化工节能原理与技术-梁鑫.ppt
1,化工节能原理与技术,梁鑫北京化工大学 2011.2.23（春季学期）,自我介绍,教育背景20002009 清华大学2009至今 北京化工大学研究方向新型催化材料科研成果SCI 论文十余篇，在研项目5项联系方式 010-64412054 无机楼310,2,3,考核方式：五分制成绩评定：课程总成绩的评定权重为：作业占10%，课程测验占60%（采取开卷方式），课程报告占30%。课程报告：一种新型的节能技术，如催化（反应精馏）技术，反应-反应耦合，结构化催化剂，新型热泵，新型精馏技术（热偶精馏、特殊精馏）等。大约5000-10000字左右。,4,第 2 章 节能的热力学,2.2 能量与热力学第一定律输入系统的能量-输出系统的能量=系统储存能量的变化宏观动能：mc2/2宏观位能：mgz系统内部的微观能量（内能）：U2.2.1 闭口系统能量恒算式Q=U+W对单位质量 对微元过程q=u+w q=du+w,5,第 2 章 节能的热力学,2.2 能量与热力学第一定律2.2.2 稳定流动开口系统能量衡算物质流转移到系统的能量为：,m1,m2,Q,W,m(u+pv+c2/2+gz)=m(h+c2/2+gz),h=u+pv,H=U+pV,6,第 2 章 节能的热力学,2.2 能量与热力学第一定律2.2.2 稳定流动开口系统能量衡算开口系统的能量衡算式为：,m1,m2,Q,W,dU=Q W+m1(h1+c12/2+gz1)m2(h2+c22/2+gz2),Q=m2(h2+c22/2+gz2)m1(h1+c12/2+gz1)+W+dU,7,第 2 章 节能的热力学,2.2 能量与热力学第一定律2.2.2 稳定流动开口系统能量衡算稳定流动：空间各点参数不随时间变化的流动过程（1）.热和功的交换不随时间而变；（2）.物质交换不随时间而变；（3）.进、出口截面参数不随时间而变,dU=Q W+m1(h1+c12/2+gz1)m2(h2+c22/2+gz2),dU=0，m1=m2,Q=H+m c2/2+mg z+W,Q=out mi(h+c2/2+gz)i in mi(h+c2/2+gz)i+W,（对多股流体）,8,第 2 章 节能的热力学,2.2 能量与热力学第一定律2.2.2 稳定流动开口系统能量衡算例2-1：某化肥厂生产的半水煤气，其组成如下：CO2 9%，CO 33%,H2 36%,N2 21.5%,CH4 0.5%。进变换炉时水蒸气与一氧化碳的体积比为6，温度为 653.15 K。设变换率为85%，试计算出变换炉的气体温度。,变换气,半水煤气,水蒸气,100 kmol,n kmol(nH2O:nCO=6),T=380,CO+H2O CO2+H2,9,第 2 章 节能的热力学,2.2 能量与热力学第一定律2.2.2 稳定流动开口系统能量衡算进入炉中的湿气体各组分的物质的量（kmol)：CO2 9;CO 33;H2 36;N2 21.5;CH4 0.5;H2O 198出变换炉时湿气体各组分的物质的量（kmol)：CO2 37.5;CO 4.95;H2 64.05;N2 21.5;CH4 0.5;H2O 169.95绝热过程：H=0；U=,10,第 2 章 节能的热力学,2.2 能量与热力学第一定律2.2.2 稳定流动开口系统能量衡算焓是状态参数，过程焓变等于终态的焓减去初态的焓；既有物理变化又有化学反应的物系，计算焓变需考虑反应热。,11,第 2 章 节能的热力学,2.2 能量与热力学第一定律2.2.2 稳定流动开口系统能量衡算（1）.状态参数法,H=H1+Hr+H2=0,H1=-3.56 106(kJ),Hr=28.05(-41198)=-1.156 106(kJ),H2=10396 T-3099527(kJ),作业：1。计算653.15 K时转化 28.05 kmol 的恒温恒压反应热。,12,第 2 章 节能的热力学,2.2 能量与热力学第一定律2.2.2 稳定流动开口系统能量衡算（1）.