C6化工過程的能量分析之有效能分析

§6—5熱力學(xué)分析的三種方法定義：體系在一定狀態(tài)下具有的做功能力，它的大小等于該狀態(tài)可逆變化到與環(huán)境處于熱力學(xué)平衡的基準(zhǔn)態(tài)的理想功。一、（

）與（

）

（I）、（有效能或可用能）當(dāng)體系由任意狀態(tài)（P、T）變到基準(zhǔn)態(tài)、（）時(shí)，其理想功的負(fù)值即，可寫成：為了表達(dá)體系處于某狀態(tài)的作功能力，必須確定基準(zhǔn)態(tài)，，并定義在基準(zhǔn)態(tài)下體系作功能力為零，任何一個與環(huán)境處于熱力學(xué)平衡的系統(tǒng)狀態(tài)稱為基準(zhǔn)態(tài)。熱力學(xué)平衡包括不完全熱力學(xué)平衡完全熱力學(xué)平衡與環(huán)境成熱平衡和壓力平衡而未達(dá)到化學(xué)平衡體系和環(huán)境具有物理界限分隔，兩者相互不混和，也不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，但體系的溫度和壓力與環(huán)境的溫度和壓力相等。不完全基準(zhǔn)態(tài)物理與環(huán)境成熱平衡、壓力平衡、化學(xué)平衡(相平衡）完全基準(zhǔn)態(tài)不完全基準(zhǔn)態(tài)完全基準(zhǔn)態(tài)化學(xué)通常，體系由不完全基準(zhǔn)態(tài)到達(dá)完全基準(zhǔn)，須經(jīng)化學(xué)反應(yīng)與物理擴(kuò)散兩個過程。2、的組成（有四個主要組成部分）1）、動能能100%的轉(zhuǎn)化為功。2）、位能也能100%轉(zhuǎn)化為功。3）、物理能部分的轉(zhuǎn)化為功。4）、化學(xué)能部分的轉(zhuǎn)化為功。對于穩(wěn)定流動過程，流體的由以上四個成分構(gòu)成：3、物理的計(jì)算：從某狀態(tài)變到終態(tài)，當(dāng)終態(tài)為環(huán)境狀態(tài)（基準(zhǔn)態(tài)）時(shí)，則：H、S

是流體處于某狀態(tài)的焓和熵這是有效能的基本計(jì)算公式，它適用于各種物理的、化學(xué)的或兩者兼而有之的有效能計(jì)算。4、與理想功：區(qū)別：可看作理想功的特例。的終態(tài)是基準(zhǔn)態(tài)

理想功的終態(tài)不確定

理想功是對兩個狀態(tài)而言，可正可負(fù)，而是對某一狀態(tài)而言，與環(huán)境有關(guān)，只為正值。聯(lián)系：某物系處于狀態(tài)1和狀態(tài)2的物理分別為：當(dāng)體系從狀態(tài)1變到狀態(tài)2時(shí)，P,MPaT,0CH(KJ/Kg)S(KJ/Kg.K)Wid(KJ/Kg)Ex(KJ/Kg)蒸汽7.002852772.15.8133-1044.31044.3蒸汽1.0179.92778.16.5865-819.9819.90.1013MPa25(水)H0=104.89S0=0.36740例有一股壓力分別是7.0MPa和1.0MPa蒸汽用于作功，經(jīng)穩(wěn)流過程均變成0.1013MPa，250C的水，求Wid和Ex(T0=298K).5熱量的計(jì)算：定義：熱量相對于平衡環(huán)境態(tài)所具有的最大作功能力。恒溫變溫由卡諾熱機(jī)效率熱物體P，T自然環(huán)境P0,T0Q0EWsQH例試計(jì)算以下三種狀態(tài)下穩(wěn)流過程水蒸氣的，設(shè)環(huán)境溫度為25℃。10.005.0010.00500500400[解]一般以25℃、0.10133MPa（1atm）液態(tài)水為基準(zhǔn)態(tài)，但是為了查水蒸氣表方便起見，亦可取25℃、3.169kPa（飽和蒸汽壓）為基準(zhǔn)，本例取后者。查附表3，按式（6—27）分別求出上述三種狀態(tài)的焓、熵與之值并列于下表：10.005.0010.0025500500400104.893373.73433.83096.40.36746.59666.98596.212001412.521359.591249.83例：設(shè)有壓力為1.013、6.868、8.611MPa的飽和蒸汽和1.013MPa，573K的過熱蒸汽，若這四種蒸汽經(jīng)充分利用后，最后排出0.1013MPa，298K的水。試比較它們的火用和放出的熱，并討論蒸汽的合理利用。

