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化工节能与减排全套课件,化工节能与减排全套课件,目 录,能量降级与热力学第二定律,轴功、各种热应的计算,有效能衡算和有效能效率,热力学分析的基本方法,噪声污染及控制,热管、热泵和夹点技术,能量的合理利用,稳流体系热力学第一定律,废水处理方法、技术和流程,废固处理及利用,废气污染的预防措施及治理,目 录能量降级与热力学第二定律轴功、各种热应的计算有效,稳流体系热力学第一定律,稳流体系热力学第一定律,热力学第一定律,能量的守恒和转化定律,热力学第一定律是能量的守恒和转化定律在热力学学上的应用。,热力学第一定律能量的守恒和转化定律能量既不会凭空产生，也不会,能量的种类,能量是物质固有的特性，一切物质或多或少都带有一定种类和数量的能。在热力学第一定律中，所涉及到的能量通常有以下几种：,(1) 内能以U表示。它是系统内部所有粒子除整体势能和整体动能外，全部能量的总和。包括分子内动能、分子内势能和分子内部的能量。,(2) 动能以 表示。如果物质具有质量m，并且以速度u 运动，那么，物系就具有动能,能量的种类能量是物质固有的特性，一切物质或多或少都带有一定种,能量的种类,(3) 重力势能以 表示。如果物质具有质量m，并且与势能基准面的垂直距离为z，那么，物系就具有势能,(4) 热由于温差而引起的能量传递叫做热，以Q表示。做为能量的交换量，必然会涉及到传递方向的问题。即Q不仅有绝对数值，而且需要正负号来表示能量的传递方向。在化工热力学中，规定物系得到热时Q为正值，相反的，物系向环境放热时Q为负值。,能量的种类(3) 重力势能(4) 热,能量的种类,(5) 功除了热Q之外的能量传递均叫做功，以W表示。与热Q一样，功W也是物系发生状态变化时与环境交换的能量，只是W是另一种形式。于是，在化工热力学中对于功W也做了正负号的规定。物系得到功作用，记为正值；而物系向环境做功，记为负值。（在另一些著作中，对于功的正负号的规定有不同的表述，查阅时需要注意）,能量的种类(5) 功,能量的二重性,数量：能量的多少,能量：物体做功的本领,质量：能量的可用性,按照热力学第一定律，各种不同形式的能量是等价的，是守恒的。事实上，能量本身具有双重含义，即能量的数量和质量。能量的数量是指能量的多少，而能量的质量则是指能量的可用性。能量的质量不同，其使用价值也就不同。从用能的观点看，后者是主要的。只有当能量的质量达到使用要求时，能量的使用价值才能体现出来，此时，能量的数量才有实际意义，因而能量的使用在本质上是指能量质量的使用。大量的实践事实已经证明：能量在使用过程中虽然其数量是守恒的，但其质量却是下降的。能量在使用过程中的降质变废才是造成能耗的根本原因。,能量的二重性数量：能量：质量：按照热力学第一定律，各种不同,热力学第一定律能量守恒的基本式,热力学第一定律指出孤立系统无论经历何种变化，其能量守恒。也就是说，孤立系统中各种能量的形式可以相互转化，但能量不会凭空产生，也不会自行消灭，能量在各种形式之间进行转化时，总的能量数值保持不变。即为热力学第一定律的基本式。,热力学第一定律能量守恒的基本式热力学第一定律指出孤立系统,封闭系统的热力学第一定律,封闭系统是指那些与环境之间只有能量交换而无物质交换的系统。根据此定义可知，孤立系统的热力学第一定律表达式应用于封闭系统时，没有物质交换表示与物质交换相关的动能和势能的变化项为零，于是封闭系统的热力学第一定律可表示为,封闭系统的热力学第一定律封闭系统是指那些与环境之间只有能量交,稳流体系,在敞开体系中最简单且最有代表性的为稳定流动体系，简称稳流体系。稳流体系的主要特点是：1体系中任一点的状态不随时间的变化而变化，但可随位置的不同而不同；2每股物流的质量流量不随时间而变；3每股能流的流速不随时间而变；4整个体系内的总质量和总能量均不随时间而变，体系中没有物质和能量的积累。严格来说，真正的稳流体系是不存在的，但除了开、停车和不正常生产时，在稳定生产时实际的连续生产过程均可以作为稳流体系来处理。,稳流体系在敞开体系中最简单且最有代表性的为稳定流动体系，简称,稳流体系的热力学第一定律,如图所示，流体流经管路、换热器、透平等化工设备，做稳流流动。这是一个简化的但很具有普遍性的化工工艺流程的缩影。截面1和2分别是垂直于流向的流体进出口截面，在这两个截面之间的流体是热力学第一定律考察的体系，周围是环境。