化工过程的能量分析
化工热力学课件化工专业本科阶段-(8)
解 W idHT0S
W L W s W idT 0S Q
T产生功
Ws Wid
Ws 0.85 WR
HQWs
可逆绝热过程 S1 S2
HWR
25
查过热水表汽表可知，初始状态1.57MPa， 484℃ 时的蒸汽焓、熵值为H1=3437.5kJ/kg, S1=7.5035kJ/(kg·K)
若蒸汽按绝热可逆膨胀，则是等熵过程，当膨胀 至0.0687MPa时,熵为 S´2=S1=7.5035kJ/(kg·K) 查过热水 蒸汽表
交换，例如传热过程也是可逆的
3
流动过程理想功的计算式
对于稳流过程，热一律表达式为：
H12C2gZQWS
忽略动，势能变化
HQWS
若可逆
QT0S
W id HT 0 S (7-41)
稳流过程理想功
4
注意点：
➢不忽略进出口的动能，势能的变化。完整的表达式为：
W id HT 0 S1 2 C 2g Z
➢体系经历一个稳流过程，状态发生变化，即可计算其 理想功，理想功的值决定于体系的始、终态与环境温度， 而与实际变化途径无关。
11
解：100kPa压力下水的沸点约为100℃，有水蒸气
表查得
H1=2676.1kJ/kg， S1=7.3549kJ/（kg·K） 在环境温度（T0=t0＋273.15=293.15K）下， 100kPa压力下水的焓和熵为
H0=83.96kJ/kg， 所以加给水的热量为
S0=0.2966 kJ/（kg·K）
➢要区别可逆轴功与理想功这两个概念．WidWSRWc
对绝热过程
WC 0
Wid WSR
对不做轴功的过程 WSR 0
Wid Wc
化工过程分析与综合论文
化工过程分析与综合论文引言：化工过程是指通过物理、化学或生物的方法将原料转化为有用的产品或中间体的过程。
化工过程分析与综合是对化工过程进行全面研究和评估，以确定其效益、可行性和优化方案。
本文将对化工过程分析与综合进行探讨，并结合实际案例进行具体分析。
一、化工过程分析1.1过程流程分析1.2能量与物质平衡分析在化工过程中，能量和物质平衡是非常重要的。
能量平衡分析可以确定能源的消耗和回收情况，通过改进能源利用效率和减少能源消耗来提高过程经济性。
物质平衡分析可以确定原料和产物的转化率、损耗和废物产生情况，以便采取措施减少资源浪费。
1.3反应动力学与机理分析反应动力学和机理分析可以帮助我们深入了解化工过程中的反应过程和速率。
通过实验和数学模型的应用，可以确定适当的反应条件和催化剂选择，以提高反应速率和选择性。
二、化工过程综合2.1工艺方案评估在确定了化工过程的基本特征后，可以进行不同工艺方案的评估。
评估包括经济性、可行性、环境影响和可持续性等因素的综合考虑。
评估的目标是选择最佳的工艺方案，以实现经济效益和环境友好的化工过程。
2.2优化设计通过优化设计，可以进一步改进化工过程的性能。
优化设计可以包括改进反应条件、改变催化剂组合、优化中间产品分离步骤等。
通过选择合适的优化策略，可以提高产品质量、降低能源消耗和减少废物产生。
2.3安全性评估在化工过程综合中，安全性评估是一个必不可少的环节。
通过对潜在的危险性和风险进行评估，可以采取相应的措施来确保操作人员的安全和环境的健康。
安全性评估还包括可燃性、爆炸性和有毒物质的处理等方面。
结论：化工过程分析与综合是化工工程中的重要环节。
通过对化工过程的全面分析和综合评估，可以实现优化设计和经济效益的提高。
然而，化工过程的分析与综合需要综合考虑多个因素，包括经济性、可行性、环境影响和安全性等。
只有综合考虑这些因素，我们才能设计出更加高效、环境友好和安全的化工过程。
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。
8. 第六章 化工过程的能量分析
2）稳态流动体系：
d (mE)体系 u2 u2 （H gZ） （H gZ） m２ Q Ws 1m1 ２ 2 2
m1 m2 m
稳定流动体系没有 物质及能量的积累
m1 m2 dm
d (mE)体系 0
u2 u2 （H gZ） （H gZ） m２ Q Ws 0 1m1 ２ 2 2 单位质量稳流体系的能量方程：
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。
不是状态函数
当能量以热和功的形式传入体系后， 增加的是内能。
a. 内能
U=f(T,P, x)
