化工热力学ppt课件化工专业本科阶段.ppt

1,第七章,化工过程的能量分析,2,7.1 理想功和损失功,理想功和损失功法（熵分析法）： 是以热力学第一定律为基础，与理想功进行比较，用热效率评价。有效能分析法（火用分析法） ： 将热力学第一定律，热力学第二定律结合起来，对化工过程每一股物料进行分析，是用有效能效率评价。,目前进行化工过程热力学分析的方法大致有两种：,3,一. 理想功,定义： 体系以可逆方式完成一定的状态变化，理论上可产生的最大功(对产功过程)，或者理论上必须消耗的最小功(消耗过程)，称为理想功。,Wmax (Wmin),体系以状态1,状态2,完全可逆,要注意: 完全可逆,状态变化可逆；系统内的所有变化是完全可逆的,传热可逆(物系与环境)系统和环境之间的能量 交换，例如传热过程也是可逆的,4,流动过程理想功的计算式,对于稳流过程，热一律表达式为：,忽略动，势能变化,若可逆,(7-41),稳流过程理想功,5,注意点：,不忽略进出口的动能，势能的变化。完整的表达式为：,体系经历一个稳流过程，状态发生变化，即可计算其理想功，理想功的值决定于体系的始、终态与环境温度，而与实际变化途径无关。,要区别可逆轴功与理想功这两个概念,对绝热过程,对不做轴功的过程,6,二损失功WL,定义：体系完成相同状态变化时，实际功和理想功的差值数学式：,对稳流体系,(7-43),(7-44a),7,三 热力学效率,8,结论：,（1）,（2）,（3）可逆过程,有关,与,有关,与,实际过程,对产功过程：,对耗功过程：,9,例7-1. 试确定1kmol的蒸气（1470kPa，过热到538，环境温度t0=16）在流动过程中可能得到的最大功。,三 应用举例,10,解：这是求算1kmol的蒸气由始态（538，1470kPa）变化到终态（16，101.32kPa）的液体水时所得到的最大功。由过热水蒸气表查得初始态时的焓与熵分别为H1=3543.34kJ/kg， S1=7.6584kJ/（kgK）由饱和水蒸气表可查得终态时水的焓与熵分别为 H2=67.18kJ/kg， S2=0.2389kJ/（kgK）,所以过程的焓变和熵变分别为,H =M（H2H1）=18.02（67.183543.34）=62640.33（kJ/kmol）,S=M（S2S1）=18.02（0.23897.6584）=133.6994（kJ/（kkmolK）若理想功为所能提供的最大有用功，则Wid=,HT0,S=62640.33（16273.15）（133.6994） =2.398104（kJ/kmol）,11,例7-2. 1kg的水在100kPa的恒压下从20加热到沸点，并且在此温度下完全蒸发，如果环境温度为20，试问加给水的热量中最大有多少可转变成功量。,12,解：100kPa压力下水的沸点约为100，有水蒸气表查得H1=2676.1kJ/kg， S1=7.3549kJ/（kgK）在环境温度（T0=t0273.15=293.15K）下，100kPa压力下水的焓和熵为 H0=83.96kJ/kg， S0=0.2966 kJ/（kgK）所以加给水的热量为 Qp=,H=H1H0=2676.183.96=2592.1（kJ/kg）,13,100kPa压力下水蒸气转化为20的水所能产生的最大功为 Wid=,HT0,S =2592. 1293.15（0.29667.3549）=523.0（kJ/kg）,加给水的热量中最大可能转变成功量部分所占的百分数为,14,例7-3在一个往复式压气机的实验中，环境空气从100kPa及5压缩到1000kPa，压缩机的气缸用水冷却。在此特殊实验中，水通过冷却夹套，其流率为100kg/kmol（空气）。冷却水入口温度为5，出口温度为16，空气离开压缩机时的温度为145。假设所有对环境的传热均可忽略。试计算实际供给压气机的功和该过程的理想功的比值。假设空气为理想气体，其摩尔定压热容CP=29.3kJ/（kmolK）。,15,解：以被压缩的空气为系统，以1kmol空气作为基准。假设空气为理想气体，在此过程中空气放出的热量为Q=WWCP，W（touttin）式中WW为冷却水的流率；CP,W为水的热容，取值为4.18kJ/（kgK），tout和tin分别为冷却水的出、入口温度。