分离工程第6章 分离过程及设备的效率与节能ppt课件.ppt
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1、1,第6章 分离过程及设备的效率与节能,2,第六章 主要内容,6.2 分离过程的最小分离功,6.3 分离过程的节能,6.4 分离过程系统合成,本章小结,6.1 气液传质设备的效率,3,6.1 气液传质设备的效率1)理解、识记气液传质设备级效率的各种定义2)掌握影响级效率的因素和塔板上流动液相的三种混和类型3)掌握级效率计算方法中的机理模型方法6.2 分离过程的最小分离功1)理解分离过程的最小分离功定义2)掌握多组分混合物的最小分离功、净功消耗、热力学效率计算,本章要求,4,6.3 分离过程的节能1)理解分离过程热力学分析2)掌握节能的主要途径3)识记有关分离操作的节能经验规则6.4 分离过程系
2、统合成1)理解离顺序数定义及计算公式2)掌握分离过程系统合成三种方法3)掌握有序试探法中的四大规则,5,能源是发展工业的必要物质条件,据报导化学工业是耗能较多的一个部门,我国化工能耗约占全国能源消耗总量的12.7%,折合标准煤为7848吨。若以每万元产值能耗平均值计,为全国万元产值能耗平均值的2.3倍。化学工业中分离系统能耗更大,特别是精馏单元操作,且余热量也大。据英、美等国统计,精馏单元操作能耗约占全国能耗量的3%。发展化学工业,开创化学工业的新局面,节能问题极为重要。确定具体混合物分离的最小能耗,了解影响能耗的因素,寻求接近此极限能耗的实际分离过程是很有意义的。,6,6-1气液传质设备的效
3、率,一、级效率的定义和影响因素二、 级效率的计算方法三、气液传质设备的选择,7,6-1气液传质设备的效率, 为确定传质设备的高度,可通过多级平衡过程的计算,决定完成一定分离任务所需的理论级数 将其他因素的影响归于传质分离的级效率 板式塔:一种塔内浓度为不连续变化的逐板接触型设备,每一塔板就是一个传质交换级,并构成多级平衡过程的一个单元 传质交换的两流体在一块塔板上接触后并不可能达到理论上的平衡状态,为表示板式塔传质效率的大小,常用板效率,8, 填料塔: 一种塔内浓度为连续变化的微分接触型设备 用相当于一个传质单元的高度,或一个理论级的填料高度来表示填料塔的传质效率,称之为传质单元高度或理论板当
4、量高度 讨论传质分离的级效率,就是讨论影响板式塔的板效率和填料塔的传质单元高度或理论板当量高度的各个因素及其计算方法,9,塔型,板式塔,填料塔,条形,方形,圆形,泡罩塔,筛板塔,浮阀,浮舌,筛板,泡罩,填料类型,填料支撑,液体分布装置,液体再分布装置,10,一、级效率的定义和影响因素,实际板和理论板的差异,汽液两相完全混合,板上浓度均一,等于离开该板溢流液的浓度,离开板的汽液相浓度达到平衡:,传质量:,均匀流动,各点停留时间相同,无雾沫夹带、漏液和液相夹带汽相现象等,板上液相浓度径向分布,液体入口处浓度高,进入的汽相各点浓度不相同,达到平衡要无限长时间影响因素:平衡关系、塔板 结构,流动情况、
5、物性,不均匀流动,各点停留时间有明显差异,雾沫夹带、漏液和液相夹带汽相现象等,11,级效率的定义,1)全塔效率,达到指定分离效果所需理论级数与实际级数的比值,对板式塔又称为总板效率。,全塔效率:将影响传质过程的动力学因素全部归结到总板效率内。 板式塔内各层塔板的传质效率并不相同,总板效率简单地反映了整个塔内的平均传质效果。 全塔效率很容易测定和使用,但若将全塔效率与板上基本的传质、传热过程相关联,则相当困难,12,2)默费里(Murphree)板效率(单板效率)指组分i的气相或液相经过一层塔板前后的实际组成变化与经过该层塔板前后的理论组成变化的比值。,y*i,j,图6-1 板序号规定,也可液相
