分离过程基础热力学效率

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。
最小分离功
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
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：
化学有效能定义
6.4 有效能
定义
处于环境温度和压力（T0、p0）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
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。
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
W出
Q（C
TC TC
T0
）
W入
Q（R
TR TR
T0
）
W净
W入
W出
Q（R
TR TRT0）来自Q（CTC TC
T0
）（6
25）
QR QC Q
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)
有效能 卡诺热机
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
WL Wac Wid
稳流系统
Wid
H
1 u2 2
gZ
T0S
系统
H
1 2
u2
gZ
Q
WS
WL T0S系 统 Q
S环境＝ Q / T0
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
H/ (kJ·kg-1) S/ (kJ·kg-1·K-1)
104.6
0.3648
2773.6
6.5835
2768.1
5.8103
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
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 • 理想功 • 热力学效率 • 有效能
• 最小分离功 • 分离过程热效率
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 。
有效能
1 有效能定义 完全可逆变化 体系在一定的状态下的有效能，就是系统从该状态
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。
2 稳流过程有效能计算 EX Wid
Wid H T0S 系统
Ex H H0 T0 S S0
➢ 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
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
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
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：
Ex
WCarnot
1 T0 T
Q
Wid Wrev p0 V
Wid U p0V T0S系统
稳流系统的理想功
Wid WS
Wid
H
1 u2 2
gZ
T0S
系统
1 u2 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。
W净
QT（0 T1C
1） TR
B分离 W净 1
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 系统