化工热力学第五章化工过程的能量分析
第五章化工热力学课件
①连续 ②质量流率相等（无积累）③热力学性质不随时间变化
1 2 1 2 m(H1 u1 gz1 ) m(H 2 u2 gz2 ) WS Q 0 2 2 u 2 H gz Q Ws 积分、单位质量 2
微分流动过程
dH udu gdz Q Ws
H C p dT
373
813
27.89 4.27110 T dT
3
13386kJ / kmol Cp R S dT dP T P 373 27.89 1.013 3 4.27110 dT 8.314 ln 813 4.052 T 12.083kJ / kmol K
压缩机可以提高流体 的压力，但是要消耗功
枣庄学院 化学化工系
化工热力学
透平机和压缩机
2
H
u
2
gz Q Ws
是!
通常可以忽略
Ws H
是否存在轴功?
是否和环境交换热量? 位能是否变化? 动能是否变化？
不变化或者可以忽略 通常可以忽略
枣庄学院 化学化工系
化工热力学
节流阀 Throttling Valve
无流动功 单位流体
通常势能和动能无变化
d (mU) W Q dU W Q
枣庄学院 化学化工系
化工热力学
5.1 能量平衡方程
能量平衡方程的应用
1 2 1 2 d (mE) m1 (H1 u1 gz1 ) m2 (H 2 u2 gz2 ) WS Q 2 2
g为重力加速度。
1 2 E1 U1 u1 gz1 2
1 2 E2 U 2 u2 gz2 2
合工大-化工热力学-第五章_化工过程的能量分析资料
dH udu gdZ Q WS （5-15）
式（5-13）与式（5-15）是稳定流动体系的能量 平衡方程。
第十一 次课结束2010
5.1.3
19
一些常见的属于稳流体系的装置
混合装置
Ws 喷嘴
透平机
扩压管
节流阀
Ws
压缩机
换热装置
化工生产中，绝大多数过程都属于稳流过程， 在应用能量方程式时尚可根据具体情况作进一步的
就热力学的观点，功和热是转移中的能量，
是不能贮存的，不转移时能量总是贮存在体系和环
境内。所以，体系在过程前后的能量变化△E 应与
体系在该过程中传递的热Q与功W之代数和相等。 如E1、E2分别代表体系始、终态的总能量，则
△E = E2﹣E1 = Q＋W
(5-1)
式（5-1）就是热力学第一定律的数学表达式。 规定体系吸热为正值，放热为负值；体系得功为正 值，对环境做功为负值。
1 u 2 H 2
（5-22）
此式表明，气体在绝热不做轴功的稳定流动过程 中，动能的增加等于其焓值的减小。
例题5-1 5.1.3
5-2
32
可逆过程与不可逆过程
用热力学的方法研究体系发生状态变化时，在怎 样的条件下能作出最大功或者需要最小功，具有重 要意义。这里牵扯到一个热力学上的重要概念，可 逆过程与不可逆过程。
H
1 2
u 2
gZ
Q
Ws
（5-13）
此公式是由能量守恒定律推导出来的。而能量守恒是
自然界的客观规律。因而式(5-13)对可逆过程和实际过
程均适用。
5.1.3
18
使用时注意公式中各项单位必须一致。
如：
1 u 2 2
化工过程的能量分析
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
化工热力学第五章化工过程的能量分析
化工热力学第五章化工过程的能量分析化工过程的能量分析是对能量转化和能量平衡进行分析和计算的过程。
它旨在确定化工过程中的能量输入和输出，以及能量转化的效率。
能量分析的基本原理是能量守恒定律，即能量既不能被创造也不能被消灭，只能发生转化和传递。
在化工过程中，能量转化主要包括热能和工作能的转化。
对于化工过程的能量分析，首先需要确定系统的边界。
系统是指需要进行能量分析的化工过程的范围。
系统可以是一个反应器、一个加热器、一个蒸馏塔等。
接下来，需要确定系统的输入和输出。
输入和输出包括能量流和物质流。
能量流一般包括热能和工作能的流入和流出，物质流一般包括物质的流入和流出，以及化学反应中物质的转化。
在能量分析中，热能是一个重要的能量形式。
对于热能的分析，常常需要考虑热能的传递方式，如传导、对流和辐射。
传导是通过直接接触传递热能，对流是通过流体介质传递热能，辐射是通过辐射传递热能。
根据能量守恒定律，系统的输入和输出之间的热能的变化可以表达为：Σ(Qin) - Σ(Qout) = Σ(Win) + Σ(Wout) ± ΔE其中，Qin和Qout分别表示进入和离开系统的热能，Win和Wout分别表示进入和离开系统的工作能，ΔE表示系统内部的能量变化。
除了热能外，化工过程中还常常涉及到压力能和位能的转化。
压力能是由于流体在系统中的压力而具有的能量，位能是由于物体在重力场中的高度而具有的能量。
在能量分析中，压力能和位能的转化也需要考虑。
能量分析的另一个重要方面是能量的有效利用。
对于化工过程来说，能量转化的效率直接影响着能源的消耗和产品的质量。
提高能量的利用效率是化工工程师的重要目标之一、为了提高能量的利用效率，可以采取一系列的措施，例如优化化工过程的操作参数，改进传热设备的设计和选型，提高能源的回收利用等。
同时，还可以利用先进的能源技术，如余热利用技术、低温热能利用技术等。
总之，化工过程的能量分析是研究化工过程能量转化和能量平衡的重要方法。
化工热力学-第五章
T
QR
T
据热一律 dH Q WS 可逆过程 dH QR WSR dH QR WSR 同除 T 得： QR dH WSR
T T T
dS
又 ∵
WSR VdP
=nCpdT
V nRT P
T
T
T
对理想气体: dH
∴
dS
nC p
2
积分：
δm1=δm2=dm
1 2 (C2 -C12) 2
(H2-H1) δm+
δm+g(Z2-Z1) δm-δWs-δQ=0 （5－13）
1 2 H C gZ Q Ws 2
注意：
1).单位要一致，且用SI单位制.
