分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成

1傳質分離過程第七章分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成主要內容及要求：學習并掌握分離過程的最小功和熱力學效率，了解精餾的節(jié)能技術，分離方法選擇的一般原則，分離序列的確定方法及分離過程的集成。2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效率

7.2精餾的節(jié)能技術

7.3分離流程的優(yōu)化

7.4分離流程的集成37.1.3熱力學效率和凈功消耗4

表征能量被利用的程度有兩類效率：基于熱力學第一定律的熱效率和基于熱力學第二定律的熱力學效率。熱效率只反映出過程中能量在數量上被利用的程度，并未反映出能量轉換過程中能量品位上的變化。

5

熱力學效率反映了過程中有效能被利用的程度，它是能量在數量上和品位上被利用的綜合反映，更準確地反映了過程的完善程度。熱力學效率又稱為有效能效率。6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)分離過程的熱力學效率7

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算消耗的能量。8

要降低分離過程的能耗，提高其熱力學效率，就應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。9（1）流體流動產生壓力降；（2）塔內氣相和液相間存在溫差，再沸器和冷凝器中傳熱介質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在：？提高熱力學效率10增大塔徑1）降低壓力降降低液層高度設備投資塔板效率改進方式：1.選擇合適的塔徑、液層高度

2.改板式塔為高效填料塔11“可逆精餾”

2）減小溫差和濃差減小傳熱和傳質推動力無限多平衡級，無限多中間再沸器和冷凝器無實用價值12精餾過程節(jié)能的途徑單個精餾塔的調優(yōu)節(jié)能精餾系統(tǒng)的綜合優(yōu)化節(jié)能精餾系統(tǒng)與整個工藝過程的綜合優(yōu)化節(jié)能13單個精餾塔的調優(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）通過側線采出回收熱量；4）塔盤改造，增加塔板數，減小回流比，改造塔的內部結構（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）適宜的進料位置，保證分離純度并減小回流比；8）良好的保溫；9）設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）采用多股進料；11）對進料、產品和釜液的顯熱回收利用。14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。15精餾系統(tǒng)與整個工藝過程的綜合優(yōu)化節(jié)能

將整個工藝系統(tǒng)過程中各處的能量統(tǒng)一起來考慮，綜合利用，提高整個過程的用能效率，達到最大程度的節(jié)省能量。167.2.1精餾塔的多股進料和側線采出DistillationColumnswithMulti-feedsandMulti-sidestreams17分離對象：組分相同，濃度不同的多股料液一、多股進料分離方法：多個常規(guī)精餾塔分別處理多股料液多股料液混合后進入同一精餾塔多股料液從不同位置進入同一精餾塔18例：組分相同，濃度不同的兩股二元混合物

兩塔式設備費用較高19例：組分相同，濃度不同的兩股二元混合物

進料液混合一塔式兩段進料一塔式20例：組分相同，濃度不同的兩股二元混合物

進料液混合一塔式兩段進料一塔式操作線更接近平衡線，傳質和傳熱推動力減小，熱力學效率提高，但所需塔板數增加。21

對于多元混合物的分離，若其中某一個或某幾個組分的含量較少或對組分間的切割要求不是很嚴格時，可考慮采用側線采出的方式代替多個相鄰的常規(guī)塔，從而降低基建投資和操作費用。二、側線塔22若第一個塔為A/BC切割塔，則側線出料位置在進料板之下；側線出料位置的確定以三元物系（組分A、B、C）為例：若第一個塔為AB/C切割塔，則側線出料位置在進料板之上。23

當側線出料位置在進料板之上，主要產品是B，且相對揮發(fā)度αAC＞＞αBC時，側線出料中B的最大濃度和A的最小濃度由進料組成所決定，與塔頂至側線板之間的板數和回流比無關。247.2.2熱泵精餾HeatPumpDistillation25

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過壓縮升溫后作為塔底再沸器的熱源，稱為熱泵精餾。WhatisHeatPumpSystem?26熱泵的形式：閉式熱泵開式熱泵27

用外界的工作介質為冷劑，液態(tài)冷劑在冷凝器中蒸發(fā)，使塔頂物料冷凝。汽化后的冷劑進入壓縮機增壓，然后在壓縮機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，5—節(jié)流閥。28開式熱泵：

