化工分离过程__第7章分离过程的节能优化与集成

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化工分离过程__第7章分离过程的节能优化与集成

First Law of Thermodynamics---energy balance：
(stream enthalpy flows+heat transfer+shaft work) leaving system -(stream enthalpy flows+heat transfer+shaft work) entering system=0
对于等温可逆过程，进出系统的物流与环境的温度均为T，根据热力学第二定律：
Q T[ nkSk n jS j ] (7-2)
流出系统的物流的 out
in
进入系统的物流的
熵的总和
熵的总和
9
Q T[nkSk njS j ]
out
in
(7-2)
n jH j Q nk Hk W (7-1)
out
i
in
i
(7-8)
15
Wmin,T RT[ nk ( yi,k ln yi,k ) n j ( yi, j ln yi, j )]
out
i
in
i
(7-8)
对于由A和B两组分构成的二元气体混合物
在进料温度和压力下被分离成纯A和纯B产
品的情况，式（7-8）可简化为无因次最小功：
in
out
(7-1) 20
n jH j Q nk Hk W
in
out
(7-1)
对于等温、等压下理想气体混合物的分离过程，混合热为零，故不发生焓变，从过程向环境的传热速率等于环境对系统所作的最小功。
Q Wmin,T
21
对于等温、等压下理想溶液的分离，从过程到环境的传热速率也等于环境对系统所作的最小功。

《化工过程节能技术》课程教学大纲(本科)

《化工过程节能技术》课程教学大纲英文名称：Chemical Energy Saving Technology课程类型：专业技能课课程要求：选修学时/学分:32/2适用专业：应用化工技术一、课程性质与任务本课程是化工及其相关专业学生选修的一门专业课程，是研究节能原理和节能技术的一门课程。

主要包括热力学第一定律和第二定律，能量的烙I计算，炯损失与刑衡算方程式, 装置的炯效率与炯损失系数；流体流动与流体输送机械、换热、蒸发、精馅、干燥、反应等化工单元过程与设备的节能；该课程的任务是研究化工单元操作的基本原理、典型设备的结构原理、操作性能中的耗能问题及节能途径。

二、课程与其他课程的联系在学习本课程之前应学完《物理化学》、《化工原理》和《化学反应过程与设备》等学科基础课，并且应通过认识实习对化工生产过程有所了解。

三、课程教学目标1 .了解化工生产单元过程及生产原理。

2.掌握可逆过程、火用、夹点等重要的基本概念。

3 .了解能量转换遵循的基本定律。

4.掌握单元过程和能量系统用能状况的基本分析及计算方法，以及提高能量利用经济性的基本原则和主要途径。

5.逐步树立工程观点，具有对实际问题建立能量系统模型的能力,并能用理论分析解决与化工节能有关的实际问题。

6.掌握化工单元过程节能途径及其主要设备的节能方法。

四、教学内容、基本要求与学时分配五、其他教学环节（课外教学环节、要求、目标）本课程没有其他课外教学过程。

六、教学方法由于本课程中涉及知识面较宽，所阐述内容较多，最新的科技研究成果也比较丰富，为了引起学生学习的兴趣和加强讲授时的教学效果，本课程采用讲练为主的教学方式。

由于在讲授过程中加入了大量的化工工艺节能研究成果，提高了学生的学习热情，也为拓宽他们将来的就业渠道打下了一定的基础。

在课堂教学中，通过讲授、提问、讨论、演示等教学方法和手段让学生理解化工基本概念，基本原理和各类产品的生产方法，强化化工热力学和化工动力学在化工生产中的应用。

化工过程优化与集成

《化工过程优化与集成》课程教学大纲一、课程性质《化工过程优化与集成》是化学工程与工艺专业的核心专业基础课程之一，它是应用化工过程优化和系统集成的理论和方法来研究化工过程系统的开发、设计、最优操作一门课程。

本门课程的任务是使学生能运用优化和系统集成的观点和方法分析化工过程，使化工过程系统在开发、设计、操作、管理等各个层面上达到最优化，使整体能耗最小，费用最小，环境污染最少。

二、教学目的培养高年级学生综合运用学过的《化工原理》、《化工热力学》、《化学反应工程》等课程，以及技术经济、环境保护方面的基础知识，并结合本课程的优化和系统集成的观点和方法，加强学生处理化学工业实际问题的能力，培养学生抽象思维和演绎分析的能力及优化和集成观念。

三、教材教参（二）主要参考书1. 杨友麟编，《实用化工系统工程》，化学工业出版社，19892. 邓亚龙编，《化工中的优化方法》，化学工业出版社，19923. 马国喻编，《化工最优化基础》，化学工业出版社，1982四、教学方式本课程将以启发互动式教学为主要方式，板书与多媒体结合，配以CAI课件。

