第六章化工过程的能量分析1

上一内容下一内容回主目录返回2019/8/14第六章化工过程的能量分析上一内容下一内容回主目录返回2019/8/14本章内容§6.0热力学基本概念复习§6.1热力学第一定律与能量平衡方程§6.2热功转换§6.3熵§6.4理想功和损失功§6.5火用及其计算2019/8/14§6.0热力学基本概念复习1、体系与环境2、状态和状态函数3、过程4、热和功体系环境2019/8/141、体系与环境体系（System）在科学研究时必须先确定研究对象，把一部分物质与其余分开，这种分离可以是实际的，也可以是想象的。这种被划定的研究对象称为体系，亦称为物系或系统。环境（surroundings）与体系密切相关、有相互作用或影响所能及的部分称为环境。2019/8/14体系分类根据体系与环境之间的关系，把体系分为三类：（1）敞开体系体系与环境之间既有物质交换，又有能量交换。（2）封闭体系体系与环境之间无物质交换，但有能量交换。2019/8/14体系分类（3）孤立体系（isolatedsystem）体系与环境之间既无物质交换，又无能量交换，故又称为隔离体系。有时把封闭体系和体系影响所及的环境一起作为孤立体系来考虑。2019/8/14§6.0热力学基本概念复习2、状态和状态函数状态：某一瞬间体系呈现的宏观状况。平衡状态：在没有外界影响的条件下，如果体系的宏观状态不随时间而改变，则称体系处于热力学平衡状态。热平衡，力平衡，相平衡，化学平衡，即温度差，压力差，化学位差均为零。状态函数：由于体系的各种宏观性质，是所处状态的单值函数，所以热力学把各种宏观性质称为状态函数。常用的状态函数有P，V，T，U，H，S，A，G2019/8/14§6.0热力学基本概念复习“状态一定值一定，殊途同归值变等，周而复始变化零。”循环过程：状态1状态2状态3△H=0,△U=0,△V=0,△S体系=0（当然△S总≠0)2019/8/14§6.0热力学基本概念复习3、过程指体系自一平衡状态到另一平衡状态的转换．对某一过程的描写：初态+终态+路径.不可逆过程：一个单向过程发生之后一定留下一些痕迹，无论用何种方法也不能将此痕迹完全消除，在热力学上称为不可逆过程．凡是不需要外加功而自然发生的过程皆是不可逆过程（自发过程）。如：爆炸、节流、气体向真空自由膨胀等2019/8/14§6.0热力学基本概念复习P,V,T——无限小的沙子。带活塞的气缸拿走一粒无限小的沙子，dP减少无限小，推动力无限小，可以忽略不计。可逆过程：当体系完成某一过程后，如果令过程逆行而能使过程中所涉及的一切(体系及环境)都回复到原始状态而不留下任何变化，则此过程称为可逆过程．注意：1）可逆过程一旦发生，不仅体系能恢复到原来状态，而且而环境也能恢复到原来状态而不留下任何痕迹。（循环过程是否是可逆过程？）2019/8/142）若是可逆过程，位的梯度即推动力需为无限小；若存在推动力则是实际过程，而非可逆过程。3）可逆过程是实际过程中只能趋近而永远不能实现的理想过程，其本质是状态变化的推动力与阻力无限接近，体系始终无限接近平衡状态。4）但它是热力学中极为重要的概念，是作为实际过程中能量转换效果比较的标准。若说某体系效率为80%，是指与可逆过程比。5）可逆过程是效率最高的过程。体系对外做最大功。体系对外吸收最小功。6）很多热力学关系式是在可逆过程的前提下推导出来的。如：QdST2019/8/14§6.0热力学基本概念复习4、热和功1）热和功不是状态函数，与途径有关。2）热和功只是能量的传递形式，而不是贮存形式。当能量以热和功的形式传入体系后，增加的是内能。ΔU＝Ｑ+Ｗ热力学第一定律3）按照国际规定:Ｑ:体系吸热为正，Ｑ0，体系放热为负,Ｑ0；Ｗ:环境对体系作功,Ｗ0，体系对环境作功,Ｗ02019/8/14§6.0热力学基本概念复习特别提醒：过去的教材中习惯用U=Q-W表示，两种表达式完全等效，只是W的取号不同。