化工節(jié)能原理與技術(shù)3

化工節(jié)能原理與技術(shù)32024/3/25化工節(jié)能原理與技術(shù)3第1章總論1.1能源與能源的分類（1）我國國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速增長面臨資源和環(huán)境的雙重制約。

石油作為重要的不可再生資源，其加工過程和產(chǎn)品質(zhì)量對它的利用效率和生態(tài)環(huán)境都具有重大影響。（2）分子水平煉油、原子經(jīng)濟(jì)化工

新催化材料、新反應(yīng)工程和新反應(yīng)途徑

2化工節(jié)能原理與技術(shù)3第1章總論1.1能源與能源的分類1.1.1能源能源定義：為人類生產(chǎn)和生活提供能量和動力的物質(zhì)能源類型：固體燃料、液體燃料、氣體燃料、水力、電能等。能源與能量的區(qū)別作業(yè)：列舉幾例新型能源及制備技術(shù)（從文獻(xiàn)摘要中總結(jié)1-2句）。3化工節(jié)能原理與技術(shù)3第1章總論1.1.2能源的分類1.1.2.1按來源分類來自地球以外天體的能量（太陽輻射能）太陽能總能量可達(dá)174000TW/a地球本身蘊(yùn)藏的能量（地?zé)崮芎驮雍四埽┑厍蚝推渌祗w相互作用而產(chǎn)生的能量（潮汐能）4化工節(jié)能原理與技術(shù)3第1章總論1.1.2能源的分類1.1.2.2按能源的轉(zhuǎn)換和利用層次分類（1）一次能源（煤、石油、天然氣、水能、風(fēng)能、太陽能）可再生能源非可再生能源（2）二次能源（電、蒸汽、煤氣、石油制品）（3）終端能源天然氣：甲烷(82-98%)和少量的乙烷、丙烷、丁烷等。類似的有煤層氣。95%以上甲烷水煤氣（半水煤氣）：主要成分：H2,CO,少量CO2,N2,CH4等5化工節(jié)能原理與技術(shù)3第1章總論1.1.2能源的分類1.1.2.3按能源的使用狀況分類（1）常規(guī)能源（2）新能源生物質(zhì)能：秸桿氣化，生物制氫。生物柴油：各種不同油料和醇類在酸或堿催化下進(jìn)行酯交換反應(yīng)1.1.2.4按對環(huán)境的污染程度分類（1）清潔能源（2）非清潔能源6化工節(jié)能原理與技術(shù)3第1章總論1.1.2能源的分類CH2COOR1CHCOOR2CH2COOR3+CH3OHR1COOCH3R2COOCH3R3COOCH3+CH2OHCHOHCH2OH化學(xué)法：液堿催化酯交換，反應(yīng)速度慢，工藝流程復(fù)雜，不是綠色加工工藝生物法：采用生物酶作催化劑，距離大規(guī)模工業(yè)化較遠(yuǎn)高溫高壓（超臨界反應(yīng)）法：用超臨界萃取（或液固萃?。┖蟮囊后w原料；反應(yīng)速度快，無催化劑；綠色加工工藝7化工節(jié)能原理與技術(shù)3第1章總論1.1.2能源的分類產(chǎn)物分相酯相甘油相蒸短鏈醇蒸短鏈醇真空蒸餾甘油真空蒸餾水洗干燥生物柴油醇水稀溶液醇水稀溶液無共沸物（甲醇/水）普通蒸餾無水甲醇共沸物（乙醇/水、叔丁醇/水）特殊蒸餾無水乙醇（叔丁醇）關(guān)鍵技術(shù)后處理分離過程的分子熱力學(xué)基礎(chǔ)，用于建立過程數(shù)學(xué)模型特殊蒸餾分離醇水稀溶液（分離劑的篩選）8化工節(jié)能原理與技術(shù)3第1章總論1.2化學(xué)工業(yè)節(jié)能的潛力與意義1.2.1我國化學(xué)工業(yè)的特點(diǎn)（1）煤、石油、天然氣既是能源，又是原料（2）能源消費(fèi)以煤為主（3）大宗化學(xué)品生產(chǎn)規(guī)模太小1.2.2節(jié)能潛力節(jié)能總潛力和可實(shí)現(xiàn)的節(jié)能潛力9化工節(jié)能原理與技術(shù)3第1章總論1.2化學(xué)工業(yè)節(jié)能的潛力與意義1.2.3節(jié)能的意義1.3節(jié)能的途徑1.3.1結(jié)構(gòu)節(jié)能1.3.2管理節(jié)能1.3.3技術(shù)節(jié)能1.3.3.1工藝節(jié)能催化劑和化學(xué)反應(yīng)工程

