1、第7章 化工過程能量分析,7.1 能量守恒與轉(zhuǎn)化熱力學(xué)第一定律,主要內(nèi)容,基本概念 穩(wěn)定流動系統(tǒng)熱力學(xué)第一定律表達(dá)式 穩(wěn)流系統(tǒng)熱力學(xué)第一定律應(yīng)用,基本概念,1.體系與環(huán)境 體系（system）：被劃定的研究對象稱為體系，也稱為系統(tǒng)或物系。 環(huán)境（Surroundings）：與體系密切相關(guān)的，有相互作用或者影響的其余部分。,2.體系分類： 根據(jù)體系與環(huán)境的關(guān)系，將體系分為三類： （1）敞開體系,體系與環(huán)境既有物質(zhì)交換，又有能量交換,（2）封閉體系,體系與環(huán)境沒有物質(zhì)交換，有能量交換,基本概念,（3）孤立體系,體系與環(huán)境既無物質(zhì)交換，又無能量交換。又被稱為隔離體系。 有時又把封閉體系和環(huán)境一起作為

2、孤立體系研究,基本概念,3.狀態(tài)和狀態(tài)函數(shù) 狀態(tài)：指某一瞬間體系所呈現(xiàn)的宏觀狀況； 狀態(tài)函數(shù)：體系某些宏觀熱力學(xué)性質(zhì)是所處狀態(tài)的單值函數(shù)，稱為狀態(tài)函數(shù)。如p、V、T、U、H、A、G 狀態(tài)一定值一定，殊途同歸值變等，周而復(fù)始變化零,基本概念,4.過程： 指體系從一個平衡狀態(tài)到另一個平衡狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。 描述一個過程一般包括：始態(tài)、末態(tài)、途徑,基本概念,5.熱和功 （1）熱和功不是狀態(tài)函數(shù)，它們與經(jīng)歷的途徑有關(guān)； （2）它們只是能量的傳遞形式，而不是儲存形式。當(dāng)能量以熱和功的形式傳入體系后，增加的是物質(zhì)的能量。 （3）符號規(guī)定： Q:體系吸熱為正，放熱為負(fù) W:體系得功為正，做功為負(fù),基本概念,能量的

3、形式,化工過程涉及到的能量有兩大類：物質(zhì)的能量和能量的傳遞。 物質(zhì)的能量（以1kg為基準(zhǔn)） 熱力學(xué)能：U=f（T，p，x），分子尺度層面上的物質(zhì)內(nèi)部 的能量 動能：EK=1/2u2 勢能（位能）：Ep=gZ 能量的傳遞： 熱:Q 功:W,熱力學(xué)第一定律,熱力學(xué)第一定律能量守恒和轉(zhuǎn)換定律：自然界中的一切物質(zhì)都具有能量，能量有不同的形式，能量不可能被創(chuàng)造也不可能被消滅，而只能在一定條件下從一種形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式，在轉(zhuǎn)變過程中總能量是守恒的。,穩(wěn)定流動系統(tǒng),敞開體系：體系和環(huán)境有物質(zhì)和能量的交換 流動過程有如下特點 （1）設(shè)備內(nèi)各點的狀態(tài)不隨時間變化 （2）垂直于流向的各個截面處的質(zhì)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,穩(wěn)流系統(tǒng)熱力學(xué)第一定律,單位：J/kg,化工中常見的穩(wěn)流裝置,穩(wěn)流系統(tǒng)熱力學(xué)第一定律的應(yīng)用,（1）流體通過壓縮機(jī)、膨脹機(jī)、透平等設(shè)備,若與環(huán)境絕熱，或熱交換相對較小，可以得到：,H1,H2,高溫高壓蒸汽帶動透平做功,穩(wěn)流系統(tǒng)熱力學(xué)第一定律的應(yīng)用,（2）流體流經(jīng)換熱器、反應(yīng)器等傳質(zhì)設(shè)備,用于精餾、蒸發(fā)等過程換熱器的設(shè)計。,當(dāng)通過反應(yīng)器、換熱器時，體系發(fā)生反應(yīng)、相變化、溫度變化,（3）流體通過節(jié)流閥門或多孔塞，如節(jié)流膨脹過程或絕熱閃蒸過程,穩(wěn)流系統(tǒng)熱力學(xué)第一定律的應(yīng)用,如：冷凍過