统一基准焓法规定 0 K 时稳定单质的理想气体的焓为零；规定 298.15 K 时稳定单质的理想气体的焓为零；基准态下化合物的焓等于标准生成焓无论物理变化，还是化学变化，元素守恒无论物理变化，还是化学变化，过程焓变：,H=H终态 H初态,653.15 K时，H初态=-49.17 106(kJ),753.15 K时，H终态=-49.98 106(kJ),H=H终态 H初态=0,13,第 2 章 节能的热力学,2.3 火用与热力学第二定律热力学第一定律指出了能量的同一性，“量”的属性；不能解释“质”的属性如：功和热，高温热与低温热；热力学第二定律指出了能量的“质”的属性，说明过程进行的方向、条件及限制。,开尔文说法：不可能从单一热源吸收热量使之完全变成有用功而不产生其他影响。,普朗克说法：不可能制造一个机器，使之在循环动作中把一重物升高，而同时使一热源冷却。,克劳修斯说法：不可能把热从低温物体传至高温物体而不引起其他变化。,14,第 2 章 节能的热力学,2.3 火用与热力学第二定律,T,S,1,2,卡诺定理：在两个不同温度的恒温热源间工作的所有热机，不可能有任何热机的效率比可逆热机的效率更高。,热效率：c=1-T2/T1,T,S,T1,T2,15,第 2 章 节能的热力学,2.3 火用与热力学第二定律,结论：提高热效应的根本途径：提高热源温度、降低冷源温度以及尽可能减少不可逆因素。2.3.2 熵的概念和孤立系统熵增原理 熵是状态函数，定义（对可逆过程）,热效率：c=1-T2/T1,最大有用功（以环境温度为限）：W=Q(1-T0/T1),16,第 2 章 节能的热力学,2.3 火用与热力学第二定律,2.3.2 熵的概念和孤立系统熵增原理 熵流：由于热流引起的熵的变化 熵产：由于系统内部和外部的不可逆性引起系统熵的变化 孤立系统或绝热系统的熵可以增大，或保持不变，但不可能减少（热 力学第二定律的另一种表述）不可逆性引起的做功能力损失为：,17,第 2 章 节能的热力学,2.3 火用与热力学第二定律,2.3.3 热力学第二定律的熵衡算方程式 适用于任何系统的熵衡算方程式：进入系统的熵+不可逆性引起的熵产量=离开系统的熵+系统熵的变化 进、出系统的熵包括：进、出系统的物质流所携带的熵，以及因可逆传 热所引起的熵变 对闭口系统,18,第 2 章 节能的热力学,2.3 火用与热力学第二定律,2.3.3 热力学第二定律的熵衡算方程式 对开口系统（既有能量交换又有物质交换）对稳定流动系统（系统参数不随时间而变）对单股稳流系统（min=mout=m）（对绝热过程，？）,19,第 2 章 节能的热力学,2.3 火用与热力学第二定律,2.3.3 热力学第二定律的熵衡算方程式 T-S 图（可逆过程热量）,T,S,1,2,20,第 2 章 节能的热力学,2.3 火用与热力学第二定律,2.3.4 能量和火用 能量的转换过程具有方向性或不可逆性 能量的转换能力（能量转换为功的能力或做功能力）能量的可利用性分为三类：(a).具有完全转换能力的能量，如机械能、电能等；(b).具有部分转换能力的能量，如热能、内能或焓等；(c).完全不具有转换能力的能量，如处于环境温度下的热能等,卡诺热机的热效率：c=1-T0/T1,21,第 2 章 节能的热力学,2.3 火用与热力学第二定律,2.3.4 能量和火用 能量的火用（有效能）：转换为有用功的那部分能量；能量的火无（无效能）：不能转换为有用功的那部分能量 任何一种形式的能量可表示成 能量=火用+火无 分析第一类能量，第二类能量和第二类能量的 火用 和 火无。,22,第 2 章 节能的热力学,2.4 能量的 火用 计算,2.4.1 环境与物系的基准状态 自然环境是 火用 的自然零点 自然环境是一种概念性的环境 定环境模型：环境是确定不变的。斯蔡古特的环境模型：(1).环境温度 T0=298.15 K，环境压力 P0=1atm(2).环境由若干基准物构成。每一种元素都有其对应的基准物和基准反应。(3).基准物的自由焓较小龟山-吉田模型：(1).气态基准物的组成(2).