化工过程的能量分析
5 化工过程能量分析
Energy Analysis for Chemical Engineering Process
体系的分类：
封闭体系(closed system)：与环境没有物质交换。 体系 敞开体系(open system)：与环境有质量交换。 简单体系（simple system)：体系内部没有任何绝热 (adiabatic)、刚性(rigid)、不渗透(impermeable)的界 面(boundary)，而且不受外部和内部力场的作用。 复杂体系(composite system)：体系由两个或两个以 上的简单体系构成，如半渗透膜海水淡化体系；或 者体系处于外部或内部力场中，如磁场、电场等。 简单体系是最常见的一种体系。对于简单体系，体系的 能量等于其内能，即 E = U。
W s [( pV )m W ]
d ( mU ) dt
W s [(U 1 u2 gz )m Q ] [( pV )m ] 2
W s [(U pV 1 u2 gz )m Q ] 2
因为 H = U + pV，得到
d ( mU ) dt
2 W s [( H 1 u gz ) m ] Q 2
3rd Step: 分析热力学第一定律中的各个项 In this problem, the heat rate is zero because a power outage occurs and heat losses from the tank are negligible. The work rate is also zero since there is no mechanical equipment in the process. The mass in the tank and the mass flowrate are constant. Moreover, if the differences between inlet and outlet kinetic and potential energies can be neglected, the equation of 1st law is simplified as the following form: dU m m ( H H1 ) 0 dt where U and H refer to the internal energy and enthalpy of the water in the tank; H1 is the enthalpy of the cold water entering the tank.
化工热力学化工过程能量分析
H 0 = C pT0
U 终＝CV T
∴
CV T = C pT0
Cp CV T0
故 T=
能平式： 或
U终=H0
U终=H终－pV=H终-RT
H终－ H0 = RT
∴ H终－ RT =H0
Cp(T －T0) = RT
故
T= Cp Cp − R T0 = Cp CV
T0
2．一台压缩机在大气压力及21℃的情况下吸入 CO2 ，其流率为28m3/h，出口条件为7.82atm 及29℃。压缩机用水在夹套里冷却以除去热, 记下定量的水的温度升高而算得水除去的热 为 1890kcal/h ， 驱 动 压 缩 机 的 马 达 耗 电 2.8kW，试决定马达的效率。 (CP) CO2＝9.3 cal/mol.℃
3.解：选透平及其内容物为体系，即稳流体系， 忽略动、位能的变化，其能平式为
ΔH = Q + W s
查教材的表 H1=3152.6kJ/kg H2=2804.4kJ/kg H3=H4=2706.4kJ/kg
查水蒸气表，知： 34 atm，370oC 蒸汽的焓H1=753.1kcal/kg 物流2在13.6 atm，200oC 的焓H2=669.8kcal/kg 物流3为7atm的气液混合物，其焓等于节流后物流4 的焓。 以节流阀为体系，则
∴ W s = ΔH − Q = 86.38 − ( −1890) ∴ 马达效率
= 1976.38 kcal/h = 2.298 kW
2.298 η= = 82% 2.8
3．质量流率为450kg/h的高压水蒸气在起始条件为 34atm和370℃的情况下进入透平膨胀机而对外作 功。两股排出蒸汽如图所示。物流2的条件为 13.6atm和200℃，流率为入口蒸汽的1/3，物流3已 知为7atm的饱和汽液混合物，物流3的一小部分经 过一个节流阀膨胀至1atm，膨胀后的温度为115℃。 如果压缩机得到的功率为34.647×103kcal/h，试计 算透平的热损失。
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
第6章-化工过程能量分析
第6章 化工过程能量分析重点难点：能量平衡方程、熵平衡方程及应用，理想功和损失功的计算，有效能的概念及计算，典型化工单元过程的有效能损失。
1) 能量平衡方程、熵平衡方程及应用(1) 能量平衡方程及其应用根据热力学第一定律：体系总能量的变化率＝能量进入体系的速率-能量离开体系的速率可得普遍化的能量平衡方程：t V p W Q gZ u H m gZ u U m t kk k k d d 22d d s 12sy st 2-++⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++∑= 式中左边项代表体系能量的变化，右边项第一项表示质量流带入、带出的能量，后三项表示体系与环境热和功的交换量。