P,MPaT,KS(KJ/Kg.K)H(KJ/Kg)H0-H(KJ/Kg)EX(KJ/Kg)EX/(H-H0)水0.10132980.3674104.8900飽和蒸汽1.0134536.5822772.1267181430.66過熱蒸汽1.0135737.133053294893431.68飽和蒸汽6.868557.25.82627752670104339.06飽和蒸汽8.6115735.78727832678109240.78分析：1）壓力相同（1.013MPa），過熱蒸汽的火用比飽和蒸汽大，所以其做功本領(lǐng)也大。2）溫度相同（573K）高壓蒸汽的作功本領(lǐng)比低壓蒸汽強(qiáng)。3）溫度相同（573K）高壓蒸汽的加熱能力比低壓蒸汽弱，因此用低壓蒸汽作為工藝加熱最恰當(dāng)，并可減少設(shè)備費(fèi)用。4）放出的熱相同（557.5K和453K的飽和蒸汽），高溫高壓蒸汽的火用比低溫低壓蒸汽的高28.13%。結(jié)論：1）一般供熱用0.5~1.0MPa（150~1800C）的飽和蒸汽。2）高壓蒸汽（10MPa）用來做功。溫度在3500C以上的高溫?zé)崮埽ㄈ鐭煹罋猓?，用來產(chǎn)生高壓蒸汽，以獲得動力能源。6、化學(xué)的計(jì)算：（A）波蘭學(xué)者斯蔡古特模型：一般規(guī)定環(huán)境溫度T0、環(huán)境壓力P0以及基準(zhǔn)物的種類、狀態(tài)和組成。（B）日本學(xué)者龜山—吉田模型:其他元素以T0、P0下最穩(wěn)定的化合物作為該元素的基準(zhǔn)物，液體、固體的基準(zhǔn)物濃度（摩爾分?jǐn)?shù)）規(guī)定為1?；衔锏臉?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。倘若環(huán)境溫度不為298.15K，則元素的化學(xué)應(yīng)引入溫度修正系數(shù)(此值已列于附表5中）液體混合物:理想溶液非理想溶液理想氣體混合物：7、過程的不可逆性和損失一切生產(chǎn)實(shí)際過程都是不可逆過程,在不可逆過程中存在各種不可逆因素,例如各種傳遞過程和反應(yīng)過程都存在著阻力,如流體阻力、熱阻、擴(kuò)散阻力和化學(xué)反應(yīng)阻力等。要使過程以一定的速度進(jìn)行，就必須克服阻力，保持一定的推動力，必然會造成體系的損失。在不可逆過程中，有部分降級而不能變?yōu)橛杏霉?，這部分稱為無效能或恒溫?zé)嵩礋崃浚篞為總能量，為熱量，即：對于穩(wěn)流過程：式中總能量為H，后一項(xiàng)為，當(dāng)取時(shí)，為：總之，能量可分為和兩部分，其中是高級能量，是有用部分，可將其轉(zhuǎn)化為有用功，但要付出一定代價(jià)；而是僵態(tài)能量，不能轉(zhuǎn)化為有用功，節(jié)能的正確含義就是節(jié)。對環(huán)境而言，功的符號與體系相反。定義環(huán)境的增加等于體系對環(huán)境所作的實(shí)際功，因此即總的的損失（體系+環(huán)境）就等于損失功T0ΔSg