催化技術(shù)是現(xiàn)代煉油和石油化工工業(yè)重要的科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)，在煉油和化學(xué)工業(yè)中60%以上的新產(chǎn)品和90%以上新工藝的開發(fā)基于催化作用。分離工程改進(jìn)工藝方法和設(shè)備10化工節(jié)能原理與技術(shù)3第1章總論1.3節(jié)能的途徑1.3.3.2化工單元操作設(shè)備節(jié)能流體輸送機(jī)械、換熱設(shè)備、蒸發(fā)設(shè)備、塔設(shè)備、干燥設(shè)備。1.3.3.3化工過程系統(tǒng)節(jié)能把整個(gè)系統(tǒng)集成起來作為一個(gè)有機(jī)的整體對待，所進(jìn)行的節(jié)能工作。1.3.3.4控制節(jié)能11化工節(jié)能原理與技術(shù)3第1章總論教材：馮宵.化工節(jié)能原理與技術(shù).北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005參考書：1.陳安民.石油化工過程節(jié)能方法和技術(shù).北京：中國石化出版社，19952.黃素逸.能源科學(xué)導(dǎo)論.北京：中國電力出版社，19983.劉家祺.分離過程.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，200512化工節(jié)能原理與技術(shù)3第1章總論考核方式：五分制成績評定：課程總成績的評定權(quán)重為：作業(yè)占10%，課程測驗(yàn)占60%（采取開卷方式），課程報(bào)告占30%。課程報(bào)告：一種新型的節(jié)能技術(shù)，如催化（反應(yīng)精餾）技術(shù)，反應(yīng)-反應(yīng)耦合，結(jié)構(gòu)化催化劑，新型熱泵，新型精餾技術(shù)（熱偶精餾、特殊精餾）等。大約5000-10000字左右。13化工節(jié)能原理與技術(shù)3第2章節(jié)能的熱力學(xué)能量：內(nèi)能是物質(zhì)內(nèi)部一切微觀粒子所具有的能量的總和。（狀態(tài)參數(shù)）熱力學(xué)定律：熱力學(xué)第一定律：能量轉(zhuǎn)換與守恒定律熱力學(xué)第二定律：克勞修斯說法：不可能把熱從低溫物體傳至高溫物體而不引起其他變化，揭示能量“質(zhì)”的屬性熱力學(xué)第三定律：0K時(shí)純物質(zhì)完美晶體的熵等于零

