化工过程的能量分析

第四章化工过程的能量分析

◆第一节能量平衡方程◆第二节热功间的转换◆第三节熵函数◆第四节理想功、损失功和热力学效率◆第五节有效能第一节能量平衡方程

一、能量守恒与转换

一切物质都具有能量，能量是物质固有的特性。通常，能量可分为两大类：一类是系统蓄积的能量，如动能、势能和热力学能，它们都是系统状态的函数。另一类是过程中系统和环境传递的能量，常见有功和热，它们就不是状态函数，而与过程有关。热量是因为温度差别引起的能量传递，而做功是由势差引起的能量传递。因此，热和功是两种本质不同且与过程传递方式有关的能量形式。

热力学第一定律即为能量守恒定律，它阐明了能量“量”的属性。

人体的能量平衡热量平衡能量的形式不同，但是可以相互转化或传递，在转化或传递的过程中，能量的数量是守桓的，这就是热力学第一定律，即能量转化和守恒原理。体系在过程前后的能量变换ΔE应与体系在该过程中传递的热量Q与功W相等。体系吸热为正值，放热为负值；体系得功为正值，对环境做功为负值。二、封闭体系的能量平衡方程在闭系非流动过程中的热力学第一定律数学表达式为

三、稳态流动体系的能量平衡方程

稳态流动是指流体流动途径中所有各点的状况都不随时间而变化，系统中没有物料和能量的积累。稳态流动系统的能量平衡关系式为：图4-1稳定流动过程换热器透平机基准水平面III如图为一稳定流动过程：单位质量的流体带入、带出能量的形式为动能(u2/2)，势能(gz)和热力学能(U)。流体从截面1通过设备流到截面2，在截面1处流体进入设备所具有的状况用下标1表示，此处距基准面的高度为z1，流动平均速度u1，比容V1，压力P1以及内能U1等。同样在截面2处流体流出所具有的状况用下标2表示。g为重力加速度。系统与环境交换功W，实际上由两部分组成。一部分是通过泵、压缩机等机械设备的转动轴，使系统与环境交换的轴功Ws；另一部分是单位质量物质被推入系统时，接受环境所给与的功，以及离开系统时推动前面物质对环境所作的功。假设系统入口处截面面积为Al，流体的比容为V1，压力为P1，则推动力为P1A1，使单位质量流体进入系统，需要移动的距离为V1/A1,推动单位质量流体进入系统所需要的功为这是单位质量流体进入系统时，接受后面流体(环境)所给予的功；同样,单位质量流体离开系统时，必须推动前面的流体(环境)，即对环境作－P2V2的功。这种流体内部相互推动所交换的功，称为流动功。只有在连续流动过程中才有这种功。对于流动过程，系统与环境交换的功是轴功与流动功之和稳态流动系统的能量平衡关系可写为将焓的定义H=U+PV代入上式可得稳定流动系统的能量平衡方程稳定流动系统的热力学第一定律表达式为：使用上式时要注意单位必须一致。按照SI单位制，每一项的单位为J·kg-1。动能和位能的单位流动功包含在焓中轴功⊿H、⊿u2/2、g⊿z、Q和Ws分别为单位质量流体的焓变、动能变化、位能变化、与环境交换的热量和轴功。可逆条件下的轴功对于液体，在积分时一般可将V当作常数。对于气体怎么办？对于理想气体等温过程左式只适用于理想气体等温过程实际过程的轴功对于产功过程对于需功过程一些常见的属于稳流体系的装置喷嘴扩压管节流阀透平机压缩机混合装置换热装置喷嘴与扩压管

喷嘴与扩压管的结构特点是进出口截面积变化很大。流体通过时，使压力沿着流动方向降低，而使流速加快的部件称为喷嘴。反之，使流体流速减缓，压力升高的部件称为扩压管。喷嘴扩压管喷嘴与扩压管是否存在轴功?否是否和环境交换热量?通常可以忽略位能是否变化?否质量流率流体通过焓值的改变来换取动能的调整透平机和压缩机

