第6章化工过程能量分析

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1、第6章化工过程能量分析重点难点：能量平衡方程、嫡平衡方程及应用，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、爛平衡方程及应用（1）能量平衡方程及其应用根据热力学笫一定律：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蜃平衡方程：—加u+—+gz=Xmk丹+二-+gz+0+化-phdzLI2丿」如心I2Ldz式屮左边项代表体系能量的变化，右边项笫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为单位质量的恰，，/2为单位质量的动

2、能，gZ为单位质量的位能，内能、动能和位能fe=9.81m/s2）Z和为单位质量流体的总能量E=U+Er+坊=U+丄/+gZ符号规定：进入体系的质量流率％为正，体系吸热0为正，环境对体系做功炉为正（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屮的各个项，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口。①对封闭体系：忽略动、位能的变化，则能平式变为dU=8Q+6W积分，可得=0+"此即为封闭体系热力学第一定律的数学

3、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。因此稳流休系的特点：体系屮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+Q+处=0把上式屮第一项进、出分开，即得:单位质量的稳流体系的能量方程式:(2(2H+；+影”2+gZ+0+吒=0/outH+-u2+gZ=Q+Ws式中M/。△/々、gAZ、0和亿分别为单位质

4、量的流体经过设备时的焙变、动能变化、位能变化、体系与环境交换的热量及轴功。注意：我们这儿性质的符号没有区分大小写，但是可以根据公式看出是否是单位质量的量。在应用能量方程式时还可根据具体情况作进一步的简化。下面讨论几种常见的情况：对化工机器：如膨胀机、压缩机、泵等设备。可忽略流体的动、位能变化，则有△H=0+化若Q=0t则H=WS对化工设备：流体经过如反应器、换热器、传质设备（精懈塔、吸收塔、混合器等）、阀门、管道等设备时，体系与环境没有功的交换，不作轴功，而且进、出口动、位能变化可忽略不计，即、H=Q此式是稳流体系进行热量衡算

5、的棊木关系式，也是化工过程作热量衡算的依据。节流装置：流体经过节流阀门或多孔塞等装直时体系与坏境既无热量交换，也不做功,进、岀口的动能变化和位能变化亦可忽略不计，则△H=0B

6、JH沪％稳流绝热无轴功的节流过程为等焙过程。根据此式可方便地求得绝热过程屮体系的温度变化。对喷嘴：降低高压流体的温度和压力条件以增加动能的稳流过程。对于这种装置化=0,gAz=0,流体通过喷嘴速度很快来不及散热，可视为绝热过程0=0,则H=~Az/2/2这个式子说明了物系焙的减少等于其动能的增加。（2）爛平衡方程及其应用热力学第二定律阐明了口然界中口发过

7、程进行的方向、条件与限度，指出一切口发过程均向着能蜃的品质降低的方向进行。卡诺热机效率给出了在指定高温热源和低温热源Z间工作的一切热机的最高效率，即热转变为功的限度，热机效率的极限。根据热力学笫二定律引入爛函数，即dsn字仟可逆过程＞不可逆过程）上式即为热力学第二定律的数学表达式。它给出任何过程的爛变与过程热温商的关系。可逆过程屮体系的爛变等于过程的热温商。对不可逆过程，体系的爛变大于过程的热温商。爛是容量性质，是状态函数，因此対任何一个体系來说，只要最初和最终状态和同，不管具体经过哪个途径，也不管过程是否可逆，它们的变化都是相

8、等的。对孤立休系ASiso＞0或＞0此即爛增原理的数学表达式，即孤立体系的爛值永增不减。根据爛增原理可以判断过程进行的方向和限度。此时将体系和环境看作一个人系统，则总爛变等于体系爛变dSsyst和环境爛变dSs吹之和。但在许多情况下，由于环境的条件不易获得，使得环境的爛变往往无法计算，影响上式的应用。对任一敞开体系，爛平衡方程式的微分形式如卜dS右.©Q-AtkkTg式中：左边项表示体系内嫡的变化率；右边第一项表示因物料流进、流出体系而引起的嫡流速率。第二项号表示体系与环境由于热量传递而引起蹣流速率，常称之为“爛流”。流入体系为

9、正；第三项A&即爛产生，是内部生成爛的速率。山于过程不可逆性使体系内部做功能力损失引起爛的产生，属“内因爛变化”。AS庐0,爛产牛永远不会小于零。因此，爛产生可作为判断过程方向的准则。爛不同于质量和能量，它是非守恒量，在孤立（隔离）体系屮，不可逆过程可引起爛值的