對于均一單相體系的分離，往往通過加入ESA或/和MSA創(chuàng)造或加入第二個(gè)不相溶的相來實(shí)現(xiàn)分離。部分汽化和冷凝、閃蒸、蒸餾、萃取精餾、共沸精餾、吸收、萃取、干燥、蒸發(fā)、結(jié)晶、浸取、泡沫分離等。分離方法：第一種分類方法93化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成二、通過障礙物分離(Barrier)

膜分離（微濾、超濾、納濾、反滲透、氣體分離、滲透蒸發(fā)和蒸汽滲透、液膜等）。膜的分離機(jī)理：篩分機(jī)理（多孔膜）溶解擴(kuò)散機(jī)理（致密膜）分離方法：第一種分類方法94化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成三、通過固體試劑進(jìn)行分離(Solidagent)固體質(zhì)量分離劑（吸附劑、離子交換樹脂、色譜固定相）吸附、再生（變壓吸附、變溫吸附）、分子印跡、離子交換、色譜（凝膠色譜、離子交換色譜、親和色譜）分離方法：第一種分類方法95化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成四、通過外場或梯度

(ExternalFieldorgradient)離心、電解、電滲析、電泳、場流動分級（離心力場、電場、電場和膜、在力場下的層流流動）分離方法：第一種分類方法96化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成

分子性質(zhì)與MSA等的相互作用分離過程分子量分子體積分子形狀偶極矩和極化度分子電荷化學(xué)反應(yīng)平衡分子大小和形狀偶極矩和極化度精餾結(jié)晶萃取和吸收吸附滲析超濾氣體擴(kuò)散超速離心電泳電滲析離子交換24----112--32--2---2--42--34--3--23----------2------11---22------1--3211---22--223------1＝主要作用，必需；2－主要作用；3－主要作用（有時(shí)需結(jié)合其他性質(zhì)）；4－作用??；-－無作用。97化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成（1）優(yōu)先選用成熟（技術(shù)與應(yīng)用）度較高的分離方法分離方法選擇準(zhǔn)則Technologicalandusematuritiesofseparationprocesses98化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成分離方法選擇準(zhǔn)則（2）優(yōu)先選用分離因子較大的分離方法降低平衡級數(shù)和分離劑用量，降低分離費(fèi)用。分子性質(zhì)受影響的分離過程相對分子質(zhì)量分子形狀分子體積偶極矩、極性分子荷電性化學(xué)活性精餾、蒸發(fā)吸附、結(jié)晶吸附萃取、吸附電場分離法化學(xué)吸收、反應(yīng)精餾99化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成分離方法選擇準(zhǔn)則極端的溫度或壓力條件下，要求采用耐腐蝕性能高的設(shè)備材料或者高電場等條件，從而使分離過程的費(fèi)用高昂。若有其他可行的方案，應(yīng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)評價(jià)后決定其取舍。（3）盡量避免使用極端工藝條件溫度、壓力、pH值、……100化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成分離方法選擇準(zhǔn)則（4）分離過程需要多個(gè)分離級時(shí)，優(yōu)先選擇平衡分離過程而不選擇速率分離過程速度控制過程往往對每個(gè)分離級都需要加入能量；而平衡分離過程一般只需一次加入能量，分離劑在每一級上被重復(fù)使用。101化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成分離方法選擇準(zhǔn)則（5）分離因子相同時(shí)，優(yōu)先選擇采用ESA的分離過程而不選擇采用MSA的過程采用MSA時(shí)，往往需要后續(xù)流程增設(shè)一個(gè)分離器用于MSA和產(chǎn)品的再分離，從而會增加分離過程的費(fèi)用。102化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成分離方法選擇準(zhǔn)則（6）優(yōu)先考慮精餾使用ESA的平衡分離過程不含固體物料，操作方便技術(shù)、理論和應(yīng)用均成熟適合于不同規(guī)模尤其是大規(guī)模的分離需求一般只需能位等級很低的分離劑即可否定精餾方案的充分理由是<1.05103化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成精餾是一個(gè)使用能量分離劑的過程；操作方便，技術(shù)、理論和應(yīng)用均成熟；適合于不同規(guī)模尤其是大規(guī)模分離；通常需能位等級很低的分離劑即可。精餾是化工過程中最為常用的分離過程104化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成Summary1.Almostalltheindustrialchemicalprocessesincludeequipmentforseparatingchemicalscontainedintheprocessfeed(s)and/orproducedinreactorswithintheprocess.幾乎所有的化工過程都包含著用以分離原料和產(chǎn)品的分離設(shè)備。105化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成Summary2.Morethan30differentseparationoperationsarecommerciallyimportant.

