1、第第6章章 化工过程热力学分析化工过程热力学分析在化工生产中，无论是流体流动过程，还是传热和传质过程或者化学反应过程都同时伴有能量的变化。有的消耗能量，有的释放能量。因此，研究过程能量变化，对于降低能量消耗，合理地利用能量是十分重要的。kJ.6104643 化工过程热力学分析化工过程热力学分析热力学第一定律：热力学第一定律：热力学第二定律：热力学第二定律：ifiijoutjjgSSMSMS化工热力学分析：化工热力学分析：将过程热力学分析应用于化工过程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。的转化、传递、使
2、用和损耗进行分析。过程热力学分析：过程热力学分析：6.1 基础理论基础理论6.1.1 能量的形式能量的形式化工生产中所涉及到的能量，主要有两大类：化工生产中所涉及到的能量，主要有两大类：物质的能量、物质的能量、能量传递的两种形式。能量传递的两种形式。1、物质的能量、物质的能量E 内能：内能：U=f(T,P.x)动能：动能：Ek=mu2/2 位能：位能：Ep=mgz2、能量传递的两种形式、能量传递的两种形式 在各种热力学过程中，体系与环境之间常发生能量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，即的传递，能量传递的形式有两种，即热热和和功功。u热热：系统与环境之间由
3、于温差而引起的相互交换的能量，：系统与环境之间由于温差而引起的相互交换的能量，用用Q表示。表示。规定：系统获得的热量，其值为正；反之为负。规定：系统获得的热量，其值为正；反之为负。u功功：系统与环境之间除了热系统与环境之间除了热Q 之外的能量传递均叫做功，之外的能量传递均叫做功，以以W 表。表。规定：系统得功，其值为正；反之为负。规定：系统得功，其值为正；反之为负。l 对流动系统，包括对流动系统，包括轴功轴功Ws和和流动功流动功Wf。轴功轴功W Ws s流体通过机械设备的旋转轴与环境所交换的流体通过机械设备的旋转轴与环境所交换的能量。能量。流动功流动功W Wf f物料在连续流动过程中，由于流体
4、内部相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。互推动所交换的功。pVpAhWfl对非流动系统对非流动系统，特定设备（如带活塞的气缸）中，因，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，称为流体体积改变而与环境交换的能量，称为体积功体积功W W。pdVW-可逆体积功：注意：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，热和功只是在能量传递中出现，并非系统本身具有的能量，故不能说故不能说“某物质具有多少热或功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，增加的是当能量以热和功的形式传入体系后，增加的是内能内能。如：在换热设备中，冷热流体进行热
5、交换，结果是热流体内如：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。能降低，冷流体内能增加。热和功是过程函数，非状态函数。热和功是过程函数，非状态函数。6.1.2 热力学第一定律的应用热力学第一定律的应用n敞开体系的能量平衡方程敞开体系的能量平衡方程dt)mE(ddtWdtQdtm)gZuHdtm)gZuHs2221122121（一股物料进出体系：任意体系任意体系dE,dMU1,H1,V1,T1,p1,u1U2,H2,V2,T2,p2,u2m1m2WZ1Z2Qn封闭体系的能量平衡方程封闭体系的能量平衡方程封闭系统是指那些与环境之间封闭系统是指那些与环境之间只有能量交
6、换只有能量交换而而无物质无物质交换交换的系统。的系统。dt)mE(ddtWdtQdtm)gZuHdtm)gZuHs2221122121（一股物料进出体系：=0=0WQUWQdUdtmdUdtWdtQ:dUs化变，只有热力学能的变封闭系统一般动势能不n稳流系统的能量平衡方程稳流系统的能量平衡方程稳定流动：稳定流动：l敞开体系敞开体系l稳定稳定、连续、流进、流、连续、流进、流出，不随时间变化，出，不随时间变化，没有没有能量和物料的积累能量和物料的积累。l化工过程中最为常见。化工过程中最为常见。特点：特点：1）设备内各个点的状态）设备内各个点的状态不随时间变化不随时间变化；2）垂直于流向）垂直于流向
