化工过程热力学分析

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1、第六章化工过程热力学分析◆6.1基础理论◆6.2化工单元过程的热力学分析◆6.3三种常规的过程热力学分析法◆6.4节能理论进展和合理用能6.1基础理论6.1.1能量的级别从能量的观点看，化工生产过程就是能量利用、转化和消耗的过程。化工生产过程中除原料外，消耗各种形式的能源，如燃料、电力和水蒸气等得到产品的同时还可以提供能量，可输出厂外或用于厂内其他工序现代大型化工厂既要求原料综合利用，也力求能量综合利用。化工生产涉及的能量主要有以下几种形式：（1）热能通常利用燃料的燃烧热，因此燃料是化工厂消耗的主要能源之一。（2）机械能物理学

2、上称之为功，化工生产需要的机械能主要用于流体的输送和压缩。电机驱动余热产生高温高压蒸汽作功驱动（3）电能电能具有便于输送、调节、自动化等一系列优点，主要在化工生产中提供机械能。（4）化学能由于物质化学结构的变化提供或消耗的能量。放热反应：化学能热能吸热反应：热能化学能动力能源——机械能和电能目前的能源结构燃料电池：化学能电能燃料电池将燃料的化学能直接转化为电能，省去了化学能——热能——机械能——电能的中间转化环节，则可以大幅度地提高化学能的利用率。燃料电池的效率理论上是一般蒸汽发电站的两倍多。这项技术已应用于宇宙飞船等尖端行业

3、。将煤、石油、天然气和核能中贮备的能量先转化为热能，然后再转化为功供工业生产使用。因此，热功转化在能量利用的问题上具有特别重要的地位。ηC永远小于1，WC恒小于QH。即使是可逆热机也不能将热全部转化为功。这是为什么呢？热功转化是不可逆的，它存在明显的方向和限度。最大的热机效率是可逆热机的效率，如卡诺热机：功转化为热是分子定向有序运动转化为非定向无序运动，不受任何条件限制；功是分子有序运动的体现。如膨胀机中，高压下的流体分子作定向有序运动才能输出轴功；又如电子作定向有序运动才能输出电功。从微观上看：热则是分子无序运动的体现。热转

4、化为功是分子非定向无序运动转化为定向有序运动，受到一定条件限制。热功转化不可逆性的实质从热一律考察：它们的数量相等；能量不仅有数量，还有质量（品位）。自然界的能量分为三大类：从热二律考察：它们的质量不相当，功的质量高于热。1kJ的热和1kJ的功高级能量——理论上可以完全转化为功的能量，如机械能、电能、水力能和风力能等；低级能量——理论上不能全部转化为功的能量，如热能、内能和焓等；僵态能量——完全不能转化为功的能量，如大气、大地、天然水源所具有的内能。能量的贬质——由高质量的能量变成低质量的能量；合理用能——要注意对能量质量的管

5、理和保护，尽可能减少能量贬质，或避免不必要的贬质。空气能热水器工作原理：空气能热水器优缺点：优点：缺点：外观问题，体积硕大结霜问题，区域特征大压缩机易烧坏，高温高压下运行易结水垢，50~60℃最易结垢出水温度不高，只有50℃左右安全环保，不直接加热运行成本低，比较节能自动化控制6.1.2理想功Wid系统在变化过程中，由于途径的不同，所产生(或消耗)的功是不一样的。理想功就是系统的状态变化以完全可逆方式完成，理论上产生最大功或者消耗最小功。因此理想功是一个理想的极限值,可作为实际功的比较标准。所谓的完全可逆，指的是不仅系统内的所

6、有变化是完全可逆的，而且系统和环境之间的能量交换，例如传热过程也是可逆的。环境通常是指大气温度T0和压力P0=0.1013MPa的状态。6.1.2.1稳流过程的理想功可逆的稳流过程12Q(T1→T2)无数个小型卡诺热机状态1状态2p2,T2,H2,S2Ws(R)WcQ0(T0)周围自然环境温度(T0)图6-1稳流过程Wid示意图理想功应是可逆轴功和卡诺功之和：虚线包围部分作为开系。根据开系熵平衡式，对于可逆过程：令,即得根据稳流过程热力学第一定律的表达式，对于此敞开体系则有令,代入可得ΔH、ΔS分别为物流经过设备装置的焓变和熵

7、变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。理想功与轴功不同在于：理想功是完全可逆过程所作的功，它在与环境换热Q过程中使用卡诺热机作可逆功。通过比较理想功与实际功，可以评价实际过程的不可逆程度。6.1.2.2稳定流动化学反应过程理想功的计算6.1.2.3热力学效率6.2.4化学反应过程“自热”“自热”维持“自力式”例6-11：能量利用情况评估6.2.4化学反应过程“自热”“自热”维持“自力式”例6-11：能量利用情况评估理想功反

8、应焓变例6-12：绝热燃烧过程能量评估6.2.4化学反应过程原子经济性原则化学反应过程领域中的节能创新6.3三种常规的过程热力学分析法火用6.3.1火用与火无6.3.1.1火用(有效能)EX热力学平衡约束性平衡非约束性平衡能级(Ω)0≤Ω≤16.3.1.2火用的组成物理火用化