第五章化工过程能量分析

第五章化工过程能量分析5.1能量平衡方程一．热力学第一定律的实质能量在数量上是守恒的.基本形式为：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）体系的能量的增加等于环境的能量的减少。在实际生产中大都遇到两种体系，即敞开体系和封闭体系。1.封闭体系：（限定质量体系）与环境仅有能量交换，没有质量交换。体系内部是固定的。封闭体系是以固定的物质为研究对象。2.敞开体系：（限定容积体系）与环境有能量交换，也有质量交换。二.能量平衡方程1.一般形式Ws(轴功)（热）Qδm2δm1P1V1C1U1P2V2C2U2Z1Z2（1）物料平衡方程：m1-m2=m体系（2）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P1V1δm1环境传入的热量δQ环境对体系所作的轴功δWs离开体系的能量:微元体带出能量E2δm2流体对环境所作的流动功P2V2δm2体系积累的能量＝d（mE）能量恒等式为：E1δm1+P1V1δm1+δQ+δWs-E2δm2-P2V2δm2=d(mE)(A)1)E－单位质量流体的总能量，它包含有热力学能、动能和位能。注意：212EUgZ2)PV—流动功，单位质量流体对环境或环境对流体所作功功＝力*距离＝P*A*V/A=PVP1V1—输入流动功，环境对体系作功P2V2—输出流动功，体系对环境作功。3)Ws—单位流体通过机器时所作的轴功可逆轴功21PSRPWVdP对于可逆总功WsVPVPPdVWVVR11222122112211RWsWPVPVPdVPVPVd(PV)=PdV+VdPVdPPdVVPVPPVdVPVP11222211)(积分式VdPVdPPdVPdVWs2.能量平衡方程一般形式代入（A）式，整理，得到gZUE22将H=U+PV11211)2(mgZHWsQmgZH22222)2()]2([2gZUmd(5-9)E1δm1+P1V1δm1+δQ+δWs-E2δm2-P2V2δm2=d(mE)A三.能量平衡方程的应用1.封闭体系：无质量交换，限定质量体系m1=m2=mδm1=δm2=dm=0δQ+δWs=mdE不存在流动功0)2(2d0gZd若δWs=δWδQ+δWs=mdU或δQ+δW=mdU(5-11)积分：Q+W=ΔU2.稳定流动体系稳定流动过程，表现在流动过程中体系内(1)每点状态不随时间变化(2)没有质量和能量的积累由式(5-9)可得到稳流体系的一般能量平衡方程(1)一般能量平衡方程对稳流体系,由式(5-9)得：11211)2(mgZHWsQmgZH22222)2(=0δm1=δm2=dm(H2-H1)δm+(v22-v12)δm+g(Z2-Z1)δm-δWs-δQ=021积分：WsQZgH221（5－13）3）式（5－13）应用条件是稳流体系，不受过程是否可逆以及流体性质的影响。注意：1)单位要一致，且用SI单位制.H,Q,Ws—能量单位，J/Kgv—m/s流量G—Kg/h（min.s）2）Q和Ws为代数值，即：Q以体系吸收为正，Ws以环境对体系作功为正。（2）能量平衡方程的应用1）对化工机器：如膨胀机，压缩机等。流体的动能，位能变化量与体系焓值的变化量相比较，或者与流体与环境交换的热和功相比较，大都可以忽略。也即（5－16）WsQH02120Zg2）对化工设备类：如反应器，热交换器，传质阀门，管道等0Zg0212QH且Ws=0（5—17）物理意义：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。体系状态变化化学反应相变化温度变化反应热相变热显热QH3)对化工机器的绝热过程与环境进行功的交换时0Zg0212Q=0WsH在绝热情况下，当动能和位能的变化相对很小时，体系与环境交换的功量等于体系焓的减少。4)对喷嘴Ws=0，gΔZ≈0水平放gΔZ=0垂直放gΔZ≈0流体通过喷嘴速度很快来不及换热，可视为绝热过程，Q=0221H)(212221H2122H2121)(2HH3.应用举例［P108例5-1～5-2］自看5.2功热间的转化（热力学第二定律）物化知：St≥0不可逆=可逆一、基本概念才可进行的过程自发过程：不消耗功非自发过程：消耗功0℃30℃冰冬天气温-30℃自发,具有产功能力如夏天气温30℃-30℃非自发水水冰可逆过程：没有摩擦，推动力无限小,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，其产功最大，对耗功的可逆过程，其耗功最小;逆向进行时，体系恢复始态，环境不留下任何痕迹。（也即没有功热得失及状态变化）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。自发、非自发和可逆、非可逆之间的区别？自发与非自发过程决定物系的始、终态与环境状态；可逆与非可逆过程是（考虑）过程完成的方式，与状态没有关系。可逆过程是一个理想过程，实际过程都是不可逆的。可逆过程具有过程进行的任一瞬间体系都处于热力学平衡态的特征，因次，体系的状态可以用状态参数来描述。PdVWRTdSQRVdPWSR二.热功转换与热量传递的方向和限度1.热量传递的方向和限度高温低温自发非自发限度：Δt=02.热功转化的方向功热100%非自发100%自发热功转化的限度要由卡诺循环的热机效率来解决3.