所以Q=1004.18（165）=4.598103（kJ/kmol）压缩过程中空气的焓变为,16,若忽略此压缩过程中动能和势能的变化，则所需的功为WS=,Q =4.1021034.598103=8.700103（kJ/kmol）,过程的熵变可以按下式计算,17,Wid=,HT0,因此实际供给压气机的功与该过程的理想功的比值为,S=4.102103278.15（7.199）=6.104103（kJ/kmol）,WS/Wid=8700/6104=1.425,所以压缩过程的理想功为,18,例7-4 1.57MPa, 757K的过热水蒸汽推动透平机作功，并在0.0687 MPa下排出。此透平机既不绝热也不可逆，输出的轴功相当于可逆绝热膨胀功的85。由于隔热不好，每千克的蒸汽有7.12KJ的热量散失于293的环境。求此过程的理想功，损失功及热力学效率。,19,分析,求：,20,解：1查过热水蒸汽表, 内标计算H1，S1,当,当,21,当,故 H1=3437.5KJ/Kg S1=7.5150KJ/Kg.K,2 求终态热力学性质,可逆绝热膨胀,S1=S2,S1=S2=7.5150 KJ/Kg.K,22,当P2=0.0678MPa时，对应的饱和蒸汽Sg为,Sg=7.4912 KJ/Kg.K,所以状态为过热蒸汽,二者相比较，已逼近饱和蒸汽，查饱和水蒸汽表,H2=2658.46 KJ,23,据热力学第一定律：,由P2,H2查表内标 得 S2=7.7551 KJ/Kg.K,3 求,= -669.27 -70.3493= -739.62 KJ/Kg,(2768.23-3437.5)-293(7.7551-7.5150),24,=77.47 KJ/Kg,25,例 7-8 用1.57MPa，484的过热蒸汽推动透平机作功，并在0.0687MPa下排出。此透平机既不是可逆的也不是绝热的，实际输出的轴功相当干可逆绝热功的85。另有少量的热散入293K的环境，损失热为7.12kJ/kg。求此过程的理想功、损失功和热力学效率。,解,可逆绝热过程,26,查过热水表汽表可知，初始状态1.57MPa， 484 时的蒸汽焓、熵值为H1=3437.5kJ/kg, S1=7.5035kJ/(kgK),若蒸汽按绝热可逆膨胀，则是等熵过程，当膨胀至0.0687MPa时,熵为 S2=S1=7.5035kJ/(kgK) 查过热水蒸汽表,2658.9 7.4885,2680.2 7.5462,27,P = 0.0687MPa,此透平机实际输出轴功,28,依据稳流系统热力学第一定律,得到实际状态2的焓为,29,30,或,31,7.2 有效能及其计算,一、有效能的概念1.能量的分类按能量转化为有用功的多少，可以把能量分为三类：高质能量：理论上能完全转化为有用功的能量。如电能、机械能。僵态能量：理论上不能转化为功的能量（如海水、地壳、环境状态下的能量）。低质能量：能部分转化为有用功的能量。如热量和以热量形式传递的能量。,32,2.有效能,定义：一定形式的能量，可逆变化到给定环境状态相平衡时，理论上所能作出的最大有用功。无效能：理论上不能转化为有用功的能量。能量的表达形式对高质能量 能量有效能对僵态能量 僵态能量无效能对低质能量 低质能量有效能无效能,以平衡的环境状态为基准，理论上能够最大限度地转化为功的能量称为有效能，理论上不能转化为功的能量称为无效能。,33,注意点,有效能“火用”、“可用能”、“有用能”、“资用能”无效能“火无”、“无用能”功可看作100的有效能,34,系统在一定状态下的有效能，就是系统从该状态变化到基态（环境状态）过程所作的理想功。,稳流过程，从状态1变到状态2，过程的理想功为：,当系统由任意状态(P, T)变到基态(T0, P0)时稳流系统的有效能EX为:,二.有效能的计算,35,1.环境和环境状态环境：一般指恒T、P、x下，庞大静止体系。如大气、海洋、地壳等环境状态：热力学物系与环境完全处于平衡时的状态，称之。常用0、0、0、0等表示。2.物系的有效能物理有效能：物系由于、与环境不同所具有的有效能。化学有效能：物系在环境的0、0下，由于组成与环境不同所具有的有效能。,36,机械能和电能全部是有效能，即 EX=W 动能和位能也全部是有效能。,3 机械能、电能的有效能,37,4.热量的有效能Q,卡诺循环热效率,定义：传递的热量，在给定的环境条件下，以可逆 方式所能做出的最大有用功。,计算式,恒温热源热量的有效能,无效能,BQ=WC,38,变温热源的有效能,或用H、S值计算：Q=T0S-H,39,5.