第六章 化工过程的能量分析1

Dθ
x y z
ρ Duz ρZ τxz τ yz τzz
Dθ
x y z
粘性流体的运动微分方程 （Navier-Stokes方程）
Dux
D
X
p x
(
2ux x2
2ux y 2
2ux z 2
)
1 3
x
(
ux x
uy
y
uz z
)
Duy
D
Y
p y
(
2uy x2
2uy y2
2u y z 2
对于无内热源存在时的 稳态导热：
2t 0 （Laplace 方程）
柱坐标和球坐标系的能量方程
柱坐标： （不可压缩流体对流传热）
t
＋ur
t u r r
t
uz
t z
k
c p
1 r
r
(r
t r
)
1 r2
2t
2
2t ] z 2
球坐标：
t
＋ur
t r
u r
t
u
r sin
t
k
c p
1 r 2
D Q dxdydz k
D
2t 2t 2t x2 y2 z2
dxdydz
•
q
dxdydz
•
DQ k
D
2t 2t 2t x2 y2 z2
•
q
•
DQ
k ( 2t )
•
q
D
（二）表面应力对流体微元所做的功率
1、压力使体积发生形变：膨胀或压缩
1
Dv
ux
uy
uz
•u
v D x y z

三、能量平衡方程
 能量守恒与转换 一切物质都具有能量，能量是物质固有的特性。 能量可分为两大类，一类是系统蓄积的能量，如
动能、势能和热力学能，它们都是系统状态的函 数。另一类是过程中系统和环境传递的能量，常 见有功和热量，它们不是状态函数，而与过程有 关。 热量是因为温度差别引起的能量传递，做功是由 势差引起的能量传递。因此，热和功是两种本质 不同且与过程传递方式有关的能量形式。
二、热力学第一定律
孤立系统热力学第一定律  孤立系统无论经历何种变化，其能量守恒。孤立系
统中各种能量的形式可以相互转化，但能量不会凭 空产生，也不会自行消灭，能量在各种形式之间进 行转化时，总的能量数值保持不变。
二、热力学第一定律
封闭系统的热力学第一定律
封闭系统是指那些与环境之间只有能量交换而无物质 交换的系统。没有物质交换表示与物质交换相关的动 能和势能的变化项为零，于是封闭系统的热力学第一 定律可表示为
四、稳流系统的热力学第一定律及其应用
 在截面1 至2 之间的任何一点处的流体，既受到它上游 流体的推动，也同时推动下游流体，做功数值一致，但 是方向相反，因此相互抵消，流动净功为零。
 H =U +pV
∴
四、稳流系统的热力学第一定律及其应用
 讨论：  (1) 流体流经换热器、反应器等传质设备
单位质量的流体带入、带出能量的形式为动能 (u2/2)，势能(gZ)和热力学能(U)。
E1

U1

1 2
u12

gz1
E2
U2

1 2
u22

gz2
6.1.2 能量平衡方程
 系统与环境交换功W，实际上由两部分组成。一

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

化工过程能量分析引言化工过程能量分析是一种重要的工程分析方法，用于评估化工过程中能量的转化和利用情况。

能量是化工过程中最基础的要素之一，对于化工产品的生产、能源消耗和环境影响起着至关重要的作用。

通过对化工过程的能量分析，可以优化能源利用，减少能源消耗，提高化工工艺的可持续性和经济性。

能量分析的基本原理能量分析基于能量守恒定律，认为能量是不可创造也不可消灭的，只能从一种形式转化为另一种形式。

在化工过程中，能量可以以多种形式存在，如热能、电能、机械能等。

能量分析的基本原理是追踪能量在化工过程中的流动和转化，以确定能量的输入、输出和损失。

能量分析的步骤1.确定能量流的路径：首先需要识别化工过程中能量流的路径，包括原料输入、能量转化和产物输出过程。

通过图表或流程图的形式清晰地表示能量流动的路径。

2.测量和计算能量输入和输出：对于能量流经过的每个环节，需要进行能量输入和输出的测量和计算。

常用的测量工具包括温度计、流量计、压力计等。

通过对能量输入和输出的测量和计算，可以得到能量平衡。

3.确定能量损失和效率：计算能量损失和能量转化的效率是能量分析的重要步骤。

能量损失的原因可以包括传热过程中的热损失、能量转化过程中的不完全转化等。

通过计算能量损失和效率，可以评估化工过程的能量利用情况。

4.优化能量利用：根据能量分析的结果，可以制定相应的措施来优化能量利用。

例如，通过改进设备设计、调整操作条件或采用新的能量转化技术来提高能量利用效率。

实例分析：乙烯生产过程的能量分析以乙烯生产过程为例，对其能量分析进行具体实例分析。

1.能量流路径：乙烯生产过程包括原料输入、反应转化和产物输出三个主要环节。

原料输入包括乙烷和空气，反应转化包括乙烷裂解生成乙烯，产物输出为乙烯。

2.能量输入和输出的测量和计算：通过测量乙烯生产过程中原料和产物的温度、流量和压力等参数，可以计算能量输入和输出。

如乙烷的燃烧产生的热量为能量输入，乙烯产物的冷却散热为能量输出。