化工过程的能量分析

1、Hefei University论 文课程名称： 化工热力学 论文题目： 化工过程的能量分析 学科专业： 化学工程与工艺（12级化工卓越班） 作者姓名： 胡 振 导师姓名： 高 新 勤 完成时间： 2014年12月21日 化工过程的能量分析摘要：化工过程需要消耗大量能量，提高能量利用率、合理地使用能量已成为人们共同关心的问题。从最原始的意义上来说，热力学是研究能量的科学，用热力学的观点、方法来指导能量的合理使用已成为现代热力学一大任务。关键词：化工过程;能力分析:按质用能;降耗正文：进行化工过程能量分析的理论基础是热力学第一定律,热力学第二定律。一、 热力学第一定律热力学第一定律就是不同形式的

2、能量在传递与转换过程中守恒的定律，表达式为Q=U+W。表述形式：热量可以从一个物体传递到另一个物体，也可以与机械能或其他能量互相转换，但是在转换过程中，能量的总值保持不变。该定律经过迈耳 J.R.Mayer、焦耳T.P.Joule等多位物理学家验证。热力学第一定律就是涉及热现象领域内的能量守恒和转化定律。十九世纪中期，在长期生产实践和大量科学实验的基础上，它才以科学定律的形式被确立起来。(一) 热力学第一定律的实质自然界的物质是千变万化的，但就其数量来说是不变的，能量也是守恒的，热力学第一定律明确表明了自然界中能量的多种形式之间是可以相互转换的，但只能是等量相互转换，这就说明能量既不能被消灭，

3、也不能凭空产生，必须遵循守恒规律。(二) 体系1. 封闭体系（限定质量体系） 与环境仅有能量交换，而无质量交换，体系内部是固定的2. 敞开体系（限定容积体系） 与环境既有能量交换也有质量交换。3. 化工生产中大都为稳定流动体系，稳流过程，均流过程。(三) 能量平衡方程的应用1. 化工机器：如膨胀机、压缩机等2. 对化工设备：如反应器、热交换器、传质设备、阀门、管道等。热力学第一定律主要解决自然界能量守恒问题，而热力学第二定律主要解决方向和限度问题。二、 热力学第二定律热力学第二定律，其表述为：不可能把热从低温物体传到高温物体而不产生其他影响，或不可能从单一热源取热使之完全转换为有用的功而不产生

4、其他影响，或不可逆热力过程中熵的微增量总是大于零。又称“熵增定律”，表明了在自然过程中，一个孤立系统的总混乱度（即“熵”）不会减小。(一) 热功转换与热量传递的方向和限度1. 热量传递的方向与限度热量传递的方向性是指高温物体可自发向低温物体传热，而低温物体向高温物体传热则必须消耗功。热量传递的限度是温度达到一致，不存在温差。2. 热功转换的方向功可以完全转化为热，而热只能部分转化为功。之所以有此结果，是由于热是无序能量，而功是有序能量，自然界都遵循这样一个规律：有序运动可以自发转变为无序运动，而无序运动不能自发转变为有序运动。3. 热功转换的限度卡诺循环卡诺循环是热力学的基本循环，它由四个可逆

5、过程完成一个工作循环，卡诺循环是将工质从高温热源吸收的热量转换为功的最大限度。(二) 熵函数熵状态函数。只要初，终态相同。对于不可逆过程应设计一个可逆过程，利用可逆过程的热温熵积分进行熵变计算。对于孤立体系（或绝热体系）由 可知 熵增原理表达式>0 不可逆过程>0 不可逆过程>0 不可逆过程 三、 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 = H - T0S。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：