透平机是借助流体的减压和降温过程来产出功

压缩机可以提高流体的压力，但是要消耗功透平机和压缩机是否存在轴功?是!是否和环境交换热量?通常可以忽略位能是否变化?不变化或者可以忽略动能是否变化？通常可以忽略节流阀是否存在轴功?否是否和环境交换热量?通常可以忽略位能是否变化?否动能是否变化?通常可以忽略节流阀ThrottlingValve理想气体通过节流阀温度不变混合设备混合两种或多种流体是很常见。混合器混合设备是否存在轴功?否是否和环境交换热量?通常可以忽略位能是否变化?否动能是否变化?否当不止一个输入物流或（和）输出物流时Hi为单位质量第i股输出物流的焓值，xi为第i股输出物流占整个输出物流的质量分数。Hj为单位质量第j股输入物流的焓值，xj为第j股输入物流占整个输入物流的质量分数。为一股物流的质量流量。为总质量流量。混合设备132混合器换热设备整个换热设备与环境交换的热量可以忽略不计，换热设备内部两股物流存在热量交换。换热设备的能量平衡方程与混合设备的能量平衡方程相同，但物流之间不发生混合。mA和mB分别为流体A和流体B的质量流量管路和流体输送稳态流动模型通常是一个不错的近似通过泵得到轴功位能变化泵水管路和流体输送是否存在轴功?有时存在是否和环境交换热量?通常是位能是否变化?有时变化动能是否变化?通常不变化Bernoulli方程

实际流体的流动过程存在摩擦损耗，意味机械能转变为热力学能，有摩擦损耗对于无热、无轴功交换、不可压缩流体的稳流过程对于非粘性流体或简化的理想情况，可忽略摩擦损耗，则例5-11.5MPa的湿蒸汽在量热计中被节流到0.1MPa和403.15K，求湿蒸汽的干度解:节流过程无功的传递，忽略散热、动能变化和位能变化T℃HkJ/kg1202716.61602796.2130H21.5MPa饱和液体焓值Hl=844.9饱和蒸汽焓值Hg=2792.2例5-2解:30℃的空气，以5m/s的流速流过一垂直安装的热交换器，被加热到150℃，若换热器进出口管直径相等，忽略空气流过换热器的压降，换热器高度为3m，空气Cp=1.005kJ/kg·K,求50kg空气从换热器吸收的热量将空气当作理想气体，并忽略压降时换热器的动能变化和位能变化可以忽略不计第二节热功间的转化

克劳修斯说法：热力学第二定律说明过程按照特定方向，而不是按照任意方向进行。

自然界中的物理过程能够自发地向平衡方向进行。开尔文说法：热不可能自动从低温物体传给高温物体。不可能从单一热源吸热使之完全变为有用的功而不引起其他变化。一、热力学第二定律的表述形式：水往低处流气体由高压向低压膨胀热由高温物体传向低温物体我们可以使这些过程按照相反方向进行，但是需要消耗功。第一定律没有说明过程发生的方向，它告诉我们能量必须守衡。第二定律告诉我们过程发生的方向。二、热功间的转化及其方向性实质热功间的转化：

功可以自发全部转化为热；而热只能非自发的部分转化为功。其方向性实质：

有序态转化为无序态的不可逆性。热机的热效率火力发电厂的热效率大约为40%高温热源TH低温热源TL卡诺热机的效率熵增原理等号用于可逆过程，不等号用于不可逆过程。孤立体系第三节熵函数

一、熵与熵增原理二、熵平衡

熵流是由于有热量流入或流出系统所伴有的熵变化

可逆过程

由于传递的热量可正，可负，可零，熵流也亦可正，可负，可零。

熵产生是体系内部不可逆性引起的熵变化

不可逆过程

稳态流动体系绝热节流过程，只有单股流体，mi＝mj＝m,可逆绝热过程单股流体封闭体系定义：系统在一定的环境条件下，沿完全可逆的途径从一个状态变到另一个状态所能产生的最大有用功或必须消耗的最小功。

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。过程完全可逆：（1）体系发生的所有变化都是可逆的。（2）体系与环境间有热交换时也是可逆的。4.3理想功、损失功和热力学效率4.3.1理想功（环境通常是指大气温度T0和压力P0=0.1013MPa的状态。）注意：理想功和可逆功并非同一概念。理想功是指可逆有用功，即可利用的功，但并不等于可逆功的全部。图6-4稳流过程理想功示意图无数个小型卡诺热机周围自然环境（温度）可逆的稳流过程状态11状态22

稳定流动系统的热力学第一定律表达式为：

假定过程是完全可逆的，而且系统所处的环境可认为是—个温度为T0的恒温热源。根据热力学第二定律,系统与环境之间的可逆传热量为Qrev=T0ΔS忽略动能和势能变化1、理想功是状态参数

