第7章化工過程能量分析

第7章化工過程能量分析第一頁，共五十五頁。7.1能量守恒與轉(zhuǎn)化——熱力學(xué)第一定律第二頁，共五十五頁。主要內(nèi)容基本概念穩(wěn)定流動系統(tǒng)熱力學(xué)第一定律表達(dá)式穩(wěn)流系統(tǒng)熱力學(xué)第一定律應(yīng)用第三頁，共五十五頁?；靖拍?.體系與環(huán)境體系（system）：被劃定的研究對象稱為體系，也稱為系統(tǒng)或物系。環(huán)境（Surroundings）：與體系密切相關(guān)的，有相互作用或者影響的其余部分。第四頁，共五十五頁。2.體系分類：根據(jù)體系與環(huán)境的關(guān)系，將體系分為三類：（1）敞開體系體系與環(huán)境既有物質(zhì)交換，又有能量交換（2）封閉體系體系與環(huán)境沒有物質(zhì)交換，有能量交換基本概念第五頁，共五十五頁。（3）孤立體系體系與環(huán)境既無物質(zhì)交換，又無能量交換。又被稱為隔離體系。有時又把封閉體系和環(huán)境一起作為孤立體系研究基本概念第六頁，共五十五頁。3.狀態(tài)和狀態(tài)函數(shù)狀態(tài)：指某一瞬間體系所呈現(xiàn)的宏觀狀況；狀態(tài)函數(shù)：體系某些宏觀熱力學(xué)性質(zhì)是所處狀態(tài)的單值函數(shù)，稱為狀態(tài)函數(shù)。如p、V、T、U、H、A、G狀態(tài)一定值一定，殊途同歸值變等，周而復(fù)始變化零基本概念第七頁，共五十五頁。4.過程：指體系從一個平衡狀態(tài)到另一個平衡狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。描述一個過程一般包括：始態(tài)、末態(tài)、途徑基本概念第八頁，共五十五頁。5.熱和功（1）熱和功不是狀態(tài)函數(shù)，它們與經(jīng)歷的途徑有關(guān)；（2）它們只是能量的傳遞形式，而不是儲存形式。當(dāng)能量以熱和功的形式傳入體系后，增加的是物質(zhì)的能量。（3）符號規(guī)定：Q:體系吸熱為正，放熱為負(fù)W:體系得功為正，做功為負(fù)基本概念第九頁，共五十五頁。能量的形式化工過程涉及到的能量有兩大類：物質(zhì)的能量和能量的傳遞。物質(zhì)的能量（以1kg為基準(zhǔn)）熱力學(xué)能：U=f（T，p，x），分子尺度層面上的物質(zhì)內(nèi)部的能量動能：EK=1/2u2勢能（位能）：Ep=gZ能量的傳遞：熱:Q功:W第十頁，共五十五頁。熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律—能量守恒和轉(zhuǎn)換定律：自然界中的一切物質(zhì)都具有能量，能量有不同的形式，能量不可能被創(chuàng)造也不可能被消滅，而只能在一定條件下從一種形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式，在轉(zhuǎn)變過程中總能量是守恒的。