5-分离过程设计PPT.ppt

第五章 分离过程; 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。;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：;①对于理想混合物或理想溶液，活度系数等于1，则上式变为：;图：理想双组分溶液的最小分离功;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;;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：;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。;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。;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。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，再考虑其他的分离方法。;;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