五、教学内容及时数1 绪论（2学时）1.1 过程系统工程1.2 过程系统工程研究的基本问题1.3 过程系统工程的研究方法1.4 学习过程系统工程课程的方法建议第一篇过程系统模拟2 过程系统稳态模拟（3学时）2.1 过程系统稳态模拟的基本概念2.2 过程系统模拟的序贯模块法2.3 过程系统模拟的联立方程法2.4 过程系统模拟的联立模块法2.5 过程模拟的应用2.6 过程稳态模拟发展趋势3 过程系统动态模拟（3学时）3.1 过程系统动态模拟基础3.2 过程系统动态模拟方法3.3 精馏过程动态模拟3.4 过程系统动态模拟实例3.5 过程仿真培训系统3.6 过程系统动态模拟发展趋势第二篇过程系统优化4 过程系统优化的基本概念及基础最优化方法（3学时）4.1 最优化问题的提出及其模型化4.2 过程系统最优化问题数学模型的一般型式4.3 最优化数学方法分类4.4 无约束最优化方法4.5 有约束多变量函数的最优化方法5 线性规划（3学时）5.1 线性规划问题的数学模型5.2 线性规划问题基本理论5.3 线性规划问题求解——单纯形法5.4 纯性规划求解的其他方法6 非线性规划（5学时）6.1 非线性规划基础6.2 变量变换法6.3 罚函数法6.4 可行方向法6.5 逐次线性规划法6.6 逐次二次规划法6.7 广义简约梯度法6.8 非线性规划方法的简单比较6.9 非线性规划软件简介7 混合整数规划（3学时）7.1 引言7.2 化工过程优化MIP问题的提出7.3 求解MIP问题的分支定界法7.4 求解MINLP问题的外部近似原理和方法8 多目标优化（3学时）8.1 多目标优化的基本概念8.2 多目标优化的基本方法9 间歇过程系统的优化（2学时）第三篇过程系统综合与集成（5学时）10 换热器网络综合11 蒸馏分离序列的综合12 反应器网络综合13 过程系统集成六、考核方式平时考核20%；期末考试80%。

分离过程的节能优化与集成

54
分离方法：第一种分类方法
二、通过障碍物分离 (Barrier) 膜分离（微滤、超滤、纳滤、反渗透、气体分离、渗透蒸发和蒸汽渗透、液膜等）。膜的分离机理：筛分机理（多孔膜）溶解扩散机理（致密膜）
55
分离方法：第一种分类方法
三、通过固体试剂进行分离 (Solid agent) 固体质量分离剂（吸附剂、离子交换树脂、色谱固定相）吸附、再生（变压吸附、变温吸附）、
Bsep /(Wnet )
Wnet Bsep T0Sirr
8
精馏过程的不可逆性表现在：
（1）流体流动产生压力降；（2）塔内气相和液相间存在温差，再沸器和冷凝器中传热介质和物料之间存在温差；（3）气相和液相浓度与平衡浓度存在差异。
？提高热力学效率
9
1）降低压力降
增大塔径降低液层高度设备投资塔板效率
精馏系统的综合优化节能
多效精馏 Multi-effect Distillation
热耦合精馏 Thermally Coupled Distillation
精馏系统与整个工艺过程的综合优化节能
46
7.3 分离流程的优化 Separation Process Optimization
7.3.1 分离方法的选择和分离顺序数
7.3.2 分离序列的确定
47
7.3.1 分离方法的选择和分离顺序数
Selection of Feasible Separation Operations and the Number of Possible Separation Sequences
48
一、分离顺序数
Number of Possible Separation Sequences

分离工程(分离过程的节能)

§1 分离的最小功和热力学效率
一、分离过程的最小功
定义：当分离过程完全可逆时，分离消耗的功
•
它取决于欲分离混合物的组成、压力、温度以及分离
所得产品的组成、压力、温度。
二、热力学效率
-W净为净功消耗：离开系统的热量送入一个可
Wmin B分离
W净 W净
逆热机所做功与输入系统热量送入可逆热机所做功之差
•6、特殊组分先分
二、节省精馏过程能耗的一些措施
• 1、有效能的充分回收及利用 • 采用加强设备的保温以及回收利用物流的部分显热或
潜热等措施
• 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
§ 2分离过程的节能技术
3、减少质量传递中的浓度梯度（ △Y））
•组织精馏顺序的考虑因素和最佳方案
考虑因素做法
最佳方案
节省热量对液体进料轻组分逐塔汽化
1
节省冷量对汽体进料重组分逐塔冷凝
5
传热效果不凝气尽量先分出（不凝气在冷凝器冷凝溶液处出现滞留层，使冷凝传热系数大为下降，恶化传热效果）
1，2
操作影响并联操作可减少各塔的相互干扰
3
设备材料深冷材料尽量少
的A，以后按挥发度递减的顺序依次次采出 •3) 四元溶B、液C：、三D个，塔称，之五为种顺方序案流程，这种方案在
•
工当厂挥中发是度常：见A的>B。>C>D
•A
•A,B,C,D
•B
•B,C,D
•C,D
•(Ⅰ)
•A,B,C,D
•A
•B
•B,C