稳流过程的理想功只与状态变化有关，即与初、终态以及环境温度T0有关，而与变化的途径无关。只要初、终态相同，无论是否可逆过程，其理想功是相同的。2、理想功与理论功（可逆轴功）不同理想功是完全可逆过程所作的功，它在与环境换热Q过程中使用卡诺热机作可逆功。3、理想功是最大可逆功

通过比较理想功与实际功，可以评价实际过程的不可逆程度。理想功的性质：例5-6计算稳态流动过程N2中从813K、4.052MPa变到373K、1.013MPa时可做的理想功。N2的等压热容Cp=27.89+4.271×10-3TkJ/(kmol·K),T0=293K。解

二、损失功

系统在相同的状态变化过程中，不可逆过程的实际功与完全可逆过程的理想功之差称为损失功。对稳态流动过程Q是系统与温度为T0的环境所交换的热量，ΔS是系统的熵变。由于环境可视为恒温热源，Q相对环境而言，是可逆热量，但是用于环境时为负号，即

-Q＝T0ΔS0

根据热力学第二定律(熵增原理)，ΔS≥0，等号表示可逆过程；不等号表示不可逆过程。实际过程总是有损失功的，过程的不可逆程度越大，总熵增越大，损失功也越大。损失的功转化为热，使系统作功本领下降，因此，不可逆过程都是有代价的。三、热力学效率例5-7求298K，0.1013MPa的水变成273K，同压力下冰的过程的理想功。设环境温度分别为(1)298K；(2)248K。解：忽略压力的影响。查得有关数据状态温度/K焓/(kJ/kg)熵/(kJ/(kg·K))H2O(l)298104.80.3666H2O(s)273-334.9-1.2265(1)环境温度为298K，高于冰点时若使水变成冰，需用冰机，理论上应消耗的最小功为35.04kJ/kg。(2)环境温度为248K，低于冰点时

当环境温度低于冰点时，水变成冰，不仅不需要消耗外功，而且理论上可以回收的最大功为44.61kJ/kg。

理想功不仅与系统的始、终态有关，而且与环境温度有关。例5-8用1.57MPa，484℃的过热蒸汽推动透平机作功，并在0.0687MPa下排出。此透平机既不是可逆的也不是绝热的，实际输出的轴功相当干可逆绝热功的85％。另有少量的热散入293K的环境，损失热为7.12kJ/kg。求此过程的理想功、损失功和热力学效率。解可逆绝热过程查过热水表汽表可知，初始状态1.57MPa，484℃时的蒸汽焓、熵值为H1=3437.5kJ/kg,S1=7.5035kJ/(kg·K)(参见例3-12)若蒸汽按绝热可逆膨胀，则是等熵过程，当膨胀至0.0687MPa时,熵为S´2=S1=7.5035kJ/(kg·K)查过热水蒸汽表0.035MPaHS0.07MPaHS0.0687MPaHS饱和蒸汽2631.47.71532660.07.4797100℃2684.47.86042680.07.53412658.97.48852680.27.5462HkJ/kgSkJ/(kg·K)2658.97.4885H2´7.50352680.27.5462P=0.0687MPa

此透平机实际输出轴功

依据稳流系统热力学第一定律得到实际状态2的焓为0.035MPaHS0.07MPaHS0.0687MPaHS120℃2723.17.96442719.97.63752720.07.6496160℃2800.68.15192798.27.82792798.37.8399HkJ/kgSkJ/(kg·K)2720.07.64962773.3S22798.37.8399或第五节（火用）（也称为有效能）

一、的概念体系总能量中，理论上能够转化为功的那部分能量称为；而理论上不能转化为功的能量称为（也称为无效能）。

是以平衡的环境状态为基准态，即做功能力为零的状态。二、的计算

系统在一定状态下的，就是系统从该状态变化到基态（环境状态）过程所作的理想功的负值。

稳流过程，从状态1变到状态2，过程的理想功为：

当系统由任意状态(P,T)变到基态(T0,P0)时稳流系统的EX为:

(1)机械能、电能的机械能和电能全部是，即

EX=W动能和位能也全部是。

（2）物理

物理是指系统的温度、压力等状态不同于环境而具有的有效能。化工生产中与热量传递有关的加热、冷却、冷凝过程，以及与压力变化有关的压缩膨胀等过程，只考虑物理。变温过程的热