7、的各个截面处的的各个截面处的质量流率相等质量流率相等。mmm)mE(d210dt)mE(ddtWdtQdtm)gZuHdtm)gZuHs2221122121（一股物料进出体系：021212212sWQm)gZuHm)gZuH（此为单位质量下稳流体系的能量平衡方程，计此为单位质量下稳流体系的能量平衡方程，计算单位为：算单位为：J/kg,J/kg,即即以以1kg1kg为基准为基准。sWQZguH221积分式：积分式：sWQgdZududH微分式：微分式：n稳流过程能量平衡式的简化形式稳流过程能量平衡式的简化形式上式在不同的应用条件下，可以进行适当的简化。l机械能平衡式机械能平衡式(Bernoull
8、i方程）方程）与外界无热、无轴功无热、无轴功 交换的不可压缩流体不可压缩流体的稳流过程的能量平衡式：sWQZguH221所以0212ZguH对于对于不可压缩流体不可压缩流体，假定流动过程是非粘性理想流，假定流动过程是非粘性理想流体的流动过程，则无摩擦损耗存在。这也就意味着体的流动过程，则无摩擦损耗存在。这也就意味着没有机械能转变为内能，即没有机械能转变为内能，即流体的温度不变流体的温度不变，因而，因而内能也不变内能也不变，即，即 对于不可压缩流体,V是常量，因此为流体的密度为流体的密度 出进TT将上述两式代入前式0212ZguH得022Zgup此式即为著名此式即为著名的的伯努利方程伯努利方程式
9、，或称其为式，或称其为机械能平衡式机械能平衡式l流体流经换热器、反应器、管道等设流体流经换热器、反应器、管道等设备备，如传热、化学反应以及其他诸如精馏、蒸发、溶解、吸收、结晶、萃取等物理过程，无轴功交换，动、位能忽略无轴功交换，动、位能忽略不计不计：此式表明，此式表明，体系与环境交换的热等体系与环境交换的热等于焓变于焓变。这是热量衡算的基本式)1(0HHidTTQW热量衡算的具体方法在许多专著中有详细介绍。QH l流体流经泵、压缩机、透平机等设备流体流经泵、压缩机、透平机等设备在数量级的角度上，动能项和势能项不能与焓变相比较，可以忽略。sWQH若这些设备可视为若这些设备可视为与环境绝热与环境绝
10、热，或传热量与所做功，或传热量与所做功的数值相比可的数值相比可忽略不计忽略不计，那么进一步可化简为：，那么进一步可化简为：sWH 这就是从焓变可求这就是从焓变可求这些设备做功（或这些设备做功（或耗功）能力的依据耗功）能力的依据l流体流经喷管和扩压管流体流经喷管和扩压管221uH从上式可以看出，流体流经喷嘴等喷射设备时，通过流体流经喷嘴等喷射设备时，通过改变流动的截面积，改变流动的截面积，将流体自身的焓转变为了动能将流体自身的焓转变为了动能。l流体经过节流膨胀、绝热反应和绝热混合等过程流体经过节流膨胀、绝热反应和绝热混合等过程0H在许多工业装置中都没有这样大的速度和位高变化。在一般情况下，动能、
11、位能与热、功相比，可以忽略，因此左式在化工过程能量衡算中应用极广。在实际工程应用中，各种能量项数值的大小通常在 10100kJkg-1 的范围内。当动能为 1kJkg-1时，其流速为 45ms-1。如位能值为 1 kJkg-1时，其位高为 102 m。STHWid0例例6.1某厂用功率为2.4 的泵将90水从贮水罐压到换热器，水流量为3.2 。在换热器中以720 的速率将水冷却，冷却后水送入比第一贮水罐高20m的第二贮水罐，如图所示。求送入第二贮水罐的水温，设水的比恒压热容 。)(LmHmLTTW LidHidWW 0gS解：0kE以1kg水为计算基准，由题意，忽略动能的影响HS、21212(
12、)4.184()4.184376.6pHcttttt-1720=-225(kJkg)3.2QiiidxlnxRTW0236.4t由此可推出-1-141 8 6 8 k J k g K.6.1.3 热力学第二定律的应用热力学第二定律的应用n热功转换的不等价性热功转换的不等价性n功可以功可以100%100%转变为热转变为热n热不可能热不可能100%100%转变为功转变为功n热、功的不等价性正是热力学第二定律热、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所表述的一个基本内容热力学第二定律热力学第二定律n熵和熵增原理熵和熵增原理就是量化的热力学第二定律。就是量化的热力学第二定律。熵的定义及应用