30多種的分離過程已經(jīng)工業(yè)化。106化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成Summary3.Theextentofseparationachievablebyaparticularseparationoperationdependsonexploitationofthedifferencesincertainpropertiesofthespecies.一個(gè)特定分離過程的分離程度取決于對待分離組分之間性質(zhì)（分子性質(zhì)、熱力學(xué)性質(zhì)、傳遞性質(zhì)）差別的開發(fā)程度。107化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成Summary4.Themorewidelyusedseparationoperationsinvolvethetransferofspeciesbetweentwophases,oneofwhichiscreatedbyenergytransferorthereductionofpressure,orbyintroductionasaMSA.應(yīng)用最廣泛的分離過程是相平衡分離過程，通過能量分離劑或質(zhì)量分離劑產(chǎn)生兩相體系。108化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成Summary5.

Lesscommonlyusedseparationoperationsarebasedontheuseofabarrier,asolidagent,oraforcefieldtocausespeciesbeingseparatedtodiffuseatdifferentratesand/ortobeselectivelyabsorbedoradsorbed.應(yīng)用相對較少的分離過程是引入障礙物、固體分離劑、外場的分離過程。109化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成Summary6.

Forasequence,system,ortrainofseparators,overallcomponentrecoveiesandproductpuritiesareofprimeimportanceandarerelatedbymaterialbalancestotheindividualsplitratiovaluesfortheseparatorsinthesystem.分離操作依據(jù)質(zhì)量平衡（物料平衡、物料衡算）；組分的回收率或產(chǎn)品純度，即組分的分離程度通常用分離因子來描述。110化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成Summary7.

Someseparationoperations,suchasabsorption,arecapableofonlyaspecifieddegreeofseparationforasinglespecies.Otherseparationoperations,suchasdistillation,caneffectasharpsplitbetweentwoso-calledkeycomponents.

某些分離操作（如吸收）只能規(guī)定一個(gè)組分的分離程度，而另一些分離操作（如精餾）則可規(guī)定兩個(gè)關(guān)鍵組分的分離程度。111化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成Summary8.Forgivenfeed(s)andproductspecifications,thebestseparationprocessmustfrequentlybeselectedfromamonganumberoffeasiblecandidates.Thecostofrecoveringandpurifyingachemicaldependsonitsconcentrationinthefeedmixture.Theextentofindustrialuseofaseparationoperationdependsonthetechnologicalmaturityoftheoperation.

