C6化工过程的能量分析之有效能分析

1、化工热力学第六章 化工过程热力学分析第五节第五节65 热力学分析的三种方法热力学分析的三种方法定义：体系在定义：体系在一定状态一定状态下具有的下具有的做功能力做功能力，它的大小等于该状态，它的大小等于该状态可逆变化可逆变化到到与环境处于热力学平衡与环境处于热力学平衡的的基准态基准态的的理想功理想功。一、一、 （ ）与与 （ ） XENA（I）、）、 （有效能或可用能）（有效能或可用能） XESTHWid0)()(12012SSTHH当体系由任意状态（当体系由任意状态（P、T）变到基准态）变到基准态 0P0T、（ ）时，其理时，其理想功的想功的负值负值即即 ，可写成：可写成： idxWSSTHH

2、E)()(000为了表达体系处于某状态的作功能力，必须确定基准态，为了表达体系处于某状态的作功能力，必须确定基准态，并定义在基准态下体系作功能力为零，并定义在基准态下体系作功能力为零， 0 xE化工热力学第六章 化工过程热力学分析第五节第五节任何一个与环境处于热力学平衡的系统状态称为任何一个与环境处于热力学平衡的系统状态称为基准态基准态。热力学平衡包括热力学平衡包括不完全热力学平衡不完全热力学平衡完全热力学平衡完全热力学平衡与环境成热平衡和压力平衡而未达到化学平衡与环境成热平衡和压力平衡而未达到化学平衡体系和环境具有物理界限分隔，两者相互不混和，也不发生化体系和环境具有物理界限分隔，两者相互不

3、混和，也不发生化学反应，但体系的温度和压力与环境的温度和压力相等。学反应，但体系的温度和压力与环境的温度和压力相等。不完全基准态不完全基准态物理物理与环境成热平衡、压力平衡、化学平衡与环境成热平衡、压力平衡、化学平衡(相平衡）相平衡）完全基准态完全基准态不完全基准态不完全基准态完全基准态完全基准态化学化学通常，体系由不完全基准态到达完全基准，通常，体系由不完全基准态到达完全基准，须经化学反应与物理扩散两个过程。须经化学反应与物理扩散两个过程。化工热力学第六章 化工过程热力学分析第五节第五节2、 的组成（有四个主要组成部分）的组成（有四个主要组成部分） 1）、）、动能动能 能能100%的转化为功

4、。的转化为功。 XKE2XK21Eu2）、）、位能位能 XPE也能也能100%转化为功。转化为功。 hgEXP3）、）、物理物理 XPhE能部分的转化为功。能部分的转化为功。 4）、）、化学化学 XCE能部分的转化为功。能部分的转化为功。 XCXPhXPXKXEEEEE对于稳定流动过程，流体的对于稳定流动过程，流体的 由以上四个由以上四个 成分构成：成分构成： 化工热力学第六章 化工过程热力学分析第五节第五节3、物理物理 的计算：的计算： )()(12012SSTHHWid从某状态变到终态，当终态为环境状态（基准态）时，则：从某状态变到终态，当终态为环境状态（基准态）时，则： )()()(00

5、000SSHHSSTHHEXPhH、S 是流体处于某状态的焓和熵是流体处于某状态的焓和熵 这是有效能的基本计算公式，它适用于各种物理的、化学的这是有效能的基本计算公式，它适用于各种物理的、化学的或两者兼而有之的有效能计算。或两者兼而有之的有效能计算。化工热力学第六章 化工过程热力学分析第五节第五节4、 与理想功：与理想功： 区别：区别： 可看作理想功的特例。可看作理想功的特例。的终态是基准态的终态是基准态 理想功理想功的的终态不确定终态不确定 理想功理想功是对两个状态而言，是对两个状态而言，可正可负，可正可负，而而 是对某一状态而言，与环境有关，是对某一状态而言，与环境有关，只为正值。只为正值

6、。联系：联系：某物系处于状态某物系处于状态1和状态和状态2的物理的物理 分别为：分别为：)()(100101SSTHHEX)()(200202SSTHHEX当体系从状态当体系从状态1变到状态变到状态2时，时，)()()()(1001020020SSTHHSSTHH)()(12012SSTHH12XXXEEEidWXidEW化工热力学第六章 化工过程热力学分析第五节第五节P,MPaT,0CH(KJ/Kg )S(KJ/Kg.K )Wid(KJ/Kg)Ex(KJ/Kg)蒸汽蒸汽7.002852772.15.8133-1044.31044.3蒸汽蒸汽1.0179.92778.16.5865-819.9