,稳流体系的热力学第一定律如图所示，流体流经管路、换热器、透平,稳流体系的热力学第一定律,假设有单位质量的流体流经截面1和2，即m=1；在截面1处，单位质量流体流入管路，其状态如下：流体的压力为p1，温度T1，单位质量流体的体积为V1，平均流速为u1，内能U1，流体重心距离势能零点平面的高度z1，截面面积为A1；同样的，在截面2 处，相应的参数为p2、T2、V2、u2、U2、z2、A2。针对热力学第一定律的基本式中的每一项，可以用相关的量表示。,稳流体系的热力学第一定律假设有单位质量的流体流经截面1和2，,稳流体系的热力学第一定律,内能的变化：动能的变化为：重力势能的变化为：环境与单位质量的研究体系之间交换的热量为Q；而交换的功W除了轴功Ws之外，还有另外一种功流动功Wf。即：在截面1处的流动功W1f为：,稳流体系的热力学第一定律内能的变化：,稳流体系的热力学第一定律,在截面2处的流动功W2f为：在截面1至2之间的任何一点处的流体，既受到它上游流体的推动，也同时推动下游流体，做功数值一致，但是方向相反，因此相互抵消，流动净功为零。,稳流体系的热力学第一定律,稳流体系的热力学第一定律,将各分项代入：根据焓的定义H=U+pV，则上式即为：就是稳流系统的热力学第一定律的表达式，其中五项的单位都是基于单位质量的流体所具有的能量。,稳流体系的热力学第一定律将各分项代入：,稳流体系的热力学第一定律简式,（1）流体流经管道、阀门、换热器、吸收塔、混合器、反应器等设备时，不做轴功，动能和位能的变化也很小，可以忽略不计，即： 方程可简化为 体系的焓变等于体系与环境交换的热量。,稳流体系的热力学第一定律简式（1）流体流经管道、阀门、换热器,稳流体系的热力学第一定律简式,(2) 流体流经泵、压缩机、透平等设备在数量级的角度上，动能项和势能项不能与焓变相比较，可以忽略，即若这些设备可视为与环境绝热，或传热量与所做功的数值相比可忽略不计，那么进一步可化简为：这就是从焓变可求这些设备做功（或耗功）能力的依据。,稳流体系的热力学第一定律简式(2) 流体流经泵、压缩机、透平,稳流体系的热力学第一定律简式,(3) 流体流经蒸汽喷射泵及喷嘴流体流经设备如果足够快，可以假设为绝热，Q=0；设备没有轴传动结构，Ws=0；流体进出口高度变化不大，重力势能的改变可以忽略， gz 0；可化简为：从上式可以看出，流体流经喷嘴等喷射设备时，通过改变流动的截面积，将流体自身的焓转变为了动能。,稳流体系的热力学第一定律简式(3) 流体流经蒸汽喷射泵及喷嘴,稳流体系的热力学第一定律简式,(4)体系与外界既无轴功又无热量交换时，如绝热通过混合器、反应器，或高压流体通过节流阀，则有 可得 或,稳流体系的热力学第一定律简式(4)体系与外界既无轴功又无热量,化工节能与减排,化工节能与减排,目 录,能量降级与热力学第二定律,轴功、各种热应的计算,有效能衡算和有效能效率,热力学分析的基本方法,噪声污染及控制,热管、热泵和夹点技术,能量的合理利用,稳流体系热力学第一定律,废水处理方法、技术和流程,废固处理及利用,废气污染的预防措施及治理,目 录能量降级与热力学第二定律轴功、各种热应的计算有效,作业：1、今有94的热水连续地从一储槽以3.66kg/s的流量泵送，泵的功率为1.5kW，热水在途中流经一换热器，以70kJ/s的速度放出热量,并输送到比第一储槽高15m的第二储槽中。计算第二储槽的水温。设水的定压比热容为4.184kJ/kgK2、有人声称他设计了一台热机，从温度400K的高温热源吸取25kJ/s的热量，在温度200K的低温热源放出12kJ/s的热量，并向外界提供15kW的动力。分析此设计能否实现。,作业：,能量降级与热力学第二定律,能量降级与热力学第二定律,可逆过程与不可逆过程,可逆过程,体系沿原途径回到初态，不引起外界变化。,不可逆过程,体系沿原途径回到初态，要有外界的作用才能实现。,可逆过程与不可逆过程可逆过程体系沿原途径回到初态，不引起外界,气体的膨胀过程分析,气体的膨胀过程分析,可逆过程的条件,条件：1、没有任何能量损耗效应2、过程推动力无限小任何过程都不可能是可逆过程，可逆过程只能趋进而无法达到，它是理想的过程。研究目的：1、简化实际过程的处理。2、为实际过程提供一个比较的标准。,可逆过程的条件条件：,热力学第二定律的描述,1、克劳修斯说法：热不可能自动从低温物体传给高温物体。2、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。