1、化工单元过程的热力学分析,2,基础理论,1,第6章 化工过程热力学分析,节能理论进展和合理用能,4,三种常规的过程热力学分析法,3,6.1 基础理论,1,2,能量的级别,理想功Wid,3,不可逆过程的损耗功WL,化工生产涉及的能量主要有以下几种形式： 热能 机械能 电能 化学能 最大的热机效率是可逆热机的效率，卡诺热机就是可逆热机的一种，其效率c为：,6.1.1 能量的级别,6.1.2.1 稳流过程的理想功,6.1.2 理想功Wid,6.1.2.2 稳定流动化学反应过程理想功的计算 在标准状态（25，0.10133MPa）下，稳定流动化学反应过程理想功的计算式为：根据热力学基本定义式 ，在标准
2、状态下，恒温 时，有 式中， 为标准状态下自由焓的变化。由上式可知，式（6-6）中的理想功即为反应过程物流标准自由焓的减少量，即,6.1.2 理想功Wid,6.1.2.3 热力学效率a 理想功是确定的状态变化所能提供的最大功。要获得理想功，过程要在完全可逆的条件下进行。由于一切实际的宏观过程都是不可逆的，因此实际过程提供的功WS必定小于理想功。两者之比称为热力学效率。 产功过程 耗功过程 由上述两式可见，a是高级能量的利用率。,6.1.2 理想功Wid,实际过程都是不可逆的，实际功必定小于理想功，理想功与实际功之差称为损耗功得著名的高乌斯托多拉（Gouy-Stodola）公式，在化工过程热力学
3、分析中应用极广,6.1.3 不可逆过程的损耗功WL,6.2 化工单元过程的热力学分析,1,2,流体流动过程,传热过程,3,分离过程,4,化学反应过程,根据热力学基本原理也可证明，和外界无热、功交换但有压力降的流动过程必定有功损耗。可得流动过程的损耗功为：式中，T和V分别是流体的体积和温度。不论液体或气体，在流动过程中，温度及比容均无太大的变化，因此上式可以简化为 流体的压力差 大致与流速成平方关系，因而流动过程的损耗功大体与流速的平方成正比。,6.2.1 流体流动过程,传热过程的损耗功应是换热过程的热力学效率为（当TL和TH均大于T0时）：由式（6-22）可知，两者绝对值之差即为损耗功，因此上
4、式也可写成：,6.2.2 传热过程,6.2.3 分离过程,对于非理想溶液，其分离最小功为如果分离程度不完全，产品为非纯态物质，此时理想功的计算可分两步。第一步，原溶液分离为纯组分；第二步，纯组分按不同比例混合成为最终产品。两步之和即为所求。 实际分离过程由于种种不可逆因素的存在，消耗的能量大大超过理想功，两者之比相差几十倍屡见不鲜。,6.2.4 化学反应过程,化学反应引起物质结构的改变要比物理变化深入一层，因此，其能量变化也大得多。 在可逆条件下进行化学反应没有功损耗，但设备体积要无限增大，这显然是不现实的。对于反应过程，同样存在着能耗费与投资费用的矛盾，需要权衡轻重。与传质设备相反，大多数工
5、业反应器是可以向外供能的。 若在工艺和设备允许的条件下，先将入口气体预热一下，就既能够减小传热温差，又可以做到“自热”维持，而且反应热还能够进一步加以利用。这是目前化学反应过程节能的中心任务之一。,6.3 三种常规的过程热力学分析法,1,2,与,两种损失和两种效率,3,三种常规的热力学分析法汇总,6.3.1.1 （有效能）EX 为了度量能量的品质及其可利用程度，或者比较不同状态下系统的作功能力大小，凯南提出了有效能的概念。有效能也被称为可用能或，并用符号EX表示。 由系统所处状态变化到基准态这一过程所提供的理想功即为系统处于该状态的 。 系统和环境仅有热平衡和力平衡而未达到化学平衡时，称为约束
6、性平衡。,6.3.1 与,6.3.1.2 的组成 与式（4-16）的左边相对应，稳流过程的物流具有的总值可表示为6.3.1.3 物理的计算 按物理和理想功的定义，稳流过程的物系从状态（T，P）变化到环境基准态（T0，P0）所提供的理想功，即物理为,6.3.1 与,6.3.1.4 化学的计算 （）环境模型（）元素的标准化学,6.3.1 与,6.3.1 与,（）纯态化合物的标准化学 化合物的标准摩尔化学应是组成化合物的单质标准摩尔化学之和减去生成反应过程的理想功（）混合物的标准化学 对于理想气体混合物，其标准摩尔化学 可以用各纯组分的标准摩尔化学以及其组成来确定若物系为非理想溶液，则其标准摩尔化学