化工原理中的化工过程集成与优化

化工原理中的化工过程集成与优化化工工程中的过程集成与优化是一项重要的技术，旨在通过优化化工过程中的各个单元操作，提高生产效率、降低能耗以及减少对环境的污染。

本文将介绍化工原理中的化工过程集成与优化的基本概念、方法和应用案例，并探讨其在化工工程中的重要性和前景。

一、化工过程集成与优化的基本概念化工过程集成与优化旨在通过将化工过程中的各个单元操作进行整合和优化，以实现整体性能的提升。

过程集成是指将不同的单元操作相互结合，形成一个具有相互关联和协同作用的整体系统；过程优化则是通过对该整体系统进行综合分析和调整，以实现最佳的生产效果。

化工过程集成与优化的目标包括降低能耗、提高产量和质量、降低成本和减少对环境的影响。

二、化工过程集成与优化的方法1. Pinch Analysis（突破分析）Pinch分析是一种常用的化工过程集成与优化方法，主要用于能量系统的优化。

该方法通过对热量的流动进行分析，确定热量交换装置的最佳配置，以最大程度地降低能量消耗和损失。

2. Mathematical Programming（数学规划）数学规划是一种利用数学模型和计算方法来优化化工过程的方法。

它通过建立数学模型，将目标函数和约束条件进行数学描述，然后使用优化算法求解最优解。

常用的数学规划方法包括线性规划、整数规划、动态规划等。

3. Process Simulation（过程模拟）过程模拟是一种将化工过程进行数字化描述和仿真的方法，旨在通过对过程进行模拟和分析，找出优化的空间和改进的方向。

过程模拟常用的软件工具包括ASPEN Plus、HYSYS等。

三、化工过程集成与优化的应用案例1. 炼油厂的能量优化炼油厂是一个典型的能耗较高的化工过程，其中能量系统的优化对于提高能源利用效率和降低成本至关重要。

通过应用Pinch Analysis方法，可以确定热量交换网络的最佳配置，实现能量的最大回收和利用。

2. 化肥生产过程的排放控制化肥生产过程中，大量的废气和废水会对环境造成严重的污染。

传质分离过程_绪论

●采用生产装置的闭路循环技术；
●处理生产中的副产物和废物，使之减少和消除对环境的危害； ●研究、开发和采用低物耗、低能耗、高效率的 “三废”治理技术。
闭路循环系统：将过程所产生的废物最大限度地回收和循环使用。
原料产品 1 废物 1 废物 1
2
2
2
排除
1—单元过程；2—处理
实现分离与再循环系统使废物最小化的方法： ●废物直接再循环
超滤（UF）：
目的：溶液脱大分子，大分子溶液脱小分子，大分子分级。
进料
胶体大分子
溶剂、水
推动力：压力差（100～1000kPa）
传递机理：筛分
反渗透（RO）：
目的：溶剂脱溶质，含小分子溶质溶液浓缩。
进料
溶质、盐溶剂、水
推动力：压力差（1000～10000kPa）传递机理：扩散模型
渗析（D）：
先修课程：
物理化学、化工热力学、化工原理
同时进行的课程：
化工工艺学、化工过程分析与模拟
教材：
刘家祺主编.传质分离过程.高等教育出版社,2005.
参考书：
邓修，吴俊生.化工分离工程. 科学出版社，2000.
陈洪纺刘家祺.化工分离过程。化学工业出版社, 1995.
刘家祺主编. 分离过程。化学工业出版社, 2002.
第7章分离过程的节能优化与集成
第1章绪论
1.1 概述 1.2 分离因子 1.3 分离过程的集成化 1.4 过程开发及方法 1.5 分离方法的选择
第1章绪论
基本要求： 1)了解分离操作在化工生产中的重要性; 2)熟悉分离过程的分类; 3)掌握分离因子的概念及意义; 4)了解分离方法的选择;