13、熵的定义及应用X,X Q,X,S,ikjjikjjE E E W n熵熵函数是体系函数是体系混乱度混乱度的一种量度。一切的一种量度。一切不不可逆过程都是向混乱度增加的方向进行可逆过程都是向混乱度增加的方向进行。n总熵变增加是能量品位降低的结果。凡是总熵变增加是能量品位降低的结果。凡是自发的过程都是不可逆的自发的过程都是不可逆的，而一切不可逆过，而一切不可逆过程都可以归结为程都可以归结为热转换为功的不可逆性热转换为功的不可逆性。n熵是状态函数，过程的熵变与过程是否可熵是状态函数，过程的熵变与过程是否可逆无关。逆无关。n熵增原理指的是熵增原理指的是总熵变增加总熵变增加，不是仅仅指，不是仅仅指系统的
14、熵变。无论过程是否自发，实际能进系统的熵变。无论过程是否自发，实际能进行的过程都是行的过程都是总熵变大于零总熵变大于零的过程。的过程。熵产生熵产生nSg 称为称为熵产生熵产生，它是由于过程的不可逆性而引，它是由于过程的不可逆性而引起的那部分熵变。起的那部分熵变。可逆过程熵产生可逆过程熵产生Sg0，不不可逆过程熵产生可逆过程熵产生Sg0。总之，熵产生永远不会小。总之，熵产生永远不会小于零。于零。TQdSir 23023ssThhG熵平衡熵平衡n熵增的过程即是能量损耗的过程。熵增的过程即是能量损耗的过程。n熵平衡就是用来检验过程熵的变化，它熵平衡就是用来检验过程熵的变化，它可以精确地衡量过程的能量
15、有效利用。可以精确地衡量过程的能量有效利用。0LW熵平衡方程熵平衡方程与与能量平衡方程能量平衡方程和和质量平衡方程质量平衡方程一样，是任一样，是任何一个过程必须满足的条件式。何一个过程必须满足的条件式。理想功和损失功理想功和损失功n理想功理想功Widn损失功损失功WLn热力学效率热力学效率n理想功（理想功（Wid）定义：定义：体系在一定的环境条件下，沿体系在一定的环境条件下，沿完全可逆完全可逆的途径从的途径从一个状态变到另一个状态所能产生的一个状态变到另一个状态所能产生的最大有用功最大有用功。理想功理想功是一个理论的极限值，是用来作为实际功的比是一个理论的极限值，是用来作为实际功的比较标准。较
16、标准。过程完全可逆：过程完全可逆：（1）体系发生的所有变化都是可逆的。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。体系与环境间有热交换时也是可逆的。做功恒算：做功恒算：忽略动、位能变化，则：忽略动、位能变化，则：稳流开系的熵衡算：稳流开系的熵衡算：1kJs可逆稳流过程：可逆稳流过程：idWQZguH02210012TQSSSf，00TQS，稳流过程的理想功稳流过程的理想功LididacididLididacWWWWWWWWWW耗功过程做功过程114.184kJ kgCpc因为因为-1-19.8 1(2 00)1 9 6.2(Jk g)=0.1 9 6 2 k Jk g
17、pEg z 是状态函数，因此稳流过程的理想功是状态函数，因此稳流过程的理想功1）与流体的）与流体的始末状态始末状态有关，与具体变化途径无关有关，与具体变化途径无关;2）与）与环境温度环境温度T0有关。有关。环境温度一般指大气或天然水源的温度。环境温度一般指大气或天然水源的温度。1a双状态函数双状态函数例例6.2 有一股压力分别是有一股压力分别是7.0MPa和和1.0MPa蒸汽用于做蒸汽用于做功，经稳流过程变成功，经稳流过程变成25的水，求的水，求Wid（T0=298K）结论结论：1）高压蒸汽的做功本领比低压蒸汽强；）高压蒸汽的做功本领比低压蒸汽强；2）高压蒸汽的加热能力比低压蒸汽弱，因此）高压
18、蒸汽的加热能力比低压蒸汽弱，因此用低压蒸汽来加热最恰当。用低压蒸汽来加热最恰当。n损失功（损失功（WL）1kg s例例6.3 某厂有一输送某厂有一输送92热水的管道，由于保温不良，至使用时水热水的管道，由于保温不良，至使用时水温降至温降至67。计算每吨热水输送中由于散热而引起的损失功。取环。计算每吨热水输送中由于散热而引起的损失功。取环境温度为境温度为25。已知水的比恒压热容为。已知水的比恒压热容为 。-102 141 8 6 8 3 4 03 6 5 1 0 46 7k Jk g),水().().(pQ c T T 解：解：以以1kg1kg水为计算基准水为计算基准9267-1-10s u r
