第五章 化工过程的能量课件.ppt

第五章 化工过程的能量分析 本章： 运用热力学的第一与第二定律，应用理想功、 损失功、火用（有效能）和火无（无效能）等概念对化工过程中能量的转换、传递与使用进行热力学分析； 评价过程或装置能量利用的有效程度，确定其能量利用的总效率； 揭示出能量损失的薄弱环节与原因，为分析、改进工艺与设备，提高能量利用率指明方向。 5.1 能量平衡方程 5.2 热功间的转化 5.3 熵函数 5.4 理想功、损失功及热力学效率 5.5 火用 和 火无 5.6 火用衡算及火用效率 5.7 化工过程与系统的火用分析 5.5.3 在不可逆过程中，有部分火用降级变为火无而不做功，其总的火用的损失就等于损失功T0ΔS总 ，并用EL表示。 （5-42） 实际过程是不可逆的，存在损失功。 （5-53） （5-54） 5.5.3 状态1 状态2 （5-54） 5.5.3 下面剖析几个典型化工过程的火用损失，也就是能量变质问题。 （1）流体流动过程 流体流动过程，包括单纯的流体流经管道、流体的压缩与膨胀、节流等等。都是稳定流动体系。 课堂上只讨论最简单的流体管道输送过程。 5.5.3 （5-55） 根据热力学第一和第二定律，对单位质量定组成的均匀流体体系，在非流动条件下，有： 此式同样适用于忽略动能和位能变化的稳流体系。 5.5.3 对于稳流体系： 假如体系与环境之间既无热也无功的交换，如在一般管道中的输送。 则dH 0 （5-55） 若忽略动能和位能的变化，则有： 5.5.3 式（5-56）就是稳流体系和环境间没有热、功交换条件下的熵变。 （5-56） 体系与环境之间无热交换： 5.5.3 （5-57） 不论液体或气体，在一般管道内流动过程中，T与V 均无太大的变化。 所以： 5.5.3 管径加大，导致管道费用增加。 降低流动过程的火用损失措施： 减少流动过程的推动力即减小压力降。 这是一对矛盾，因此，设计时必须合理选择经济流速，谋求最佳的管径，解决好阻力减小因而能耗减少与投资费用增大的矛盾。 如：减少管路上的弯头和缩扩变化，加大管径，减少管件等。 5.5.3 （2）传热过程 取其中微小的一段，在这一小段中，流体1和流体2的温度分别为T1 和T2 。 假设流体的阻力为定值，没有热损失，T1 T2， 图5-7 逆流换热器示意图 设有δQ 0 热量从流体1 流向流体2。 流体1 和流体2产生换热熵变 dS1 和dS2分别为： 5.5.3 体系总的熵变dS总为 因温差传热过程而引起的火用损失 （5-58） 图5-7 逆流换热器示意图 将流体1和流体2合并作为新体系 5.5.3 方法二：从热的火用分析 图5-7 逆流换热器示意图 传热过程的实际效果是： 5.5.3 5.5.3 对于特定的换热器： 当冷热流体的温差一定时，则火用损失与冷热流体温度的乘积成反比。 当冷热流体温度乘积一定时，传热温差愈大，火用损失愈多； 5.5.3 对于特定的换热器： 从理论上说，传热温度差越小，则火用的损失就越小；但温度差越小时，则传递相等的热量所需换热面积就越大，换热器的设备费用与材料也越多，所以不可能无限制地减小温差。但如果采用逆流换热，可以使冷流体出口的温度接近热流体入口的温度；而热流体出口的温度接近冷流体入口的温度，使不可逆性减小，因此火用的损失也就较小。 5.5.3 顺流换热温差分布 逆流换热温差分布 5.5.3 低温工程（T1×T2较小）宜采用较小的传热温差； 高温工程（T1×T2较大）传热温差则可取得较大一些，以使换热面积不致过大。 5.5.3 总之，在化工生产中，不能靠高消耗来获得高速度。必须从传统的扩大外延，转为提高内涵。 由以上分析可见，为加快传热速率，盲目地加大传热温差是不可取的，可以通过改进换热器的结构，改善换热器材质，加强水处理等措施来达到。 5.5.3 发生传质过程的原因是两相的化学位不等。 传质过程使得体系的组成发生变化，应用变组成体系热力学性质间关系式 （5-59） 式中μi为组分i 的化学位。 若传质过程温度不变，即Tα Tβ T，略去压力变化； 假定总体系与环境之间既无热也无功的交换。 （3）传质过程 5.5.3 式中 上角标α、β为相别；下角标i为组分。 （5-60） 传质过程中体系不可逆熵增： 5.5.3 两式相减得： （5-61） 5.5.1 火用和火无的概念 5.5.1 例如:流体经过节流,节流前后流体的焓值并未发生变化,但损失了做功能力； 这种作法是必要的,但不能全面地评价能量利用情况。 确定能量的数量利用率 传统的作法 根据第一定律 进行能量衡算 火用 无效能、有效能损失 火无 有效能， 5.5.1 又如：冷热两股物流进行热交换时，在理想绝热的情况下，热物流放