第7章_化工过程能量分析分析.ppt

熵平衡 Q W 熵的积累（过程熵变） 稳流系统 =0 封闭系统 熵平衡方程如同质量能量平衡方程和质量平衡方程，过程必须满足； 可根据一个过程（或系统）熵产生的计算，对该过程进行能量分析 能量的质量和级别 根据热力学第二定律，热和功不等价。功能全部转化为热，而热不能全部转变为功； 将功作为度量能量质量高低的量度，将能量分为三类： 高级能量：能全部转化为功的能量 低级能量：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 由高级能量变为低级的能量则称为能量品位的降低，即意味着能量做功能力的损耗 7.3 理想功、损失功、有效能 理想功 理想功是在一定环境条件下，系统发生完全可逆过程时，理论上可能产生的（或消耗的）有用功。数值上讲，指可能产生的最大功或消耗的最小功； 所谓完全可逆过程包含以下两方面的含义： （1）系统内发生的所有变化都必须可逆 （2）系统与环境之间的相互作用也是可逆进行； （1）封闭体系 （2）稳流系统 体积功 动能和势能忽略 理想功实际上是一个理论上的极限值，在与实际过程一样的始终态下，通常作为评价实际过程能量利用率的标准； 理想功与可逆功是有所区别的； 理想功的大小与体系的始终态以及环境条件有关。 产出的理想功是最大功，耗功过程的理想功是最小功 理想功 理想功与实际功之差称为损失功 稳流体系 理想功： 损失功 （忽略动能和势能） 损失功： 理想功在实际功中所占比例为热力学效率 做功过程： 耗功过程： 热力学效率 有效能 体系在一定的状态下的有效能，就是系统从该状态变化到基态的过程中所做的理想功。用Ex表示。——Available Energy（火用）； 基态通常指环境状态（T0，p0），在热力学上称为热力学死态； 有效能与理想功的关系为： 有效能分为物理有效能和化学有效能； 系统温度和压力不同于基态 物质组成不同于基态而发生物质交换或化学反应 有效能效率 有效能效率指输出的有效能与输入的有效能之比。 有效能损失 例:设有压力为1.013MPa、6.868MPa、8.611MPa的饱和蒸汽以及1.013MPa，573K的过热蒸汽,若这四种蒸汽都经过充分利用，最后排出0.1013MPa,298K的冷凝水。试比较每蒸汽的有效能和所能放出的热，并就计算结果对蒸汽的合理利用加以讨论。 压力p/MPa 温度T/K 焓H-H0/(kJ/kg) Ex/(kJ/kg) 饱和蒸汽 1.013 453 2671 814 30.66 过热蒸汽 1.013 573 2948 934 31.68 饱和蒸汽 6.868 557.5 2670 1043 39.06 饱和蒸汽 8.611 573 2678 1092 40.78 例:设有一逆流换热器，利用废热加热空气。105Pa的空气由20 ℃被加热到125 ℃ ，空气的流量为1.5kg/s，而1.3×105Pa的废气从250 ℃冷却到95 ℃ 。空气的等压热容为1.04kJ/(kg·K)，废气的等压热容为0.84kJ /(kg·K) ，假定空气与废气通过换热器的压力与动能变化可忽略不计，而且换热器与环境无热量交换，环境状态为105Pa和20 ℃ 。 试求（1）换热器中不可逆传热的有效能损失； （2）换热器的有效能效率。 7.4 化工过程能量的热力学分析方法及合理用能 2003年，中国消耗了全球30％的主要能源和原材料，但是创造的GDP仅占世界的4％。 在化工产品成本中，能源所占比例很大，一般占成本的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。 化工过程的能量分析 过程的热力学分析 用热力学的方法，对过程中能量的转化、传递、使用和损失情况进行分析，揭示能量消耗的大小、原因和部位，为改进过程、提高能量利用效率指出方向和方法。 用最小的能量消耗，获得最大的经济效益。 能量衡算法：从热力学第一定律出发，对系统的能量进行衡算； 理想功、损失功和热力学效率法：以热力学第一定律和第二定律为基础，指出能量在数量和品位上的损失； 有效能衡算和有效能效率法：热力学第一定律和第二定律相结合，以数值查明不可逆损失的来源与大小 热力学分析的三种方法 设有合成氨厂二段炉出口高温转化气余热利用装置，如图所示。转化气进入废热锅炉的温度为1273K，离开时为653K，其流量为5160Nm3/tNH3. 降温过程压力变化可以忽略。废热锅炉产生4MPa、703K的过热蒸汽，蒸汽通过透平作功。离开透平乏汽压力p3为0.01235MPa,其焓为2557.0kJ/kg。在有关温度范围内，转化气的平均等压热容为36kJ/(kmol ·K）。乏汽进入冷凝器用303K的冷却水冷凝，冷凝水用水泵打入锅炉。进入