化工过程的能量分析.ppt

上一内容 下一内容 回主目录o返回 第第6 6章章 化工过程能量分析化工过程能量分析 date 上一内容 下一内容 回主目录o返回 化工过程能量分析实例 南京塑料厂乙苯脱氢制苯乙烯 date 上一内容 下一内容 回主目录o返回 化工过程能量分析实例 date 上一内容 下一内容 回主目录o返回 化工过程能量分析实例 反应器 烧重油加热反应物至560620oc，产生高温烟道气 第三过热器 利用高温烟道气加热高温反应物 第二过热器 利用高温产物加热中温反应物 蒸发器 利用中温烟道气加热低温反应物 废热锅炉 利用中温产物产生水蒸汽 date 上一内容 下一内容 回主目录o返回 化工热力学的任务 1、平衡研究 相平衡、热平衡 2、化工过程的热力学分析 能量的有效利用 date 上一内容 下一内容 回主目录o返回 基本概念 能量不仅有数量，而且有质量（品位）。功的品位高于热 。 自然界的能量可分为三大类 （1）高级能量： 能够完全转化为功的能量，如机械能、电能、水力能和 风能等； （2）低级能量： 不能完全转化为功的能量，如热能、焓等。 高温热源产生的热的品位比低温热源产生的热的品位高。 （3）僵态能量： 完全不能转化为功的能量，如大气、大地、天然水源具 有的内能。 date 作业 1.自然界的能量可分为哪三大类？ 2.分别在p-v图上和t-s图上表示卡诺循环过程 3.已知蒸汽进入透平机时的焓h1=3230kj/kg,流速 u1=50m/s,离开透平机时的焓h2=2300kj/kg,流速 u2=120m/s。蒸气出口管比进口管低3m，蒸汽流 量为10000kg/h。若忽略透平的散热损失，试求： (a)透平机输出的功率； (b)忽略进、出口蒸汽的动能和位能变化，估计对 输出功率计算值所产生的误差。 date 上一内容 下一内容 回主目录o返回 化工过程的热力学分析 1、能量衡算。 2、分析能量品位的变化。 化工过程总是伴随着能量品位的降低。 一个效率较高的过程应该是能量品位降低 较少的过程。 找出品位降低最多的薄弱环节，指出改造 的方向。 化工热力学的任务 date 上一内容 下一内容 回主目录o返回 本章内容 6.1 热力学第一定律能量转换与守恒方 程 6.2 热力学第二定律热功转换的不等价 性 6.3 理想功、损失功与热力学效率 6.4 有效能 6.5 化工过程能量分析及合理用能 date 上一内容 下一内容 回主目录o返回 6.1.1 能量的种类 热力学第一定律中所涉及的能量通常为以下几种 (1)内能u也叫热力学能，其定义见教材p185,内能具 有加和性。内能由三部分组成：分子内动能、分子 内势能、分子内部能 (2) 动能ek定义见教材p186 (3)重力势能ep (4)热q规定体系得到热q为正，反之为 (5)功w规定体系得功为正，反之为负 化工热力学的任务 date 上一内容 下一内容 回主目录o返回 6.1.2热力学第一定律能量守恒的基本式 热力学第一定律对不同的系统有对应的表述 对孤立系统，热力学第一定律指出：孤立系统无论经历何种变 化，其能量守恒。 孤立系统的概念，物化里学过，本课程也多次复习过。 热力学第一定律可描述成 （体系的能量）+ （环境的能量）= 0 （6-1） 由此可推导出热力学第一定律的基本式 （6-4） date 上一内容 下一内容 回主目录o返回 6.1.3 封闭系统的热力学第一定律 the first law of thermodynamics in closed system u+ 只适合封闭体系! 热力学第一定律 the first law in closed system date 上一内容 下一内容 回主目录o返回 6.1.3 稳定流动系统的热力学第一定律及其应用 the first law in open system 稳定流动- stead flow 敞开体系 稳定、连续、流 进、流出，不随 时间变化，没有 能量和物料的积 累。 