化工过程节能原理与技术 第4章化工过程火用分析课件

第四章化工过程火用分析

AnalysisofExergyofChemicalProcess2026/10/2716:531主要内容Exergy衡算方程火用损失火用衡算方程封闭系统的火用衡算方程式稳定流动系统的火用衡算方程式节能理论新进展可避免火用损失热经济学积累火用理论装置Exergy效率和损失系数火用效率基本形式火用效率的不同形式2026/10/2716:532热物理能量和Exergy物流显热能及Exergy的计算相变潜热的能量及Exergy的计算反应热效应及反应Exergy的计算散热能量及Exergy的计算4.1过程热效应的能量和Exergy石油化工过程涉及到许多物流，其能量和Exergy的计算是用能分析的基础。过程的热效应：热是物质大量分子不规则运动的宏观表现。热作为一个普遍现象存在于生产过程中，如物体升温吸热（降温放热）、相变化潜热、物质混合过程的热效应、化学反应热等，统称为过程的热效应。32026/10/2716:53物流显热能(SensibleHeat)显热:物流不发生化学变化和相变化，只是在加热或冷却过程中，物流温度发生变化而吸收或放出的热量。等容过程热：等于体系始态和终态的内能差。等压过程热：等于体系始态和终态的焓差。求取方法：由内能变化和焓变化求显热能。44.1.1物流显热能的能量和Exergy2026/10/2716:53热容量：物体温度每升高(或降低)一度所吸收(或放出)的热量。比热容（specificheat）：以单位质量或单位体积表示的热容量。比热容的一般表达式：5代入式（1）得比热容的一般表达式4.1.1物流显热能的能量和Exergy2026/10/2716:53等容比热：等容过程的比热。6定容过程

dv=0温度的函数。若为理想气体一般来说等容过程比热仅是T的函数。4.1.1物流显热能的能量和Exergy2026/10/2716:53定压比热严格来说Cp是T和P的函数。但当P不太高时，P对液相不可压缩流体的比热容影响很小，可认为是T的函数。7定压过程

dp=04.1.1物流显热能的能量和Exergy2026/10/2716:538若为理想气体理想气体的定压比热仅为T的函数。4.1.1物流显热能的能量和Exergy2026/10/2716:53定压比热的计算--1线性关系(如空气)多项非线性方程（烃类理想气体）式中，a、b、A～F均为比热容方程系数，可由石油炼制或石油化工数据手册查取。9比热容关联式多是由实验回归确定的，实验手段、回归方法不同，得出的关联式中的系数各异。使用时要谨慎选用！4.1.1物流显热能的能量和Exergy2026/10/2716:53定压比热的计算--2平均比热：指某一温度范围内热容的平均值。计算精度不很高时采用。若体系是混合物，在发生热量变化时各组分互不影响，则混合物的平均恒压摩尔热容为：是混合物某组分的摩尔分数是混合物某组分的平均恒压摩尔热容104.1.1物流显热能的能量和Exergy2026/10/2716:53等压过程热的计算利用真实比热容(truespecificheatcapacity)积分

114.1.1物流显热能的能量和Exergy2026/10/2716:53式中—等压过程热量，kW；

—等压过程比热，kJ/(kg·K)。等压过程热的计算利用平均比热容表(meanspecificheatcapacity)12T1,T2均为变量,制表太繁复，所以都以0度为基准4.1.1物流显热能的能量和Exergy2026/10/2716:53等容过程热的计算13式中——物流的质量流率，kg/s；

——等容过程热量，kW；

——等容热容,kJ/(kg·K)。4.1.1物流显热能的能量和Exergy2026/10/2716:53物流显热Exergy：

14Tm为物流温度与基准温度的对数平均值温度变化程度较小的情况,取物流温度与基准温度的算术平均温度。恒温热源如纯组分相变过程、高温工艺设备表面散热4.1.1物流显热能的能量和Exergy2026/10/2716:53Cp为定值时，可化简为:变温热源冷量Exergy

15式中为冷量，

为冷量平均温度。恒温：

4.1.1物流显热能的能量和Exergy2026/10/2716:53不是定值时：实际过程中物流比热容往往随体系T变化而变化。如石油馏分比热在0.4～0.9间变化。此时必须将物流比热关联式代入下式，积分求Exergy。4.1.2相变潜热的能量及Exergy相变(PhaseChange

