化工热力学 第六章0

化工热力学第六章化工过程热力学分析第六章化工过程热力学分析热力学第一定律：sWQumZmgHm221热力学第二定律：ifiniijoutjjgSSMSMS化工热力学分析：将过程热力学分析应用于化工过程用热力学理论和方法对于各过程能量的转化、传递、使用和损耗进行分析。过程热力学分析：化工热力学第六章化工过程热力学分析第一节基础理论第二节化工单元过程热力学分析第三节过程热力学分析的三种基本方法第四节节能理论进展和合理用能化工热力学第六章化工过程热力学分析§6—1基础理论一、能量的级别（品位）能量的形式热能机械能电能化学能能量不仅有数量,还有质量(品位)化工热力学第六章化工过程热力学分析自然界能量高级能量:理论上完全可以转化为功的能量低级能量:理论上不能全部转化为功的能量僵态能量:完全不能转化为功的能量能量的贬质：是指由高品位能量转化为低品位能量.合理用能：就是希望获得的功要多，消耗的功要少，损失的功要小。即尽可能减少能量贬质.节能：实质对高级能量和低级能量而言，对于僵态能量，由于其不能转化为功，故无研究的必要。化工热力学第六章化工过程热力学分析二、理想功（）idW定义：体系在一定的环境条件下，沿完全可逆的途径从一个状态变到另一个状态所能产生的最大有用功。理想功是一个理论的极限值，是用来作为实际功的比较标准。过程完全可逆：（1）体系发生的所有变化都是可逆的。（2）体系与环境间有热交换时也是可逆的。化工热力学第六章化工过程热力学分析1、稳流过程理想功：无数个小型卡诺热机周围自然环境（温度）0TRSWcW)(21TTQ)(00TQ可逆的稳流过程1111SHPT、、、状态112222SHPT、、、状态22化工热力学第六章化工过程热力学分析做功衡算：CRSid忽略动、位能变化，则：idWQH0或HQWid0稳流开系的熵平衡式：ifiniijoutjjgSSMSMS可逆稳流过程：00TQS0gS，0012TQSSSf即STQ00HST0HQWid0STHWid0——稳流过程理想功的计算式化工热力学第六章化工过程热力学分析因为HS、是状态函数，因此稳流过程的理想功只与流体的始末状态和环境温度有关，与具体过程无关。环境温度一般指大气或天然水源的温度。例6—1试求25℃、0.10133MPa水变为0℃、0.10133MPa冰的理想功。已知0℃冰的溶解焓变为17.334kgkJ。设环境温度（A）为25℃；（b）为-25℃。化工热力学第六章化工过程热力学分析[解]为从附表3查得25℃水的焓和熵值（忽略压力的影响）1h1s1189.104kgkJh1113674.0KkgkJs根据0℃冰的溶解焓变数据可以推算0℃冰的与为2h2s127.334kgkJh1122260.1KkgkJs（a）环境温度为25℃（高于冰点）时，3674.02260.129889.1047.334idw83.47459.439欲使水变为冰，需用制冷机，理论上消耗的最小功为124.35kgkJ。（b）环境温度为-25℃（低于冰点）时，124.35kgkJ化工热力学第六章化工过程热力学分析2、稳定流动化学反应过程理想功的计算：取标准状态（25℃、0.1013MPa），则稳流化学反应过程理想功的计算式：3674.02260.124889.1047.334idw143.44kgkJ当环境温度低于冰点时，为正值。当水变成冰时，不仅不idw由此例可见，理想功的数值不仅与初、终状态还与环境温度有关。需要消耗功，理论上还可以回收功，此最大的功为143.44kgkJ。化工热力学第六章化工过程热力学分析000STHWid0H——标准状态下化学反应焓变（标准反应热）RRfRppfpHvHvH0000S——标态下化学反应过程熵变RRRpppsvsvS000由热力学定义：TSHG则在标态下，恒温0T时：0000STHG与上式比较：化工热力学第六章化工过程热力学分析idWG0即000STHWid0G由此可知，标态下进行化学反应，能回收的最大功（）idW是标准自由焓的减少量，而不是标准反应热。0G可用反应物及产物的标准生成自由焓计算：0GWidRPPfPRfRHvHv00PPfPRRfRGvGv00000STHPRRRPPSvSvT000可以利用附表4（一些物质的热力学函数）查到有关标态下的值，从而进行计算。化工热力学第六章化工过程热力学分析例6—2在25℃、0.10133MPa（1atm）下，有CO和进行燃2O程的理想功。烧反应生成。反应物CO和不相互混合。试求此化学反应过2CO2O[解]CO和燃烧生成的反应方程式为2O2CO2221COOCO从附表4查到有关数据列于下表：组分)(1kmolkJHf)(110KkmolkJSgCO2gO2gCO5101052.1039351091.19703.20564.213化工热力学第六章化工过程热力学分析根据式（6—6a）与式（6—6b），有RRfRPpfPHHH5101052.1393510RRRPPPSSS11785.86KkmolkJSTHwid025862282990式中：H是CO在标准状态下进行燃烧过程释放的热量，其数值为1282990kmolkJ，其中有1025862kmolkJST）（即1282990kmolkJ3.2052191.19764.213785.862982829901257128kmolkJ化工热力学第六章化工过程热力学分析是不能利用的僵态能，余下1257128kmolkJ是理论上可能提供的最大功。