節(jié)能的實(shí)質(zhì)：防止和減少能量貶值現(xiàn)象的發(fā)生14化工節(jié)能原理與技術(shù)3第2章節(jié)能的熱力學(xué)2.1基本概念2.1.1熱力系統(tǒng)（系統(tǒng)）熱力系統(tǒng)（系統(tǒng)）：相互作用的物體中取出的研究對象。系統(tǒng)的邊界：系統(tǒng)與外界的分界面固定的、移動的、真實(shí)的、假想的能量交換：熱和功物質(zhì)交換：物質(zhì)的流進(jìn)和流出，伴隨著能量的交換開口系統(tǒng)（流動系統(tǒng)）：有物質(zhì)交換和能量交換閉口系統(tǒng)：無物質(zhì)交換孤立系統(tǒng)：無物質(zhì)交換和能量交換絕熱系統(tǒng)：無熱量交換15化工節(jié)能原理與技術(shù)3第2章節(jié)能的熱力學(xué)2.1基本概念2.1.2平衡狀態(tài)熱力狀態(tài)（狀態(tài)）：某一瞬間的宏觀物理狀況。平衡狀態(tài)：在不受外界影響的條件下，系統(tǒng)宏觀性質(zhì)不隨時(shí)間改變的狀態(tài)如溫度、壓力、組成等滿足力平衡、熱平衡和化學(xué)平衡的狀態(tài)（不存在不平衡勢）2.1.3狀態(tài)參數(shù)和狀態(tài)方程式狀態(tài)參數(shù)：描述系統(tǒng)宏觀狀態(tài)的物理量，是狀態(tài)的單值函數(shù)16化工節(jié)能原理與技術(shù)3第2章節(jié)能的熱力學(xué)2.1基本概念2.1.3狀態(tài)參數(shù)和狀態(tài)方程式狀態(tài)參數(shù)：描述系統(tǒng)宏觀狀態(tài)的物理量，是狀態(tài)的單值函數(shù)強(qiáng)度量（強(qiáng)度性質(zhì)）：壓力P、溫度T、組成x等；不可加量廣延量（容量性質(zhì)）：容積V、內(nèi)能U、焓H、熵S等；可加量廣延量/質(zhì)量轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)度量2.1.3.1溫度溫標(biāo)：衡量溫度的標(biāo)尺t（攝氏溫度）=T（熱力學(xué)溫度，開爾文溫度，或稱絕對溫度）–273.1517化工節(jié)能原理與技術(shù)3第2章節(jié)能的熱力學(xué)2.1基本概念2.1.3狀態(tài)參數(shù)和狀態(tài)方程式2.1.3.2比容和密度比容：單位質(zhì)量物質(zhì)所占有的容積m3/kg密度：比容的倒數(shù)kg/m318化工節(jié)能原理與技術(shù)3第2章節(jié)能的熱力學(xué)2.1基本概念2.1.3.3壓力單位：工程大氣壓（at）1at=1kgf/cm2標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(atm）1atm=760mmHg測量儀器：差壓計(jì)（壓力表或真空表）表壓(Pg)=絕對壓力(P)-大氣壓(P0)真空度(Pv)=大氣壓(P0)-絕對壓力(P)真空度(Pv)=-表壓(Pg)19化工節(jié)能原理與技術(shù)3第2章節(jié)能的熱力學(xué)2.1基本概念2.1.3.3狀態(tài)公理和狀態(tài)方程式狀態(tài)公理：對于組成一定的物質(zhì)系統(tǒng)若存在n種可逆功（系統(tǒng)進(jìn)行可逆過程時(shí)和外界所交換的功量）的作用，則決定該系統(tǒng)平衡態(tài)的獨(dú)立狀態(tài)參數(shù)有n+1個(gè)。簡單可壓縮系統(tǒng)：與外界交換功量的模式中只有容積功的系統(tǒng)。物質(zhì)的狀態(tài)方程式：F(p,v,T)=020化工節(jié)能原理與技術(shù)3第2章節(jié)能的熱力學(xué)2.1基本概念2.1.4功和熱量功（W)：系統(tǒng)對外界的單一效果歸結(jié)為提升一個(gè)重物，則說系統(tǒng)作了功。系統(tǒng)對外做功為正，得到功為負(fù)。熱量(Q)：由于溫差引起的，系統(tǒng)與外界之間發(fā)生的能量轉(zhuǎn)移。系統(tǒng)吸熱為正，放熱為負(fù)。21化工節(jié)能原理與技術(shù)3第2章節(jié)能的熱力學(xué)2.1基本概念2.1.5可逆過程耗散效應(yīng)：使功變?yōu)闊岬男?yīng)。非平衡損失：有限溫差下的傳熱過程有限壓差混合過程（化學(xué)勢差）可逆過程是理想化的極限過程，可以作出最大的功或消耗最少的功，為評價(jià)實(shí)際能量轉(zhuǎn)換過程提供了理想的標(biāo)準(zhǔn)。22化工節(jié)能原理與技術(shù)3第2章節(jié)能的熱力學(xué)2.2能量與熱力學(xué)第一定律輸入系統(tǒng)的能量-輸出系統(tǒng)的能量=系統(tǒng)儲存能量的變化宏觀動能：mc2/2宏觀位能：mgz系統(tǒng)內(nèi)部的微觀能量（內(nèi)能）：U2.2.1閉口系統(tǒng)能量恒算式Q=ΔU+W對單位質(zhì)量q=Δu+w對微元過程δq=du+δw23化工節(jié)能原理與技術(shù)3第2章節(jié)能的熱力學(xué)2.2能量與熱力學(xué)第一定律2.2.2穩(wěn)定流動開口系統(tǒng)能量衡算物質(zhì)流轉(zhuǎn)移到系統(tǒng)的能量為：δm1δm2δQδWδm

(u+pv+c2/2+gz)=δm(h+c2/2+gz)

h=u+pvH=U+pV24化工節(jié)能原理與技術(shù)3第2章節(jié)能的熱力學(xué)2.2能量與熱力學(xué)第一定律2.2.2穩(wěn)定流動開口系統(tǒng)能量衡算開口系統(tǒng)的能量衡算式為：δm1δm2δQδWdU=δQ–δW+δm1(h1+c12/2+gz1)–δm2(h2+c22/2+gz2)

δQ=δm2(h2+c22/2+gz2)

–δm1(h1+c12/2+gz1)+δW+dU25化工節(jié)能原理與技術(shù)3第2章節(jié)能的熱力學(xué)2.2能量與熱力學(xué)第一定律2.2.2穩(wěn)定流動開口系統(tǒng)能量衡算穩(wěn)定流動：空間各點(diǎn)參數(shù)不隨時(shí)間變化的流動過程（1）.熱和功的交換不隨時(shí)間而變；（2）.物質(zhì)交換不隨時(shí)間而變；（3）.進(jìn)、出口截面參數(shù)不隨時(shí)間而變dU=δQ–δW+δm1(h1+c12/2+gz1)–δm2(h2+c22/2+gz2)

dU=0，δm1=δm2Q=ΔH+mΔc2/2+mgΔz+WQ=Σoutmi(h+c2/2+gz)i–Σinmi(h+c2/2+gz)i+W（對多股流體）26化工節(jié)能原理與技術(shù)3第2章節(jié)能的熱力學(xué)2.2能量與熱力學(xué)第一定律2.2.2穩(wěn)定流動開口系統(tǒng)能量衡算例2-1：某化肥廠生產(chǎn)的半水煤氣，其組成如下：CO29%，CO33%,H236%,N2

