化工节能原理与技术-梁鑫.ppt

1,化工节能原理与技术,梁鑫 北京化工大学 2011 .2 .23（春季学期）,自我介绍,教育背景 20002009 清华大学 2009至今 北京化工大学 研究方向 新型催化材料 科研成果 SCI 论文十余篇，在研项目5项 联系方式 liangxin无机楼310,2,3,考核方式： 五分制 成绩评定： 课程总成绩的评定权重为：作业占10%，课程测验占60%（采取开卷方式），课程报告占30%。 课程报告： 一种新型的节能技术，如催化（反应精馏）技术，反应-反应耦合，结构化催化剂，新型热泵，新型精馏技术（热偶精馏、特殊精馏）等。大约5000-10000字左右。,4,第 2 章 节能的热力学,2.2 能量与热力学第一定律 输入系统的能量 - 输出系统的能量 = 系统储存能量的变化 宏观动能：mc2/2 宏观位能：mgz 系统内部的微观能量（内能）：U 2.2.1 闭口系统能量恒算式 Q = U + W 对单位质量 对微元过程 q = u + w q = du + w,5,第 2 章 节能的热力学,2.2 能量与热力学第一定律 2.2.2 稳定流动开口系统能量衡算 物质流转移到系统的能量为：,m1,m2,Q,W,m (u+ pv + c2/2 + gz) = m (h + c2/2 + gz),h = u + pv,H = U + pV,6,第 2 章 节能的热力学,2.2 能量与热力学第一定律 2.2.2 稳定流动开口系统能量衡算 开口系统的能量衡算式为：,m1,m2,Q,W,dU =Q W + m1(h1 + c12/2 + gz1) m2 (h2 + c22/2 + gz2),Q = m2 (h2 + c22/2 + gz2) m1(h1 + c12/2 + gz1) +W + dU,7,第 2 章 节能的热力学,2.2 能量与热力学第一定律 2.2.2 稳定流动开口系统能量衡算 稳定流动：空间各点参数不随时间变化的流动过程 （1）.热和功的交换不随时间而变； （2）.物质交换不随时间而变； （3）.进、出口截面参数不随时间而变,dU =Q W + m1(h1 + c12/2 + gz1) m2 (h2 + c22/2 + gz2),dU =0， m1 = m2,Q = H + m c2/2 + mg z + W,Q = out mi(h + c2/2 + gz)i in mi(h + c2/2 + gz)i + W,（对多股流体）,8,第 2 章 节能的热力学,2.2 能量与热力学第一定律 2.2.2 稳定流动开口系统能量衡算 例2-1：某化肥厂生产的半水煤气，其组成如下：CO2 9%，CO 33%, H2 36%,N2 21.5%, CH4 0.5%。进变换炉时水蒸气与一氧化碳的体积比为6，温度为 653.15 K。设变换率为85%，试计算出变换炉的气体温度。,变换气,半水煤气,水蒸气,100 kmol,n kmol (nH2O : nCO =6),T=380,CO + H2O CO2 + H2,9,第 2 章 节能的热力学,2.2 能量与热力学第一定律 2.2.2 稳定流动开口系统能量衡算 进入炉中的湿气体各组分的物质的量（kmol)： CO2 9; CO 33; H2 36; N2 21.5; CH4 0.5; H2O 198 出变换炉时湿气体各组分的物质的量（kmol)： CO2 37.5; CO 4.95; H2 64.05; N2 21.5; CH4 0.5; H2O 169.95 绝热过程： H = 0； U =,10,第 2 章 节能的热力学,2.2 能量与热力学第一定律 2.2.2 稳定流动开口系统能量衡算 焓是状态参数，过程焓变等于终态的焓减去初态的焓； 既有物理变化又有化学反应的物系，计算焓变需考虑反应热。,11,第 2 章 节能的热力学,2.2 能量与热力学第一定律 2.2.2 稳定流动开口系统能量衡算 （1）. 