化工热力学第六章化工过程能量分析ppt课件.ppt

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1、第六章 化工过程能量分析,第一节 热力学第一定律及其应用第二节 热力学第二定律及其应用第三节 理想功、损失功和热力学效率 第四节 有效能第五节 化工过程能量分析及合理利用,6-1 热力学第一定律及其应用,热力学第一定律即为能量守恒定律，它阐明了能量“量”的属性。,人体的能量平衡,热量平衡,6 -2 稳流系统的热力学第一定律,开系的特点：, 体系与环境有物质的交换。,除有热功交换外，还包括物流输入和 输出携带能量。,任何系统能量平衡：,进入系统的能量离开系统的能量系统内能量的积累,稳流系统能量平衡：,进入系统的能量离开系统的能量0,图 6-1 稳定流动过程,基准水平面,如图为一稳定流动过程：,当

2、只有一股物料流入和流出：,列出平衡方程：,对单位质量流体：,上两式为开系稳流过程的能量平衡式或称为开系稳流过程热力学第一定律数学表达式。,则：,6.1.2 稳流系统热力学第一定律的简化及应用,1）流体流经压缩机、透平机、鼓风机、泵等设备,若设备散热很小，可近似看成绝热过程，则：,即系统与环境交换的轴功等于系统的焓变。若知道工作流体通过设备时进、出口状态下的焓值，即可求得该设备的轴功。,2）流体流经管道、换热器、吸收塔、精馏塔、混合器、反应器等设备,（6-6）,上式是冷凝器、蒸发器、冷却器等热负荷确定的依据，因此在进行设备设计中进行的热量衡算，严格的讲应称为焓衡算。,3) 流体流经节流阀或多孔塞

3、 当流体流经阀门或孔板等装置,，,（6-7）,即节流过程为等焓流动,4）流体流经蒸汽喷射泵及喷嘴,、喷管,喷管：作用是通过流体获得高速，而压强下降。,当入口流速音速，当出口流速音速时，用于拉法尔喷管 ：,（6-8）,称为绝热稳定流动方程式。,流体流经喷射设备时，通过改变流动的截面积，将流体自身的焓转变为动能，从而获得较高的流速。,（6-9）,（2）扩压管：在流动方向上流速降低、压力增大的 装置称为扩压管。,根据此式（6-8）、（6-9）可计算流体终温、质量流速、出口截面积等，因此它是喷管和扩压管的设计依据。,由热力学基本关系式可知,例 6-1例 6-5,5）柏努利方程,不可压缩的流体在管道中的

4、流动，若假设流体无粘性（无阻力，无摩擦），并且管道保温良好，流动过程中流体环境无热、无轴功的交换。,(6-10),6.2 热力学第二定律及其应用,第二定律的典型表述：,有关热流方向的表述 ：,1850年克劳休斯：,热不可能自动的从低温物体传给高温物体。,有关循环过程的表述 ：,1851年开尔文：,不可能从单一热源使之完全变成有用功，而不引起其他变化。,有关熵的表述：,孤立体系的熵只能增加，或达到极限时保持恒定。,热力学第二定律揭示了不同形式的能量在传递和转换时存在“质”的差别。,思考：功可以完全转化为热，热能否全部转化为功？,6.2.1 熵增原理与熵产生,6.2.1.1 熵增原理与过程不可逆性

5、,即孤立体系永远不会发生熵减少的过程。,封闭系统热力学第二定律表达式,若将系统和环境看作一个大系统，则：,两个热源之间的传热,工作于两个温源之间的热机,1.有热量传递不做功,两个热源之间热传递过程如下图所示：,由于循环装置不对外做功：,（无轴功交换）,热力学第一定律：,热力学第二定律：,所以，只考虑两个热源的情况下：,任何传热过程都必须满足上式，否则无法实现。,2.即有热量传递无做功的过程,若在两个热源之间接一可逆热机，将视热机为体系，从高温热源吸热并对外做功，同时将一部分热传给低温热源。,由热力学第一定律可得：,由热力学第二定律：,可逆过程：,循环过程：,则：,可逆：,可逆热机效率：,由此可