19、1 0 46 703 5 1k Jk gK)2 9 8QST.(此热量引起的环境熵变为此热量引起的环境熵变为-1-12sys13404 18680 297kJ kgK)365pTScT,水ln.ln.(水在等压下冷却的熵变为水在等压下冷却的熵变为-1Lsy ssu r2 9 802 9 7 03 5 1 1 61 0k J k g)W T SS()(.).(n热力学效率（热力学效率（）l实际过程的能量利用情况可通过热力实际过程的能量利用情况可通过热力学效率加以评定学效率加以评定6.2 化工单元过程热力学分析化工单元过程热力学分析学会应用热力学理论分析化工过程影响功学会应用热力学理论分析化工过程
20、影响功损耗因素，并能提出符合实际生产的减少损耗因素，并能提出符合实际生产的减少功损耗的措施。功损耗的措施。教学目标教学目标：过程的热力学分析目的：过程的热力学分析目的：利用热力学第一、第二定律分析化工过程中利用热力学第一、第二定律分析化工过程中损耗功的大小，以提高生产过程能量的利用率。损耗功的大小，以提高生产过程能量的利用率。6.2.1 流体流动过程流体流动过程流体的流动过程流体的流动过程单纯的流体经过管道单纯的流体经过管道流体的压缩流体的压缩节流膨胀节流膨胀 由于流体流动有摩擦，包括流体的内摩擦及流体与管道、由于流体流动有摩擦，包括流体的内摩擦及流体与管道、设备的摩擦（即使流体的一部分机械能
21、耗散为热能），使功设备的摩擦（即使流体的一部分机械能耗散为热能），使功贬质，并有贬质，并有熵产生熵产生。流体流动的推动力是压力差，为不可逆过程，也有流体流动的推动力是压力差，为不可逆过程，也有熵产生熵产生。n问题的提出：问题的提出：讨论流体流动过程的功损耗应首先找出讨论流体流动过程的功损耗应首先找出熵产生与压力降熵产生与压力降之之间的关系：间的关系：P PS Sg g对于只有一股流体的敞开体系：对于只有一股流体的敞开体系：fgSSSS12 等温绝热流动：等温绝热流动：0fS0Q，0SW0H，（）SSSSg12n流体流动熵产生与压力差关系式流体流动熵产生与压力差关系式流体流动时的损耗功：流体流动
22、时的损耗功：g g0 0L LS ST TW W对于流动的封闭体系：对于流动的封闭体系：0VdPTdSdHgPPSdPTVS21即：即：dPTVdS，210PLpVWTdPT210PPVTTWLT、V可看成可看成常数常数n热力学分析热力学分析l流体压差流体压差如果降低流速，就必须加大管道和设备的直径，使设备投资费如果降低流速，就必须加大管道和设备的直径，使设备投资费用增加，因此，用增加，因此，l节流过程：节流过程：焓值不变焓值不变，0H，但局部阻力增大，阀但局部阻力增大，阀门两端的压差加大门两端的压差加大，021PPgdPTVSS，熵产生增熵产生增思考：思考：结合化原的知识考虑实际生产中如何选
23、择合适的流速？结合化原的知识考虑实际生产中如何选择合适的流速？uAm，流量流量m m 往往是生产上所需要的，不能改变往往是生产上所需要的，不能改变。又又应权衡能耗费和设备费的关系选择合适的流速。应权衡能耗费和设备费的关系选择合适的流速。210PPVTTWL22121uPPPPWL2uWLlgvv，气体节流要比液体节流的损耗功大气体节流要比液体节流的损耗功大。l流体体积流体体积VmvVWL功损耗正比于流体体积功损耗正比于流体体积TWL1l物系温度物系温度T）（LW温度温度T T低的流体损耗功大低的流体损耗功大。思考：当制冷的温度一定时，如何降低损耗功？思考：当制冷的温度一定时，如何降低损耗功？L
24、W因此，因此，化工生产中应尽量少用节流，以便减少无谓的功损耗。化工生产中应尽量少用节流，以便减少无谓的功损耗。损耗功损耗功大，并大，并熵产生随压力差的增大而增加熵产生随压力差的增大而增加，也随之增加，也随之增加，制冷过程应选择较低的流速。制冷过程应选择较低的流速。6.2.2 传热过程的热力学分析传热过程的热力学分析2LT1HT1LT2HT图示为一图示为一逆流过程的换热器逆流过程的换热器，若将其看成一控制体，没有，若将其看成一控制体，没有外功，忽略动、位能变化。由稳流体系的热力学第一定律知外功，忽略动、位能变化。由稳流体系的热力学第一定律知：损QH 若保温很好若保温很好，换热器对环境散热可忽略，
25、则：，换热器对环境散热可忽略，则：0损Q0LHHHH若将热流体看成若将热流体看成封闭的流体体系封闭的流体体系，忽略动、位能变化忽略动、位能变化，由，由热力学第一定律热力学第一定律 ：HSHHQWQH焓变等于热流体放出的热量焓变等于热流体放出的热量同理，冷流体：同理，冷流体：LLQH 焓变等于冷流体吸收的热量焓变等于冷流体吸收的热量 忽略了换热器对环境的热损失忽略了换热器对环境的热损失，则热流体放出的热量应，则热流体放出的热量应等于冷流体吸收的热量，即等于冷流体吸收的热量，即：n流体流体温度不变温度不变，若热流体入口为饱和水蒸汽，出口为，若热流体入口为饱和水蒸汽，出口为饱和水饱和水 HHHTTT
