化工热力学（第三版）第6章化工过程的能量分析.ppt

1、6 化工过程的能量分析,化工热力学,熵方程,6.2,理想功、损失功及热力学效率,6.3,能量平衡方程及其应用,6.1,6 化工过程的能量分析,与 ,6.4,化工过程与系统的分析,6.6,衡算及 效率,6.5,6.1 能量平衡方程及其应用,1,2,能量守恒与转化,能量平衡方程,3,能量平衡方程的应用,6.1.1 能量守恒与转化,就热力学的观点，功和热是转移中的能量，是不能贮存在体系之内的。体系与环境间由于温差而传递的能量称为热Q。在除温差之外的其他推动力影响下，体系与环境间传递的能量称为功W。 如 分别代表体系始、终态的总能量，则,6.1.2 能量平衡方程,6.1.2 能量平衡方程,对敞开体系而

2、言，若体系内没有发生化学反应，对体系进行质量恒算，则 再根据能量守恒原理，则得 进入体系的能量离开体系的能量体系内积累的能量,6.1.2 能量平衡方程,写成微分式，则为 移项后得 所以,6.1.2 能量平衡方程,将式（6-5）代入式（6-4），得 单位质量的物料的总能量 将式（6-7）代入式（6-6），得 因H=U+pV ，式（6-8）可写为,6.1.3 能量平衡方程的应用,（1） 封闭体系 封闭体系是指体系与环境之间的界面不允许传递物质， 而只有能量交换，即 于是能量方程式（6-9）变成,6.1.3 能量平衡方程的应用,6.1.3 能量平衡方程的应用,（2）稳态流动体系 所谓稳态流动过程是指

3、物料连续地通过设备，进入和流出的质量流率在任何时刻都完全相等，体系中任一点的热力学性质都不随时间而变，体系没有物质及能量的积累，即,6.1.3 能量平衡方程的应用,于是，将敞开体系的能量方程用于稳流体系，式（6-9）简化为 积分上式，并以m相除，得到单位质量的稳流体系的能量方程式 或写成,6.1.3 能量平衡方程的应用,使用以上各式时要注意单位必须一致。在SI制中能量的单位为J。 对于微分流动过程，则,6.1.3 能量平衡方程的应用,化工生产中，绝大多数过程都属于稳流过程，在应用能量方程式时尚可根据具体情况作进一步的简化。现讨论几种常见情况。 体系在设备，如流体流经压缩机、膨胀机，进、出口之间

4、的动能变化、位能变化与焓变相比较，其值很小，可略而不计。,6.1.3 能量平衡方程的应用, 当流体流经管道、阀门、换热器与混合器等设备时，体系与环境没有功的交换， 。而且，进、出口动能变化和位能变化也可略而不计。 流体经过节流膨胀、绝热反应、绝热混合等绝热过程时体系与环境既无热量交换，也不做功，进、出口的动能变化和位能变化亦可略而不计。,6.1.3 能量平衡方程的应用, 机械能平衡方程。 因 将此式代入式（6-15），得 式（6-19）在应用于无黏性和不可压缩流体，且流体与环境没有轴功交换时，就得到了著名的Bernoulli方程 此式也可写成,6.1.3 能量平衡方程的应用, 可压缩性流体急速

5、变速的稳态流动。气体在绝热不做外功的流动过程中，如蒸汽喷射泵及高压蒸汽在汽轮机喷嘴中的喷射，由于气体的密度小，而管道的高度变化也不大，因此位能变化可略而不计， 此时 ，式（6-13）可简化得到绝热稳定流动方程式,6.1.3 能量平衡方程的应用,6.1.3 能量平衡方程的应用,6.1.3 能量平衡方程的应用,6.2 熵方程,1,2,功热间的转化,熵与熵增原理,3,熵平衡,6.2.1 功热间的转化,6.2.1 功热间的转化,根据热力学第一定律，并考虑到由于完成循环后工质回到原来状态内能没有变化，则,6.2.1 功热间的转化,Carnot定理指出：所有工作于等温热源和等温冷源之间的热机，以可逆机效率