7、819.90.1013MPa 25(水水) H0=104.89S0=0.36740例例 有一股压力分别是有一股压力分别是7.0MPa和和1.0MPa蒸汽用于作功，经稳流过蒸汽用于作功，经稳流过程均变成程均变成0.1013MPa，250C的水的水，求，求Wid和和Ex(T0=298K).STHWid 0 解解：理理想想功功）（）（12012SSTHH ）（）（HHSSTEx 000化工热力学第六章 化工过程热力学分析第五节第五节5 热量热量 的计算：的计算： 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。XQEHXQTTQE01恒温变温mHXQT

8、TQE01 由卡诺热机效率由卡诺热机效率x,0QSHkHHHEWTTQQT热物体热物体P，T自然环境自然环境P0,T0Q0EWsQH化工热力学第六章 化工过程热力学分析第五节第五节例例 试计算以下三种状态下稳流过程水蒸气的试计算以下三种状态下稳流过程水蒸气的 ，设，设环境温度环境温度 为为25。0TMPaPCt10.005.0010.00500500400解解一般以一般以25 、0.10133MPa（1atm）液态水为基准态，但）液态水为基准态，但是为了查水蒸气表方便起见，亦可取是为了查水蒸气表方便起见，亦可取25 、3.169kPa（饱和蒸汽（饱和蒸汽压）为基准，本例取后者。压）为基准，本例

9、取后者。化工热力学第六章 化工过程热力学分析第五节第五节查附表查附表3，按式（，按式（627）分别求出上述三种状态的焓、熵与）分别求出上述三种状态的焓、熵与之值并列于下表：之值并列于下表：MPaPCt)(1kgkJh)(11KkgkJS)(1kgkJEXPh310169. 310.005.0010.0025500500400104.893373.73433.83096.40.36746.59666.98596.212001412.521359.591249.83化工热力学第六章 化工过程热力学分析第五节第五节例：设有压力为例：设有压力为1.013、 6.868、 8.611MPa的的饱和蒸饱和

10、蒸汽汽和和1.013MPa， 573K的的过热蒸汽过热蒸汽，若这四种蒸汽，若这四种蒸汽经充分利用后，最后排出经充分利用后，最后排出0.1013MPa， 298K的的水水。试比较它们的试比较它们的 火用火用和放出的热，并讨论蒸汽的合和放出的热，并讨论蒸汽的合理利用。理利用。 化工热力学第六章 化工过程热力学分析第五节第五节P,MPaT,KS(KJ/Kg.K )H(KJ/Kg )H0-H(KJ/Kg )EX(KJ/Kg)EX/( H-H0)水水0.10132980.3674104.8900饱和蒸饱和蒸汽汽1.0134536.5822772.1267181430.66过热蒸过热蒸汽汽1.013573

11、7.133053294893431.68饱和蒸饱和蒸汽汽6.868557.25.82627752670104339.06饱和蒸饱和蒸汽汽8.6115735.78727832678109240.78）（）（解解：HHSSTEx 000化工热力学第六章 化工过程热力学分析第五节第五节分析分析：1）压力相同压力相同（1.013MPa ），过热蒸汽过热蒸汽的火用比的火用比饱和蒸汽饱和蒸汽大，大，所以其做功本领也大。所以其做功本领也大。2）温度相同温度相同（573K）高压蒸汽高压蒸汽的的作功作功本领比本领比低压蒸汽低压蒸汽强。强。3）温度相同温度相同（573K）高压蒸汽的）高压蒸汽的加热能力加热能力比低

12、压蒸汽弱，因比低压蒸汽弱，因此用低压蒸汽作为工艺加热最恰当，并可减少设备费用。此用低压蒸汽作为工艺加热最恰当，并可减少设备费用。 4）放出的热相同放出的热相同（557.5K和和453K的饱和蒸汽），的饱和蒸汽），高温高压高温高压蒸蒸汽的火用比汽的火用比低温低压低温低压蒸汽的高蒸汽的高28.13%。结论结论：1）一般供热用）一般供热用0.51.0MPa（1501800C）的饱和蒸汽。）的饱和蒸汽。2）高压蒸汽（高压蒸汽（10MPa）用来做功。温度在）用来做功。温度在3500C以上的高温热以上的高温热能（如烟道气），用来产生高压蒸汽，以获得动力能源。能（如烟道气），用来产生高压蒸汽，以获得动力能源