6、见：,即使在可逆热机中做了最大功，也不可能将热,全部转化为功，即：,通过以上讨论可以说明以下几点：,过程中体系做功能力损失了，而损失做功能力大小与,成正比。,实际过程的热温熵：,6.2.1.2 熵流和熵产生,将热力学第二定律的写成微分形式：,热源温度,熵流：,熵流定义：,功源熵变为零，因此功的传递不会引起熵的流动。,（2）熵产生,不可逆过程：,写成等式：,熵产生,熵产生：是由于过程的不可逆性而引起的那部分熵变。,过程的不可逆程度越大，熵产生量也越大，熵产生永远不会小于零，写成：,可逆过程,不可能过程,6.2.2 熵平衡方程式,熵平衡的一般关系式：,图6-3 敞开系统熵平衡示意图,进入物流 流出

7、物流,物流熵差,与环境热量交换引起的熵变,过程不可逆引起的熵变,敞开系统熵平衡式即为：,是与敞开系统换热热源的绝对温度。,（6-16）,（1）敞开系统稳定流动过程：,0,式（6-16）变为,敞开系统稳流过程的熵平衡式,（2） 敞开系统稳流绝热过程：,0,对于稳流过程：,则：,当流体通过节流阀时，只有一股流体,故：,流体经过节流阀时熵的变化,不可逆绝热过程：,则有：,可逆绝热过程：,则有：,绝热可逆的稳流过程为等熵过程，即：,的空气流在绝热下相互混合，求混合过程的,熵产生量。设在上述有关温度范围内，空气的平均等压热容,例6-7图 空气稳流混合过程,两股气流混合为绝热稳流过程，并且在有关温度、压力

8、下的空气可视为理想气体。从质量守恒原理可得混合后质量流量,解,根据热力学第一定律，绝热混合过程Q=0，,因此,可求得混合后空气的温度,对于绝热稳流过程，由式(6-18)可得,由上述结果可知，对于绝热稳流混合过程，虽然敞开体系的熵变为零，且无熵流，但由于混合过程是不可逆的，内部必然有熵产生，因此流出混合器物料熵的总和大于流入物料熵的总和。,定义：,系统在一定的环境条件下，沿完全可逆的途径从一个状态变到另一个状态所能产生的最大有用功或必须消耗的最小功。,理想功是一个理论的极限值，是用来作为实际功的比较标准。,过程完全可逆：,（1）体系发生的所有变化都是可逆的。,（2）体系与环境间有热交换时也是可逆

9、的。,注意：,理想功和可逆功并非同一概念。理想功是只可逆有用功，即可利用的功，但并不等于可逆功的全部。,图6-4稳流过程理想功示意图,无数个小型卡诺热机,可逆的稳流过程,做功衡算：,忽略动、位能变化，则：,由稳流过程的熵衡算：,对于只有一股物流的可逆稳流过程：,，,，,与流体的始末有关，与具体过程无关，但与环境温度有关。,环境温度一般指大气或天然水源的温度。,稳流过程理想功计算式,理想功是一个重要的基本概念，应注意以下几点：,（1）就功的代数值而言，理想功均为最大功。,（2）理想功是可逆有用功，但并不等于可逆功的全部。,（3）理想功是完成给定状态变化所消耗的最小有用功， 所以它可以作为评价实际

10、过程的标准。通过比较实 际过程的有用功和理想功，就可以判断实际过程的 不可逆程度。,6.3.2 损失功,定义：在相同的始末态下，实际过程比完全可逆过程 少产生的功或多消耗的功称为损失功。,表示为：,由热力学第一定律，稳流过程的实际功为：,热量。故：,代入上式：,耗功过程：,是反应过程可逆的程度，故又称为可逆度。,越接近于1，越合理。,6.3.3 热力学效率（ ）,产功过程：,当实际功无法求出时，可通过理想功和损耗功求热力学效率,，再求实际功。,产功：,耗功：,就要减少 ，增加 。,6.4 有效能,功和热的数量与质量,6.4.1 能量的级别与有效能,问题：数量相同的能量做功能力是否相同？,能量不