H,Q,Ws—能量单位，J/Kg C—m/s
流量G—Kg/h（min.s）
V2
P2
?
对于可逆总功
WR PdV P2V2 P1V1 Ws
V1
Ws WR P2V2 P V1 PdV P2V2 P1V1
积分式
d(PV)=PdV+VdP
P2V2
d ( PV ) P V
2 2
P1V1 PdV VdP
P1V1
Ws PdV PdV VdP VdP
2.
将
能量平衡方程一般形式
C2 E U gZ 2 代入（A）式，整理，得到
H=U+PV
2
2 C1 C2 (H1 gZ1 )m1 ( H 2 gZ 2 )m2 Q Ws 2 2
可逆 > 不可逆
第五章化工过程的能量分析
1
本章主要内容： 本章主要内容：
运用热力学第一定律、第二定律、理想功、 运用热力学第一定律、第二定律、理想功、损 失功和有效能等概念对化工过程中涉及到的能量问 题进行系统地热力学分析， 题进行系统地热力学分析，旨在提高化工过程中的 能量利用率
2
5.1 能量平衡方程
1、能量平衡
能量守恒原理： 能量守恒原理：
进入体系能量=离开体系能量+ 进入体系能量=离开体系能量+体系内积累能量
δWs
1
δm1
2
δm 2
( Eδ m )1 + δQ = ( Eδm )2 − δW+d ( mE )体系 u1
δW=δWs + ( pVδm )1 − ( pVδm )2
u2
z1
dx1
1 2
( pVδm )
s
=Q
=0
摩擦损失
=Vdp+udu+gdZ+δF
蒸汽喷射泵或喷嘴中的喷射： 蒸汽喷射泵或喷嘴中的喷射： 1 ∆u 2 = −∆H 2
4
5.2 功热间的转化
高温热源
热机能量方程： 热机能量方程： Q = -Q -W 1 2
Q 热机对环境做功或者放出热量， 2和W 都为负值
T1 Q1
热机
W
热机效率： 热机效率：
低温受热器（冷却水）的熵变为： 低温受热器（冷却水）的熵变为：∆S3 =
776.1 =2.841kJ/(kg ⋅ K) 273.15
总熵变： 总熵变： ∆S总 =∆S1 +∆S2 +∆S3 =-0.412kJ/(kg ⋅ K)
9
孤立体系中实际过程需
化工热力学题库56计算
难度： 中 分值：10章节：第五章 化工过程的能量分析 知识点：功热转化，热力学效率，理想功 备注：南工大试题答案：（1）3#>2#>1#>4# 因为温度压力越高，蒸汽的作功本领越大；温度相同时，压力越高，蒸汽的作功本领越大；压力相同时，温度越高，蒸汽的作功本领越大； 任何温度压力下的饱和蒸汽比任何温度压力下的饱和水作功本领大。
（2）应尽可能利用高压蒸汽来做功，低压蒸汽来加热。
（3）300303()()298(0.3674 5.787)(104.92783)1063/x E T S S H H KJ Kg =---=---=43043()()(13442783)298(3.2534 5.787)684/id W H H T S S KJ Kg =---=---=-1. （10分）设有压力为1.013MPa 、 6.868MPa 、 8.611MPa 的饱和蒸汽和1.013MPa ， 573K 的过热蒸汽和8.611MPa ，573K 的饱和水，若这些蒸汽和水经充分利用后，最后排出0.1013MPa ， 298K 的冷凝水（即环境状态）。
（1）将它们做功本领从大到小排序，并说出如此排序的理由。
（不需要计算） （2）简要阐述如何合理利用蒸汽。
（3）计算3#（序号见下表）饱和蒸汽的E x 。
(4) 若将3#饱和蒸汽变成4#饱和水，环境温度为298K ，请计算此过程所做的理想功。