21.5%,CH40.5%。進(jìn)變換爐時(shí)水蒸氣與一氧化碳的體積比為6，溫度為653.15K。設(shè)變換率為85%，試計(jì)算出變換爐的氣體溫度。變換氣半水煤氣水蒸氣100kmolnkmol(nH2O:nCO=6)T=380℃

27化工節(jié)能原理與技術(shù)3第2章節(jié)能的熱力學(xué)2.2能量與熱力學(xué)第一定律2.2.2穩(wěn)定流動開口系統(tǒng)能量衡算進(jìn)入爐中的濕氣體各組分的物質(zhì)的量（kmol)：CO29;CO33;H236;N221.5;CH40.5;H2O198出變換爐時(shí)濕氣體各組分的物質(zhì)的量（kmol)：CO237.5;CO4.95;H264.05;N221.5;CH40.5;H2O169.95絕熱過程：ΔH=0；ΔU=

28化工節(jié)能原理與技術(shù)3第2章節(jié)能的熱力學(xué)2.2能量與熱力學(xué)第一定律2.2.2穩(wěn)定流動開口系統(tǒng)能量衡算焓是狀態(tài)參數(shù)，過程焓變等于終態(tài)的焓減去初態(tài)的焓；既有物理變化又有化學(xué)反應(yīng)的物系，計(jì)算焓變需考慮反應(yīng)熱。653.15K298.15KΔH1恒壓降溫ΔHr恒溫恒壓化學(xué)反應(yīng)298.15KTK恒壓升溫ΔH2ΔH=0恒壓絕熱反應(yīng)29化工節(jié)能原理與技術(shù)3第2章節(jié)能的熱力學(xué)2.2能量與熱力學(xué)第一定律2.2.2穩(wěn)定流動開口系統(tǒng)能量衡算（1）.狀態(tài)參數(shù)法ΔH=ΔH1+ΔHr+ΔH2=0ΔH1=-3.56×106(kJ)ΔHr=28.05

×(-41198)=-1.156×106(kJ)ΔH2=10396T-3099527(kJ)作業(yè)：1。計(jì)算653.15K時(shí)轉(zhuǎn)化28.05kmol的恒溫恒壓反應(yīng)熱。30化工節(jié)能原理與技術(shù)3第2章節(jié)能的熱力學(xué)2.2能量與熱力學(xué)第一定律2.2.2穩(wěn)定流動開口系統(tǒng)能量衡算（1）.統(tǒng)一基準(zhǔn)焓法規(guī)定0K時(shí)穩(wěn)定單質(zhì)的理想氣體的焓為零；規(guī)定298.15K時(shí)穩(wěn)定單質(zhì)的理想氣體的焓為零；基準(zhǔn)態(tài)下化合物的焓等于標(biāo)準(zhǔn)生成焓無論物理變化，還是化學(xué)變化，元素守恒無論物理變化，還是化學(xué)變化，過程焓變：ΔH=H終態(tài)–H初態(tài)653.15K時(shí)，H初態(tài)=-49.17×106(kJ)

753.15K時(shí)，H終態(tài)=-49.98×106(kJ)