26、21即即 LLLTTT21冷流体为某蒸汽的饱和液体入口，出口为饱和蒸汽冷流体为某蒸汽的饱和液体入口，出口为饱和蒸汽，则则：热量作功能力：热量作功能力：)1(0TTQ即即高温流体的理想功高温流体的理想功：X,X Q,X,S,L,Xd/dikjjiikjjiE E E WWEt 低温流体的理想功低温流体的理想功：Q，在，在 LidHidLWWW相同时，高温流体作功能力大，因此相同时，高温流体作功能力大，因此，传热过程的损耗功：传热过程的损耗功：)1()1(00LHTTTTQ)(00HLTTTTQQTTTTTLHLH)(0HT（传热时，高低温流体温度不变传热时，高低温流体温度不变）n若流体的若流体的
27、温度为变量温度为变量（即单纯的变温过程）（即单纯的变温过程），LT、1212lnTTTTTm用用热力学平均温度代替。一般流体：热力学平均温度代替。一般流体：常数pmCQTTTTTWLmHmLmHmL)(00损Qn热力学分析：热力学分析：l由推导公式过程可知，即使换热器无散热损失，由推导公式过程可知，即使换热器无散热损失，STQ00，热量在数量上热量在数量上完全收回完全收回，即热流体放出的热全部用，即热流体放出的热全部用于冷流体的升温，仍有功损耗于冷流体的升温，仍有功损耗，)0)(LmHmTT，kW。0损Q0T，即当环境温度即当环境温度 Q，传热传热量量 LmHmTT及传热温度之积及传热温度之积
28、 LmHmLTTW1一定时，一定时，损耗功与传热温差成正比损耗功与传热温差成正比。l由于由于l由于由于 LmHmTT，当传热量当传热量 LmHmTT一定时，一定时，LW越小，越小，)(LmHmTT越大，由数学可证明。越大，由数学可证明。当当 HidLidaWW越接近于零越接近于零LW最大最大。时时，思考：思考：1.1.为了减小功损耗，换热器的冷热流体温差为了减小功损耗，换热器的冷热流体温差是否越小越好？是否越小越好？2.2.如何根据生产实际温度选择合适的流体温度差？如何根据生产实际温度选择合适的流体温度差？HidLHidWWW STHQHWid 00无温差的传热过程，若无散热损失：无温差的传热
29、过程，若无散热损失：，0QHWid但实际生产中但实际生产中均为不可逆的有温差传热均为不可逆的有温差传热：1a1150hkg，。l换热过程的热力学效率：换热过程的热力学效率：例例 6.4 某换热器有高温流体以某换热器有高温流体以,69.435.41111低和高 KkgkJKkgkJ的流量通过其中，的流量通过其中，进入时为进入时为150，离开时为，离开时为3535；低温流体进入时为；低温流体进入时为25，离开，离开时为时为110。已知高温流体和低温流体在有关温度范围的平均等。已知高温流体和低温流体在有关温度范围的平均等压热容分别为压热容分别为pmspmhCC且且1 hkg。散热损失忽略不计，试求此
30、换热器的损耗功与。散热损失忽略不计，试求此换热器的损耗功与热力学效率。已知大气温度为热力学效率。已知大气温度为25。解解计算以每小时为基准。先求出低温流体的流量计算以每小时为基准。先求出低温流体的流量m低高换HHH。根据热量衡算式，对换热器有。根据热量衡算式，对换热器有式中：式中：低HLQ和和分别为高温流体和低温流体的焓变，分别为高温流体和低温流体的焓变，2511069.41503535.4 150 m为换热器散热损失。为换热器散热损失。1229.188hkgm25110694229188.低高HH即即高H0866015575037.低低低STHWid0LQiiidxlnxRTW0167902
31、1hkJ.0361692575037.HmidTTQW01高低HQ式中式中低高ididLWWW低HQ18.4323hkJ高高高STHWid067.90215.13345423308354150298ln.1513345hkJ.高H高H15035354150.298383694229188298ln.由上面的计算式可知，由上面的计算式可知，,5.750371 hkJ,5.750371 hkJgLSTW05.1334567.9021676.0mHiiimidxlnxRTTTHW0016.2.3 分离过程的热力学分析分离过程的热力学分析 对分离过程进行热力学分析，就是讨论分离过程的最小功对分离过程进