13、。化工热力学第六章 化工过程热力学分析第五节第五节6、化学化学 的计算：的计算： 000SSTHHEXC（A）波兰学者斯蔡古特模型：一般规定环境温度T0、环境压力P0以及基准物的种类、状态和组成。化工热力学第六章 化工过程热力学分析第五节第五节（B） 日本学者龟山吉田模型: 其他元素以T0、P0下最稳定的化合物作为该元素的基准物，液体、固体的基准物浓度（摩尔分数）规定为1。化工热力学第六章 化工过程热力学分析第五节第五节化工热力学第六章 化工过程热力学分析第五节第五节化合物的标准摩尔化学 应是组成化合物的单质标准摩尔化学 之和减去生成反应过程的理想功。)15.298/0,TEEXCXC（元素元

14、素倘若环境温度不为298.15K，则元素的化学应引入温度修正系数(此值已列于附表5中）ifjjXCjidjXCjjiXCGEWEE00,0,0,化工热力学第六章 化工过程热力学分析第五节第五节iiiiXCiimXCyyRTEyEln00,0,液体混合物:理想溶液iiiiXCiimXCxxRTExEln00,0,非理想溶液iiiiiXCiimXCxxRTExEln00,0,理想气体混合物：化工热力学第六章 化工过程热力学分析第五节第五节7、 一切生产实际过程都是不可逆过程一切生产实际过程都是不可逆过程, ,在不可逆过程在不可逆过程中存在各种不可逆因素中存在各种不可逆因素, ,例如各种传递过程和反

15、应过程例如各种传递过程和反应过程都存在着阻力都存在着阻力, ,如流体阻力、热阻、扩散阻力和化学反如流体阻力、热阻、扩散阻力和化学反应阻力等。要使过程以一定的速度进行，就必须克服阻应阻力等。要使过程以一定的速度进行，就必须克服阻力，保持一定的推动力，必然会造成体系力，保持一定的推动力，必然会造成体系 的损失。的损失。 NA在不可逆过程中，有部分在不可逆过程中，有部分 降级而不能变为有用功，这降级而不能变为有用功，这部分称为部分称为无效能或无效能或化工热力学第六章 化工过程热力学分析第五节第五节恒温热源热量恒温热源热量 ： TTQQTTQEXQ001Q为总能量，为总能量， TTQ0为热量为热量 ，

16、即：，即： NQXQAEQ对于稳流过程：对于稳流过程： )()(000SSTHHEX)(000SSTHH式中总能量为式中总能量为H，后一项为，后一项为 ，当取，当取 00H时，时， 为：为：)(00SST 总之，能量可分为总之，能量可分为 和和 两部分，其中两部分，其中 是高级能量，是是高级能量，是有用部分，可将其转化为有用功，但要付出一定代价；而有用部分，可将其转化为有用功，但要付出一定代价；而 是是僵态能量，不能转化为有用功，节能的正确含义就是节僵态能量，不能转化为有用功，节能的正确含义就是节 。化工热力学第六章 化工过程热力学分析第五节第五节LacidxxxWWWEEE 环总体系acxE

17、W 环境对环境而言，功的符号与体系相反。对环境而言，功的符号与体系相反。定义环境定义环境 的增加等于体系对环境所作的实际功，因此的增加等于体系对环境所作的实际功，因此即总的即总的 的损失（体系的损失（体系+环境）就等于损失功环境）就等于损失功T0Sg ，0LxWETS 总总总的变化0NA0NXAE总实际过程中实际过程中(不可逆过程）总能量守恒，但有效能降低，无效能增加不可逆过程）总能量守恒，但有效能降低，无效能增加化工热力学第六章 化工过程热力学分析第五节第五节根据能量守恒，根据能量守恒， 的减少量应等于的减少量应等于 的增加量，的增加量， NXAENA即为损耗功。即为损耗功。 因此，对因此，

18、对 转化为转化为 的量可以表示能量贬质的程度。的量可以表示能量贬质的程度。用用 和和 的转化表述第二定律为：的转化表述第二定律为： 1）、）、在一切不可逆过程中，在一切不可逆过程中， 转化为转化为 。3）、）、由由 转化为转化为 是不可能的。是不可能的。2）、）、只有可逆过程，只有可逆过程， 才守恒。才守恒。化工热力学第六章 化工过程热力学分析第五节第五节传热过程传热过程传热过程在实际当中我们是经常碰到的，当两种温传热过程在实际当中我们是经常碰到的，当两种温度不同的物质接触时，热量就会从高温物体向低温度不同的物质接触时，热量就会从高温物体向低温物体传递，传热过程中有效能的损失是存在的，它物体传