系统内部所有粒子除整体势能和整体动能外， 全部能量的总和。
分子内动能：分子不是静止，在任一时刻做平 动、转动和振动。 分子内势能：分子间具有相互作用力，同时分 子间存在相互间的距离。 分子内部的能量：分子由原子构成，原子由原 子核和核外高速运转的电子构成，它们会带来一 定能量。
④阀门的节流
H
u 2
2
gZ Q Ws
将流体通过阀门前后所发生的状态变化。 ——节流过程 throttling process ∵ △Ek=0；△Ep=0 ；Ws=0；Q=0
∴ △H =0
H1=H2
理想气体通过节流阀温度不变
混合设备
混合两种或多种 流体是很常见的。
混合器
混合设备
H u 2
2 dH udu gdZ Q W
dH dU pdV Vdp
gZ Q Ws
H U pV
dU Q pdV
Vdp udu gdZ WS
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 。
化工生产过程物料衡算和能量衡算
化工生产过程物料衡算和能量衡算一、物料衡算物料衡算主要是对物料在生产过程中的流动进行定量分析和计算。
它包括物料的进出口流量、过程中的转化和损失等方面。
物料衡算的目的是确定物料的流动情况，以控制和优化生产过程。
物料衡算通常涉及以下几个方面：1.原料的输入和产物的输出：从化工生产过程的角度来看，物料衡算的第一步是确定原料的输入和产物的输出。
这可以通过物料的质量或体积以及流量来衡量。
2.过程中的转化：化工生产过程中，原料经过一系列的化学反应、物理过程和分离步骤，转化成所需的产物。
物料衡算需要确定过程中每个反应、过程或分离步骤涉及的物料流量和转化率，以及产物的纯度和收率。
3.丢失与损耗：化工生产过程中常常存在物料的丢失和损耗，如挥发、固体颗粒的落地损失等。
物料衡算需要考虑这些损耗，并尽量减少它们的发生。
物料衡算的重要性在于通过对物料流动的定量分析，可以帮助工程师了解和控制生产过程中的物料转化、损耗和产物生成情况，从而优化生产过程。
二、能量衡算能量衡算是对化工生产过程中能量转换的定量分析和计算。
它涉及到能源的输入与输出以及能量的转化。
能量衡算可用于改善能源效率，减少能源消耗和废弃物的排放。
能量衡算主要包括以下几个方面：1.能源输入：能源是化工生产过程中的重要驱动力之一，常见的能源包括电能、燃料、蒸汽等。
能量衡算需要确定能源的类型、质量或热值、消耗量和运用效率。
2.能量转化：化工生产过程中会发生能量的转化，如化学反应产生的热能、电能转化为机械能等。
能量衡算需要考虑这些能量转化过程，并计算能量的转化率和损耗。
3.能源的输出：化工生产过程中也会有能源的输出，如废热、废气、废水等。
能量衡算需要确定这些能源输出的类型、质量或热值、排放量以及处理方式。
能量衡算的目的是优化能源的利用，提高能源效率，减少能源消耗和环境污染。
通过定量分析和计算能量流动，能量衡算可以帮助工程师了解和控制能源输入与输出，寻找能源转化和能耗的瓶颈，提出改进方案，提高生产过程的能量利用率。
能量过程利用第四章 石油化工过程用能分析12
3. 工艺过程，特别是炼油和大部分化工过程中， 工艺物料多为传热性能很好的流体，热过程所 需要的热量分布在很广的温度范围，这就使主 要工艺变化完成以后的物流所携出的能量可能 得到最大限度的回收重复利用，从而大大减少 需要供入的能量。目前，主要是借各种换热器 来回收热量；借膨胀机、水力透平回收功。
二、工艺过程用能三环节模式
结合石油化工过程的特点，对原用能分析三环 节模型提出以下改进意见: 1．用能分析计算基准 基于炼油行业习惯，早期的用能分析三环节模 型是以单位原料为计算基准进行能量平衡及火用平 衡计算的，究其原因，主要是炼油企业(装置)主要 原料单一，而产品分布较广，采用单位原料作为计 算基准比较方便。
而石油化工则往往是多种原料，产品比较 单一明确，习惯上，以目的产品为计算基准比 较方便。而对于多种原料和多种产品的情况， 又以单位时间(小时)为计算基准比较方便。 因此，用能分析的计算基准应根据不同行 业的具体特点选取不同的计算基准，使其在同 行业中具有可比性。
=1- (DJR + DKR) / EXO
有时，需分别表示回收循环和回收输出两部分，有：
能量循环率： ηRC = ER / EO 火用循环率： ηXC = EXR / EXO 能量输出率： ηRE = EE / EO 火用输出率： ηXE = EXE/ EXO 三者之间关系为：
