分离过程基础 热力学效率

有效能
卡诺热机
精馏过程分析
• 精馏过程分析最小分离功
• 精馏过程的不可逆性 • 精馏过程主要操作条件对能耗的影响 • 精馏过程节省能耗的一些措施
• 最小分离功
TC T0 TR T0 W出 Q（ ） W入 Q（ ） C R TC TR
TR T0 TC T0 W净 W入 W出 Q（ ） Q（ ）（6 25 ） R C TR TC
分离过程的热力学效率与节能
马沛生 化工热力学
化学工业出版社
陈洪钫,刘家祺.化工分离过程. 北京:化学工业出版社, 1995
分离过程的热力学效率与节能
• 热力学原理
• 热力学第二定律
• 最小分离功
• 分离过程热效率
• 理想功
• 热力学效率
• 有效能
热力学第二定律
克劳修斯说法：热不可能自动从低温物体传给高温物体
Ex H H0 T0 S S0
物理有效能计算
Ex H H0 T0 S S0
1. 动能势能可以忽略时：
利用热力学图表查出物流在它的T、p下的H、S值以及环境基 态T0、p0下的H0、S0值，然后代入式计算即可。或者计算出物 流由（ T0、p0 ）变化到（T，p）过程的焓变ΔH和熵变ΔS，再 代入式（6-52）计算
2. 对于功、电能和机械能：
Ex W
3 对于热：
E x WCarnot
T0 1 Q T
6.4 有效能
化学有效能定义
定义 处于环境温度和压力（ T 0、 p 0 ）下的系统，由于和环 境的组成不同而发生物质交换或化学反应，达到与环 境的平衡，所做出的最大功就叫做化学有效能。 计算
精馏过程主要操作条件对能耗的影响
进料热状态的影响 在进料组成、产品组成及回流比一定的条件 下，进料热状态 对操作费用有影响。 高温精馏（塔顶釜温度高于环境温度）时 轻关键组分浓度高（如 ），应采用较低的 值，即应以气相或气—液混合进料；反之， 以液相或气—液混合进料。
精馏过程节省能耗的一些措施
• 有效能的充分回收及利用 • 减少过程的净耗功。 采用改变分离过程操作条件的方法来减 少过程的净耗功，如严格控制设计富裕度， 选定最佳回流比促使设备投资费与操作费降 为最少是很有意义的。
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 特别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 由于过程的影响因素很多，情况较复杂，必须结合实际 过程进行分析计算。
化工过程节能技术
采用新技术，提高传质效率
高效换热器
换热网络优化
Ex H H0 T0 S S0
由于涉及到物质组成，在计算化学有效能时，除了 要确定环境的温度和压力以外，还要指定基准物和 浓度。计算中，一般是首先计算系统状态和环境状 态的焓差和熵差，然后代入式即可。
试比较1.0 MPa和7.0 MPa两种饱和水蒸汽的有效能的大小。 取环境温度T0＝298.15 K，p0=0.101 MPa。
解：查水蒸汽表可得各状态下的焓值和熵值。见下表。
序号 0 1 2 状态 水 饱和蒸汽 饱和蒸汽 压力/ MPa 0.101 1.0 7.0 温度/ K 298.15 179.0 284.0 H/ (kJ·kg-1) 104.6 2773.6 2768.1 S/ (kJ·kg-1·K-1) 0.3648 6.5835 5.8103
损失功 WL
损失功定义:
当完全可逆过程和实际过程经历同样的始末态时，由于可逆 程度的差别，导致这两种过程所表现出的功之间存在差值
WL Wac Wid
Wid H
稳流系统
1 u2 gZ T0 S 2
系统
H
WL T0S系统 Q
S环境＝ Q / T0
1 2 u gZ Q WS 2
QR QC Q
1 1 W净 QT （ ） 0 TC TR

B分离
W净
1
精馏过程的不可逆性
流体流动 增大塔径可减小流体阻力。但加大设备投资，减 低板面液层厚度则使板效率变小。须根据实际情 况综合考虑，此外改变板式塔为高效低压降填料 塔也是提高生产能力降低压力降的主要途径。 传热 上升蒸汽与下流液体直接接触产生热交换时的温 差 传质 即上升蒸汽与下流液体进行传质过程时，两相浓 度与平衡浓度的差别。
精馏过程主要操作条件对能耗的影响
• 回流比R对能耗的影响 在进料组成、状态、塔压与分离要求一定 的情况下，精馏塔的主要能耗有操作费（ 即加热蒸汽费和冷却水费用）和固定设备 费。操作费是随回流比的增大而增大的， 而固定设备费中的塔设备费用是与板数成 正比的，当 时，板数为无穷多，即塔费用 为 ；当 时，板数突然下降，设备费也徒 然下降，总能耗最小出现在 。