6、浓度计算,且不同组分计算结果不同(二元除外),但,13,3) Murphree点效率 塔板上的气液两相是错流接触的,实际上在液体的流动方向上,各点液体的浓度可能是变化的。液体沿塔板流动的途径比板上的液层高度大很多,故在液流方向上比在气流方向上更难达到完全混合。若假定液体在垂直方向上是完全混合的,则,14,4)传质单元高度,NOG和NOL分别为气相和液相总传质单元数,HOG和HOL分别为气相和液相的总传质单元的填料层高度,kG,kL为气相、液相总传质系数;A为塔横截面积;a为填料的有效表面积,15,5)等板高度(HETP),一块理论板表示由一段填料上升的蒸气与自该段填料下降的液体互成平衡,等板高
7、度为相当于一个理论板的分离程度所需的填料层高度,等板高度越小,说明填料层的传质效率高,则完成一定分离任务所需的填料层的总高度可降低。HETP与填料的类型和尺寸、物性、操作条件、设备尺寸等因素有关,16,影响级效率的因素,1)点效率与传质间的关系,17,双膜理论,18,影响级效率的因素,1)点效率与传质间的关系,点效率,,P189(6-10),(6-11)式可经验求,19,美国化工学会(AIChE)对泡罩塔和筛板塔提出了下列经验式:,20,2)液体混合情况对板效率的影响,点效率只反映塔板上局部位置的传质效果,为了通过它来分析板效率的影响因素,还需找出板效率与点效率的关系。 如图6-2,对工业规模
8、的筛板塔板上停留时间分布和流动形式的测定表明:沿塔板中心的液体流速比靠壁处为快,而靠近塔壁处有反向流动和出现环流漩涡的趋势,并随流程的增长(塔径增大)变得更显著。液相在板上沿流动方向的混合程度影响板效率,按液相混合情况,可将流动分为三种类型。,21,板上液体完全混合 板上液相各点浓度相同,并等于出板液相浓度。 各处点效率相等,并等于板效率。,塔板的气相板效率等于点效率,22,液相完全不混合 活塞流 沿液流方向无任何返流,呈活塞流,此时浓度梯度最大,当NOG一定时,液体混合作用减弱,使EmV增大,且A越小,EmV越大,23,2) 液体混合情况对板效率的影响,液体部分混合,混合程度介于活塞流和完全
9、混合之间,常称为存在返混,24,2) 液体混合情况对板效率的影响,完全混合级效率等于点效率液相纵向不完全混合,使EmV/EOG对级效率起明显有利的影响不均匀流动,环流会产生不利影响,液相横向混合,能削弱这种影响,使EmV/EOG随塔径增大,纵向不完全混合性的有利影响下降,不均匀流动趋于严重,25,液体部分混合 AIChE,完全混合,完全不混合,26,液体部分混合,图6-5 求EMV/EOG值的图解线,27,3)雾沫夹带,两个相在传质交换后的分离,对塔设备就是气速较高时造成的雾沫夹带 影响:使重组分含量高的液体进入上层塔板,轻组分浓度下降湿板效率,e:单位液体流率的雾沫夹带量,对不同的塔型,可用
10、经验式估算e,EaEmV,28,3)雾沫夹带,29,3)雾沫夹带,泛点百分率,求得,由,30,4)物性的影响,液相粘度:粘度高,两相接触差,同时液相扩散系数变小,故效率低 相对挥发度:大则相当于汽相溶解度低,Ki小,液相阻力大,效率低表面张力梯度 a.正系统,泡沫状态下操作,b.负系统,喷射状态下操作,c.中性系统,31,二、 级效率的计算方法,1、经验法1)奥康奈尔(OConnell)关系曲线,32,1)奥康奈尔(OConnell)关系曲线,:全塔平均温度下进料的粘度,:相对挥发度,33,2)Van Winkle关系式,表面张力准数:,液体Schmidi准数:,Reynolds准数:,34,
11、3)等板高度 HETP,35,3)HETP,乱堆填料 HETP=0.45-0.6米鲍尔环,25mm,HETP=0.3m; 38mm,HETP=0.45m; 50mm,HETP=0.6m。规整填料 金属丝网波纹填料:CY型, HETP=0.125-0.166m; BX型,HETP=0.2-0.25m。 麦勒派克填料,HETP=0.25-0.33m,36,2、机理模型 美国化工学会(AIChE),1) 用(6-10,11)式计算出板上的气相传质单元数NG和液相传质单元数NL。2) 用(6-9)式求出气相总传质单元数 NOG3)用(6-8)式求出点效率EOG 4)计算板上液相返混程度Pe5)查图6-