热

温度为T的恒温热源的热量Q,按卡诺热机所能做的最大功计算：

压力对于理想气体每摩尔气体的压力

（3）化学

处于环境温度与压力下的系统，与环境之间进行物质交换（物理扩散或化学反应），最后达到与环境平衡，此过程所能做的最大功为化学。在计算化学时不但要确定环境的温度和压力，而且要指定基准物和浓度。例5-7比较l.013MPa、6.867MPa、8.611MPa的饱和蒸汽以及1.013MPa,573K的过热蒸气的大小。取环境状态P＝0.1013MPa、T0＝298.15K,并就计算结果对蒸气的合理利用加以讨论。解P/MPaT/K(H-H0)/kJ/kgEx/kJ/kg水0.1013298.15饱和蒸汽1.0134532671814过热蒸汽1.0135732948934饱和蒸汽6.868557.526701043饱和蒸汽8.61157326781092能量的合理利用原则：按质用能、按需供能！三、不可逆过程的（功）

损失及产生的原因：1、不可逆过程的（功）损失：

2、（功）损失产生的原因：（1）等压下温差传热造成（功）损失；2、（功）损失产生的原因：（2）功转化为热导致（功）损失。①压差损失；

（功）损失的原因都是能量的降退所致！②浓差损失；③自由焓差损失。（教材P123，例5-10）四、衡算及效率衡算方程损失效率普通效率：目的效率：（教材P126例5-12）分析法的步骤：1、根据需要确定被研究的体系（画图）；2、确定输入及输出各股物流、能流的工艺参数及热力学函数；3、计算各股物流、能流的；4、对体系进行衡算，求出损失和效率。衡算方程与普通能量衡算方程的区别（教材P126）（教材P130例5-15）《化妆品术语》起草情况汇报中国疾病预防控制中心环境与健康相关产品安全所一、标准的立项和下达时间2006年卫生部政法司要求各标委会都要建立自己的术语标准。1ONE二、标准经费标准研制经费：3.8万三、标准的立项意义术语标准有利于行业间技术交流、提高标准一致性、消除贸易误差，作为标准体系中的基础标准，术语标准在各个领域的标准体系中均起着重要的作用。随着我国化妆品卫生标准体系建设逐步加快，所涉及的术语和定义的数量也在迅速增长，在此情形下，化妆品术语标准的制定就显得尤为重要。四、标准的制订原则1.合法性遵守《化妆品卫生监督条例》、《化妆品卫生监督条例实施细则》中关于化妆品的定义。2.协调性直接引用或修改采用的方式，与相关标准中的术语和定义相协调。3.科学性对于没有国标或定义不统一的术语，在定义时体现科学性的原则。4.实用性在标准体系中出现频率较高，与行业联系较紧密的术语优先选用。五、标准的起草经过

第一阶段：资料搜集

搜集国内外相关法规、标准、文献并对国外文献如美国21CFR进行翻译。第二阶段：2007年末形成初稿

初稿内容包括一般术语、卫生化学术语、毒理学术语、微生物术语、产品术语、人体安全和功效评价术语，常用英文成份术语等７部分。第三阶段：专家统稿1.2007年12月第一次专家统稿会（修订情况：1.在结构上增加原料功能术语、相关国际组织和科研机构等内容；2.在内容上增加一般术语、产品术语的种类，将化妆品行业的新产品类别纳入本标准；3.对于毒理学、卫生化学、微生物学术语进行修改；4.删除与化妆品联系不紧密、无存在必要的常用英文成分术语。2.2009年1月第二次专家统稿会会议意见：1.修改能引用国家标准的尽量引用国家标准；对存在歧义的个别用词进行修改。2.删除由于本标准中的“产品术语”一章和香化协会所制定的某个标准存在重复，因此删除“产品术语”一章的内容；对“原料功能术语”的内容进行梳理，删除了20余条内容。3.增加专家建议增加“化妆品限用物质”等若干项术语。第四阶段：征求意见2009年2月面向全国公开征求意见。第五阶段：征求意见的处理与形成送审稿。在征求意见的处理阶段再次征求了相关专家的意见。六、标准的内容依据1.《化妆品卫生监督条例》、《化妆品卫生监督条例实施细则》;2.《化妆品卫生规范》;3.美国21CFR；4.相关领域国家标准如：GB5296.3-2008消费品使用说明化妆品通用标签，GB/T14666-2003分析化学术语等；5.国内外化妆品的相关文献，如《化妆品监督管理及