其他元素以在 T0,P0 下纯态最稳定的物质作为基准物,23,第 2 章 节能的热力学,2.4 能量的 火用 计算,2.4.1 环境与物系的基准状态 系统与环境处于热力学平衡状态时，火用 值为零；完全的热力学平衡：热平衡、力平衡和化学平衡 不完全的热力学平衡：热平衡、力平衡 物理 火用：取不完全平衡环境状态作为基准态，一个系统的能量具有的火用 物理 火用+化学火用：取完全平衡环境状态作为基准态 化学 火用：取完全平衡环境状态作为基准态，因化学不平衡所具有的火用,24,第 2 章 节能的热力学,2.4 能量的 火用 计算,2.4.2 机械形式能量的火用 动能 火用：c2/2 位能 火用：g z 封闭系统从状态1变化到状态2所做功 W12 的 火用 为：Ew=W12 p0(V2 V1)封闭系统所做功的 火无 为：Aw=p0(V2 V1),V1,V2,T0,p0,25,第 2 章 节能的热力学,2.4 能量的 火用 计算,2.4.3 热量 火用 热量 火用：系统所传递的热量用可逆方式所能作出的最大有用功,能量衡算式：Q=-Q 0+WA,熵平衡方程式：Q/T+dS产=-Q0/T0,26,第 2 章 节能的热力学,2.4 能量的 火用 计算,2.4.3 热量 火用 热量 火用：系统所传递的热量用可逆方式所能作出的最大有用功,能量衡算式：Q=-Q 0+WA,熵平衡方程式：Q/T+dS产=-Q0/T0,可逆过程：dS产=0,热量 火用,热量 火无,27,第 2 章 节能的热力学,2.4 能量的 火用 计算,2.4.3 热量 火用 热量 火用：系统所传递的热量用可逆方式所能作出的最大有用功,热量 火用,S,热量 火无,S1,S2,1,2,4,3,T,T0,EQ,AQ,28,第 2 章 节能的热力学,2.4 能量的 火用 计算,2.4.3 热量 火用 温度恒定热源 变温热源,热量 火用,热量 火无,热量 火无？,热力学平均温度,29,第 2 章 节能的热力学,2.4 能量的 火用 计算,2.4.3 热量 火用 例2-2 把100 kPa、127 的1kg 空气可逆定压加热到427，试求所 加热量 中的火用 和 火无。空气的平均定压比热容 cp=1.004 kJ/(kg K)。设环境大气温度为 27。,30,第 2 章 节能的热力学,2.4 能量的 火用 计算,2.4.3 热量 火用 T T0 相同热量的情况下，热量的温度越高，热量中的 火用 值越大；TT0?,能量衡算式：Q0=-Q+WA,熵平衡方程式：Q0/T0+dS产=-Q/T,31,第 2 章 节能的热力学,2.4 能量的 火用 计算,2.4.3 热量 火用 T T0 相同热量的情况下，热量的温度越高，热量中的 火用 值越大；T T0 EQ 与 Q 的方向相反。说明：系统得到热量时，系统的 火用 减少；放 出热量时，系统的 火用 增加。单位热量的 火用：=EQ/Q,S,S1,S2,T,T0,4,3,1,2,EQ,Q,32,第 2 章 节能的热力学,2.4 能量的 火用 计算,2.4.3 热量 火用 T T0 热量 火用 总是小于热量；T T0 冷量 火用 可以大于热量；,T/K,300,T0,1,0.5,1.5,0,33,第 2 章 节能的热力学,2.4 能量的 火用 计算,2.4.3 热量 火用 在温差相同、传热量相同的条件下，低温时的 火用 损失比高温时大得多；例2-3 在某一低温装置中将空气自600kPa 和27 定压预冷至-100，试 求1 kg空气所获冷量的 火用 和火无。空气的平均定压比热容为 1.0 kJ/(kg K)。设环境大气的温度为 27。,34,第 2 章 节能的热力学,2.4 能量的 火用 计算,2.4.4 封闭系统的 火用 封闭系统的 火用：封闭系统从给定状态以可逆方式转变到环境状态，并只与环境交换热量时所能作出的最大有用功。,P,T,u,S,P0,T0,u0,S0,q,wA,max,35,第 2 章 节能的热力学,2.4 能量的 火用 计算,2.4.4 封闭系统的 火用 封闭系统的 火用：封闭系统从给定状态以可逆方式转变到环境状态，并只与环境交换热量时所能作出的最大有用功。