12、5或(6-16)计算得EMV/EOG,并得单板效率 EMV6)从图6-6,7求雾沫夹带量并按式(6-19)求Ea特点:预测放大塔径后的板效率 计算繁复,37,三、气液传质设备的选择,(1)板式塔和填料塔的选择考虑的问题:1)系统物性填料塔:腐蚀性、易发泡、热敏性、真空操作 高粘度板式塔:易聚合或固体2)塔设备投资 板式 填料塔直径 0.6m 不受限制设备费用 小塔: 大 小 大塔: 小 大操作弹性: 大 小,38,3)塔的操作方式间歇精馏:填料塔(减少中间馏分的采出)多股加料和侧线采出:板式塔(简便)(2)填料的选择1)材质选择陶瓷、金属、塑料考虑:价格、硬度、腐蚀性2)种类考虑:效率、压力、
13、表面积、操作弹性,39,6-2 分离过程的最小分离功,一、分离的最小功二、非等温分离和有效能(Exergy) 三、净功和热力学效率,40,分离过程为什么要节能? 什么是分离过程的最小功? 分离过程的特征? 据热力学基本原理可知,各种物质的混合过程是一个自发的不可逆过程,若将一个均相混合物,在恒温、恒压下分离成各个不同组成的产物时,必须借助于某种消耗功或能量装置。,6-2 分离过程的最小分离功,41,一、分离的最小功,(1)定义 当分离过程完全可逆时,分离消耗的功 完全可逆 体系内所有的变化过程必须是可逆的 体系只与温度为T0(绝对温度)的环境进行可逆的热交换 理想功是体系的状态变化以完全的可逆
14、过程实现时,理论上可能产生的最大功或必须消耗的最小功,也就是分离的最小功。,42,(1)定义,物质分离的难易程度,取决于待分离混合物和分离所得产物的组成(xi,yi) 、温度和压力,43,(2)分离理想气体的混合物,理想气体混合物,最小功与压力以及被分离组分的相对挥发度无关由混合物分离成纯组分,因为组成总是小于1的,故Wmin必为正值。即等压等温地将混合物分离为纯组分必须花费功。 将等分子混合物等压等温地分离成两个纯组分时所需的功比分离其它浓度的混合物时要来得大,44,(3)分离低压的液体混合物,分离成纯组分时所需最小功,除温度外,最小功仅决定于进料组成和性质,由于物系不同,iF1为正偏差,所
15、需功小,iF1为负偏差,所需功大,说明不同分子间吸引力大,物系难于分离。,45,二、非等温分离和有效能(Exergy),若分离过程的产品温度与原料温度不同时,分离过程所需的最小功,按物系在分离过程中的有效能的增量变化来表示,46,三、净功和热力学效率,净功 离开系统的热量送入一个可逆热机所做功与输入系统热量送入可逆热机所做功之差。,47,热力学效率 可逆过程消耗的最小功与实际过程的净功之比,若分离过程是完全可逆的,热力学效率为1.0,实际过程为不可逆过程,故必定小于1.0,例题6-2 P198,48,典型化工产品精馏比能耗,6-3 分离过程的节能,49,对于已确定的分离任务,分离过程所需最小功
16、是由原料和产品的组成,温度和压力所决定的,若要提高该过程的热力学效率,只能采取如何降低分离过程的净耗功的措施来解决,也就是如何通过减少分离过程的不可逆性来提高其热力学效率。精馏过程热力学不可逆性过程中存在压力梯度的动量传递过程中存在温度梯度的热量传递存在浓度梯度下的传质传递存在不可逆化学反应,50,精馏过程的不可逆性,1)流体流动 流体流动时有压力降,当塔板数较多时,压力降也要加大,同时塔顶釜的温差也会加大,亦即W净增大 措施:增大塔径,降低板面液层厚度 , 改变板式塔为高效低压降填料塔,51,2)传热,一定温度梯度的热量传递 因温差传热过程而引起的有效能损失为,措施:使传热温差减小,则传热面
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