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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(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。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,
2、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 mo
3、l。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(1)yi,j=xi,jPis/Pj(2)饱和蒸汽压按下式计算：Ln Pis=Avp,i Bvp,i/Tj(3)A(Avp/Bvp)=11.6531/3862 B(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,理想二元蒸馏塔的能量耦合设计-对精馏段吸热设计,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,
4、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,Kejin Huang,Quanquan Lin;“A Generalized Method for the Synthesis and Design of Reactive Distillation Columns,”Chemical Engineering Research&Design,x,x x(2011).,现有的反应蒸馏塔的强化设计(aA aC aD
5、 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。,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).,
