分离工程概述

出
进
（6 − 9）
例6-1；
分离工程
分离工程
分离工程
6.1.1.2 分离低压下液体混合物
fˆi
=
i xi
f
0 i
L
代入（6 − 8）：
− Wmin,T
=
RT nk [ xi,k
ln（ i,k xi,k )]
出
− n j[ xi, j ln（ i, j xi, j )] （6 − 11）
进
故：焓变为 0（H = 0）。 Q = Wmin，T ◆理想溶液液相混合物：
在环境温度和接近环境压力下进入和离开
故：焓变也为 0（H = 0）。 Q = Wmin，T
◆非理想溶液：
Q
=
−（− Wmin，T）+
nk
HBaidu Nhomakorabea
E k
−
njH
E j
出
进
nk
H
E k
− n j H
Ej ：过剩焓变化
出
进
正偏差溶液：过剩焓为正，过程为吸热
负偏差溶液：过剩焓为负，过程为放热
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6.1.2 非等温分离和有效能
nk Hk − n j H j = Q −WS （6 − 15）
出
进
Q：从温度为T的热源向过程传递热量
WS：过程对环境所作的功
熵平衡：
n
进
j
S
j
−
nk
出
Sk
+
Q T
+
S产生
=
0
（6
− 16）
S产生：不可逆过程引起的熵变
设 T0用—T0乘环（境6温−度16）后（与规定（：6 −海15洋）、合大并气：、河水温度）
二元混合物分离成纯组分：
−Wmin,T = − RT nF [ xA,F ln（ A,F xA,F） + xB,F ln（ B,F xB,F）] （6 − 12）
例6-2
分离工程
分离工程
分离工程
传热速率： Q = nk Hk − n j H j + Wmin，T
◆理想气体： 出
进
物料在相同的T、P下进入和离开，且混合热为 0
i
=
0 i
+
RT（ln
fˆi
− ln
fˆi0）
−Wmin,T = RT[ n（k zi,k ln fˆi,k ) − n（j zi, j ln fˆi, j )]
出
进
6.1.1.1 分离理想气体混合物
(6 − 8)
zi = yi fˆi = yi P 代入（6 − 8）：
−Wmin,T = RT[ n（k yi,k ln yi,k ) − n（j yi, j ln yi, j )]
一般分离过程：
TC
原料
QC
QR TR
可逆热机功：
非理想溶液：
Q
=
−（− Wmin，T）+
nk
H
E k
−njH
E j
出
进
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非等温分离： 系统的净功（总功）：
过程可逆时，可得最小分离功：
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6.1.3 净功消耗和热力学效率
通常，分离过程所需的能量多半是以热能形式 而不是以功的形式提供的。
一般以W净计算能量：
净功消耗：— W净=W入—W出
WC
=
Q（1
−
T0 T
）（温度为T的热源向T0环境传热所作功）
净功Q—消—耗热：量；T0，T
—
—环境、热源温度 分离过程有效能变化
−W净 = WC −WS
= nk Bk − n j B j + T0S产生
出
进
=
B分离 + T0S产生 （6 − 20）
− W净 > B分离 (非等温不可逆过程）
分离工程
•
•
•
nm,zi,m , H m
进出系统物流变量：
n，zi，H，S，Q
QW
系统对环境作功： W
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按热力学第一定律：（能量守恒）
n j H j + Q = nk Hk + W （6 − 1）
进
出
设等温可逆过程：
Q = T[ nk Sk − n j S j ]
出
进
（6 − 2）
将（6 − 2）代入（6 − 1）：
n（k Hk − T0 Sk）− n（j H j − T0 S j）+ T0S产生
出
进
=（1
−
T0 T
）Q
−
WS
（6 − 17）
分离工程
有效能定义：B = H − T0S 代入（6 − 17）
nk
出
Bk
−
n
进
j
B
j
+
T0S产生
=（1
−
T0 T
）Q
−
WS（6
−
18）
由卡诺循环，可逆热机等当功：
分离工程
分离工程
Separation Engineering
分离工程
分离工程
第1章 绪论 第2章 单级平衡过程 第3章 多组分多级分离过程分析与简捷计算 第4章 多组分多级分离的严格计算 第5章 分离设备的处理能力和效率 第6章 分离过程的节能 第7章 其它分离技术和分离工程的选择
分离工程
第6章 分离过程的节能
−Wmin,T = nk Hk − n j H j − T[ nk Sk − n j S j ]
出
进
出
进
即：−Wmin,T = H − T（S）
自由焓定义：G = H − TS
−Wmin,T = G = nkGk − n jG j （6 − 5）
出
进
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混合物的自由焓： G = zii
6.1 分离的最小功和热力学效率
6.1.1 等温分离最小功 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
分离工程
6.1.1 等温分离最小功
热力学第二定律：完成同一变化的任何可逆 过程所需功相等。
连续稳定分离系统：
n1, zi,1 , H1 n2,zi,2 , H2
• • •
nm−1,zi,m−1 , H m−1
H = xi,F C P,idT
(6 − 23)
i
TF
S
=
i
xi,F
Ti
(
TF
C P,i dT T
−
R ln
Pi xi,F PF
)
(6 − 24)
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总结：
等温分离最小功
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分离理想气体混合物
二元理想气体混合物分成纯组分
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分离低压下液体混合物
二元液体混合物分离成纯组分液体
−Wmin, T = −RTnF [xAF ln( AF xAF ) + xBF ln( BF xBF )]
非等温可逆过程： − W净 = B分离 （S产生 = 0）
有效能定义：B = H − T0S −Wmin,T0 = B分离 = H − T0S （6 − 22）
— —过程的热量与温度为T0 的热库交换。 −W净 = −Wmin,T0 = B分离 = H − T0S （可逆过程）
式（6-20），T（i 6-22）中：
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混合过程为不可逆过程，其逆过程（分离过 程）耗能。 学习本章意义：
1 确定完成一个分离过程所需理论最小能量； 2 确定接近此能量极限的实际过程，或减小使 用昂贵能量的实际过程。
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第6章 分离过程的节能
6.1 分离的最小功和热力学效率 6.2 精馏的节能技术 6.3 分离顺序的选择
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