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1、 化工分离过程Chemical Separation Processes第六章 分离过程的节能 1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
2、 分离过程的节能 2 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 36.1 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。4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
3、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56.1.1 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：W66.1.1 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：76.1.1 等温分离的最小功式（6-3）又可以表示
4、为：自由焓的定义：所以，式（6-3）还可以表示为：86.1.1 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：96.1.1 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106.1.1 等温分离的最小功一、分离理
5、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。116.1.1 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：126.1.1 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
6、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136.1.1 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 600 kmol/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。146.1.1 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
7、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 351.0 kmol/h ； 含丙烷 95%（摩尔）的产品流率 249.0 kmol/h 。 由式（6-9）得： 156.1.1 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。166.1.1 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。176.1.1 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
8、。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：186.1.1 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。由于物系不同，为正偏差，所需功小，为负偏差，所需功大。则有：当原溶液为二元，且参见例6-2196.1.2 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。206.1.2 非等温分离和有效能用环境温度乘上式并与能量平衡方
9、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216.1.2 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：226.1.2 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： 236.1.2 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246.1.3 净功消耗和热力学效 率图 6-4
10、 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： 256.1.3 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：266.1.3 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。276.1.3 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
11、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286.1.3 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。296.1.3 净功消耗和热力学效 率解：计算基准： 1 小时 全塔热量衡算式：附图中已标明进料（F）、塔顶馏出液（D）和塔釜（W） 的流率和平均摩尔焓，将其代入上式得再沸器热负荷：306.1.3 净功消耗和热力学效 率T0 =294K，根据有效能定义式，计算出各物流的有效能为：有效能 kJ/kmol 塔顶馏出液 釜液 进料 B=H-T0S-9164.96 -16360.03 -17601.88 所以，有效能的变化为： 316.1.3 净功消耗和热力学效 率由式（6-25）得过程的净功消耗为：由式 （6-27）得过程的热力学效率为：32阅读课本 巩固知识作业：P202 习题6-3,6-433