,自发过程具有方向性,热能和机械能之间有质的差别。机械能可以完全转化为热能，而热能要想转化为功，必须利用热机在两个不同温度之间进行循环过程。,热力学第二定律的描述1、克劳修斯说法：自发过程具有方向性热能,卡诺定理,1、卡诺循环：由等温膨胀、绝热膨胀、等温压缩、绝热压缩四个可逆过程组成。卡诺热机：工作在高低温热源之间，遵循卡诺循环的热机。,卡诺热机的效率：,2、卡诺定理所有工作在TH和TL之间的可逆热机效率相等且最大，与工质无关，不可逆热机的效率必定小于可逆热机。,卡诺定理1、卡诺循环：卡诺热机的效率： 2、卡诺定理,克劳修斯不等式,当过程可逆时取等号，过程不可逆时取不等号。热温商：,克劳修斯不等式当过程可逆时取等号，过程不可逆时取不等号。,熵,是某一状态函数的全微分，该函数称为熵，用S表示。,熵是某一状态函数的全微分，该函数称为熵，用S表示。,熵变的计算,图表法：有些物质可以在热力学性质图表上查到熵值数据，直接计算即可。公式法：无法查到数据的熵变可采用公式法计算。,熵变的计算图表法：有些物质可以在热力学性质图表上查到熵值数据,熵变的计算,气体膨胀过程：气体混合过程：,熵变的计算气体膨胀过程：,升温过程等压升温：等容升温：,升温过程,相变过程：熔化过程：汽化过程：,化工节能与减排全套课件,无相变热传导过程：热源温度恒定： 热源温度变化：CH和CL分别为高低温热源的摩尔热容。,无相变热传导过程：,环境的熵变：,环境的熵变：,熵增原理及其应用,对不可逆过程，熵变的原因有二：体系与环境间有热量交换；不可逆因素导致做功能力下降。,熵增原理及其应用对不可逆过程，熵变的原因有二：体系与环境间有,能量的降级,能质就是指能量做功的能力，能质下降就是做功能力下降。能量的分类：高级能：机械能、电能、风能、水力能等（完全做功）低级能：热能、内能、焓等（不完全做功）僵态能：大气、大地、自然水的内能（完全不做功）,能量的降级能质就是指能量做功的能力，能质下降就是做功能力下降,对于一个孤立体系，热力学第一定律的表达式为 热力学第二定律的表达式为,对于一个孤立体系，,化工节能与减排,化工节能与减排,目 录,能量降级与热力学第二定律,轴功、各种热效应的计算,有效能衡算和有效能效率,热力学分析的基本方法,噪声污染及控制,热管、热泵和夹点技术,能量的合理利用,稳流体系热力学第一定律,废水处理方法、技术和流程,废固处理及利用,废气污染的预防措施及治理,目 录能量降级与热力学第二定律轴功、各种热效应的计算有,轴功各种热效应的计算,轴功各种热效应的计算,稳流过程的可逆轴功,在化工生产中，常用的动力设备，包括耗功设备和产功设备，如泵、鼓风机、透平机等都是通过机轴的旋转实现体系与环境之间的功的交换，这种通过机轴的旋转所传递的功称为轴功。若轴功交换过程没有任何摩擦和推动力无限小，则为可逆轴功。以单位质量气体通过透平机做功的情况来讨论理想轴功的计算公式。单位质量气体通过透平机时，气体的体积发生变化，在理想条件（没有摩擦及过程推动力无限小）下，气体所作的体积功为：,稳流过程的可逆轴功在化工生产中，常用的动力设备，包括耗功设备,因为：,所以：,由于在推导中引用了可逆的条件，故此式即为可逆轴功的计算式。对于耗功过程，可逆轴功是过程消耗的最小功；对于产功过程，可逆轴功是过程可能产出的最大功。,因为：所以：由于在推导中引用了可逆的条件，故此式即为可逆轴功,理想气体单级压缩功,单级压缩，就是指气体通过压缩机一次压缩到所需压力的压缩过程。若压缩过程所产生的热能全部及时的移走，整个压缩过程维持气体温度不变，则称为恒温压缩过程。若压缩过程中体系与外界环境绝热，此为另一种极限过程，称为绝热压缩过程。过程中由于环境对体系做功所产生的热全部积蓄于体系内，显然压缩后的气体温度要高于恒温压缩。实际压缩过程既不可能做到恒温，也不可能是绝热过程，而是介于两者之间的一种过程，称为多变压缩过程。三种压缩过程以恒温压缩功耗最小，多变压缩次之，绝热压缩功耗最大。,理想气体单级压缩功单级压缩，就是指气体通过压缩机一次压缩到所,1、理想气体等温压缩功 对于理想气体的恒温过程，有将其代入轴功计算式，可得：式中p2/p1称为压缩比，常以r表示。由式可知，轴功Ws由初温T和压缩比r决定。压缩前气体的初温T愈高，压缩比r愈大，则压缩功耗愈大。,1、理想气体等温压缩功,2、理想气体绝热压缩功对于理想气体的绝热过程，有 式中为热容比，亦称绝热指数，将其代入轴功计算式并积分，可得：绝热指数与气体的性质有关，严格说来与温度也有关，可以通过有关手册查出。