用该式表示的W的取号为：环境对体系作功，W0；体系对环境作功，W0。本新版教材用的是ΔU＝Ｑ+Ｗ，敬请注意！4)热的推动力是温差。功的推动力是除温差以外的位的梯度。5）热量的传递是无序的，热量是规格低的能量。功的传递是有序的，功是规格高的能量。上一内容下一内容回主目录返回2019/8/14降低资源消耗减少环境破坏•在化工产品成本中，能源所占的比重很大，一般产品约占20-30%，能耗高的产品可达70-80%。因此，化工节能有特殊重要的意义。•我国化工系统的能源消费量约占全国总量的10%。我国的单位产值能源消耗量比世界先进水平高得多，主要原因在于分离过程的能耗大大高于发达国家。•化工分离过程的能耗是世界总能耗的8%。•我国比国外同类产品能耗高20-30%，有的高出一倍。•日本的能量利用效率达57%,在世界各国中居首位。上一内容下一内容回主目录返回2019/8/14化工过程能量分析实例•南京塑料厂乙苯脱氢制苯乙烯C2H5CH3C2H3560~620oC乙苯苯乙烯+H2CH4++C2H4C2H48C+上一内容下一内容回主目录返回2019/8/14化工过程能量分析实例水蒸气加热炉AB混合器第一段脱氢反应器第二段脱氢反应器中间加热器乙苯+水蒸气反应产物去急冷后处理系统换热器图1乙苯脱氢反应模拟流程上一内容下一内容回主目录返回2019/8/14化工过程能量分析实例•反应器：烧重油加热反应物至560~620oC，产生高温烟道气•第三过热器：利用高温烟道气加热高温反应物•第二过热器：利用高温产物加热中温反应物•蒸发器：利用中温烟道气加热低温反应物•废热锅炉：利用中温产物产生水蒸汽•我的印象：一个反应需要一个车间来完成（三层楼）•我的体会：目的是能源的最大化利用（不是仅总能量的平衡，而是品位高的能量做功，品位低的能量加热。2019/8/14各章之间的联系第3章纯流体的热力学性质(H,S,U，难测；由EOS,Cp,Cv得到）第5章化工过程的能量分析:H,S,U,W(3)第7章相平衡:f(2,4),γ(4)第10章化学平衡:µ(4)给出物质有效利用极限第6章蒸汽动力循环和制冷循环:H,S,W(3)给出能量有效利用极限化工热力学的任务第4章流体混合物的热力学性质ˆ,,,,iiiiMfG第2章热力学基础数据(PVT,Cp,Cv,EOS)上一内容下一内容回主目录返回2019/8/14基本概念•能量不仅有数量，而且有质量（品位）。•功的品位高于热。•高级能量：–能够完全转化为功的能量，如机械能、电能、水力能和风能等；•低级能量：–不能完全转化为功的能量，如热能、焓等。•高温热源产生的热的品位比低温热源产生的热的品位高。上一内容下一内容回主目录返回2019/8/14化工过程的热力学分析1、能量衡算。2、分析能量品位的变化。–化工过程总是伴随着能量品位的降低。–一个效率较高的过程应该是能量品位降低较少的过程。–找出品位降低最多的薄弱环节，指出改造的方向。化工热力学的任务上一内容下一内容回主目录返回2019/8/14§6.1热力学第一定律与能量平衡方程•§6.1.1热力学第一定律•§6.1.2稳定流动体系的热力学原理•§6.1.3稳流体系能量平衡方程及其应用上一内容下一内容回主目录返回2019/8/14§6.1.1热力学第一定律ΔU＝Ｑ+Ｗ只适合封闭体系!!!热力学第一定律的数学表达式：上一内容下一内容回主目录返回2019/8/14§6.1.2稳定流动体系的热力学原理稳定流动•敞开体系•稳定、连续、流进、流出，不随时间变化，没有能量和物料的积累。•化工过程中最常用不能用ΔU＝Ｑ+Ｗ来表达!!!上一内容下一内容回主目录返回2019/8/14能量的形式化工生产中所涉及到的能量，主要有两大类：物质的能量、能量传递的两种形式。