热与功转化的限度——卡诺循环卡诺循环：热机;高温热源（恒TH）;低温热源（恒TL）.图形工质从高温热源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TSPV11234234QHQHQLWcWcQL工质吸热温度大于工质排热温度，产功过程正卡诺循环的结果是热部分地转化为功，用热效率来评价循环的经济性热效率:CHWQ移走净功热量输入热效率的物理意义：工质从高温热源吸收的热量转化为净功的比率。正卡诺循环：∵ΔH为状态函数，工质通过一个循环SWQH据热一律:∴ΔH=0Q=QH+QLCSCHLWQQHLHHCCQQQQW∴又∵)(12SSTQHH)()()(122134SSTSSTSSTQLLLLHLHLHHLHCTTTTTSSTSSTSST1)()()(121212由卡诺循环知(5-25)注意以下几点：111HT若使或TL=0实际当中是不可能(1)(2)η=f(TH‚,TC),若使η↗，则TH↗,TL↘工程上采用高温高压，提高吸热温度TH，但又受到材质影响.(3)若TH=TL，η=0,W=0这就说明了单一热源不能转换为功，必须有两个热源。(4)卡诺循环，η可逆最大，相同TH,TL无论经过何种过程，η可逆是相同的，实际热机只能接近，不能达到5.3熵函数5.3.1熵与熵增原理通过研究热机效率推导出熵函数的定义式对于可逆热机有HLHHLHCTTTQQQHCHLTTQQ11OTQTQLLHH0TQR也即TQdSR熵定义２.热力学第二定律的数学表达式可逆不可逆不可逆可逆可逆可)Q()TT-T()(HHLHLHHLHQQQQQ对不可逆过程：对可逆过程：TQdS可逆TQdS不可逆热力学第二定律的数学表达式：TQdS不可逆=可逆注意：熵状态函数。只要初、终态相同，不可逆可逆SS对于不可逆过程应设计一个可逆过程，利用可逆过程的热温熵积分进行熵变计算．３.熵增原理对于孤立体系（或绝热体系）OQTQdS0dS0tS这个式子说明了由熵增原理表达式。0不可能进行的过程0不可逆过程0tS=0可逆过程结论：自然界的一切自发进行的过程都是熵增大的过程；oStoStsyssurStSS同时满足热一律，热二律的过程，实际当中才能实现，违背其中任一定律，其过程就不可能实现。总熵变为自发进行的限度自发进行的方向4熵变的计算1)可逆过程的热温熵计算TQTQdSR可据热一律SdHQWRSRdHQW可逆过程同除T得：SRRWQdHTTTTWTdHTQdSSRR又∵VdPWSR对理想气体:dH=nCpdTPnRTV∴dPdTndSpPnRTTC1212lnlnPPnRTTnCpS２)相变化熵变QHVVTHS∴相变化的熵变相变化皆属于可逆过程，并且相变化的热量，据能量平衡方程知：３)环境熵变热力学环境：一般指周围大自然（可视为恒温热源）r00syssusurQQSTT４应用举例[P111－P112(例5－3，5－4)]自看5.3熵平衡和熵产生１敞开体系熵平衡方程将容量性质衡算通式用于熵，得:i入Si出S产生S积累S=-+T—限制表面上热流通过处的温度,T’代表始态温度,T’’代表终态温度物料热量'''TTTQS—单位质量物料的熵；熵携带者功与熵变化无关，功不携带熵。物料携带的熵=mS热流携带的熵=式中:m—物料的质量；是代数值，以体系收入者为正，体系支出者为负于是:入S入)(iism'''11TTTQ'''22TTTQ出S出)(iism'''33TTTQ熵平衡方程为:体系S入（)iism'''TTTQ产生S出)(iism将此整理,得:体系S)(iism'''TTTQ产生S(5-33)熵平衡方程注意：iism'''TTTQ物料熵热熵流2.熵产生体系S)(iism'''TTTQ产生S(5-33)中：—体系的总熵变；—因物流流进，流出限定容积而引起的熵变化；—因热流流进,流出限定容积而引起的熵变化；—因体系的内在原因引起的熵变化，与环境无关，属于内因熵变。引起熵产生的内在原因实际上是由于体系内部不可逆性而引起的熵变化。这可以用孤立体系的熵平衡方程来证实。对孤立体系：因与环境没有质量交换，也没有能量交换0iism0'''TTTQ0S入0S出代入熵平衡方程中产S体系S孤S==由热二律知:可逆过程0S孤0S产不可逆过程0S孤0S产结论：熵产生可以用作判断过程方向的准则0时，体系内部的过程不自发。产生S0时，体系内部的过程不可逆或自发；=0时，体系内部的过程可逆或平衡；3.熵平衡方程的特殊形式绝热过程0TQ)(iism产生S体系S可逆过程0产生S)(iismTQ体系S=+稳流过程0体系S)(iismTQ产生S=0++封闭体系0)(iismTQ产生S体系S=+4.应用举例(例5-5)自看解题要点：符合质量守恒定律能量守恒定律（热一律）熵增原理（热二律）5.4理想功、损失功及热力学效率损失功法：以热力学第一定律为基础，与理想功进行比较，用热效率评价。有效能分析法：将热力学第一定律，热力学第二定律结合起来，对化工过程每一股物料进行分析，用有效能效率评价。化工过程热力学分析的方法：一.理想功1.定义：体系以可逆方式完成一定的状态变化，理论上可对外做的最大功(对产功过程)，或者理论上必须获得外部的最小功(消耗过程)，称为理想功。Wmax(Wmin)状态1状态2完全可逆要注意:完全可逆状态变化可逆；传热可逆(物系与环境)２.理想功的