粗略计算时，理想气体的值可取：单原子气体=1.667 双原子气体=1.40 三原子气体= 1.333,2、理想气体绝热压缩功,混合气体的绝热指数 可按下式计算：,式中,-混合气体的绝热指数,-混合气体中i组分的绝热指数,-混合气体中i组分的摩尔分数,混合气体的绝热指数 可按下式计算：式中,3、理想气体多变压缩功理想气体多变压缩过程符合 的关系，m 称为多变与绝热指数。与绝热压缩形式相似，有如果所取的物料基准为1 kg气体，则可将式中R 处理成R = R/M，M为气体的分子量。,3、理想气体多变压缩功,真实气体压缩功,在实际生产中，常常要将气体压缩到很高的压力（例如合成氨厂氢氮气压缩机的高压段），或者对较易液化的气体进行压缩（如氨压缩机）时，由于在高压下真实气体的性质相对理想气体有较大的偏差，若采用理想气体压缩功计算式计算其压缩功，将会带来较大的误差，必须按真实气体处理。工程上计算真实气体压缩功通常采用两种方法：热力学图表法与压缩因子法。,真实气体压缩功在实际生产中，常常要将气体压缩到很高的压力（例,热力学图表是将真实物质的各种热力学性质采用图形或表格的形式将其列出，需要时可直接通过图表查出物质的各种热力学性质。对于所要计算的气体如果已有热力学图表，则采用热力学图表计算比较方便。根据稳流体系热力学第一定律表达式,对于绝热压缩过程，有,可通过压缩机的进出口温度和压力，应用热力学图表直接查出相应的焓值直接进行计算。如果是多变压缩，还必须求出压缩机汽缸夹套带走的热量Q 进行计算。,热力学图表是将真实物质的各种热力学性质采用图形或表格的形式将,当所需计算的真实气体缺乏热力学图表时，工程上常采用计算比较简单的压缩因子法。如果压缩机进出口气体的压缩因子Z变化不太大，可取其平均值,当所需计算的真实气体缺乏热力学图表时，工程上常采用计算比较简,积分时Zm可视为常数，则可导出下列近似计算式：,等温压缩,绝热压缩,多变压缩,积分时Zm可视为常数，则可导出下列近似计算式：等温压缩绝热压,多级压缩功,若要求将气体从较低的压力压缩到很高的压力，则不能采用单级压缩，必须采用多级压缩，也称多段压缩。这是由于以下原因的需要。a 实际压缩过程由于过程进行很快，受传热速率的限制，热量不可能很快的散发出去，因而过程基本接近绝热压缩，出口温度随压缩比的增大而升高。气体出口温度的过高会超出润滑油所能承受的温度；同时可能造成被压缩气体的分解或聚合；还会加剧设备、管道的腐蚀和损坏。b 某些工艺过程的需要。例如以煤为原料的合成氨厂的各工序需要在不同的压力下进行，采用多级压缩就非常方便。,多级压缩功若要求将气体从较低的压力压缩到很高的压力，则不能采,c 采用多级压缩可以节省压缩功耗。前已讨论，在等温压缩、绝热压缩、多变压缩三者中，以等温压缩功耗最小，使压缩过程接近等温压缩可以有效的降低压缩功耗。多级压缩的具体做法是先将气体压缩到某一中间压力，然后通过一个中间冷却器，使其等压冷却至气体进压缩机的初始温度，再进入下一段压缩。依此进行多次压缩和冷却，使气体压力升高，而温度不至于升得过高。这样，整个过程就比较的接近等温压缩，从而使得压缩功耗减少。,c 采用多级压缩可以节省压缩功耗。前已讨论，在等温压缩、绝,多级压缩功,气体进行多级压缩，压缩比的选择是一个重要的问题。压缩比的确定应从节能和工艺要求两个方面进行考虑。各种生产过程均有不同的要求，只能从具体的工艺要求进行考虑。从节能的角度考虑，要求压缩过程的总功耗最小。以此为目标进行分析，可得出结论：多级压缩中，当各级压缩比都相同时，压缩总功耗最小，对应的中间压力称为最佳中间压力。上式说明当两级压缩的压缩比相同时，过程的压缩功最小。此结论可以推广至任意多级压缩过程，对于S 级压缩，总功耗最小时：此即为在已知初压和终压并确定了压缩级数S 的条件下总功耗最小时压缩比的计算公式。,多级压缩功气体进行多级压缩，压缩比的选择是一个重要的问题。压,实际的多级压缩由于各级后均有水冷却器及油水分离器，它们都存在压力降，因而实际压缩比的数值比按上式求得的要稍大。这样，对于各级压缩比都相等，且各级气体进口温度都相同时，多级压缩总功耗为：,实际的多级压缩由于各级后均有水冷却器及油水分离器，它们都存在,实际过程压缩功,以上讨论的功耗为可逆功耗。实际过程中，由于流体分子之间存在内摩擦，流体与管道、设备之间均存在摩擦；轴与轴承之间、汽缸与活塞之间等都存在机械摩擦，原动机与压缩机之间存在传动损失，原动机本身也存在功的损失，因此实际过程中必定有一部分机械功耗散为热能，存在功的损耗。