)相-物理性质和化学性质完全相同且均匀的部分。相变-物质从一种相转变为另一种相的过程。按物质状态分：物质三态（固态、液态、气态）

162026/10/2716:53熔化、凝固汽化、冷疑升华、凝华4.1.2相变潜热的能量及Exergy固液相变熔化-熔化是指对物质进行加热，使物质从固态变成液态的过程。熔化需要吸收热量，是吸热过程。凝固-指在一定压强下，液态的晶体物质温度略微低于熔点时，微粒便规则地排列成为稳定的结构，由液体变为固体。液态晶体物质在凝固过程中放出热量，在凝固过程中其温度保持不变，直至液体全部变为晶体为止。172026/10/2716:534.1.2相变潜热的能量及Exergy气液相变汽化-物质从液态变为气态的相变过程：蒸发和沸腾。蒸发是在液体表面上发生的汽化现象，沸腾是当饱和蒸气压等于外界压强时发生在液体体内的汽化现象。汽化需要吸热。冷凝-多指两种或多种物理聚合所产生的物理反应。一般多指恒温或高温气体、液体遇冷而凝结的物理过程。冷凝放出热量。182026/10/2716:53压缩机冷凝器蒸发器膨胀阀排气管吸气管液管ABCD将制冷用的工质充灌在一个密封的系统内，液态工质经节流装置节流降压后，在蒸发器中等压汽化吸热，变为低温、低压蒸气，然后经过压缩机绝热压缩成高温高压蒸气，最后在冷凝器中液化放热，并再进入节流装置，从而完成一个制冷循环。4.1.2相变潜热的能量及Exergy气固相变升华-物质由于温差太大，从固态不经过液态直接变成气态的相变过程。升华需要吸热。凝华-物质跳过液态直接从气态变为固态的现象。凝华过程物质要放热。192026/10/2716:53云雪露雾雨霜（液化）（液化）（液化）（液化）（凝华）(凝华）常见的自然现象4.1.2相变潜热的能量及Exergy晶型转变化学组成相同的固体，在不同的热力学条件下，常会形成晶体结构不同的同质异构体或变体，这种现象叫同质多晶或同质多相现象。当温度和压力条件变化时，变体之间会发生相互转变，此称为晶型转变。晶型转变是相变的一种，也是最常见的一种固–固相变形式。212026/10/2716:534.1.2相变潜热的能量及Exergy相变潜热(LatentHeatwithPhaseChange

)恒温、恒压下物质由一相转变为另一相时，所放出或吸收的热量为物质的相变潜热；石油化工生产中相变过程有四类，相应的相变潜热为:熔化(或凝固)热(melt-solidification)汽化(或冷疑)热(evaporation-condensation)升华(或凝华)热(sublimation-desublimation)晶型转变热(crystalstructurechange)222026/10/2716:53相变潜热(LatentHeatwithPhaseChange

)相变潜热可用经验公式计算或查表。汽化与冷凝过程是石油工业最普遍的过程，汽化潜热的计算十分重要。汽化潜热：单位质量饱和介质定压汽化成饱和蒸气所需的热量，称为介质在该饱和温度下的汽化潜热。汽化过程压力越高，汽化潜热数值越小。定压汽化过程潜热等于饱和蒸气焓值与饱和液体焓值之差。234.1.2相变潜热的能量及Exergy2026/10/2716:53工程上计算汽化潜热的常用经验公式有三种:基斯佳科夫斯基公式涅伦斯特(Nernst)公式瓦松(Waston)经验式244.1.2相变潜热的能量及Exergy2026/10/2716:53汽化潜热的计算：基斯佳科夫斯基公式25式中——摩尔汽化潜热;——物质的正常沸点。此式可用以计算非极性或弱极性化合物在正常沸点的汽化热，最大误差<3％。如：CH4。4.1.2相变潜热的能量及Exergy2026/10/2716:53汽化潜热的计算：涅伦斯特(Nernst)公式瓦松(Waston)经验式26式中下角标1与2的H和T指两种温度下的汽化热与相应的对比温度Tr0。此式简单又准确，在离临界温度10K以外，平均误差仅为1.8%，故适于工程上计算汽化热随温度的变化。4.1.2相变潜热的能量及Exergy2026/10/2716:53274.1.2相变潜热的能量及Exergy2026/10/2716:53汽化潜热的计算：相变热数据手册多为常压沸点的数据。不同温度下相变热数值不同。设法找到相变热随温度变化的关联式。对烃类物质，在不同温度下汽化热可以采用瓦松经验式计算：28式中△HT——任意温度下的汽化热；

△Hb——常压沸点下的汽化热；Tc——物质的临界温度，K；Tb——物质的常压沸点，K；4.1.2相变潜热的能量及Exergy2026/10/2716:53汽化潜热的计算：热力学状态函数法：没有关联式和实验数据时，可由正常沸点汽化热求得所要求温度下的汽化热。P0,T0

汽P,T液P,T汽P0,T0

液△H1△H2△Hb△HT不同温度下物质汽化热计算图上述方法假定：①忽略压力对液体焓的影响；②气体可认为处于理想气体状态。任意温度下汽化热计算公式：利用状态函数的性质，设计出不同的途径以简化计算，这种方法称为热力学状态函数方法。4.1.2相变潜热的能量及Exergy2026/10/2716:53294.1.2相变潜热的能量及Exergy2026/10/2716:5330气相升华(sub)凝华熔化(fus)凝固固相固相晶型转变(trs)凝结蒸发(vap)液相冷凝潜热的计算：相变焓是相变前后状态函数的差，同样条件下两相反方向的相变焓互为负值。4.1.2相变潜热的能量及Exergy2026/10/2716:5331∵ΔvapHm(100℃)=Hm(g，100℃)－Hm(l，100℃)

∴Δ凝结Hm(100℃)=Hm(l，100℃)－

Hm(g，100℃)