分离过程的节能技术

分离过程的节能技术
俞晓梅
2004
分离过程的节能技术
节能实质吸收过程的能耗精馏过程的有用能损失精馏塔节能技术多元精馏序列的优化排列
节能实质
节能
减少能量贬值，减少有用能损失
热力学效率
收益的有用能与耗费的有用能之比表示过程的不可逆程度
有用能
（utilizable energy）
Δ＝B/D 或 D/B-塔顶与塔底流率比， Δ＜1
有序试探法
经验法则中选主要的七条有序试探有序试探的次序：
M1- M2- D3- S1- S2- C1- C2
有序试探法
1. M1－优先选直接分离法 2. M2－优先选常温常压操作 3. D3－安排最少的馏出量 4. S1－优先分离有腐蚀、有毒、热敏性的组分 5. S2－优先分离最易分离的组分 6. C1－优先分离组分含量大的 7. C2－对等分离法则, 进料对半分
详细计算每一个单塔的费用在初步经验法则判别基础上
进行数学规划法计算
实例分析
6个组分的物系分离 (A B C D E F) （6－1）座塔可能排列的流程方案数：
S = [2(n-1)]! / [n!(n-1)!] = 10! / [6!5!] = 42
序组分号
摩尔相对
组成
挥发度α1
相对挥发度α2
易分离系数CES1
易分离系数CES2
正常沸点 ℃
A 丙烷
1.47
-42.1
B 1－丁烯
14.75 2.45
2.163
-6.3
1.18
3.485 3.29
C 正丁烷
50.30
-0.5

天津大学化工分离工程完整教案

天津大学化工分离工程教案（一）一、课程简介1.1 课程背景化工分离工程是化学工程与工艺专业的一门重要专业课程，旨在培养学生掌握化工过程中物质分离的基本理论、方法和技术。

通过本课程的学习，使学生了解和掌握常见的分离操作原理、设备及工艺流程，为从事化工生产和技术管理工作奠定基础。

1.2 课程目标（1）掌握化工分离过程的基本原理，包括平衡分离、速率分离等；（2）熟悉常见的分离操作方法，如过滤、离心、吸附、萃取、蒸馏等；（3）了解分离过程的设备及其操作条件优化；（4）能够分析和设计简单的化工分离过程。

二、教学内容2.1 分离过程的基本原理（1）平衡分离原理：包括溶解度、分配系数、平衡常数等；（2）速率分离原理：包括膜分离、分子筛分离等。

2.2 常见分离操作方法（1）过滤：包括悬浮液、乳液的过滤原理及设备；（2）离心：包括沉降离心、澄清离心、过滤离心等；（3）吸附：包括吸附平衡、吸附等温线、吸附床设计等；（4）萃取：包括溶剂选择、萃取效率、萃取塔设计等；（5）蒸馏：包括蒸馏原理、蒸馏塔、塔板设计等。

三、教学方法3.1 课堂讲解采用讲授法，系统地介绍化工分离工程的基本原理、方法及设备。

通过生动的案例分析，使学生能够更好地理解和掌握分离过程。

3.2 实验教学安排相应的实验课程，使学生在实际操作中熟悉分离设备，掌握分离操作技巧。

3.3 课程设计布置课程设计任务，让学生运用所学知识分析和设计简单的化工分离过程，提高解决实际问题的能力。

四、教学评价4.1 平时成绩：包括课堂提问、作业、实验报告等，占总评的40%；4.2 期末考试：包括闭卷笔试和课程设计，占总评的60%。

五、教学资源5.1 教材：《化工分离工程》（第四版），化学工业出版社；5.2 课件：PowerPoint演示文稿；5.3 实验设备：分离操作实验室及相关设备。

天津大学化工分离工程教案（二）六、第一章绪论6.1 教学目的使学生了解化工分离工程的发展历程、研究对象和内容，激发学生学习兴趣。

大学化工分离工程教案第7章习题和解答

⼤学化⼯分离⼯程教案第7章习题和解答7.1.1 最⼩分离功分离的最⼩功表⽰了分离过程耗能的最低限。

最⼩分离功的⼤⼩标志着物质分离的难易程度，实际分离过程能耗应尽量接近最⼩功。

图 7-1 连续稳定分离系统由热⼒学第⼀定律：(7-1)和热⼒学第⼆定律（对于等温可逆过程）：(7-2)得到等温下稳定流动的分离过程所需最⼩功的表达式：（ 7-3 ）即或表⽰为⾃由能的形式：（ 7-4 ）或表⽰为逸度的形式：（ 7-7 ）⼀、分离理想⽓体混合物对于理想⽓体混合物：(7-8)对于由混合物分离成纯组分的情况：（ 7-9 ）在等摩尔进料下，⽆因次最⼩功的最⼤值是 0.6931 。