注意：式中H 为单位质量的焓，u 2/2为单位质量的动能，gZ 为单位质量的位能，内能、动能和位能(g =9.81m/s 2)之和为单位质量流体的总能量E ：gZ u U E E U E p k ++=++=221 符号规定：进入体系的质量流率m k 为正，体系吸热Q 为正，环境对体系做功W 为正(体系得功为正)。
上式适用于任何过程，不受过程是否可逆或流体性质的影响。
要对一个过程进行能量分析或能量衡算，应该根据过程的特点，正确分析能量平衡方程式中的各个项，化简能平式，关键是要会分析题意特点，能平式中各项的含义要明白。
① 对封闭体系：忽略动、位能的变化，则能平式变为W Q U δδd +=积分，可得 W Q U +=Δ此即为封闭体系热力学第一定律的数学表达式。
② 稳态流动体系(简称稳流体系)稳态流动过程是指物料连续地通过设备，进入和流出的质量流率在任何时刻都完全相等，体系中任一点的热力学性质都不随时间变化，体系没有物质和能量的积累。
因此，稳流体系的特点：体系中任一点的热力学性质都不随时间而变；体系没有物质及能量的积累。
对一个敞开体系，以过程的设备为体系，即为稳流体系。
其能平式可化为 02s 12=++⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++∑=W Q gZ u H m k kk k 把上式中第一项进、出分开，即得：022s out2in 2=++⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++W Q m gZ u H m gZ u H 单位质量的稳流体系的能量方程式：022s out2in 2=++⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++W Q gZ u H gZ u H s 2ΔΔ21ΔW Q Z g u H +=++ 式中∆H 。
利用热传导分析化工过程中的能量损失
利用热传导分析化工过程中的能量损失在化工生产中，能量的有效利用和损失控制是至关重要的环节。
热传导作为一种常见的传热方式，对化工过程中的能量传递和损失有着显著的影响。
深入理解热传导现象，对于优化化工工艺、提高能源利用率以及降低生产成本具有重要意义。
热传导是由物质内部分子、原子和自由电子等微观粒子的热运动而产生的热能传递现象。
在化工过程中，热传导往往发生在固体内部、固体与液体或固体与气体的接触面上。
例如，在换热器中，热量通过金属管壁从高温流体传递到低温流体，这就是典型的热传导过程。
要分析化工过程中的能量损失，首先需要了解热传导的基本原理。
傅立叶定律是描述热传导的重要定律，它指出热流量与温度梯度成正比，与传热面积成正比，与传热材料的热导率成正比。
热导率是材料的固有属性，不同的材料具有不同的热导率。
在化工设备中，常用的金属材料如铜、铝等具有较高的热导率，而保温材料如石棉、玻璃棉等则具有较低的热导率。
化工过程中的能量损失主要体现在以下几个方面。
一是设备的散热损失。
化工设备表面与周围环境存在温度差，热量会通过热传导的方式散失到环境中。
例如，反应釜的外壁如果没有良好的保温措施，热量会不断散失，导致能量浪费。
二是管道中的热损失。
在输送高温或低温流体的管道中，热量会通过管壁向外界传递，尤其是在长距离输送过程中，这种热损失可能相当可观。
三是物料之间的传热不均匀导致的能量损失。
在混合、分离等操作中，如果物料之间的传热效果不佳，可能会使部分物料未能达到预期的温度，从而影响反应的进行或产品的质量，同时也造成了能量的浪费。
为了减少化工过程中的热传导能量损失，可以采取多种措施。
首先是选择合适的材料。
对于需要传热的部件，应选用热导率高的材料，以提高传热效率；而对于需要保温的部位，则应选用热导率低的材料，减少热量散失。
其次，优化设备的结构设计。
例如，增加换热器的换热面积、减小管道的直径以缩短传热距离等，都可以提高传热效果，降低能量损失。
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。
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
化工过程的能量分析PPT培训课件
化工过程能量分析的基本原则
系统性原则
将化工过程作为一个整 体系统来考虑，全面分 析各环节的能量流动和
转换。
效率优先原则
以提高能源利用效率为 目标，关注节能降耗的
潜力。
定量分析原则
通过数据和计算，客观 评估能量利用情况和损
失程度。
持续改进原则
不断优化和改进工艺流 程，实现能源利用的最
优化。
02
化工过程的能量平衡分析
02
它通过识别和计算化工过程中的 各种能量消耗和损失，为优化工 艺流程、提高能源利用效率和降 低能耗提供科学依据。
化工过程能量分析的目的和意义
目的
通过对化工过程的能量分析，发 现能量损失和浪费的原因，提出 改进措施，实现能源的高效利用 和减少环境污染。
意义
有利于提高化工企业的经济效益 ，促进可持续发展，同时也有助 于推动化工行业的科技进步。
能量评价的标准和指标
总结词
掌握能量评价的标准和指标，以及如何应用 这些标准和指标进行化工过程的能量评价。
详细描述
能量评价是评估化工过程能源利用效率和经 济效益的重要手段。评价的标准和指标包括 能量平衡、能效比、能源成本等。通过这些 标准和指标的应用，可以全面了解化工过程 的能源利用状况，发现存在的问题和改进空