序号 P, MPa T,KS (KJ/Kg.K ) H (KJ/Kg ) 0# 水0.1013298 0.3674 104.9 1# 饱和蒸汽 1.013 453 6.582 2776 2# 过热蒸汽 1.013 573 7.13 3053 3# 饱和蒸汽 8.611 573 5.787 2783 4#饱和水8.6115733.25341344难度： 易 分值：13章节：第六章 蒸汽动力循环和制冷循环 知识点：制冷循环 备注：南工大试题 答案：1、1） 如右图08.5)16441866/()6.5141644()/()(/)428.2/8214)16441866(37)()3/37)6.5141644/(41800)/(41800/)212510125100=--=--====-=-===-=-==H H H H W q KWh KJ H H m mW P hKg H H q Q m s s T ε2. （13分）设有一制冷能力（冷冻量）为41800 kJ/h 的氨冷冻循环装置，蒸发温度-15℃，冷凝温度25 ℃，过冷度为5℃ 。
化工热力学第五章
质量流率
u1 A1 u2 A2 m= = V1 V2
•
透平机和压缩机
透平机是借助流体的 减压和降温过程来产出功
压缩机可以提高流体 的压力， 的压力，但是要消耗功
透平机和压缩机
∆H +
∆u
2
2
+ g∆z = Q + Ws
是! 通常可以忽略
W =∆ H s
是否存在轴功? 是否存在轴功? 是否和环境交换热量? 是否和环境交换热量? 位能是否变化? 位能是否变化? 动能是否变化？ 动能是否变化？
H1 = Hl (1− x) + Hg x
H −Hl 2736.5−844.9 1 x= = =0.9709 Hg −Hl 2792.2−844.9
的空气， 5m/s的流速流过一垂直安 例 5-2 30 ℃ 的空气，以5m/s的流速流过一垂直安 装的热交换器，被加热到150 ℃， 装的热交换器，被加热到150 ℃，若换热器进出口管 直径相等，忽略空气流过换热器的压降， 直径相等，忽略空气流过换热器的压降，换热器高 度为3m 空气Cp=1.005kJ(kgK), 50kg空气从换热 3m， Cp=1.005kJ(kgK),求 度为3m，空气Cp=1.005kJ(kgK),求50kg空气从换热 器吸收的热量 解
m kg⋅ m N⋅ m J = = = 2 2 s kg⋅ s kg kg
2 2
可逆条件下的轴功
W = ∫ VdP R
P 1
P 2
对于液体， 对于液体，在积分时一般 可将V当作常数。 可将V当作常数。 对于气体怎么办？ 对于气体怎么办？ 对于理想气体等温过程
RT V= P
P2 WR = RT ln P 1
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§5.0 热力学基本概念复习
4、热和功
1）热和功不是状态函数，与途径有关。 2）热和功只是能量的传递形式，而不是贮存形
式。当能量以热和功的形式传入体系后，增加 的是内能。
ΔU＝Ｑ+Ｗ 热力学第一定律
3） 按照国际规定:
Ｑ:体系吸热为正，Ｑ>0，体系放热为负,Ｑ<0 ； Ｗ:环境对体系作功,Ｗ>0 ，体系对环境作功,Ｗ<0
注意：
1）可逆过程一旦发生，不仅体系能恢复到原来状态， 而且而环境也能恢复到原来状态而不留下任何痕迹。
2019/5/（3 循环过程是否是可逆过程？）
2）若是可逆过程，位的梯度即推动力需为无限小；若存在
推动力则是实际过程，而非可逆过程。
3）可逆过程是实际过程中只能趋近而永远不能实现的理想
过程，其本质是状态变化的推动力与阻力无限接近 ，体
2019/5/3 常用的状态函数有P，V，T，U，H，S，A，G
§5.0 热力学基本概念复习
“状态一定值一定，殊途同归值变等，周而 复始变化零。”
循环过程： 状态1 状态2 状态3
△H=0,△U=0,△V=0,△S体系=0（当然 △S总≠0)
2019/5/3
§5.0 热力学基本概念复习
3、过程
• 第三过热器：利用高温烟道气加热高温反应物 • 第二过热器：利用高温产物加热中温反应物 • 蒸发器：利用中温烟道气加热低温反应物 • 废热锅炉：利用中温产物产生水蒸汽 • 我的印象：一个反应需要一个车间来完成（三层楼） • 我的体会：目的是能源的最大化利用（不是仅总能量的
平衡，而是品位高的能量做功，品位低的能量加热。
+ C2H4
8C + C2H4
2019/5/3
化工过程能量分析实例
中间 加热器
水蒸气
A
B
加热炉
第一段脱氢 反应器
第二段脱氢 反应器
乙苯+水蒸气
混合器
图1 乙苯脱氢反应模拟流程
反应产物去急 冷后处理系统
换热器