5、程通過節(jié)流閥，焓未變，通過等焓線，但溫度降低。,穩(wěn)流系統(tǒng)熱力學(xué)第一定律的應(yīng)用,（4）流體通過噴管獲得高速氣體（超音速）,或者通過擴(kuò)壓管,例如：火箭、化工生產(chǎn)中的噴射器,穩(wěn)流系統(tǒng)熱力學(xué)第一定律的應(yīng)用,（5）伯努利（Bernoulli）方程,對于沒有摩擦的流體流動過程，可以視為可逆過程,V是單位質(zhì)量的體積,微分,無軸功，積分,例題,30的空氣，以5m/s的速率流過一個垂直安裝的換熱器，被加熱至150，若換熱器進(jìn)出口管直徑相等，忽略空氣流過換熱器的壓降，換熱器高度為3m，空氣的恒壓平均熱容為 試求50kg空氣從換熱器吸收的熱量。,思考題,1. 從穩(wěn)定流動系統(tǒng)的熱力學(xué)第一定律簡化，能否得到物化課程中學(xué)

6、習(xí)的封閉系統(tǒng)的熱力學(xué)第一定律，怎樣簡化？ 2. 從能量利用的角度分析：在夏天，打開冰箱門來降低房間的溫度合適嗎？,7.2 能量的質(zhì)量和級別,水往低處流,氣體由高壓向低壓膨脹,熱由高溫物體傳向低溫物體,熱力學(xué)第二定律說明自發(fā)過程具有一定的方向性，而不是按照任意方向進(jìn)行,第一定律告訴我們能量必須守衡，但沒有說明過程發(fā)生的方向。 第二定律告訴我們過程進(jìn)行的方向。,熱力學(xué)第二定律的各種文字表述,克勞修斯說法：熱不可能自動從低溫物體傳給高溫物體 開爾文說法：不可能從單一熱源吸熱使之完全變?yōu)橛杏玫墓Χ灰鹌渌兓?自發(fā)的過程是不可逆的,熱機(jī)的熱效率,火力發(fā)電廠的熱效率大約為35%,卡諾熱機(jī)的效率,熱與功

7、不等價,熵的概念,無限小的可逆的卡諾熱機(jī)有：,任意的可逆循環(huán),可逆熱溫商-熵,熵是狀態(tài)函數(shù),孤立體系,熵增原理,或：S系統(tǒng) S環(huán)境 0,= 0，可逆, 0，不可逆,熵增原理,熵是表征系統(tǒng)混亂程度的量度；自然界的自發(fā)過程都是從有序到無序；即自然界中的自發(fā)過程向熵值增大的方向進(jìn)行； 熱力學(xué)第一定律闡述了能量的數(shù)量恒定，但能量的品位（即各種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結(jié)果； 熱力學(xué)第二定律不同說法均表達(dá)：自然界中自發(fā)的過程是不可逆的，是熵增大的過程。,熵與熵增原理,熵產(chǎn)生是由于過程的不可逆性而引起的那部分熵變。,熵產(chǎn)生,熵產(chǎn)生,封閉系統(tǒng),熵產(chǎn)生減少了系統(tǒng)對外做功的能力

8、。熵產(chǎn)生越大，造成能量品位降低越多。,如：原來可以變?yōu)楣Φ哪遣糠帜芰孔兂闪宋覀儾荒芾玫臒幔瑥亩a(chǎn)生了熵,熵平衡,Q,W,熵的積累（過程熵變）,穩(wěn)流系統(tǒng),=0,封閉系統(tǒng),熵平衡方程如同質(zhì)量能量平衡方程和質(zhì)量平衡方程，過程必須滿足； 可根據(jù)一個過程（或系統(tǒng)）熵產(chǎn)生的計算，對該過程進(jìn)行能量分析,能量的質(zhì)量和級別,根據(jù)熱力學(xué)第二定律，熱和功不等價。功能全部轉(zhuǎn)化為熱，而熱不能全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣Γ?將功作為度量能量質(zhì)量高低的量度，將能量分為三類： 高級能量：能全部轉(zhuǎn)化為功的能量 低級能量：不能全部轉(zhuǎn)化為功的能量 僵態(tài)能量：完全不能轉(zhuǎn)化為功的能量 由高級能量變?yōu)榈图壍哪芰縿t稱為能量品位的降低，即意味著能量做功能

9、力的損耗,7.3 理想功、損失功、有效能,理想功,理想功是在一定環(huán)境條件下，系統(tǒng)發(fā)生完全可逆過程時，理論上可能產(chǎn)生的（或消耗的）有用功。數(shù)值上講，指可能產(chǎn)生的最大功或消耗的最小功； 所謂完全可逆過程包含以下兩方面的含義： （1）系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生的所有變化都必須可逆 （2）系統(tǒng)與環(huán)境之間的相互作用也是可逆進(jìn)行；,（1）封閉體系 （2）穩(wěn)流系統(tǒng),體積功,動能和勢能忽略,理想功實際上是一個理論上的極限值，在與實際過程一樣的始終態(tài)下，通常作為評價實際過程能量利用率的標(biāo)準(zhǔn)； 理想功與可逆功是有所區(qū)別的； 理想功的大小與體系的始終態(tài)以及環(huán)境條件有關(guān)。 產(chǎn)出的理想功是最大功，耗功過程的理想功是最小功,理想功,理想