用過程本身的物料為工作介質。（1）以塔釜物料為工質，在冷凝器汽化，取消再沸器。29開式熱泵：

用過程本身的物料為工作介質。（2）以塔頂物料為工質，在再沸器冷凝，取消冷凝器。30

熱泵精餾是靠消耗一定量機械能來提高低溫蒸汽的能位而加以利用的，因此，消耗單位機械能回收的熱量是一項重要指標。顯然，對于近沸點混合物分離的精餾塔應用熱泵精餾效果會更好。由于熱泵精餾需要增設壓縮機，又要消耗機械能，所以推廣應用受到一定的限制。Notes:317.2.3設置中間冷凝器和中間再沸器的精餾Distillationwithmiddle-condenserandmiddle-reboiler32

普通精餾塔只在塔頂和塔釜對物料進行冷凝和蒸發(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，把冷凝器熱負荷分配到塔的上段，則可應用較為廉價的冷源或者溫位較低的熱源，達到節(jié)能的效果。

溫度是熱能品質的度量，即使熱負荷在數量上沒有變化，但通過調節(jié)溫度分布，有可能減少過程的不可逆損失。圖7-8二級再沸、二級冷凝精餾塔347.2.4精餾過程的熱集成Heat-integratedDistillationSystems

35一、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。而實際情況是，最方便廉價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的溫差比實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。36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。3738（1）投資的限制：影響多效精餾的因素：效數塔數塔設備投資效數換熱器傳熱溫差傳熱面積換熱器設備投資

效數的確定要綜合考慮投資費用的增加和運行費用的降低。

39（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。40

一般情況下，多效精餾的效數為兩效或三效。

與單塔精餾相比，兩效精餾可節(jié)能30~40%。Summary41

用物流直接傳熱來提供熱量，省去再沸器和（或）冷凝器，實現熱耦合。二、熱偶合精餾ThermallyCoupledDistillation42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）43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）44

熱耦合精餾在熱力學上是最理想的流程結構，即可節(jié)省設備投資，又可節(jié)省能耗。但是，至今熱耦合精餾并未在工業(yè)中獲得廣泛應用。這是由于在操作中使主、副塔之間氣液分配保持設計值是較困難的；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。45Summary單個精餾塔的調優(yōu)節(jié)能多股進料和側線采出Multi-feedsandMulti-sidestreams熱泵精餾HeatPumpDistillation

設置中間冷凝器和中間再沸器的精餾Middle-condenserandMiddle-reboiler46Summary精餾系統(tǒng)的綜合優(yōu)化節(jié)能精餾系統(tǒng)與整個工藝過程的綜合優(yōu)化節(jié)能多效精餾Multi-effectDistillation熱耦合精餾ThermallyCoupledDistillation

477.3分離流程的優(yōu)化

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

7.3.2分離序列的確定487.3.1分離方法的選擇和分離順序數

SelectionofFeasibleSeparationOperationsandtheNumberofPossibleSeparationSequences49一、分離順序數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50（1）有些情況下，只有普通精餾塔的流程方案并非是最經濟的。對于不同的產品要求、料液濃度和分離特性，往往還需要選用其他方案，如側線提餾塔、側線精餾塔、多效精餾塔和熱泵精餾塔等復雜塔及特殊精餾塔，流程方案數將變得更多。Notes：51（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，流程方案數將成倍成倍地增加。Notes：（3）當采用分離劑時，往往還要考慮分離劑的回收和循環(huán)使用，因此，可能的分離順序數將增加更多。52首要任務－－－選擇合適的分離方法，用所選分離方法合成分離序列。53二、分離方法的選擇SelectionofFeasibleSeparationOperations54一、通過相的加入和創(chuàng)造來進行分離

(PhaseAdditionorCreation)

對于均一單相體系的分離，往往通過加入ESA或/和MSA創(chuàng)造或加入第二個不相溶的相來實現分離。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)、結晶、浸取、泡沫分離等。分離方法：第一種分類方法55二、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）。膜的分離機理：篩分機理（多孔膜）溶解擴散機理（致密膜）分離方法：第一種分類方法56三、通過固體試劑進行分離(Solidagent)固體質量分離劑（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57四、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58精餾是一個使用能量分離劑的過程；操作方便，技術、理論和應用均成熟；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59Summary1.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品的分離設備。60Summary2.Morethan30differentseparationoperationsarecommerciallyimportant.

30多種的分離過程已經工業(yè)化。61Summary3.Theextentofseparationachievablebyaparticularseparationoperationdependsonexploitationofthedifferencesincertainpropertiesofthespecies.

一個特定分離過程的分離程度取決于對待分離組分之間性質（分子性質、熱力學性質、傳遞性質）差別的開發(fā)程度。62Summary4.Themorewidelyusedseparationoperationsinvolvethetransferofspeciesbetweentwophases,oneofwhichiscreatedbyenergytransferorthereductionofpressure,orbyintroductionasaMSA.

