第六章 分离过程的节能

第六章 分离过程的节能

Chapter6 Energy saving of separation process

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的2.3倍。而在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%。因此，要发展化学工业，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。

§6-1 分离的最小功和热力学效率

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。

一、等温分离的最小功

1、定义

分离最小功是分离过程必须消耗能量的下限，只有当分离过程完全可逆时，分离消耗的功才是分离最小功。

完全可逆指：①体系内所有的变化过程必须是可逆的。

②体系只与温度为0T （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。

min 0W H S T W id =?-?=

因为等温 0T T = 即系统的起始温度和最终温度与环境温度一致。

∑∑∑∑---=?-?=-进出进

出)(0min j j k k j j k k S n S n T H n H n S T H W

也可由热力学第一定律W Q H -=?推导，对可逆过程 S T Q ?=，结果同上。 由TS H G -=，∑∑==i i i i Z G Z G μ

而)?ln ?(ln 00i i i i f f RT -+=μμ const T =

可得 ??

????-=?=-∑∑∑∑出进)?ln ()?ln (,,,,min j i j i j k i k i k f Z n f Z n RT G n W 可见：最小分离功的大小标志着物质分离的难易程度，它取决于待分离混合物的组成（i i y x ,）温度、压力以及分离所得产物的组成、温度和压力。

2、分离理想气体的混合物

对理想气体混合物，i i y z =，p y f i i =?

??

????-=-∴∑∑∑∑出进)ln ()ln (,,,,min,j i j i j k i k i k T y y n y y n RT W

上式可见，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，由于出口处∑=1,k i y ，则0ln ,=k i y

∑-=-Fi Fi F T y y RT n W ln min,

因为组成总是小于1的，故min W 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。

将上两式描绘成曲线，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（0.6931）比分离其

它浓度的混合物时要来得大。同一图中的虚线则表示

产品为95.01=A x ，及20.02=A x 的两个非纯组分时的情

况。显然，由同一个FA x ，分离成两个纯组分时与分

离成两个非纯组分时所需的功是不同的，前者比后者 0 0.20 FA

x 0.95 1.0 来得大。

P185例6-1， P186例6-2。

3、分离低压的液体混合物

低压下：i i i i x p f γ0?=，i i x z =

???

?????-=-∴∑∑∑∑出进)ln ()ln (,,,,,,min j i j i j i j k i k i k i k x x n x x n W γγ 在等温条件下，完成1摩尔的多组分液体混合物原料，将其分离成纯组分时所需最小功。

∑∑-=-Fi Fi Fi F T x x n RT W γln min,

除温度外，最小功仅决定于进料组成和性质，由于物系不同，1>Fi γ为正偏差，所需功小，1

当原溶液为二元，且1=AF AF x γ和1=BF BF x γ，则0min =W ，说明进料中两组分不互溶，已经达到了完全分离。

二、非等温分离和有效能

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，可按物系在分离过程中的有效能的增量变化来表示。

对稳定流动体系有效能增量

)()(000S S T H H W E R ---==，)()(12012S S T H H E ---=?

S T H W E T ?-?=-=?0min,0分离

上式的0T 则是指环境温度，即前式计算时，过程的热量交换是与温度为T 的热库进行的，而按后式计算是指热量与温度为0T 的热库进行交换。按热力学第二定律可知，在不同温度的热库之间交换热量应该是可以作功（或需消耗功）的。二式之差就代表这部分功。