7、为,6.3.1 与,6.3.1.5 热流的计算 根据卡诺热机效率对于恒温热源对于变温热源,6.3.1.6 与理想功 物系从状态1变到状态2时，其物理的变化量EX为或 6.3.1.7 （无效能）AN 根据热力学第一定律，总能量是守恒的，即热力学第二定律意指：能量只能沿着一个方向即耗散的方向转化。,6.3.1 与,6.3.2 两种损失和两种效率,6.3.2.1 两种损失 笼统地说能量损失非但违反热力学第一定律，而且无意义。所谓能量损失，通常指通过各种途径由系统排到环境中去的未能利用的能量。 的损失可分成两部分。一部分称为内部损失，是由系统内部各种不可逆因素造成的损失。 6.3.2.2 两种效率第一
8、定律效率与第二定律效率 （）第一定律效率 。 （）第二定律效率 。,6.3.3 三种常规的热力学分析法汇总,6.3.3.1 能量衡算法 能量衡算法是通过物料与能量衡算，确定过程的排出能量与能量利用率 。基于热力学第一定律的普遍适用性，可由此求出许多有用的结果，如设备的散热损失、理论热负荷、可回收的余热量和电力损失的发热量等。 6.3.3.2 熵分析法 熵分析法是通过计算不可逆过程熵产生量，确定过程的 损失和热力学效率。具体地说是以热力学第一定律与第二定律为基础，通过物料和能量衡算，计算理想功和损耗功，求出过程热力学效率 。,6.3.3.3 分析法6.3.3.4 三种热力学分析方法的比较 由前面
9、的讨论可知，三种分析方法中，以能量衡算法最简单，熵分析次之，分析法计算工作量最大。熵分析和分析的结果是一致的。,6.3.3 三种常规的热力学分析法汇总,6.4 节能理论进展和合理用能,1,2,分析法的理论进展,非平衡热力学分析法简介,3,过程系统节能的夹点技术简介,4,合理用能基本原则,任何实际过程都需要一定的驱动力如温差、压差、化学势差等来使过程进行。 热经济学，也称经济学，是一门将热力学分析和经济优化理论相结合的专门学科。其特征是在一个合适的热力学指标如 效率与过程的建设投资和运行费用间找到适当的平衡，以达到的单位成本最小。,6.4.1 分析法的理论进展,（）非平衡热力学与经典热力学 宏观
10、系统可划分成许多小体积元，小体积元在宏观上足够小，以致它的性质可由体积元内部的一个点的性质来代表。 假设在t时刻，每个小体积元与环境隔离，经t时间间隔后体积元内分子从非平衡状态达到平衡状态，于是在t+t时刻可按经典热力学方法定义每个小体积元内的热力学变量。 假设t与系统的整个宏观变化时间标度相比无限小，可以认为与t+t时刻达到平衡的相应小体积元内的热力学变量近似，因此经典热力学公式皆可应用。,6.4.2 非平衡热力学分析法简介,（）不可逆过程的熵产率及昂萨格倒易关系（）非平衡热力学分析法及其应用举例 非平衡热力学分析法就是以非平衡热力学原理特别是熵产定律来计算和分析过程的力和流以及由此产生的熵
11、产率的大小，详细揭示造成能量损耗的原因、部位和机制，并将之与具体过程设备的结构和操作方式进行关联，以有效指导过程流程改进、操作方式升级、节能设备的开发和设计等。,6.4.2 非平衡热力学分析法简介,（1）温-焓图与流股的复合曲线 如果一股物流从供给温度T1被加热或冷却到目标温度T2，则传热量Q为,6.4.3 过程系统节能的夹点技术简介,6.4.3 过程系统节能的夹点技术简介,（2）夹点的形成及其意义,6.4.3 过程系统节能的夹点技术简介,（3）夹点技术的应用范围及其发展 过程工业生产系统，即从原料到产品的整个生产过程，始终伴随着能量的供应、转换、利用、回收、生产、排弃等环节。从系统工程的角度
12、，可以将这些不同的环节归类到个相互联系的子系统中，即工艺过程子系统、热回收换热网络子系统及蒸汽动力公用子系统。 夹点技术最初源于热回收换热网络的优化集成。事实上，夹点技术原则上适用于过程工业的整个生产系统的优化设计和节能改造，即三个子系统的联合优化，尽管这十分困难，但应是技术的发展方向。,6.4.4 合理用能基本原则,合理用能总的原则是“按质用能、按需供能”，也即要按照能源的质量来使用它，要按照用户所需要能量的数量和质量来供给它。在用能过程中要注意以下几点。 （）要能尽其用，防止能量无偿降级 （）要采用最佳推动力的设计原则 （）要合理组织能量的梯级利用，采用能量优化利用的方案 总之，按质用能、按需供能是一项指导原则。,Thank you,
