化工分离过程(第20讲)(6.1分离的最小功和热力学效率).ppt

化工分离过程 Chemical Separation Processes,第六章 分离过程的节能,2,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。,第六章 分离过程的节能,3,6.1 分离的最小功和热力学效率 6.1.1 等温分离的最小功 6.1.2 非等温分离和有效能 6.1.3 净功消耗和热力学效率 6.2 精馏的节能技术 6.3 分离顺序的选择,第六章 分离过程的节能,4,6.1 分离的最小功和热力学效率,因此，分离所需的最小功可通过假想的可逆过程计算。最小功的数值决定于要分离的混合物的组成、压力和温度以及分离所得产品的组成、压力和温度。,热力学第二定律：,完成同一变化的任何可逆过程所需的功相等。,物质的混合是不可逆过程，能够自发完成，因此， 其逆过程分离必然要消耗能量才能进行。,5,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：体系内所有的变化过程必须是可逆的。 体系只与温度为T0（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。,6.1 分离的最小功和热力学效率,6,6.1.1 等温分离的最小功,图6-1 连续稳定分离系统,进出系统物流变量：n，zi，H，S，Q 系统对环境作功：W,7,6.1.1 等温分离的最小功,对于等温可逆过程，由热力学第二定律：,热力学第一定律（能量守恒）：,将（6-2）代入（6-1）可得稳定流动的分离过程所需最小功的表达式：,8,6.1.1 等温分离的最小功,式（6-3）又可以表示为：,自由焓的定义：,所以，式（6-3）还可以表示为：,9,6.1.1 等温分离的最小功,混合物的摩尔自由焓：,温度为T时，化学位与组分逸度的关系：,则用逸度表示的最小功为：,10,6.1.1 等温分离的最小功,（1）分离的最小功表示的是分离过程能耗的最低限，在多数情况下，实现分离过程所需的能量是最小功的若干倍； （2）最小分离功的大小标志着分离的难易程度； （3）为了使实际分离过程更加经济，应设法使能耗尽量接近最小功； （4）分离过程的最小功在设计方案的综合评价上很有意义； （5）对于不同的分离问题在不同的条件下的分离功的计算关系式可以简化。,分离的最小功的几点说明,11,6.1.1 等温分离的最小功,一、分离理想气体混合物,对于理想气体混合物：,将其代入（6-8）式得：,由式（6-9）可见，最小功与压力以及被分离组分的相 对挥发度无关。,12,6.1.1 等温分离的最小功,要完全分离组分A和B构成的二元气体混合物，其无因次最小功为：,由混合物分离成纯组分，由于出口处：,则有：,因为组成总是小于1的，故Wmin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。,式（6-9）简化为：,13,6.1.1 等温分离的最小功,此外，可以看出，若双组分混合物的产品不是两个纯组分，而是分离成与进料组成不同的两个二组分混合物时，所需要的最小功小于分离为纯组分的最小功 。,将式（6-10）描绘成曲线，可以看出，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大。,分离气体混合物的最小功,14,6.1.1 等温分离的最小功,P185 例6-1,环境温度为 294.4K ，压力 101.3kPa ，在该环境条件下 将流率为 600 kmol/h 的丙烯 - 丙烷的混合气体连续分离成相 同温度、压力下的产品。 已知混合气体中含丙烯 0.60 （摩尔分数）。 分离要求为： 含丙烯 99%（摩尔） 和含丙烷 95%（摩尔）的两个物流； 产品为纯丙烯和纯丙烷； 确定所需最小功。,15,6.1.1 等温分离的最小功,解：这两个组分在分子结构上相似，且压力为常压，故进 料和产品均可看作理想气体。,首先通过物料衡算计算出分离所得两个产品的流率为： 含丙烯 99%（摩尔）的产品流率 351.0 kmol/h ； 含丙烷 95%（摩尔）的产品流率 249.0 kmol/h 。 由式（6-9）得：,16,6.1.1 等温分离的最小功,此物系可以认为是理想气体的混合物，由式（6-10 ）得：,可见，分离成非纯产品时所需最小功小于分离成纯产品 时所需最小功。,17,6.1.1 等温分离的最小功,二、分离低压下的液体混合物,低压下：,则式（6-8）简化为：,由式（6-11）可见，最小功不受压力和相对挥发度的影响，但与活度系数有关。,18,6.1.1 等温分离的最小功,由式（6-12）知，除温度外，最小功仅决定于进料组 成和性质。,由液体混合物分离成纯组分，式（6-11）简化为：,对于二元液体混合物分离成纯组分液体产品，有：,19,6.1.1 等温分离的最小功,进料中两组分不互溶，已经达到了完全分离。,不同分子间吸引力大，物系难于分离。,参见例6-2,20,6.1.2 非等温分离和有效能,当分离过程中进料温度与产品温度不同时，不能用自由焓的增量来计算最小功，而需要利用有效能计算最小功。对于稳定连续过程。热力学第一定律为：,式中：Q从温度为T 的热源向过程传递的热量， WS 过程对环境作的轴功。,21,6.1.2 非等温分离和有效能,用环境温度乘上式并与能量平衡方程合并后得：,根据热力学第二定律，该过程的熵平衡为：,S由不可逆过程而引起的熵变,22,6.1.2 非等温分离和有效能,有效能是温度、压力和组成的函数。,有效能定义式：,将其代入（6-17）式得稳态下的有效能平衡方程：,由卡诺循环可知：上式中右边的第一项为热量 Q自温度T的热源向温度为T0的环境传热所产生的 等当功。即：,23,6.1.2 非等温分离和有效能,可逆过程：,那么，系统的净功消耗为等当功和对环境所作 的轴功之和，即：,24,6.1.2 非等温分离和有效能,稳态过程的最小分离功等于物流的有效能增量， 根据有效能的定义，稳态过程的最小分离功也可以 表示为：,其中,25,6.1.3 净功消耗和热力学效率,图 6-4 普通精馏塔,对一个典型的精馏塔（见图6-4），精馏过程进行中是依靠从再沸器加入热量（QR）（温度为TR），从塔顶的冷凝器取走热量（QC）（温度为TC），该过程的净功消耗为：,26,6.1.3 净功消耗和热力学效率,如果分离过程产生的焓与原料的焓差极小而可以忽略时，有,此时，式（6-25）简化为：,对于非等温不可逆过程（实际分离过程） ，由于,参照（6-20）式有：,27,6.1.3 净功消耗和热力学效率,热力学效率定义：,任何分离过程中系统有效能的改变与过程消耗的净功之比。,28,6.1.3 净功消耗和热力学效率,（1）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，故必定是一个小于1.0的值。 （2）不同类型的分离过程，其热力学效率是各不相同的。对只有能量分离剂的过程：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；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。 （3）实际过程有许多极其复杂的因素会影响热力学效率，必须进行具体分析计算。,热力学效率的几点说明,29,6.1.3 净功消耗和热力学效率,P189 例6-3,某丙烯 - 丙烷精馏塔 按附图条件操作，环 境温度为 294K 。 计算： 再沸器负荷 （冷凝器负荷给定）； 有效能变化； 净功消耗； 热力学效率。,30,6.1.3 净功消耗和热力学效率,解：计算基准： 1 小时 全塔热量衡算式：,附图中已标明进料（F）、塔顶馏出液（D）和塔釜（W） 的