分離過程的成本主要取決于組分在原料中的含量，其工業(yè)應(yīng)用程度主要取決于技術(shù)成熟度。112化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成例：分離C8餾分制取對二甲苯C8餾分：C8芳烴餾分或混合二甲苯鄰二甲苯、間二甲苯、對二甲苯、乙苯o-Xylenem-Xylenep-XyleneEthylbenzenecompositionReformate重整油Crackedgasoline裂解汽油toluenedisproportionation甲苯歧化Coaltar煤焦油Ethylbenzene1530-10p-Xylene20152620o-Xylene20152420m-Xylene45405050Compositionofxylenesinvarioussources113化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成例：分離C8餾分制取對二甲苯PropertiesofxylenesandethylbenzenePropertieso-Xylenem-Xylenep-XyleneEthylbenzeneMolecularweight106106106106Boilingpoint(oC)144139138136Freezingpoint(oC)-25-4813-95Dipolemoment(10-8,esu)0.620.360-Dielectricconstant2.262.242.232.24Surfacetension(20oC,dyn/cm)30.0328.6328.3129.04Densityd4200.8740.8640.8620.867relativealkalinity相對堿度210010.14114化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成例：分離C8餾分制取對二甲苯PropertiesofxylenesandethylbenzenePropertieso-Xylenem-Xylenep-XyleneEthylbenzeneMolecularweight106106106106Boilingpoint(oC)144139138136Freezingpoint(oC)-25-4813-95Dipolemoment(10-8,esu)0.620.360-Dielectricconstant2.262.242.232.24Surfacetension(20oC,dyn/cm)30.0328.6328.3129.04Densityd4200.8740.8640.8620.867relativealkalinity相對堿度210010.14以分子量差別為基礎(chǔ)的分離方法不適用115化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成例：分離C8餾分制取對二甲苯PropertiesofxylenesandethylbenzenePropertieso-Xylenem-Xylenep-XyleneEthylbenzeneMolecularweight106106106106Boilingpoint(oC)144139138136Freezingpoint(oC)-25-4813-95Dipolemoment(10-8,esu)0.620.360-Dielectricconstant2.262.242.232.24Surfacetension(20oC,dyn/cm)30.0328.6328.3129.04Densityd4200.8740.8640.8620.867relativealkalinity相對堿度210010.14o-與p-和m-xylene的相對揮發(fā)度為1.16，原理上可用精餾但不經(jīng)濟(jì)。116化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成例：分離C8餾分制取對二甲苯PropertiesofxylenesandethylbenzenePropertieso-Xylenem-Xylenep-XyleneEthylbenzeneMolecularweight106106106106Boilingpoint(oC)144139138136Freezingpoint(oC)-25-4813-95Dipolemoment(10-8,esu)0.620.360-Dielectricconstant2.262.242.232.24Surfacetension(20oC,dyn/cm)30.0328.6328.3129.04Densityd4200.8740.8640.8620.867relativealkalinity相對堿度210010.14極性有差別，但差別不大。