• 智能化和信息化技术的发展，将为化工过程能量分析提供更多的数据支持和计 算手段。例如，利用大数据、人工智能等技术对化工过程进行实时监测和智能 优化，可以实现更精准的能耗管理和节能降耗。
THANKS
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节能技术的实例和分析
实例二
能量系统优化在化工过程中的应用
分析
能量系统优化是一种综合节能技术，通过对整个生产过程的能量进行系统优化，实现能 源利用效率的最大化。在化工过程中，能量系统优化可以通过对工艺流程进行改进、对 设备进行集成等方式实现。优化后的能量系统可以提高生产效率、降低能源消耗和生产
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（1）体系发生的所有变化都是可逆的。 过程完全可逆：
（2）体系与环境间有热交换时也是可逆的。
（环境通常是指大气温度T0和压力 P0=0.1013MPa的状态。）
注意： 理想功和可逆功并非同一概念。理想功是指可逆 有用功，即可利用的功，但并不等于可逆功的全部。
• 将空气当作理想气体，并忽略压降时
T2 T1 V2 V1
T2 T1 u2 A u1A
u2
u1
T2 T1
5 423 303
6.98m /
s
m 1 u2 50 6.982 52 593J 0.593kJ
2
2
mgz 50 9.81 3 1472J 1.472kJ
Q 6030 0.593 1.472 6032kJ
节流阀 Throttling Valve
理想气体通过节流阀温度不变
混合设备
混合两种或多种流体 是很常见。
混合器
混合设备 H 0
H
u 2
2
gz
Q
Ws
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?
否 通常可以忽略 否 否
当不止一个输入物流或（和）输出物流时
H xi Hi x j H j
第四章 化工过程的能量分析
◆ 第一节 能量平衡方程 ◆ 第二节 热功间的转换 ◆ 第三节 熵函数 ◆ 第四节 理想功、损失功和热力学效率 ◆ 第五节 有效能
第一节 能量平衡方程
一、 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。通常， 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， 它们就不是状态函数，而与过程有关。 • 热量是因为温度差别引起的能量传递，而做功是由势差引 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。
间的可逆传热量为 Qrev=T0ΔS
Wid
H
u 2
2
gz
T0S
忽略动能和势能变化 Wid H T0S
理想功的性质：
•1、理想功是状态参数
稳流过程的理想功只与状态变化有关，即与初、 终态以及环境温度T0有关，而与变化的途径无关。只要 初、终态相同，无论是否可逆过程，其理想功是相同的。
•2、理想功与理论功（可逆轴功）不同
T1、P1、H1、S1
1 状态1
WS R
可逆的 稳流过程
T2、P2、H 2、S2
2
状态2
Q(T1 T2 )
无数个小型
Wc
卡诺热机
Q0 (T0 )
周围自然环境
（温度T0 ）
图6-4稳流过程理想功示意图
稳定流动系统的热力学第一定律表达式为：
H
u 2
2
gz
Q
Ws
假定过程是完全可逆的，而且系统所处的环境可认为是— 个温度为T0的恒温热源。根据热力学第二定律,系统与环境之
流动功。只有在连续流动过程中才有这种功。
对于流动过程，系统与环境交换的功是轴功与流动功之和
W Ws P1V1 P2V2
• 稳态流动系统的能量平衡关系可写为
U 2
u22 2
gz2
U1
u12 2
gz1
Q
Ws
P1V1
P2V2
U
PV
u 2
2
gz
Q
Ws
将焓的定义 H=U+PV 代入上式可得稳定流动 系统的能量平衡方程
混合器
3
2
H xi Hi x j H j 0
出
入
x1H1 x2H 2 H3
x1 x2 1
换热设备
整个换热设备与环境交换的热量可以忽略不计，换热 设备内部两股物流存在热量交换。换热设备的能量平衡方 程与混合设备的能量平衡方程相同，但物流之间不发生混 合。
H xi Hi x j H j 0
水往低处流
气体由高压向低压膨胀
热由高温物体传向低温物体
• 我们可以使这些过程按照相反方向进行，但是 需要消耗功。
• 第一定律没有说明过程发生的方向，它告诉 我们能量必须守衡。
• 第二定律告诉我们过程发生的方向。
二、热功间的转化及其方向性实质
• 热功间的转化：
功可以自发全部转化为热；而热只 能非自发的部分转化为功。
热力学第一定律即为能量守恒定律，它阐明了能量“量”的属性。
人体的能量平衡
热量平衡
•
能量的形式不同，但是可以相互转化或传递，
在转化或传递的过程中，能量的数量是守桓的，这就
是热力学第一定律，即能量转化和守恒原理。
•
体系在过程前后的能量变换ΔE应与体系在该
过程中传递的热量Q与功W相等。
E Q W
• 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。
喷嘴与扩压管
u 2
H
0
2
H
u 2
2
gz
Q
Ws
是否存在轴功?