化工过程中最常 用 date 上一内容 下一内容 回主目录o返回 如图6-1所示流体流经管路 、换热器、透平，做稳定 流动 m-质量流率kg/s,显然 m1=m2=m 以单位质量流体为计算基 准截面1处的能量e1 e1 = u1 + gz1+ u12/2 (j/kg) z1-截面1处流体重心距势能 零点平面得高度（m） u1-截面1处流体的平均流速 (m/s) 6.1.3 稳定流动系统的热力学第一定律及其应用 date 上一内容 下一内容 回主目录o返回 p1、v1、a1截面1处流体的 压力、体积和截面面积。 下标2 代表截面2处相应的参 数 截面2处的能量e2 e2 = u2 + gz2+ u22/2 (j/kg) q为体系吸收的热量(j/kg) w为体系与环境交换的功 (j/kg) 以单位质量流体为计算基准 6.1.3 稳定流动系统的热力学第一定律及其应用 date 上一内容 下一内容 回主目录o返回 6.1.3 稳定流动系统的热力学第一定律及其应用 根据能量守衡 e1 +q = e2 -w （1） 由于 w = ws + wf ws 轴功；wf 流动功(计算基准单位质量流体 ） 所以 w = ws+p2v2 -p1v1 (2) h = u+pv (3) 将(2)、(3)代入（1）可得(6-12)式 date 上一内容 下一内容 回主目录o返回 6.1.3 稳定流动系统的热力学第一定律及其应用 稳定流动体系的热力学第一定理：稳定流动体系的热力学第一定理： 可得稳流过程另一能量平衡方程 date 上一内容 下一内容 回主目录o返回 稳流体系能量平衡方程的应用 应用中的简化 （1）流体通过换热器、管道、混合器 ws=0，u2=0，g z=0 h=q 用于精馏、蒸发、吸收、结晶过程 date 上一内容 下一内容 回主目录o返回 稳流体系能量平衡方程的应用 应用中的简化 （2）流体通过压缩机、膨胀机、泵、透 平 u20，g z0 h=q + ws稳流过程中最常用的公式 若绝热过程q=0， ws= h= h2-h1 高压压高温蒸汽带动带动 透平产产生轴轴功。 date 上一内容 下一内容 回主目录o返回 稳流体系能量平衡方程的应用 应用中的简化 （3）流体通过喷嘴获得高速气体（超音速 ） 例：火箭、化工生产中的喷射器。 q=0，g z=0 ， ws=0 h= -u2/2 ； u2 u1 date 上一内容 下一内容 回主目录o返回 稳流体系能量平衡方程的应用 应用中的简化 （4）伯努利(bernouli)方程 （6-15） 注意使用条件 不可压缩+无摩擦+无热功交换 date 上一内容 下一内容 回主目录o返回 稳流体系能量平衡方程的应用 应用中的简化 （5）对封闭体系，退化为封闭体系热 力学第一定律 u2=0，g z=0 ， wf=p2v2 -p1v1 =0 u=q + w date 上一内容 下一内容 回主目录o返回 稳流体系能量平衡方程的应用 应用中的简化 （6）流体通过节流阀门或多孔塞，如节 流膨胀或绝热闪蒸过程。 ws=0，u2=0，g z=0 ，q=0 h=0 冷冻过程是节流过程，焓未变但温度降低 date 上一内容 下一内容 回主目录o返回 稳流体系能量平衡方程的应用 可逆过程体积功计算（物化） （6-16） 可逆过程轴功计算 （6-17） date 上一内容 下一内容 回主目录o返回 热力学第一定律应用注意事项 1、注意区别： u=q + w 封闭体系 h=q +ws 稳定流动体系 2、注意符号： 体系吸热为正（+），体系放热为负（-） ； 体系对外做功为负（-） ，外界对体系做功 为正（+）。 date 上一内容 下一内容 回主目录o返回 例题 例1：功率为2.0 kw的泵将90oc水从贮水罐泵压到换热 器，水流量为3.2kg/s，在换热器中以697.3kj/s的速率 将水冷却后，水送入比第一贮水罐高20 m的第二贮水 罐求送入第二贮水罐的水温 解：以l kg的水为计算基准。 须注意： 由于水放热q为负、泵对水做功w为正。 h2 =h+ h1 （h1为90oc水的焓，可查水蒸汽表得） 查水蒸汽表可得符合h2 的饱和水的温度即得。 date 上一内容 下一内容 回主目录o返回 6.2热力学第二定律 热功转换的不等价性 热力学第二定律 热机工作原理 热机效率 卡诺循环 可逆机的效率 date 上一内容 下一内容 回主目录o返回 热功转换的不等价性 热功转换的不等价性 功可以100%转变为热 热不可能100%转变为功。 