精馏系统的综合优化节能
1）采用最佳分离序列； 2）采用最优热集成精馏序列； 3）采用热泵精馏； 4）采用多效精馏流程； 5）采用热耦合精馏。
• 减少质量传递中的浓度梯度 • 所用的中间冷凝及中间再沸可采用不同级别的介质 进行传热，又能充分回收过程的余热（显热和潜热）
• 多效精馏
• 热泵精馏 • 将温度较低的塔顶蒸汽经 压缩后作为塔底再沸器的 热源，称为热泵精馏
2 稳流过程有效能计算Baidu Nhomakorabea
EX Wid
Wid H T0S 系统
Ex H H0 T0 S S0
无效能
有效能是“状态函数” 基态有效能为零
物理有效能
定义 系统的物理有效能是指系统温度、压力等参数不同 于环境而具有的有效能。化工生产中常见的加热、 冷却、压缩和膨胀等过程只需考虑物理有效能 。 计算
WL T0 S系统 S环境 ＝T0S孤立
＝0 可逆
WL 0
> 0 不可逆
热力学效率η
定义： 理想功在实际功中所占比例
作功过程：t Wac Wid
耗功过程： t Wid Wac
有效能
1 有效能定义
体系在一定的状态下的有效能，就是系统从该状态 完全可逆变化 变化到基态（T0, p0）的过程中对外界所做的理想功。 用Ex表示。国外教材上称为Available Energy。
Ex ,1 H1 H0 T0 S1 S0
2773 .6 104.6 298.15 6.5835 0.3648 814.9 kJ·kg-1
Ex , 2 H2 H0 T0 S2 S0
2768 .1 104.6 298.15 5.8103 0.3648 1039 .9 kJ·kg-1
低温余热回收
。 开尔文说法：不可能从单一热源吸热使之完全变为有用 的功而不引起其他变化。 第一定律没有说明过程发生的方向，它告诉我们能量必
须守衡。热力学第二定律说明过程按照特定方向，而不
是按照任意方向进行。 自然界中的物理过程能够自发地向平衡方向进行。 卡诺热机的效率最高
理想功 Wid
定义 在一定环境条件下，系统发生完全可逆过程 时，理论上可能产生的（或消耗的）有用功
分离过程的热力学效率 对外加只有热量输入的过程：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 特别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 由于过程的影响因素很多，情况较复 杂，必须结合实际过程进行分析计算。
• SRV精馏
• 是具有附加回流和蒸发的精馏简称，由综 合中间再沸，中间冷凝和热泵精馏技术发 展而成
化工过程节能技术
采用新技术，提高传质效率
高效换热器
换热网络优化
低温余热回收
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， 对外加只有热量输入的过程：如精馏，结晶，沉降等热
最小分离功
分离的最小功表示了分离过程耗能的最低限。
最小分离功的大小标志着物质分离的难易程度 ，为了使实际分离过程更为经济，应设法使能耗尽 量接近于最小功。
等温分离过程最小功的计算
Wid H T0S系统
等温分离过程
分离理想气体混合物
• 分离低压下的液体混合物
• 非等温分离过程(有效能用B表示)
系统
Wid Wrev p0 V
Wid U p0V T0S系统
稳流系统的理想功
Wid WS
1 2 Wid H u gZ T0 S 2
系统
1 2 u 0 2 gZ 0
Wid H T0S系统
理想功要点
理想功实际上是一个理论上的极限值，在与实 际过程一样的始末态下，通常是作为评价实际 过程能量利用率的标准。 理想功与可逆功是有所区别的。虽然都经历了 完全可逆变化，但理想功是可逆的有用功，而 可逆功仅指经历变化时所涉及到的所有的功。 理想功的大小与体系始末态和环境条件(p0， T0)有关
完全可逆过程
1. 系统内发生的所有变化都必须可逆； 2. 系统与环境的相互作用（如传热）可逆进行 理想功的数值（绝对值） 1. 产出过程的理想功是最大的功 2. 耗功过程的理想功是最小的功
封闭体系的理想功 Wid
可逆过程 Wrev U Qrev
Qrev T0S
系统
Wrev U T0S
精馏过程主要操作条件对能耗的影响
操作压力的影响 在塔板数一定的情况下，操作压力增加，相 对挥发度减少，要维持规定产品纯度，需增 加回流比，再沸器热负荷增加；反之操作压 力减少，回流比降低，不可逆损失减少。但 一般精馏塔不在负压下操作，因真空操作需 要额外设备产生真空并维持真空度。一般操 作压力应略高于大气压力。