湖南大学化工过程热力学分析.ppt

第6章化工过程热力学分析 在化工生产中 无论是流体流动过程 还是传热和传质过程或者化学反应过程都同时伴有能量的变化 有的消耗能量 有的释放能量 因此 研究过程能量变化 对于降低能量消耗 合理地利用能量是十分重要的 化工过程热力学分析 热力学第一定律 热力学第二定律 化工热力学分析 将过程热力学分析应用于化工过程 用热力学理论和方法对于各过程能量的转化 传递 使用和损耗进行分析 过程热力学分析 6 1基础理论 6 1 1能量的形式 化工生产中所涉及到的能量 主要有两大类 物质的能量 能量传递的两种形式 1 物质的能量E内能 U f T P x 动能 Ek mu2 2位能 Ep mgz 2 能量传递的两种形式在各种热力学过程中 体系与环境之间常发生能量的传递 能量传递的形式有两种 即热和功 热 系统与环境之间由于温差而引起的相互交换的能量 用Q表示 规定 系统获得的热量 其值为正 反之为负 功 系统与环境之间除了热Q之外的能量传递均叫做功 以W表 规定 系统得功 其值为正 反之为负 对流动系统 包括轴功Ws和流动功Wf 轴功Ws 流体通过机械设备的旋转轴与环境所交换的能量 流动功Wf 物料在连续流动过程中 由于流体内部相互推动所交换的功 对非流动系统 特定设备 如带活塞的气缸 中 因流体体积改变而与环境交换的能量 称为体积功W 注意 热和功只是在能量传递中出现 并非系统本身具有的能量 故不能说 某物质具有多少热或功 当能量以热和功的形式传入体系后 增加的是内能 如 在换热设备中 冷热流体进行热交换 结果是热流体内能降低 冷流体内能增加 热和功是过程函数 非状态函数 6 1 2热力学第一定律的应用 敞开体系的能量平衡方程 封闭体系的能量平衡方程 封闭系统是指那些与环境之间只有能量交换而无物质交换的系统 稳流系统的能量平衡方程 稳定流动 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 化工过程中最为常见 特点 1 设备内各个点的状态不随时间变化 2 垂直于流向的各个截面处的质量流率相等 此为单位质量下稳流体系的能量平衡方程 计算单位为 J kg 即以1kg为基准 积分式 微分式 稳流过程能量平衡式的简化形式 上式在不同的应用条件下 可以进行适当的简化 机械能平衡式 Bernoulli方程 与外界无热 无轴功交换的不可压缩流体的稳流过程的能量平衡式 所以 对于不可压缩流体 假定流动过程是非粘性理想流体的流动过程 则无摩擦损耗存在 这也就意味着没有机械能转变为内能 即流体的温度不变 因而内能也不变 即 对于不可压缩流体 V是常量 因此 为流体的密度 将上述两式代入前式 得 此式即为著名的伯努利方程式 或称其为机械能平衡式 流体流经换热器 反应器 管道等设备 如传热 化学反应以及其他诸如精馏 蒸发 溶解 吸收 结晶 萃取等物理过程 无轴功交换 动 位能忽略不计 此式表明 体系与环境交换的热等于焓变 这是热量衡算的基本式 热量衡算的具体方法在许多专著中有详细介绍 流体流经泵 压缩机 透平机等设备 在数量级的角度上 动能项和势能项不能与焓变相比较 可以忽略 若这些设备可视为与环境绝热 或传热量与所做功的数值相比可忽略不计 那么进一步可化简为 这就是从焓变可求这些设备做功 或耗功 能力的依据 流体流经喷管和扩压管 从上式可以看出 流体流经喷嘴等喷射设备时 通过改变流动的截面积 将流体自身的焓转变为了动能 流体经过节流膨胀 绝热反应和绝热混合等过程 在许多工业装置中都没有这样大的速度和位高变化 在一般情况下 动能 位能与热 功相比 可以忽略 因此左式在化工过程能量衡算中应用极广 在实际工程应用中 各种能量项数值的大小通常在10 100kJkg 1的范围内 当动能为1kJkg 1时 其流速为45ms 1 如位能值为1kJkg 1时 其位高为102m 以1kg水为计算基准 由题意 忽略动能的影响 由此可推出 6 1 3热力学第二定律的应用 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 熵和熵增原理就是量化的热力学第二定律 熵的定义及应用 熵函数是体系混乱度的一种量度 一切不可逆过程都是向混乱度增加的方向进行 总熵变增加是能量品位降低的结果 