热、功的不等价性正是热力学第二定律所表述 的一个基本内容。 热力学第二定律的多种描述-question date 上一内容 下一内容 回主目录o返回 6-2. second law of thermodynamics thermodynamics 2. statement clausius statement: heat will flow unaided from a hot to a cold reservoir. kelvin-planck statement: no cyclic process is possible whose sole result is the flow of heat from a single heat reservoir and the performance of an equivalent amount of work date 上一内容 下一内容 回主目录o返回 6.2 热力学第二定律 the second law of thermodynamics 克劳修斯（clausius）的说法：“不可能把热从 低温物体传到高温物体，而不引起其它变化。 ”即热不可能自动的从低温物体转给高温物体 开尔文（kelvin）的说法：“不可能从单一热 源取出热使之完全变为功，而不发生其它的变 化。” 都说明了自发过程的不可逆性 date 上一内容 下一内容 回主目录o返回 6.2.1 熵与熵增原理 entropy and entropy increase 首先了解热机工作原理： 工质从高温t1热源吸收q1的热量，一 部分通过循环热机用来对外做功w， 另一部分q2 的热量放给低温t2 热源。 u=q + w u=0 w=-q= -(q1+q2) 热机示意图 注意：研究对象/体系？ 循环热机/工质， 环境？热源 question how to transfer ideal to reality date 上一内容 下一内容 回主目录o返回 热机效率 热机效率：将热机所作的功w与所吸的 热q1之比称为热机效率, 用表示。 热机效率大小与过程的可逆程度有关而 与工质无关。 卡诺定理：所有工作于同温热源和同温冷 源之间的热机，其效率都不能超过可逆 机，即可逆机的效率最大。 date 上一内容 下一内容 回主目录o返回 卡诺循环（carnot cycle） 等温可逆膨胀 绝热可逆膨胀 等温可逆压缩 绝热可逆压缩 date 上一内容 下一内容 回主目录o返回 卡诺循环（carnot cycle） t s 等温可逆膨胀 绝 热 可 逆 膨 胀 等温可逆压缩 绝 热 可 逆 压 缩 date 上一内容 下一内容 回主目录o返回 可逆机的效率 可逆机的效率： tl高温热源的温度，k。 最高限为锅炉的使用极限，约450oc。栖化800oc t2低温热源的温度，k。 最低限为环境温度。南通夏天30oc，北极-50oc 南通夏天max =58%；北极 max =79%。 date 上一内容 下一内容 回主目录o返回 冷冻系数 如果将卡诺机倒开,就变成了致冷机.这 时环境对体系做功w,体系从低温 热源吸 热 ,而放给高温 热源 的热量，将 所吸的热与所作的功之比值称为冷冻系数， 用 表示。 21 22 tt t w q - =b date 上一内容 下一内容 回主目录o返回 卡诺定理 卡诺定理推论：所有工作于同温热源与同温冷 源之间的可逆机，其热机效率都相等，即与热 机的工作物质无关。 卡诺定理的意义：解决了热机效率的极限值问 题。 date 上一内容 下一内容 回主目录o返回 6.2.1 熵与熵增原理 entropy and entropy increase 熵的定义 熵增原理 熵变的计算 熵平衡 date 由物化可知，任何一个可逆循环环均可看成由无数个小carnot之 和代替，则则由 v p 1 2 b a 熵的定义式clausius date 上一内容 下一内容 回主目录o返回 1、熵s的定义 p v a b c(可逆) d (可逆) f (不可逆) 任意可逆过程的热温商的值 决定于始终状态，而与可逆 途径无关，这个热温商具有 状态函数的性质。 