对于产功设备，实际轴功小于可逆轴功（指绝对值），对于耗功设备，实际轴功大于可逆轴功。实际轴功与可逆轴功相比称机械效率 。从以上的分析可以看出，机械效率实际上包括了过程的一切不可逆因素，因此，从理论上解决机械效率的数值很困难，通常是采用实验测定的方式来解决其数值，其值数在0-1 之间，一般在0.6-0.8 之间。若已知机械效率 和可逆轴功 就可以按上式求出实际轴功。,实际过程压缩功以上讨论的功耗为可逆功耗。实际过程中，由于流体,过程的热效应,化工生产的许多过程都伴随有显著的热效应，例如温度变化、相变化、化学反应及混合过程等。前面已经在稳流体系热力学第一定律表达式中讨论过，当体系与环境之间无功的交换且体系的宏观动能、位能可忽略时，有H=Q ，即过程的热效应就等于进出体系物流的焓变。体系发生状态变化及化学反应时与环境交换的显热、相变热、化学反应热和混合热都可以通过物流的焓变来计算。这样就可以将热效应Q这一过程函数的计算转变为状态函数变化H 的计算。因为状态函数只取决于体系的始、终状态，从而使得过程热效应的计算极为方便。因此，在进行能量平衡时必须确定体系由于发生各种过程所伴随的焓变。讨论过程的热效应实质上也就是讨论过程前后体系的焓变。,过程的热效应化工生产的许多过程都伴随有显著的热效应，例如温度,显热,物质在不发生化学变化和相变化的条件下，加热或冷却过程中吸收或放出的热量称为显热。计算显热有两种方法：公式计算法和查表法。,显热物质在不发生化学变化和相变化的条件下，加热或冷却过程中吸,公式计算法此法是利用物质的热容来进行计算。一定量的物质温度每升高1所需要的热量称为热容，若过程在恒定的压力下进行，其热容称定压热容，以Cp表示。若过程在恒容条件下进行，则其热容称为定容热容，以Cv表示。通常，定压热容要大于定容热容。对于液体和固体，可以认为二者近似相等。而对于气体，二者的差别不能忽略。实际生产过程主要是定压过程，因此，实际生产中主要使用定压热容。定压热容的定义式为：,公式计算法,对于理想气体, 是温度的函数，若物质的量为1mol，则称为定压摩尔热容，以 表示。一般用实验数据归纳成经验式： 或 式中的 是与物质有关的特性常数。该式表达的热容代表温度T时的热容值，故称为真热容，使用时应注意单位、物质的状态及适用的温度范围。为方便起见，将二式合并成A 、B 、C 、D 值可在热力学表中查到。,对于理想气体, 是温度的函数，若物质的量为1mol，则称,使用真热容需要进行繁琐的积分，工作量较大。工程上常采用温度T1与T2之间的平均热容 的概念，定义：则有 由于热容是温度的函数，平均热容的数值也与温度有关，为计算便利，一般选择某一参考温度T0，规定统一按T0至任一温度T的温度区间内的平均热容 来计算。,使用真热容需要进行繁琐的积分，工作量较大。工程上常采用温度T,在工程计算中往往对计算精确度要求不高，常采用更简单的方法进行计算。当热容与温度的关系呈线性关系时，某温度范围内的平均热容可以用始态和末态温度下真热容的算术平均值来代替。真实气体的热容不仅与温度有关，而且与压力有关。对于高压下的真实气体，采用理想气体热容进行计算会带来一定的误差，一些手册中列出了热容与温度和压力的关系图表，可直接查用。另一种方法是对理想气体的热容进行校正：,在工程计算中往往对计算精确度要求不高，常采用更简单的方法进行,查表法有些手册或参考书中列出了一些物质的焓值，使用时可直接查用计算显热。由于物质的内能及焓的绝对值不可测，这些数据都是以某一参考态为基准的相对值。使用时应注意不同来源的数据不要随便混用，以免由于基准的不一致而造成错误。必须要用时应将其换算到同一基准。,查表法,潜热,在恒温、恒压下物质由一个相态转变成另一个相态时所放出或吸收的热量称为物质的相变潜热。化工生产中相变过程有四类。许多物质在某些条件下相变热的实验测定值数据可以从化学和化工手册上查到。而对于些研究得较多的物质（如水蒸气等）则几乎可以查到所有使用范围内的相变热数据。相变热随温度的变化会有显著的不同，但随压力的变化很微小。因此通过图表查取相变热时要注意温度的一致，而压力即使有中等程度的变化也可不必考虑。,潜热在恒温、恒压下物质由一个相态转变成另一个相态时所放出或吸,如果查到的数据与使用条件不相符，可根据焓是状态函数的特征设计一定的计算途径求算。