ηR = ηRC + ηRE ηXR = ηXC + ηXE
3. 能量利用环节的设备散热 应将工艺利用环节设备散热在用能分析模型 中单列一项，直接由利用环节排出，并记作EUD 。 4. 关于原料的化学能 原料和产品化学能的差别大都体现在过程的化 学反应热中，放在装置的热力学能耗中体现。 5. 反应放热应计入工艺总用能 对于吸热反应，反应热来源于外界供入能和 循环回收的能量，已经计入工艺总用能。
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。
化工热力学第六章化工过程能量分析
5）柏努利方程
不可压缩的流体在管道中的流动，若假设流体无粘性（无阻力，无摩 擦），并且管道保温良好，流动过程中流体环境无热、无轴功的交换。
p gz 1 u2 0
2
(6-10)
例 6-1～例 6-5
§6.2 热力学第二定律及其应用
第二定律的典型表述： ⑴有关热流方向的表述 ：
1850年克劳休斯： 热不可能自动的从低温物体传给 高温物体。
亚音速
超音速
（2）扩压管：在流动方向上流速降低、压力增大的 装置称为扩压管。
根据此式（6-8）、（6-9）可计算流体终温、质量流速、 出口截面积等，因此它是喷管和扩压管的设计依据。 由热力学基本关系式可知
dH TdS Vdp Q Vdp 过程的 Q ，0 但T≠0，所以 dS 0
因此可逆绝热稳流过程为等熵过程。
过程不做功， WS 0 ，则有 H 0
因此
Mh m1h1 m2h2
可求得混合后空气的温度
T3
m1C
T id
p1
m2C
id p
T2
MC
pmh
m1T1 m2T2 M
10500 5300 433.3K
15
对于绝热稳流过程，由式(6-18)可得
Sg m js j 出 misi 入 Ms3 m1s1 m2s2
过程的不可逆程度越大，熵产生量也越大，熵产生永远 不会小于零，写成：
Sg 0 Sg 0 Sg 0
不可逆过程 可逆过程 不可能过程
6.2.2 熵平衡方程式
熵平衡的一般关系式：
熵入 熵出 熵产生 熵积累
熵流 S f (Q T )
物流流入
mi si
i
in
物流流出
C6化工过程的能量分析之有效能分析
化工热力学 第六章 化工过程热力学分析 第五节 6、化学 的计算：
E X C H H 0 T 0 S S 0
一般规定环境温度T0、环境压力P0以及基准物的种类、状态和组成。
（A）波兰学者斯蔡古特模型：
化工热力学 第六章 化工过程热力学分析 第五节 （B） 日本学者龟山—吉田模型:
其他元素以T0、P0下最稳定的化合物作为该元素的基准物，液 体、固体的基准物浓度（摩尔分数）规定为1。
化工热力学 第六章 化工过程热力学分析 第五节
解 E x ： T （ 0S 0 S ） （ H 0 H ）
P,
T,K
MPa
水
饱和蒸 汽
过热蒸 汽
饱和蒸 汽
饱和蒸 汽
0.101 3
1.013
1.013
6.868
8.611
298 453 573 557.2 573
S (KJ/Kg.K )
0.3674 6.582 7.13 5.826 5.787
6.5865 -819.9 819.9
S0=0.36740化工热力学来自第六章 化工过程热力学分析 第五节
5 热量 的计算：
定义：热量相对于平衡环境态所具有的最大作功能力。EXQ
由卡诺热机效率
k
WS QH
Ex,Q QH
THT0 TH
热物体P，T
恒温 变温
EXQ
Q1
T0 TH
EXQ QH1TTm0
E xT （ 0S 0S ） （ H 0H ）
P,MPa
T,0C H(KJ/Kg )
蒸汽7.00 285 2772.1 蒸汽1.0 179.9 2778.1 0.1013MPa 25(水) H0=104.89
作业解答化工热力学第四章化工过程的能量分析2019
• 根据稳定流动过程的能量平衡方程
H
=
Q
-
WS
-
gZ
-
1 2
u2
• ∵ ∆H=mCp(T2-T1)
225 (0.750) 0.1962 = -224 k J • kg-1
• ∴送入第二贮水罐的水温
T2
H mC p
T1
224 1 4.187
95
41.5℃
• 4-3 将35kg、温度为700K的铸钢件放入135kg而温度为294K的油中冷 却，已知铸钢和油的比热容分别为(Cp)钢=0.5kJ/(kg•K)和(Cp)油 =2.5kJ/(kg•K)，若不计热损失，试求：（1）铸钢件的熵变；（2）铸 钢件和油的总熵变。