外加MSA的方法不成功。117化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成例：分離C8餾分制取對二甲苯PropertiesofxylenesandethylbenzenePropertieso-Xylenem-Xylenep-XyleneEthylbenzeneMolecularweight106106106106Boilingpoint(oC)144139138136Freezingpoint(oC)-25-4813-95Dipolemoment(10-8,esu)0.620.360-Dielectricconstant2.262.242.232.24Surfacetension(20oC,dyn/cm)30.0328.6328.3129.04Densityd4200.8740.8640.8620.867relativealkalinity相對堿度210010.14由介電常數(shù)可看出，分子間力的變化不大。118化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成例：分離C8餾分制取對二甲苯PropertiesofxylenesandethylbenzenePropertieso-Xylenem-Xylenep-XyleneEthylbenzeneMolecularweight106106106106Boilingpoint(oC)144139138136Freezingpoint(oC)-25-4813-95Dipolemoment(10-8,esu)0.620.360-Dielectricconstant2.262.242.232.24Surfacetension(20oC,dyn/cm)30.0328.6328.3129.04Densityd4200.8740.8640.8620.867relativealkalinity相對堿度210010.14表面張力和密度都很接近。119化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成例：分離C8餾分制取對二甲苯PropertiesofxylenesandethylbenzenePropertieso-Xylenem-Xylenep-XyleneEthylbenzeneMolecularweight106106106106Boilingpoint(oC)144139138136Freezingpoint(oC)-25-4813-95Dipolemoment(10-8,esu)0.620.360-Dielectricconstant2.262.242.232.24Surfacetension(20oC,dyn/cm)30.0328.6328.3129.04Densityd4200.8740.8640.8620.867relativealkalinity相對堿度210010.14凝固點(diǎn)差別顯著，分子形狀也有較大差異。深冷結(jié)晶法堿度差別較為顯著。絡(luò)合萃取法120化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成例：分離C8餾分制取對二甲苯利用分子形狀上的差異和分子篩的擇形性能，還可采用吸附法分離。利用參與化學(xué)反應(yīng)的能力不同，如利用三種異構(gòu)體的空間效應(yīng)不同，即用濃H2SO4磺化時(shí)，鄰二甲苯和間二甲苯可被磺化，而對二甲苯不被磺化，再對磺化后產(chǎn)物進(jìn)行分離。但該法使用大量化學(xué)品（硫酸）而不適宜工業(yè)化生產(chǎn)。分離C8餾分的工業(yè)化方法：深冷結(jié)晶法、絡(luò)合萃取法、吸附法121化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成例：分離C8餾分制取對二甲苯深冷結(jié)晶法：由精餾、結(jié)晶和異構(gòu)化三部分組成。C8餾分預(yù)熱后進(jìn)入鄰二甲苯精餾塔，脫除鄰二甲苯（塔釜產(chǎn)品，純度91％）；塔頂物料進(jìn)入乙苯精餾塔（所需塔板數(shù)較多，采用三塔串聯(lián)），塔頂?shù)玫郊兌?8％的乙苯；塔釜物料進(jìn)入結(jié)晶分離器（兩段式），得到純度大于98％的對二甲苯產(chǎn)品；結(jié)晶第一段分離后母液中焓較多的間二甲苯，經(jīng)異構(gòu)化反應(yīng)轉(zhuǎn)化為對二甲苯，反應(yīng)混合物再進(jìn)入精餾分離，形成閉路循環(huán)。122化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成例：分離C8餾分制取對二甲苯絡(luò)合萃取法：