32、行热力学分析，就是讨论分离过程的最小功（即分离的理想功）。（即分离的理想功）。将将1mol理想气体混合物分离成纯物质的理想功为：理想气体混合物分离成纯物质的理想功为：24.1 8 4 3 7 6.6 2 2 5 0.7 5 0.1 9 6 2t 高低ididaWW分离分离1kmol理想溶液的理想功为：理想溶液的理想功为：LmidTTQW01低高低ididaWW若分离的为非理想溶液，混合时热效应为若分离的为非理想溶液，混合时热效应为 96797 70380 3032557332093 1672.，则：，则：孤立孤立STWESTEWWWWsxxsidacL00 若分离的产品并不要求是纯产品，而只要
33、达到某一定的纯度若分离的产品并不要求是纯产品，而只要达到某一定的纯度或达到一定的浓度，则计算理想功可分两步进行。或达到一定的浓度，则计算理想功可分两步进行。第一步，将原溶液分离成纯组分，消耗功。第一步，将原溶液分离成纯组分，消耗功。第二步，纯组分按不同比例混合成最终产品。第二步，纯组分按不同比例混合成最终产品。两步做功之和小于分离成纯组分的功。两步做功之和小于分离成纯组分的功。6.3 有效能和无效能有效能和无效能n定义：定义：体系由所处的状态变到基本态时所提供的理想功。体系由所处的状态变到基本态时所提供的理想功。6.3.1 有效能有效能Ex定义定义物系处于某状态时所具有的最大作功能力物系处于某
34、状态时所具有的最大作功能力有效能有效能理想功理想功idxWE能级能级单位能量所含有的有效能单位能量所含有的有效能01 规定规定体系的环境体系的环境为基准态。环境是指人类活动的环境：为基准态。环境是指人类活动的环境：大气、地球、水源大气、地球、水源 变到基准态包括两个概念：变到基准态包括两个概念：（1）与基准态）与基准态完全相同完全相同。（2）与基准态达到）与基准态达到完全平衡完全平衡。l完全平衡完全平衡完全平衡完全平衡 热平衡热平衡温度相等温度相等力平衡力平衡压力相等压力相等 化学平衡化学平衡组成相等或平衡聚集状态、组成相等或平衡聚集状态、浓度达到化学平衡浓度达到化学平衡 l环境模型环境模型n
35、基准态的规定原则基准态的规定原则 我们规定我们规定环境的环境的T、P及化学组成不变化学组成不变（即恒定的），规定了（即恒定的），规定了T、P及化学组成的环境并不是自然环境，这种及化学组成的环境并不是自然环境，这种人为规定人为规定的环境即的环境即为环境模型。为环境模型。6.3.2 稳流过程有效能稳流过程有效能Ex计算计算)SS(T)HH(WEidx000lEx 的大小除了决定于体系的状态（的大小除了决定于体系的状态（T，p）之）之外，还和基态（环境）的性质有关，是外，还和基态（环境）的性质有关，是双状态双状态函数函数。l基态的有效能为零。基态的有效能为零。)SS(T)HH(Ex000系统具有系统
36、具有的能量的能量不能用于做功，不能用于做功，无效能无效能n有效能组成有效能组成机械能有效能机械能有效能xmEXmXkXpEEE热量有效能热量有效能XQE1XQTEQT物理有效能物理有效能XphE物系仅因物系仅因温度和压力温度和压力与环境的温度和压力不同所具有与环境的温度和压力不同所具有的有效能的有效能 化学有效能化学有效能XcE物系由于物系由于组成组成与环境组成不同所具有的有效能称为与环境组成不同所具有的有效能称为化学有效能化学有效能 稳定流动的流体有效能组成为：稳定流动的流体有效能组成为：XXmXQXphXcEEEEEn物理有效能的计算物理有效能的计算l系统的物理有效能是指系统系统的物理有效
37、能是指系统温度、压力温度、压力等参数不同于环等参数不同于环境而具有的有效能。化工生产中常见的境而具有的有效能。化工生产中常见的加热、冷却、压缩加热、冷却、压缩和膨胀和膨胀等过程只需考虑物理有效能。等过程只需考虑物理有效能。dpTVTdTCdSdpTVTVdTCdH)SS(T)HH(Eppppx000物理有效能的计算也可通过查阅有关热力学图表，如物理有效能的计算也可通过查阅有关热力学图表，如T-ST-S图、图、lnlnp p-H H图，或温度图，或温度-有效能图、压力有效能图、压力-有效能图等进行计算。有效能图等进行计算。例例6.5：有四种蒸汽，分别为：有四种蒸汽，分别为：1.013、6.868
