第五章化工过程的能量分析

第五章化工过程的能量分析Applicationsofthermodynamicstoflowprocesses5化工过程的能量分析本章目的：学习能量分析的原理和方法本章要求：1、正确理解并熟练应用流动过程热力学第一定律的数学表达式2、正确理解并熟练掌握热力学第二定律的数学表达式，了解热功转换的方向和限度；5化工过程的能量分析本章要求：3、掌握熵变的计算，并运用熵增原理判断实际过程进行的方向和限度；4、正确理解并熟练掌握理想功和损失功的定义及其应用；5、正确理解并熟练应用火用、火用的衡算及其应用。5化工过程的能量分析化工过程需要消耗大量能量，提高能量利用率、合理地使用能量已成为人们共同关心的问题。从最原始的意义上来说，热力学是研究能量的科学，用热力学的观点、方法来指导能量的合理使用已成为现代热力学一大任务。5化工过程的能量分析5.1能量平衡方程---热力学第一定律5.2热力学第二定律—热功转化与熵函数5.3熵平衡和熵产生5.4理想功和损失功5.5火用及其计算5.6火用衡算及火用效率5.7火用分析法及其应用5.1能量平衡方程---热力学第一定律5.1.1热力学第一定律的实质5.1.2能量平衡方程5.1.3能量平衡方程的应用5.1.1热力学第一定律的实质自然界的物质是千变万化的，但就其数量来说是不变的，能量也是守恒的，热力学第一定律明确表明了自然界中能量的多种形式之间是可以相互转换的，但只能是等量相互转换，这就说明能量既不能被消灭，也不能凭空产生，必须遵循守恒规律5.1.1热力学第一定律的实质用数学式来表示就是Δ(体系的能量)+Δ(环境的能量）=0或Δ(体系的能量)=－Δ(环境的能量）5.1.1热力学第一定律的实质为了便于下面能量平衡方程的讨论，我们简单回顾一下有关体系的概念封闭体系（限定质量体系）与环境仅有能量交换，而无质量交换，体系内部是固定的5.1.1热力学第一定律的实质敞开体系与环境既有能量交换也有物质交换。由于敞开体系与环境有物质交换，因此，体系内部的物质是不断更新的，敞开体系实际是以一定空间范围为研究对象的化工生产中大都为稳定流动体系5.1.1热力学第一定律的实质稳流过程敞开体系中发生的过程为流动过程，如果流动过程进行时，体系内任一点的状态都不随时间而变（但各点状态可以不同)，则此过程称为稳定流动过程，简称稳流过程。化工生产中大都为稳定流动体系5.1能量平衡方程---热力学第一定律5.1.1热力学第一定律的实质5.1.2能量平衡方程5.1.3能量平衡方程的应用5.1.2能量平衡方程物料平衡方程δm1-δm2=dm体系5.1.2能量平衡方程5.1.2能量平衡方程能量平衡方程进入体系的能量－离开体系的能量=体系积累的能量进入体系的能量：微元体本身具有的能量E1δm1+环境对微元体所作的流动功(PVδm)1+环境传入的热量δQ5.1.2能量平衡方程离开体系的能量：微元体带出的能量E2δm2+流体对环境所作的流动功(PVδm)2+体系对环境所作的轴功δW体系积累的能量=d(mE)5.1.2能量平衡方程能量衡算式为221ugzUEEUEKp量单位质量流体具有的能注意：⑴E—单位质量流体的总能量，它包含有内能、动能和位能，E=U+EP+EK其中：单位质量流体势能EP=gZ（位能）EK=1/2u2（动能）E1δm1+P1V1δm1+δQ+δWs-E2δm2-P2V2δm2=d(mE)5.1.2能量平衡方程⑵PV—流动功Wf，表示单位质量流体对环境或环境对流体所作的功P1V1—输入流动功，环境对体系做功P2V2—输出流动功，体系对环境做功功＝力*距离＝P*A*V/A=PV5.1.2能量平衡方程(3)能量平衡方程的一般形式222112)21()21()(mugZUpVmugZUpVWQmEdS　　　　　　体系整理可得E1δm1+P1V1δm1+δQ+δWs-E2δm2-P2V2δm2=d(mE)5.1.2能量平衡方程又H=U+PV则上式可写为222112)21()21()(mugZHmugZHWQmEdS　　　　　　体系普遍化的能量平衡方程5.1能量平衡方程---热力学第一定律5.1.2能量平衡方程在以上推导过程中没有任何条件限制，所以能量平衡方程式（5-9）不受流体属性的限制，也不受其过程的限制。