應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量分離劑產生兩相體系。63Summary5.

Lesscommonlyusedseparationoperationsarebasedontheuseofabarrier,asolidagent,oraforcefieldtocausespeciesbeingseparatedtodiffuseatdifferentratesand/ortobeselectivelyabsorbedoradsorbed.

應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。64Summary6.

Forasequence,system,ortrainofseparators,overallcomponentrecoveiesandproductpuritiesareofprimeimportanceandarerelatedbymaterialbalancestotheindividualsplitratiovaluesfortheseparatorsinthesystem.

分離操作依據質量平衡（物料平衡、物料衡算）；組分的回收率或產品純度，即組分的分離程度通常用分離因子來描述。65Summary7.

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

某些分離操作（如吸收）只能規(guī)定一個組分的分離程度，而另一些分離操作（如精餾）則可規(guī)定兩個關鍵組分的分離程度。66Summary8.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)應用程度主要取決于技術成熟度。677.3.2分離序列的確定

DeterminationofSeparationSequence68探試合成法調優(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規(guī)劃的算法進行嚴格計算，計算工作量大，對組分數較多的分離問題尚無法確定。69根據探試規(guī)則合成分離序列的方法。一、探試合成法TrialMethod探試規(guī)則是根據多年積累的經驗和對過程的熱力學性質進行半定量分析所得的一些結論。探試法能迅速得出一個或少數幾個較優(yōu)方案。探試規(guī)則僅適用于簡單清晰切割塔，即只有一個進料，兩個出料，進料組分只出現在一個出料中的精餾塔。70

不同的流程往往有各自不同的優(yōu)缺點，這些優(yōu)缺點因不同情況而異，因此，分離方案的取舍不僅取決于每個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合過程特點對全系統(tǒng)進行分析和計算，得到全面而正確的結論。Note：71一、調優(yōu)合成法OptimizationMethod

以某個初始的流程為基礎，經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探試規(guī)則確定初步流程；②根據調優(yōu)規(guī)則開發(fā)當前流程所允許的結構變化；③對得到的各種結構變化進行分析，確定替代方案，并選擇其中最優(yōu)的方案作為改進方案；④以改進的方案為基礎，再進行分析，作進一步的改進，如此反復進行直到不再改動為止。72①有效性：根據調優(yōu)規(guī)則所產生的所有分離序列都應當是可行的；調優(yōu)規(guī)則，應當具有下列特性：②完備性：從任意初始流程開始，反復應用調優(yōu)規(guī)則能產生所有可能的流程；③直觀合理性：根據調優(yōu)規(guī)則所產生的流程與當前進行調優(yōu)的流程沒有顯著的區(qū)別。73選擇適宜的最優(yōu)的分離方法時應考慮：Summary（1）可行性（2）產品的價值（3）產品的損壞（4）過程的優(yōu)缺點（5）分子性質（6）經驗在分離方法和設備選定后，操作中的波動和應對措施也是非常重要的。747.4分離流程的集成

SeparationProcessIntegration7.4.1反應精餾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

75

化學吸收化學萃取反應精餾膜反應器控制釋放膜生物傳感器分離過程與反應過程的耦合76

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777.4.1反應精餾

ReactiveDistillation787.4.1反應精餾在反應同時，用精餾方法分離產物的過程。類型：

（1）利用精餾促進反應；（2）通過反應來促進精餾分離。催化精餾：如果反應是在固體催化劑上進行，將催化劑填充于精餾塔中，它既起加速反應的催化作用，又作為填料起分離作用，這種反應精餾稱為催化反應精餾或催化精餾。797.4.1反應精餾既適合于可逆反應，也適合于連串反應。對于可逆反應：利用產物和反應物揮發(fā)度的差異，精餾使產物離開反應區(qū)，從而破壞原有的化學平衡，使反應向生成產物的方向移動，在一定程度上變可逆反應為不可逆，提高轉化率，同時得到高純度產物。例如：乙醇和醋酸的酯化反應

CH3COOH+C2H5OH→CH3COOC2H5+H2O

酯、水和醇三元共沸物的沸點低于乙醇與醋酸的沸點，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，提高反應轉化率。807.4.1反應精餾對于連串反應：A→R→S①S為目的產物一般兩步反應的溫度和反應速度均不同，傳統(tǒng)方法是將兩個反應分別在兩個反應器中進行。反應精餾能使兩步反應在同一塔設備的兩個反應區(qū)進行，利用精餾作用提供合適的濃度和溫度分布，縮短反應時間，提高收率和產品純度。②R為目的產物利用反應精餾的分離作用把產物R盡快移出反應區(qū)，從而避免副反應。81反應精餾工藝條件的影響1.進料位置