计算分离过程最小功时，可先计算S H ??,，对理想气体混合物分离成纯物质。则

∑?=

?i F T T pi iF dT c y H ∑?-=?i F T T F iF i pi

iF p y p R dT T c y S )ln ( 三、净功和热力学效率

1、净功

通常，进行分离过程所需的能量多半是以热能的

形式，而不是以功的形式提供的。在这种情况下，

最好是以过程所消耗的净功来计算消耗的能量。

“净功”的意思是：若将进入系统的热量送入一个

可逆热机时，可能做的功为入W ；若将离开系统的热

量送入可逆热机时，所可能做的功为出W ，那末入W 与

出W 之差即为系统所消耗的净功。当然，上述可逆热

机的低温热库温度都是0T ，以净功来计算消耗的能量，不仅把消耗能量的多少，而且把消耗能量的品位也考虑在内。

出入净W W W -=-

如图，若分离过程只是依靠有热量H Q （温度为H T ）进入系统，和有L Q （温度为L T ）离开系统而进行的，例如，一般的精馏过程就是依靠从再沸器送入热量H Q ，和从冷凝器移走热量L Q 而进行的。那么，将H Q 这些热量送入低温热库为0T 的可逆热机时，按第二定律，应该能做的功为)(0H H H T T T Q -，同样，由L Q 应该可做的功为)(0L L L T T T Q -。则 该分离过程所消耗的净功为

)(0H H H T T T Q W -=-净)(0L L L T T T Q --

显然，对任何分离过程，净W 总是大于E ?分离，只有在可逆过程时，两者才会相等。 若分离过程中除有热量交换外，无机械功的交换，而且产物的焓与原料的焓相差极小，可以忽略，那么必定是0Q Q Q L H ==。此时，净功就是： )11(0H

L T T QT W -=-净 这必定是个正值，因为H T 必定大于L T ，一般的精馏过程就是这种情况。

若以饱和液体进料的精馏过程，且分离组分之间的汽化潜热相接近时，H T 常用塔釜液的泡点R T ，L T 常用塔顶馏出物组成沸点C T 。 则)11(0R

C T T QT W -=-净 ∵C R T T > ∴净W 值一定是正值。

2．热力学效率

分离过程的热力学效率可以定义为：完全可逆过程消耗的最小功min W 与实际过程所消耗的净功净W 之比： 热力学效率净

分离净W E W W -?=--=min η 若分离过程是可逆的，则其热力学效率为1.0。由于实际过程是不可逆过程，故η必定是一个小于1.0的值，实际过程有许多极其复杂的因素会影响热力学效率，故不同物

系不同类型的分离过程，其热力学效率是各不相同的。对外加只有热量输入的过程：如精馏，结晶，沉降等热力学效率较高，对有能量分离剂和质量分离剂的过程，如吸收，特殊精馏，吸附等低些，特别对速率控制的分离过程，如膜分离及渗透等，其热力学效率更差。由于过程的影响因素很多，情况较复杂，必须结合实际过程进行分析计算。

P189EX6-3。

§6-2分离过程的节能技术

对于已确定的分离任务有效能的变化增值分离是由原料和产品的组成，温度和压力所决定的一个定值，若要提交该过程的热力学效率，只能采取如何降低分离过程的定耗功的措施来解决，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。

一、精馏过程的不可逆性。

1、流体流动

在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，亦即净W 增大，原则上要降低压力降可增大塔径，降低板面液层厚度。但增大

塔径降加大设备投资，减低板面液层厚度则使板效率变小。须根据实际情况综合考虑，此外改变板式塔为高效低压降填料塔也是提高生产能力降低压力降的主要途径。

2、传热

① 一定温度梯度的热量传递

塔再沸器和冷凝器中介质存在温差，因温差传热过程而引起的有效能损失为

)(0L

H L H T T T T QT D -= 有限温差下不可逆传热过程必引起有效能的损失，传热温差越大，有效能损失越多，因此在满足传热推动力的前提下应尽量减少传热温差。也可以认为净W 式中的H T ↑, L T ↓。则净W ↑，η↓。

若使传热温差减小，则传热面积需增大，因此可换用高效换热器或改进操作方式，如热虹吸式再沸器或特制循环式塔换热器。

② 不同温度物流的直接混合。

塔内上升蒸汽与下流液体直接接触产生热交换时的温差。是使精馏过程热力学下降的重要因素，要降低净功消耗就必须减小各板传热的推动力，即尽量使操作线与平衡线相接近。

3．传质

通过一定浓度梯度的质量传递或不同化学位物流的直接混合。即上升蒸汽与下流液体进行传质过程时，两相浓度与平衡浓度的差别。

化学位是传质的推动力，正是由于两相间的化学位有差异，导致传质过程发生有效能的损失。要使上述三个过程有较大的速率，就得有一定的推动力，而推动力越大，则不可逆性就越大。反之，要提高热力学效率就必须减少压差，降低温差和缩小化学位的差别。

