化工过程的能量分析概论

例题
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5.1 能量平衡方程
5.1.1 能量守恒与转化
能量守恒与转化定律：自然界的一切物质都 具有能量，能量有各种不同的形式，可以从一种形 式转化为另一种形式，但总能量是守恒的。
能量数量守恒
例题
体系性质
研究的对象 体系 体系变化
状态函数 H、U、S、G、F
过程 过程函数 Q、W
5.1.1
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4
化工过程中，尤其是包含有强烈的放热或吸热 反应的过程，存在大量的能量传递。
能量传递的形式：热和功。
例题
通过体系的边界，体系与体系（或体系与环境） 之间由于温差而传递的能量叫做热。
由于存在温差以外的其它势差而引起体系与环 境之间传递的能量叫做功。
5.1.1
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5
热和功不是状态函数，热和功是能量的传递形 式。它们的值与过程进行的途径和方式有关。不同 的途径传递的热和功是不同的。
热和功只有当体系由于过程的进行而发生变化 时才出现。它们只有在过程发生时才有意义。
热和功都是被传递的能量，当能量以热的形式 传入体系后，不是以热的形式储存，而是增加了该 体系的内能。
U

1 2
u2

gZ
1m1

U

1 2
u2

gZ

2
m2
5.1.2
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15
d mE
体系

Q
Ws

U

pV

1 2

H 0 = C pT0
U 终＝CV T
∴
CV T = C pT0
Cp CV T0
故 T=
能平式： 或
U终=H0
U终=H终－pV=H终-RT
H终－ H0 = RT
∴ H终－ RT =H0
Cp(T －T0) = RT
故
T= Cp Cp − R T0 = Cp CV
T0
2．一台压缩机在大气压力及21℃的情况下吸入 CO2 ，其流率为28m3/h，出口条件为7.82atm 及29℃。压缩机用水在夹套里冷却以除去热, 记下定量的水的温度升高而算得水除去的热 为 1890kcal/h ， 驱 动 压 缩 机 的 马 达 耗 电 2.8kW，试决定马达的效率。 (CP) CO2＝9.3 cal/mol.℃
3.解：选透平及其内容物为体系，即稳流体系， 忽略动、位能的变化，其能平式为
ΔH = Q + W s
查教材的表 H1=3152.6kJ/kg H2=2804.4kJ/kg H3=H4=2706.4kJ/kg
查水蒸气表，知： 34 atm，370oC 蒸汽的焓H1=753.1kcal/kg 物流2在13.6 atm，200oC 的焓H2=669.8kcal/kg 物流3为7atm的气液混合物，其焓等于节流后物流4 的焓。 以节流阀为体系，则
∴ W s = ΔH − Q = 86.38 − ( −1890) ∴ 马达效率
= 1976.38 kcal/h = 2.298 kW
2.298 η= = 82% 2.8
3．质量流率为450kg/h的高压水蒸气在起始条件为 34atm和370℃的情况下进入透平膨胀机而对外作 功。两股排出蒸汽如图所示。物流2的条件为 13.6atm和200℃，流率为入口蒸汽的1/3，物流3已 知为7atm的饱和汽液混合物，物流3的一小部分经 过一个节流阀膨胀至1atm，膨胀后的温度为115℃。 如果压缩机得到的功率为34.647×103kcal/h，试计 算透平的热损失。

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

2. 稳定稳流定动流化动学化反应学过反程应的过理程想理功想功的计算
某化学反应，理想功为正，向外供能；理想功 为负值，耗能。
标 准 终 态 下 理 想 功 计 算式
Wid H T0S
H 为 标 准 反 应 热
H＝
p
H
f
p
R
H
f
R
p
R
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标 准 状 态 下 化 学 反 应 的熵 变
2023/11/2
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。
2023/11/2
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。
S
p
S
p
R
S
R
p
R
标 准 状 态 下 ， 恒 温T0
G H T0S
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Wid H T0S G
Wid G
R
Gf
R
p Gf p
R
p
3. 不可逆过2程、的不损可耗逆功过程的损耗功WL
WL Wid Ws 恒质量流体为计算基准
Wid T0Ssys hsys Ws Q hsys Wid Ws T0Ssys Q
6.2 化工单元过程的热力学分析
传热过程 流体流动过程 分离过程 化学反应过程
2023/11/2
1. 传热过程的不可逆损耗功来自热的温差。
换 热 器 高 温 流 体 给 出QH， 低 温 时 得 到QL , 且 QH QL Q 则传热过程的热损耗为