11、但有数量，还有品位。,6.4.1.1 化工生产中主要能量形式,热能：机械能：电能：化学能,6.4.1.2 能量的级别（品位）,自然界能量,高级能量,低级能量,僵态能量,能量的贬质：,是指由高品位能量转化为低品位能量.,合理用能：,就是希望获得的功要多，消耗的功要少，损失的功要小。,节能：,实质对高级能量和低级能量而言，对于僵态能量，由于其不能转化为功，故无研究的必要。,1.基本概念,定义：体系由所处的状态变到基本态时所提供的理想功。,为了表达体系处于某状态的作功能力，必须确定基准态，,6.4.1.3 有效能,态时所具有的最大作功能力。,规定体系的环境为基准态。环境是指人类活动的环境：大气、地球

12、、水源,变到基准态包括两个概念：,（1）与基准态完全相同。,（2）与基准态达到完全平衡。,完全平衡,热平衡温度相等,力平衡压力相等,化学平衡组成相等或平衡聚集状态、 浓度达到化学平衡,我们规定环境的T、P化学组成不变（即恒定的），规定了,基准态的规定原则：,T、P及化学组成的环境并不是自然环境，这种人为规定的环境即为环境模型。我们是以环境模型为基准态。,能级：,单位能量所含的有效能称为能级，或称为有效能浓度，,用表示。能级是衡量能量质量的指标，能级的大小代表体系能量品质的优劣。,高级能量：=1,僵态能量：=0,低级能量：10,越大， 有效能越高，利用价值愈大。,有效能 的组成（有四个主要组成部

13、分）,1）动能有效能,能100%的转化为理想功。,2）位能有效能,也能100%转化为理想功。,3）物理有效能,能部分的转化为理想功。,4）化学有效能,能部分的转化为理想功。,对于稳定流动过程，流体的有效能系有以上四个有效能成分构成：,6.4.2 稳流过程有效能计算,系统处于基准态时，各部分有效能均为零。,6.4.2.1 物理有效能的计算：,当终态为环境状态（基准态）时，则：,H、S 是流体处于某状态的焓和熵，,是流体在基准态下的焓和熵，,物质的焓和熵可利用热力学图表或公式求得，即可用上式求得物理有效能。,例6-11,热量有效能：,定义：热量相对于平衡环境态所具有的最大作功能力。,对于恒温热源：

14、,6.4.2.3 有效能与理想功的异同,区别：,状态决定）。,有效能可看作理想功的特例。,6.4.2.2 化学有效能的计算：,化学有效能：是由于系统与环境发生物质交换或化学反应，达到与环境平衡时所具有的有效能值。,元素的化学有效能：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,联系：,某物系处于状态1和状态2的物理有效能分别为：,当体系从状态1变到状态2时，,即：,6.4.3 不可逆过程的有效能 损失与无效能,在不可逆过程中，有部分有效能降级而不能变为有用功，这,部分称为有效能损失或无效能。,一切实际生产过程都是不可逆过程，而过程的不可逆是导致能量损失的根本原因。,不可逆过程

15、的功,不可逆过程的有效能损失,能量可分为两部分：,即： 系统总能量有效能无效能,对于稳流过程：,例：恒温热源热量有效能 ：,即：,总能,热量无效能,当系统温度降至环境温度时，T0=T，则：,，,表示全部热量都变成了无效能，系统不再有作功能力。,总能量,无效能,总之，能量可分为有效能和无效能两部分，其中有效能是高级能量，可将其转化为有用功，无效能是僵态能量，不能转化为有用功，节能的正确含义就是节约有效能。,对于可逆过程， 有效能无损耗，全部变为功，,根据能量守恒，有效能的减少量应等于无效能的增加量，,即为损耗功。,因此，对有效能转化为无效能的量可以表示能量贬质的程度。,6.4.4 有效能平衡方程