第十一頁，共五十五頁。穩(wěn)定流動系統(tǒng)敞開體系：體系和環(huán)境有物質(zhì)和能量的交換流動過程有如下特點（1）設(shè)備內(nèi)各點的狀態(tài)不隨時間變化（2）垂直于流向的各個截面處的質(zhì)量流率相等。第十二頁，共五十五頁。p1,T1,V1,U1p2,T2,V2,U2A1A2QWSZ1Z2u2u1△U＋△Ek+△Ep＝Q+W第十三頁，共五十五頁。穩(wěn)流系統(tǒng)熱力學(xué)第一定律單位：J/kg第十四頁，共五十五頁?；ぶ谐Ｒ姷姆€(wěn)流裝置第十五頁，共五十五頁。穩(wěn)流系統(tǒng)熱力學(xué)第一定律的應(yīng)用（1）流體通過壓縮機(jī)、膨脹機(jī)、透平等設(shè)備若與環(huán)境絕熱，或熱交換相對較小，可以得到：H1H2高溫高壓蒸汽帶動透平做功第十六頁，共五十五頁。穩(wěn)流系統(tǒng)熱力學(xué)第一定律的應(yīng)用（2）流體流經(jīng)換熱器、反應(yīng)器等傳質(zhì)設(shè)備用于精餾、蒸發(fā)等過程換熱器的設(shè)計。當(dāng)通過反應(yīng)器、換熱器時，體系發(fā)生反應(yīng)、相變化、溫度變化化學(xué)反應(yīng)反應(yīng)熱相變相變熱溫度變化顯熱Q△H第十七頁，共五十五頁。（3）流體通過節(jié)流閥門或多孔塞，如節(jié)流膨脹過程或絕熱閃蒸過程穩(wěn)流系統(tǒng)熱力學(xué)第一定律的應(yīng)用如：冷凍過程通過節(jié)流閥，焓未變，通過等焓線，但溫度降低。5413等焓線2TSTHTL第十八頁，共五十五頁。穩(wěn)流系統(tǒng)熱力學(xué)第一定律的應(yīng)用（4）流體通過噴管獲得高速氣體（超音速）,或者通過擴(kuò)壓管例如：火箭、化工生產(chǎn)中的噴射器第十九頁，共五十五頁。穩(wěn)流系統(tǒng)熱力學(xué)第一定律的應(yīng)用（5）伯努利（Bernoulli）方程對于沒有摩擦的流體流動過程，可以視為可逆過程V是單位質(zhì)量的體積微分無軸功，積分第二十頁，共五十五頁。例題30℃的空氣，以5m/s的速率流過一個垂直安裝的換熱器，被加熱至150℃，若換熱器進(jìn)出口管直徑相等，忽略空氣流過換熱器的壓降，換熱器高度為3m，空氣的恒壓平均熱容為試求50kg空氣從換熱器吸收的熱量。第二十一頁，共五十五頁。思考題1.從穩(wěn)定流動系統(tǒng)的熱力學(xué)第一定律簡化，能否得到物化課程中學(xué)習(xí)的封閉系統(tǒng)的熱力學(xué)第一定律，怎樣簡化？2.從能量利用的角度分析：在夏天，打開冰箱門來降低房間的溫度合適嗎？第二十二頁，共五十五頁。7.2能量的質(zhì)量和級別第二十三頁，共五十五頁。水往低處流氣體由高壓向低壓膨脹熱由高溫物體

