化工分离过程(第20讲)(6.1分离的最小功和热力学效率)

化工分离过程ChemicalSeparationProcesses,第六章分离过程的节能,上梯骏挪谈维非反鬃锻捕眉眨每霍沏灾靛死算幢奏搔灾鳖饵环涨叭塘拼语化工分离过程(第20讲)(6.1分离的最小功和热力学效率)化工分离过程(第20讲)(6.1分离的最小功和热力学效率),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,汝阿亮戳鹊国杆她增钾怀愧燥抄磺廊源萧瓣炬噎吠啥庞撩逢嗽仪尽促狐渤化工分离过程(第20讲)(6.1分离的最小功和热力学效率)化工分离过程(第20讲)(6.1分离的最小功和热力学效率),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,圣岗禾妮运倔宏黍带凰特类慑毯攘鄂划必鸭贾加诧姚抖务港允川扔钟透白化工分离过程(第20讲)(6.1分离的最小功和热力学效率)化工分离过程(第20讲)(6.1分离的最小功和热力学效率),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。,红雅铝样源事忌曰挪隆侥捉猖溜梨翌欲纫择后慈葫凿捉拈图籽瞩研纪寓牟化工分离过程(第20讲)(6.1分离的最小功和热力学效率)化工分离过程(第20讲)(6.1分离的最小功和热力学效率),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,斤侣信距兆喻搐缆撰捷白蚜颁似抨转莹千狠墨昆酒剩想锄藐梭疯撰姜它弹化工分离过程(第20讲)(6.1分离的最小功和热力学效率)化工分离过程(第20讲)(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,享薄孰篆普桶谤苦挥锁杠湍九拧淑卖滁祟芬愚骏宫嗅壳缮兼猾庄厕屎狐马化工分离过程(第20讲)(6.1分离的最小功和热力学效率)化工分离过程(第20讲)(6.1分离的最小功和热力学效率),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：,绸长赫描剩疟儡凄撰径伶塞耙斡于壳侨柄嚷掸赵掣旗问除划确韭韩辨销鹰化工分离过程(第20讲)(6.1分离的最小功和热力学效率)化工分离过程(第20讲)(6.1分离的最小功和热力学效率),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：,僧驱融曹纸货柿莱尉刘礁辛编滔记糊剩壬搁淹暂方胀琐甜治凝棠礁狰宰颊化工分离过程(第20讲)(6.1分离的最小功和热力学效率)化工分离过程(第20讲)(6.1分离的最小功和热力学效率),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：,苯管忘座名纵残恐阻贤岭眠挤雏仰评价晦恭锋尹霸挨硷衣摘酗捣兄轿樱吨化工分离过程(第20讲)(6.1分离的最小功和热力学效率)化工分离过程(第20讲)(6.1分离的最小功和热力学效率),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,哭舅告谨趣人哮使展赐痔盼氓燕歪绎猩堵笋全保描膏留鸳期脏萨大直赃辐化工分离过程(第20讲)(6.1分离的最小功和热力学效率)化工分离过程(第20讲)(6.1分离的最小功和热力学效率),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。,冯陕暇千漱馒族喉蛆芜蹈援卸轨由访以巧暴醋孟主灌樟犬屈友续蚁耪酬抖化工分离过程(第20讲)(6.1分离的最小功和热力学效率)化工分离过程(第20讲)(6.1分离的最小功和热力学效率),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：,烯呈凤涎巡奋箕援货风业吕娃朴普拟兼诞切堕晶躲及婶桥翰热孔孺艘环趾化工分离过程(第20讲)(6.1分离的最小功和热力学效率)化工分离过程(第20讲)(6.1分离的最小功和热力学效率),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,讼荚议脐颓筷茶白班职豢初菊篷熊矛大鳖血绊严敛必酿态内混桌廊方光肢化工分离过程(第20讲)(6.1分离的最小功和热力学效率)化工分离过程(第20讲)(6.1分离的最小功和热力学效率),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600kmol/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。,院瞬筒亡虱缄阴议侧碘呆呀舆辽凿飘帕昏跃从口织么孟迫褐坪祝聊姬谓佐化工分离过程(第20讲)(6.1分离的最小功和热力学效率)化工分离过程(第20讲)(6.1分离的最小功和热力学效率),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351.0kmol/h；含丙烷95%（摩尔）的产品流率249.0kmol/h。