在实际过程中，能量平衡方程可以进行适当简化，下面我们就具体讨论能量平衡方程的应用。5.1能量平衡方程---热力学第一定律5.1.1热力学第一定律的实质5.1.2能量平衡方程5.1.3能量平衡方程的应用5.1.3能量平衡方程的应用1）封闭体系：限定质量体系，无质量交换m1=m2=mδm1=δm2=dm=0δQ+δWs=mdE5.1.3能量平衡方程的应用无动、位能变化mdE=mdU封闭体系Wf＝0,不存在流动功则δW＝δWs故mdU=δQ+δW对单位质量的流体U＝Q+W5.1.3能量平衡方程的应用2）稳定流动体系特点：体系内无质量和能量积累a．进出系统的物质质量流量相等。b．体系内任一点的热力学状态不随时间变化5.1.3能量平衡方程的应用2）稳定流动体系即d（mE）体系=0δm1=δm2=δm0)21()21(2212SWQmugZHmugZH则：5.1.3能量平衡方程的应用稳定流动体系的能量衡算式（积分式）SWQZguH2215.1.3能量平衡方程的应用应用此式时要注意以下几点：⑴单位要一致，且用国际单位制，若用工程单位制，所得公式与此式不同；⑵式中Q和WS为代数值，即：Q以体系吸热为正，WS以体系得功(环境对体系做功）为正；⑶应用条件是稳定流动体系，不受过程是否可逆或流体性质的影响。5.1.3能量平衡方程的应用能量平衡方程的应用与简化⑴对化工机器：如膨胀机、压缩机等WsQH00212Zgu　　5.1.3能量平衡方程的应用⑵对化工设备：如反应器、热交换器、传质设备、阀门、管道等002102ZguWs　　　　　QH5.1.3能量平衡方程的应用这个式子的物理意义表现在：体系状态变化，如发生化学反应、相变化、温度变化时与环境交换的热量（反应热、相变热、显热）等于体系的焓差。这里Q是过程函数，不是状态函数，与过程的途径有关，不易计算，当Ws=0时，Q=ΔH，将热量的计算与体系的状态函数相关联，就可以解决热量计算的问题了。5.1.3能量平衡方程的应用⑶对化工机器的绝热过程002102ZguQ　　　　　此式说明在绝热情况下，当动能和位能的变化很小时，体系对环境所做的功等于体系焓的减少，功和热都是过程的函数，但焓是状态函数，在特定条件下就可以利用流体经过运转设备进出口的焓差计算功，不论是什么工质，也不论过程是否可逆，这个式子总是成立的。HWs5.1.3能量平衡方程的应用（4）绝热稳定流动方程式——（节流过程、绝热反应、绝热混合）定义：流体通过某装置，从某一恒定的高压变化到恒定的低压的过程称为节流过程00212Zgu　　由于管子水平放置，所以ΔH=0此为等焓过程。根据此式可方便地求得绝热过程中体系的温度变化。5.1.3能量平衡方程的应用（5）机械能平衡方程式dH+gdZ+udu=δQ+δWS对可逆过程dH=TdS+VdpδQ=TdS所以原式变为δWS=VdP+gdZ+udu5.1.3能量平衡方程的应用如果考虑流体流动过程中的阻力，则还需要在式右边加上阻力项对不可压缩流体，流体与环境无轴功交换，则VdP+gdZ+udu＝0所以0212ZguP5化工过程的能量分析5.1能量平衡方程---热力学第一定律5.2热力学第二定律—热功转化与熵函数5.3熵平衡和熵产生5.4理想功和损失功5.5火用及其计算5.6火用衡算及火用效率5.7火用分析法及其应用5.2热力学第二定律—热功转化与熵函数由物化知道，热力学第一定律主要解决自然界能量守恒问题，而热力学第二定律主要解决方向和限度问题。