6.2.1 熵与熵增原理 date 上一内容 下一内容 回主目录o返回 2、不可逆过程的熵变 由于s是状态函数，体系不可逆 过 程的熵变 ，与可逆过程的熵变 相 等 3、clausius 不等式 p v a b c(可逆) d (可逆) f (不可逆) 6.2.1 熵与熵增原理 date 上一内容 下一内容 回主目录o返回 6.2.1 熵与熵增原理 总结(6-22)、(6-23)式得 “” 号为不可逆过程； “=” 号为可逆过程 clausius 不等式 4、对于孤立体系：q=0 熵增原理：一个孤立 体系的熵永不减少。 date 上一内容 下一内容 回主目录o返回 6.2.1 熵与熵增原理 “” 号为自发过程 ， “=” 号为可逆过程 任何一个体系与它的环境捆绑在一起均可看作一个 孤立体系! 注意：判断孤立体系是否自发过程的依据是总熵变 大于0，而不是体系的熵变大于0 。 环境 孤立体系 体系 date 上一内容 下一内容 回主目录o返回 凡是自发的过程都是不可逆的，而一切不可 逆过程都可以归结为热转换为功的不可逆性 。 一切不可逆过程都是向混乱度增加的方向进 行，而熵函数可以作为体系混乱度的一种量 度。 6.2.1 熵与熵增原理 date 例6-1，如6-1图图，有人设计设计 一种程序，使得每kg温度 为为 373.15k的饱饱和水蒸汽经过经过 一系列的复杂杂步骤骤后，能连连 续续地向463.15k的高温储热储热 器输输送1900kj的热热量，蒸 汽最后在0.1013mpa、273.15k时时冷凝为为水时时离开装置 。 假设设可以无限制取得273.15k的冷凝水，试试从热热力学观观 点分析该过该过 程是否可行？ 解：对对于理论论上可能发发生的任何过过程，必须须同时时符合 第 一、第二定律。 蒸气通过该过该 装置后，在0.1013mpa、273.15k时时冷凝 热热量得到最大限度 的利用，为为什么？ date 高温储热器 463.15k 装置 h2o(g)373.15k 冷却水系统 273.15k h1,s1 h2o(l)273.15k 0.1013mpa,h2,s2 q1=1900kj q0 date 上一内容 下一内容 回主目录o返回 因为冷凝温度已达极限t环273.15k（冷却水 ） 1）饱和水蒸汽被冷却时放出的热量能否全部给 高温储热器？ 6.2.1 熵与熵增原理 date 上一内容 下一内容 回主目录o返回 6.2.1 熵与熵增原理 由第一定律， 向冷端放热： 再用第二定律检验，考察若按原设计过程，系统和环境 的总熵是否增加，为什么？ 系统 ？环境 水蒸汽的熵变s1s2-s1=0-7.3549=-7.3549kj/kgk 环境高温储热器 得到热量，保持恒温，所以 date 上一内容 下一内容 回主目录o返回 6.2.1 熵与熵增原理 环境低温冷端的熵变 孤立系统总熵变 s s1+ s1+ s1-.412 过程不可能 date 上一内容 下一内容 回主目录o返回 熵的定义及应用 对于绝热体系（q体系=0 ；q环境=0 ） 1）绝热可逆过程 环境 q环境=0 孤立体系 q总=0 绝热体系 q体系=0 date 上一内容 下一内容 回主目录o返回 熵的定义及应用 2）绝热不可逆过程 这是因为不管体系发生的 是否可逆过程，由于环境 的热源无限大，环境的变 化可视为可逆过程。 date 上一内容 下一内容 回主目录o返回 熵增原理 熵增原理指出： 一切自发的过程只能向总熵值增加的方向 举行，它提供了判断过程方向的准则。当 总熵值达到最大，也即体系达到了平衡。 应用熵增原理时应注意： 孤立体系 总熵变 date 上一内容 下一内容 回主目录o返回 熵变的计算 求出h2=2702.6kj/kg 绝热q=0 ws等熵功是指可逆绝热过程所做的功 date 上一内容 下一内容 回主目录o返回 有效能效率例题 4）已知状态点2的h2，p2s2=7.427kj/kg.k 5）有效能的损失=b1-b2=47.3kj/kg 有效能效率b=b2/b1 =0.957 date 上一内容 下一内容 回主目录o返回 第五章总结 u=q w 封闭体系 h=q ws 稳定流动体系 1、热力学第一定律 4、热功转换的不等价性 3、最常用的能量平衡方程 5、热力学第二定律 2、稳流体系能量平衡方程及其各种简化 date 上一内容 下一内容