=－

ΔvapHm(100℃)熔化热的计算：32式中常数：对于元素：2-3;

对于无机化合物：5-7；

对于有机化合物：9-11。

---固体物质的摩尔熔化热，cal/mol；---熔点，K。4.1.2相变潜热的能量及Exergy2026/10/2716:53相变热Exergy计算相变过程属于恒温过程，相变热Exergy：混合物的相变过程则为混合物泡点和露点之间的变温过程。特别是石油馏分组成复杂，泡点和露点相距甚远。石油馏分相变过程的温焓关系近似为直线。一般地讲，对于混合物相变过程，取其泡点和露点温度的算术平均值Tm代替上式中的T，可以满足工程误差要求。332026/10/2716:534.1.2相变潜热的能量及Exergy4.1.3反应热效应及反应Exergy反应热化学反应中物系与外界交换的热量。系统吸热为正，放热为负。反应物系与外界交换的功包含：有用功，容积变化功反应热效应化学反应在定温定容或定温定压下不可逆的进行，且没有做出有用功，这时的热效应称为反应热效应。定容热效应定压热效应反应热与反应热效应的区别：反应热是过程量，与反应过程有关热效应是定温反应过程中不作有用功时的反应热，是状态量342026/10/2716:531)已知组成的反应热效应计算定温定压反应的热效应等于反应前后物系的焓差：35--化学反应热效应；--反应物的焓；--生成物的焓。4.1.3反应热效应及反应Exergy2026/10/2716:53目前国内外反应热效应计算方法主要焓数据法(标准生成焓、标准燃烧焓)、盖斯定律法、基尔霍夫定律法等。任意反应aA+dD====xX+yYT,p2)利用盖斯定律间接求反应热效应盖斯定律：当反应前后物质的种类给定时，热效应只取决于反应前后的状态，与中间经历的反应途径无关。实际生产过程中往往同时发生多种热效应且条件多变，热量衡算比较复杂，而且有时查不到必要的热化学数据。根据盖斯定律，设计一种途径，利用现有图表的数据计算所需的数据，从而完成整个过程的热量衡算。36C+O2CO2CO+1/2O2Qp=△HT,p△H1△H24.1.3反应热效应及反应Exergy2026/10/2716:53始态终态CO用盖斯定律未免可行性太差？！目标求反应热效应？<解决方案>建立热化学数据库！标准生成焓标准燃烧焓离子标准生成焓溶解热和稀释热因为焓是状态函数(ΔrHº=H2º-H1º):利用物质的标准摩尔生成焓计算反应热效应，会既简单又快捷！思路标准摩尔生成焓Δf

Hmº在标准压力(100kPa)和指定温度下，由最稳定的单质生成1摩尔标准状态下的物质的反应焓变，定义为该温度下该物质的标准摩尔生成焓。符号：ΔfHmº(T)最稳定单质：该元素在给定温度和压力下，处于最稳定状态的单质。一般为298K某物质的生成反应问：这么麻烦！为什么？答：很简单！因为焓的绝对值我们不知道嘛！例如：物质CO2的生成反应为组成CO2的两种元素C、O最稳定单质C(石墨)

和氧气O2生成1molCO2的反应C(石墨)＋O2(g)＝CO2(g)ΔrHmº

CO2(g)的Δf

HmºNa2SO4生成反应：2Na(s)+S(s)+O2(g)=Na2SO4(s)3)根据物质的生成焓计算化学反应热效应:化合物生成热(△Hf):

由稳定状态的单质直接化合成lmol某化合物的热效应。标准生成热(△Hf0):