，實(shí)際過程中(不可逆過程）總能量守恒，但有效能降低，無效能增加根據(jù)能量守恒，的減少量應(yīng)等于的增加量，即為損耗功。因此，對轉(zhuǎn)化為的量可以表示能量貶質(zhì)的程度。用和的轉(zhuǎn)化表述第二定律為：1）、在一切不可逆過程中，轉(zhuǎn)化為。3）、由轉(zhuǎn)化為是不可能的。2）、只有可逆過程，才守恒。①傳熱過程傳熱過程在實(shí)際當(dāng)中我們是經(jīng)常碰到的，當(dāng)兩種溫度不同的物質(zhì)接觸時(shí)，熱量就會從高溫物體向低溫物體傳遞，傳熱過程中有效能的損失是存在的，它是由于存在溫差而造成的。低溫物體吸收的熱量的有效能為：高溫物體放出的熱量的有效能為：有效能損失為由此可以看出：傳熱過程有效能損失是存在的，溫差越大，則有效能損失越大。欲使有效能損失減少，需減小溫差，因此，實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，在滿足工藝條件下，要盡量減小溫差。②穩(wěn)流體系u2≈0，gZ≈0，Q=0；Ws=0對于管道流動，一般情況下，無熱交換無軸功H=0結(jié)論：⑴EL∝dP壓力降⑵穩(wěn)流過程的有效能損失是由于阻力引起的（1）能量損失損失2、兩種效率——第一定律效率和第二定律效率。效率：（1）、第一定律效率以熱力學(xué)第一定律為基礎(chǔ)，用于確定過程總能量的利用率。定義：（2）外部損失：體系向環(huán)境排出的能量中所包含的損失。內(nèi)部損失：由體系內(nèi)部各種不可逆因素造成的損失。二、兩種損失和兩種效率1、兩種損失：可以是能量，能量差或能流。、第一定律效率在不同的過程中，形式不同。a、用于蒸汽動力循環(huán)，收益是得到的軸功，消耗的是熱量，比例系數(shù)是熱效率：b、用于蒸汽壓縮制冷上，系數(shù)為制冷系數(shù)：c、用于吸收式制冷循環(huán)，系數(shù)為熱力系數(shù)：d、用于熱泵，系數(shù)為制熱系數(shù)：e、傳熱過程：熱效率：優(yōu)點(diǎn)：簡單。缺點(diǎn)：

它只反映過程所需要的能量的數(shù)量上的利用情況，卻不反映不同質(zhì)的能量的利用情況，即沒有反映的利用情況。它不能作為衡量過程熱力學(xué)完善性的指標(biāo)。如：傳熱過程：熱效率：僅決定于，若，，很顯然，沒有計(jì)入傳熱過程不可逆因素即傳熱溫差造成的損失，（2）、第二定律效率以第一、第二定律為基礎(chǔ)，用于確定過程的利用率。定義：式中，可以是火用，也可以是差或流。、定義：輸出的與輸入的之比1）、普遍效率包括物流、熱流、功流式中：——輸出的總的量——輸入的總的量衡算顯然：要求普遍效率，必須對進(jìn)入體系的進(jìn)行衡算。當(dāng)即無損失，有損失當(dāng)，（2）、熱力學(xué)效率：產(chǎn)功：耗功：傳熱：所以，上式寫成：由此可見：與相差越大，則越小，的利用率低。完善性的量度。因此，第二定律效率反映了的利用率。是衡量過程熱力學(xué)對于可逆過程：，則；不可逆過程：，。三、熱力學(xué)分析的基本方法匯總：1、能量衡算法：

實(shí)質(zhì)：通過物料與能量的衡算。確定過程的進(jìn)出的能量。求出能量利用率。應(yīng)用熱力學(xué)第一定律：（能量守恒）內(nèi)容：

①、物料衡算和能量衡算：一般由單體設(shè)備到整個體系。②、求總的輸入的能量。

③、求被利用的能量。④、求。⑤、分析結(jié)果找到能量損失的原因。如果僅從能量的收益和付出的差別找節(jié)能方法，找出改進(jìn)的途徑，應(yīng)用此方法較多，但此方法的不足在于：①、熱力學(xué)第一定律方程說明各種能量可以互相轉(zhuǎn)化，但從第一定律效率（各種系數(shù)等）上看，、、、熱轉(zhuǎn)化為功是有限的。方程將熱、功寫在一起，并沒有指出各種能量轉(zhuǎn)化的方向和限度。②、能量衡算法只反映了能量數(shù)量的關(guān)系，沒有反映能量品位的高低。③、熱效率、制冷系數(shù)。制熱系數(shù)是兩個不同品位能量之比，所以比例系數(shù)計(jì)算中不同品位能量作比較是不合理的。④、此方法只能反映能量的損失，但不能指出能量損失的原因，由熱力學(xué)第一定律計(jì)算結(jié)果可能造成制定出舍本求末的節(jié)能措施。2、熵分析法：實(shí)質(zhì)：通過求熵產(chǎn)生：。確定內(nèi)容：①、物料和能量衡算。損失和熱力學(xué)效率。②、對整個體系求理想功，熵產(chǎn)生及損耗功。節(jié)能的部位），計(jì)算熱力學(xué)效率。③、分別計(jì)算每臺設(shè)備的理想功及、（以便找到④、分析計(jì)算結(jié)果，找出損耗功的最大部位，造成損耗功大的原因，確定改進(jìn)方向。優(yōu)點(diǎn)：可以指出：大的地方能量消耗多，需要改進(jìn)的是大的部位。缺點(diǎn)：能量有高、低、僵態(tài)能量之分，即不同，但究竟哪種是有效的能量，有多大，此方法不能具體指出。3、分析法：內(nèi)容：①、選擇計(jì)算基準(zhǔn)，確定體系輸入和輸出物流量——物料衡算熱流量功流量能量衡算實(shí)質(zhì)：通過衡算方程求損失（損耗功）②、確定體系由各狀態(tài)點(diǎn)的參數(shù)，計(jì)算物流。（動能位能物理化學(xué)、、、）熱量功流、。③、作衡算。利用衡算方程，確定損失（整個體系；每臺設(shè)備）的衡算，確定效率。