状态参数法,H = H1 + Hr + H2 = 0,H1 = -3.56 106 (kJ),Hr = 28.05 (-41198) = -1.156 106 (kJ),H2 = 10396 T - 3099527 (kJ),作业：1。计算653.15 K时转化 28.05 kmol 的恒温恒压反应热。,12,第 2 章 节能的热力学,2.2 能量与热力学第一定律 2.2.2 稳定流动开口系统能量衡算 （1）. 统一基准焓法 规定 0 K 时稳定单质的理想气体的焓为零； 规定 298.15 K 时稳定单质的理想气体的焓为零； 基准态下化合物的焓等于标准生成焓 无论物理变化，还是化学变化，元素守恒 无论物理变化，还是化学变化，过程焓变：,H = H终态 H初态,653.15 K时， H初态 = - 49.17 106 (kJ),753.15 K时， H终态 = - 49.98 106 (kJ),H = H终态 H初态 = 0,13,第 2 章 节能的热力学,2.3 火用与热力学第二定律 热力学第一定律指出了能量的同一性，“量”的属性；不能解释“质”的属性 如：功和热，高温热与低温热； 热力学第二定律指出了能量的“质”的属性，说明过程进行的方向、条件及限制。,开尔文说法：不可能从单一热源吸收热量使之完全变成有用功而不产生其他影响。,普朗克说法：不可能制造一个机器，使之在循环动作中把一重物升高， 而同时使一热源冷却。,克劳修斯说法：不可能把热从低温物体传至高温物体而不引起其他变化。,14,第 2 章 节能的热力学,2.3 火用与热力学第二定律,T,S,1,2,卡诺定理：在两个不同温度的恒温热源间工作的所有热机，不可能有任 何热机的效率比可逆热机的效率更高。,热效率：c = 1- T2 / T1,T,S,T1,T2,15,第 2 章 节能的热力学,2.3 火用与热力学第二定律,结论：提高热效应的根本途径：提高热源温度、降低冷源温度以及尽可 能减少不可逆因素。 2. 3. 2 熵的概念和孤立系统熵增原理 熵是状态函数，定义（对可逆过程）,热效率：c = 1- T2 / T1,最大有用功（以环境温度为限）：W = Q(1- T0 / T1),16,第 2 章 节能的热力学,2.3 火用与热力学第二定律,2. 3. 2 熵的概念和孤立系统熵增原理 熵流：由于热流引起的熵的变化 熵产：由于系统内部和外部的不可逆性引起系统熵的变化 孤立系统或绝热系统的熵可以增大，或保持不变，但不可能减少（热 力学第二定律的另一种表述） 不可逆性引起的做功能力损失为：,17,第 2 章 节能的热力学,2.3 火用与热力学第二定律,2. 3. 3 热力学第二定律的熵衡算方程式 适用于任何系统的熵衡算方程式： 进入系统的熵 + 不可逆性引起的熵产量 = 离开系统的熵 + 系统熵的变化 进、出系统的熵包括：进、出系统的物质流所携带的熵，以及因可逆传 热所引起的熵变 对闭口系统,18,第 2 章 节能的热力学,2.3 火用与热力学第二定律,2. 3. 3 热力学第二定律的熵衡算方程式 对开口系统（既有能量交换又有物质交换） 对稳定流动系统（系统参数不随时间而变） 对单股稳流系统 （min = mout = m）（对绝热过程， ？）,19,第 2 章 节能的热力学,2.3 火用与热力学第二定律,2. 3. 3 热力学第二定律的熵衡算方程式 T - S 图 （可逆过程热量）,T,S,1,2,20,第 2 章 节能的热力学,2.3 火用与热力学第二定律,2. 3. 4 能量和火用 能量的转换过程具有方向性或不可逆性 能量的转换能力（能量转换为功的能力或做功能力） 能量的可利用性分为三类： (a). 具有完全转换能力的能量，如机械能、电能等； (b). 具有部分转换能力的能量，如热能、内能或焓等； (c). 