1、2019/4/29,第6章 化工过程的能量分析,2019/4/29,本章内容,6.1 理想功和损耗功 6.2 化工单元过程的热力学分析 6.3 热力学分析方法 6.4 合理用能,2019/4/29,化工生产涉及的能量主要有以下几种形式： 热能：许多化工单元操作都消耗热能。如精馏、蒸发、干燥以及吸收剂或吸附剂的再生等。这些过程需要的热量通常利用燃料的燃烧的燃烧热。 机械能：在物理学上称功。机械能主要用于流体的输送和压缩。消耗机械能的设备有泵、压缩机、鼓风机、真空泵等。 电能：电能具有便于输送、调节、自动化等一系列优点，故广泛地应用于化工生产。化工厂电能主要用来提供机械能。 由于物质化学结构变化提
2、供或消耗的能量称为化学能。放热的化学反应，由化学能转化为热能；吸热的化学反应，则由热能转化为化学能。,2019/4/29,能量不仅有数量，而且有质量（品位）。 功的品位高于热 。 高级能量： 能够完全转化为功的能量，如机械能、电能、水力能和风能等； 低级能量： 不能完全转化为功的能量，如热能、焓等。 高温热源产生的热的品位比低温热源产生的热的品位高。,2019/4/29,热功转换的不等价性 功可以100%转变为热 热不可能100%转变为功。 热、功的不等价性正是热力学第二定律所表述的一个基本内容。,2019/4/29,化工过程的热力学分析 1、能量衡算。 2、分析能量品位的变化。 化工过程总是
3、伴随着能量品位的降低。 一个效率较高的过程应该是能量品位降低较少的过程。 找出品位降低最多的薄弱环节，指出改造的方向。,化工热力学的任务,2019/4/29,理想功Wid： 指体系的状态变化以完全可逆过程实现时，理论上可能产生的最大功或者必须消耗的最小功。 完全可逆是指：(1)体系内所有的变化过程必须是可逆的(2)体系与温度为T0的环境进行热交换是可逆的。 理想功是一个理论的极限值，是实际功的比较标准。,6.1 理想功和损耗功,2019/4/29,稳流过程的理想功,1.稳流过程的理想功,2019/4/29,理想功为可逆轴功和卡诺功之和,敞开体系稳流过程的熵平衡式，可逆过程,2019/4/29,
4、根据热力学第一定律的表达式，敞开体系有,稳流过程的理想功只与状态变化有关，它仅取决于流体的初态和终态以及自然环境的温度T0。,2019/4/29,由于实际问题都是不可逆的，因此对于实际的产功过程所提供的功WsWid。 所以实际的生产过程就存在一个效率的问题。称为热力学效率。,2019/4/29,热力学效率a,热力学效率是过程热力学完善性的尺度，反映过程可逆程度，故称可逆度。是高级能量的利用率。,2019/4/29,6-1 某水蒸气动力装置，进入水蒸气透平的水蒸气流量为1680 ，温度为430，压力为3.727MPa。水蒸气经透平绝热膨胀对外作功。产功后的乏汽为0.1049MPa的饱和水蒸气。求
5、水蒸气经透平机的理想功和热力学效率。已知大气温度为25 。,2019/4/29,解：由附表3用插值法求得P20.1049MPa时饱和水蒸气的温度，T2101.0。此状态下的焓和熵也可以用插值法得到，即h22677.6 ， s27.3429 从附表3再用插值法查P13.727MPa，T1430的过热蒸汽的焓和熵，得h13287.8 ， s16.9101 则蒸汽经透平的理想功为：,2019/4/29,因过程绝热，Q0。忽略动能、位能的变化，根据热力学第一定律，过程产生的轴功为对于产功过程，热力学效率可按下式计算，即蒸汽经透平的理想功与热力学效率分别为345.0kW和82.55。,2019/4/29
6、,稳定流动化学反应过程理想功的计算,某化学反应，理想功为正，向外供能；理想功为负值，耗能。,2. 稳定流动化学反应过程的理想功,2019/4/29,2019/4/29,2、不可逆过程的损耗功WL,与环境交换的热,高乌斯托多拉公式,3. 不可逆过程的损耗功,2019/4/29,2019/4/29,6-3 某厂有输送90热水的管道，由于保温不良，到使用单位时，水温已降至70。试求水温降低过程的热损失和热耗功。大气温度为25。,【解】 从附表3分别查得70和90时饱和液体水的焓和熵为70时：h2292.98 ，s20.9549 90时：h1376.92 ，s21.1925 故根据理想功的定义，过程的