④、列表或畫圖分析計(jì)算結(jié)果。如圖為開系穩(wěn)流過程平衡示意圖，（1）、穩(wěn)流體系衡算方程：敞開體系物流入物流出控制體為可逆過程：，是守恒的。輸入=輸入平衡方程為：控制體為不可逆體系：，有損失，平衡方程為：輸入>輸出損耗功即為內(nèi)部損失。效率：輸出輸入（2）、定組成穩(wěn)流體系，衡算方程的簡化：對于組成穩(wěn)流過程，化學(xué)不變，上式適用于無化學(xué)變化的各種物理過程，在具體應(yīng)用時(shí)可以進(jìn)行簡化。①、當(dāng)動能、位能比其它項(xiàng)小得多時(shí)，可忽略不計(jì)（一般化工過程流速、位高變化不大）上式寫成：

②、絕熱。有功交換過程——絕熱壓縮\絕熱膨脹過程。對于單個設(shè)備，為開系的1種物流值變化。③、有熱交換，無功交換過程，④、絕熱，無功交換過程，⑤、循環(huán)過程，若體系內(nèi)僅包括循環(huán)工質(zhì)，則即循環(huán)過程動、位能、物理不變，只剩下熱流和功流。（3）、有化學(xué)反應(yīng)或組成變化的穩(wěn)流過程此時(shí)只有化學(xué)和物理變化。和濃度變化）式中包括物理變化和化學(xué)變化（包括狀態(tài)4、三種熱力學(xué)分析方法的比較（1）、計(jì)算工作量：能量衡算法最少；熵分析法最大；分析法居中

