第6章 化工过程的能量分析.ppt

第6章
化工过程的能量分析本章内容化工生产涉及的能量主要有以下几种形式：
⑴热能：许多化工单元操作都消耗热能。如精馏、蒸发、干燥以及吸收剂或吸附剂的再生等。这些过程需要的热量通常利用燃料的燃烧的燃烧热。
⑵机械能：在物理学上称功。机械能主要用于流体的输送和压缩。消耗机械能的设备有泵、压缩机、鼓风机、真空泵等。
⑶电能：电能具有便于输送、调节、自动化等一系列优点，故广泛地应用于化工生产。化工厂电能主要用来提供机械能。。
⑷由于物质化学结构变化提供或消耗的能量称为化学能。放热的化学反应，由化学能转化为热能；吸热的化学反应，则由热能转化为化学能。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。热功转换的不等价性
功可以100%转变为热
热不可能100%转变为功。
热、功的不等价性正是热力学第二定律所表述的一个基本内容。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。理想功Wid：
指体系的状态变化以完全可逆过程实现时，理论上可能产生的最大功或者必须消耗的最小功。
完全可逆是指：
(1)体系内所有的变化过程必须是可逆的．
(2)体系与温度为T0的环境进行热交换是可逆的。
理想功是一个理论的极限值，是实际功的比较标准。稳流过程的理想功理想功为可逆轴功和卡诺功之和根据热力学第一定律的表达式，敞开体系有由于实际问题都是不可逆的，因此对于实际的产功过程所提供的功Ws<Wid；对于实际的耗功过程，消耗的功Ws>Wid。
所以实际的生产过程就存在一个效率的问题。称为热力学效率。热力学效率ηa6-1某水蒸气动力装置，进入水蒸气透平的水蒸气流量为1680，温度为430℃，压力为3.727MPa。水蒸气经透平绝热膨胀对外作功。产功后的乏汽为0.1049MPa的饱和水蒸气。求水蒸气经透平机的理想功和热力学效率。已知大气温度为25℃。解：由附表3用插值法求得P2＝0.1049MPa时饱和水蒸气的温度，T2＝101.0℃。此状态下的焓和熵也可以用插值法得到，即
h2＝2677.6， s2＝7.3429
从附表3再用插值法查P1＝3.727MPa，T1＝430℃的过热蒸汽的焓和熵，得
h1＝3287.8， s1＝6.9101
则蒸汽经透平的理想功为：因过程绝热，Q＝0。忽略动能、位能的变化，根据热力学第一定律，过程产生的轴功为

对于产功过程，热力学效率可按下式计算，即

蒸汽经透平的理想功与热力学效率分别为345.0kW和82.55％。稳定流动化学反应过程理想功的计算2025/7/142、不可逆过程的损耗功WL2025/7/146-3某厂有输送90℃热水的管道，由于保温不良，到使用单位时，水温已降至70℃。试求水温降低过程的热损失和热耗功。大气温度为25℃。忽略动能和位能的变化，有
因无轴功交换，ws＝0，故过程的热损失q为

＝-83.94
过程的损耗功：6.2化工单元过程的热力学分析1.传热过程的不可逆损耗功来自热的温差。注意：
⑴即使换热器无散热损失，即热流体放出的热量全部被冷流体吸收，仍然会有损失功。这是由于高温热量变成了低温热量，做工能力下降，能量贬值。
⑵损失功正比于两流体的传热温差
⑶损失功与两流体的温度乘积成反比，及低温传热比高温传热损失功大。换热过程的热力学效率为（TH、TL均大于T0）6－7设在用烟道气预热空气的预热器中，通过的烟道气和空气的压力均为常压，其流量分别为45000kg/h和42000kg/h。烟道气进入时的温度为315℃，出口温度为200℃。设在此温度范围内，=1.090kJ/(kg·K)。空气进口温度为38℃，设在此温度范围内，=1.005kJ/(kg·K)。试计算此预热器的损耗功与热力学效率。已知大气温度为25℃，预热器完全保温。解：=1.315×106kJ/h=2.459×106-1.315×106
=1.144×106kJ/h6.4化工单元过程热力学分析WL与T0/T成正比关系，流体温度越低，WL越大。
节流过程是流动过程的特例。为了减少功损耗要避免节流过程。
气体的体积大于液体的体积，WL与体积成正比，因此，气体节流的WL大于液体的WL。对此，应避免节流过程。均相物系的分离，如气体混合物和液体混合物的分离，常见的有精馏、吸收、萃取、蒸发、结晶、吸附等过程。化学反应过程§6.5过程热力学分析的三种基本方法约束性平衡：体系和环境仅有热平衡和力平衡而未达到化学平衡。
非约束性平衡：体系和环境既有