第6章 化工過程熱力學(xué)分析

1、化工熱力學(xué)化工熱力學(xué)化工單元過程的熱力學(xué)分析2基礎(chǔ)理論1第6章化工過程熱力學(xué)分析節(jié)能理論進(jìn)展和合理用能4三種常規(guī)的過程熱力學(xué)分析法3化工熱力學(xué)化工熱力學(xué)6.1 基礎(chǔ)理論12能量的級別能量的級別理想功理想功W Widid3不可逆過程的損耗功不可逆過程的損耗功W WL L化工熱力學(xué)化工熱力學(xué)化工生產(chǎn)涉及的能量主要有以下幾種形式：熱能機(jī)械能電能化學(xué)能最大的熱機(jī)效率是可逆熱機(jī)的效率，卡諾熱機(jī)就是可逆熱機(jī)的一種，其效率c為：6.1.1 能量的級別化工熱力學(xué)化工熱力學(xué)6.1.2.1 6.1.2.1 穩(wěn)流過程的理想功穩(wěn)流過程的理想功6.1.2 理想功Wid化工熱力學(xué)化工熱力學(xué)6.1.2.2 6.1.2.2

2、穩(wěn)定流動化學(xué)反應(yīng)過程理想功的計算穩(wěn)定流動化學(xué)反應(yīng)過程理想功的計算在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（25，0.10133MPa）下，穩(wěn)定流動化學(xué)反應(yīng)過程理想功的計算式為：根據(jù)熱力學(xué)基本定義式 ，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，恒溫 時，有式中， 為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下自由焓的變化。由上式可知，式（6-6）中的理想功即為反應(yīng)過程物流標(biāo)準(zhǔn)自由焓的減少量，即6.1.2 理想功Wid化工熱力學(xué)化工熱力學(xué)6.1.2.3 6.1.2.3 熱力學(xué)效率熱力學(xué)效率a a理想功是確定的狀態(tài)變化所能提供的最大功。要獲得理想功，過程要在完全可逆的條件下進(jìn)行。由于一切實際的宏觀過程都是不可逆的，因此實際過程提供的功WS必定小于理想功。兩者之比稱為熱力學(xué)效率。產(chǎn)功過程耗功

3、過程由上述兩式可見，a是高級能量的利用率。6.1.2 理想功Wid化工熱力學(xué)化工熱力學(xué)實際過程都是不可逆的，實際功必定小于理想功，理想功與實際功之差稱為損耗功得著名的高烏斯托多拉（Gouy-Stodola）公式，在化工過程熱力學(xué)分析中應(yīng)用極廣6.1.3 不可逆過程的損耗功WL化工熱力學(xué)化工熱力學(xué)6.2 化工單元過程的熱力學(xué)分析12流體流動過程流體流動過程傳熱過程傳熱過程3分離過程分離過程4化學(xué)反應(yīng)過程化學(xué)反應(yīng)過程化工熱力學(xué)化工熱力學(xué)根據(jù)熱力學(xué)基本原理也可證明，和外界無熱、功交換但有壓力降的流動過程必定有功損耗?？傻昧鲃舆^程的損耗功為：式中，T和V分別是流體的體積和溫度。不論液體或氣體，在流動過

4、程中，溫度及比容均無太大的變化，因此上式可以簡化為流體的壓力差 大致與流速成平方關(guān)系，因而流動過程的損耗功大體與流速的平方成正比。6.2.1 流體流動過程化工熱力學(xué)化工熱力學(xué)傳熱過程的損耗功應(yīng)是換熱過程的熱力學(xué)效率為（當(dāng)TL和TH均大于T0時）：由式（6-22）可知，兩者絕對值之差即為損耗功，因此上式也可寫成：6.2.2 傳熱過程化工熱力學(xué)化工熱力學(xué)6.2.3 分離過程對于非理想溶液，其分離最小功為如果分離程度不完全，產(chǎn)品為非純態(tài)物質(zhì)，此時理想功的計算可分兩步。第一步，原溶液分離為純組分；第二步，純組分按不同比例混合成為最終產(chǎn)品。兩步之和即為所求。實際分離過程由于種種不可逆因素的存在，消耗的能

5、量大大超過理想功，兩者之比相差幾十倍屢見不鮮?；崃W(xué)化工熱力學(xué)6.2.4 化學(xué)反應(yīng)過程化學(xué)反應(yīng)引起物質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變要比物理變化深入一層，因此，其能量變化也大得多。在可逆條件下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)沒有功損耗，但設(shè)備體積要無限增大，這顯然是不現(xiàn)實的。對于反應(yīng)過程，同樣存在著能耗費與投資費用的矛盾，需要權(quán)衡輕重。與傳質(zhì)設(shè)備相反，大多數(shù)工業(yè)反應(yīng)器是可以向外供能的。若在工藝和設(shè)備允許的條件下，先將入口氣體預(yù)熱一下，就既能夠減小傳熱溫差，又可以做到“自熱”維持，而且反應(yīng)熱還能夠進(jìn)一步加以利用。這是目前化學(xué)反應(yīng)過程節(jié)能的中心任務(wù)之一?；崃W(xué)化工熱力學(xué)6.3 三種常規(guī)的過程熱力學(xué)分析法12與與兩種損失和兩種效率

