分离过程基础 热力学效率.pptx

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最小分离功分离过程热效率热力学原理热力学第二定律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。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）有用功完全可逆过程系统内发生的所有变化都必须可逆；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）产出过程的理想功是最大的功耗功过程的理想功是最小的功系统 系统 封闭体系的理想功可逆过程系统 稳流系统的理想功理想功要点 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 系统 ＝0 可逆 0 不可逆损失功损失功定义: 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 稳流系统定义：作功过程：耗功过程：热力学效率η理想功在实际功中所占比例系统 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。完全可逆变化2 稳流过程有效能计算有效能是“状态函数”基态有效能为零无效能物理有效能定义 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。 计算物理有效能计算 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： 3 对于热：6.4 有效能化学有效能定义定义 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 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。 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 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