38、、8.611MPa的饱和蒸汽和的饱和蒸汽和1.013MPa，573K的过热的过热蒸汽，若这四种蒸汽经充分利用后，最后排出蒸汽，若这四种蒸汽经充分利用后，最后排出0.1013MPa，298K的水。试比较它们的有效能的水。试比较它们的有效能和放出的热，并讨论蒸汽的合理利用。和放出的热，并讨论蒸汽的合理利用。l环境模型环境模型：确定环境中基准物质浓度与所处的热力学状态。确定环境中基准物质浓度与所处的热力学状态。龟山龟山-吉田模型吉田模型 1 1、环境温度与压力：、环境温度与压力：2 2、环境中状态下的物态与组成、环境中状态下的物态与组成298.15K0.101325MPaTpl按化学反应和计量比计算
39、化学有效能，类同于物理化学中按化学反应和计量比计算化学有效能，类同于物理化学中 的的 计算过程，分计算过程，分单质元素化学有效能、纯态单质元素化学有效能、纯态化合物化学有效能、及混合物的化学有效能计算化合物化学有效能、及混合物的化学有效能计算SH、n化学有效能的计算化学有效能的计算l处于环境温度和压力（处于环境温度和压力（T0、p0）下的系统，由于和环境）下的系统，由于和环境的的组成不同而发生物质交换或化学反应组成不同而发生物质交换或化学反应，达到与环境的平，达到与环境的平衡，所做出的最大功就叫做衡，所做出的最大功就叫做化学有效能。化学有效能。2N2O2H ONeHe2COAr表表6.1 龟山
40、龟山-吉田提出的大气环境模型吉田提出的大气环境模型成成 分分摩尔摩尔分数分数0.75600.20340.0312 0.0000180.00000520.00030.009122C+OCO(g)2CO(g)2221H+OH O(l)22H O(l)22331Fe+OFe O(s)4223Fe O(s)22Si+OSiO(s)2SiO(s)22Ti+OTiO(s)2TiO(s)22331Al+OAl O(s)4223Al O(s)表表6.2 某些元素的基准物、基准反应与基准物浓度某些元素的基准物、基准反应与基准物浓度元元 素素基准反应基准反应基准物基准物基准物浓度基准物浓度(摩摩尔分数尔分数)C0
41、.0003H1Fe1Si1Ti1Al1定义：热量相对于平衡环境态所具有的最大作功能力。定义：热量相对于平衡环境态所具有的最大作功能力。n热有效能的计算热有效能的计算对于恒温热源：对于恒温热源：对于变温热源：对于变温热源：为热力学平均温度为热力学平均温度 或按定义公式计算。或按定义公式计算。例6.6 某工厂有两种余热可以利用，一种是高温烟道气，主要成分是 、和 汽，流量为500 ，温度为800，其平均比等压热容为 ；另一种是低温排水，流量是1348 ，温度为80，水的平均比等压热容为 ，假设环境温度为298K。问两种余热中的有效能各为多少?2CO2N2H O-1-10.8kJ kgK-1kg h
42、-1-14.18kJ kgK-1kg h解：解：将高温烟道气视为理想气体将高温烟道气视为理想气体Xph,5-1dd10735000 810732982982981 5710(kJ h)TTppTTpcEHHT SSmcTTTTTmcTTTT,烟 道 气烟 道 气,烟 道 气,烟 道 气()()()ln.()ln.高温烟道气从高温烟道气从800800降低到环境温度降低到环境温度2525放出的热量放出的热量 5-1Q=5000 81073298=3.110(kJh)pmcTT烟道气,烟道气(-).()低温排水的有效能低温排水的有效能Xph,4-135313484 1 83532982982982
43、55 10(kJ h)pTEmcTTTT排 水,排 水()ln.()ln.低温排水从低温排水从8080降低到环境温度放出的热量降低到环境温度放出的热量 5-1Q=13484 18353298=3.110(kJh)pmcTT水,水(-).()两者余热大小相等两者余热大小相等高温烟道气有效能明显大于低温排水有效能高温烟道气有效能明显大于低温排水有效能概念：概念：给定环境下能量中不能转变为有用功的部分给定环境下能量中不能转变为有用功的部分对恒温热量对恒温热量Q QNTAQT无效能部分无效能部分 NAQ环境温度下环境温度下X p hE HH TSS ()()稳定流动过程的物系有效能稳定流动过程的物系有
44、效能NAHTSS()无效能部分无效能部分 XNEEA系统总能量等于有效能加无效能系统总能量等于有效能加无效能XNddEA 节能的正确意义在于节约有效能节能的正确意义在于节约有效能!QQQLH 6.3.3 无效能（无效能（Anery)n有效能平衡方程有效能平衡方程)(0TQTQL,0iiW 6.3.4 有效能平衡方程与有效能损失有效能平衡方程与有效能损失L,0iiW对于稳定流动可逆过程，对于稳定流动可逆过程，有效能是守恒的，有效能是守恒的 )1(0LLidTTQWL,0iiW对于稳定流动不可逆过程对于稳定流动不可逆过程 L,X,X Q,X,S,iikjjiikjjWE E E W 系统有效能减少