压力有效能,Bp=ToS-H,由第三章知,（552）,对理想气体,40,6.稳流物系的有效能,定义：稳流物系从任一状态i（、）以可逆方式变化到环境状态（TO、P0、H0、S0）时，所能作出的最大有用功。BiT0(S0-Si)-(H0-Hi)稳流物系从状态1状态2所引起的有效能变化为：BB2-B1=T0(S1-S2)-(H1-H2)= H-T0S,41,试比较如下几种水蒸汽，水的有效能大小。设环境温度为298K。 0.15MPa，160，过热蒸汽； 0.3MPa， 160，过热蒸汽； 0.07MPa，100，过冷蒸汽 100，饱和蒸汽； 0.1MPa，100，饱和水.,42,解：由水和水蒸汽性质表可查得各状态点的焓和熵值，设298K，液态水为基准态，有效能为零。 根据有效能计算式：,计算结果见下表所列。,判断水蒸汽的价值，应当用有效能而不是焓，从表中1，2可见，相同温度下，高压蒸汽的焓值虽不如低压蒸汽高，但是其有效能却比低压蒸汽为高。实际使用中，当然高压蒸汽的使用价值高，相对称为高品质能量。,43,三、理想功与有效能的区别与联系,理想功：Wid= H -T0S= (H2-H1) -T0(S2-S1)有效能：B=T0(S0-S)-(H0-H)有效能与理想功的区别主要表现在两个方面终态不一定相同Wid:终态不定 B :终态一定（为环境状态）研究对象不同Wid：是对两个状态而言，与环境无关，可正可负。B：是对某一状态而言，与环境有关，只为正值。,44,四、不可逆性和有效能损失,1.不可逆性热力学第二定律认为自然界中一切过程都是具有方向性和不可逆性的。当St（S产生）0 不可逆过程 =可逆过程有效能的方向和不可逆性表现在：当过程是可逆时，有效能不会向无效能转化，有效能的总量保持不变。当过程是不可逆时，有效能向无效能转变，使有效能的总量减少。,45,2.有效能损失(EL),2.有效能损失(EL)定义：不可逆过程中有效能的减少量，称之。计算式：D理想功实际功对于稳流体系：若忽略动能、势能的影响 实际功 Ws=Q-H 理想功 WidT0S-H DT0S-H-QT0S-HT0S-Q, D=T0Ssys+T0Ssur=T0St 或 D=T0S产生,又Ssur=-Q/T0,-Q=T0Ssur,46,典型过程有效能损失,传热过程对高温物系放出的热量的有效能为： BQ，HQ（1T0/TH）对低温物系吸收的热量的有效能为： BQ，LQ（1-T0/TL）,有效能损失,D=BQ，H-BQ，L=,结论：)传热过程有效能损失是存在的。)TH-TC差值增大，D增大,47,dSt=-VdP dSt=(-V/T)dP由前知=ToSt dD=T0dSt= T0 (-V/T) dp结论：) D P压力降) 稳流过程的有效能损失是由于阻力引起的。,稳流体系对稳流体系，若忽略掉动能和势能HQ-Ws对管道流动，一般情况下，Q0（无热交换） Ws0（无轴功）,dH=0,H0,dH=TdS+VdP,48,传质过程,若T=T=T,式中：i i组在 相中的化学位、相,把两相看作一个孤立体系，则d(ns)孤=d(ns)t,有效能损失：D=T0d(ns)t=-T0,49,注意点：,有效能损失在任何不可逆过程都是存在的； 有效能损失的大小与过程的推动力有关， D推动力。即推动力大，D大。,50,3.应用举例,例7-9如图所示，裂解气在中冷塔中分离，塔的操作压力为3.444MP，液态烃（由C2、C3、C4等组成）由塔底进入再沸器，其温度为318K；经0.1965MP的饱和蒸汽加热蒸发回到塔内。已知再沸器中冷凝水为313K，大气温度0为293K，液态烃在318K，3.444MP下气化热为293kJ/kg。汽化熵为0.921kJ/(kg.K)。求算加热前后液态烃，水蒸气的有效能变化及损失功。,51,T0=293K,3.444MP,318K下 烃 Hv=293kJ/kg Sv=0.921kJ/(kg.K) T=392.6K查表H气=2706kJ/kg,S气=7.133kJ/(kg.K)313k的水 查表H水=167.4kJ/kg, S水=0.572kJ/(kg.K),52,解：求消耗1kg水蒸气能蒸发液烃的量m,mHv=H水气-H水（热量衡算）,m=( H水气-H水)/Hv=(2706-167.4)/293=8.66kg烃,液态烃有效能变化B烃,B前=m To(S0-S1)-(H0-H1),B后=m To(S0-S2)-(H0-H2)B烃=B后-B前=m (Hv- ToSv)=8.66(293-293*0.921)=201kJ,B烃0,表明有效能增加。