298.15K、1atm，由稳定状态的单质直接化合成lmol某化合物的热效应。化学反应标准反应热(△HR0):利用物质的标准生成焓数据，即由反应生成物的标准生成热之和与反应物标准生成热之和二者的差求得。424.1.3反应热效应及反应Exergy2026/10/2716:534)根据物质的燃烧热计算化学反应热效应:燃烧热：1mol燃料完全燃烧（与氧完全作用生成相应氧化物）时的定压热效应。燃烧热的绝对值称为燃料的“热值”。标准燃烧热(△Hc0):298.15K、1atm，1mol物质完全燃烧生成CO2(g)和H2O(L)时的热效应。如甲烷的标准燃烧热就是下述反应的反应热:燃烧热考虑的是反应物，生成热考虑的是生成物。只有当燃烧反应的反应物是单质(如碳)时,燃烧热的数值才等于生成热。434.1.3反应热效应及反应Exergy2026/10/2716:534)根据物质的燃烧热计算化学反应热效应:当反应前后的反应物和生成物均可与氧发生“燃烧”反应，且计算时是利用物质的标准燃烧焓数据，则反应物的标准燃烧焓之和，减去生成物的标准燃烧焓之和，也就是这一反应的标准反应热：444.1.3反应热效应及反应Exergy2026/10/2716:535)利用基尔霍夫定律求任意温度的反应热效应化工生产中大多数反应都不在298.15K进行，如何利用298.15K时的已有反应热数据求任意温度时反应的热效应？454.1.3反应热效应及反应Exergy2026/10/2716:53反应器TTaAbBTeEgGeE+GgTaA+BbT0eE+gGT0aA+BbT△H1△H2△HRT△HR0稳流热力学第一定律基尔霍夫定律5)利用基尔霍夫定律求任意温度的反应热效应基尔霍夫定律：将一般物质热容的经验公式代入，可得：应用上式，只要知道T0时的反应热，即可算出这个反应在任意温度T时的热效应。464.1.3反应热效应及反应Exergy2026/10/2716:53对于液体或固体：在压力不太高时，压力对液体的焓的影响一般可以忽略不计对于理想气体：焓不受压力影响，只与温度有关6)复杂反应的热效应计算：石油化工过程中有相当多的反应不知道反应物和产物的确切组成，不知道反应的种类和反应个数，因此，也难以由盖斯定律求出基准温度下的反应热。如炼油行业，反应物和产物多为成千上万个分子组成的复杂石油馏分，反应热的计算只有依靠实践中总结出来的经验公式，或通过设备热平衡计算确定。474.1.3反应热效应及反应Exergy2026/10/2716:536）复杂反应的热效应计算：对于有m个原料物流和n个产品物流，则由反应设备热平衡，得反应热为：按照石油化工过程的用能分析方法，在体系能量衡算中，不考虑反应物和产物的化学能计算，因而也避免了复杂的烃类物质化学能计算及由此造成的误差。48反应设备热平衡图反应设备∑EIj物流带入工艺供热蒸汽带入产品带出工艺取热（激冷）蒸汽带出设备散热反应热EHESI∑EpjECESOEDER进入物流的化学能–离开物流的化学能

=过程的反应热4.1.3反应热效应及反应Exergy2026/10/2716:537）化学反应Exergy化学Exergy：体系和环境由约束性平衡状态到达非约束性平衡状态所提供的最大有用功即为该体系的化学Exergy。即物系在环境的T0、p0下，由于组成与环境组成不同所具有的Ex。通常，体系由热平衡且力平衡的状态到达完全平衡的状态，须经化学反应与物理扩散两个过程。化学反应是将原体系的物质转化成环境物质（基准物）。物理扩散指原体系或经化学反应后生成物的浓度变到与环境中基准物浓度相同的过程。494.1.3反应热效应及反应Exergy2026/10/2716:537）化学反应Exergy计算物质的化学Ex需要确定环境中基准物的浓度和热力学状态。通用模型：斯蔡古特(Szargut)、龟山-吉田模型504.1.3反应热效应及反应Exergy2026/10/2716:53龟山-吉田环境模型：

环境T0＝298.15K(25℃)p0＝0.10133MPa(1atm)以1atm、25℃的饱和湿空气为基准物，其基准物的摩尔分数为：

N20.7560O20.2034H2O(g)0.0312CO20.0003

Ar0.0091He5.24×10-6Ne1.8×10-5

除以上七种物质外，其他元素均以在T0、p0下纯态最稳定的物质作为基准物。各种元素的基准物以元素周期表的形式给出。7）化学反应Exergy514.1.3反应热效应及反应Exergy2026/10/2716:53目前国内外化学反应Ex计算方法主要包括基准反应法与焓、熵数据法。任意反应aA+bB====cC+dDT,p稳流体系Exergy：7）化学反应Exergy524.1.3反应热效应及反应Exergy2026/10/2716:53龟山-吉田环境模型：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、生成物均为p0、T0下的纯物质。

（1）元素的标准化学Exc元素的标准化学Exergy：在规定的环境模型中，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。基准物的化学Exergy为零。元素的化学Exergy：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。纯物质的标准化学Exc指纯物质在温度、压力与自然环境相等时的摩尔化学Ex，用E0x,ch,i

(可简写为Ei0)表示①死态物质(单质大气成分)的标准化学Exc纯物质i气相T0,p0Ei0,Vi大气中i(气)T0

p0i＝p0yi大气Ei,死态＝0,Vi,死态等温扩散

∆Ex,扩散

（2）纯物质的标准化学Exc（单质与化合物）即死态物质(纯i)的标准化学Exc等于此物质扩散到浓度与环境相等时的扩散Ex。②非死态物质(非大气成分)的标准化学Exc通过有关化学反应来计算有一反应物质A1ν1molE10物质A2ν2molE20物质A3ν3molE30物质A4ν4molE40＋

