化工分离过程__第7章分离过程的节能优化与集成

1传质分离过程第七章分离过程的节能优化与集成主要内容及要求：学习并掌握分离过程的最小功和热力学效率，了解精馏的节能技术，分离方法选择的一般原则，分离序列的确定方法及分离过程的集成。2第七章分离过程的节能优化与集成7.1分离过程的最小功和热力学效率7.2精馏的节能技术7.3分离流程的优化7.4分离流程的集成3分离是混合的逆过程，不能自发进行，需要以热或功的形式加入能量。能耗是大规模分离过程的关键指标，能耗费用总是大于设备的折旧费用，通常会占据操作费用的主要部分。因此，确定具体混合物分离的最小能耗，了解影响能耗的主要因素，寻求接近此极限能耗的实际分离过程是很有意义的。再者，世界能源日趋紧张的状况也使得化工节能问题显得尤为重要。47.1分离过程的最小功和热力学效率MinimumWorkandThermodynamicEfficiency5由SLT可知，完成同一变化的任何可逆过程所需的功均相等，因此，达到一定分离目的所需的最小功可以通过假想的可逆过程计算出来。最小功的数值决定于待分离混合物的组成、压力和温度以及分离所得产品的组成、压力和温度。67.1.1最小分离功MinimumWorkofSeparationFigure7-1Acontinuous,steady-stateflowsystemforageneralseparationprocess摩尔流率传入系统的总热量流率摩尔焓摩尔组成系统对环境做功8FirstLawofThermodynamics---energybalance：outWkHknQinjHjn(7-1)(streamenthalpyflows+heattransfer+shaftwork)leavingsystem-(streamenthalpyflows+heattransfer+shaftwork)enteringsystem=09对于等温可逆过程，进出系统的物流与环境的温度均为T，根据热力学第二定律：][injjoutkkSnSnTQ(7-2)流出系统的物流的熵的总和进入系统的物流的熵的总和SecondLawofThermodynamics---entropybalance：(streamentropyflows+entropyflowsbyheattransfer)leavingsystem-(streamentropyflows+entropyflowsbyheattransfer)enteringsystem=productionofentropybytheprocess得到等温下稳定流动的分离过程所需最小功：][injjoutkkSnSnTQoutWkHknQinjHjn(7-2)(7-1)outinjjoutkkinjjkkTSnSnTHnHnWmin,(7-3)即)(min,STHWT11由自由能的定义G=H－TS式（7-3）也可以整理为物流自由能的增量：injjoutkkTGnGnWmin,(7-4)outinjjoutkkinjjkkTSnSnTHnHnWmin,(7-3)12iizG(7-5)一个混合物的摩尔自由能由各组分的偏摩尔自由能，即化学位加和得到：injjoutkkTGnGnWmin,(7-4)而化学位与组分逸度的关系式为：]ln[ln00iiiiffRT(7-6)13若进、出物流的同一组分具有相同的基准态，则得到用逸度表示的最小功：injijijoutkikikTfznfznRTW)]ln()ln([,,,,min,(7-7)injjoutkkTGnGnWmin,(7-4)iizG(7-5)]ln[ln00iiiiffRT(7-6)14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。15对于理想气体混合物：zi=yi且PiyifinijijijoutikikikTyynyynRTW)]ln()ln([,,,,min,(7-8)一、分离理想气体混合物injijijoutkikikTfznfznRTW)]ln()ln([,,,,min,化简为：(7-7)16对于由A和B两组分构成的二元气体混合物在进料温度和压力下被分离成纯A和纯B产品的情况，式（7-8）可简化为无因次最小功：inijijijoutikikikTyynyynRTW)]ln()ln([,,,,min,(7-8)]lnln[,,,,min,FBFBFAFAFTyyyyRTnW(7-9)17如果分离产品不是纯组分，则该过程的最小分离功等于原料分离成纯组分的最小分离功减去产品分离成纯组分所需要的最小分离功，可见，产品的纯度越低，所需的最小分离功越小。p292例7-118二、分离低压下的液体混合物低压下液体混合物的组成为xi，组分i的逸度，式（7-7）简化为：siiiipxfˆinjijijoutkikikTfznfznRTW)]ln()ln([,,,,min,(7-7)})]ln([])ln([{,,,,,,min,inijijijijoutikikikikTxxnxxnRTW(7-10)19})]ln([])ln([{,,,,,,min,inijijijijoutikikikikTxxnxxnRTW(7-10)二元液体混合物分离成纯组分液体产品，式（7-10）可化简为：)]ln()ln([FB,FB,FB,FA,FA,FA,FTmin,xxxxRTnW(7-11)除温度以外，最小功仅决定于进料组成和性质，i1的混合物比i1的混合物需较小的分离功。20传热速率传热是系统与环境之间另外一种能量传递方式，一旦确定了最小功，可以由能量衡算式计算相应的传热速率。