化工热力学有效能-07-1

第四章化工过程的能量分析4.1能量平衡方程及其应用4.2热力学第二定律与熵平衡4.3理想功和损失功4.4过程火用分析4.4过程火用分析4.4.1火用的概念4.4.2物理火用的计算4.4.3化学火用的计算4.4.4火无4.4.5不可逆性和火用损失4.4.6火用衡算及火用效率4.4.7火用分析法及其应用能量不仅有数量的大小，而且还有品质(位)的高低。能量品质的高低体现在它的转换能力上，即能量转换为功的能力。按能量转化为有用功的多少，可以把能量分为三类：高(品)质能量：理论上能完全转化为有用功的能量。质和量是统一的，如电能、机械能、动能、位能；低(品)质能量：能部分转化为有用功的能量。如物质的内能(焓)、热能和以热的形式传递的能量。僵态能量：理论上不能转化为功的能量。如海水、地壳、处于环境状态下的能量；4.4.1有效能（）的概念为了衡量能量的可利用程度或比较体系在不同状态下可用于作功的能量大小，1932年Keenen提出了能量的“可用性”概念，1956年Rant首先提出有效能的概念。国外：exergy,essergy,availability,availableenergy,utilizableenergy…国内：、有效能、可用能、资用能等我们采用：有效能、，并用符号Ex表示我国国标称为(exergy)1).（有效能）的定义：由体系所处的状态到达基准态所提供的最大有用功即为体系处于该状态的火用。用Ex表示（无效能）：理论上不能转化为有用功的能量。为表达体系处于某状态的作功能力，先要确定一个基准态，并定义在基准态体系作功能力为零。所谓的基准态就是体系变化到与周围自然环境达到完全平衡的状态。这种平衡包括热平衡、力平衡和化学平衡。平衡的环境状态即为热力学死态(寂态)，体系处于热力学死态时，火用为零。即基准态下体系的作功能力为零。当体系和环境仅有热平衡和力平衡而未达到化学平衡，这种平衡称为约束性平衡。体系与环境达到约束性平衡时的状态，称为“约束性死态”或“物理死态”。若体系与环境既有热平衡、力平衡且又有化学平衡，则这种平衡称为非约束性平衡。体系与环境达到非约束性平衡时的状态，称为“非约束性死态”或“化学死态”。对于没有核、磁、电与表面张力效应的过程，稳流体系的火用可由下列四个主要部分组成：火用Ex＝动能火用Ex,K＋位能火用Ex,p＋物理火用Ex,ph＋化学火用Ex,ch由于动能和位能对火用的贡献很小，可忽略不计，此时：火用＝物理火用＋化学火用2).火用(有效能)的组成物理火用：物系由所处的状态到达与环境成约束性平衡状态所提供的最大有用功，即为该物系的物理火用。即物系仅由于T、p与环境的T0、p0不同所具有的火用。化学火用：体系和环境由约束性平衡状态到达非约束性平衡状态所提供的最大有用功即为该体系的化学火用。即物系在环境的T0、p0下，由于组成与环境组成不同所具有的火用。通常，体系由约束性平衡状态到达非约束性平衡状态须经化学反应与物理扩散两个过程。例：确定1273K，10atm的CO气体有多大的做功能力，其为多少？假定环境温度T0＝25℃，p0＝1atm1273K10atmCO气体298K10atmCO气体298K=T01atm=p0CO气体卡诺机可逆膨胀机WcWR298K=T01atm=p0CO+O2燃烧CO2等温扩散(膨胀)298K1atm大气CO产物CO22pp＝产物2COp大气2COp＞Wc放热WR物理化学4.4过程火用分析4.4.1火用的概念4.4.2物理火用的计算4.4.3化学火用的计算4.4.4火无4.4.5不可逆性和火用损失4.4.6火用衡算及火用效率4.4.7火用分析法及其应用4.4.2物理火用的计算定义：物系经可逆物理过程达到约束性死态时所作的最大有用功即为该物系的物理火用。即指物系由于T、p与环境的T0、p0不同所具有的火用。物理死态(约束性死态)：一般取环境状态T0＝25℃（298.15K）p0＝1atm(101.325kPa)当体系处于环境状态(T0、p0)时，Ex＝0稳流物系火用Ex的数学表达式STHSSTHHEx0000)()(任意状态（T，p，H，S）基态（T0,p0,H0,S0）)()(000SSTHHEx(5-47)对稳流体系上式就是稳流体系在任意状态时的火用计算式。它是火用计算的基本公式，适用于各种物理的、化学的或者两者兼有的火用计算。火用也是体系的状态函数，而且与环境的状态有关。（火用为复合的状态函数）)()(000SSTHHEx稳流物系的火用变化ΔEx稳流物系从状态1变化到状态2所引起的火用的变化为)()(1201212SSTHHEEExxxSTHEx0对稳流体系理想功和火用的计算式分别为：)()(120120SSTHHSTHWid)()(000SSTHHExidxWSSTHHE)()(12012理想功火用火用变化理想功与火用的关系1）共同点：都用以表示能量品质的高低，并以作出的最大功来计算，都是从热力学第一、第二定律推导而得。2)区别理想功是对两个状态(过程)而言，可正可负，而火用是对某一状态而言，与环境有关，只为正值。对理想功，其始态和终态不受任何限制，而火用的终态必须是基准态(环境状态)。始态1终态2基态WidEx1Ex2idxxxWSSTHHEEE)()(1201212∴理想功是终态与始态火用的差值1)功、电能和机械能的火用——本身的数值2)热的有效能(热量)ExQ热量相对于平衡环境态所具有的最大作功能力即为热的有效能(热量)。按Carnot循环所转化的最大功来计算。