对孤立体系ΔSt≥0时，不可逆＝时，可逆5.2热力学第二定律—热功转化与熵函数1）基本概念2）热功转换与热量传递的方向和限度3）熵函数与熵增原理4）熵变的计算5.2热力学第二定律—热功转化与熵函数1）基本概念可逆过程：没有摩擦，推动力无限小，因此过程进行无限慢，体系内部均匀一致，处于热力学平衡；对产功的可逆过程，产功最大；对耗功的可逆过程，耗功最小；逆向进行时，体系恢复始态，环境不留下任何痕迹，也就是没有功热得失及状态变化。5.2热力学第二定律—热功转化与熵函数1）基本概念不可逆过程：有摩擦，过程进行有一定速度，体系内部不均匀（有扰动、涡流等现象），逆向进行时体系恢复始态，环境留下痕迹，如果与相同始、终态的可逆过程相比较，产功小于可逆过程，耗功大于可逆过程。5.2热力学第二定律—热功转化与熵函数1）基本概念2）热功转换与热量传递的方向和限度3）熵函数与熵增原理4）熵变的计算5.2热力学第二定律—热功转化与熵函数自然界中的许多过程，如热从高温物体传递给低温物体，气体向真空或低压膨胀，水由高处流向低处，这些过程都不需要借助外力即可进行。自然界中类似的自发过程的进行有一定的方向性。5.2热力学第二定律—热功转化与熵函数热量传递的方向与限度热量传递的方向性是指高温物体可自发向低温物体传热，而低温物体向高温物体传热则必须消耗功。热量传递的限度是温度达到一致，不存在温差。5.2热力学第二定律—热功转化与熵函数热功转换的方向热功转换的方向性是指功可以完全转化为热，而热只能部分转化为功。之所以有此结果，是由于热是无序能量，而功是有序能量，自然界都遵循这样一个规律：有序运动可以自发转变为无序运动，而无序运动不能自发转变为有序运动。5.2热力学第二定律—热功转化与熵函数热功转换的限度——卡诺循环卡诺循环是热力学的基本循环，它由四个可逆过程完成一个工作循环，卡诺循环是将工质从高温热源吸收的热量转换为功的最大限度。5.2热力学第二定律—热功转化与熵函数卡诺循环：热机高温热源（恒TH）低温热源（恒TL）工质从高温热源TH吸收热量，部分转化为功，其余排至低温热源TL。THTLQHQLWC图形卡诺循环由四个过程组成。可逆等温膨胀可逆绝热膨胀可逆等温压缩可逆绝热压缩TSPV11234234QHQHQLWcWcQL5.2热力学第二定律—热功转化与熵函数5.2热力学第二定律—热功转化与熵函数卡诺循环的结果是热部分地转化为功，其济性用热效率来评价。热效率的物理意义为工质从高温热源吸收的热量转化为净功的比率。热效率:热量输入移走净功HSQW5.2热力学第二定律—热功转化与熵函数卡诺循环的热效率最大可以根据热力学第一定律推出卡诺循环的热效率热力学第一定律ΔH=Ws+QΔH为状态函数，工质通过一个循环ΔH=05.2热力学第二定律—热功转化与熵函数Q=QH+QLCSLHCQQWHLHHCCQQQQW∴又∵5.2热力学第二定律—热功转化与熵函数由T-S图知QH=TH(S2-S1)QL=TL(S4-S3)=TL(S1-S2)=－TL(S2-S1)HLHLHHLHCTTTTTSSTSSTSST1)()()(1212125.2热力学第二定律—热功转化与熵函数注意以下几点⑴η1，欲η=1使，则需TH→∞或TL→0，这在实际当中是不可能的，也说明了热不能完全转化为功；⑵η=f(TH,TL)，欲使效率增大，需要TH升高，TL降低，工程上采用高温高压，提高吸热温度TH，但要受到材质的影响；5.2热力学第二定律—热功转化与熵函数⑶若TH＝TL，则η=0,W=0，这说明单一热源不能转化为功，必须有两个热源；⑷卡诺循环，η可逆最大，相同的TH、TL无论经过何种过程，η可逆是相同的，实际上热机只能接近，不能达到。5.2热力学第二定律—热功转化与熵函数意义：虽然可逆过程只是一个理想过程，实际上无法实现，由可逆过程组成的卡诺循环发动机也无法制造，但是，卡诺循环在热力学中具有重大的意义。卡诺循环在历史上首先奠定了热力学