19、递，传热过程中有效能的损失是存在的，它是由于存在温差而造成的。是由于存在温差而造成的。低温物体吸收的热量的有效能为：低温物体吸收的热量的有效能为：高温物体放出的热量的有效能为：高温物体放出的热量的有效能为：01xQ,HHTEQT（）（）01xQ,LLTEQT （）化工热力学第六章 化工过程热力学分析第五节第五节有效能损失为有效能损失为00011LxQ,HxQ,LHLHLHLEEETTQQTTTTQT ()T T （）（）（）（）由此可以看出：传热由此可以看出：传热过程有效能损失是存过程有效能损失是存在的，在的，温差越大，则温差越大，则有效能损失越大有效能损失越大。欲。欲使有效能损失减少，使有效

20、能损失减少，需减小温差，因此，需减小温差，因此，实际工业生产中，在实际工业生产中，在满足工艺条件下，要满足工艺条件下，要尽量减小温差。尽量减小温差。化工热力学第六章 化工过程热力学分析第五节第五节稳流体系稳流体系dPTVdSgsWQuZgH 22 u20，g Z0，Q=0；Ws=00dHTdSVdP 对于管道流动，一般情况下，无热交换无轴功对于管道流动，一般情况下，无热交换无轴功H= 0结论：结论：ELdP压力降压力降稳流过程的有效能损失是由于阻力引起的稳流过程的有效能损失是由于阻力引起的dPTVTdSTdEgL00化工热力学第六章 化工过程热力学分析第五节第五节（1）能量损失）能量损失损失损

21、失2、两种效率、两种效率 第一定律效率和第二定律效率。第一定律效率和第二定律效率。 效率：效率： 消耗量收益量（1）、）、第一定律效率第一定律效率 以热力学第一定律为基础，用于确定过程总能量的利用率。以热力学第一定律为基础，用于确定过程总能量的利用率。 定义：定义： 实际期望所消耗的能量过程所期望的能量ANEE（2）外部损失：体系向环境排出的能量中所包含的外部损失：体系向环境排出的能量中所包含的 损失。损失。 内部损失：由体系内部各种不可逆因素造成的内部损失：由体系内部各种不可逆因素造成的 损失。损失。 二、两种损失和两种效率二、两种损失和两种效率1、两种损失：、两种损失：化工热力学第六章 化

22、工过程热力学分析第五节第五节NEAE可以是能量，能量差或能流。可以是能量，能量差或能流。 、第一定律效率在不同的过程中，形式不同。第一定律效率在不同的过程中，形式不同。a、用于蒸汽动力循环，收益是得到的轴功，消耗的是热量，用于蒸汽动力循环，收益是得到的轴功，消耗的是热量， 比例系数是比例系数是热效率热效率：QWSTb、用于蒸汽压缩制冷上，系数为用于蒸汽压缩制冷上，系数为制冷系数制冷系数： SLWQc、用于吸收式制冷循环，系数为用于吸收式制冷循环，系数为热力系数热力系数： HLQQd、用于热泵，系数为用于热泵，系数为制热系数制热系数： SHWQe、传热过程：热效率：传热过程：热效率： HHHLQ

23、QQQQ损失化工热力学第六章 化工过程热力学分析第五节第五节优点：优点：简单。简单。缺点：缺点： 它只反映过程所需要的能量它只反映过程所需要的能量 AE的数量上的利用情况，却的数量上的利用情况，却不反映不同质的能量的利用情况，即没有反映不反映不同质的能量的利用情况，即没有反映 的利用情况。的利用情况。它不能作为衡量过程热力学完善性的指标。它不能作为衡量过程热力学完善性的指标。如如 ：传热过程：热效率：传热过程：热效率： HHHLQQQQQ损失仅决定于仅决定于 损失Q，若，若 0损失Q1，很显然，没有计入，很显然，没有计入传热过程不可逆因素即传热温差造成的传热过程不可逆因素即传热温差造成的 损失

24、，损失， 化工热力学第六章 化工过程热力学分析第五节第五节（2）、）、第二定律效率第二定律效率 以第一、第二定律为基础，用于确定过程以第一、第二定律为基础，用于确定过程 的利用率。的利用率。 定义：定义： 实现期望所消耗的功过程期望的XAXNEE式中，式中， XNEXAE可以是火用，也可以是可以是火用，也可以是 差或差或 流。流。 、定义：输出的定义：输出的 与输入的与输入的 之比之比 XinXoutEEE1）、）、普遍普遍 效率效率包括物流包括物流 、热流热流 、功流、功流 式中：式中： XoutE输出的总的输出的总的 量量 XinE输入的总的输入的总的 量量 化工热力学第六章 化工过程热力