16、式与有效能效率,6.4.4.1 有效能平衡方程,开系稳流系统的有效能平衡方程式应为：,输入系统的有效能输出系统的有效能有效能损失,敞开体系,可逆过程：,有效能是守恒的，,平衡方程为：,不可逆过程，有效能损失即为过程的损失功，平衡方程为：,图6-5开系稳流系统有效能平衡示意,为不可逆过程的有效能损失。,当只有一股物流时：,2）系统流经有热损失的管道、阀门、换热器时：,上式写成：,或写成：,化工生产过程中的有效能损失，对不同的过程作相应的简化。,1）绝热可逆压缩（或膨胀）过程：,若忽略过程的热损失：,3）循环过程，若体系内仅包括循环工质，则：,可由热量有效能和功量计算循环过程的有效能损失。,有效能

17、平衡方程与能量平衡方程几点实质性的区别：,1）普通的能量衡算是以热力学第一定律为依据；而有效能衡算是以热力学第一、第二定律为依据，得到的结果更全面、更深刻的反应实际过程的情况。,2）能量在任何过程都是守恒的，但有效能只能在可逆过程才守恒，对于不可逆过程，有效能会部分转化为无效能损失掉。,3）普通能量衡算式中包含不同品位能量，它只能反映出系统中能量的数量利用情况；有效能衡算是相同品位的能量的数量衡算，它能够反映出系统能量在质量上的利用情况。,（1）、第一定律效率,以热力学第一定律为基础，用于确定过程总能量的利用率。,定义：,6.4.4.2 有效能效率,有效能效率是指有效能的利用率，即能量收益量与

18、消耗量的比值，定义为：,优点：简单。,缺点：,不反映不同质的能量的利用情况，即没有反映有效能的利用情况。,它不能做为衡量过程热力学完善性的指标。,传热过程不可逆因素即传热温差造成的有效能损失，,（2）第二定律效率,以第一、第二定律为基础，用于确定过有效能的利用率。,定义：,定义：,式中：,输出的总的有效能量；,输入的总的有效能量，,包括物流有效能、热流有效能、功流有效能。,求普遍有效能效率，必须对进、出系统的有效能进行有效能衡算。,可写成：,则：,，,一般情况下，过程部分可逆，,。,6.5.1 热力学分析的三种方法,1.能量衡算法：,实质：通过物料与能量的衡算。确定过程的进出的能量。求出能量利

19、用率。,6.5 化工过程能量分析及合理用能,如果仅从能量的收益和付出的差别找节能方法，找出改进的途径，应用此方法较多，但此方法的不足在于：,只能说明各种能量可以互相转化，但不能指出各种能量转化的方向和限度。,只反映了能量数量的关系，没有反映能量品位的高低。,只能反映能量的损失，但不能指出能量损失的原因，但不能指出损失得这部分能量的利用价值。,2.熵分析法：,有效能损失和热力学效率。,优点：此方法不但能够找到能量在数量上的损失，还可以确定由于过程的不可逆引起的损失功的数量。,不足：只能确定过程的不可逆引起的损失功，但不能指出到底是哪种能的损失。,3.有效能分析法,可以全面反映有效能损失的部位及数

20、量，弥补了熵分析法的不足，可以有针对性确定节能的方向和措施。,4.三种热力学分析方法的比较,（1）计算工作量：能量衡算法最少；有效能分析法最大； 熵分 析法居中,（2）从计算结果得到的信息量：能量衡算法最少，只能求出能量的排出损失 ；有效能分析法最大，通过对每一个物流的有效能分析，还能得到各部能量的有效能级，找到过程有效能损失的大小，原因和有效能的分布情况，从而制定有效的节能措施。,（3）三种分析法适用场合。,如果一个体系，只是为了利用热能（采暖、工业用加 热炉等）可以只用能量衡算法。,对既有热交换，又有功交换的定组成体系，最好用熵分析法。,对既有热交换，又有功的变组成体系。用有效能分析法。,