ΔH=H終態(tài)–H初態(tài)=031化工節(jié)能原理與技術(shù)3第2章節(jié)能的熱力學(xué)2.3火用與熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第一定律指出了能量的同一性，“量”的屬性；不能解釋“質(zhì)”的屬性如：功和熱，高溫?zé)崤c低溫?zé)?；熱力學(xué)第二定律指出了能量的“質(zhì)”的屬性，說明過程進(jìn)行的方向、條件及限制。開爾文說法：不可能從單一熱源吸收熱量使之完全變成有用功而不產(chǎn)生其他影響。普朗克說法：不可能制造一個(gè)機(jī)器，使之在循環(huán)動作中把一重物升高，而同時(shí)使一熱源冷卻。32化工節(jié)能原理與技術(shù)3第2章節(jié)能的熱力學(xué)2.3火用與熱力學(xué)第二定律TS12卡諾定理：在兩個(gè)不同溫度的恒溫?zé)嵩撮g工作的所有熱機(jī)，不可能有任何熱機(jī)的效率比可逆熱機(jī)的效率更高。熱效率：ηc=1-T2/T133化工節(jié)能原理與技術(shù)3第2章節(jié)能的熱力學(xué)2.3火用與熱力學(xué)第二定律結(jié)論：提高熱效應(yīng)的根本途徑：提高熱源溫度、降低冷源溫度以及盡可能減少不可逆因素。2.3.2熵的概念和孤立系統(tǒng)熵增原理熵是狀態(tài)函數(shù)，定義（對可逆過程）熱效率：ηc=1-T2/T1最大有用功（以環(huán)境溫度為限）：W=Q(1-T0/T1)34化工節(jié)能原理與技術(shù)3第2章節(jié)能的熱力學(xué)2.3火用與熱力學(xué)第二定律2.3.2熵的概念和孤立系統(tǒng)熵增原理熵流：由于熱流引起的熵的變化熵產(chǎn)：由于系統(tǒng)內(nèi)部和外部的不可逆性引起系統(tǒng)熵的變化孤立系統(tǒng)或絕熱系統(tǒng)的熵可以增大，或保持不變，但不可能減少（熱力學(xué)第二定律的另一種表述）不可逆性引起的做功能力損失為：35化工節(jié)能原理與技術(shù)3第2章節(jié)能的熱力學(xué)2.3火用與熱力學(xué)第二定律2.3.3熱力學(xué)第二定律的熵衡算方程式適用于任何系統(tǒng)的熵衡算方程式：進(jìn)入系統(tǒng)的熵+不可逆性引起的熵產(chǎn)量=離開系統(tǒng)的熵+系統(tǒng)熵的變化進(jìn)、出系統(tǒng)的熵包括：進(jìn)、出系統(tǒng)的物質(zhì)流所攜帶的熵，以及因可逆?zhèn)鳠崴鸬撵刈儗﹂]口系統(tǒng)36化工節(jié)能原理與技術(shù)3第2章節(jié)能的熱力學(xué)2.3火用與熱力學(xué)第二定律2.3.3熱力學(xué)第二定律的熵衡算方程式對開口系統(tǒng)（既有能量交換又有物質(zhì)交換）對穩(wěn)定流動系統(tǒng)（系統(tǒng)參數(shù)不隨時(shí)間而變）對單股穩(wěn)流系統(tǒng)（min=mout=m）（對絕熱過程，？）37化工節(jié)能原理與技術(shù)3第2章節(jié)能的熱力學(xué)2.3火用與熱力學(xué)第二定律2.3.3熱力學(xué)第二定律的熵衡算方程式

T-S

圖（可逆過程熱量）TS1238化工節(jié)能原理與技術(shù)3第2章節(jié)能的熱力學(xué)2.3火用與熱力學(xué)第二定律2.3.4能量和火用

能量的轉(zhuǎn)換過程具有方向性或不可逆性能量的轉(zhuǎn)換能力（能量轉(zhuǎn)換為功的能力或做功能力）能量的可利用性分為三類：(a).具有完全轉(zhuǎn)換能力的能量，如機(jī)械能、電能等；(b).具有部分轉(zhuǎn)換能力的能量，如熱能、內(nèi)能或焓等；(c).完全不具有轉(zhuǎn)換能力的能量，如處于環(huán)境溫度下的熱能等卡諾熱機(jī)的熱效率：ηc=1-T0/T139化工節(jié)能原理與技術(shù)3第2章節(jié)能的熱力學(xué)2.3火用與熱力學(xué)第二定律2.3.4能量和火用

能量的火用（有效能）：轉(zhuǎn)換為有用功的那部分能量；能量的火無（無效能）：不能轉(zhuǎn)換為有用功的那部分能量任何一種形式的能量可表示成能量=火用+火無分析第一類能量，第二類能量和第二類能量的火用和火無。40化工節(jié)能原理與技術(shù)3第2章節(jié)能的熱力學(xué)2.4能量的火用計(jì)算2.4.1環(huán)境與物系的基準(zhǔn)狀態(tài)

自然環(huán)境是火用的自然零點(diǎn)自然環(huán)境是一種概念性的環(huán)境定環(huán)境模型：環(huán)境是確定不變的。斯蔡古特的環(huán)境模型：(1).環(huán)境溫度T0=298.15K，環(huán)境壓力P0=1atm(2).環(huán)境由若干基準(zhǔn)物構(gòu)成。每一種元素都有其對應(yīng)的基準(zhǔn)物和基準(zhǔn)反應(yīng)。(3).基準(zhǔn)物的自由焓較小龜山-吉田模型：(1).氣態(tài)基準(zhǔn)物的組成(2).其他元素以在T0,P0

下純態(tài)最穩(wěn)定的物質(zhì)作為基準(zhǔn)物41化工節(jié)能原理與技術(shù)3第2章節(jié)能的熱力學(xué)2.4能量的火用計(jì)算2.4.1環(huán)境與物系的基準(zhǔn)狀態(tài)系統(tǒng)與環(huán)境處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)時(shí)，火用值為零；

完全的熱力學(xué)平衡：熱平衡、力平衡和化學(xué)平衡不完全的熱力學(xué)平衡：熱平衡、力平衡

物理火用：取不完全平衡環(huán)境狀態(tài)作為基準(zhǔn)態(tài)，一個(gè)系統(tǒng)的能量具有的火用物理火用+化學(xué)火用：取完全平衡環(huán)境狀態(tài)作為基準(zhǔn)態(tài)