内能 火用,封闭系统的能量方程,可逆过程,封闭系统的 火用,封闭系统的 火无,36,第 2 章 节能的热力学,2.4 能量的 火用 计算,2.4.4 封闭系统的 火用 封闭系统的 火用：封闭系统从给定状态以可逆方式转变到环境状态，并只与环境交换热量时所能作出的最大有用功。,封闭系统的 火用,从状态1可逆变化到状态2时所作的最大有用功：,37,第 2 章 节能的热力学,2.4 能量的 火用 计算,2.4.5 稳定流动系统的 火用 稳定流动系统的 火用：稳定物流经可逆方式与环境交换热量时所能作出的最大有用功。,稳流能量方程,熵方程,进入系统的熵+不可逆性引起的熵产量=离开系统的熵+系统熵的变化,38,第 2 章 节能的热力学,2.4 能量的 火用 计算,2.4.5 稳定流动系统的 火用 稳定流动系统的火用：稳定物流经可逆方式与环境交换热量时所能作出的最大有用功。,稳流能量方程,熵方程,可逆条件,稳定流动系统的 火用,39,第 2 章 节能的热力学,2.4 能量的 火用 计算,2.4.5 稳定流动系统的 火用 稳定流动系统的 火用：稳定物流经可逆方式与环境交换热量时所能作出的最大有用功。,稳定流动系统的 火用,稳定流动系统的 火无,不考虑宏观动能和位能（焓 火用）,从状态1可逆变化到状态2时所作的最大有用功：,40,第 2 章 节能的热力学,2.4 能量的 火用 计算,2.4.5 稳定流动系统的 火用 稳定流动系统的 火用：稳定物流经可逆方式与环境交换热量时所能作出的最大有用功。作业1：从稳定流动系统的火用推导稳定流动系统的 火无；2：从稳定流动系统的火用推导“从状态1可逆变化到状态2时所作的最大 有用功”,稳定流动系统的 火无,不考虑宏观动能和位能（焓 火用）,从状态1可逆变化到状态2时所作的最大有用功：,41,第 2 章 节能的热力学,2.4 能量的 火用 计算,2.4.5 稳定流动系统的 火用 例2-4 设有一空气绝热透平，空气的进口状态为 600 kPa、200，宏观速 度为 160 m/s，出口状态为 100 kPa、40 和 80 m/s。试求（1）空气 在进、出口状态下的焓 火用；（2）透平的实际输出功；（3）透平能够作 出的最大有用功。空气的定压比热容为1.01 kJ/(kg K)，环境大气状态为 100 kPa、17。,42,第 2 章 节能的热力学,2.4 能量的 火用 计算,2.4.6 化学反应的最大有用功,稳定流动系统化学反应,Q:化学反应系统与外界的热量交换（反应热）,H=H2 H1 化学反应系统焓的变化（反应焓）,定温条件下，化学反应系统熵的变化,可逆条件,43,第 2 章 节能的热力学,2.4 能量的 火用 计算,2.4.6 化学反应的最大有用功,稳定流动系统化学反应,结论：可逆定温系统作出的最大反应有用功等于系统自由焓的减少。最大反应有用功是状态参数,44,第 2 章 节能的热力学,2.4 能量的 火用 计算,2.4.6 化学反应的最大有用功,653.15 K,298.15 K,H1,恒压降温,Hr,恒温恒压化学反应,298.15 K,T K,恒压升温,H2,H=0,恒压绝热反应,T1,P1,T2,P2,298.15 K,1 atm,298.15 K,1 atm,45,第 2 章 节能的热力学,2.4 能量的 火用 计算,2.4.6 化学反应的最大有用功,标准态下化学反应的最大有用功,标准态下化学反应的焓变,标准态下化学反应的熵变,（标准态生成自由焓）,46,第 2 章 节能的热力学,2.4 能量的 火用 计算,2.4.6 化学反应的最大有用功 例 2-5 在298.15 K 和 1 atm 下，CO 和 O2 进行燃烧反应生成 CO2。反 应前反应物 CO 和 O2 不进行混合，试求此化学反应的最大反应有用功。,47,第 2 章 节能的热力学,2.4 能量的 火用 计算,2.4.6 化学反应的最大有用功 例 2-6 在例2-5的反应中加入惰性气体 N2,该气体不参加反应，其反应式为 CO+O2/2+1.88 N2=CO2+1.88 N2 反应前后反应物和生成物都进行混合，反应前后物系总压仍为 1 atm，温度 仍为 298.15 K。