对于分离产品不是纯组分的情况：过程的最⼩分离功等于原料分离成纯组分的最⼩分离功减去产品分离成纯组分所需的分离功。

[例7-1]⼆、分离低压下的液体混合物（ 7-10 ）对于⼆元液体混合物分离成纯组分液体产品的情况：（ 7-11 ）可见，除温度以外，最⼩功仅决定于进料组成和性质，活度系数⼤于 1 的混合物⽐活度系数⼩于 1 的混合物需较⼩的分离功。

当进料中两组分不互溶时，—W min,T =0 。

[例7-2][例7-3]7.1.2 ⾮等温分离和有效能当分离过程的产品温度和进料温度不同时，不能⽤⾃由能增量计算最⼩功，⽽应根据有效能来计算。

有效能定义：有效能是温度、压⼒和组成的函数。

稳态下的有效能平衡⽅程：（ 7-18 ）等当功：（ 7-19 ）系统的净功（总功）：（ 7-20 ）过程可逆时，可得最⼩分离功：（ 7-21a ）该式表明，稳态过程最⼩分离功等于物流的有效能增量。

7.1.3 热⼒学效率和净功消耗分离过程的热⼒学效率：系统有效能的改变与过程所消耗的净功之⽐。

(7-22)普通精馏操作（图 7-2）过程所消耗的净功：图 7-2 普通精馏塔(7-23)实际分离过程，热⼒学效率必定⼩于 1 。

试求20 ℃、 101.3kPa 条件下，将 lkmol 含苯 44% （摩尔）的苯－甲苯溶液分离成纯组分产品所需的最⼩分离功。

化工分离过程(总复习)

按照操作方式，蒸馏可以分为间歇蒸馏和连续蒸馏。间歇蒸馏是将原料液逐步加热汽化，每次加热后形成的蒸汽冷凝后得到产品；连续蒸馏则是将原料液连续加热汽化，同时将蒸汽冷凝为液体进行收集。
蒸馏分离广泛应用于石油、化工、食品等领域，如石油工业中的原油分馏、酒精工业中的酒精提纯等。
萃取分离
萃取分离是利用混合物中各组分在两种不互溶溶剂中的溶解度不同，使其中一种组分从一种溶剂转移到另一种溶剂中，从而实现分离的方法。
萃取分离可以分为单级萃取、多级萃取和逆流萃取等。单级萃取是将原料液加入到有机溶剂中，经过充分混合后进行分离；多级萃取是将单级萃取的有机溶剂和原料液多次循环接触，以提高萃取效果；逆流萃取则是采用两股逆向流动的液体，使原料液和有机溶剂在接触过程中不断更新，提高传质效率。
萃取分离在化工、环保、食品等领域有广泛应用，如工业废水处理中的重金属离子去除、天然产物提取等。
再沸器
再沸器的作用是为蒸馏塔提供热源，使液体混合物沸腾汽化。
萃取设备
混合澄清槽
混合澄清槽是实现液液萃取过程的常用设备，通过搅拌使两种液体充分混合，再通过沉降分离出
萃取相和萃余相。
离心萃取器
离心萃取器利用离心力的作用，使两种液体在旋转中分离，实现
液液萃取。
萃取塔
萃取塔是实现连续液液萃取过程的设备，通过填料或塔盘使两种液体逆流接触，达到萃取的目的。
超滤膜组件
超滤膜组件是实现超滤分离过程的设备，通过半透膜使水分子和部分溶质透过，而大分子溶质被截留，达到净化或分离的目的。
纳滤膜组件
纳滤膜组件是实现纳滤分离过程的设备，通过半透膜使不同分子量的溶质被截留，达到净化或分离的目的。
04
分离过程操作与控制

6.3.分离过程的节能

分离最小功是分离过程必须消耗的最小功的下限，分离最小功是分离过程必须消耗的最小功的下限，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。完全可逆时分离消耗的功才是分离最小功。
混合物的自由焓： G = ∑ zi µ i 混合物的自由焓： ˆ ˆ Q µ i = µ i0 + RT （ ln f i − ln f i0） ˆ ˆ ∴ − W min, T = RT [ ∑ n（∑ z i ,k ln f i ,k ) − ∑ n（∑ z i , j ln f i , j )] k j
混合是不可逆过程，能自发完成，混合的逆过程分离，混合是不可逆过程，能自发完成，混合的逆过程分离，则不能自发进行，必然要消耗能量（热或功）才能进行。不能自发进行，必然要消耗能量（热或功）才能进行。能耗是大规模分离过程的关键指标，规模分离过程的关键指标，从经济因素来看，能耗费用总是大于设备的折旧费用，从经济因素来看，能耗费用总是大于设备的折旧费用，通常会占据操作费用的主要部分；据操作费用的主要部分；从社会因素来看，世界能源日趋紧张的状况，从社会因素来看，世界能源日趋紧张的状况，特别是化石燃料的有限性，使得化工节能问题越来越重要；有限性，使得化工节能问题越来越重要；从环境因素来看，随着因为技术、人为等因素，从环境因素来看，随着因为技术、人为等因素，在利用能源的过程中，带来环境污染，严重地影响了人类的可持续发展；程中，带来环境污染，严重地影响了人类的可持续发展；因此，分离作为化工生产中的重要一环，因此，分离作为化工生产中的重要一环，确定具体混合物分离的最小能耗，了解影响能耗的主要因素，离的最小能耗，了解影响能耗的主要因素，寻求接近此极限能耗的实际分离过程具有积极意义。的实际分离过程具有积极意义。