完全不具有转换能力的能量，如处于环境温度下的热能等,卡诺热机的热效率：c = 1- T0 / T1,21,第 2 章 节能的热力学,2.3 火用与热力学第二定律,2. 3. 4 能量和火用 能量的火用 （有效能）：转换为有用功的那部分能量； 能量的火无 （无效能）：不能转换为有用功的那部分能量 任何一种形式的能量可表示成 能量 = 火用 + 火无 分析第一类能量，第二类能量和第二类能量的 火用 和 火无 。,22,第 2 章 节能的热力学,2.4 能量的 火用 计算,2. 4. 1 环境与物系的基准状态 自然环境是 火用 的自然零点 自然环境是一种概念性的环境 定环境模型：环境是确定不变的。 斯蔡古特的环境模型： (1). 环境温度 T0 = 298.15 K，环境压力 P0 = 1atm (2). 环境由若干基准物构成。每一种元素都有其对应的基准物和基准反应。 (3). 基准物的自由焓较小 龟山-吉田模型： (1). 气态基准物的组成 (2). 其他元素以在 T0, P0 下纯态最稳定的物质作为基准物,23,第 2 章 节能的热力学,2.4 能量的 火用 计算,2. 4. 1 环境与物系的基准状态 系统与环境处于热力学平衡状态时，火用 值为零； 完全的热力学平衡：热平衡、力平衡和化学平衡 不完全的热力学平衡：热平衡、力平衡 物理 火用：取不完全平衡环境状态作为基准态，一个系统的能量具有的火用 物理 火用 + 化学火用 ：取完全平衡环境状态作为基准态 化学 火用：取完全平衡环境状态作为基准态，因化学不平衡所具有的火用,24,第 2 章 节能的热力学,2.4 能量的 火用 计算,2. 4. 2 机械形式能量的火用 动能 火用：c2 / 2 位能 火用：g z 封闭系统从状态1变化到状态2所做功 W12 的 火用 为： Ew = W12 p0 (V2 V1) 封闭系统所做功的 火无 为： Aw = p0 (V2 V1),V1,V2,T0 , p0,25,第 2 章 节能的热力学,2.4 能量的 火用 计算,2. 4. 3 热量 火用 热量 火用：系统所传递的热量用可逆方式所能作出的最大有用功,能量衡算式： Q = - Q 0 + WA,熵平衡方程式： Q / T + dS产 = - Q0 / T0,26,第 2 章 节能的热力学,2.4 能量的 火用 计算,2. 4. 3 热量 火用 热量 火用：系统所传递的热量用可逆方式所能作出的最大有用功,能量衡算式： Q = - Q 0 + WA,熵平衡方程式： Q / T + dS产 = - Q0 / T0,可逆过程： dS产 = 0,热量 火用,热量 火无,27,第 2 章 节能的热力学,2.4 能量的 火用 计算,2. 4. 3 热量 火用 热量 火用：系统所传递的热量用可逆方式所能作出的最大有用功,热量 火用,S,热量 火无,S1,S2,1,2,4,3,T,T0,EQ,AQ,28,第 2 章 节能的热力学,2.4 能量的 火用 计算,2. 4. 3 热量 火用 温度恒定热源 变温热源,热量 火用,热量 火无,热量 火无 ？,热力学平均温度,29,第 2 章 节能的热力学,2.4 能量的 火用 计算,2. 4. 3 热量 火用 例2 - 2 把100 kPa、127 的1kg 空气可逆定压加热到427 ，试求所 加热量 中的火用 和 火无 。空气的平均定压比热容 cp = 1.004 kJ/(kg K)。设环境大气温度为 27 。,30,第 2 章 节能的热力学,2.4 能量的 火用 计算,2. 4. 3 热量 火用 T T0 相同热量的情况下，热量的温度越高，热量中的 火用 值越大； TT0?,能量衡算式： Q0 = - Q + WA,熵平衡方程式： Q0 / T0 + dS产 = - Q / T,31,第 2 章 节能的热力学,2.4 能量的 火用 计算,2. 4. 3 热量 火用 T T0 相同热量的情况下，热量的温度越高，热量中的 火用 值越大； T T0 EQ 与 Q 的方向相反。