试求此反应过程的最大反应有用功。,48,第 2 章 节能的热力学,2.4 能量的 火用 计算,2.4.7 气体的扩散 火用 在 P0、T0 下的气体可逆定温地转变到其在环境空气中的分压力 Pi0 时所能 作出的最大有用功。,气体的扩散 火用,单位质量气体的扩散 火用,对真实溶液？,49,第 2 章 节能的热力学,2.4 能量的 火用 计算,2.4.8 元素和化合物的化学 火用 标准化学 火用：用环境模型计算的物质化学 火用。基准物和基准反应 基准反应：一种非基准物质（包括元素、单质和化合物）与一种或几种基准 物在 P0、T0 下发生化学反应，而反应物和生成物均为P0、T0 下的纯物质。,50,第 2 章 节能的热力学,2.4 能量的 火用 计算,2.4.8 元素和化合物的化学 火用 标准化学 火用：用环境模型计算的物质化学 火用。环境模型中的基准物化学 火用 为零 元素的化学 火用：元素与环境物质进行化学反应变成基准物所提供的最大化 学反应有用功。元素的标准化学 火用：化学反应在规定的环境模型中 空气中所含组分的标准化学 火用：扩散 火用 纯态化合物的标准摩尔化学 火用：,51,第 2 章 节能的热力学,2.4 能量的 火用 计算,2.4.8 元素和化合物的化学 火用 例 2-7 试用龟山-吉添田环境模型求碳（石墨）的标准化学 火用 例 2-8 试用龟山-吉添田环境模型求甲烷 CH4 气体的标准化学 火用 附录1 和 附录 2（无机与有机化合物的标准摩尔化学 火用）,52,第 2 章 节能的热力学,2.4 能量的 火用 计算,2.4.9 燃料的化学 火用 燃料的化学 火用（燃料 火用）：P0、T0 下的燃料与氧气一起稳定流经化学反应系统时，以可逆方式转变到完全平衡的环境状态所能作出的最大有用功。,EF,EO2,53,第 2 章 节能的热力学,2.4 能量的 火用 计算,2.4.9 燃料的化学 火用 燃料的化学 火用（燃料 火用）（简化的近似计算公式。）,气体燃料,液体燃料,固体燃料,一般液体燃料和固体燃料,54,第 2 章 节能的热力学,2.4 能量的 火用 计算,2.4.9 燃料的化学 火用 例2-9 计算 C2 H4 燃料的标准化学 火用（燃料 火用）作业：用反应过程焓变计算燃料的标准化学 火用。,55,第 2 章 节能的热力学,2.5 火用 损失和 火用 衡算方程式,2.5.1 火用损失和 火用的衡算方程 火用 损失：不可逆过程中 火用 的减少量 火用 衡算方程：输入系统的 火用=输出系统的 火用+火用 损失+系统 火用 的变化,56,第 2 章 节能的热力学,2.5 火用 损失和 火用 衡算方程式,2.5.2 封闭系统的 火用 衡算方程式,57,第 2 章 节能的热力学,2.5 火用 损失和 火用 衡算方程式,2.5.2 封闭系统的 火用 衡算方程式,58,第 2 章 节能的热力学,2.5 火用 损失和 火用 衡算方程式,2.5.2 封闭系统的 火用 衡算方程式,环境、热源和系统的熵增量之和,59,第 2 章 节能的热力学,2.5 火用 损失和 火用 衡算方程式,2.5.3 稳定流动系统的 火用 衡算方程式,60,第 2 章 节能的热力学,2.5 火用 损失和 火用 衡算方程式,2.5.3 稳定流动系统的 火用 衡算方程式,（对多股稳定物流、多个热源）,61,第 2 章 节能的热力学,2.5 火用 损失和 火用 衡算方程式,（1）有限温差传热过程,62,第 2 章 节能的热力学,2.5 火用 损失和 火用 衡算方程式,（2）绝热节流过程,63,第 2 章 节能的热力学,2.5 火用 损失和 火用 衡算方程式,（3）不可逆绝热压缩过程,64,第 2 章 节能的热力学,2.5 火用 损失和 火用 衡算方程式,例2-10 初态为400 kPa、37的氮气绝热流经一阀门，节流到110 kPa。设环境大气的温度为17，试求:(1）节流过程引起的 火用 损失；（2）氮气在初终态之间能够作出的最大有用功；（3）当在初终态间进行一可逆定温过程时作出的有用功。,