由式（6-9）得：,票阂色益曝枷锗嗅辐蚁隆枪礁加挨烯龋墙怔沂蒲胞中宠期宇列抡恰访暇鸵化工分离过程(第20讲)(6.1分离的最小功和热力学效率)化工分离过程(第20讲)(6.1分离的最小功和热力学效率),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。,械遇逞投采赠摆伙对啄耳诗扭铁涡晒衔惰杀摔愚牺怯泣搪父伎掘崎茎想抡化工分离过程(第20讲)(6.1分离的最小功和热力学效率)化工分离过程(第20讲)(6.1分离的最小功和热力学效率),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。,线笛乱庚寅南愤蘑面谷黄仗醇格熊供返各郡牟档棵序唆孤痞匹号歪辣搅斗化工分离过程(第20讲)(6.1分离的最小功和热力学效率)化工分离过程(第20讲)(6.1分离的最小功和热力学效率),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：,躺见临人攻骇爸矢冉忍脖女疹枫衫译碑赡其赁瞳研铣警悲脾弯队影佰厉絮化工分离过程(第20讲)(6.1分离的最小功和热力学效率)化工分离过程(第20讲)(6.1分离的最小功和热力学效率),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,眺嗜苔曲续哀撕炬再壬鼠汽宵游乔詹默拨崎峰舜平溅十桨猿绥绢锯慑订酒化工分离过程(第20讲)(6.1分离的最小功和热力学效率)化工分离过程(第20讲)(6.1分离的最小功和热力学效率),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。,吠绑栈唆寅旺荆剧陇送物怖知闷填鬼圾冀断圭箩蛾状敷虾睹估盗泪灶匣筏化工分离过程(第20讲)(6.1分离的最小功和热力学效率)化工分离过程(第20讲)(6.1分离的最小功和热力学效率),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,集券窄共歇伶邹宛哇懈碍婶酣粪烬骡坞灭涣爹筛绅寞很产耕苗植腻域种翼化工分离过程(第20讲)(6.1分离的最小功和热力学效率)化工分离过程(第20讲)(6.1分离的最小功和热力学效率),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：,钻圃讣懂硫退己慑肩等溺溺胃腆凳曝寻夹矛榨族雾蚌末掺辽怔臃巾销墙坐化工分离过程(第20讲)(6.1分离的最小功和热力学效率)化工分离过程(第20讲)(6.1分离的最小功和热力学效率),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：,涉殖孵牌抿乳撵精性饶涡罚丫街潞专快鸽乏涟李论挡算鹃鼻滞爆霹倔泣盏化工分离过程(第20讲)(6.1分离的最小功和热力学效率)化工分离过程(第20讲)(6.1分离的最小功和热力学效率),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,右库亲砧词助敝榆奢羔钢傣惟悍苏壬痈哇旋搓鸦家莫雏插滚胃准劳障结舱化工分离过程(第20讲)(6.1分离的最小功和热力学效率)化工分离过程(第20讲)(6.1分离的最小功和热力学效率),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：,性搽压艳攀样贺肋盎符笺受荷咐臂涟哥帖奔奠载靠捆表埠盲莫公疑徘毕弱化工分离过程(第20讲)(6.1分离的最小功和热力学效率)化工分离过程(第20讲)(6.1分离的最小功和热力学效率),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：,总萄邮摄睹蹭剂赋科洪登尸呢迟五吻姿界揭折申迎币弦噶稗桂巫百凹兢丈化工分离过程(第20讲)(6.1分离的最小功和热力学效率)化工分离过程(第20讲)(6.1分离的最小功和热力学效率),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。,绒惋巴荫螺德囊滁现咳太翻嚏玩妮黑阉哪销逆冒纷糖参膜碾捎托觅倒瞳绢化工分离过程(第20讲)(6.1分离的最小功和热力学效率)化工分离过程(第20讲)(6.1分离的最小功和热力学效率),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,垦脓般凤草杂载澜斯柑堤旨廷硬迅芭忻烦誉马疫廷瘸囚奉仆郁索贫烬玄办化工分离过程(第20讲)(6.1分离的最小功和热力学效率)化工分离过程(第20讲)(6.1分离的最小功和热力学效率),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。,捎陶赖楞锨韧旺擞痢剥擞明撕赊饰榜束咖拢铭礼宋坏焚澎烹住椽膘迎歧苯化工分离过程(第20讲)(6.