（2）、從計(jì)算結(jié)果得到的信息量：能量衡算法最少，只能

求出能量的排出損失；分析法最大，通過對每一個效的節(jié)能措施。物流的分析，還能得到各部能量的級，找到過程損失的大小，原因和的分布情況，從而制定有（3）、三種分析法適用場合。如果一個體系，只是為了利用熱能（采暖、工業(yè)用加熱爐等）可以只用能量衡算法。對既有熱交換，又有功交換的定組成體系，最好用熵分析法。對既有熱交換，又有功的變組成體系。用分析法。例設(shè)有合成氨廠二段爐出口高溫轉(zhuǎn)化氣余熱利用裝置，見圖，轉(zhuǎn)化氣進(jìn)入廢熱鍋爐的溫度為1000℃，離開時(shí)為380℃,其流量為5160Nm3/t，可以忽略降溫過程中壓力變化。廢熱鍋爐產(chǎn)生4MPa、430℃的過熱蒸汽，蒸汽通過透平作功。離開透平乏汽的壓力為0.01235MPa，其干度為0.9853。轉(zhuǎn)化氣在有關(guān)溫度范圍的平均等壓熱容為36kJ·kmol-1·K-1。乏汽進(jìn)入冷凝器用30℃的冷卻水冷凝，冷凝水用水泵打入鍋爐進(jìn)入鍋爐的水溫為50℃，試用能量衡算法計(jì)算此余熱利用裝置的熱效率。4?3?1?泵透平廢熱鍋爐?2?65冷凝器87冷卻水冷卻水解：根據(jù)水蒸氣表和已知狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)，查得各狀態(tài)點(diǎn)有關(guān)參數(shù)為：狀態(tài)點(diǎn)壓力/MPa溫度/°Ch/kJ·kg-1s/kJ·kg-1·K-110.0123550209.330.7038024.0004303283.66.869430.01235502557.07.967940.0123550209.330.7038070.1013330125.790.43690以1噸氨為計(jì)算基準(zhǔn)，忽略有關(guān)設(shè)備的熱損失和水泵消耗功。（1）求產(chǎn)汽量G對廢熱鍋爐進(jìn)行能量衡算，忽略熱損失，水汽化吸熱：（2）計(jì)算透平作功對透平機(jī)進(jìn)行能量衡算，忽略熱損失，則有：（3）計(jì)算冷卻水吸收熱對冷凝器進(jìn)行能量衡算，忽略熱損失，則有：（4）計(jì)算熱效率轉(zhuǎn)化氣余熱回收裝置能量衡算表輸入/kJ·（tNH3）-1%輸出/kJ·（tNH3）-1%高溫氣余熱5.1416106100透平作功1.215210623.63冷卻水帶熱3.926210676.37合計(jì)5.14161061005.1416106100.002、熵分析法：通過計(jì)算不可過程的熵產(chǎn)生量，確定過程的有效能損失和熱力學(xué)效率。即以第一定律和第二定律為基礎(chǔ)，通過物料和能量衡算，計(jì)算理想功和損失功，求出過程的熱力學(xué)效率。轉(zhuǎn)化氣余熱利用裝置透平1?4?3??泵廢熱鍋爐冷凝器2????6587冷卻水冷卻水解：以每噸氨為計(jì)算基準(zhǔn)（2）轉(zhuǎn)化氣降溫過程的理想功（1）由物料和能量衡算和前例得：（3）計(jì)算有效能損失即損耗功，以整個裝置為體系，忽略熱損失。每個設(shè)備的損耗功也可分別計(jì)算：（4）整個裝置的熱力學(xué)效率（5）單個設(shè)備的的熱力學(xué)效率廢熱鍋爐：透平機(jī)：冷凝器：項(xiàng)目輸入/kJ·（tNH3）-1%輸出/kJ·（tNH3）-1%理想功3.464106100輸出功WS1.215210635.1損耗功1.44710641.80.556710616.10.24521067.1小計(jì)2.24910664.9合計(jì)3.4641061005.1416106100.00損失分布單體設(shè)備熱力學(xué)效率/kJ·（tNH3）-1%廢熱鍋爐0.5821.44710664.3透平機(jī)0.6860.566710624.8冷凝器00.245210610.9合計(jì)2.249106100熵分析法特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：能正確指出有效能損失的薄弱環(huán)節(jié)，指明正確的節(jié)能方向。缺點(diǎn)：只能求出體系內(nèi)部不可逆有效能損失，無法計(jì)算排出體系的物流有效能。3、有效能分析法：通過有效能平衡確定過程的有效能損失、有效能效率。分析步驟：C、用有效能平衡確定有效能損失B、計(jì)算物流有效能和熱有效能A、確定出入體系各物流量、熱流量和功流量以及各物流的狀態(tài)參數(shù)；D、確定有效能效率敞開體系討論：（1）可逆過程：體系內(nèi)部沒有有效能損失，損耗功為0，，則有效能守恒。（2）不可逆過程：有效能不守恒。用于確定體系內(nèi)部有效能損失WL由穩(wěn)流過程恒組成穩(wěn)流有：則有：簡化：A、大多數(shù)化工過程速度和高度變化很小B、有功交換的絕熱過程——壓縮機(jī)、透平機(jī)、膨脹機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、泵等。單位設(shè)備：C、有熱交換無功交換——換熱器、混合器等E、絕熱無功交換——節(jié)流閥F、循環(huán)過程解：以每噸氨為計(jì)算基準(zhǔn)（1）物料衡算和能量衡算見例6-16（2）計(jì)算各物流物理有效能，環(huán)境條件取序號狀態(tài)壓力/MPa溫度/℃h/kJ·kg-1s/kJ·kg-1·K-1eX/kJ·kg-11液態(tài)水0.0123550209.330.703802.6992過熱蒸汽4.0004303283.66.869412093濕蒸汽0.01235502557.07.9679149.34飽和水0.0123550209.330.70382.6990基準(zhǔn)態(tài)水0.1013330125.790.43690轉(zhuǎn)化氣的物理有效能計(jì)算：（3）計(jì)算總有效能損失以整個裝置為體系忽略各設(shè)備熱損失，，冷卻水所攜帶有效能很難利用，可