化學(xué)火用：取完全平衡環(huán)境狀態(tài)作為基準(zhǔn)態(tài)，因化學(xué)不平衡所具有的火用42化工節(jié)能原理與技術(shù)3第2章節(jié)能的熱力學(xué)2.4能量的火用計(jì)算2.4.2機(jī)械形式能量的火用

動能火用：c2/2

位能火用：gz

封閉系統(tǒng)從狀態(tài)1變化到狀態(tài)2所做功W12

的火用為：

Ew=W12–p0(V2–V1)

封閉系統(tǒng)所做功的火無為：Aw=p0(V2–V1)V1V2T0,p043化工節(jié)能原理與技術(shù)3第2章節(jié)能的熱力學(xué)2.4能量的火用計(jì)算2.4.3熱量火用

熱量火用：系統(tǒng)所傳遞的熱量用可逆方式所能作出的最大有用功

可逆熱機(jī)T>T0δQδWA-δQ0能量衡算式：δQ=-δQ0+δWA熵平衡方程式：δQ/T+dS產(chǎn)=-δQ0/T44化工節(jié)能原理與技術(shù)3第2章節(jié)能的熱力學(xué)2.4能量的火用計(jì)算2.4.3熱量火用

熱量火用：系統(tǒng)所傳遞的熱量用可逆方式所能作出的最大有用功

能量衡算式：δQ=-δQ0+δWA熵平衡方程式：δQ/T+dS產(chǎn)=-δQ0/T可逆過程：dS產(chǎn)

=0熱量火用熱量火無45化工節(jié)能原理與技術(shù)3第2章節(jié)能的熱力學(xué)2.4能量的火用計(jì)算2.4.3熱量火用

熱量火用：系統(tǒng)所傳遞的熱量用可逆方式所能作出的最大有用功

熱量火用S熱量火無S1S21243TT0EQAQ46化工節(jié)能原理與技術(shù)3第2章節(jié)能的熱力學(xué)2.4能量的火用計(jì)算2.4.3熱量火用

溫度恒定熱源

變溫?zé)嵩礋崃炕鹩脽崃炕馃o熱量火無？熱力學(xué)平均溫度47化工節(jié)能原理與技術(shù)3第2章節(jié)能的熱力學(xué)2.4能量的火用計(jì)算2.4.3熱量火用

例2-2把100kPa、127℃的1kg空氣可逆定壓加熱到427℃，試求所加熱量中的火用和火無?？諝獾钠骄▔罕葻崛輈p=1.004kJ/(kgK)。設(shè)環(huán)境大氣溫度為27℃。48化工節(jié)能原理與技術(shù)3第2章節(jié)能的熱力學(xué)2.4能量的火用計(jì)算2.4.3熱量火用

T>T0

相同熱量的情況下，熱量的溫度越高，熱量中的火用值越大；

T<T0

EQ

與Q的方向相反。說明：系統(tǒng)得到熱量時(shí)，系統(tǒng)的火用減少；放出熱量時(shí)，系統(tǒng)的火用增加。

單位熱量的火用：Ω=EQ/Q

SS1S2TT04312EQQ49化工節(jié)能原理與技術(shù)3第2章節(jié)能的熱力學(xué)2.4能量的火用計(jì)算2.4.3熱量火用

T>T0

熱量火用總是小于熱量；

T<T0

冷量火用可以大于熱量；T/K300T0Ω10.51.5050化工節(jié)能原理與技術(shù)3第2章節(jié)能的熱力學(xué)2.4能量的火用計(jì)算2.4.3熱量火用

在溫差相同、傳熱量相同的條件下，低溫時(shí)的火用損失比高溫時(shí)大得多；例2-3在某一低溫裝置中將空氣自600kPa和27℃定壓預(yù)冷至-100℃，試求1kg空氣所獲冷量的火用和火無?？諝獾钠骄▔罕葻崛轂?.0kJ/(kgK)。設(shè)環(huán)境大氣的溫度為27℃。51化工節(jié)能原理與技術(shù)3第2章節(jié)能的熱力學(xué)2.4能量的火用計(jì)算2.4.4封閉系統(tǒng)的火用

封閉系統(tǒng)的火用：

封閉系統(tǒng)從給定狀態(tài)以可逆方式轉(zhuǎn)變到環(huán)境狀態(tài)，并只與環(huán)境交換熱量時(shí)所能作出的最大有用功。P,T,u,SP0,T0,u0,S0δqδwA,max