25、学分析第五节第五节outXwXQXiXoutEEEEinXwXQXiXinEEEE衡衡算算XQEXiEXQEXiEXwEXwENA显然：显然：NoutXwXQXiinXwXQXiAEEEEEE要求普遍要求普遍 效率，必须对进入体系的效率，必须对进入体系的 进行进行 衡算。衡算。化工热力学第六章 化工过程热力学分析第五节第五节当当 0NA1E即无即无 损失损失，0NA1E有有 损失损失 当当 ，（2）、）、热力学效率：热力学效率：产功：产功： idSaWW耗功：耗功： SidaWW传热：传热： 高低ididaWWTTQEXQ01高低XXEE化工热力学第六章 化工过程热力学分析第五节第五节所以，上

26、式写成：所以，上式写成：HLaTTQTTQ0011高低HLITTTT0011由此可见：由此可见： HT与与LT相差越大，则相差越大，则a越小，越小， 的利用率低。的利用率低。 完善性的量度。完善性的量度。因此，第二定律效率反映了因此，第二定律效率反映了 的利用率。是衡量过程热力学的利用率。是衡量过程热力学LXoutXinWEEXinLXinEEWE对于可逆过程：对于可逆过程： 0LW，则，则 1E； 不可逆过程：不可逆过程： 0LW1E，。 化工热力学第六章 化工过程热力学分析第五节第五节三、热力学分析的基本方法汇总：三、热力学分析的基本方法汇总： 1、能量衡算法：、能量衡算法： 实质：实质：

27、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： SKPWQEEH（能量守恒）（能量守恒） 化工热力学第六章 化工过程热力学分析第五节第五节 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。求总的输入的能量。 、求被利用的能量。求被利用的能量。 、求求 。I、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

28、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 T等）上看，等）上看， 、 、热转化为功热转化为功 化工热力学第六章 化工过程热力学分析第五节第五节是有限的。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。

29、 、热效率热效率 T、制冷系数、制冷系数 。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。 化工热力学第六章 化工过程热力学分析第五节第五节 2、熵分析法：、熵分析法： 实质：实质：通过求熵产生：通过求熵产生： gLgSTWS0求损耗功。确定。确定内容：内容

30、： 、物料和能量衡算。物料和能量衡算。 损失和热力学效率。损失和热力学效率。 、对整个体系求理想功，熵产生及损耗功。对整个体系求理想功，熵产生及损耗功。 节能的部位），计算热力学效率。节能的部位），计算热力学效率。 、分别计算每台设备的理想功分别计算每台设备的理想功 idWgS及及 LW、（以便找到（以便找到、分析计算结果，找出损耗功的最大部位，造成损耗分析计算结果，找出损耗功的最大部位，造成损耗 功大的原因，确定改进方向。功大的原因，确定改进方向。 化工热力学第六章 化工过程热力学分析第五节第五节优点：优点：可以指出：可以指出： gS大的地方能量消耗多，需要改进的是大的地方能量消耗多，需要改

31、进的是 gS大的部位。大的部位。 缺点：缺点：能量有高、低、僵态能量之分，即能量有高、低、僵态能量之分，即不同，但究竟哪不同，但究竟哪种是有效的能量，有多大，此方法不能具体指出。种是有效的能量，有多大，此方法不能具体指出。3、 分析法：分析法： 内容：内容： 、选择计算基准，选择计算基准， 确定体系输入和输出确定体系输入和输出物流量物流量物料衡算物料衡算热流量热流量功流量功流量能量衡算能量衡算实质：实质：通过通过 衡算方程求衡算方程求 损失（损耗功）损失（损耗功）化工热力学第六章 化工过程热力学分析第五节第五节、确定体系由各状态点的参数，计算物流确定体系由各状态点的参数，计算物流 。（动能（动

32、能 XEXKE位能位能 XPE物理物理 XPhE化学化学 XCE、）热量热量 XQE功流功流 XwE、。 、作作 衡算。利用衡算。利用 衡算方程，确定衡算方程，确定 损失（整个体损失（整个体系；每台设备）的系；每台设备）的 衡算，确定衡算，确定 效率效率 。 E、列表或画图分析计算结果。列表或画图分析计算结果。如图如图为开系稳流过程为开系稳流过程 平衡示意图，平衡示意图， （1）、）、稳流体系稳流体系 衡算方程：衡算方程：化工热力学第六章 化工过程热力学分析第五节第五节敞开体系敞开体系jsjWkXQkEiinXiE物流入物流入物流出物流出joutXjE控制体为可逆过程：控制体为可逆过程： 0i