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 熵是状态函数 过程的熵变与过程是否可逆无关 熵增原理指的是总熵变增加 不是仅仅指系统的熵变 无论过程是否自发 实际能进行的过程都是总熵变大于零的过程 熵产生 Sg称为熵产生 它是由于过程的不可逆性而引起的那部分熵变 可逆过程熵产生 Sg 0 不可逆过程熵产生 Sg 0 总之 熵产生永远不会小于零 熵平衡 熵增的过程即是能量损耗的过程 熵平衡就是用来检验过程熵的变化 它可以精确地衡量过程的能量有效利用 熵平衡方程与能量平衡方程和质量平衡方程一样 是任何一个过程必须满足的条件式 理想功和损失功 理想功Wid损失功WL热力学效率 理想功 Wid 理想功是一个理论的极限值 是用来作为实际功的比较标准 做功恒算 忽略动 位能变化 则 稳流开系的熵衡算 稳流过程的理想功 1 与流体的始末状态有关 与具体变化途径无关 2 与环境温度T0有关 环境温度一般指大气或天然水源的温度 双状态函数 例6 2有一股压力分别是7 0MPa和1 0MPa蒸汽用于做功 经稳流过程变成25 的水 求Wid T0 298K 结论 1 高压蒸汽的做功本领比低压蒸汽强 2 高压蒸汽的加热能力比低压蒸汽弱 因此用低压蒸汽来加热最恰当 损失功 WL 例6 3某厂有一输送92 热水的管道 由于保温不良 至使用时水温降至67 计算每吨热水输送中由于散热而引起的损失功 取环境温度为25 已知水的比恒压热容为 此热量引起的环境熵变为 水在等压下冷却的熵变为 热力学效率 实际过程的能量利用情况可通过热力学效率加以评定 6 2化工单元过程热力学分析 6 2 1流体流动过程 由于流体流动有摩擦 包括流体的内摩擦及流体与管道 设备的摩擦 即使流体的一部分机械能耗散为热能 使功贬质 并有熵产生 流体流动的推动力是压力差 为不可逆过程 也有熵产生 问题的提出 讨论流体流动过程的功损耗应首先找出熵产生与压力降之间的关系 对于只有一股流体的敞开体系 流体流动熵产生与压力差关系式 流体流动时的损耗功 对于流动的封闭体系 T V可看成常数 热力学分析 流体压差 如果降低流速 就必须加大管道和设备的直径 使设备投资费用增加 因此 思考 结合化原的知识考虑实际生产中如何选择合适的流速 应权衡能耗费和设备费的关系选择合适的流速 气体节流要比液体节流的损耗功大 流体体积V 功损耗正比于流体体积 物系温度T 温度T低的流体损耗功大 思考 当制冷的温度一定时 如何降低损耗功 制冷过程应选择较低的流速 6 2 2传热过程的热力学分析 图示为一逆流过程的换热器 若将其看成一控制体 没有外功 忽略动 位能变化 由稳流体系的热力学第一定律知 若保温很好 换热器对环境散热可忽略 则 若将热流体看成封闭的流体体系 忽略动 位能变化 由热力学第一定律 焓变等于热流体放出的热量 热量作功能力 即高温流体的理想功 低温流体的理想功 传热时 高低温流体温度不变 热力学分析 思考 1 为了减小功损耗 换热器的冷热流体温差是否越小越好 2 如何根据生产实际温度选择合适的流体温度差 换热过程的热力学效率 即 式中 由上面的计算式可知 6 2 3分离过程的热力学分析 对分离过程进行热力学分析 就是讨论分离过程的最小功 即分离的理想功 将1mol理想气体混合物分离成纯物质的理想功为 分离1kmol理想溶液的理想功为 6 3有效能和无效能 定义 体系由所处的状态变到基本态时所提供的理想功 6 3 1有效能Ex定义 物系处于某状态时所具有的最大作功能力 规定体系的环境为基准态 环境是指人类活动的环境 大气 地球 水源 完全平衡 环境模型 基准态的规定原则 我们规定环境的T P及化学组成不变 即恒定的 规定了T P及化学组成的环境并不是自然环境 这种人为规定的环境即为环境模型 6 3 2稳流过程有效能Ex计算 Ex的大小除了决定于体系的状态 T p 之外 还和基态 环境 的性质有关 是双状态函数 基态的有效能为零 有效能组成 机械能有效能 热量有效能 稳定流动的流体有效能组成为 物理有效能的计算 系统的物理有效能是指系统温度 压力等参数不同于环境而具有的有效能 化工生产中常见的加热 冷却 压缩和膨胀等过程只需考虑物理有效能 物理有效能的计算也可通过查阅有关热力学图表 如T S图 lnp H图 或温度 有效能图 压力 有效能图等进行计算 例6 