化工节能原理与技术-梁鑫.ppt

上传人：牧羊曲112

文档编号：6102695

上传时间：2023-09-24

格式：PPT

页数：64

大小：1.29MB

《化工节能原理与技术-梁鑫.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《化工节能原理与技术-梁鑫.ppt（64页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、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

2、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+

3、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

4、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)

5、：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,

6、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

7、.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

8、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

9、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

10、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

11、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

12、 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，

13、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

14、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,2

15、9,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

16、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

17、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

18、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

19、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

20、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 1

21、00 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

22、：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,

23、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

24、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

25、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

26、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

27、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

28、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。,