几种常见情况的火用计算对恒温热源，其热量火用为QTTQQTTExQ001总能量火无对变温热源，(如由T1变到T2)，其热量火用为：2121210021011TTpTTppTTxQdTTCTdTCdTCTTQTTE用H、S值来计算ExQ=T0ΔS-ΔH0TTpdTCH0TTpdTTCSdTCTTdTTCTdTCdTCdTTCTHSTEpTTTTpTTpTTpTTpxQ0000000001变温情况，如由T变到T0(5-50)说明：热量火用ExQ不仅与热量Q有关，而且与环境温度T0及热源温度T有关。ExQ表示热流的作功能力，与是否真正作了功无关。计算ExQ的公式可适用于任何与环境有热交换的体系。例:某工厂有两种余热可资利用，其一是高温的烟道气，主要成分是二氧化碳、氮气和水汽，流量为500kg·h-1,温度为800℃，其平均等压热容为0.8kJ·kg-1·K-1；其二是低温排水，流量为1348kg·h-1,温度为80℃,水的平均等压热容可取为4.18kJ·kg-1·K-1，假设环境温度为298K。问两种余热中的火用各为多少？解：高温的烟道气是高温、低压气体，可作为理想气体处理，则000TTpTTpxdTTCTdTCmE烟高温的烟道气放出的热量Q=mCp(T-T0)=3.1×105kJ·h-115hkJ1057.12981073ln298258008.0500000ln)(TTCTTTCmpp低温排水的火用TTpTTpxdTTCTdTCmE000水低温排水放出的热量Q水=mCp(T-T0)=3.1×105kJ·h-114hkJ1055.2298353ln298258018.41348000ln)(TTTTTmCp由例可看出：尽管低温排水的余热等于高温烟道气的余热，但是其火用只有高温烟道气的十分之一不到，∴火用才能正确评价余热资源。在余热利用的评价上，必须注意到热量与火用是不一致的，且与温度密切相关，显热的评价只与热量的温度有关，而与物质的种类无关。3）稳流物系物理火用Exph的计算)()(000SSTHHExphSTHSSTHHExph012012)()(以上两式是计算稳流过程流体火用和火用变化的基本公式。若有现成的热力学性质图表如水蒸气表，则物质的焓和熵值可直接查出计算。若没有专用的热力学性质图表可供查阅时，或者对于混合物，焓(变)和熵(变)要按上一章介绍的方法计算。P120例5-9蒸汽的有效能为：假设蒸汽用来加热，不作轴功，蒸汽所放出的热即)()(000SSTHHEx0HHH状态压力pMPa温度TKSkJ/kg.KHkJ/kgS-S0kJ/kg.KH-H0kJ/kgExkJ/kg液体水0.10132980.367104.8饱和蒸汽1.0134536.58227766.2152671814过热蒸汽1.0135737.13030536.762948934饱和蒸汽6.868557.55.82627755.4626701043饱和蒸汽8.6115735.78727835.47426781092通常高压蒸汽先用来对外作功，乏气(低压蒸汽)再作为工艺加热之用。盲目地把高压蒸汽作加热就是一种浪费。一般用来供热的大都是0.5~1.0MPa的饱和蒸汽。稳流物系物理火用Exph的计算对于理想气体TTpTTpphxppRTdTTCTdTCE00000,ln00000,lnln)(ppRTTTCTTTCEppphxCp为理想气体的恒压热容，若Cp可以视为常数，则温度火用压力火用在实用中，有时缺乏Cp的数据，但可由焓图查得H和H0的数据，则可用下式近似计算：000000,lnln)(1)(ppRTTTTTTHHEphx)(00TTCHHp例：某流化催化裂化装置再生烟气温度为620℃，压力为0.225MPa，假定该烟气Cp=1.09kJ/kg·K,M=29,设环境状态为25℃，1atm。试计算烟气的物理火用。解:烟气的物理火用Exph=Cp[(T-T0)-T0ln(T/T0)]+RT0ln(p/p0)代入数据得:Exph=361.6kJ/kg对于液体或固体在压力不太高时，压力对液体的焓和熵的影响一般可以忽略不计TTpTTpphxdTTCTdTCE000,000,ln)(TTCTTTCEppphx若Cp可以视为常数，则对于真实气体设计过程，通过求剩余焓和剩余熵的方法来计算(H-H0)和(S-S0)，再代入Ex的基本公式中∆Sig∆HigHR,SRRigHHHH0RigSSSS0死态id.gT0,p0H0,S0id.gT,pH*,S*待求状态real.gT,pH,S故真实气体的摩尔物理火用RRTTpTTpphxSTHppRTdTTCTdTCE0000,ln00对气体混合物)()(000,mmmmphxSSTHHETTTTpipiiiigmphxppRTdTTCTdTCyE00000,,ln理想气体混合物的物理火用为：真实气体混合物的物理火用RmRmigmphxphxSTHEE0,,,式中剩余焓和剩余熵可用RK方程计算RmRmTTTTpipiiiphxSTHppRTdTTCTdTCyE0000,ln00VbbTaRTpVHR1ln5.15.0VbbTaRTbVpRSR1ln5.0)(ln5.1)(10BBpRTBijcijcijijijijjiByyBdTdBTBpTHRdTdBpSRijijjidTdByydTdB剩余焓和剩余熵也可用普遍化方法计算rijijrijcijijdTdBdTdBpRdTdB10封闭体系，由状态T,p经过一可逆物理变化过程到环境状态T0,p0，则理想功为)()()(00000VVpSSTUUW