5 有四种蒸汽 分别为 1 013 6 868 8 611MPa的饱和蒸汽和1 013MPa 573K的过热蒸汽 若这四种蒸汽经充分利用后 最后排出0 1013MPa 298K的水 试比较它们的有效能和放出的热 并讨论蒸汽的合理利用 环境模型 确定环境中基准物质浓度与所处的热力学状态 龟山 吉田模型1 环境温度与压力 2 环境中状态下的物态与组成 化学有效能的计算 处于环境温度和压力 T0 p0 下的系统 由于和环境的组成不同而发生物质交换或化学反应 达到与环境的平衡 所做出的最大功就叫做化学有效能 表6 1龟山 吉田提出的大气环境模型 表6 2某些元素的基准物 基准反应与基准物浓度 定义 热量相对于平衡环境态所具有的最大作功能力 热有效能的计算 对于恒温热源 或按定义公式计算 解 将高温烟道气视为理想气体 高温烟道气从800 降低到环境温度25 放出的热量 低温排水的有效能 低温排水从80 降低到环境温度放出的热量 两者余热大小相等 高温烟道气有效能明显大于低温排水有效能 概念 给定环境下能量中不能转变为有用功的部分 对恒温热量Q 无效能部分 稳定流动过程的物系有效能 无效能部分 系统总能量等于有效能加无效能 节能的正确意义在于节约有效能 6 3 3无效能 Anery 有效能平衡方程 6 3 4有效能平衡方程与有效能损失 对于稳定流动可逆过程 有效能是守恒的 对于稳定流动不可逆过程 系统有效能减少无效能增加 定义有效能效率 有效能损失 有效能为非守恒量 系统有效能损失包含两部分 内部损失 即由系统内部各种不可逆因素造成的有效能损失 外部损失 即通过各种途径散失和排放到环境介质中去的有效能损失 有效能损失不等于能量损失 能量是守恒的 通常能量损失仅指过程中某一系统的有效能和无效能总量损失 有效能 无效能 理想功和损失功之间的关系 当稳流系统从状态1 T1 p1 变化到状态2 T2 p2 时 有效能变化 Ex为 有效能与损失功 6 4 1热力学分析的三种方法 能量衡算法 实质 通过物料与能量的衡算 确定过程的进出的能量 求出能量利用率 应用热力学第一定律 能量守恒 6 4化工过程热力学分析及合理用能 内容 物料衡算和能量衡算 一般由单体设备到整个体系 求总的输入的能量 求被利用的能量 求 分析结果找到能量损失的原因 如果仅从能量的收益和付出的差别找节能方法 找出改进的途径 应用此方法较多 但此方法的不足在于 热力学第一定律方程说明各种能量可以互相转化 但 是有限的 方程将热 功写在一起 并没有指出各种能量转化的方向和限度 能量衡算法只反映了能量数量的关系 没有反映能量品位的高低 此方法只能反映能量的损失 但不能指出能量损失的原因 由热力学第一定律计算结果可能造成制定出舍本求末的节能措施 高温余热利用装置 计算以每吨氨为基准 为简化计算 忽略体系中有关设备的热损失和驱动水泵所消耗的轴功 a 求产汽量G kg 式中m为转化气的千摩尔数 b 计算透平做的功 对透平做能量衡算 忽略热损失 则有 水汽化吸热 d 计算热效率 转化气余热回收装置能量衡算表 c 求冷却水吸收的热 即焓变 忽略冷凝器的热损失 则有 熵分析法 内容 物料和能量衡算 损失和热力学效率 对整个体系求理想功 熵产生及损耗功 节能的部位 计算热力学效率 分析计算结果 找出损耗功的最大部位 造成损耗功大的原因 确定改进方向 例6 8对例6 7中转化气的余热回收装置用熵分析法评价其能量利用情况 a 物料与能量衡算 由例6 7得 b 求转化气降温放热过程的理想功 A 高温余热利用装置 的熵变 按题意可忽略其压力变化 则有 B 将式 B 代入式 A 可得 c 求损耗功 即损失 取整个装置为体系 不计热损失 的损耗功 损失 也可以用上式求出 d 求热力学效率 整个装置 e 转化气余热回收装置熵分析结果 平衡 如下 f 单体折设备的热力学效率与总体系损失分布 对废热锅炉 高温转化气降温过程提供的理想功为 水蒸汽经透平的理想功为 乏汽冷凝过程的理想功为 可见 冷凝过程的理想功未被利用 全部损失掉了 现将计算结果汇总在下表中 损失的分布情况 优点 大的部位 缺点 种是有效的能量 有多大 此方法不能具体指出 有效能分析法 实质 通过有效能衡算方程求出损失 损耗功 内容 作衡算 利用衡算方程 确定损失 整个体 系 每台设备 的衡算 确定效率 列表或画图分析计算结果