10、功與實際功之差稱為損失功 穩(wěn)流體系 理想功：,損失功,（忽略動能和勢能）,損失功：,理想功在實際功中所占比例為熱力學(xué)效率 做功過程： 耗功過程：,熱力學(xué)效率,有效能,體系在一定的狀態(tài)下的有效能，就是系統(tǒng)從該狀態(tài)變化到基態(tài)的過程中所做的理想功。用Ex表示。Available Energy（火用）； 基態(tài)通常指環(huán)境狀態(tài)（T0，p0），在熱力學(xué)上稱為熱力學(xué)死態(tài)； 有效能與理想功的關(guān)系為： 有效能分為物理有效能和化學(xué)有效能；,系統(tǒng)溫度和壓力不同于基態(tài),物質(zhì)組成不同于基態(tài)而發(fā)生物質(zhì)交換或化學(xué)反應(yīng),有效能效率,有效能效率指輸出的有效能與輸入的有效能之比。,有效能損失,例:設(shè)有壓力為1.013MPa、6.8

11、68MPa、8.611MPa的飽和蒸汽以及1.013MPa，573K的過熱蒸汽,若這四種蒸汽都經(jīng)過充分利用，最后排出0.1013MPa,298K的冷凝水。試比較每蒸汽的有效能和所能放出的熱，并就計算結(jié)果對蒸汽的合理利用加以討論。,例:設(shè)有一逆流換熱器，利用廢熱加熱空氣。105Pa的空氣由20 被加熱到125 ，空氣的流量為1.5kg/s，而1.3105Pa的廢氣從250 冷卻到95 ?？諝獾牡葔簾崛轂?.04kJ/(kgK)，廢氣的等壓熱容為0.84kJ /(kgK) ，假定空氣與廢氣通過換熱器的壓力與動能變化可忽略不計，而且換熱器與環(huán)境無熱量交換，環(huán)境狀態(tài)為105Pa和20 。 試求（1）換

12、熱器中不可逆?zhèn)鳠岬挠行軗p失； （2）換熱器的有效能效率。,7.4化工過程能量的熱力學(xué)分析方法及合理用能,2003年，中國消耗了全球30的主要能源和原材料，但是創(chuàng)造的GDP僅占世界的4。,在化工產(chǎn)品成本中，能源所占比例很大，一般占成本的2030，能耗高的產(chǎn)品可達(dá)7080，因此，化工節(jié)能有特殊重要的意義。,化工過程的能量分析,過程的熱力學(xué)分析,用熱力學(xué)的方法，對過程中能量的轉(zhuǎn)化、傳遞、使用和損失情況進(jìn)行分析，揭示能量消耗的大小、原因和部位，為改進(jìn)過程、提高能量利用效率指出方向和方法。 用最小的能量消耗，獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益。,能量衡算法：從熱力學(xué)第一定律出發(fā)，對系統(tǒng)的能量進(jìn)行衡算； 理想功、損失功

13、和熱力學(xué)效率法：以熱力學(xué)第一定律和第二定律為基礎(chǔ)，指出能量在數(shù)量和品位上的損失； 有效能衡算和有效能效率法：熱力學(xué)第一定律和第二定律相結(jié)合，以數(shù)值查明不可逆損失的來源與大小,熱力學(xué)分析的三種方法,設(shè)有合成氨廠二段爐出口高溫轉(zhuǎn)化氣余熱利用裝置，如圖所示。轉(zhuǎn)化氣進(jìn)入廢熱鍋爐的溫度為1273K，離開時為653K，其流量為5160Nm3/tNH3. 降溫過程壓力變化可以忽略。廢熱鍋爐產(chǎn)生4MPa、703K的過熱蒸汽，蒸汽通過透平作功。離開透平乏汽壓力p3為0.01235MPa,其焓為2557.0kJ/kg。在有關(guān)溫度范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)化氣的平均等壓熱容為36kJ/(kmol K）。乏汽進(jìn)入冷凝器用303K的冷卻水冷凝，冷凝水用水泵打入鍋爐。進(jìn)入鍋爐的水溫為323K。試分別用能量衡算法和有效能分析法評價其能量利用情況。,某工廠高壓蒸汽系統(tǒng)副產(chǎn)中壓冷凝水，產(chǎn)量為3500kgh-1.這些中壓冷凝水一般要經(jīng)過閃蒸，以產(chǎn)生低壓蒸汽，回收利用，閃蒸器與外界環(huán)境（298.15K）沒有熱交換。共有三種方案，已知的參數(shù)見圖。試用有效能法進(jìn)行能量的熱力學(xué)分析。,有效能損失：E3E1E2 （1）中間換熱器的