二、精馏过程主要操作条件对能耗的影响

1、回流比R 对能耗的影响

在进料组成、状态、塔压与分离要求一定的情况下，精馏塔的主要能耗有操作费（即加热蒸汽费和冷却水费用）和固定设备费。操作费是随回流比的增大而增大的，而固定设备费中的塔设备费用是与板数成正比的，当14.1min ==R R 时，板数为无穷多，即塔费用为∞；当min R R >时，板数突然下降，设备费也徒然下降，总能耗最小出现在min )25.11.1(R R opt -=。

2、进料热状态的影响

在进料组成、产品组成及回流比一定的条件下，进料热状态q 对操作费用有影响。 ①高温精馏（塔顶釜温度高于环境温度）时，轻关键组分浓度高（如8.0=F D ），应采用较低的q 值，即应以气相或气—液混合进料；反之，以液相或气—液混合进料。 ②低温精馏（塔顶釜温度低于环境温度）时，无论F D 值为多少，应采用较高的q 值，即以饱和液体或过冷液体进料。

③在中等温度范围的操作情况，应进行经济比较，确定最佳q 值。

3、操作压力的影响

在塔板数一定的情况下，操作压力增加，相对挥发度减少，要维持规定产品纯度，需增加回流比，再沸器热负荷增加；反之操作压力减少，回流比降低，不可逆损失减少。

但一般精馏塔不在负压下操作，因真空操作需要额外设备产生真空并维持真空度。一般操作压力应略高于大气压力。

三、节省精馏过程能耗的一些措施

精馏是工业上应用最广的分离操作，消耗大量的能量，提高精馏的热力学效率，将带来显著的经济效益。

1、有效能的充分回收及利用

采用加强装备的保温以及回收利用物流的部分显热或潜热等措施，其热量回收量较小。如将某加压塔的高温塔釜液，甲醇塔塔釜5大气压1540C 的釜液，经减压取得175mmHg 的低压蒸汽，通入喷射泵升压到435mmHg 的蒸汽作为乙醇塔的加热蒸汽时，可节约加热蒸汽消耗量的20%，也有将塔顶冷凝器用作为另一塔的塔釜加热器来回收其蒸汽物料的潜热。

2、减少过程的净耗功。

采用改变分离过程操作条件的方法来减少过程的净耗功，如严格控制设计富裕度，选定最佳回流比促使设备投资费与操作费降为最少是很有意义的。经过70个不同烃类精馏塔的计算，min )0.22.1(R R opt -=。在60年代min 4.1R R opt =。70年代，由于能源价格上涨，为降低成本减少操作费用，min )24.111.1(R R opt -=m 如炼油厂的铂重整车间，在维持质量不

变的情况下，采用调整6个精馏塔的回流比的操作，使过程取得了较明显的节能效果（节能25-75%）。另外降低操作压力，使被分离的物系各组分间的相对挥发度增加，在要求产品合格纯度前提下可降低回流比的操作，从而节约能量。如脱甲烷塔，若将操作压力由35大气压降至7大气压操作时，可节约大约2000千瓦/小时。

3、减少质量传递中的浓度梯度（y ?）

从二元系的y x -图中可看出，若将操作线向平衡线靠近，即能减少传质推动力y ?，从而减少了精馏过程的不可逆程度，降低净功耗，为此采用中间冷凝及中间再沸手段，将精馏塔上、下各分成几段。所用的中间冷凝及中间再沸可采用不同级别的介质进行传热，又能充分回收过程的余热（显热和潜热），见P190图6-6。但必须指出，由于增设中间冷凝器及中间再沸器后，分离过程的总设备投资费用有所增加，对具体实例需要作必要的经济比较作最后选择。如大型乙烯精馏塔，设计中若采用一个中间再沸器后，所增加的设备投资费用一年之内即可回收，并且由于利用了低温热源作介质，节能显著，