第7章 化工过程能量分析.ppt

1、第7章 化工过程能量分析,7.1 能量守恒与转化热力学第一定律,主要内容,基本概念 稳定流动系统热力学第一定律表达式 稳流系统热力学第一定律应用,基本概念,1.体系与环境 体系（system）：被划定的研究对象称为体系，也称为系统或物系。 环境（Surroundings）：与体系密切相关的，有相互作用或者影响的其余部分。,2.体系分类： 根据体系与环境的关系，将体系分为三类： （1）敞开体系,体系与环境既有物质交换，又有能量交换,（2）封闭体系,体系与环境没有物质交换，有能量交换,基本概念,（3）孤立体系,体系与环境既无物质交换，又无能量交换。又被称为隔离体系。 有时又把封闭体系和环境一起作为

2、孤立体系研究,基本概念,3.状态和状态函数 状态：指某一瞬间体系所呈现的宏观状况； 状态函数：体系某些宏观热力学性质是所处状态的单值函数，称为状态函数。如p、V、T、U、H、A、G 状态一定值一定，殊途同归值变等，周而复始变化零,基本概念,4.过程： 指体系从一个平衡状态到另一个平衡状态的转换。 描述一个过程一般包括：始态、末态、途径,基本概念,5.热和功 （1）热和功不是状态函数，它们与经历的途径有关； （2）它们只是能量的传递形式，而不是储存形式。当能量以热和功的形式传入体系后，增加的是物质的能量。 （3）符号规定： Q:体系吸热为正，放热为负 W:体系得功为正，做功为负,基本概念,能量的

3、形式,化工过程涉及到的能量有两大类：物质的能量和能量的传递。 物质的能量（以1kg为基准） 热力学能：U=f（T，p，x），分子尺度层面上的物质内部 的能量 动能：EK=1/2u2 势能（位能）：Ep=gZ 能量的传递： 热:Q 功:W,热力学第一定律,热力学第一定律能量守恒和转换定律：自然界中的一切物质都具有能量，能量有不同的形式，能量不可能被创造也不可能被消灭，而只能在一定条件下从一种形式转变为另一种形式，在转变过程中总能量是守恒的。,稳定流动系统,敞开体系：体系和环境有物质和能量的交换 流动过程有如下特点 （1）设备内各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。,

4、p1,T1,V1,U1,p2,T2,V2,U2,A1,A2,Q,WS,Z1,Z2,u2,u1,U Ek+ Ep Q+W,稳流系统热力学第一定律,单位：J/kg,化工中常见的稳流装置,稳流系统热力学第一定律的应用,（1）流体通过压缩机、膨胀机、透平等设备,若与环境绝热，或热交换相对较小，可以得到：,H1,H2,高温高压蒸汽带动透平做功,稳流系统热力学第一定律的应用,（2）流体流经换热器、反应器等传质设备,用于精馏、蒸发等过程换热器的设计。,当通过反应器、换热器时，体系发生反应、相变化、温度变化,（3）流体通过节流阀门或多孔塞，如节流膨胀过程或绝热闪蒸过程,稳流系统热力学第一定律的应用,如：冷冻过

5、程通过节流阀，焓未变，通过等焓线，但温度降低。,稳流系统热力学第一定律的应用,（4）流体通过喷管获得高速气体（超音速）,或者通过扩压管,例如：火箭、化工生产中的喷射器,稳流系统热力学第一定律的应用,（5）伯努利（Bernoulli）方程,对于没有摩擦的流体流动过程，可以视为可逆过程,V是单位质量的体积,微分,无轴功，积分,例题,30的空气，以5m/s的速率流过一个垂直安装的换热器，被加热至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，空气的恒压平均热容为 试求50kg空气从换热器吸收的热量。,思考题,1. 从稳定流动系统的热力学第一定律简化，能否得到物化课程中学

6、习的封闭系统的热力学第一定律，怎样简化？ 2. 从能量利用的角度分析：在夏天，打开冰箱门来降低房间的温度合适吗？,7.2 能量的质量和级别,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,热力学第二定律说明自发过程具有一定的方向性，而不是按照任意方向进行,第一定律告诉我们能量必须守衡，但没有说明过程发生的方向。 第二定律告诉我们过程进行的方向。,热力学第二定律的各种文字表述,克劳修斯说法：热不可能自动从低温物体传给高温物体 开尔文说法：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,自发的过程是不可逆的,热机的热效率,火力发电厂的热效率大约为35%,卡诺热机的效率,热与功

7、不等价,熵的概念,无限小的可逆的卡诺热机有：,任意的可逆循环,可逆热温商-熵,熵是状态函数,孤立体系,熵增原理,或：S系统 S环境 0,= 0，可逆, 0，不可逆,熵增原理,熵是表征系统混乱程度的量度；自然界的自发过程都是从有序到无序；即自然界中的自发过程向熵值增大的方向进行； 热力学第一定律阐述了能量的数量恒定，但能量的品位（即各种不同形式的能量做功的能力）要降低；熵值的增加是能量品位降低的结果； 热力学第二定律不同说法均表达：自然界中自发的过程是不可逆的，是熵增大的过程。,熵与熵增原理,熵产生是由于过程的不可逆性而引起的那部分熵变。,熵产生,熵产生,封闭系统,熵产生减少了系统对外做功的能力