＋25℃1atm当T=cons.时

当稳流过程是在自然环境的温度T0下进行时有

对稳流过程有

②非死态物质(非大气成分)的标准化学Exc

当反应是在25℃,1atm下进行时,则有即反应的标准化学Exc变化等于反应的标准Gibbs自由焓变化。由物化知，∆G0可利用物质的标准生成Gibbs自由焓计算。物质在298K的标准生成Gibbs自由焓值一般手册中都可以查到。②非死态物质(非大气成分)的标准化学Exc②非死态物质(非大气成分)的标准化学Exc纯态化合物的标准摩尔化学Ex等于组成化合物的单质的标准化学Ex与生成化合物的化学反应的标准化学Exc变化之和。——化合物i的标准生成Gibbs自由焓——某化合物i的标准化学Ex——元素(单质)j的标准摩尔化学Exνj——化合物中单质j的计量系数ΔG小于0，生成反应过程最大功大于0，即对外供能，此时化合物标准摩尔化学Exergy小于单质标准摩尔化学Exergy之和。试用龟山－吉田环境模型求甲烷CH4气体的标准化学。解：甲烷的生成反应方程式为：C+2H2CH4查的甲烷的标准生成自由焓元素碳的标准摩尔化学Exc元素氢的标准摩尔化学Exc2026/10/2716:5359例2-84.1.3反应热效应及反应Exergy附录中给出了用龟山-吉田模型计算的元素标准化学Ex。表中各元素化学Ex的值是在环境温度T0=298.15K，p0=0.10133MPa的环境状态下求出来的。如果环境温度不是298.15K，则元素的化学Ex应引入温度修正系数ξ进行修正：对理想气体混合物，有：上式适用于理想气体混合物和理想溶液。(3)混合物的标准化学Exc若为非理想溶液，则：(4)熵焓数据法确定标准化学Exc式中：ΔH0为标准态下，化学反应过程的焓变，即标准反应热ΔS0为标准态下，化学反应过程的熵变在标准态（298.15K，1atm）进行反应时任意反应aA+bB====cC+dDT,p例2-5在298.15K和1atm下，CO和O2进行燃烧反应生成CO2。反应前反应物不混合，试求此化学反应的最大反应有用功。解：CO＋O2/2CO2查标准热力学数据表，得组分ΔHof/(kJ/kmol)So/[kJ/(kmol•K)]CO(气）－1.1052x105197.91O2(气）0205.03CO2(气）－393510

213.642026/10/2716:53634.1.3反应热效应及反应Exergy总能量ΔH：282990kJ，其中有用功257118kJ（90.9％）

An为

25875kJ（9.1％）2026/10/2716:53642026/10/2716:5365298.15K1atm变温变压无反应基准状态化学反应反应物变温变压生成物变温变压无反应实际化学反应变温变压：反应物和生成物温度和压力不同。反应物生成物(4)熵焓数据法确定标准化学Exc对于液体或固体：在压力不太高时，压力对液体的焓的影响一般可以忽略不计对于理想气体：焓不受压力影响，只与温度有关对于液体、固体和理想气体：熵同时受温度和压力影响化学反应过程的熵变计算(1)在标准压力1atm下，298.15K时，各物质的标准摩尔熵值有表可查。根据化学反应计量方程，可以计算反应进度为1mol时的熵变值。(2)在标准压力1atm下，求反应温度T时的熵变值。298.15K时的熵变值从查表得到：67化学反应过程的熵变计算(3)在298.15K时，求反应压力为p时的熵变。标准压力1atm下的熵变值查表可得对于理想气体典型工况：混合物化学反应Exc、反应物及生成物中含有大气组分的化学反应Exc等例2-7试用龟山－吉田环境模型求碳（石墨）的标准化学Ex。解：基准反应为

C＋O2

CO2标准态：环境温度T0＝298.15K，pO2＝20.34kPa、pCO2＝30Pa。标准生成焓和标准熵

(ΔHf0)i/(kJ/kmol)Si0/[kJ/kmol•K)]C0

5.69O20

205.03CO2-393800

213.642026/10/2716:53684.1.3反应热效应及反应Exergy298.15K和1atm则根据公式：2026/10/2716:5369修正熵4.1.3反应热效应及反应Exergy燃料的化学Exergy：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态所能作出的最大有用功。又称为燃料Exergy

。2026/10/2716:5370（5）燃料的化学Exergy化学反应系统EFEO2Wamax燃料的化学Exergy在数值上极其接近热值。4.1.3反应热效应及反应Exergy计算C2H4燃料的标准化学Exergy。解：C2H4+3O2