利用烴類的堿性與絡(luò)合萃取劑的酸性形成酸堿絡(luò)合物進(jìn)行分離。絡(luò)合萃取劑為BF3-HF。絡(luò)合萃取流程：（1）用絡(luò)合萃取劑BF3-HF對間二甲苯進(jìn)行萃取分離；（2）萃取液中間二甲苯絡(luò)合物的分解；（3）以BF3-HF為催化劑進(jìn)行間二甲苯的異構(gòu)化反應(yīng)；（4）鄰-、對-二甲苯和乙苯的精餾分離。123化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成例：分離C8餾分制取對二甲苯吸附法：

1969年美國環(huán)球油品公司（UOP）推出，1972年工業(yè)化。40～200oC，1～24atm下液相吸附操作。對p-xylene的一步收率可達(dá)90％，純度可達(dá)99.5％以上。避免了結(jié)晶法的深度冷凍和固體處理過程，克服了絡(luò)合萃取中存在的腐蝕問題。缺點(diǎn)是需要價(jià)格昂貴的分子篩做吸附劑，需要再生過程。124化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成7.3.2分離序列的確定

DeterminationofSeparationSequence125化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成分離序列的確定分離流程的優(yōu)劣最終體現(xiàn)在產(chǎn)品的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)上，它包括設(shè)備投資費(fèi)、公用工程（水、電、汽）的能源消耗、操作管理等各方面；這些指標(biāo)又綜合體現(xiàn)在產(chǎn)品的成本上。最優(yōu)方案的確定目前尚無理論推導(dǎo)的方法，主要是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)先篩選出一些可行的候選方案，再應(yīng)用系統(tǒng)優(yōu)化的方法對其進(jìn)一步研究，最后確定流程方案。126化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成探試合成法調(diào)優(yōu)合成法最優(yōu)化算法分離序列的確定需要采用非線性混合整數(shù)規(guī)劃的算法進(jìn)行嚴(yán)格計(jì)算，計(jì)算工作量大，對組分?jǐn)?shù)較多的分離問題尚無法確定。127化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成根據(jù)探試規(guī)則合成分離序列的方法。一、探試合成法TrialMethod探試規(guī)則是根據(jù)多年積累的經(jīng)驗(yàn)和對過程的熱力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行半定量分析所得的一些結(jié)論。探試法能迅速得出一個(gè)或少數(shù)幾個(gè)較優(yōu)方案。探試規(guī)則僅適用于簡單清晰切割塔，即只有一個(gè)進(jìn)料，兩個(gè)出料，進(jìn)料組分只出現(xiàn)在一個(gè)出料中的精餾塔。128化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成一、探試合成法TrialMethod探試法優(yōu)選的目標(biāo)－－－年生產(chǎn)費(fèi)用最低基建投資的折舊費(fèi)用操作費(fèi)用精餾塔，冷凝器和再沸器的基建費(fèi)用。泵和回流罐的費(fèi)用，一般<投資的5%，可略去不計(jì)。冷凝器和再沸器所用的冷卻和加熱介質(zhì)。其他操作費(fèi)用，可略去不計(jì)。129化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成試探規(guī)則（1）按相對揮發(fā)度遞減的順序從塔頂分離出各組分（2）最難的分離放在塔序的最后（3）每個(gè)塔的餾出液與釜液的摩爾流率盡量接近（4）回收率要求高的分離放在最后（5）進(jìn)料中含量高的組分盡量提前分出（6）有害組分盡早分出（7）進(jìn)入低溫分離系統(tǒng)的組分盡量少上述七條原則在實(shí)際中常常出現(xiàn)沖突，針對具體物系需對不同方案進(jìn)行對比，剔除明顯不夠合理的方案，縮小可選方案的范圍，以利于選擇出合適的方案。130化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成探試法是基于分離過程的共性規(guī)律，無法考慮到不同過程的特殊性，因而是不嚴(yán)格的，實(shí)際應(yīng)用時(shí)難免會出現(xiàn)失誤。實(shí)際中，上述原則常常沖突，需針對具體物系對不同方案進(jìn)行對比，剔除明顯不合理的方案，縮小可選方案范圍，選擇出合適的方案。例7-8、例7-9131化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成不同的流程往往有各自不同的優(yōu)缺點(diǎn)，這些優(yōu)缺點(diǎn)因不同情況而異，因此，分離方案的取舍不僅取決于每個(gè)塔系本身能耗的高低，而且還取決于不同分離流程所引起的其他工藝部分能耗的變化。分離流程的最終確定必須結(jié)合過程特點(diǎn)對全系統(tǒng)進(jìn)行分析和計(jì)算，得到全面而正確的結(jié)論。Note：132化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成一、調(diào)優(yōu)合成法OptimizationMethod以某個(gè)初始的流程為基礎(chǔ)，經(jīng)過一系列修正而合成接近最優(yōu)系統(tǒng)的方法。具體步驟：①利用已有流程或根據(jù)探試規(guī)則確定初步流程；②根據(jù)調(diào)優(yōu)規(guī)則開發(fā)當(dāng)前流程所允許的結(jié)構(gòu)變化；③對得到的各種結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行分析，確定替代方案，并選擇其中最優(yōu)的方案作為改進(jìn)方案；④以改進(jìn)的方案為基礎(chǔ)，再進(jìn)行分析，作進(jìn)一步的改進(jìn)，如此反復(fù)進(jìn)行直到不再改動為止。133化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成①有效性：根據(jù)調(diào)優(yōu)規(guī)則所產(chǎn)生的所有分離序列都應(yīng)當(dāng)是可行的；調(diào)優(yōu)規(guī)則，應(yīng)當(dāng)具有下列特性：②完備性：從任意初始流程開始，反復(fù)應(yīng)用調(diào)優(yōu)規(guī)則能產(chǎn)生所有可能的流程；③直觀合理性：根據(jù)調(diào)優(yōu)規(guī)則所產(chǎn)生的流程與當(dāng)前進(jìn)行調(diào)優(yōu)的流程沒有顯著的區(qū)別。134化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成規(guī)則1：