天津大学化工分离工程教案第一章绪论PPT课件

2）新型分离过程开发：如膜分离、反胶团萃取、超临界萃取等。
3）分离与反应耦合以及分离过程之间的耦合：如反应精馏、吸附精馏、膜精馏等。
总趋势：多样化、精细化、洁净化（环境友好）。
23
第1章完
24
21
（2）传统分离过程与膜分离的集成例：精馏与渗透蒸发的集成
发酵液脱水制备无水乙醇。在乙醇高浓区，精馏的分离效率极低，在共沸组成处无法分离，此时利用渗透蒸发技术可越过共沸组成点，达到很高的分离程度。
（3）膜过程的集成例：超滤、反渗透与渗透蒸馏的集成
22
发展趋势
1）传统分离技术改造：如精馏筛板塔改造为效率更高的填料塔。
极限程度＝热力学分离速率＝动力学
13
一、分离过程在工业生产中的地位和作用
典型的化工生产装置包括：反应器；原料、中间产物和产品分离设备；泵、换热器等。
分离贯穿化工过程，占有十分重要的地位。
分离装置的费用占总投资的50～90％。
14
二、传质分离过程的分类和特征
（一）分离过程的分类级数：单级、多级
化学萃取：溶质与萃取剂之间发生化学反应。
反应（催化）精馏：反应与精馏结合，提高分离效率；同时，借助精馏手段，提高反应收率。
18
ห้องสมุดไป่ตู้
膜反应器：在反应的同时，利用膜的优良分离性能，选择性的脱除产物，从而移动化学反应平衡，提高反应的收率、转化率和选择性。
控制释放：将药物或生物活性物质与膜结构相结合，使其以一定的速度通过扩散等方式释放到环境中，从而达到控制药物浓度，延长药效时间，减少服用量和服用次数。
6
分离过程
第1章绪论
主要内容及要求：了解分离操作在化工生产中的重要性，分

现代化工分离过程

• 膜分离过程的实质是物质透过或被截留于膜的过程，近似于筛分过程，依据滤膜孔径大小而达到物质分离的目的，故而可以按分离粒子大小进行分类：
微滤（MF）：以多孔细小薄膜为过滤介质，压力差为推动力，使不溶性物质得以分离的操作，孔径分布范围在0.025~14μm之间；常用对称微孔膜
超滤（UF）：分离介质同上，但孔径更小，为0.001~0.02 μm，分离推动力仍为压力差，适合于分离酶、蛋白质等生物大分子物质；常用非对称微孔膜
管式膜组件
内压式：膜涂在管内，料液由管内走；外压式：膜涂在管外，料液由管外间隙走。
内压管式：
料液
外压管式：
多孔管膜
料液
组件的进出料示意图
原料液
渗透液
垫圈渗余液
渗透液
组件外壳
多通道组件
渗透液
4) 中空纤维膜组件
有数百上万根中空纤维膜固定在圆形容器内构成，内径为40-80um膜称中空纤维膜，0.25-2.5mm膜称毛细管膜。前者耐压，常用于反渗透。后者用于微、超滤料液流向：采用内压式时为防止堵塞，需对料液预处理去固形微粒，采用外压式时，凝胶层控制较困难。
• 超滤(UF,ultrafiltration)
•
微滤(MF,microfiltration)
影响膜渗透能力的因素：
• 渗透组分分子的大小、形状、化学性质 • 膜的物理化学性质 • 渗透组分与膜的相互作用关系
膜分离过程示意
对膜材料的要求
• 具有良好的成膜性能和物化稳定性，耐酸、碱、微生物侵蚀和耐氧化等。
2.2影响膜渗透性质的各种因素
• 渗透系数 • T、P的影响 • 溶液性质的影响 • 聚合物膜结构对渗透性质的影响
表征膜性能的参数