否
是否和环境交换热量? 通常可以忽略
位能是否变化?
否
H2
H1
u12
2
u22
流体通过焓值的改变来换取动能的调整
质量流率
•
m
u1 A1
u2 A2
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，但是要消耗功
稳定流动系统的热力学第一定律表达式为：
H
u 2
2
gz
Q
Ws
流动功包含在焓中
轴功
⊿ H、⊿ u2/2、g⊿ z、Q和Ws 分别为单位质量流体的焓 变、动能变化、位能变化、与环境交换的热量和轴功。
使用上式时要注意单位必须一致。按照SI单位制，每一 项的单位为 J·kg-1。动能和位能的单位
m2 s2
100%
机
wSR wS
100%
一些常见的属于稳流体系的装置
喷嘴 扩压管
透平机
混合装置
节流阀
压缩机
换热装置
喷嘴与扩压管
喷嘴 扩压管
喷嘴与扩压管的结 构特点是进出口截面积 变化很大。流体通过时， 使压力沿着流动方向降 低，而使流速加快的部 件称为喷嘴。反之，使 流体流速减缓，压力升 高的部件称为扩压管。
2
对于非粘性流体或简化的理想情况，可忽略摩擦损耗，则
P gz u2 0
2
例 5-1 1.5MPa的湿蒸汽在量热计中被节流到0.1MPa 和403.15K，求湿蒸汽的干度
解:
H
u 2
2
gz
Q
Ws
H 1 H2
节流过程无功的传递， 忽略散热、 动能变化 和位能变化
T℃ 120
130
160
H kJ/kg 2716.6
位能是否变化? 动能是否变化?
有时变化 通常不变化
Bernoulli 方程
H
u 2
2
gz
Q
Ws
对于无热、无轴功交换、不可压缩流体的稳流过程
H U PV U VP U P /
实际流体的流动过程存在摩擦损耗，意味机械能转变为 热力学能，有摩擦损耗
F U
F P gz u2 0
H2
2796.2
130 120 H2 2716.6 160 120 2796.2 2716.6
H2 2736.5kJ / kg
H2 H1 2736.5
• 1.5MPa 饱和液体焓值 Hl=844.9
•
饱和蒸汽焓值 Hg=2792.2
H1 Hl 1 x H g x
x H1 Hl 2736.5 844.9 0.9709 H g Hl 2792.2 844.9
透平机和压缩机 Ws H
H
u 2
2
gz
Q Ws
是否存在轴功?
是!
是否和环境交换热量? 通常可以忽略
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
节流阀
H 0
H
u 2
2
gz
Q
Ws
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?
否 通常可以忽略 否 通常可以忽略
I
换热器
Q Zi
透平机
Ws
基准水平面
图 4-1 稳定流动过程
Z
Vj
uj
II Z j
流体从截面1通过设备流 到截面2，在截面1处流体进 入设备所具有的状况用下标1
表示，此处距基准面的高度 为z1，流动平均速度u1，比容 V1，压力P1以及内能U1等。 同样在截面2处流体流出所具 有的状况用下标2表示。
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 ℃，若换
热器进出口管直径相等，忽略空气流过换热器
的压降，换热器高度为3m，空气
Cp=1.005kJ/kg·K,求50kg空气从换热器吸收的
热量
解:
H
u 2
2
gz
Q
Ws
mH mCP T2 T1 501.005 423 303 6030kJ
稳态流动体系
miSi m jS j
入
出
Q
T
S产生
0
绝热节流过程
Q
T
0
，只有单股流体，mi＝mj＝m,
S产生 m S j Si mS
可逆绝热过程 miSi m j S j
入
出
单股流体 Si S j