8、。熵产生越大，造成能量品位降低越多。,如：原来可以变为功的那部分能量变成了我们不能利用的热，从而产生了熵,熵平衡,Q,W,熵的积累（过程熵变）,稳流系统,=0,封闭系统,熵平衡方程如同质量能量平衡方程和质量平衡方程，过程必须满足； 可根据一个过程（或系统）熵产生的计算，对该过程进行能量分析,能量的质量和级别,根据热力学第二定律，热和功不等价。功能全部转化为热，而热不能全部转变为功； 将功作为度量能量质量高低的量度，将能量分为三类： 高级能量：能全部转化为功的能量 低级能量：不能全部转化为功的能量 僵态能量：完全不能转化为功的能量 由高级能量变为低级的能量则称为能量品位的降低，即意味着能量做功能

9、力的损耗,7.3 理想功、损失功、有效能,理想功,理想功是在一定环境条件下，系统发生完全可逆过程时，理论上可能产生的（或消耗的）有用功。数值上讲，指可能产生的最大功或消耗的最小功； 所谓完全可逆过程包含以下两方面的含义： （1）系统内发生的所有变化都必须可逆 （2）系统与环境之间的相互作用也是可逆进行；,（1）封闭体系 （2）稳流系统,体积功,动能和势能忽略,理想功实际上是一个理论上的极限值，在与实际过程一样的始终态下，通常作为评价实际过程能量利用率的标准； 理想功与可逆功是有所区别的； 理想功的大小与体系的始终态以及环境条件有关。 产出的理想功是最大功，耗功过程的理想功是最小功,理想功,理想

10、功与实际功之差称为损失功 稳流体系 理想功：,损失功,（忽略动能和势能）,损失功：,理想功在实际功中所占比例为热力学效率 做功过程： 耗功过程：,热力学效率,有效能,体系在一定的状态下的有效能，就是系统从该状态变化到基态的过程中所做的理想功。用Ex表示。Available Energy（火用）； 基态通常指环境状态（T0，p0），在热力学上称为热力学死态； 有效能与理想功的关系为： 有效能分为物理有效能和化学有效能；,系统温度和压力不同于基态,物质组成不同于基态而发生物质交换或化学反应,有效能效率,有效能效率指输出的有效能与输入的有效能之比。,有效能损失,例:设有压力为1.013MPa、6.8

11、68MPa、8.611MPa的饱和蒸汽以及1.013MPa，573K的过热蒸汽,若这四种蒸汽都经过充分利用，最后排出0.1013MPa,298K的冷凝水。试比较每蒸汽的有效能和所能放出的热，并就计算结果对蒸汽的合理利用加以讨论。,例:设有一逆流换热器，利用废热加热空气。105Pa的空气由20 被加热到125 ，空气的流量为1.5kg/s，而1.3105Pa的废气从250 冷却到95 。空气的等压热容为1.04kJ/(kgK)，废气的等压热容为0.84kJ /(kgK) ，假定空气与废气通过换热器的压力与动能变化可忽略不计，而且换热器与环境无热量交换，环境状态为105Pa和20 。 试求（1）换

12、热器中不可逆传热的有效能损失； （2）换热器的有效能效率。,7.4化工过程能量的热力学分析方法及合理用能,2003年，中国消耗了全球30的主要能源和原材料，但是创造的GDP仅占世界的4。,在化工产品成本中，能源所占比例很大，一般占成本的2030，能耗高的产品可达7080，因此，化工节能有特殊重要的意义。,化工过程的能量分析,过程的热力学分析,用热力学的方法，对过程中能量的转化、传递、使用和损失情况进行分析，揭示能量消耗的大小、原因和部位，为改进过程、提高能量利用效率指出方向和方法。 用最小的能量消耗，获得最大的经济效益。,能量衡算法：从热力学第一定律出发，对系统的能量进行衡算； 理想功、损失功

13、和热力学效率法：以热力学第一定律和第二定律为基础，指出能量在数量和品位上的损失； 有效能衡算和有效能效率法：热力学第一定律和第二定律相结合，以数值查明不可逆损失的来源与大小,热力学分析的三种方法,设有合成氨厂二段炉出口高温转化气余热利用装置，如图所示。转化气进入废热锅炉的温度为1273K，离开时为653K，其流量为5160Nm3/tNH3. 降温过程压力变化可以忽略。废热锅炉产生4MPa、703K的过热蒸汽，蒸汽通过透平作功。离开透平乏汽压力p3为0.01235MPa,其焓为2557.0kJ/kg。在有关温度范围内，转化气的平均等压热容为36kJ/(kmol K）。乏汽进入冷凝器用303K的冷却水冷凝，冷凝水用水泵打入锅炉。进入锅炉的水温为323K。试分别用能量衡算法和有效能分析法评价其能量利用情况。,某工厂高压蒸汽系统副产中压冷凝水，产量为3500kgh-1.这些中压冷凝水一般要经过闪蒸，以产生低压蒸汽，回收利用，闪蒸器与外界环境（298.15K）没有热交换。共有三种方案，已知的参数见图。试用有效能法进行能量的热力学分析。,有效能损失：E3E1E2 （1）中间换热器的