1、物质的能量E(以1kg为基准)动能：Ek=u2/2内能：U=f(T,P,x)位能：EP=gZ2、能量传递的两种形式(以1kg为基准)在各种热力学过程中，体系与环境之间常发生能量的传递，能量传递的形式有两种，即热和功。2019/8/14热:系统与环境之间由于温差而引起的相互交换的能量，用Q表示。规定：系统获得的热量，其值为正；反之为负。功W：1.对流动系统：包括两部分(1)流体通过机械设备的旋转轴与环境所交换的能量，称为轴功Ws。(2)物料在连续流动过程中，由于流体内部相互推动所交换的功，称为流动功Wf=PV。管道截面积A[m2]1kg流体V[m3/kg]P流动功＝F.S=（P.A）.(V/A)=PV[J/Kg]2019/8/14注意：*热和功只是在能量传递中出现，并非系统本身具有的能量，故不能说“某物质具有多少热或功”。当能量以热和功的形式传入体系后，增加的是内能。如：在换热设备中，冷热流体进行热交换，结果是热流体内能降低。冷流体内能增加。*热和功是过程函数，非状态函数。2.对非流动系统，特定设备（如带活塞的气缸）中，因流体体积改变而与环境交换的能量，称为体积功W。规定：系统得功，其值为正；反之为负。上一内容下一内容回主目录返回2019/8/14•以1Kg为基准!!!•Q为体系吸收的热量•W为体系与环境交换的功。•截面1的能量E1E1=U1+gZ1+u12/2•截面2的能量E2E2=U2+gZ2+u22/2u2u1QWsZ1Z212§6.1.2稳定流动体系的热力学原理P1,V1,Z1,u1P2,V2,Z2,u2上一内容下一内容回主目录返回2019/8/14根据能量守恒原理：进入体系能量=离开体系能量+体系内积累的能量∵稳定流动体系无能量的积累∴E1+Q=E2-W（1）•体系与环境交换的功W包括与环境交换的轴功Ws和流动功Wf，即W=Ws+Wf•其中：Wf=P1V1-P2V2•所以W=Ws+P1V1-P2V2(2)•E=U+gZ+u2/2(3)•将(2)、(3)代入（1）可得(4)式§6.1.2稳定流动体系的热力学原理上一内容下一内容回主目录返回2019/8/14）　（　422sWQuZgH稳定流动体系的热力学第一定理：焓变位能变化动能变化(4)式的计算单位建议用J/kg；即以1Kg为基准!!!§6.1.3稳流体系能量平衡方程及其应用上一内容下一内容回主目录返回2019/8/14一些常见的属于稳流体系的装置喷嘴扩压管节流阀透平机压缩机混合装置换热装置上一内容下一内容回主目录返回2019/8/14•应用中的简化1）流体通过压缩机、膨胀机∵u2≈0，gZ≈0∴H=Q+Ws——稳流过程中最常用的公式若绝热过程Q=0，Ws=H=H2-H1高压高温蒸汽带动透平产生轴功。sWQuZgH22§6.1.3稳流体系能量平衡方程及其应用上一内容下一内容回主目录返回2019/8/142）流体通过换热器、管道、混合器∵Ws=0，u2=0，gZ=0∴H=Q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。sWQuZgH22§6.1.3稳流体系能量平衡方程及其应用体系状态变化，如化学反应相变化温度变化反应热相变热显热QH——用于精馏、蒸发、吸收、结晶过程上一内容下一内容回主目录返回2019/8/143）流体通过节流阀门或多孔塞，如节流膨胀过程。∵Ws=0，u2=0，gZ=0，Q=0∴H=0冷冻过程是节流过程，焓未变但温度降低sWQuZgH22§6.1.3稳流体系能量平衡方程及其应用上一内容下一内容回主目录返回2019/8/144）对封闭体系，退化为封闭体系热力学第一定律∵u2=0，gZ=0。∴H=Q+WS又∵H=U+PV∴U=Q+WsWQuZgH22§6.1.3稳流体系能量平衡方程及其应用=Q+W-Wf=Q+W-P1V1+P2V2流动功Wf=P1V1-P2V2上一内容