化工分离过程——节能技术

馏分离的净功效，因此，大体上确定了操作费用。
另一方面，还与塔设备的投资密切相关：
在Rm附近， R↑，设备费下降；在较高R处， R↑，设备费增大；
适宜回流比：R=(1.2-1.3)Rm
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5.2 精馏节能技术
(2) 最佳进料热状态高温精馏时（塔顶釜温度高于环境温度），当D/F较
大又有适用于加热料液的低温热源时，应尽量采用较低的q值，即以汽相或汽液混合物进料为宜；当 D/F 较小时，尽量采用较高q，即以液相进料为宜；低温精馏时，无论D/F多大，均采用较高的q值，即以液体进料为宜；中等温度精馏，应进行经济比较，确定最佳值。
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5.2 精馏节能技术
(3) 中间冷凝器和中间再沸器如能在塔中部设置中间冷凝器，就可以采用较高温度
的冷却剂。如在塔中部设置中间再沸器，对于高温塔，可应用较
低温位的加热剂。对于精馏，使操作线向平衡线靠拢，提高塔内分离过
程的可逆程度。
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5.2 精馏节能技术
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5.2 精馏节能技术
(4) 多效精馏多效精馏原理类似于多效蒸发，即利用
的有效能增量。
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如图精馏过程的净耗功为：
W 净QR1T TR 0Q C1T TC 0 F
精馏
若进出体系的物料的焓相
塔
近时，近似有QR＝QC＝Q，
则
W净QT0T1C
1 TR
QC TC D
QR TR W
8
通常: 1)只依靠外加能量(ESA)的分离过程（如精馏、结晶），热力学效率较高； 2)除加入ESA，还需加入MSA的分离过程（如萃取精馏、共沸精馏、萃取、吸收和吸附等）热力学效率较低； 3)速率控制的分离过程热力学效率更低。

