化工热力学第三版课件教学课件 作者 朱自强 吴有庭 编著第6章 化工过程热力学分析.ppt

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1、化工单元过程的热力学分析2基础理论1第6章　化工过程热力学分析节能理论进展和合理用能4三种常规的过程热力学分析法36.1基础理论12能量的级别理想功Wid3不可逆过程的损耗功WL化工生产涉及的能量主要有以下几种形式：热能机械能电能化学能最大的热机效率是可逆热机的效率，卡诺热机就是可逆热机的一种，其效率ηc为：6.1.1能量的级别6.1.2.1稳流过程的理想功6.1.2理想功Wid6.1.2.2稳定流动化学反应过程理想功的计算在标准状态（25℃，0.10133MPa）下，稳定流动化学反应过程理想功的计算式为：根据热力学基本定义式，在标准状态下，恒温时，有式中，为标准状态下自由焓的变化。由

2、上式可知，式（6-6）中的理想功即为反应过程物流标准自由焓的减少量，即6.1.2理想功Wid6.1.2.3热力学效率ηa理想功是确定的状态变化所能提供的最大功。要获得理想功，过程要在完全可逆的条件下进行。由于一切实际的宏观过程都是不可逆的，因此实际过程提供的功WS必定小于理想功。两者之比称为热力学效率。产功过程耗功过程由上述两式可见，ηa是高级能量的利用率。6.1.2理想功Wid实际过程都是不可逆的，实际功必定小于理想功，理想功与实际功之差称为损耗功得著名的高乌斯托多拉（Gouy-Stodola）公式，在化工过程热力学分析中应用极广6.1.3不可逆过程的损耗功WL6.2化工单元过程的

3、热力学分析12流体流动过程传热过程3分离过程4化学反应过程根据热力学基本原理也可证明，和外界无热、功交换但有压力降的流动过程必定有功损耗。可得流动过程的损耗功为：式中，T和V分别是流体的体积和温度。不论液体或气体，在流动过程中，温度及比容均无太大的变化，因此上式可以简化为流体的压力差大致与流速成平方关系，因而流动过程的损耗功大体与流速的平方成正比。6.2.1流体流动过程传热过程的损耗功应是换热过程的热力学效率为（当TL和TH均大于T0时）：由式（6-22）可知，两者绝对值之差即为损耗功，因此上式也可写成：6.2.2传热过程6.2.3分离过程对于非理想溶液，其分离最小功为如果分离程度不完

4、全，产品为非纯态物质，此时理想功的计算可分两步。第一步，原溶液分离为纯组分；第二步，纯组分按不同比例混合成为最终产品。两步之和即为所求。实际分离过程由于种种不可逆因素的存在，消耗的能量大大超过理想功，两者之比相差几十倍屡见不鲜。6.2.4化学反应过程化学反应引起物质结构的改变要比物理变化深入一层，因此，其能量变化也大得多。在可逆条件下进行化学反应没有功损耗，但设备体积要无限增大，这显然是不现实的。对于反应过程，同样存在着能耗费与投资费用的矛盾，需要权衡轻重。与传质设备相反，大多数工业反应器是可以向外供能的。若在工艺和设备允许的条件下，先将入口气体预热一下，就既能够减小传热温差，又可以做

5、到“自热”维持，而且反应热还能够进一步加以利用。这是目前化学反应过程节能的中心任务之一。6.3三种常规的过程热力学分析法12▌与▌两种损失和两种效率3三种常规的热力学分析法汇总6.3.1.1▉（有效能）EX为了度量能量的品质及其可利用程度，或者比较不同状态下系统的作功能力大小，凯南提出了有效能的概念。有效能也被称为可用能或▉，并用符号EX表示。由系统所处状态变化到基准态这一过程所提供的理想功即为系统处于该状态的▉。系统和环境仅有热平衡和力平衡而未达到化学平衡时，称为约束性平衡。6.3.1▉与▉6.3.1.2▉的组成与式（4-16）的左边相对应，稳流过程的物流具有的总▉值可表示为6.3.

6、1.3物理▉的计算按物理▉和理想功的定义，稳流过程的物系从状态（T，P）变化到环境基准态（T0，P0）所提供的理想功，即物理▉为6.3.1▉与▉6.3.1.4化学▉的计算（１）环境模型（２）元素的标准化学▉6.3.1▉与▉6.3.1▉与▉（３）纯态化合物的标准化学▉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（４）混合物的标准化学▉对于理想气体混合物，其标准摩尔化学可以用各纯组分的标准摩尔化学▉以及其组成来确定若物系为非理想溶液，则其标准摩尔化学▉为6.3.1▉与▉6.3.1.5热流▉的计算根据卡诺热机效率对于恒温热源对于变温热源6.3.1.6▉

7、与理想功物系从状态1变到状态2时，其物理▉的变化量ΔEX为或6.3.1.7▉（无效能）AN根据热力学第一定律，总能量是守恒的，即热力学第二定律意指：能量只能沿着一个方向即耗散的方向转化。6.3.1▉与▉6.3.2两种损失和两种效率6.3.2.1两种损失笼统地说能量损失非但违反热力学第一定律，而且无意义。所谓能量损失，通常指通过各种途径由系统排到环境中去的未能利用的能量。▉的损失可分成两部分。一部分称为内部损失，是由系统内部各种不可逆因素造成的损