2CO2

＋2H2O反应的自由焓为查得：(ΔGf0)C2H4=68.17kJ/mol，(ΔGf0)CO2=-394.6kJ/mol，

液态水的(ΔGf0)H2O=-237.4kJ/mol，(ΔGf0)O2=0，O2的扩散ExergyEO2＝3.95kJ/mol，

CO2的扩散Exergy

ECO2＝20.1kJ/mol所以C2H4的化学Exergy为：（5）燃料的化学Exergy724.1.3反应热效应及反应Exergy2026/10/2716:53复杂过程的反应Exergy估算由于石油化工过程反应物和产物的复杂性，难以准确测知反应物和产物组成，因此无法应用上述方法进行计算。一般可通过反应设备的热衡算或经验数据估算反应热。对于标准态下的反应Exergy，与反应热相比小得多，故可忽略。标准态下化学反应exergy就等于化学反应系统自由焓的变化。对于下的反应Exergy，无论放热还是吸热反应，都改变了反应物的化学结构。反应Exergy可以认为近似等于反应热，而把反应放热进入体系产生的Exergy损归于过程Exergy损的范畴。4.1.4散热能量及Exergy在石油化工厂用能分析中，设备表面散热的测定和计算占有重要的地位。把进出两方能量的差值归诸于散热的处理方法，不能正面反映散热损失的实际状况，并且常常掩盖进出各项能量统计、核算中的误差。目前实用的散热计算方法很不统一、误差较大，有必要统一和改进。732026/10/2716:53散热量的计算：表面散热包括辐射、温差引起的自然对流、空气流动(风)引起的强制对流三种方式，总散热量为这三部分热量之和。散热量由表面散热方程计算：744.1.4散热能量及Exergy2026/10/2716:53式中：——对流、辐射联合传热系数；——散热外表面积；——分别为设备表面温度和环境温度。联合传热系数的计算：联合传热系数概括了上述三种传热方式，严格关联式比较冗繁。热工计算中常用下式：该式仅关联了风速w(m/s)，考虑强制对流，而把温差引起的辐射和自然对流视为常数，比较粗略。另一个常用的算式为：该式包括了温差引起的辐射和对流的影响。但作简化处理：①把辐射的四次方定律处理为指数关系，温差范围为100℃左右；②强制对流的影响是按300～500mm散热表面外径处理的。当表面外径和温差偏离上述条件较远时，误差较大。754.1.4散热能量及Exergy2026/10/2716:53联合传热系数的计算：由辐射、自然对流、强制对流三种传热方式的传热系数关联式直接导出的精确关联式：由上式绘成速算图，由风速、表面与环境温差、散热外径，迅速查出联合传热系数。764.1.4散热能量及Exergy2026/10/2716:53式中、——分别为表面温度和环境温度，K；

D——散热外径，m。774.1.4散热能量及Exergy2026/10/2716:53例：求某设备表面散热系数。该设备保温外径为500mm,设备表面温度与环境温度之差为150℃，风速为2m/s。时，需要校正。784.1.4散热能量及Exergy2026/10/2716:53

时，用右图校正。

时，直接加上校正值散热Exergy损

为设备内部流体温度。当流体温度变化时，取特性温度。换热器：取两流体的特性温度。加热炉：取辐射段顶部温度。分馏塔：塔底、塔顶温度计算特性温度。管线：温降大时，分段计算。

不应按表面温度计算散热exergy损，因为温度从降到的exergy损也是由于散热产生的。794.1.4散热能量及Exergy2026/10/2716:534.2

Ex损失和Ex衡算方程式在任何可逆过程中，Ex的总量保持不变，即不发生Ex向An的转变。在任何不可逆过程中，必然发生Ex向An的转变，Ex的总量减少。输入系统的Ex＝输出系统的Ex＋系统Ex的变化＋

Ex损失Ex衡算方程式2026/10/2716:5380火用损失：不可逆过程中火用的减少量4.2.1封闭系统的Ex衡算方程式封闭系统热源THQ，EQWA，EWW0=P0(V2-V1)ELQ0EQ0＝0EW0＝0状态122026/10/2716:5381Ex平衡方程式中系统从12输出的有用功为Ex损失系统从12输出的有用功为不可逆时：可逆时：2026/10/2716:53824.2.1封闭系统的Ex衡算方程式不可逆过程作出的实际有用功必小于相同条件下可逆过程的最大有用功Ex损失：系统由于不可逆性引起的能够作出最大有用功的减少对于热源，熵增量：对于环境，熵增量：Ex损失：Ex损失产生的来源：EL对于系统，熵增量：2026/10/2716:53834.2.1封闭系统的Ex衡算方程式能量方程EQ0＝0封闭系统热源THQ，EQWA，EWW0=P0(V2-V1)ELQ0EW0＝0不可逆过程：环境、热源和系统的熵增量之和4.2.2

稳定流动系统的Ex衡算方程式稳定流动系统热源THQ，EQWA，EWELQ0EQ0＝0H2,Eh2H1,Eh12026/10/2716:5384能量方程Ex平衡方程稳定流动系统热源给加热系统的热量火用：物流焓流差：4.2.2

稳定流动系统的Ex衡算方程式Q，EQ稳定流动系统热源THWA，EWELQ0EQ0＝0H2,Eh2H1,Eh12026/10/2716:5385Ex平衡方程Ex损失：多股稳定流体、多个热源：1）有限温差传热过程高温流体T1

损失火用2026/10/2716:5386换热器T4T2低温流体T3温差越大，Ex损失越大。T0TST-S图1234

损失△S1△S2△Sg2)绝热节流过程12S1S2TS理想气体的节流过程T-S

图

损失2026/10/2716:5387Ex平衡关系Ex损失能量平衡关系H1=H2T03)不可逆绝热压缩过程122026/10/2716:5388Ex1+W

=Ex2+ElEl=Exin–Exout=Ex1

+W–Ex2

Ex平衡关系Ex损失能量平衡关系T0TST-S图12

损失p1p2H1+W=H24)不可逆绝热膨胀过程122026/10/2716:5389Ex1

=Ex2

+W+ElEl=Exin–Exout=Ex1–Ex2-WEx平衡关系Ex损失能量平衡关系T0TST-S图12

损失p1p2H1

=H2+W90例2-10初态为400kPa、37℃的氮气绝热流经一阀门，节流到110kPa。设环境大气的温度为17℃，试求:(1）节流过程引起的Ex损失；（2）氮气在初终态之间能够作出的最大有用功；（3）当在初终态间进行一可逆定温过程时作出的有用功。2026/10/2716:531)节流Ex损失(kJ/kg)2)最大有用功(kJ/kg)3)可逆定温过程的有用功(kJ/kg)4.3装置的Ex效率和Ex损失系数