33、LiW， 是守恒的。是守恒的。 输入输入 =输入输入 平衡方程为：平衡方程为： jjRsjoutXjkinXQKiinXiWEEE控制体为不可逆体系：控制体为不可逆体系： 0iLiW，有，有 损失，损失，化工热力学第六章 化工过程热力学分析第五节第五节平衡方程为：平衡方程为： iLijjsjoutXjkXQKiinXiWWEEEjjsjoutXjiXikXQKiLiWEEEWin输入输入 输出输出 损耗功即为内部损耗功即为内部 损失。损失。 ikXQkinXijsjjoutXjEEWE 效率： E输出输入（2）、）、定组成稳流体系，定组成稳流体系， 衡算方程的简化：衡算方程的简化：化工热力学第

34、六章 化工过程热力学分析第五节第五节对于组成稳流过程，化学对于组成稳流过程，化学 不变，不变， joutXciinXcEEKXQKinLLlolLLLiLiESSThhgzuMW10011212jsjoutLLlolLLLWSSThhgzuM20022222jsjLLLLLKXQKWzguMSTHE220 上式适用于无化学变化的各种物理过程，在具体应用时可上式适用于无化学变化的各种物理过程，在具体应用时可以进行简化。以进行简化。化工热力学第六章 化工过程热力学分析第五节第五节、当动能当动能 、位能、位能 比其它项小得多时，可忽略不计比其它项小得多时，可忽略不计（一般化工过程流速、位高变化不大）

35、上式写成：（一般化工过程流速、位高变化不大）上式写成： jSjLLKXQKiLiWSTHEW0jSjXLKXQKWEE、绝热。有功交换过程绝热。有功交换过程绝热压缩绝热压缩绝热膨胀过程。绝热膨胀过程。0KXQKE对于单个设备，对于单个设备， LiLiWWSjsjWW inxoutxLXLeeME为开系的为开系的1种物流种物流 值变化。值变化。 化工热力学第六章 化工过程热力学分析第五节第五节XLSLEWW、有热交换，无功交换过程，有热交换，无功交换过程， 0SjWlXLKXQKiLiEEW、绝热，无功交换过程，绝热，无功交换过程， 0, 0KXQKjSjEWlXLiLiEW、循环过程，若体系内

36、仅包括循环工质，则循环过程，若体系内仅包括循环工质，则 0lXLE化工热力学第六章 化工过程热力学分析第五节第五节即循环过程动、位能即循环过程动、位能 、物理、物理 不变，只剩下热流不变，只剩下热流 和和功流功流 。 jsjKXQKiLiWEW（3）、）、有化学反应或组成变化的稳流过程有化学反应或组成变化的稳流过程 此时只有化学此时只有化学 和物理和物理 变化。变化。ixiLXQLiLiEEW和浓度变化）和浓度变化）式中式中 xiE包括物理包括物理 变化和化学变化和化学 变化（包括状态变化（包括状态化工热力学第六章 化工过程热力学分析第五节第五节4、三种热力学分析方法的比较、三种热力学分析方法

37、的比较（1）、）、计算工作量：能量衡算法最少；熵分析法最大；计算工作量：能量衡算法最少；熵分析法最大； 分析法居中分析法居中 （2）、）、从计算结果得到的信息量：能量衡算法最少，只能从计算结果得到的信息量：能量衡算法最少，只能 求出能量的排出损失求出能量的排出损失 ； 分析法最大，通过对每一个分析法最大，通过对每一个效的节能措施。效的节能措施。物流的物流的 分析，还能得到各部能量的分析，还能得到各部能量的 级，找到过程级，找到过程 损失的大小，原因和损失的大小，原因和 的分布情况，从而制定有的分布情况，从而制定有（3）、）、三种分析法适用场合。三种分析法适用场合。 如果一个体系，只是为了利用热

38、能（采暖、工业用加热炉等）如果一个体系，只是为了利用热能（采暖、工业用加热炉等）可以只用可以只用能量衡算法能量衡算法。 对既有热交换，又有功交换的定组成体系，最好用熵分析法。对既有热交换，又有功交换的定组成体系，最好用熵分析法。 对既有热交换，又有功的变组成体系。用对既有热交换，又有功的变组成体系。用 分析法。分析法。 化工热力学第六章 化工过程热力学分析第五节第五节例例 设有合成氨厂二段炉出口高温转化气余热利用装置，见图，转设有合成氨厂二段炉出口高温转化气余热利用装置，见图，转化气进入废热锅炉的温度为化气进入废热锅炉的温度为1000，离开时为，离开时为380,其流量为其流量为5160Nm3/