6、WL=T0 (Ssys +Ssur) = T0St= T0Sg损失功WL反映了实际过程的不可逆程度。要想获得理想功，工程就必须实在完全可逆的情况下进行。由于实际过程都是不可逆的，因此实际提供的ws必然小于理想功，两者之比称为热力学效率。产生过程：消耗过程：四、 有效能-火用在实际的能量传递和转换过程中，能量可以转化为功的程度，除了与能量的质量、体系所处的状态有密切关系外，还与过程的性质有关，如果过程接近于可逆过程，其转化为功的程度就大，否则就小。为了衡量能量的可利用程度或比较体系在不同状态下可用于作功的能量大小，Keenen在1932年提出了火用的概念。(一) 火用的概念火用（Ex）：体系从所

7、处状态变化到基态，达到与环境完全热力学平衡时，所做的最大有用功。火无（Ax）：理论上不能转化为有用功的能量。(二) 稳流体系的火用的计算化工生产中经常碰到稳定流动的物系，对于稳流物系火用的计算也相当重要。稳定流动物系的火用是指稳流物系从任意状态（T，P，H，S）以可逆方式变化到环境状态（T0，P0，H0，S0）时，所能做出的最大有用功对于稳流体系，从状态1状态2，其动能、位能可忽略不计则：Wid=(H2-H1)-T0(S2-S1)故当体系由任意状态（P，T）变到基态（P0，T0）时，则上式Wid的负值就是入口状态物流的火用。EXWid =(H0-H)-T0(S0-S)= (H-H0)-T0(S

8、-S0)此为火用的基本计算公式。(三) 理想功与火用的区别和联系1. 终态不一定相同，理想功的终态不确定，而火用的终态为环境状态。2. 研究对象不同，理想功是对两个状态而言，可正可负，而火用是对某一状态而言，与环境有关，只为正值。(四) 不可逆性和火用损失理想功是通过可逆过程来体现的，实际过程都是不可逆过程，不可逆过程由损失功和热力学效率来体现；火用反映的也是可逆过程的行为，实际过程的不可逆性要用火用损失和火用效率来衡量。下面我们就讨论过程的不可逆性和火用损失。1. 火用的变化的计算状态1状态2（终态）按定义：EX1Wid=(H0-H1)T0(S0-S1)EX2Wid=(H0-H2)T0(S0

9、-S2)所以EX2EX1= (H2-H1)T0(S2-S1)HT0SWid即EXEX2EX1= WidEX0，EX2EX1，火用增加，Wid0，即接受外功后，火用增加EX0，EX2EX1，火用减少，Wid0，即对外做功后，火用减少2. 不可逆性热力学第二定律认为自然界中一切过程都是具有方向性和不可逆性的。 St 0 ，大于零时为不可逆过程，等于零时为可逆过程。火用的变化也具有方向性和不可逆性。火用的方向性和不可逆性表现在：（1）当过程可逆时，火用不会向火无转变，火用的总量保持不变；（2）当过程不可逆时，火用将向火无转变，使火用总量减少。不可逆过程火用的减少，就称为火用的损失。3. 火用损失(1

10、) 定义：不可逆过程中火用的减少量称为火用损失。(2) 计算式：对产功过程：EX Wid Ws+Wl，而Wl= T0S 总所以EX Ws+ T0S 总可见，在不可逆过程中，有部分火用降级变为火无而不做功，其总的火用损失就等于损失功。El=T0S 总 或 El =实际功-理想功El= H Q T0S H T0SsysQ五、典型过程的火用损失 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物体传递，传热过程中火用的损失是存在的，它是由于存在温差而造成的。高温物体放出的热量的火用为：低温物体吸收的热量的火用为：火用损失为由此可以看出：传热过程火用损失是存在的，温差越大，则火用损失越大。欲使火用损失减少，需减小温差，因此，实际工业生产中，在满足工艺条件下，要尽量减小温差。稳定流动过程要减少火用损失，首先要考虑减少压力降，但欲使压力降减少，必然使流速降低，使设备费用增加。因此考虑能量的合理利用的同时，还要考虑设备材料费用的问题。六、化工过程能力分析及合理用能