2019/5/3
化工过程能量分析实例
• 反应器：烧重油加热反应物至560~620oC，产生高温烟 道气
• 化工分离过程的能耗是世界总能耗的8%。 • 我国比国外同类产品能耗高20-30%，有的高出一倍。 • 日本的能量利用效率达57%,在世界各国中居首位。
2019/5/3
化工过程能量分析实例
• 南京塑料厂乙苯脱氢制苯乙烯
C 2H 3 苯乙烯 + H2
C2H5 560~620oC 乙苯
CH3 + CH4
2019/5/3
各章之间的联系
第2章热力学基础数据 ( PVT,Cp,Cv,EOS)
第五章 化工过程的能量分析
2019/5/3
本章内容
§5.0 热力学基本概念复习 §5.1 热力学第一定律与能量平衡方程 §5.2 热功转换 §5.3 熵 §5.4 理想功和损失功 §5.5 火用及其计算
2019/5/3
§5.0 热力学基本概念复习
1、体系与环境
环境
体系
2、状态和状态函数 3、过程 4、热和功
2019/5/3
2、状§态和5.状0态热函力数 学基本概念复习
状态：某一瞬间体系呈现的宏观状况。 平衡状态：在没有外界影响的条件下，如果
体系的宏观状态不随时间而改变，则称体系 处于热力学平衡状态。
热平衡，力平衡，相于体系的各种宏观性质，是所 处状态的单值函数，所以热力学把各种宏观 性质称为状态函数。
2019/5/3
§5.0 热力学基本概念复习
特别提醒：
过去的教材中习惯用U = Q - W表示，两种表达式完全 等效，只是W的取号不同。用该式表示的W的取号为： 环境对体系作功， W<0 ；体系对环境作功， W>0 。
本新版教材用的是ΔU＝Ｑ+Ｗ，敬请注意！
4)热的推动力是温差。 功的推动力是除温差以外的位的梯度。
体系分类
根据体系与环境之间的关系，把体系分为三类：
（1）敞开体系 体 系与环境之间既有物质 交换，又有能量交换。
（2）封闭体系 体系与环境之间无物
质交换，但有能量交换。
2019/5/3
体系分类
（3）孤立体系（isolated system） 体系与环境之间既无物质交换，又无能量交换，故
又称为隔离体系。有时把封闭体系和体系影响所及的环 境一起作为孤立体系来考虑。
系始终无限接近平衡状态。
4）但它是热力学中极为重要的概念，是作为实际过程中能
量转换效果比较的标准。
若说某体系效率为80%，是指与可逆过程比。
5）可逆过程是效率最高的过程。
体系对外做最大功。
体系对外吸收最小功。
6）很多热力学关系式是在可逆过程的前提下推导出来的。
如：
2019/5/3
dS Q T
2019/5/3
§5.0 热力学基本概念复习
可逆过程：当体系完成某一过程后，如果令过程 逆行而能使过程中所涉及的一切(体系及环境)都 回复到原始状态而不留下任何变化，则此过程称
为可逆过程． ——无限小的沙子。
P,V,T
拿走一粒无限小的沙子，dP减少无限小， 推动力无限小，可以忽略不计。
带活塞的气缸
指体系自一平衡状态到另一平衡状态的转换． 对某一过程的描写：初态+终态+路径.
不可逆过程：一个单向过程发生之后一定留 下一些痕迹，无论用何种方法也不能将此痕 迹完全消除，在热力学上称为不可逆过程．
凡是不需要外加功而自然发生的过程皆是不可 逆过程（自发过程）。
如：爆炸、节流、气体向真空自由膨胀等
5）热量的传递是无序的，热量是规格低的能量。 功的传递是有序的， 功是规格高的能量。
2019/5/3
降低资源消耗 减少环境破坏
• 在化工产品成本中，能源所占的比重很大，一般产 品约占20-30%，能耗高的产品可达70-80%。因此， 化工节能有特殊重要的意义。
• 我国化工系统的能源消费量约占全国总量的10%。 我国的单位产值能源消耗量比世界先进水平高得多， 主要原因在于分离过程的能耗大大高于发达国家。
2019/5/3
1、体系与环境
体系（System） 在科学研究时必须先确定
研究对象，把一部分物质与其 余分开，这种分离可以是实际 的，也可以是想象的。这种被 划定的研究对象称为体系，亦 称为物系或系统。 环境（surroundings）
与体系密切相关、有相互 作用或影响所能及的部分称为 环境。
2019/5/3