39、t，可以忽略降温过程中压力变化。废热锅炉产生，可以忽略降温过程中压力变化。废热锅炉产生4MPa、430 的过热蒸汽，蒸汽通过透平作功。离开透平乏汽的压力为的过热蒸汽，蒸汽通过透平作功。离开透平乏汽的压力为0.01235MPa，其干度为，其干度为0.9853。转化气在有关温度范围的平均等。转化气在有关温度范围的平均等压热容为压热容为36kJkmol-1K-1。乏汽进入冷凝器用。乏汽进入冷凝器用30 的冷却水冷凝，的冷却水冷凝，冷凝水用水泵打入锅炉进入锅炉的水温为冷凝水用水泵打入锅炉进入锅炉的水温为50 ，试用能量衡算法，试用能量衡算法计算此余热利用装置的热效率。计算此余热利用装置的热效率。SW化

40、工热力学第六章 化工过程热力学分析第五节第五节解：根据水蒸气表和已知状态点参数，解：根据水蒸气表和已知状态点参数，查得各状态点有关参数为：查得各状态点有关参数为：状态点状态点压力压力/MPa温度温度/C h/kJkg-1s/kJkg-1K-110.0123550209.330.7038024.0004303283.66.869430.01235502557.07.967940.0123550209.330.7038070.1013330125.790.43690化工热力学第六章 化工过程热力学分析第五节第五节以以1吨氨为计算基准，忽略有关设备的热损失和吨氨为计算基准，忽略有关设备的热损失和水泵

41、消耗功。水泵消耗功。（1）求产汽量）求产汽量G0H 对废热锅炉进行能量衡算，忽略热损失，对废热锅炉进行能量衡算，忽略热损失，0HHH 水水转转21()(3283.6209.33)HG hhG 水水211672 4HG. kghh 转转KJTTnCHmp656,101416. 5)1000380364 .225160)（转水汽化吸热：水汽化吸热：65.1416 10QHkJ 水水化工热力学第六章 化工过程热力学分析第五节第五节（2）计算透平作功）计算透平作功对透平机进行能量衡算，忽略热损失，则有：对透平机进行能量衡算，忽略热损失，则有：（3）计算冷却水吸收热）计算冷却水吸收热对冷凝器进行能量衡算

42、，忽略热损失，则有：对冷凝器进行能量衡算，忽略热损失，则有：436()1672.4 (209.33 2557)3.9362 10HHG hhkJ 冷冷却却水水冷冷凝凝KJhhGHWS623102152. 1) 6 .328325574 .1672)(（透（4）计算热效率）计算热效率2363. 0101416. 5102152. 166QWST化工热力学第六章 化工过程热力学分析第五节第五节转化气余热回收装置能量衡算表转化气余热回收装置能量衡算表输入输入/ kJ （tNH3）-1%输出输出/ kJ （tNH3）-1% 高温气余高温气余热热5.1416106100透平作功透平作功1.2152106

43、23.63冷却水带冷却水带热热3.926210676.37合计合计5.1416 1061005.1416 106100.00化工热力学第六章 化工过程热力学分析第五节第五节2、熵分析法：通过计算不可过程的熵产生量，确定过程的、熵分析法：通过计算不可过程的熵产生量，确定过程的有效能损失和热力学效率。即以第一定律和第二定律为基有效能损失和热力学效率。即以第一定律和第二定律为基础，通过物料和能量衡算，计算理想功和损失功，求出过程础，通过物料和能量衡算，计算理想功和损失功，求出过程的热力学效率。的热力学效率。SW化工热力学第六章 化工过程热力学分析第五节第五节解：以每吨氨为计算基准解：以每吨氨为计算基

44、准（2）转化气降温过程的理想功）转化气降温过程的理想功 65.1416 10HkJ 转转61.2152 10SWkJ 1672.4Gkg （1）由物料和能量衡算和前例得：）由物料和能量衡算和前例得：kmolkmoln36.2304 .225160转转STHWid0KJWid666610464. 3106774. 1101416. 51273653ln3636.230303101416. 5化工热力学第六章 化工过程热力学分析第五节第五节（3）计算有效能损失即损耗功，以整个装置为体系，）计算有效能损失即损耗功，以整个装置为体系，忽略热损失。忽略热损失。0006857,()()() ()gj j