6、兩種損失和兩種效率3三種常規(guī)的熱力學(xué)分析法匯總?cè)N常規(guī)的熱力學(xué)分析法匯總化工熱力學(xué)化工熱力學(xué)6.3.1.1 6.3.1.1 （有效能有效能）E EX X為了度量能量的品質(zhì)及其可利用程度，或者比較不同狀態(tài)下系統(tǒng)的作功能力大小，凱南提出了有效能的概念。有效能也被稱為可用能或，并用符號EX表示。由系統(tǒng)所處狀態(tài)變化到基準(zhǔn)態(tài)這一過程所提供的理想功即為系統(tǒng)處于該狀態(tài)的 。系統(tǒng)和環(huán)境僅有熱平衡和力平衡而未達(dá)到化學(xué)平衡時，稱為約束性平衡。6.3.1 與化工熱力學(xué)化工熱力學(xué)6.3.1.2 6.3.1.2 的組成的組成與式（4-16）的左邊相對應(yīng)，穩(wěn)流過程的物流具有的總值可表示為6.3.1.3 6.3.1.3 物

7、理物理的計算的計算按物理和理想功的定義，穩(wěn)流過程的物系從狀態(tài)（T，P）變化到環(huán)境基準(zhǔn)態(tài)（T0，P0）所提供的理想功，即物理為6.3.1 與化工熱力學(xué)化工熱力學(xué)6.3.1.4 6.3.1.4 化學(xué)化學(xué)的計算的計算（）環(huán)境模型（）元素的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)6.3.1 與化工熱力學(xué)化工熱力學(xué)6.3.1 與（）純態(tài)化合物的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)化合物的標(biāo)準(zhǔn)摩爾化學(xué)應(yīng)是組成化合物的單質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)摩爾化學(xué)之和減去生成反應(yīng)過程的理想功（）混合物的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)對于理想氣體混合物，其標(biāo)準(zhǔn)摩爾化學(xué) 可以用各純組分的標(biāo)準(zhǔn)摩爾化學(xué)以及其組成來確定若物系為非理想溶液，則其標(biāo)準(zhǔn)摩爾化學(xué)為化工熱力學(xué)化工熱力學(xué)6.3.1 與6.3.1.5 6.3.1.5 熱流

8、熱流的計算的計算根據(jù)卡諾熱機(jī)效率對于恒溫?zé)嵩磳τ谧儨責(zé)嵩椿崃W(xué)化工熱力學(xué)6.3.1.6 6.3.1.6 與理想功與理想功物系從狀態(tài)1變到狀態(tài)2時，其物理的變化量EX為或6.3.1.7 6.3.1.7 （無效能）無效能）A AN N根據(jù)熱力學(xué)第一定律，總能量是守恒的，即熱力學(xué)第二定律意指：能量只能沿著一個方向即耗散的方向轉(zhuǎn)化。6.3.1 與化工熱力學(xué)化工熱力學(xué)6.3.2 兩種損失和兩種效率6.3.2.1 6.3.2.1 兩種損失兩種損失籠統(tǒng)地說能量損失非但違反熱力學(xué)第一定律，而且無意義。所謂能量損失，通常指通過各種途徑由系統(tǒng)排到環(huán)境中去的未能利用的能量。的損失可分成兩部分。一部分稱為內(nèi)部損失

9、，是由系統(tǒng)內(nèi)部各種不可逆因素造成的損失。6.3.2.2 6.3.2.2 兩種效率兩種效率第一定律效率與第二定律效率第一定律效率與第二定律效率（）第一定律效率 。（）第二定律效率 ?；崃W(xué)化工熱力學(xué)6.3.3 三種常規(guī)的熱力學(xué)分析法匯總6.3.3.1 6.3.3.1 能量衡算法能量衡算法能量衡算法是通過物料與能量衡算，確定過程的排出能量與能量利用率 ?；跓崃W(xué)第一定律的普遍適用性，可由此求出許多有用的結(jié)果，如設(shè)備的散熱損失、理論熱負(fù)荷、可回收的余熱量和電力損失的發(fā)熱量等。6.3.3.2 6.3.3.2 熵分析法熵分析法熵分析法是通過計算不可逆過程熵產(chǎn)生量，確定過程的 損失和熱力學(xué)效率。具體