说明：系统得到热量时，系统的 火用 减少；放 出热量时，系统的 火用 增加。 单位热量的 火用 ： = EQ /Q,S,S1,S2,T,T0,4,3,1,2,EQ,Q,32,第 2 章 节能的热力学,2.4 能量的 火用 计算,2. 4. 3 热量 火用 T T0 热量 火用 总是小于热量； T T0 冷量 火用 可以大于热量；,T /K,300,T0,1,0.5,1.5,0,33,第 2 章 节能的热力学,2.4 能量的 火用 计算,2. 4. 3 热量 火用 在温差相同、传热量相同的条件下，低温时的 火用 损失比高温时大得多； 例2-3 在某一低温装置中将空气自600kPa 和27 定压预冷至-100 ，试 求1 kg空气所获冷量的 火用 和火无 。空气的平均定压比热容为 1.0 kJ /(kg K)。设环境大气的温度为 27 。,34,第 2 章 节能的热力学,2.4 能量的 火用 计算,2. 4. 4 封闭系统的 火用 封闭系统的 火用： 封闭系统从给定状态以可逆方式转变到环境状态，并只与环境交换热量时所能作出的最大有用功。,P, T, u, S,P0, T0, u0, S0,q,wA,max,35,第 2 章 节能的热力学,2.4 能量的 火用 计算,2. 4. 4 封闭系统的 火用 封闭系统的 火用： 封闭系统从给定状态以可逆方式转变到环境状态，并只与环境交换热量时所能作出的最大有用功。 内能 火用,封闭系统的能量方程,可逆过程,封闭系统的 火用,封闭系统的 火无,36,第 2 章 节能的热力学,2.4 能量的 火用 计算,2. 4. 4 封闭系统的 火用 封闭系统的 火用： 封闭系统从给定状态以可逆方式转变到环境状态，并只与环境交换热量时所能作出的最大有用功。,封闭系统的 火用,从状态1可逆变化到状态2时所作的最大有用功：,37,第 2 章 节能的热力学,2.4 能量的 火用 计算,2. 4. 5 稳定流动系统的 火用 稳定流动系统的 火用： 稳定物流经可逆方式与环境交换热量时所能作出的最大有用功。,稳流能量方程,熵方程,进入系统的熵 + 不可逆性引起的熵产量 = 离开系统的熵 + 系统熵的变化,38,第 2 章 节能的热力学,2.4 能量的 火用 计算,2. 4. 5 稳定流动系统的 火用 稳定流动系统的火用： 稳定物流经可逆方式与环境交换热量时所能作出的最大有用功。,稳流能量方程,熵方程,可逆条件,稳定流动系统的 火用,39,第 2 章 节能的热力学,2.4 能量的 火用 计算,2. 4. 5 稳定流动系统的 火用 稳定流动系统的 火用： 稳定物流经可逆方式与环境交换热量时所能作出的最大有用功。,稳定流动系统的 火用,稳定流动系统的 火无,不考虑宏观动能和位能 （焓 火用）,从状态1可逆变化到状态2时所作的最大有用功：,40,第 2 章 节能的热力学,2.4 能量的 火用 计算,2. 4. 5 稳定流动系统的 火用 稳定流动系统的 火用： 稳定物流经可逆方式与环境交换热量时所能作出的最大有用功。 作业1：从稳定流动系统的火用推导稳定流动系统的 火无； 2：从稳定流动系统的火用推导“从状态1可逆变化到状态2时所作的最大 有用功”,稳定流动系统的 火无,不考虑宏观动能和位能 （焓 火用）,从状态1可逆变化到状态2时所作的最大有用功：,41,第 2 章 节能的热力学,2.4 能量的 火用 计算,2. 4. 5 稳定流动系统的 火用 例2-4 设有一空气绝热透平，空气的进口状态为 600 kPa、200 ，宏观速 度为 160 m/s，出口状态为 100 kPa、40 和 80 m/s。试求 （1） 空气 在进、出口状态下的焓 火用 ； （2）透平的实际输出功；（3）透平能够作 出的最大有用功。空气的定压比热容为1.01 kJ/(kg K)，环境大气状态为 100 kPa、17 。,42,第 2 章 节能的热力学,2.4 能量的 火用 计算,2. 