45、outi i inLjiWT STmsmsT SSSS 总总0065870,() ()()gLWT STSSSSTSS 总总冷冷却却水水转转6,6653303230.3636 ln3.9262 1012732.249 10LWkJ总总）（冷却水总056,0,lnTHTTnCTWmpL化工热力学第六章 化工过程热力学分析第五节第五节每个设备的损耗功也可分别计算：每个设备的损耗功也可分别计算：0006251,()()()()gjjoutiiinLjiWTSTm sm sTSSSS 废废0065210,1266()()()1.6774103031672.46.86940.70381.44710gLW

46、TSTSSSSTSSkJ 水水废废转转（）,00325()303 1672.4 (7.9679 6.8694)5.567 10LTurgWT STG SSkJ 00847304387,004365()()()()()303 1672.40.70387.96793.9262 102.452 10gLWTSTSSSSTSSSSTSST G ssHkJ 冷冷冷冷却却水水冷冷却却水水汽汽（）化工热力学第六章 化工过程热力学分析第五节第五节（4）整个装置的热力学效率）整个装置的热力学效率661.215 100.35103.464 10SaidWW （5）单个设备的的热力学效率）单个设备的的热力学效率废热

47、锅炉：废热锅炉：66,63.464 101.447 10110.5823.464 10idLaidWkJWW ，废废废废透平机：透平机： ,03203265,6,()()1672.4(25573283.6)303(7.96796.8694)1.772 105.567 10110.6861.772 10id TurL Turaid TurWHTSGhhT sskJWW 汽汽汽汽废废冷凝器：冷凝器： 043043,55,5,()()1672.4(209.332557)303(0.70387.9679)2.452 102.452 101102.452 10idLaidWHTSGhhT sskJWW

48、冷冷汽汽汽汽冷冷废废冷冷化工热力学第六章 化工过程热力学分析第五节第五节项目项目输入输入/ kJ （tNH3）-1%输出输出/ kJ （tNH3）-1% 理想功理想功3.464106100输出功输出功WS1.215210635.1损损耗耗功功1.44710641.80.5567 10616.10.2452 1067.1小计小计2.249 10664.9合计合计3.464 1061005.1416 106100.00,LW废废,L TurW,LW冷冷化工热力学第六章 化工过程热力学分析第五节第五节损失分布损失分布单体设备单体设备热力学效率热力学效率 / kJ （tNH3）-1%废热锅炉废热锅炉0

49、.5821.44710664.3透平机透平机0.6860.566710624.8冷凝器冷凝器00.245210610.9合计合计2.249 106100LWa 化工热力学第六章 化工过程热力学分析第五节第五节化工热力学第六章 化工过程热力学分析第五节第五节敞开体系敞开体系()XiiniE ()XjoutjE kXQkE SjW 0LiW ()()KXiinXQXjoutSjikjjEEEW 化工热力学第六章 化工过程热力学分析第五节第五节()()KXiinXQXjoutSjLiikjjiEEEWW ()()kLiXiinXQXjoutSjiikjjWEEEW XXKXPXPhXChEEEEE

50、0XChE 20()2klLiXQllllSjikllljuWEHTSmg zW ()(i )()lll outlnHm hh ()(i )()lll outlnSm ss化工热力学第六章 化工过程热力学分析第五节第五节00kXlllXllllLiXQXlSjikljEHTSEHTSWEEW 化工热力学第六章 化工过程热力学分析第五节第五节00kXQSjkjLiXlSjiljEWWEW LsXllWWE kLiXQXliklWEE LiXlilWE 0XllE kLiXQSjikjWEW 化工热力学第六章 化工过程热力学分析第五节第五节003030.10133TKPMPa 序序号号状态状态压力

51、压力/ /MPa温度温度/ /h/ /kJkg-1s/ /kJkg-1K-1eX/ kJkg-11液态水液态水0.0123550209.330.703802.6992过热蒸汽过热蒸汽4.0004303283.66.869412093湿蒸汽湿蒸汽0.01235502557.07.9679149.34饱和水饱和水0.0123550209.330.70382.6990基准态水基准态水0.1013330125.790.43690化工热力学第六章 化工过程热力学分析第五节第五节000000()()()lnXpmhpmsTEmHHT SSm CTTT CT 65653230.3636 (653303)303 36 ln0.9731 10303XEkJ 661273230.3636 (1273303)303 36 ln4.437 10303XEkJ 65kLiXQSXXLikWWEWEE 总总0kXQkE 6566664.437 100