7、理想功为（376.92292.98）298.15（0.95491.1925）13.1,2019/4/29,忽略动能和位能的变化，有 因无轴功交换，ws0，故过程的热损失q为-83.94 过程的损耗功：,在管道中每输送1kg热水，因保温不良，热损失为83.94kJ，损耗功为13.1kJ。这就是说，本来83.94kJ的热量通过卡诺机可提供13.1kJ的功，但因热损失而使13.1kJ的功也消耗掉。,2019/4/29,6.2 化工单元过程的热力学分析,传热过程 流体流动过程 分离过程 化学反应过程,2019/4/29,1. 传热过程的不可逆损耗功来自热的温差。,2019/4/29,注意： 即使换热器
8、无散热损失，即热流体放出的热量全部被冷流体吸收，仍然会有损失功。这是由于高温热量变成了低温热量，做工能力下降，能量贬值。 损失功正比于两流体的传热温差 损失功与两流体的温度乘积成反比，及低温传热比高温传热损失功大。,2019/4/29,换热过程的热力学效率为（TH、TL均大于T0）,对可逆的无温差的传热过程，若无散热损失，则a=1；对不可逆有温差的传热过程，a1,2019/4/29,67 设在用烟道气预热空气的预热器中，通过的烟道气和空气的压力均为常压，其流量分别为45000kg/h和42000kg/h 。烟道气进入时的温度为315，出口温度为200。设在此温度范围内， =1.090kJ/(k
9、gK) 。空气进口温度为38，设在此温度范围内， =1.005kJ/(kgK) 。试计算此预热器的损耗功与热力学效率。已知大气温度为25，预热器完全保温。,2019/4/29,解：,，,=450001.090(200-315) =-5.641106 kJ/h,2019/4/29,=1.315106 kJ/h,=2.459106 kJ/h,2019/4/29,=2.459106-1.315106 =1.144106 kJ/h,=46.5,2019/4/29,6.4 化工单元过程热力学分析,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。为了减少损耗功，除了加大管道直
10、径外，还可以添加减阻剂或抛光内表面。,2. 流体流动过程,2019/4/29,WL与T0/T成正比关系，流体温度越低，WL越大。节流过程是流动过程的特例。为了减少功损耗要避免节流过程。气体的体积大于液体的体积，WL与体积成正比，因此，气体节流的WL大于液体的WL。对此，应避免节流过程。,2019/4/29,均相物系的分离，如气体混合物和液体混合物的分离，常见的有精馏、吸收、萃取、蒸发、结晶、吸附等过程。,2019/4/29,化学反应过程,化学反应能量变化比物理变化大得多。化学反应过程有的耗能，有的提供能量。对于放热反应，可利用反应放出的热量加热入口气体，以维持反应需要的温度，称为“自热”维持。
11、若利用透平将反应热转化为机械能，可将自热式反应器变成自力式反应器。,2019/4/29,6.5 过程热力学分析的三种基本方法,有效能Ex:为了确定体系处于某状态时所具有的最大作功能力，引入有效能的概念。 为了表达体系处于某状态的作功能力，要确定基准态，并定义基准态体系作功能力为零。所谓基准态就是与周围环境达到平衡的状态。 由体系所处的状态到达基准态所提供的理想功即为体系处于该状态的有效能。,2019/4/29,约束性平衡：体系和环境仅有热平衡和力平衡而未达到化学平衡。 非约束性平衡：体系和环境既有热平衡、力平衡且又有化学平衡。 理想的周围环境的条件：温度T0、压力P0以及构成物质的浓度保持恒定
12、，且构成环境的物质相互间不发生化学反应，彼此间处于热力学平衡状态。 单位能量所含的 称为能级。处于0与1之间。 能级是衡量能量质量的指标。,2019/4/29,的组成,动能EXK 动能可全部转化为有效的功。 位能EXP位能可全部转化为有效的功。 物理EXPh物系与环境成约束性平衡时所提供的理想功。因温度和压力不同产生。 化学EXC物系由约束性平衡达到与环境成非约束性平衡时所提供的理想功。因组成不同产生。,2019/4/29,在基准状态下，上述的四个成分的 均为零。,物理 的计算,2019/4/29,例题6-13 计算三种状态下稳流过程水蒸气的的 ，环境温度为25。,2019/4/29,化学 的