52化工節(jié)能原理與技術(shù)3第2章節(jié)能的熱力學(xué)2.4能量的火用計(jì)算2.4.4封閉系統(tǒng)的火用

封閉系統(tǒng)的火用：

封閉系統(tǒng)從給定狀態(tài)以可逆方式轉(zhuǎn)變到環(huán)境狀態(tài)，并只與環(huán)境交換熱量時(shí)所能作出的最大有用功。封閉系統(tǒng)的能量方程可逆過程封閉系統(tǒng)的火用封閉系統(tǒng)的火無53化工節(jié)能原理與技術(shù)3第2章節(jié)能的熱力學(xué)2.4能量的火用計(jì)算2.4.4封閉系統(tǒng)的火用

封閉系統(tǒng)的火用：

封閉系統(tǒng)從給定狀態(tài)以可逆方式轉(zhuǎn)變到環(huán)境狀態(tài)，并只與環(huán)境交換熱量時(shí)所能作出的最大有用功。封閉系統(tǒng)的火用從狀態(tài)1可逆變化到狀態(tài)2時(shí)所作的最大有用功：54化工節(jié)能原理與技術(shù)3第2章節(jié)能的熱力學(xué)2.4能量的火用計(jì)算2.4.5穩(wěn)定流動系統(tǒng)的火用

穩(wěn)定流動系統(tǒng)的火用：

穩(wěn)定物流經(jīng)可逆方式與環(huán)境交換熱量時(shí)所能作出的最大有用功。穩(wěn)流能量方程熵方程進(jìn)入系統(tǒng)的熵+不可逆性引起的熵產(chǎn)量=離開系統(tǒng)的熵+系統(tǒng)熵的變化55化工節(jié)能原理與技術(shù)3第2章節(jié)能的熱力學(xué)2.4能量的火用計(jì)算2.4.5穩(wěn)定流動系統(tǒng)的火用

穩(wěn)定流動系統(tǒng)的火用：

穩(wěn)定物流經(jīng)可逆方式與環(huán)境交換熱量時(shí)所能作出的最大有用功。穩(wěn)流能量方程熵方程可逆條件穩(wěn)定流動系統(tǒng)的火用56化工節(jié)能原理與技術(shù)3第2章節(jié)能的熱力學(xué)2.4能量的火用計(jì)算2.4.5穩(wěn)定流動系統(tǒng)的火用

穩(wěn)定流動系統(tǒng)的火用：

穩(wěn)定物流經(jīng)可逆方式與環(huán)境交換熱量時(shí)所能作出的最大有用功。穩(wěn)定流動系統(tǒng)的火用穩(wěn)定流動系統(tǒng)的火無不考慮宏觀動能和位能（焓火用）從狀態(tài)1可逆變化到狀態(tài)2時(shí)所作的最大有用功：57化工節(jié)能原理與技術(shù)3第2章節(jié)能的熱力學(xué)2.4能量的火用計(jì)算2.4.5穩(wěn)定流動系統(tǒng)的火用

穩(wěn)定流動系統(tǒng)的火用：

穩(wěn)定物流經(jīng)可逆方式與環(huán)境交換熱量時(shí)所能作出的最大有用功。

作業(yè)1：從穩(wěn)定流動系統(tǒng)的火用推導(dǎo)穩(wěn)定流動系統(tǒng)的火無；

2：從穩(wěn)定流動系統(tǒng)的火用推導(dǎo)“從狀態(tài)1可逆變化到狀態(tài)2時(shí)所作的最大有用功”穩(wěn)定流動系統(tǒng)的火無不考慮宏觀動能和位能（焓火用）從狀態(tài)1可逆變化到狀態(tài)2時(shí)所作的最大有用功：58化工節(jié)能原理與技術(shù)3第2章節(jié)能的熱力學(xué)2.4能量的火用計(jì)算2.4.5穩(wěn)定流動系統(tǒng)的火用

例2-4設(shè)有一空氣絕熱透平，空氣的進(jìn)口狀態(tài)為600kPa、200℃，宏觀速度為160m/s，出口狀態(tài)為100kPa、40℃和80m/s。試求（1）空氣在進(jìn)、出口狀態(tài)下的焓火用；（2）透平的實(shí)際輸出功；（3）透平能夠作出的最大有用功?？諝獾亩▔罕葻崛轂?.01kJ/(kgK)，環(huán)境大氣狀態(tài)為

100kPa、17℃。59化工節(jié)能原理與技術(shù)3第2章節(jié)能的熱力學(xué)2.4能量的火用計(jì)算2.4.6化學(xué)反應(yīng)的最大有用功

穩(wěn)定流動系統(tǒng)化學(xué)反應(yīng)Q:化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)與外界的熱量交換（反應(yīng)熱）ΔH=H2–H1

化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)焓的變化（反應(yīng)焓）定溫條件下，化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)熵的變化可逆條件60化工節(jié)能原理與技術(shù)3第2章節(jié)能的熱力學(xué)2.4能量的火用計(jì)算2.4.6化學(xué)反應(yīng)的最大有用功