outWkHknQinjHjn(7-1)21对于等温、等压下理想气体混合物的分离过程，混合热为零，故不发生焓变，从过程向环境的传热速率等于环境对系统所作的最小功。outWkHknQinjHjn(7-1)TWQmin,22对于等温、等压下理想溶液的分离，从过程到环境的传热速率也等于环境对系统所作的最小功。TWQmin,23对于非理想液体混合物，出口产品物流焓之和不等于进口原料物流焓之和，故传热速率不等于最小功，而是遵循下式：inEjjoutEkkTHnHnWQmin,过剩焓与理想溶液呈正偏差的混合物，过剩焓的变化为正，即混合过程是吸热的。在分离该物系时，混合热的释放使最小功比理想情况有所降低，放热速率等于分离的净放热与最小功之和。247.1.2非等温分离和有效能Non-isothermalSeparationandAvailability(Exergy)25当分离过程的产品温度和进料温度不同时，不能用自由能的增量计算最小功，而应根据有效能来计算。有效能定义为B=H－T0S有效能Availability(Exergy)Theterm“availability”means“availableforcompleteconversiontoshaftwork”.T0------theinfinitesurroundingstemperature.Thistemperatureistypicallyabout300Kandrepresentsthelargestsourceofcoolantassociatedwiththeprocessingplantbeinganalyzed.Thismightbetheaveragetemperatureofcoolingwater,air,oranearbyriver,lake,orocean.26热力学第一定律的能量衡算式:有效能AvailabilityQ---从温度为T的热源向过程传递的热量；Ws---过程对环境所作的轴功。sinjjoutkkWQHnHn热力学第二定律建立过程的熵平衡:0irroutkkinjjSTQSnSn由于不可逆过程引起的熵变27有效能AvailabilitysinjjoutkkWQHnHn0irroutkkinjjSTQSnSn0TsinirrjjjoutkkkWQTTSTSTHnSTHn)1()()(0000B=H－T0SsinirrjjoutkkWQTTSTBnBn)1(0028有效能AvailabilitysinirrjjoutkkWQTTSTBnBn)1(00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，即可逆热机的等当功Wc。ThereversibleCarnotheat-enginecycleefficiency,representingthemaximumamountofshaftworkthatcanbeproducedfromQatT,wheretheresidualamountofenergy(Q-Ws)istransferredasheattoasinkatT0.系统的净功消耗（总功）-Wnet=Wc-Ws29有效能AvailabilitysinirrjjoutkkscnetWQTTSTBnBn)1(00非等温可逆过程，Sirr=0，最小分离功为：STHBWsepT0min,0iFTTipiFidTCxH,,iTFTFFiiipiFipxpRdTTCxS)ln(,,,307.1.3热力学效率和净功消耗Second-lawEfficiencyandNetWork31表征能量被利用的程度有两类效率：基于热力学第一定律的热效率和基于热力学第二定律的热力学效率。热效率只反映出过程中能量在数量上被利用的程度，并未反映出能量转换过程中能量品位上的变化。32热力学效率反映了过程中有效能被利用的程度，它是能量在数量上和品位上被利用的综合反映，更准确地反映了过程的完善程度。热力学效率又称为有效能效率。33定义：分离过程中系统有效能的改变与过程所消耗的净功之比。(7-13)分离过程的热力学效率)/(netsepWB34通常分离过程所需能量大多是以热能的形式提供，在这种情况下最好是以过程所消耗的净功来计算消耗的能量。图7-2普通精馏塔精馏操作依赖于从再沸器加入热量QR（温度为TR）和从冷凝器移出热量Qc（温度为Tc）。过程所消耗的净功为：ccRRnetTTQTTQW0011(7-14)36若分离过程产物的焓与原料的焓差别极小而可以忽略时，则QR=Qc=Q，净功为:RcnetTTQTW110(7-15)37对于实际分离过程，T0Sirr0，所有情况下（－Wnet）Bsep，热力学效率必定小于1。sinirrjjoutkkscnetWQTTSTBnBn)1(001)/(netsepWB38一般说来，只靠外加ESA的分离过程（如精馏、结晶、部分冷凝），热力学效率往往高些；同时加入ESA和MSA的分离过程（如共沸精馏、萃取精馏、萃取和吸附）热力学效率较低；而速率控制的分离过程（膜分离）则更低。不同类型的分离过程，其热力学效率各不相同。39•由于流体阻力造成的有效能损耗；•节流膨胀过程的有效能损失；•由于热交换过程中推动力温差存在造成的有效能损失；•由于非平衡的两相物流在传质设备中混合和接触传质造成的有效能损失。分离过程中有效能损失的主要形式40•选取适宜的分离方法；•研究复杂混合物的适宜分离流程；•确定各个具体分离操作的适宜条件和参数，以及设备的结构和尺寸等。节约分