傳向低溫物體熱力學(xué)第二定律說明自發(fā)過程具有一定的方向性，而不是按照任意方向進(jìn)行

第二十四頁，共五十五頁。第一定律告訴我們能量必須守衡，但沒有說明過程發(fā)生的方向。第二定律告訴我們過程進(jìn)行的方向。第二十五頁，共五十五頁。熱力學(xué)第二定律的各種文字表述克勞修斯說法：熱不可能自動從低溫物體傳給高溫物體開爾文說法：不可能從單一熱源吸熱使之完全變?yōu)橛杏玫墓Χ灰鹌渌兓?/p>

自發(fā)的過程是不可逆的第二十六頁，共五十五頁。熱機(jī)的熱效率火力發(fā)電廠的熱效率大約為35%高溫?zé)嵩碩1低溫?zé)嵩碩2卡諾熱機(jī)的效率熱與功不等價第二十七頁，共五十五頁。熵的概念無限小的可逆的卡諾熱機(jī)有：任意的可逆循環(huán)可逆熱溫商---熵熵是狀態(tài)函數(shù)第二十八頁，共五十五頁。孤立體系熵增原理或：ΔS系統(tǒng)＋ΔS環(huán)境≥0=0，可逆>0，不可逆熵增原理第二十九頁，共五十五頁。熵是表征系統(tǒng)混亂程度的量度；自然界的自發(fā)過程都是從有序到無序；即自然界中的自發(fā)過程向熵值增大的方向進(jìn)行；熱力學(xué)第一定律闡述了能量的數(shù)量恒定，但能量的品位（即各種不同形式的能量做功的能力）要降低；熵值的增加是能量品位降低的結(jié)果；熱力學(xué)第二定律不同說法均表達(dá)：自然界中自發(fā)的過程是不可逆的，是熵增大的過程。熵與熵增原理第三十頁，共五十五頁。熵產(chǎn)生是由于過程的不可逆性而引起的那部分熵變。熵產(chǎn)生熵產(chǎn)生封閉系統(tǒng)熵產(chǎn)生減少了系統(tǒng)對外做功的能力。熵產(chǎn)生越大，造成能量品位降低越多。如：原來可以變?yōu)楣Φ哪遣糠帜芰孔兂闪宋覀儾荒芾玫臒?，從而產(chǎn)生了熵第三十一頁，共五十五頁。熵平衡QW熵的積累（過程熵變）穩(wěn)流系統(tǒng)=0封閉系統(tǒng)熵平衡方程如同質(zhì)量能量平衡方程和質(zhì)量平衡方程，過程必須滿足；可根據(jù)一個過程（或系統(tǒng)）熵產(chǎn)生的計算，對該過程進(jìn)行能量分析第三十二頁，共五十五頁。能量的質(zhì)量和級別根據(jù)熱力學(xué)第二定律，熱和功不等價。功能全部轉(zhuǎn)化為熱，而熱不能全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣?；將功作為度量能量質(zhì)量高低的量度，將能量分為三類：高級能量：能全部轉(zhuǎn)化為功的能量低級能量：不能全部轉(zhuǎn)化為功的能量僵態(tài)能量：完全不能轉(zhuǎn)化為功的能量由高級能量變?yōu)榈图壍哪芰縿t稱為能量品位的降低，即意味著能量做功能力的損耗第三十三頁，共五十五頁。7.3理想功、損失功、有效能第三十四頁，共五十五頁。理想功

理想功是在一定環(huán)境條件下，系統(tǒng)發(fā)生完全可逆過程時，理論上可能產(chǎn)生的（或消耗的）有用功。數(shù)值上講，指可能產(chǎn)生的最大功或消耗的最小功；所謂完全可逆過程包含以下兩方面的含義：（1）系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生的所有變化都必須可逆（2）系統(tǒng)與環(huán)境之間的相互作用也是可逆進(jìn)行；第三十五頁，共五十五頁。（1）封閉體系（2）穩(wěn)流系統(tǒng)體積功動能和勢能忽略第三十六頁，共五十五頁。理想功實際上是一個理論上的極限值，在與實際過程一樣的始終態(tài)下，通常作為評價實際過程能量利用率的標(biāo)準(zhǔn)；理想功與可逆功是有所區(qū)別的；理想功的大小與體系的始終態(tài)以及環(huán)境條件有關(guān)。產(chǎn)出的理想功是最大功，耗功過程的理想功是最小功理想功第三十七頁，共五十五頁。理想功與實際功之差稱為損失功穩(wěn)流體系

理想功：損失功（忽略動能和勢能）損失功：第三十八頁，共五十五頁。理想功在實際功中所占比例為熱力學(xué)效率做功過程：耗功過程：熱力學(xué)效率

第三十九頁，共五十五頁。有效能體系在一定的狀態(tài)下的有效能，就是系統(tǒng)從該狀態(tài)變化到基態(tài)的過程中所做的理想功。用Ex表示。——AvailableEnergy（火用）；基態(tài)通常指環(huán)境狀態(tài)（T0，p0），在熱力學(xué)上稱為熱力學(xué)死態(tài)；有效能與理想功的關(guān)系為：有效能分為物理有效能和化學(xué)有效能；系統(tǒng)溫度和壓力不同于基態(tài)物質(zhì)組成不同于基態(tài)而發(fā)生物質(zhì)交換或化學(xué)反應(yīng)第四十頁，共五十五頁。有效能效率有效能效率指輸出的有效能與輸入的有效能之比。有效能損失第四十一頁，共五十五頁。例:設(shè)有壓力為1.013MPa、6.868MPa、8.611MPa的飽和蒸汽以及1.013MPa，573K的過熱蒸汽,若這四種蒸汽都經(jīng)過充分利用，最后排出0.1013MPa,298K的冷凝水。試比較每蒸汽的有效能和所能放出的熱，并就計算結(jié)果對蒸汽的合理利用加以討論。第四十二頁，共五十五頁。壓力p/MPa溫度T/K焓H-H0/(kJ/kg)Ex/(kJ/kg)飽和蒸汽1.013453267181430.66過熱蒸汽1.013573294893431.68飽和蒸汽6.868557.52670104339.06飽和蒸汽8.6115732678109240.78第四十三頁，共五十五頁。