6、为最大；所有工作于等温热源和等温冷源之间的可逆机其效率相等，与工作介质无关。,6.2.2 熵与熵增原理,从Carnot循环的热效率表达式（6-25）可以导出热力学函数熵的表达式。将式（6-25）整理后得 若可逆热机在高温热源只吸收无限小的热量 ，而在低温热源只放出无限小的热量 ，构成一无限小的可逆循环，此时可得,6.2.2 熵与熵增原理,由于任何一个可逆过程循环，可以看成由无限多个Carnot循环组合而成。因此，只要将式（6-27）沿着某一可逆循环过程作循环积分，就得到此循环的表示式 对于任何不可逆循环 将式（6-28）与式（6-29）合并，,6.2.2 熵与熵增原理,由式（6-28）和式（6

7、-29）可分别导得可逆过程的热温商等于熵变及不可逆过程的热温商小于熵变，即 对于孤立体系，Q，则式（6-31）变为,6.2.2 熵与熵增原理,6.2.2 熵与熵增原理,6.2.2 熵与熵增原理,6.2.2 熵与熵增原理,6.2.2 熵与熵增原理,6.2.3 熵平衡,（1）敞开体系熵平衡方程 分析如图6-5所示的敞开体系，得 熵平衡方程式可写成,6.2.3 熵平衡,（2）封闭体系熵平衡方程 因系统没有物质的进出，因此也就没有与质量流有关的 ，式（6-33）简化为 如果是可逆过程， ，则,6.2.3 熵平衡,6.2.3 熵平衡,按题意 ，即,6.2.3 熵平衡,最后由式（6-35）计算该装置的熵产

8、生,6.3 理想功、损失功及热力学效率,1,2,理想功,损失功,3,热力学效率,6.3.1 理想功,（1）非流动过程 对于非流动过程，热力学第一定律的表达式为 根据热力学第二定律，体系与环境间的传热量Q则为 将式（6-37）代入式（6-36），即得 非流动过程的理想功为,6.3.1 理想功,（2）稳态流动过程 热力学第一定律用于稳流过程的表达式为 同样将 代入，即得稳流过程的理想功 的计算式 在化工过程中，动能变化、位能变化不大，往往可以略而不计，式（6-40）可简化为,6.3.1 理想功,6.3.1 理想功,6.3.2 损失功,6.3.2 损失功,代入式（6-43），得 按照热力学第二定律，

9、 ，则,6.3.3 热力学效率,实际过程的能量利用情况可通过损失功来衡量，也可以用热力学效率 加以评定。 热力学效率 定义为理想功和实际功的比值。,6.3.3 热力学效率,6.3.3 热力学效率,6.3.3 热力学效率,6.3.3 热力学效率,6.4 与 ,1,2,与 的概念,的计算,3,过程的不可逆性和损失,6.4.1 与 的概念,根据热力学第一定律，对某过程或系统的能量进行衡算，确定能量的数量利用率这是很重要的；然而它不能全面地评价能量的利用情况。 单位能量所含的称为能级（或浓度）。能级是衡量能量质量的指标，它的大小代体系能量品质的高低。 数值为,6.4.2 的计算,6.4.2 的计算,6

10、.4.2 的计算,6.4.2 的计算,6.4.2 的计算,6.4.2 的计算,6.4.3 过程的不可逆性和损失,6.4.3 过程的不可逆性和损失,（1）流体输送过程 根据热力学第一定律和第二定律，封闭体系中有 对于稳流体系，若忽略动能和位能的变化，其能量平衡式为,6.4.3 过程的不可逆性和损失,假如体系与环境之间既无热也无功的交换，如在一般管道中的输送，则H，代入式（6-55）得 式（6-56）就是稳流体系和环境间没有热、功交换条件下的熵变。因此损失,6.4.3 过程的不可逆性和损失,6.4.3 过程的不可逆性和损失,（3）传质过程 传质过程使得体系的组成发生变化，应用变组成体系热力学性质间关系式,6.4.3 过程的不可逆性和损失,6.4.3 过程的不可逆性和损失,6.4.3 过程的不可逆性和损失,6.4.3 过程的不可逆性和损失,6.4.3 过程的不可逆性和损失,6.5 衡算及 效率,1,2,衡算方程,效率,6.5.1 衡算及 效率,6.5.1 衡算及 效率,6.5.2 效率,6.5.2 效率,6.5.2 效率,6.5.2 效率,6.5.2 效率,6.6 化工过程与系统的分析,6.6 化工过程与系统的分析,6.6 化工过程与系统的分析,6.6 化工过程与系统的分析,6.6 化工过程与系统的分析,6.6