4.3.1Ex效率一般定义2026/10/2716:53914.3.4Ex效率与热效率区别4.3.2Ex效率不同形式4.3.3常用设备或过程的Ex效率2026/10/2716:5392不可逆过程引起的EX损失：实现生产活动：能量中有足够的EX。能量的合理利用就是能量中EX的合理利用。减少EX的损失是节能的关键。4.3.1Ex效率一般定义用来衡量热力学完善程度；EX效率的由来？EX损失能够衡量给定过程的热力学完善程度，不能评价不同过程或不同设备的热力学完善程度或Ex利用程度。EX损系数2026/10/2716:5393EX效率：利用份额接近理想过程的程度热力学完善度4.3.1Ex效率一般定义EX损系数：损失份额利用EX平衡方程式分析某些系统的EX损失，揭示其EX损失的部位、大小和原因，为改善过程的能量利用指出方向和途径，这是进行EX分析的主要目的。2026/10/2716:53944.3.2不同形式Ex效率命题：

输入EX之和是耗费EX；输出EX之和是收益EX。（×）稳定流动系统EA+EB+EC+EA-EB-EC-EL遵守Ex衡算方程耗费Ex和收益Ex必须包含所有输入Ex和输出Ex任一项输入Ex和输出Ex只能在耗费Ex和收益Ex出现一次首先列出Ex衡算方程后，再根据所研究系统的具体功能分析耗费Ex和收益Ex组成2026/10/2716:53954.3.2不同形式Ex效率稳定流动系统EA+EB+EC+EA-EB-EC-ELEx源AEx副收益户CEx主收益户BEx衡算方程Ex总效率Ex目的效率，更常用2026/10/2716:53964.3.3常用设备或过程Ex效率1）换热器高温流体E1+换热器低温流体E2+E1-E2-ELEx衡算方程Ex效率2026/10/2716:53974.3.3常用设备或过程Ex效率2）透平Ex衡算方程Ex效率背压式透平凝汽式透平2026/10/2716:53984.3.3常用设备或过程Ex效率3）压缩机或泵Ex衡算方程Ex效率2026/10/2716:53994.3.3常用设备或过程Ex效率4）锅炉或加热炉Ex衡算方程Ex效率锅炉/加热炉E1E2ELEF2026/10/2716:531004.3.3常用设备或过程Ex效率5）节流阀Ex衡算方程Ex效率E1节流阀E2EL2026/10/2716:53101EX效率：热力学第二定律，质量4.3.4Ex效率与热效率区别热效率：热力学第一定律，数量EX效率从能力的质来评价过程的优劣，用热力学上等价的能量进行评价，成为评价各种实际过程热力学完善程度的统一标准。热效率ηQ热机效率ηH

效率ηEXEx试导出电热水器效率与效率（ηe）的数学表达式。设电热水器绝热良好，通过器壁向环境散失的热量为0。并求当T1＝T0＝25oC，ΔT＝50oC时的热效率和效率。解：电热水器的能量方程为ΔH＝Q＝N（电功率）

ΔH＝mcp

ΔT则（第一定律的）热效率ηt

＝mcp

Δt/N=1

E收益＝ΔH－T0ΔS＝mcp[ΔT－T0ln(T2/T1）]

E耗费＝N所以ηe

＝E收益/E耗费＝mcp[ΔT－T0ln（T2/T1）]＝ηt[1-T0ln（T2/T1)/ΔT]

ηt＝1

ηe＝1－298.15ln(348.15/298.15)/50＝0.0755效率2026/10/2716:531024.3.2Ex效率与热效率区别4.4

节能热力学分析方法总结2026/10/2716:53103一、过程热力学分析：用热力学的基本原理来分析和评价过程基本任务，确定过程中能量或Ex损失大小、原因及分布情况，确定过程的效率，为确定节能措施、实现过程最佳化提供依据。二、三种过程热力学分析法：能量衡算法、熵分析法、Ex分析法热力学第一定律热力学第二定律4.4

节能热力学分析方法总结2026/10/2716:531041、能量衡算法：通过物料与能量衡算，确定过程的排出能量与能量利用率，可求出设备的散热损失、理论热负荷、可回收的余热量，电力损失的发热量等。能量衡算法计算顺序：单体设备

整个系统例1设有合成氨厂二段炉出口高温转化气余热利用装置，见图，转化气进入废热锅炉的温度为1000℃，离开时为380℃，其流量为5160Nm3(tNH3)-1，可以忽略降温过程中压力变化。废热锅炉产生4MPa、430℃