例如已知Tl、p1条件下某物质的气化潜热为H1，可求得在T2、p2条件下的气化潜热H2。,相变潜热还可以采用经验公式进行计算，这在手册中查不到现成数据时很有用处。在工程上用得较多的是汽化潜热，下面介绍几个计算汽化潜热的常用公式。,如果查到的数据与使用条件不相符，可根据焓是状态函数的特征设计,正常沸点下的汽化潜热的计算正常沸点下的汽化潜热可用下式估算： -摩尔汽化潜热， ; -物质的临界温度， ，可从附表中查出； -正常沸点时的对比温度， ； -临界压力， ，可从附表中查出； -物质的正常沸点， 。此式的误差一般不超过3 。,正常沸点下的汽化潜热的计算,其他温度下汽化潜热的计算其他温度下的汽化潜热可用下式计算：上式适用于已知一个温度下的汽化潜热估算另一温度下的汽化潜热，下标1与2分别指两种温度下的汽化潜热与相应的对比温度Tr 。此式比较简单又相当准确，在离临界温度10 K 以外，平均误差仅1.8 %，适于工程上计算汽化热随温度的变化。,其他温度下汽化潜热的计算,化学反应热,化学反应中，由于分子、原子间化学键的断裂及重新组合，发生化学能的变化，因而产生热效应。化学反应热就是在恒温恒压下，物质间因化学反应所释放或吸收的热量。若反应于标准状态下进行，其热效应称标准反应热。可利用物质的标准生成热及标准燃烧热来计算反应热：,化学反应热化学反应中，由于分子、原子间化学键的断裂及重新组合,化学反应热,当反应不在298K下进行时，要知道任意温度条件下的反应热，有两种方法。对于一些研究得比较多的反应，例如一氧化碳的变换反应，二氧化硫的转化反应等，有关手册已经列出了反应热与温度之间的关系图表，可直接查用，而对于大多数的反应，则需应用基尔霍夫公式通过298K下的反应热数据求取任意温度下的反应热：式中 为产物的热容之和减去反应物的热容之和。如果某一化学反应在所讨论的温度范围内，参加反应的物质存在相变，则不能直接套用基尔霍夫公式。应按状态函数的特征，设计计算途径，分步计算。,化学反应热当反应不在298K下进行时，要知道任意温度条件下的,化工节能与减排,化工节能与减排,目 录,能量降级与热力学第二定律,轴功、各种热效应的计算,有效能衡算和有效能效率,热力学分析的基本方法,噪声污染及控制,热管、热泵和夹点技术,能量的合理利用,稳流体系热力学第一定律,废水处理方法、技术和流程,废固处理及利用,废气污染的预防措施及治理,目 录能量降级与热力学第二定律轴功、各种热效应的计算有,今日作业,1、水在正常沸点下的汽化潜热为2256kJ/kg，估算水在210 下的汽化潜热并与文献值比较。2、一空气压缩机每小时将0.10133Mpa、温度为20的空气120kg压缩到4.0Mpa，设空气为理想气体，压缩过程为多变压缩，多变指数m=1.20.试分别计算单级压缩和两级压缩、中间冷却两种方法所需功率和气体的终温。,今日作业1、水在正常沸点下的汽化潜热为2256kJ/kg，估,有效能衡算和有效能效率,有效能衡算和有效能效率,有效能,为了比较体系在不同状态下可用于做功的能量多少、确切地评价能量的做功能力，凯南（Keenen）提出了有效能（available energy ）的概念。并定义为处于一定热力学状态的物系，通过完全可逆的过程变化到与环境状态处于完全热力学平衡（即温度、压力、化学反应及相均平衡）时所能做出的最大功（理想功）。用符号 表示。a 理想功就是体系变化过程按完全可逆地进行时所作的最大功。b 在有效能研究中，选定环境的状态（ ）作为基态，即将周围环境当作一个具有热力学平衡的庞大体系，这种状态下的有效能值为零,有效能为了比较体系在不同状态下可用于做功的能量多少、确切地评,有效能的组成,对于没有核、磁、电与表面张力效应的过程，稳定流动的流体（体系）的有效能可由下列四个主要成分组成，即动能有效能、位能有效能、物理有效能和化学有效能。,有效能的组成对于没有核、磁、电与表面张力效应的过程，稳定流动,a 动能有效能 流体的动能可以全部转化成有效的功，因此流体的动能即属于有效能。动能项中的线速度为物系与地球表面的相对线速度。b 位能有效能 流体的位能同样也可以全部转化为有效的功，因此流体的位能也即属于有效能。位能项中的位高是以当地环境海平面为零作基准的。,a 动能有效能,c 物理有效能 物系由所处的状态到达仅与环境成热平衡和力平衡而未达到化学平衡状态所提供的理想功为该物系的物理有效能。也就是说，物系因温度和压力与环境的温度和压力不同所具有的有效能称为物理有效能。