C6化工过程的能量分析之有效能分析

§6—5热力学分析的三种方法定义：体系在一定状态下具有的做功能力，它的大小等于该状态可逆变化到与环境处于热力学平衡的基准态的理想功。一、（

）与（

）

（I）、（有效能或可用能）当体系由任意状态（P、T）变到基准态、（）时，其理想功的负值即，可写成：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，任何一个与环境处于热力学平衡的系统状态称为基准态。热力学平衡包括不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。不完全基准态物理与环境成热平衡、压力平衡、化学平衡(相平衡）完全基准态不完全基准态完全基准态化学通常，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。2、的组成（有四个主要组成部分）1）、动能能100%的转化为功。2）、位能也能100%转化为功。3）、物理能部分的转化为功。4）、化学能部分的转化为功。对于稳定流动过程，流体的由以上四个成分构成：3、物理的计算：从某状态变到终态，当终态为环境状态（基准态）时，则：H、S

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、化学的或两者兼而有之的有效能计算。4、与理想功：区别：可看作理想功的特例。的终态是基准态

理想功的终态不确定

理想功是对两个状态而言，可正可负，而是对某一状态而言，与环境有关，只为正值。联系：某物系处于状态1和状态2的物理分别为：当体系从状态1变到状态2时，P,MPaT,0CH(KJ/Kg)S(KJ/Kg.K)Wid(KJ/Kg)Ex(KJ/Kg)蒸汽7.002852772.15.8133-1044.31044.3蒸汽1.0179.92778.16.5865-819.9819.90.1013MPa25(水)H0=104.89S0=0.36740例有一股压力分别是7.0MPa和1.0MPa蒸汽用于作功，经稳流过程均变成0.1013MPa，250C的水，求Wid和Ex(T0=298K).5热量的计算：定义：热量相对于平衡环境态所具有的最大作功能力。恒温变温由卡诺热机效率热物体P，T自然环境P0,T0Q0EWsQH例试计算以下三种状态下稳流过程水蒸气的，设环境温度为25℃。10.005.0010.00500500400[解]一般以25℃、0.10133MPa（1atm）液态水为基准态，但是为了查水蒸气表方便起见，亦可取25℃、3.169kPa（饱和蒸汽压）为基准，本例取后者。查附表3，按式（6—27）分别求出上述三种状态的焓、熵与之值并列于下表：10.005.0010.0025500500400104.893373.73433.83096.40.36746.59666.98596.212001412.521359.591249.83例：设有压力为1.013、6.868、8.611MPa的饱和蒸汽和1.013MPa，573K的过热蒸汽，若这四种蒸汽经充分利用后，最后排出0.1013MPa，298K的水。试比较它们的火用和放出的热，并讨论蒸汽的合理利用。

P,MPaT,KS(KJ/Kg.K)H(KJ/Kg)H0-H(KJ/Kg)EX(KJ/Kg)EX/(H-H0)水0.10132980.3674104.8900饱和蒸汽1.0134536.5822772.1267181430.66过热蒸汽1.0135737.133053294893431.68饱和蒸汽6.868557.25.82627752670104339.06饱和蒸汽8.6115735.78727832678109240.78分析：1）压力相同（1.013MPa），过热蒸汽的火用比饱和蒸汽大，所以其做功本领也大。2）温度相同（573K）高压蒸汽的作功本领比低压蒸汽强。3）温度相同（573K）高压蒸汽的加热能力比低压蒸汽弱，因此用低压蒸汽作为工艺加热最恰当，并可减少设备费用。4）放出的热相同（557.5K和453K的饱和蒸汽），高温高压蒸汽的火用比低温低压蒸汽的高28.13%。结论：1）一般供热用0.5~1.0MPa（150~1800C）的饱和蒸汽。2）高压蒸汽（10MPa）用来做功。温度在3500C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。6、化学的计算：（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。（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。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）液体混合物:理想溶液非理想溶液理想气体混合物：7、过程的不可逆性和损失一切生产实际过程都是不可逆过程,在不可逆过程中存在各种不可逆因素,例如各种传递过程和反应过程都存在着阻力,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，就必须克服阻力，保持一定的推动力，必然会造成体系的损失。在不可逆过程中，有部分降级而不能变为有用功，这部分称为无效能或恒温热源热量：Q为总能量，为热量，即：对于稳流过程：式中总能量为H，后一项为，当取时，为：总之，能量可分为和两部分，其中是高级能量，是有用部分，可将其转化为有用功，但要付出一定代价；而是僵态能量，不能转化为有用功，节能的正确含义就是节。对环境而言，功的符号与体系相反。定义环境的增加等于体系对环境所作的实际功，因此即总的的损失（体系+环境）就等于损失功T0ΔSg

