工业过程的耦合与强化
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• 过程强化的特点； 打破了常规设计在系统结构上的制限。
耦合设计的指导思想 • 追求平衡操作的极限;
强化设计的指导思想 • 打破平衡的制限; 反应平衡 反应蒸馏塔 汽液平衡 超重力蒸馏塔， 膜蒸馏塔
进行耦合与强化设计的意义
• 节省操作能耗与/或设备投资成本； • 推动绿色工业设计的实现；
例子: 一个理想二元蒸馏塔Βιβλιοθήκη Baidu计
(3)
理想二元蒸馏塔的基本结构
2
LC
XA=0.95 11 F=100 mol/s XF=0.5
21
LC
XB=0.95
理想二元蒸馏塔的能量耦合设计 ---对提馏段放热设计
Qcon A T
Qreb Qs
A/B Qs Qcon Qreb B
H
理想二元蒸馏塔的能量耦合设计 ---对精馏段吸热设计
Qcon A Qs Qreb Qs T
• 过程耦合的分类； 1. 物质耦合 (Mass Integration) 2. 能量耦合 (Energy Integration)
过程强化 (Process Intensification)
• 过程强化的定义； 将多个操作耦合在一个单元之中, 加强物 质与能量耦合的效果, 能降低投资费用和操 作费用。
现有的反应蒸馏塔的强化设计 (aA > aC >aD > aB)
我们提出的反应蒸馏塔 的强化设计 (aA > aC >aD > aB)
Chen Haisheng, Kejin Huang , and Shaofeng Wang; “Reactive Distillation Design for Mixtures with the Most Unfavorable Relative Volatilities,” AIChE Journal (submitted).
总结
• 本章介绍了工业过程的耦合设计与强化设计 的基本概念与原理, 前者能提高操作效率, 而 后者既能提高操作效率, 又能降低投资成本。 • 耦合设计与强化设计依赖于对过程的深刻认 识与理解， 需要高度的技巧。 • 通过一个理想二元蒸馏塔, 显示了进行耦合设 计与强化设计的有效性。
作业---1: 根据下图, 分析过程耦合与过程强化的可能 性。
第四章: 工业过程的耦合与强化
主要内容
• 过程耦合与过程强化;
• 过程耦合与过程强化的基本原理； • 过程耦合与过程强化的应用； 例子一：一个理想二元蒸馏塔的耦合设计 例子二：一个理想二元蒸馏塔的强化设计
过程耦合 (Process Integration)
• 过程耦合的定义； 通过物质与能量利用的优效关联, 提高系 统的热力学效率。
A/B Qcon Qreb
H
理想二元蒸馏塔的能量耦合设计 ---内部热耦合蒸馏塔的概念
理想二元蒸馏塔的能量耦合设计 ---外部热耦合蒸馏塔的概念
B
A
A, B, C C B, C
三元蒸馏塔物质耦合设计 ---隔离壁蒸馏塔
A
A
A+B+C B
A+B+C B
C
C
三元蒸馏塔物质耦合设计 ---隔离壁蒸馏塔
给定一个二元精馏塔，分离由物质 A 和 B 组 成的混合物。进料流量为100 mol/s, 进料浓 度 是 A:B = 0.5:0.5 。 塔 顶 产 品 浓 度 为 0.95(A), 塔底产品浓度也为0.95(B)。 操作 压力是9 bar。气化潜热为6944 cal/mol (满 足衡分子流假设 ) 。 塔板稳态滞液量为 1 mol。冷凝器和再沸器的稳态液量分别为30 mol。
汽液平衡计算
塔内气液平衡按下式计算： Pj = xA, jPAs + xB, jPBs yi, j = xi, jPis / Pj
饱和蒸汽压按下式计算： Ln Pis = Avp, i – Bvp, i/Tj A(Avp/Bvp) = 11.6531/3862 B(Avp/Bvp) = 12.3463/3862 (1) (2)
DWC与常规精馏序列的比较
常规制造过程的缺陷
• 先反应后分离的设计理念; • 需要多个设备相连接, 较高的投资成本; • 拓扑结构限制了耦合设计的可能性。
A
AB
A
B
B
反应蒸馏塔的提出
FC FB FC FA LC D, xD LC
C, xC
反应蒸馏塔的强化设计
Li, Ping, Kejin Huang, Quanquan Lin; “A Generalized Method for the Synthesis and Design of Reactive Distillation Columns,” Chemical Engineering Research & Design, x, x – x (2011).
A, B
B
A
C
A+ B C + D
A, B, D
D
作业---2: 试通过计算说明内部热耦合蒸馏塔节能的可 能性。
阅读文献
1. Smith, R.; Chemical Process Design, McGraw-Hill, New York (1995). 2. M. M. El-Halwagi, Pollution Prevention through Process Integration (1st ed.), Academic Press, New York, USA (1997).