的过热蒸汽，蒸汽通过透平作功。离开透平乏汽的压力为0.01235MPa，其干度为0.9853。转化气在有关温度范围的平均等压热容为36kJ·kmol·K-1。乏汽进入冷凝器用30℃的冷却水冷凝，冷凝水用水泵打入锅炉进入锅炉的水温为50℃，试用能量衡算法计算此余热利用装置的热效率。转化气余热利用装置透平1•4•3••泵废热锅炉冷凝器2••••6587冷却水冷却水解：根据水蒸气表和已知状态点参数，查得各状态点有关参数为：状态点压力/MPa温度/°C

h/kJ·kg-1s/kJ·kg-1·K-110.0123550209.330.7038024.0004303283.66.869430.01235502557.07.967940.0123550209.330.7038070.1013330125.790.43690以1吨氨为计算基准，忽略有关设备的热损失和水泵消耗功。（1）求产汽量G对废热锅炉进行能量衡算，忽略热损失，则有：其中：水汽化吸热：（2）计算透平作功对透平机进行能量衡算，忽略热损失，则有：（3）计算冷却水吸收热对冷凝器进行能量衡算，忽略热损失，则有：（4）计算热效率转化气余热回收装置能量衡算表输入/kJ·（tNH3）-1%输出/kJ·（tNH3）-1%高温气余热5.1416106100透平作功1.215210623.63冷却水带热3.926210676.37合计51416106100.00能量损失在冷凝器2、熵分析法：通过计算不可过程的熵产生量，确定过程的有效能损失和热力学效率。即以第一定律和第二定律为基础，通过物料和能量衡算，计算理想功和损失功，求出过程的热力学效率。例2试用熵分析法评价其能量利用情况。解：以每吨氨为计算基准（2）转化气降温过程的理想功（1）由物料和能量衡算和例1得：熵分析法特点：优点：能正确指出有效能损失的薄弱环节，指明正确的节能方向。缺点：只能求出体系内部不可逆有效能损失，无法计算排出体系的物流有效能。（3）计算有效能损失即损耗功，以整个装置为体系，忽略热损失。每个设备的损耗功也可分别计算：（4）整个装置的热力学效率（5）单个设备的的热力学效率废热锅炉：透平机：冷凝器：有效能平衡情况项目输入/kJ·（tNH3）-1%输出/kJ·（tNH3）-1%理想功3.464106100输出功WS1.215210635.1损耗功1.44710641.80.556710616.10.24521067.1小计2.24910664.9合计3.4641061003.464

106100.00有效能损失分布单体设备热力学效率/kJ·（tNH3）-1%废热锅炉0.5821.44710664.3透平机0.6860.566710624.8冷凝器00.245210610.9合计2.249106100能量损失的主要原因是不可逆引起的有效能损失。3、Ex分析法：通过Ex平衡确定过程的Ex损失、Ex效率。分析步骤：C、用Ex平衡确定Ex损失B、计算物流Ex和热ExA、确定出入体系各物流量、热流量和功流量以及各物流的状态参数；D、确定Ex效率解：以每吨氨为计算基准（1）物料衡算和能量衡算见例1（2）计算各物流Ex，环境条件取序号状态压力/MPa温度/℃h/kJ·kg-1s/kJ·kg-1·K-1eX/kJ·kg-11液态水0.0123550209.330.703802.6992过热蒸汽4.0004303283.66.869412093湿蒸汽0.01235502557.07.9679149.34饱和水0.0123550209.330.70382.6990基准态水0.1013330125.790.43690转化气的物理Ex计算：（3）计算Ex损失以整个装置为体系忽略各设备热损失，，冷却水所携带有效能很难利用，可以忽略。（4）计算各设备有效能损失

A、废热锅炉：忽略热损失，无功交换WS=0B、透平机：C、冷凝器：WS=0

（5）整个装置的热力学效率和Ex效率（6）Ex衡算结果项目输入Ex/kJ·（tNH3）-1%输出Ex/kJ·（tNH3）-1%进口转化气4.437106100透平作功WS1.215210627.38出口转化气0.973110621.93不可逆损耗1.44710632.610.556710612.550.24521065.53小计2.24910650.69合计4.4371061004.437106100.00转化气余热回收装置Ex衡算表（7）单体设备的Ex效率

A、废热锅炉：

B、透平机：

C、冷凝器：项目能量衡算法熵分析法与Ex分析法区别理论依据以热力学第一定律为指导以能量方程式为依据，以能量转换的数量关系来评价过程和装置在能量利用上的完善性。以热力学第二定律以及一二定律的结合为指导，以损失功基本方程式和Ex平衡方程式为依据，从能量的品位和Ex的利用程度来评价过程和装置在能量利用上的完善性。评价指标热效率损失功和Ex效率作用可以知道能量在数量上的利用率，指出由于散热、废气、废液、废渣排放等损失的热量以及随工艺物流能流带走的能量，但它不能揭示过程不可逆而引起的能量损耗，即热效率的高低不足以说明过程和装置在能量利用上的完善程度，不能正确指导节能工作。不仅可以揭示由于“三废”散热散冷等引起的有效能损失，以及工艺物流、能流所带走