4. 6 化学反应的最大有用功,稳定流动系统化学反应,Q: 化学反应系统与外界的热量交换（反应热）,H = H2 H1 化学反应系统焓的变化（反应焓）,定温条件下，化学反应系统熵的变化,可逆条件,43,第 2 章 节能的热力学,2.4 能量的 火用 计算,2. 4. 6 化学反应的最大有用功,稳定流动系统化学反应,结论：可逆定温系统作出的最大反应有用功等于系统自由焓的减少。 最大反应有用功是状态参数,44,第 2 章 节能的热力学,2.4 能量的 火用 计算,2. 4. 6 化学反应的最大有用功,653.15 K,298.15 K,H1,恒压降温,Hr,恒温恒压化学反应,298.15 K,T K,恒压升温,H2,H = 0,恒压绝热反应,T1 , P1,T2 , P2,298.15 K, 1 atm,298.15 K, 1 atm,45,第 2 章 节能的热力学,2.4 能量的 火用 计算,2. 4. 6 化学反应的最大有用功,标准态下化学反应的最大有用功,标准态下化学反应的焓变,标准态下化学反应的熵变,（标准态生成自由焓）,46,第 2 章 节能的热力学,2.4 能量的 火用 计算,2. 4. 6 化学反应的最大有用功 例 2-5 在298.15 K 和 1 atm 下， CO 和 O2 进行燃烧反应生成 CO2 。反 应前反应物 CO 和 O2 不进行混合，试求此化学反应的最大反应有用功。,47,第 2 章 节能的热力学,2.4 能量的 火用 计算,2. 4. 6 化学反应的最大有用功 例 2-6 在例2-5的反应中加入惰性气体 N2 ,该气体不参加反应，其反应式为 CO + O2 /2 + 1.88 N2 = CO2 + 1.88 N2 反应前后反应物和生成物都进行混合，反应前后物系总压仍为 1 atm，温度 仍为 298.15 K。试求此反应过程的最大反应有用功。,48,第 2 章 节能的热力学,2.4 能量的 火用 计算,2. 4. 7 气体的扩散 火用 在 P0 、T0 下的气体可逆定温地转变到其在环境空气中的分压力 Pi0 时所能 作出的最大有用功。,气体的扩散 火用,单位质量气体的扩散 火用,对真实溶液 ？,49,第 2 章 节能的热力学,2.4 能量的 火用 计算,2. 4. 8 元素和化合物的化学 火用 标准化学 火用 ：用环境模型计算的物质化学 火用。 基准物和基准反应 基准反应：一种非基准物质（包括元素、单质和化合物）与一种或几种基准 物在 P0、T0 下发生化学反应，而反应物和生成物均为P0、T0 下的纯物质。,50,第 2 章 节能的热力学,2.4 能量的 火用 计算,2. 4. 8 元素和化合物的化学 火用 标准化学 火用 ：用环境模型计算的物质化学 火用。 环境模型中的基准物化学 火用 为零 元素的化学 火用：元素与环境物质进行化学反应变成基准物所提供的最大化 学反应有用功。 元素的标准化学 火用：化学反应在规定的环境模型中 空气中所含组分的标准化学 火用： 扩散 火用 纯态化合物的标准摩尔化学 火用：,51,第 2 章 节能的热力学,2.4 能量的 火用 计算,2. 4. 8 元素和化合物的化学 火用 例 2-7 试用龟山-吉添田环境模型求碳（石墨）的标准化学 火用 例 2-8 试用龟山-吉添田环境模型求甲烷 CH4 气体的标准化学 火用 附录1 和 附录 2 （无机与有机化合物的标准摩尔化学 火用）,52,第 2 章 节能的热力学,2.4 能量的 火用 计算,2. 4. 9 燃料的化学 火用 燃料的化学 火用 （燃料 火用）：P0 、T0 下的燃料与氧气一起稳定流经化学反应系统时，以可逆方式转变到完全平衡的环境状态所能作出的最大有用功。,EF,EO2,53,第 2 章 节能的热力学,2.4 能量的 火用 计算,2. 4. 9 燃料的化学 火用 燃料的化学 火用 （燃料 火用）（简