將一個(gè)分離任務(wù)移至所在分離序列的前一個(gè)位置。兩條常用的調(diào)優(yōu)規(guī)則:規(guī)則2：改變一個(gè)分離任務(wù)的分離方法。調(diào)優(yōu)的速度和質(zhì)量在很大程度上依賴于設(shè)計(jì)人員的素質(zhì)和經(jīng)驗(yàn)。135化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成選擇適宜的最優(yōu)的分離方法時(shí)應(yīng)考慮：Summary（1）可行性（2）產(chǎn)品的價(jià)值（3）產(chǎn)品的損壞（4）過程的優(yōu)缺點(diǎn)（5）分子性質(zhì)（6）經(jīng)驗(yàn)在分離方法和設(shè)備選定后，操作中的波動和應(yīng)對措施也是非常重要的。136化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成7.4分離流程的集成

SeparationProcessIntegration7.4.1反應(yīng)精餾ReactiveDistillation

7.4.2-1精餾與萃取的集成

7.4.2-2精餾與膜分離過程的集成

137化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成化學(xué)吸收化學(xué)萃取反應(yīng)精餾膜反應(yīng)器控制釋放膜生物傳感器分離過程與反應(yīng)過程的耦合138化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成

共沸精餾－萃取共沸精餾－萃取精餾滲透蒸發(fā)－精餾滲透蒸發(fā)－吸附滲透蒸發(fā)－吸收蒸汽滲透－精餾分離過程與分離過程的耦合139化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成7.4.1反應(yīng)精餾

ReactiveDistillation140化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成7.4.1反應(yīng)精餾在反應(yīng)同時(shí)，用精餾方法分離產(chǎn)物的過程。類型：

（1）利用精餾促進(jìn)反應(yīng)；（2）通過反應(yīng)來促進(jìn)精餾分離。催化精餾：如果反應(yīng)是在固體催化劑上進(jìn)行，將催化劑填充于精餾塔中，它既起加速反應(yīng)的催化作用，又作為填料起分離作用，這種反應(yīng)精餾稱為催化反應(yīng)精餾或催化精餾。141化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成7.4.1反應(yīng)精餾既適合于可逆反應(yīng)，也適合于連串反應(yīng)。對于可逆反應(yīng)：利用產(chǎn)物和反應(yīng)物揮發(fā)度的差異，精餾使產(chǎn)物離開反應(yīng)區(qū)，從而破壞原有的化學(xué)平衡，使反應(yīng)向生成產(chǎn)物的方向移動，在一定程度上變可逆反應(yīng)為不可逆，提高轉(zhuǎn)化率，同時(shí)得到高純度產(chǎn)物。例如：乙醇和醋酸的酯化反應(yīng)