平衡时，体系和环境具有物理界限分隔，两者相互不混和，也不发生化学反应，但此时体系的温度和压力与环境的温度和压力相等。,c 物理有效能,d 化学有效能 体系从与环境仅成热平衡和力平衡的状态到达与环境完全平衡的状态时所提供的理想功即为该体系的化学有效能。这也就是说，体系由于组成和环境组成不同所具有的有效能称为化学有效能。所谓完全平衡是指体系和环境既有热平衡、力平衡且又有化学平衡的平衡。此时体系与环境除温度、压力相等外，体系的组成还与环境物质相互混了或者发生化学反应。通常，体系由热平衡且力平衡的状态到达完全平衡的状态，须经化学反应与物理扩散两个过程。化学反应是将原体系的物质转化成环境物质（基准物）。物理扩散指原体系或经化学反应后生成物的浓度变到与环境中基准物浓度相同的过程。,d 化学有效能,稳定流动过程流体的有效能应由四个有效能成分组成，即： 通常计算稳流流体经过敞开体系（指某设备装置）的有效能时，由于一般情况下敞开体系进出口流体的动能与位能变化很小， 和 之值要比 和 小得多，往往可以忽路不计。如果在特定情况下，如蒸汽喷射泵的出口处，蒸汽 较大，则不能忽略。,稳定流动过程流体的有效能应由四个有效能成分组成，即：,有效能的计算,化工过程中，比较常见的是稳流体系。因此，下面以稳流体系为例，讨论有效能的计算。对于稳流体系，由状态1变到状态2，其动能、位能变化可略而不计时，则过程的理想功为：故当体系由任意状态变至基态时，根据有效能的定义，得稳流体系在任意状态时有效能的计算式为：这是有效能的基本计算公式，它适用于各种物理的、化学的或两者兼而有之的有效能计算。,有效能的计算化工过程中，比较常见的是稳流体系。因此，下面以稳,在基态时 均可视为常数，故体系的有效能仅决定于体系的状态，它是状态函数。根据定义式可分别求出体系在始态（ 、 ）和终态（ 、 ）时的有效能 与 ，二者之差为：即 式中 为有效能的变化。由上式可见，体系由状态1可逆变化到状态2时，过程的理想功等于体系有效能的减少。当 0时，体系可对外做功，所做的功最大为 ；当 0时，要实现体系的状态变化就必须消耗外功，所消耗的功最小为 。,在基态时 均可视为常数，故体系的有效能仅决定于体系,无效能,在给定环境下，能量可转变为有用功的部分称为有效能；余下的不能转变为有用功的部称为无效能。能量由有效能与无效能两个部分组成。 由此可见，在不可逆过程中，有部分有效能降级变为无效能而不能做功，其总的有效能的损失等于损耗功。总之，能量可分为有效能与无效能两个部分。有效能是能量的有用部分，是宝贵的，得花一定的代价才能得到；无效能则到处都有。因此，节能的实质是节有效能。根据热力学第一定律，总能量是守恒的，即：,无效能在给定环境下，能量可转变为有用功的部分称为有效能；余下,但按热力学第二定律，不可逆过程都有功损耗，功损耗也就是有效能损失，因此不可逆过程有效能的数值是减少的， 。由于总能量守恒，有效能的数值减少则无效能的数值必定增加， 。无效能的增加量等于有效能的减少量 损耗功就是不可逆过程中有效能转化为无效能的量，故视其为能量贬质的量度。对于可逆过程，则有效能是守恒的。,但按热力学第二定律，不可逆过程都有功损耗，功损耗也就是有效能,由前述讨论可以将用能过程的热力学第二定律表述为：1、在一切不可逆过程中，有效能转化为无效能。2、只有可逆过程，有效能才能守恒。3、由无效能转化为有效能是不可能的。,由前述讨论可以将用能过程的热力学第二定律表述为：,有效能衡算,对一个体系或过程做出物料和能量平衡，并且根据各股物流及能流的热力学性质，求出它们单位质量（或能量）的有效能之后，可以进行该体系或过程的有效能衡算，从而确定体系或某一工序产生的有效能损失，查明有效能转化、传递、利用和损失的情况，以便确定节能改造的最佳途径，以达到合理用能之目的。在完全可逆的情况下，理论上对某一耗能产物进行有效能衡算，可以确定该产品的理论能耗和生产过程的理想功，它可作为衡量实际能耗的理论依据。,有效能衡算对一个体系或过程做出物料和能量平衡，并且根据各股物,由于任何不可逆过程必引起有效能的损失，因此在建立有效能平衡方程时，与能量衡算并非一样。能量衡算中，输入的各项能量之总和恒等于输出的各项能量之总和；而有效能的输入与输出是否相等，则要看过程是否可逆。对不可逆过程，必附加一项有效能损失。现以稳流过程为例，建立有效能平衡方程。设有如图所示的具有多股物流进出的，和外界有热功交换的敞开体系稳流过程。进入体系的物流有效能为 ；离开体系的物流有效能为 。进入体系的热流有效能（热量有效能）为 。