第五章 化工过程的能量分析-y

Chapter 5 化工过程能量分析
Energy Analysis for Chemical Engineering Process
体系的分类：
封闭体系(closed system)：与环境没有物质交换。 体系 敞开体系(open system)：与环境有质量交换。 简单体系（simple system)：体系内部没有任何绝热 (adiabatic)、刚性(rigid)、不渗透(impermeable)的界 面(boundary)，而且不受外部和内部力场的作用。 复杂体系(composite system)：体系由两个或两个以 上的简单体系构成，如半渗透膜海水淡化体系；或 者体系处于外部或内部力场中，如磁场、电场等。 简单体系是最常见的一种体系。对于简单体系，体系的 能量等于其内能，即 E = U。
W s [( pV )m W ]
d ( mU ) dt
W s [(U 1 u2 gz )m Q ] [( pV )m ] 2
W s [(U pV 1 u2 gz )m Q ] 2
因为 H = U + pV，得到
d ( mU ) dt
2 W s [( H 1 u gz ) m ] Q 2
3rd Step: 分析热力学第一定律中的各个项 In this problem, the heat rate is zero because a power outage occurs and heat losses from the tank are negligible. The work rate is also zero since there is no mechanical equipment in the process. The mass in the tank and the mass flowrate are constant. Moreover, if the differences between inlet and outlet kinetic and potential energies can be neglected, the equation of 1st law is simplified as the following form: dU m m ( H H1 ) 0 dt where U and H refer to the internal energy and enthalpy of the water in the tank; H1 is the enthalpy of the cold water entering the tank.

mA和mB分别为流体A和流体B 的质量流量
管路和流体输送
稳态流动模型通常 是一个不错的近似 通过泵得到轴功 位能变化
泵
水
管路和流体输送
u H gz Q W s 2
2
是否存在轴功?
是否和环境交换热量? 位能是否变化? 动能是否变化?
有时存在
通常是 有时变化 通常不变化
Bernoulli 方程
• 第一定律没有说明过程发生的方向，它告诉我们 能量必须守衡。 • 第二定律告诉我们过程发生的方向。
热功之间的转换：功可以全部转变为热，而 热要全部转变为功必须消耗外部的能量。热 和功是不等价的。
热机的热效率
高温热源 TH
W Q1 Q2 Q1 Q1
火力发电厂的热效率大 约为40%
热机
低温热源 TL
卡诺循环
卡诺热机：整个循环为四个步骤：压缩、吸热、膨胀、放热。 整个卡诺循环由两个等温过程和两个等熵过程组成，而且每 一过程均为可逆。 2
T
QH
锅 炉
透 平 3
W S ,Tur
TH TL
1 4
2 3
W S , Pump
1 水泵
冷凝器 4
QL
S T—S图上的卡诺循环
卡诺循环装置图
Carnot定理：所有工作于等温热源和等温冷源之间的热机， 可逆机的效率最大；所有工作于等温热源和等温冷源之间的 可逆机其效率相等，与工作介质无关。卡诺热机的效率：
Wid U T0 S p0 V
可见，非流动过程的理想功仅与体系变化前后的状态及 环境温度T0和压力p0有关，而与具体的变化途径无关。 理想功和可逆功不同：理想功是可逆的有用功，但并 不等于可逆功的全部。

能量集成与管理(热交换网络)
热交换网络的提出 一个化工生产过程的流程中，经常需要加热或冷却许多流股，用热水、蒸汽加热或用冷却水、冷冻液冷却。这种设计虽简单，设备投资费较少，但热力学效率常常是很低，能耗较 大，显然是不经济。 在流程内部用需要被冷却的较高温的流股来加热需要热量的低温的流股，可以实现能量的有效利用，从而节约了能量源，降低成本。
二、基本概念及热交换系统表示方法
换热网络的名词 热流：热交换网络内，那些需要由起始温度冷却到目标温度的流股。 冷流：热交换网络内，那些需要由起始温度被加热到目 标温度的流股。
在流程内建立热交换网络的根本目的：
减少流程对外界热源和冷源的需求，尽量使用流程内部的冷热流股互相搭配，以达到节约能源的目的。
热容流率的可行性原则
窄点处传热的温差最小为 △Tm,离开窄点处的传热温差应大于等于△Tm，即△T>△Tmin 因此，每个窄点匹配的流股热容流率应满足 窄点以上 CP热 < CP冷 窄点以下 CP热 > CP冷 同样上两式，可以合并成为一式，即窄点同一侧应满足 CP出 > CP入
3理想功、损失功和热力学效率
理想功是指系统在一定的环境下，沿着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或必须消耗的最小有用功。 开系稳流过程的理想功计算式： Wid = ΔH - T0ΔS 损失功是由于过程的不可逆是系统产生熵而引起的作功能力的损失，不可逆过程的损失功计算式： WL = T0 ( ΔSsys + ΔSsur ) = T0ΔSt = T0ΔSg 损失功WL反映了实际过程的不可逆程度。
总流股数可行性原则 窄点以上流股数应满足 N热 < N 冷 窄点以上流股数应满足 N热 > N 冷 式中 N热 ------- 热流股数 N冷 ------- 冷流股数 根据前面的热交换网络的表示法，对于窄点来说，窄点以上热流股是流入的，冷流股是流出的。同样，窄点以下热流股是流出的，冷流股是流入的。所以上式可以合并用一个式子来表示，即在窄点的同一侧流股数必须满足： N流出 > N流入

化工热力学第五章化工过程的能量分析化工过程的能量分析是对能量转化和能量平衡进行分析和计算的过程。

它旨在确定化工过程中的能量输入和输出，以及能量转化的效率。

能量分析的基本原理是能量守恒定律，即能量既不能被创造也不能被消灭，只能发生转化和传递。

在化工过程中，能量转化主要包括热能和工作能的转化。

对于化工过程的能量分析，首先需要确定系统的边界。

系统是指需要进行能量分析的化工过程的范围。

系统可以是一个反应器、一个加热器、一个蒸馏塔等。

接下来，需要确定系统的输入和输出。

输入和输出包括能量流和物质流。

能量流一般包括热能和工作能的流入和流出，物质流一般包括物质的流入和流出，以及化学反应中物质的转化。

在能量分析中，热能是一个重要的能量形式。

对于热能的分析，常常需要考虑热能的传递方式，如传导、对流和辐射。

传导是通过直接接触传递热能，对流是通过流体介质传递热能，辐射是通过辐射传递热能。

根据能量守恒定律，系统的输入和输出之间的热能的变化可以表达为：Σ(Qin) - Σ(Qout) = Σ(Win) + Σ(Wout) ± ΔE其中，Qin和Qout分别表示进入和离开系统的热能，Win和Wout分别表示进入和离开系统的工作能，ΔE表示系统内部的能量变化。

除了热能外，化工过程中还常常涉及到压力能和位能的转化。

压力能是由于流体在系统中的压力而具有的能量，位能是由于物体在重力场中的高度而具有的能量。

在能量分析中，压力能和位能的转化也需要考虑。

能量分析的另一个重要方面是能量的有效利用。

对于化工过程来说，能量转化的效率直接影响着能源的消耗和产品的质量。

提高能量的利用效率是化工工程师的重要目标之一、为了提高能量的利用效率，可以采取一系列的措施，例如优化化工过程的操作参数，改进传热设备的设计和选型，提高能源的回收利用等。

同时，还可以利用先进的能源技术，如余热利用技术、低温热能利用技术等。

总之，化工过程的能量分析是研究化工过程能量转化和能量平衡的重要方法。