化学工程中的分离过程优化

化学工程中的分离过程优化在化学工程领域，分离过程是至关重要的环节。

它不仅影响着产品的质量和纯度，还对生产效率和成本有着显著的影响。

优化分离过程成为了化学工程师们不断追求的目标。

分离过程的应用广泛，涵盖了从石油化工到制药、食品加工等众多行业。

比如在石油炼制中，需要将原油中的不同馏分分离出来，以获得汽油、柴油等不同产品；在制药工业中，需要从复杂的混合物中分离出高纯度的药物成分。

然而，这些分离过程往往面临着诸多挑战。

首先，分离过程可能会消耗大量的能源。

例如，蒸馏操作通常需要加热和冷却，这就需要消耗大量的热能和冷能。

其次，一些分离方法可能会导致产品的损失，降低了收率。

再者，分离设备的投资和维护成本也可能很高。

因此，优化分离过程对于提高生产的经济效益和可持续性具有重要意义。

要优化分离过程，首先需要对分离的原理和方法有深入的理解。

常见的分离方法包括蒸馏、萃取、吸附、结晶等。

每种方法都有其适用的范围和特点。

蒸馏是一种基于混合物中各组分沸点差异的分离方法。

通过加热使混合物汽化，然后将蒸汽冷却凝结，从而实现组分的分离。

然而，蒸馏过程的能耗较高，尤其是对于沸点接近的组分分离效果不佳。

为了降低蒸馏的能耗，可以采用多效蒸馏、热泵蒸馏等技术。

多效蒸馏通过串联多个蒸发器，利用前一效蒸发器产生的蒸汽作为后一效蒸发器的热源，从而提高能源利用效率。

热泵蒸馏则利用热泵将低温位的热能提升到高温位，减少外部加热介质的需求。

萃取是利用溶质在两种互不相溶的溶剂中溶解度的差异来实现分离的方法。

在萃取过程中，选择合适的萃取剂至关重要。

萃取剂需要对目标溶质具有良好的选择性和溶解性，同时还要易于回收和重复使用。

通过优化萃取剂的种类、浓度和操作条件，可以提高萃取的效率和选择性。

吸附是利用固体吸附剂对混合物中各组分吸附能力的差异来实现分离的。

吸附剂的选择和再生是吸附过程优化的关键。

常见的吸附剂有活性炭、分子筛等。

通过对吸附剂进行表面改性或选择具有特定孔结构的吸附剂，可以提高吸附的选择性和容量。

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对于理想气体混合物：
zi= yi 且
fi yiP
Wmin,T RT[ nk ( zi,k ln fi,k ) n j ( zi, j ln fi, j )]
out
化简为：
in
(7-7)
Wmin,T RT[ nk ( yi,k ln yi,k ) n j ( yi, j ln yi, j )]
传质分离过程
第七章分离过程的节能优化与集成
主要内容及要求：学习并掌握分离过程的最小功和
热力学效率，了解精馏的节能技术，分离方法选择的一般原则，分离序列的确定方法及分离过程的集成。
1
第七章分离过程的节能优化与集成
7.1 分离过程的最小功和热力学效率 7.2 精馏的节能技术 7.3 分离流程的优化 7.4 分离流程的集成
n jH j Q nk Hk W
in
out
(7-1)
8
Second Law of Thermodynamics---entropy balance：
(stream entropy flows+entropy flows by heat transfer) leaving system -(stream entropy flows+entropy flows by heat transfer) entering system = production of entropy by the process
out
i
in
i
(7-8)
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Wmin,T RT[ nk ( yi,k ln yi,k ) n j ( yi, j ln yi, j )]
out
i
in
i
(7-8)
对于由A和B两组分构成的二元气体混合物
在进料温度和压力下被分离成纯A和纯B产
品的情况，式（7-8）可简化为无因次最小功：
Wmin,T nF RT
对于等温可逆过程，进出系统的物流与环境的温度均为T，根据热力学第二定律：
Q T[ nkSk n jS j ] (7-2)
流出系统的物流的 out
in
进入系统的物流的
熵的总和
熵的总和
9
Q T[nkSk njS j ]
outBiblioteka in(7-2)n jH j Q nk Hk W (7-1)
而化学位与组分逸度的关系式为：
i i0 RT[ln fi ln fi0] (7-6)
12
Wmin,T nk Gk n j G j (7-4)
out
in
G zi i
(7-5)
i i0 RT[ln fi ln fi0] (7-6)
若进、出物流的同一组分具有相同的基准态，则得
到用逸度表示的最小功：
由自由能的定义
G=H－TS
式（7-3）也可以整理为物流自由能的增量：
Wmin,T nk Gk n j G j (7-4)
out
in
11
Wmin,T nk Gk n j G j (7-4)
out
in
一个混合物的摩尔自由能由各组分的偏
摩尔自由能，即化学位加和得到：
G zi i
(7-5)
3
7.1 分离过程的最小功和热力学效率
Minimum Work and Thermodynamic Efficiency
4
由SLT可知，完成同一变化的任何可逆过程所需的功均相等，因此，达到一定分离目的所需的最小功可以通过假想的可逆过程计算出来。最小功的数值决定于待分离混合物的组成、压力和温度以及分离所得产品的组成、压力和温度。
[ yA,F ln yA,F
yB,F ln yB,F ]
(7-9)
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如果分离产品不是纯组分，则该过程的最小分离功等于原料分离成纯组分的最小分离功减去产品分离成纯组分所需要的最小分离功，可见，产品的纯度越低，所需的最小分离功越小。
p292 例7-1
17
二、分离低压下的液体混合物
Wmin,T RT[ nk ( zi,k ln fi,k ) n j ( zi, j ln fi, j )]
Wmin,T RT[ nk ( zi,k ln fi,k ) n j ( zi, j ln fi, j )]
out
in
(7-7)
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分离的最小功表示了分离过程耗能的最低限。
最小分离功的大小标志着物质分离的难易程度，为了使实际分离过程更为经济，应设法使能耗尽量接近于最小功。
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一、分离理想气体混合物
First Law of Thermodynamics---energy balance：
(stream enthalpy flows+heat transfer+shaft work) leaving system -(stream enthalpy flows+heat transfer+shaft work) entering system=0
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7.1.1 最小分离功
Minimum Work of Separation
6
摩尔流率摩尔组成摩尔焓
传入系统的总热量流率
系统对环境做功
Figure 7-1 A continuous, steady-state flow system for a general separation process
in
out
得到等温下稳定流动的分离过程所需最小功：
Wmin,T
out
nk Hk
in
njH
j
T
out
nk Sk
in
njS j
(7-3)
即 Wmin,T H T (S )
Wmin,T out nk Hk in njH j T out nkSk in njS j (7-3)
2
分离是混合的逆过程，不能自发进行，需要以热或功的形式加入能量。
能耗是大规模分离过程的关键指标，能耗费用总是大于设备的折旧费用，通常会占据操作费用的主要部分。
因此，确定具体混合物分离的最小能耗，了解影响能耗的主要因素，寻求接近此极限能耗的实际分离过程是很有意义的。再者，世界能源日趋紧张的状况也使得化工节能问题显得尤为重要。
out
in
(7-7)
低压下液体混合物的组成为xi，组分i的逸度 fˆi i xi pis ，式（7-7）简化为：
Wmin,T RT{ nk [ xi,k ln( i,k xi,k )] n j [ xi, j ln( i, j xi, j )]}

化工分离过程__第7章分离过程的节能优化与集成

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