21、6.5.2 典型化工单元过程热力学分析,过程的热力学分析目的：,学会应用热力学理论分析化工过程影响功损耗因素，并能提出符合实际生产的减少功损耗的措施。,教学目标：,利用热力学第一、第二定律分析化工过程中损耗功的大小，以提高生产过程能量的利用率。,6.5.2.1 流体流动过程：,流体的流动过程,单纯的流体经过管道,流体的压缩,节流膨胀,由于流体流动有摩擦，包括流体的内摩擦及流体与管道、设备的摩擦（即使流体的一部分机械能耗散为热能），使功贬质，并有熵产生。,流体流动的推动力是压力差，为不可逆过程，也有熵产生。,1.问题的提出：,对于只有一股流体的敞开体系：,讨论流体流动过程的功损耗应首先找出熵产生

22、与压力降之间的关系：,2.流体流动熵产生与压力差关系式,流体流动时的损耗功：,对于流动的封闭体系：,式中：T和V分别是流体的体积和温度,T、V可看成常数，因此上式写成：,3.热力学分析：,近似与流速的平方成正比，因此功耗也与流速的平方成正比。,如果降低流速，就必须加大管道和设备的直径，使设备投资费用增加，因此，,思考：结合化原的知识考虑实际生产中如何选择合适的流速？,应权衡能耗费和设备费的关系选择合适的流速。,，气体节流要比液体节流的损耗功大。,因此，化工生产中应尽量少用节流，以便减少无谓的功损耗。,温度T低的流体损耗功大。,思考：当制冷的温度一定时，如何降低损耗功？,损耗功,大，并熵产生随压

23、力差的增大而增加，,也随之增加，,制冷过程应选择较低的流速。,6.5.2.2 传热过程的热力学分析,图示为一逆流过程的换热器，若将其看成一控制体，没有外功，忽略动、位能变化。由稳流体系的热力学第一定律知：,，,若保温很好，换热器对环境散热可忽略，则：,，,若将热流体看成封闭的流体体系，忽略动、位能变化，由热力学第一定律 ：,焓变等于热流体放出的热量,同理，冷流体：,焓变等于冷流体吸收的热量,忽略了换热器对环境的热损失，则热流体放出的热量应,等于冷流体吸收的热量，即 ：,1.流体温度不变，若热流体入口为饱和水蒸汽，出口为,冷流体为某蒸汽的饱和液体入口，出口为饱和蒸汽，,则：,热量作功能力：,即高

24、温流体的理想功：,低温流体的理想功：,传热过程的损耗功：,（传热时，高低温流体温度不变）,热力学平均温度代替。一般流体：,过程传热热力学分析：,（1）由推导公式过程可知，即使换热器无散热损失，,，热量在数量上完全收回，即热流体放出的热全部用,思考：1.为了减小功损耗，换热器的冷热流体温差是否越小越好？,2.如何根据生产实际温度选择合适的流体温度差？,（4）换热过程的热力学效率：,例6-14,6.5.2.3 传质过程的热力学分析：,混合过程,图6-6 理想气体等温混合过程,理想气体等温混合过程,因此，,根据敞开体系稳流过程熵平衡式，可得等温混合过程的熵产生,此混合过程的损耗功为,分离过程是混合过

25、程的逆过程，分离过程的理想功为：,将1mol理想气体混合物分离成纯物质的理想功为：,2.分离过程,例6-15,分离1kmol理想溶液的理想功为：,若分离的产品并不要求是纯产品，而只要达到某一定的纯度或达到一定的浓度，则计算理想功可分两步进行。,第一步，将原溶液分离成纯组分，消耗功。,第二步，纯组分按不同比例混合成最终产品。,两步做功之和小于分离成纯组分的功。,例 56-16 试写出如图所示绝热精馏塔操作过程损耗功的,计算式。图中f、d与b分别为原料、馏出物与残液的流率。,分别为原料、馏出物和残液的比焓和比熵。,度基本相同。,下单位时间输入的热量。可以假定，原料、馏出物和残液的温,解,其损耗功为,（A）,根据热力学第一定律，,都为液态，则有,将式（C）代入式（B），得,（B）,因此有,（D）,将式（D）代入式（A），得,本不变。,6.5.3 合理用能的基本原则,合理用能的总的原则是：按质用能，按需供能。,1.能尽其用，防止能量的无偿降级。,2.设计中采用最佳推动力。,3.合理组织能量的多次逐级利用。,4.研究开发新型高效设备。,