例:設(shè)有一逆流換熱器，利用廢熱加熱空氣。105Pa的空氣由20℃被加熱到125℃

，空氣的流量為1.5kg/s，而1.3×105Pa的廢氣從250℃冷卻到95℃

?？諝獾牡葔簾崛轂?.04kJ/(kg·K)，廢氣的等壓熱容為0.84kJ/(kg·K)

，假定空氣與廢氣通過換熱器的壓力與動能變化可忽略不計，而且換熱器與環(huán)境無熱量交換，環(huán)境狀態(tài)為105Pa和20℃

。試求（1）換熱器中不可逆?zhèn)鳠岬挠行軗p失；（2）換熱器的有效能效率。第四十四頁，共五十五頁。7.4 化工過程能量的熱力學(xué)分析方法及合理用能

第四十五頁，共五十五頁。2003年，中國消耗了全球30％的主要能源和原材料，但是創(chuàng)造的GDP僅占世界的4％。在化工產(chǎn)品成本中，能源所占比例很大，一般占成本的20～30％，能耗高的產(chǎn)品可達(dá)70～80％，因此，化工節(jié)能有特殊重要的意義?；み^程的能量分析第四十六頁，共五十五頁。過程的熱力學(xué)分析用熱力學(xué)的方法，對過程中能量的轉(zhuǎn)化、傳遞、使用和損失情況進(jìn)行分析，揭示能量消耗的大小、原因和部位，為改進(jìn)過程、提高能量利用效率指出方向和方法。用最小的能量消耗，獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益。第四十七頁，共五十五頁。能量衡算法：從熱力學(xué)第一定律出發(fā)，對系統(tǒng)的能量進(jìn)行衡算；理想功、損失功和熱力學(xué)效率法：以熱力學(xué)第一定律和第二定律為基礎(chǔ)，指出能量在數(shù)量和品位上的損失；有效能衡算和有效能效率法：熱力學(xué)第一定律和第二定律相結(jié)合，以數(shù)值查明不可逆損失的來源與大小

熱力學(xué)分析的三種方法

第四十八頁，共五十五頁。設(shè)有合成氨廠二段爐出口高溫轉(zhuǎn)化氣余熱利用裝置，如圖所示。轉(zhuǎn)化氣進(jìn)入廢熱鍋爐的溫度為1273K，離開時為653K，其流量為5160Nm3/tNH3.降溫過程壓力變化可以忽略。廢熱鍋爐產(chǎn)生4MPa、703K的過熱蒸汽，蒸汽通過透平作功。離開透平乏汽壓力p3為0.01235MPa,其焓為2557.0kJ/kg。在有關(guān)溫度范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)化氣的平均等壓熱容為36kJ/(kmol·K）。乏汽進(jìn)入冷凝器用303K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323K。試分別用能量衡算法和有效能分析法評價其能量利用情況。第四十九頁，共五十五頁。輸入/(kJ/tNH3)%輸出/(kJ/tNH3)%高溫氣余熱5.1416×106100透平做功Ws1.2152×10623.63冷卻水帶走熱3.9263×10676.37合計5.1416×1061005.1416×106100第五十頁，共五十五頁。項目輸入%輸出%有效能/(kJ/tNH3)有效能/(kJ/tNH3)高溫氣余熱4.438×106100透平做功Ws1.2152×10627.38冷卻水帶走熱0.9731×10621.93有效能損失廢熱鍋爐1.447×10632.61透平0.5570×10612.55冷凝器2.249×1065.53小計50.69合計4.438×1061004.437×106100第五十一頁，共五十五頁。某工廠高壓蒸汽系統(tǒng)副產(chǎn)中壓冷凝水，產(chǎn)量為3500kg·h-1.這些中壓冷凝水一般要經(jīng)過閃蒸，以產(chǎn)生低壓蒸汽，回收利用，閃蒸器與外界環(huán)境（298.15K）沒有熱交換。共有三種