10、地說是以熱力學(xué)第一定律與第二定律為基礎(chǔ)，通過物料和能量衡算，計算理想功和損耗功，求出過程熱力學(xué)效率 ?；崃W(xué)化工熱力學(xué)6.3.3.3 6.3.3.3 分析法分析法6.3.3.4 6.3.3.4 三種熱力學(xué)分析方法的比較三種熱力學(xué)分析方法的比較由前面的討論可知，三種分析方法中，以能量衡算法最簡單，熵分析次之，分析法計算工作量最大。熵分析和分析的結(jié)果是一致的。6.3.3 三種常規(guī)的熱力學(xué)分析法匯總化工熱力學(xué)化工熱力學(xué)6.4 節(jié)能理論進(jìn)展和合理用能12分析法的理論進(jìn)展分析法的理論進(jìn)展非平衡熱力學(xué)分析法簡介非平衡熱力學(xué)分析法簡介3過程系統(tǒng)節(jié)能的夾點技術(shù)簡介過程系統(tǒng)節(jié)能的夾點技術(shù)簡介4合理用能基本原

11、則合理用能基本原則化工熱力學(xué)化工熱力學(xué)任何實際過程都需要一定的驅(qū)動力如溫差、壓差、化學(xué)勢差等來使過程進(jìn)行。熱經(jīng)濟(jì)學(xué)，也稱經(jīng)濟(jì)學(xué)，是一門將熱力學(xué)分析和經(jīng)濟(jì)優(yōu)化理論相結(jié)合的專門學(xué)科。其特征是在一個合適的熱力學(xué)指標(biāo)如 效率與過程的建設(shè)投資和運行費用間找到適當(dāng)?shù)钠胶?，以達(dá)到的單位成本最小。6.4.1 分析法的理論進(jìn)展化工熱力學(xué)化工熱力學(xué)（）非平衡熱力學(xué)與經(jīng)典熱力學(xué)宏觀系統(tǒng)可劃分成許多小體積元，小體積元在宏觀上足夠小，以致它的性質(zhì)可由體積元內(nèi)部的一個點的性質(zhì)來代表。假設(shè)在t時刻，每個小體積元與環(huán)境隔離，經(jīng)t時間間隔后體積元內(nèi)分子從非平衡狀態(tài)達(dá)到平衡狀態(tài)，于是在t+t時刻可按經(jīng)典熱力學(xué)方法定義每個小體積元

12、內(nèi)的熱力學(xué)變量。假設(shè)t與系統(tǒng)的整個宏觀變化時間標(biāo)度相比無限小，可以認(rèn)為與t+t時刻達(dá)到平衡的相應(yīng)小體積元內(nèi)的熱力學(xué)變量近似，因此經(jīng)典熱力學(xué)公式皆可應(yīng)用。6.4.2 非平衡熱力學(xué)分析法簡介化工熱力學(xué)化工熱力學(xué)（）不可逆過程的熵產(chǎn)率及昂薩格倒易關(guān)系（）非平衡熱力學(xué)分析法及其應(yīng)用舉例非平衡熱力學(xué)分析法就是以非平衡熱力學(xué)原理特別是熵產(chǎn)定律來計算和分析過程的力和流以及由此產(chǎn)生的熵產(chǎn)率的大小，詳細(xì)揭示造成能量損耗的原因、部位和機(jī)制，并將之與具體過程設(shè)備的結(jié)構(gòu)和操作方式進(jìn)行關(guān)聯(lián)，以有效指導(dǎo)過程流程改進(jìn)、操作方式升級、節(jié)能設(shè)備的開發(fā)和設(shè)計等。6.4.2 非平衡熱力學(xué)分析法簡介化工熱力學(xué)化工熱力學(xué)（1）溫-焓圖

13、與流股的復(fù)合曲線如果一股物流從供給溫度T1被加熱或冷卻到目標(biāo)溫度T2，則傳熱量Q為6.4.3 過程系統(tǒng)節(jié)能的夾點技術(shù)簡介化工熱力學(xué)化工熱力學(xué)6.4.3 過程系統(tǒng)節(jié)能的夾點技術(shù)簡介（2）夾點的形成及其意義化工熱力學(xué)化工熱力學(xué)6.4.3 過程系統(tǒng)節(jié)能的夾點技術(shù)簡介（3）夾點技術(shù)的應(yīng)用范圍及其發(fā)展過程工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)，即從原料到產(chǎn)品的整個生產(chǎn)過程，始終伴隨著能量的供應(yīng)、轉(zhuǎn)換、利用、回收、生產(chǎn)、排棄等環(huán)節(jié)。從系統(tǒng)工程的角度，可以將這些不同的環(huán)節(jié)歸類到個相互聯(lián)系的子系統(tǒng)中，即工藝過程子系統(tǒng)、熱回收換熱網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)及蒸汽動力公用子系統(tǒng)。夾點技術(shù)最初源于熱回收換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化集成。事實上，夾點技術(shù)原則上適用于過程工業(yè)的整個生產(chǎn)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計和節(jié)能改造，即三個子系統(tǒng)的聯(lián)合優(yōu)化，盡管這十分困難，但應(yīng)是技