工业过程的耦合与强化

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1、第四章:工业过程的耦合与强化黄克谨北京化工大学信息科学与技术学院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(ProcessIntegration)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。过程耦合的分类；1.物质耦合(MassIntegration)2.能量耦合(EnergyIntegration)过程强化(ProcessIntensification)过程强化的定义；将多个

2、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。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设计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100mol/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(

3、B)。操作压力是9bar。气化潜热为6944cal/mol(满足衡分子流假设)。塔板稳态滞液量为1mol。冷凝器和再沸器的稳态液量分别为30mol。汽液平衡计算塔内气液平衡按下式计算：Pj=xA,jPAs+xB,jPBs(1)yi,j=xi,jPis/Pj(2)饱和蒸汽压按下式计算：LnPis=Avp,i–Bvp,i/Tj(3)A(Avp/Bvp)=11.6531/3862B(Avp/Bvp)=12.3463/3862理想二元蒸馏塔的基本结构理想二元蒸馏塔的能量耦合设计---对提馏段放热设计QconAA/BBQrebQs

4、QconTHQrebQs理想二元蒸馏塔的能量耦合设计---对精馏段吸热设计QconTHQrebQsQconAA/BQrebQs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三元蒸馏塔物质耦合设计---隔离壁蒸馏塔三元蒸馏塔物质耦合设计---隔离壁蒸馏塔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。反应蒸馏塔的提出反应蒸馏塔的强化设计Li,Ping,KejinHuang

5、,QuanquanLin;“AGeneralizedMethodfortheSynthesisandDesignofReactiveDistillationColumns,”ChemicalEngineeringResearch&Design,x,x–x(2011).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)ChenHaisheng,KejinHuang,andShaofengWang;“ReactiveDistillationDesignforMixt

6、ureswiththeMostUnfavorableRelativeVolatilities,”AIChEJournal(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。CA,B,DABA,BDA+BC+D作业---2:试通过计算说明内部热耦合蒸

7、馏塔节能的可能性。阅读文献1.Smith,R.;ChemicalProcessDesign,McGraw-Hill,NewYork(1995).2.M.M.El-Halwagi,PollutionPreventionthroughProcessIntegration(1sted.),AcademicPress,NewYork,USA(1997).