加料位置決定了精餾段、反應段和提餾段的關系，對塔內濃度分布有強烈的影響。為保證各反應物與催化劑充分接觸和有足夠的反應停留時間，通常，揮發(fā)度大的反應物在靠近塔的下部進料，反之揮發(fā)度小的反應物及催化劑在塔的上部進料。進料位置的確定還要保證有足夠長度的反應段，達到充分反應和分離產物的雙重目的。故確定反應精餾塔進料位置的原則是：①保證反應物與催化劑充分接觸；②保證一定的反應停留時間；③保證達到預期的產物的分離。82反應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，同時也改變了液體與催化劑的表面接觸狀況和液體在反應段的停留時間。反應精餾回流比的設計計算比普通精餾計算要復雜得多，而且對平衡反應和反應速率控制的反應體系不同。對一定的分離任務，回流比一般只能在一定范圍內變化。83反應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，以進行液相反應和氣液傳質，并滿足設計允許的塔板壓力降；②具有足夠的表面積進行催化反應；③允許催化劑顆粒的膨脹和收縮，而不損傷催化劑；④結構簡單便于更換。84反應精餾的局限性①反應精餾僅適用于反應過程和分離過程可在同一溫度范圍內進行的工藝，即在催化劑具有較高活性的溫度范圍內，反應物系能夠進行精餾分離。85反應精餾的局限性②根據反應物和產物的相對揮發(fā)度大小，反應體系可分為四種類型：產物>或<反應物；反應物介于產物之間；

產物介于反應物之間；

產物反應物可采用反應精餾867.4.2精餾與其它分離過程的集成IntegrationofDistillationandOtherSeparationOperations87一、精餾與萃取的集成IntegrationofDistillationandExtraction881、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。89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合在一個共沸精餾塔內進行。90例：萃取-共沸精餾分離醋酸-水溶液Aceticacid+H2OEAEA+acid+H2OH2O+EAAceticacidH2O酯相水相912、加鹽萃取-共沸精餾SaltExtraction-AzeotropicDistillation

利用無機鹽對有機溶劑“鹽析”效應提高萃取劑的分配系數和選擇性，擴大不互溶區(qū)域，提高萃取相產物的濃度，從而達到節(jié)能的效果。92例：加鹽萃取-共沸精餾分離醋酸-水溶液

選擇萃取能力和共沸帶水能力適中的醋酸異丙酯作溶劑，加入NaCl、Na2SO4、MgCl2等鹽后，醋酸的分配系數提高，同時三元相圖中兩相區(qū)的范圍和萃取液最高濃度增大；且在相當大范圍內萃余相中不含溶劑。93表7-5單位醋酸能耗與原料濃度關系原料醋酸濃度wt％醋酸的熱量消耗，kJ/kg共沸精餾萃取-共沸精餾加鹽萃取-共沸精餾706182.9986463.987609629.8168895.317002.0945014455.198912.4797693.8864021693.478938.8619719.8493033752.938982.41210768.8421%27%94二、精餾與膜分離的集成IntegrationofDistillationandMembraneProcess951、精餾-滲透汽化Distillation-Pervaporation分離對象：共沸物或近沸物、且兩組分含量接近。MixtureMembranebenzene/cyclohexane親苯膜dimethylcarbonate(DMC)/methanol親甲醇膜ethanol/water親水膜ethyltert-butylether(ETBE)/ethanol親乙醇膜；親水膜isopropanol/water親水膜methylisobutylketone;MIBK/water親水膜methyltert-butylether(MTBE)/methanol親甲醇膜96例1：精餾-滲透蒸發(fā)集成分離MTBE-MeOH醋酸纖維素膜（卷式）減少設備投資5-20%，降低蒸汽消耗量10-30%。AirProductsandChemicalsInc.,198997例2：精餾-滲透蒸發(fā)集成分離DMC-MeOHItemAzeotropicDistillationDistillation-PervaporationCapitalinvestmentofplant150.060.0Utilitiescost(water,electricity,vapor,etc.)17.14.5Costofmembranes2.1Costofoperation17.16.6表7-7DMC/MeOH分離過程的比較（$10,000）TexacoInc.,USA98例3：酯化反應-精餾-滲透蒸發(fā)集成GFTInc.,Ge