由于反应前后各组分都进行另外混合，气体混合物的总压为0.10133MPa（1atm），那么各组分的分压必定小于总压。此物系在标准态下可视为理想气体的混合物，压力对焓值无影响，但对熵值有影响。因此，对查得的标准熵值要进行压力校正。根据理想气体熵变计算式的积分式，即例6—3例6—2的燃烧过程中加入氮气，且反应物与产物都为混合态（实际的化学反应过程是反应物可混合也可不混合，但生成的产物总是相互混合的），反应前后物系的总压为0.10133MPa，温度仍为25℃，试求此反应过程的理想功。[解]化工热力学第六章化工过程热力学分析12**1*2ln21PPRdTTCSSTTP可得压力校正后的熵与标准的关系式iSiS式中：为标准态压力0.10133MPa（1atm），为混合气体0PiP中i组分的分压。各反应物的分压分别为PyPCOCO10133.02958.0PyPOO220lnpPRSSiii（A）MPa02997.010133.0881.15.015.010133.0881.15.011化工热力学第六章化工过程热力学分析10133.01479.0PyPNN2210133.05563.0查附表4得氮的标准熵。1149.1912KkmolkJSN由式（A）可以求出反应物压力校正后的熵值2958.0ln314.891.197COS1479.0ln314.803.2052OS5563.0ln314.849.1912NS根据式（A）还可求出产物压力校正后的熵值MPa01499.010133.0881.15.01881.1MPa05637.0。11037.208KkmolkJ。1119.221KkmolkJ。1137.196KkmolkJ化工热力学第六章化工过程热力学分析881.111ln314.864.2132COS881.11881.1ln314.849.1912NS反应过程物系的熵变为S2222881.15.0881.1NOCONCOSSSSSS19.2215.0037.20803.195881.14.22211714.98KkmolkJ37.196881.11282990kmolkJH（与例6—2相同）因此，燃烧过程的理想功为。1144.222KkmolkJ。1103.195KkmolkJ化工热力学第六章化工过程热力学分析282990714.982982829901253573kmolkJ可见。反应物和产物各自进行混合，其理想功之值小于不进行混合时的理想功值。表明混合过程有功的损失。例6—4试求以碳、水和空气为原料生产合成氨的理想功。已知其反应总式为)(883.0)(5.0133.0)(5.183.023222gCOgNHNOlOHC[解]查附表4，可得1)(19.2372kmolkJGlOHf1)(63.163kmolkJGgNHfSTHWid029417化工热力学第六章化工过程热力学分析1)(38.3942kmolkJGgCOf单质碳、氮与氧的标准生成自由焓为零。根据式（6—7a）可求出理想功)(25.1lOHfPPfPRRfRidGGGW)()(23883.0gCOfgNHfGG38.394883.063.1619.2375.1)(130825.9gNHkmolkJ15)(103426.53NHtkJ1)(4.1483NHthWk化工热力学第六章化工过程热力学分析理想功是一个重要的基本概念，应注意以下几点：（1）就功的代数值而言，理想功均为最大功。（2）理想功是可逆有用功，并不等于可逆功的全部。（3）理想功是完成给定状态变化所消耗的最小有用功，所以它可以作为评价实际过程的标准。通过比较实际过程的有用功和理想功，就可以判断实际过程的不可逆程度。化工热力学第六章化工过程热力学分析耗功过程：1a时表示为可逆过程。不可逆过程a恒小于1；反映过程可逆的程度,是高级能量的利用率.a3、热力学效率（）a产功过程：idSaWWSidaWW化工热力学第六章化工过程热力学分析例6—5某合成氨厂中甲烷蒸汽转化工段转化气量为516013)(3NHtNm，因工艺需要，将其温度从1000℃降到380℃。现有废热锅炉机组回收余热，已知通过蒸汽透平回收到的实际功为1)(2833NHtkWh。试求：（a）转化气降温过程的理想功；（b）余热利用动力装置的热效率；（c）此余热利用过程的热力学效率。已知大气温度为30℃，设转化气降温过程压力不变，在380℃~1000℃温度范围平均等压热容1136KkmolkJCCpmspmh，废热锅炉和透平的热损失可忽略不计，透平乏气直接排入大气。化工热力学第六章化工过程热力学分析[解]计算以每吨氨气为基准。（a）求转化气降温过程的理想功。由式（6—5）可知，理想功为STHWid0式中：和是转化气降温过程的焓变和熵变。每吨氨转化HS气的千摩尔数m为4.225160m134.230NHtkmolTmCHpmh163101425.5NHtkJ1000380364.230135.1428NHthkW化工热力学第六章化工过程热力学分析废热锅炉