,53,水蒸气有效能变化,=(167.4-2706)-293(0.572-7.133)=-616KJ,表明1kg水蒸气换热后冷凝为水,其有效能降低., 求WL,54,有效能的衡算及有效能效率,1. 有效能衡算式 有效能衡算式,可由热力学第一律,热力学第二律推导出来,稳流体系,状态1,状态2,H1,S1,H2,S2,Q,孤立体系,55,由热力学第二定律： 分两种情况考虑,由热力学第一定律,(忽略了动能,势能),(A),(1) 可逆过程,有效能损失,(B),56,由式(A)-式(B), 得:,进行数学处理，得：,输入体系有效能 = 输出体系有效能,57,2 结论： 能量衡算是以热一律为基础，有效能衡算是以热一、二定律为基础； 能量守恒，但有效能不一定守恒。可逆过程有效能守恒，不可逆过程有效能总是减少的； 能量衡算反映了能量的利用情况，而有效能衡算可反映能量的质量、数量的利用情况； D的计算方法：有两种：,(2) 不可逆过程,由于有效能损失总是存在的，并且有效能损失总是大于零，D0。,58,2.有效能效率,定义：对于一个设备或过程，收益的有效能与提供给它 的有效能的比值。,59,对一切过程（不论过程本身产功，还是耗功）,结论：,有效能效率在任何情况下均小于1，大于零,若D=0，则,说明过程为完全可逆过程,若D0，则,说明过程为不可逆过程,偏离1的程度，D,过程的不可逆程度就愈大,该过程才能进行。,只有,60,3有效能分析法步骤,对一个过程进行热力学分析，一般分为四步，步骤：（1）根据需要确定被研究的物系；（2）确定输入及输出各物流，能流的工艺状况及热力学函数；(3) 计算各物流，能流的有效能；(4)对体系进行有效能衡算，求出有效能损失和有效能效率。,61,四应用举例,例7-10 氨厂的高压蒸汽系统，每小时产生3.5 t的中压冷凝水。如通过急速闪蒸，由于压力骤然下降，可产生低压蒸汽。现有两种回收方案，方案A是将中压冷凝水先预热锅炉给水，然后在闪蒸中产生较少量的低压蒸汽，锅炉给水流量为3.5t/h,预热前后温度分别为20，80。方案B是通过闪蒸气产生较多的蒸汽，中压冷凝水为1.908Mpa,210,在闪蒸气中急速降压至0.4756Mpa,以产生0.4756Mpa 的低压蒸汽与冷凝水.如忽略过程的热损失,环境的温度为20.试计算A,B两种方案的有效能损失,并比较计算结果.,62,闪蒸器,闪蒸器,1,2,3,1,2,3,4,中压冷凝水3.5t/h,1.908MPa,210,H1=897.76KJ/kg,S1=2.4248KJ/kg.k,低压蒸汽，0.4756MPa,150,H2=2746.5,S2=6.8379,低压冷凝水，0.4756MPa,H3=632.2 S3=1.8418,低压冷凝水，0.4756MPa,1.908MPa,T4,H4,S4,预热器,锅炉给水20,3.5t/h,0.1013MPa,H5=83.96 S5=0.2966,5,6,P6=0.1013MPa H6=334.91 S6=1.0753 80,低压蒸汽，0.4756MPa,To=20=293K,A方案,B方案,63,解：（1） 确定研究的物系，如图示； （2） 确定进，出系统或过程的各物流 ，能流的工艺状态及热力学函数，列表表示； （3）A方案计算：, G=24.19kg/h, 取预热器为体系，作能量衡算，确定中压过冷水的热力学函数。,由H4查表得：t4=153.4。, 取闪蒸器为体系，作能量衡算，求低压蒸汽量G.,64, 有效能衡算，计算有效能损失D,=241013.54KJ/h,68.86KJ/kg,65, 取闪蒸器为体系,作能量衡算,计算低压蒸汽量Gkg/h,(4)B方案计算:, 有效能衡算,计算D.,66,(5) 比较方案:,由于,说明方案B的能量利用比方案A好。,67,稳态流动过程的理想功仅取决于体系的初态与终态及环境温度T0，而与具体的变化途径无关。（ ）A） 正确 B) 错误,要对化工过程进行节能改进，就必须对理想功、损失功、热力学效率进行计算和热力学分析。（ ）A） 正确 B) 错误,能量是由火用和火无两部分组成。（ ）A） 正确 B) 错误,68,