45、无效能增加系统有效能减少无效能增加 X,S,L,EX,X Q,X,X Q,1jjijjiikikikikEWWEEEE定义有效能效率定义有效能效率 idXWE 869469679730363283255741672.理想功理想功有效能有效能n有效能损失有效能损失有效能为非守恒量，系统有效能损失包含两部分有效能为非守恒量，系统有效能损失包含两部分内部损失：即由系统内部各种不可逆因素造成的有效能损失内部损失：即由系统内部各种不可逆因素造成的有效能损失 外部损失：即通过各种途径散失和排放到环境介质中去的外部损失：即通过各种途径散失和排放到环境介质中去的有效能损失。有效能损失。有效能损失不等于能量损失
46、有效能损失不等于能量损失能量是守恒的，通常能量损失仅指过程中某一系统的有能量是守恒的，通常能量损失仅指过程中某一系统的有效能和无效能总量损失。效能和无效能总量损失。注意注意：实际工作经常将能量概念和有效能概念等同实际工作经常将能量概念和有效能概念等同叙述，要区别对待。叙述，要区别对待。X,S,L,EX,X Q,X,X Q,1jjijjiikikikikEWWEEEEn有效能、无效能、理想功和损失功之间的关系有效能、无效能、理想功和损失功之间的关系l当稳流系统从状态当稳流系统从状态 1（T1、p1）变化到状态）变化到状态2（T2、p2）时，有效能变化时，有效能变化Ex 为：为：id,x,xxWS
47、TH)SS(T)HH(EEE01201212l有效能与损失功有效能与损失功kJ.61077216.4.1 热力学分析的三种方法热力学分析的三种方法 n能量衡算法能量衡算法 实质：实质：通过物料与能量的衡算，确定过程的进出的能量，通过物料与能量的衡算，确定过程的进出的能量，求出能量利用率。应用热力学第一定律：求出能量利用率。应用热力学第一定律：kJWS6102152.1（能量守恒）（能量守恒）6.4 化工过程热力学分析及合理用能化工过程热力学分析及合理用能 内容：内容：、物料衡算和能量衡算：一般由单体设备到整个体系。物料衡算和能量衡算：一般由单体设备到整个体系。、求总的输入的能量。求总的输入的能
48、量。、求被利用的能量。求被利用的能量。、求求 。、分析结果找到能量损失的原因。分析结果找到能量损失的原因。如果仅从能量的收益和付出的差别找节能方法，找出改进如果仅从能量的收益和付出的差别找节能方法，找出改进的途径，应用此方法较多，但此方法的的途径，应用此方法较多，但此方法的不足不足在于：在于：、热力学第一定律方程说明各种能量可以互相转化，但热力学第一定律方程说明各种能量可以互相转化，但从第一定律效率（各种系数从第一定律效率（各种系数 0T转S56lnTTmCSpms转等）上看，等）上看，、热转化为功热转化为功 是有限的。方程将热、功写在一起，并没有指出各种能量是有限的。方程将热、功写在一起，并
49、没有指出各种能量转化的方向和限度。转化的方向和限度。、能量衡算法只反映了能量数量的关系，没有反映能能量衡算法只反映了能量数量的关系，没有反映能量品位的高低。量品位的高低。、热效率热效率、制冷系数、制冷系数 转S。制热系数。制热系数 是两个不同品是两个不同品位能量之比，所以比例系数计算中不同品位能量作比较是不位能量之比，所以比例系数计算中不同品位能量作比较是不合理的。合理的。、此方法只能反映能量的损失，但不能指出能量损失此方法只能反映能量的损失，但不能指出能量损失的原因，由热力学第一定律计算结果可能造成制定出舍本的原因，由热力学第一定律计算结果可能造成制定出舍本求末的节能措施。求末的节能措施。例
50、例6.7 设有合成氨厂二段炉出口高温转化气余热利用装置，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如图所示。转化气进入废热锅炉的温度为1000，离开时为，离开时为380380。其流量为。其流量为。可以忽略降温过程压力变化。废。可以忽略降温过程压力变化。废热锅炉产生热锅炉产生4MPa、430 的过热蒸汽，蒸汽通过透平作功。离开的过热蒸汽，蒸汽通过透平作功。离开透平乏汽的压力为透平乏汽的压力为0.01235MPa，其干度为，其干度为0.9853。转化气在有关。转化气在有关温度范围的平均等压热容温度范围的平均等压热容乏汽进入冷凝器用乏汽进入冷凝器用30 的冷却