（EXQ中的Q可正也可负）；离开体系的功流为 ( WS可正也可负）。,由于任何不可逆过程必引起有效能的损失，因此在建立有效能平衡方,化工节能与减排全套课件,对于可逆过程，体系内部无有效能损失，损耗功为零，有效能是守恒的。因此有效能平衡方程为：,对于可逆过程，体系内部无有效能损失，损耗功为零，有效能是守恒,对于不可逆过程，体系内部存在有效能损耗，损耗功小于零，有效能数值减少，无效能数值增加。其有效能平衡方程为：上式即为不可逆稳流过程的有效能平衡方程。有效能平衡方程的主要用途是确定体系（系列设备或单体设备）的内部有效能损失。上式移项后即为内部有效能损失的计算式：,对于不可逆过程，体系内部存在有效能损耗，损耗功小于零，有效能,右边各项值可根据可测参数（如温度、压力、流量、组成、电压和电流等）直接求得。由此可见，因过程的不可逆性引起的有效能损失可有两种计算方法。一种是根据损耗功的定义，通过计算参与过程的有关体系组成的孤立体系的总熵变，从而求得损耗功；另一种方法是通过有效能衡算，来计算过程和装置的损耗功。此时需要计算各物流及能流的有效能，然后进行有效能平衡，从而确定有效能的损失。由于熵增法（ ）求 时，对体系的选取是有限制的，所以有效能衡算法较熵增法往往要方便些。,右边各项值可根据可测参数（如温度、压力、流量、组成、电压和电,对于有动能、位能和组成变化的稳流过程，物料有效能应包括动能有效能、位能有效能、物理有效能、化学有效能。对于恒组成稳流过程，有效能损失的衡算式可以写成,对于有动能、位能和组成变化的稳流过程，物料有效能应包括动能有,具体应用时，根据不同情况有下述几种简化形式。,具体应用时，根据不同情况有下述几种简化形式。,化工节能与减排全套课件,化工节能与减排全套课件,化工节能与减排全套课件,化工节能与减排全套课件,看起来，有效能衡算方程与普通的能量衡算方程颇为相似，但存在着几点实质性的区别。a普通能量衡算的依据是热力学第一定律；而有效能衡算的依据是热力学第一、第二定律，因此，有效能衡算的结果能更全面、更深刻地反映过程进行的情况；b能量是守恒的，但在一切实际过程中有效能并不守恒，由于过程的不可逆性，使部分有效能转化为无效能而损失掉；,看起来，有效能衡算方程与普通的能量衡算方程颇为相似，但存在着,c普通能量衡算是不同品位能量总量的数量衡算，它只能反映体系中能量的数量利用情况；而有效能衡算是相同品位能量的数量衡算，它能够反映出体系中能量的质量利用情况。尽管如此，有效能衡算可以看成是普通能量衡算的发展。在理解和掌握了有效能及其计算之后，注意到两种衡算方法的区别，则在普通能量衡算知识的基础上，可以很容易地掌握有效能衡算方法。,c普通能量衡算是不同品位能量总量的数量衡算，它只能反映体系,有效能效率,有效能效率就是过程中输出的有效能对输入的有效能之比。以数学式表达，则为：根据有效能衡算式，上式可写为：,有效能效率有效能效率就是过程中输出的有效能对输入的有效能之比,化工节能与减排,化工节能与减排,目 录,能量降级与热力学第二定律,轴功、各种热效应的计算,有效能衡算和有效能效率,热力学分析的基本方法,噪声污染及控制,热管、热泵和夹点技术,能量的合理利用,稳流体系热力学第一定律,废水处理方法、技术和流程,废固处理及利用,废气污染的预防措施及治理,目 录能量降级与热力学第二定律轴功、各种热效应的计算有,热力学分析的基本方法,热力学分析的基本方法,热力学分析,广义地说，用热力学的基本原理来分析和评价过程，就称为过程的热力学分析。这里仅讨论用热力学基本原理分析和评价过程的能量利用情况。过程热力学分析的基本任务是：确定过程中能量损失或有效能损失的大小、原因及其分布；确定过程的效率，为制定节能措施、改进操作和工艺条件，以及为不同过程的评比、实现生产和设计的最佳化提供依据。热力学分析方法有多种，但主要有三种：一是能量平衡法；二是熵分析法；三是有效能分析法。,热力学分析广义地说，用热力学的基本原理来分析和评价过程，就称,化工节能与减排全套课件,能量平衡法,有关手册可查出各状态点的参数如表所示。,能量平衡法有关手册可查出各状态点的参数如表所示。,产汽量 忽略废热锅炉的热损失，则有式中， 为转化气的物质的量， ； 为转化气的平均热容， 。水蒸气吸热,产汽量,透平做功 以透平为系统，忽略热损失时则有： 冷却水的焓变 忽略冷凝器的热损失，则： 热效率,透平做功 以透平为系统，忽略热损失时则有：,能量衡算表及能流图,能量衡算表及能