耦合设计的指导思想 • 追求平衡操作的极限;
强化设计的指导思想 • 打破平衡的制限; 反应平衡 反应蒸馏塔 汽液平衡 超重力蒸馏塔， 膜蒸馏塔
进行耦合与强化设计的意义
• 节省操作能耗与/或设备投资成本； • 推动绿色工业设计的实现；
例子: 一个理想二元蒸馏塔Βιβλιοθήκη Baidu计
(3)
理想二元蒸馏塔的基本结构
2
LC
XA=0.95 11 F=100 mol/s XF=0.5
21
LC
XB=0.95
理想二元蒸馏塔的能量耦合设计 ---对提馏段放热设计
Qcon A T
Qreb Qs
A/B Qs Qcon Qreb B
H
理想二元蒸馏塔的能量耦合设计 ---对精馏段吸热设计
Qcon A Qs Qreb Qs T
• 过程耦合的分类； 1. 物质耦合 (Mass Integration) 2. 能量耦合 (Energy Integration)
过程强化 (Process Intensification)
• 过程强化的定义； 将多个操作耦合在一个单元之中, 加强物 质与能量耦合的效果, 能降低投资费用和操 作费用。
现有的反应蒸馏塔的强化设计 (aA > aC >aD > aB)
我们提出的反应蒸馏塔 的强化设计 (aA > aC >aD > aB)
Chen Haisheng, Kejin Huang , and Shaofeng Wang; “Reactive Distillation Design for Mixtures with the Most Unfavorable Relative Volatilities,” AIChE Journal (submitted).
总结
• 本章介绍了工业过程的耦合设计与强化设计 的基本概念与原理, 前者能提高操作效率, 而 后者既能提高操作效率, 又能降低投资成本。 • 耦合设计与强化设计依赖于对过程的深刻认 识与理解， 需要高度的技巧。 • 通过一个理想二元蒸馏塔, 显示了进行耦合设 计与强化设计的有效性。
作业---1: 根据下图, 分析过程耦合与过程强化的可能 性。
第四章: 工业过程的耦合与强化
主要内容
• 过程耦合与过程强化;
• 过程耦合与过程强化的基本原理； • 过程耦合与过程强化的应用； 例子一：一个理想二元蒸馏塔的耦合设计 例子二：一个理想二元蒸馏塔的强化设计
过程耦合 (Process Integration)
• 过程耦合的定义； 通过物质与能量利用的优效关联, 提高系 统的热力学效率。
A/B Qcon Qreb
H
理想二元蒸馏塔的能量耦合设计 ---内部热耦合蒸馏塔的概念
理想二元蒸馏塔的能量耦合设计 ---外部热耦合蒸馏塔的概念
B
A
A, B, C C B, C
三元蒸馏塔物质耦合设计 ---隔离壁蒸馏塔
A
A
A+B+C B
A+B+C B
C
C
三元蒸馏塔物质耦合设计 ---隔离壁蒸馏塔
给定一个二元精馏塔，分离由物质 A 和 B 组 成的混合物。进料流量为100 mol/s, 进料浓 度 是 A:B = 0.5:0.5 。 塔 顶 产 品 浓 度 为 0.95(A), 塔底产品浓度也为0.95(B)。 操作 压力是9 bar。气化潜热为6944 cal/mol (满 足衡分子流假设 ) 。 塔板稳态滞液量为 1 mol。冷凝器和再沸器的稳态液量分别为30 mol。
汽液平衡计算
塔内气液平衡按下式计算： Pj = xA, jPAs + xB, jPBs yi, j = xi, jPis / Pj
饱和蒸汽压按下式计算： Ln Pis = Avp, i – Bvp, i/Tj A(Avp/Bvp) = 11.6531/3862 B(Avp/Bvp) = 12.3463/3862 (1) (2)
DWC与常规精馏序列的比较
常规制造过程的缺陷
• 先反应后分离的设计理念; • 需要多个设备相连接, 较高的投资成本; • 拓扑结构限制了耦合设计的可能性。
A
AB
A
B
B
反应蒸馏塔的提出
FC FB FC FA LC D, xD LC
C, xC
反应蒸馏塔的强化设计
Li, Ping, Kejin Huang, Quanquan Lin; “A Generalized Method for the Synthesis and Design of Reactive Distillation Columns,” Chemical Engineering Research & Design, x, x – x (2011).
A, B
B
A
C
A+ B C + D
A, B, D
D
作业---2: 试通过计算说明内部热耦合蒸馏塔节能的可 能性。
阅读文献
1. Smith, R.; Chemical Process Design, McGraw-Hill, New York (1995). 2. M. M. El-Halwagi, Pollution Prevention through Process Integration (1st ed.), Academic Press, New York, USA (1997).