，实际过程中(不可逆过程）总能量守恒，但有效能降低，无效能增加根据能量守恒，的减少量应等于的增加量，即为损耗功。因此，对转化为的量可以表示能量贬质的程度。用和的转化表述第二定律为：1）、在一切不可逆过程中，转化为。3）、由转化为是不可能的。2）、只有可逆过程，才守恒。①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：高温物体放出的热量的有效能为：有效能损失为由此可以看出：传热过程有效能损失是存在的，温差越大，则有效能损失越大。欲使有效能损失减少，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。②稳流体系u2≈0，gZ≈0，Q=0；Ws=0对于管道流动，一般情况下，无热交换无轴功H=0结论：⑴EL∝dP压力降⑵稳流过程的有效能损失是由于阻力引起的（1）能量损失损失2、两种效率——第一定律效率和第二定律效率。效率：（1）、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。定义：（2）外部损失：体系向环境排出的能量中所包含的损失。内部损失：由体系内部各种不可逆因素造成的损失。二、两种损失和两种效率1、两种损失：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。a、用于蒸汽动力循环，收益是得到的轴功，消耗的是热量，比例系数是热效率：b、用于蒸汽压缩制冷上，系数为制冷系数：c、用于吸收式制冷循环，系数为热力系数：d、用于热泵，系数为制热系数：e、传热过程：热效率：优点：简单。缺点：

它只反映过程所需要的能量的数量上的利用情况，却不反映不同质的能量的利用情况，即没有反映的利用情况。它不能作为衡量过程热力学完善性的指标。如：传热过程：热效率：仅决定于，若，，很显然，没有计入传热过程不可逆因素即传热温差造成的损失，（2）、第二定律效率以第一、第二定律为基础，用于确定过程的利用率。定义：式中，可以是火用，也可以是差或流。、定义：输出的与输入的之比1）、普遍效率包括物流、热流、功流式中：——输出的总的量——输入的总的量衡算显然：要求普遍效率，必须对进入体系的进行衡算。当即无损失，有损失当，（2）、热力学效率：产功：耗功：传热：所以，上式写成：由此可见：与相差越大，则越小，的利用率低。完善性的量度。因此，第二定律效率反映了的利用率。是衡量过程热力学对于可逆过程：，则；不可逆过程：，。三、热力学分析的基本方法汇总：1、能量衡算法：

实质：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：（能量守恒）内容：

①、物料衡算和能量衡算：一般由单体设备到整个体系。②、求总的输入的能量。

③、求被利用的能量。④、求。⑤、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，找出改进的途径，应用此方法较多，但此方法的不足在于：①、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（各种系数等）上看，、、、热转化为功是有限的。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。②、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。③、热效率、制冷系数。制热系数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合理的。④、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求末的节能措施。2、熵分析法：实质：通过求熵产生：。确定内容：①、物料和能量衡算。损失和热力学效率。②、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。③、分别计算每台设备的理想功及、（以便找到④、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。优点：可以指出：大的地方能量消耗多，需要改进的是大的部位。缺点：能量有高、低、僵态能量之分，即不同，但究竟哪种是有效的能量，有多大，此方法不能具体指出。3、分析法：内容：①、选择计算基准，确定体系输入和输出物流量——物料衡算热流量功流量能量衡算实质：通过衡算方程求损失（损耗功）②、确定体系由各状态点的参数，计算物流。（动能位能物理化学、、、）热量功流、。③、作衡算。利用衡算方程，确定损失（整个体系；每台设备）的衡算，确定效率。

④、列表或画图分析计算结果。如图为开系稳流过程平衡示意图，（1）、稳流体系衡算方程：敞开体系物流入物流出控制体为可逆过程：，是守恒的。输入=输入平衡方程为：控制体为不可逆体系：，有损失，平衡方程为：输入>输出损耗功即为内部损失。效率：输出输入（2）、定组成稳流体系，衡算方程的简化：对于组成稳流过程，化学不变，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。①、当动能、位能比其它项小得多时，可忽略不计（一般化工过程流速、位高变化不大）上式写成：