CH3COOH+C2H5OH→CH3COOC2H5+H2O

酯、水和醇三元共沸物的沸點(diǎn)低于乙醇與醋酸的沸點(diǎn)，且共沸物中含醋酸乙酯82.6wt.%。將生成的醋酸乙酯不斷從塔頂蒸出，提高反應(yīng)轉(zhuǎn)化率。142化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成7.4.1反應(yīng)精餾對于連串反應(yīng)：A→R→S①S為目的產(chǎn)物一般兩步反應(yīng)的溫度和反應(yīng)速度均不同，傳統(tǒng)方法是將兩個(gè)反應(yīng)分別在兩個(gè)反應(yīng)器中進(jìn)行。反應(yīng)精餾能使兩步反應(yīng)在同一塔設(shè)備的兩個(gè)反應(yīng)區(qū)進(jìn)行，利用精餾作用提供合適的濃度和溫度分布，縮短反應(yīng)時(shí)間，提高收率和產(chǎn)品純度。②R為目的產(chǎn)物利用反應(yīng)精餾的分離作用把產(chǎn)物R盡快移出反應(yīng)區(qū)，從而避免副反應(yīng)。143化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成反應(yīng)精餾工藝條件的影響1.進(jìn)料位置加料位置決定了精餾段、反應(yīng)段和提餾段的關(guān)系，對塔內(nèi)濃度分布有強(qiáng)烈的影響。為保證各反應(yīng)物與催化劑充分接觸和有足夠的反應(yīng)停留時(shí)間，通常，揮發(fā)度大的反應(yīng)物在靠近塔的下部進(jìn)料，反之揮發(fā)度小的反應(yīng)物及催化劑在塔的上部進(jìn)料。進(jìn)料位置的確定還要保證有足夠長度的反應(yīng)段，達(dá)到充分反應(yīng)和分離產(chǎn)物的雙重目的。故確定反應(yīng)精餾塔進(jìn)料位置的原則是：①保證反應(yīng)物與催化劑充分接觸；②保證一定的反應(yīng)停留時(shí)間；③保證達(dá)到預(yù)期的產(chǎn)物的分離。144化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成反應(yīng)精餾工藝條件的影響2.回流比改變回流比使塔板上液相組成發(fā)生變化而影響反應(yīng)，同時(shí)也改變了液體與催化劑的表面接觸狀況和液體在反應(yīng)段的停留時(shí)間。反應(yīng)精餾回流比的設(shè)計(jì)計(jì)算比普通精餾計(jì)算要復(fù)雜得多，而且對平衡反應(yīng)和反應(yīng)速率控制的反應(yīng)體系不同。對一定的分離任務(wù)，回流比一般只能在一定范圍內(nèi)變化。145化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成反應(yīng)精餾工藝條件的影響3.催化劑的充填方式滿足的條件：①催化劑床層具有足夠的自由空間，提供氣液相的流動通道，以進(jìn)行液相反應(yīng)和氣液傳質(zhì)，并滿足設(shè)計(jì)允許的塔板壓力降；②具有足夠的表面積進(jìn)行催化反應(yīng)；③允許催化劑顆粒的膨脹和收縮，而不損傷催化劑；④結(jié)構(gòu)簡單便于更換。146化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成反應(yīng)精餾的局限性①反應(yīng)精餾僅適用于反應(yīng)過程和分離過程可在同一溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的工藝，即在催化劑具有較高活性的溫度范圍內(nèi)，反應(yīng)物系能夠進(jìn)行精餾分離。147化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成反應(yīng)精餾的局限性②根據(jù)反應(yīng)物和產(chǎn)物的相對揮發(fā)度大小，反應(yīng)體系可分為四種類型：

產(chǎn)物>或<

反應(yīng)物；

反應(yīng)物介于

產(chǎn)物之間；

產(chǎn)物介于

反應(yīng)物之間；

產(chǎn)物

反應(yīng)物可采用反應(yīng)精餾148化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成7.4.2精餾與其它分離過程的集成IntegrationofDistillationandOtherSeparationOperations149化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成一、精餾與萃取的集成IntegrationofDistillationandExtraction150化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成1、萃取-共沸精餾Extraction-AzeotropicDistillation選擇一種溶劑，它既能作為萃取過程的萃取劑，又是共沸精餾的共沸劑，從而避免再加入新的溶劑。151化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成例：萃取-共沸精餾分離醋酸-水溶液選用醋酸乙酯作為醋酸的萃取溶劑，且其與水形成非均相共沸物，可將醋酸的濃縮與溶劑醋酸乙酯的再生結(jié)合在一個(gè)共沸精餾塔內(nèi)進(jìn)行。152化工分離過程第7章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成例：萃取-共沸精餾分離醋酸-水溶液Aceticacid+H2OEAEA+acid+H2OH2O+EAAceticacidH2