13、计算,（a）环境模型由于环境中基准物的浓度和热力学状态在化学反应过程中都发生变化，因此提出了环境模型。其中波兰学者斯蔡古特的模型得到国际公认。日本的龟山吉田模型较实用。 环境温度T0=298.15K(25)，压力 P0=0.10133MPa(1atm)。 环境由若干基准物构成，每种元素都有其对应的基准物和基准反应。基准物的浓度取实际环境物质浓度的平均值。,2019/4/29,标准化学,用环境模型计算的物质化学 称为标准化学 E0XC,I由于环境模型中的基准物质的化学 为零，因此元素和环境物质进行化学反应变成基准物所提供的理想功即为该元素的化学 。 空气中的组分O2、CO2、Ar、He等的化学
14、是以298.15K和0.10133MPa的饱和湿空气中作为基准物。即这些气体在298.15K下到达饱和湿空气中相应分压Pi时的化学 为零。,2019/4/29,纯态化合物标准化学,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。,若环境温度不为298.15K，化合物化学 的表达式如下，为温度修正系数。,2019/4/29,混合物的标准化学,2019/4/29,热量 的计算,热量相对于平衡环境态所具有的最大作功能力称为热量 EXQ。将该热量可逆地加给一个以环境为低温热源的可逆卡诺热机，此可逆卡诺热机所能作出的有用功就是该热量的 。,2019/4/29,与理想
15、功,物质的 是状态函数，取决于给定的状态和基准态。既是体系的状态函数又和周围自然环境参数T0、P0以及环境物质的浓度有关。,理想功是对状态变化而言，或者对某一过程而言的，是两个状态的函数。对体系处于某状态，例如化工原料、燃料和产品应该计算其 为多少。,2019/4/29,2019/4/29,无效能AN,给定环境下，能量可转变为有用功的部分称为 ；余下不能转变为有用共的部分称为 。能量由 和 两个部分组成。,2019/4/29,2019/4/29,两种损失和两种效率,能量损失和 损失是完全不同的热力学问题。 能量损失：违反热力学第一定律，无意义；指由体系排到环境中去的未利用能量。损失：包括内部损
16、失和外部损失。 效率的基本定义是收益量与消耗量之比。,2019/4/29,第一定律效率I,以热力学第一定律为基础，确定过程总能量的利用率。其定义是过程所期望的能量与为实现期望所消耗的能量之比。式中，EN是所期望的能量；EA是所消耗的能量。 分类：热效率和性能系数。 热（机）效率：,2019/4/29,性能系数：如制冷系数与制热系数，一般大于1。,2019/4/29,第一定律效率的分子与分母是不同能级的能量。该效率反映了过程所需能量的数量上的利用情况，不能反映不同质的能量的利用情况。即不能反映 的利用情况，是重大缺陷。,第二定律效率II。用以确定过程中 的利用率。其定义是过程期望的 EXN与实现
17、期望所消耗的EXA之比，即,2019/4/29,2019/4/29,热力学分析的基本方法汇总,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 损失的大小、原因及其分别情况，确定过程的效率，为制定节能措施，实现过程最佳化提供依据。 分析方法：能量衡算法、熵分析法与 分析法。,2019/4/29,能量衡算法,能量衡算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。,熵分析法：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。即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a。,2019/4/29,分析法,通过 平衡以确定过程的 损失和 效率。 主要内容： (a)确定出入体系各种物流量、热流量、功流量等。 (b)求出物流 和热流 ； (c)由 平衡方程确定过程的 损失； (d)确定 效率。,2019/4/29,2019/4/29,2019/4/29,2019/4/29,三种热力学分析方法的比较 能量衡算法最简单，熵分析法次之， 分析法计算量最大，熵分析和 分析的结果是一致的。 合理用能的基本原则 （1）要能尽其用，防止能量的无偿降级； （2）在设计工作中要采用最佳推动力的原则； （3）要合理组织能量多次利用，采用能量优化利用的原则。,