②、绝热。有功交换过程——绝热压缩\绝热膨胀过程。对于单个设备，为开系的1种物流值变化。③、有热交换，无功交换过程，④、绝热，无功交换过程，⑤、循环过程，若体系内仅包括循环工质，则即循环过程动、位能、物理不变，只剩下热流和功流。（3）、有化学反应或组成变化的稳流过程此时只有化学和物理变化。和浓度变化）式中包括物理变化和化学变化（包括状态4、三种热力学分析方法的比较（1）、计算工作量：能量衡算法最少；熵分析法最大；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

求出能量的排出损失；分析法最大，通过对每一个效的节能措施。物流的分析，还能得到各部能量的级，找到过程损失的大小，原因和的分布情况，从而制定有（3）、三种分析法适用场合。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，又有功的变组成体系。用分析法。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，转化气进入废热锅炉的温度为1000℃，离开时为380℃,其流量为5160Nm3/t，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0.01235MPa，其干度为0.9853。转化气在有关温度范围的平均等压热容为36kJ·kmol-1·K-1。乏汽进入冷凝器用30℃的冷却水冷凝，冷凝水用水泵打入锅炉进入锅炉的水温为50℃，试用能量衡算法计算此余热利用装置的热效率。4•3•1•泵透平废热锅炉•2•65冷凝器87冷却水冷却水解：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：状态点压力/MPa温度/°Ch/kJ·kg-1s/kJ·kg-1·K-110.0123550209.330.7038024.0004303283.66.869430.01235502557.07.967940.0123550209.330.7038070.1013330125.790.43690以1吨氨为计算基准，忽略有关设备的热损失和水泵消耗功。（1）求产汽量G对废热锅炉进行能量衡算，忽略热损失，水汽化吸热：（2）计算透平作功对透平机进行能量衡算，忽略热损失，则有：（3）计算冷却水吸收热对冷凝器进行能量衡算，忽略热损失，则有：（4）计算热效率转化气余热回收装置能量衡算表输入/kJ·（tNH3）-1%输出/kJ·（tNH3）-1%高温气余热5.1416106100透平作功1.215210623.63冷却水带热3.926210676.37合计5.14161061005.1416106100.002、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。转化气余热利用装置透平1•4•3••泵废热锅炉冷凝器2••••6587冷却水冷却水解：以每吨氨为计算基准（2）转化气降温过程的理想功（1）由物料和能量衡算和前例得：（3）计算有效能损失即损耗功，以整个装置为体系，忽略热损失。每个设备的损耗功也可分别计算：（4）整个装置的热力学效率（5）单个设备的的热力学效率废热锅炉：透平机：冷凝器：项目输入/kJ·（tNH3）-1%输出/kJ·（tNH3）-1%理想功3.464106100输出功WS1.215210635.1损耗功1.44710641.80.556710616.10.24521067.1小计2.24910664.9合计3.4641061005.1416106100.00损失分布单体设备热力学效率/kJ·（tNH3）-1%废热锅炉0.5821.44710664.3透平机0.6860.566710624.8冷凝器00.245210610.9合计2.249106100熵分析法特点：优点：能正确指出有效能损失的薄弱环节，指明正确的节能方向。缺点：只能求出体系内部不可逆有效能损失，无法计算排出体系的物流有效能。3、有效能分析法：通过有效能平衡确定过程的有效能损失、有效能效率。分析步骤：C、用有效能平衡确定有效能损失B、计算物流有效能和热有效能A、确定出入体系各物流量、热流量和功流量以及各物流的状态参数；D、确定有效能效率敞开体系讨论：（1）可逆过程：体系内部没有有效能损失，损耗功为0，，则有效能守恒。（2）不可逆过程：有效能不守恒。用于确定体系内部有效能损失WL由稳流过程恒组成稳流有：则有：简化：A、大多数化工过程速度和高度变化很小B、有功交换的绝热过程——压缩机、透平机、膨胀机、鼓风机、泵等。单位设备：C、有热交换无功交换——换热器、混合器等E、绝热无功交换——节流阀F、循环过程解：以每吨氨为计算基准（1）物料衡算和能量衡算见例6-16（2）计算各物流物理有效能，环境条件取序号状态压力/MPa温度/℃h/kJ·kg-1s/kJ·kg-1·K-1eX/kJ·kg-11液态水0.0123550209.330.703802.6992过热蒸汽4.0004303283.66.869412093湿蒸汽0.01235502557.07.9679149.34饱和水0.0123550209.330.70382.6990基准态水0.1013330125.790.43690转化气的物理有效能计算：（3）计算总有效能损失以整个装置为体系忽略各设备热损失，，冷却水所携带有效能很难利用，可