穩(wěn)定流動系統(tǒng)化學(xué)反應(yīng)結(jié)論：可逆定溫系統(tǒng)作出的最大反應(yīng)有用功等于系統(tǒng)自由焓的減少。最大反應(yīng)有用功是狀態(tài)參數(shù)61化工節(jié)能原理與技術(shù)3第2章節(jié)能的熱力學(xué)2.4能量的火用計(jì)算2.4.6化學(xué)反應(yīng)的最大有用功

653.15K298.15KΔH1恒壓降溫ΔHr恒溫恒壓化學(xué)反應(yīng)298.15KTK恒壓升溫ΔH2ΔH=0恒壓絕熱反應(yīng)T1,P1T2,P2298.15K,1atm298.15K,1atm62化工節(jié)能原理與技術(shù)3第2章節(jié)能的熱力學(xué)2.4能量的火用計(jì)算2.4.6化學(xué)反應(yīng)的最大有用功

標(biāo)準(zhǔn)態(tài)下化學(xué)反應(yīng)的最大有用功標(biāo)準(zhǔn)態(tài)下化學(xué)反應(yīng)的焓變標(biāo)準(zhǔn)態(tài)下化學(xué)反應(yīng)的熵變（標(biāo)準(zhǔn)態(tài)生成自由焓）63化工節(jié)能原理與技術(shù)3第2章節(jié)能的熱力學(xué)2.4能量的火用計(jì)算2.4.6化學(xué)反應(yīng)的最大有用功例2-5在298.15K和1atm

下，CO和O2

進(jìn)行燃燒反應(yīng)生成CO2

。反應(yīng)前反應(yīng)物CO和O2

不進(jìn)行混合，試求此化學(xué)反應(yīng)的最大反應(yīng)有用功。64化工節(jié)能原理與技術(shù)3第2章節(jié)能的熱力學(xué)2.4能量的火用計(jì)算2.4.6化學(xué)反應(yīng)的最大有用功例2-6在例2-5的反應(yīng)中加入惰性氣體N2,該氣體不參加反應(yīng)，其反應(yīng)式為

CO+O2/2+1.88N2=CO2+1.88N2

反應(yīng)前后反應(yīng)物和生成物都進(jìn)行混合，反應(yīng)前后物系總壓仍為1atm，溫度仍為298.15K。試求此反應(yīng)過程的最大反應(yīng)有用功。65化工節(jié)能原理與技術(shù)3第2章節(jié)能的熱力學(xué)2.4能量的火用計(jì)算2.4.7氣體的擴(kuò)散

火用

在P0

、T0

下的氣體可逆定溫地轉(zhuǎn)變到其在環(huán)境空氣中的分壓力Pi0

時(shí)所能作出的最大有用功。氣體的擴(kuò)散火用單位質(zhì)量氣體的擴(kuò)散火用對真實(shí)溶液？66化工節(jié)能原理與技術(shù)3第2章節(jié)能的熱力學(xué)2.4能量的火用計(jì)算2.4.8元素和化合物的化學(xué)

火用

標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)火用：用環(huán)境模型計(jì)算的物質(zhì)化學(xué)火用?；鶞?zhǔn)物和基準(zhǔn)反應(yīng)基準(zhǔn)反應(yīng)：一種非基準(zhǔn)物質(zhì)（包括元素、單質(zhì)和化合物）與一種或幾種基準(zhǔn)物在P0、T0

下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，而反應(yīng)物和生成物均為P0、T0

下的純物質(zhì)。

67化工節(jié)能原理與技術(shù)3第2章節(jié)能的熱力學(xué)2.4能量的火用計(jì)算2.4.8元素和化合物的化學(xué)

火用

標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)火用：用環(huán)境模型計(jì)算的物質(zhì)化學(xué)火用。環(huán)境模型中的基準(zhǔn)物化學(xué)火用為零元素的化學(xué)火用：元素與環(huán)境物質(zhì)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)變成基準(zhǔn)物所提供的最大化學(xué)反應(yīng)有用功。元素的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)火用：化學(xué)反應(yīng)在規(guī)定的環(huán)境模型中空氣中所含組分的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)火用：擴(kuò)散火用純態(tài)化合物的標(biāo)準(zhǔn)摩爾化學(xué)火用：68化工節(jié)能原理與技術(shù)3第2章節(jié)能的熱力學(xué)2.4能量的火用計(jì)算2.4.8元素和化合物的化學(xué)

火用

例2-7試用龜山-吉添田環(huán)境模型求碳（石墨）的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)火用例2-8試用龜山-吉添田環(huán)境模型求甲烷CH4

氣體的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)火用附錄1和附錄2（無機(jī)與有機(jī)化合物的標(biāo)準(zhǔn)摩爾化學(xué)火用）69化工節(jié)能原理與技術(shù)3第