• 4-8 6.0MPa，400℃的过热蒸汽（H1=3174 kJ·kg-1，S1=6.535 kJ·kg-1·K-1）在稳流过程 中经透平绝热膨胀到0.004MPa、干度x=0.9。 （已知0.004 MPa下Hg=2554 kJ·kg-1， Sg=8.4808 kJ·kg-1·K-1，HL=120 kJ·kg-1， SL=0.4177 kJ·kg-1·K-1）。T0=298K。求该过 程的Wid、Wac、WL及热力学效率η 。
S2＝S1＝7.488kJ/(kg•K) 当p2=6.868×104Pa，S2＝7.488kJ/(kg•K)时，查得
H2 2659 kJ / kg 由此绝热可逆功
WS H2 H1 2659 3428 769 kJ / kg
• 透平机实际输出的轴功为
WS 80%WS 80% 769 615 .2kJ / kg
u2
u1
p1T2 p2T1
101.03 403 1.02 303
化工过程能量分析
化工过程能量分析引言化工过程能量分析是一种重要的工程分析方法，用于评估化工过程中能量的转化和利用情况。
能量是化工过程中最基础的要素之一，对于化工产品的生产、能源消耗和环境影响起着至关重要的作用。
通过对化工过程的能量分析，可以优化能源利用，减少能源消耗，提高化工工艺的可持续性和经济性。
能量分析的基本原理能量分析基于能量守恒定律，认为能量是不可创造也不可消灭的，只能从一种形式转化为另一种形式。
在化工过程中，能量可以以多种形式存在，如热能、电能、机械能等。
能量分析的基本原理是追踪能量在化工过程中的流动和转化，以确定能量的输入、输出和损失。
能量分析的步骤1.确定能量流的路径：首先需要识别化工过程中能量流的路径，包括原料输入、能量转化和产物输出过程。
通过图表或流程图的形式清晰地表示能量流动的路径。
2.测量和计算能量输入和输出：对于能量流经过的每个环节，需要进行能量输入和输出的测量和计算。
常用的测量工具包括温度计、流量计、压力计等。
通过对能量输入和输出的测量和计算，可以得到能量平衡。
3.确定能量损失和效率：计算能量损失和能量转化的效率是能量分析的重要步骤。
能量损失的原因可以包括传热过程中的热损失、能量转化过程中的不完全转化等。
通过计算能量损失和效率，可以评估化工过程的能量利用情况。
4.优化能量利用：根据能量分析的结果，可以制定相应的措施来优化能量利用。
例如，通过改进设备设计、调整操作条件或采用新的能量转化技术来提高能量利用效率。
实例分析：乙烯生产过程的能量分析以乙烯生产过程为例，对其能量分析进行具体实例分析。
1.能量流路径：乙烯生产过程包括原料输入、反应转化和产物输出三个主要环节。
原料输入包括乙烷和空气，反应转化包括乙烷裂解生成乙烯，产物输出为乙烯。
2.能量输入和输出的测量和计算：通过测量乙烯生产过程中原料和产物的温度、流量和压力等参数，可以计算能量输入和输出。
如乙烷的燃烧产生的热量为能量输入，乙烯产物的冷却散热为能量输出。
化工过程的能量分析
熵增原理
自然界一切能够进行的过程都是向着熵增大的方向进行的。 通过以上讨论，我们可以得到以下结论： ⑴自然界一切自发进行的过程都是熵增大的过程； ⑵自发过程向着熵增大的方向进行； ⑶自发进行的限度；
3理想功、损失功和热力学效率
1）理想功 2 )损失功 3 )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：
有效能的定义是系统由所处的状态变到基准态时所提 供的理想功，对于稳定流动过程，流体的有效能系有动能 有效能、势能有效能、物理有效能和化学有效能构成，一 般情况下，前两种有效能课忽略。当系统处于基准态时， 各部分有效能均为零。
5化工过程能力分析及合理用能
化工过程的热力学分析，是利用热力学第一、第二定律 分析过程中消耗功的大小及产生原因，以提高生产过程能 量的利用率。
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。
热力学效率 要想获得理想功，工程就必须实在完全可逆的情况下进
二 化工过程的能量分析
化工过程需要消耗大量能量，提高能量利用率、合理地
使用能量已成为人们共同关心的问题。从最原始的意义上
来说，热力学是研究能量的科学，用热力学的观点、方法
来指导能量的合理使用已成为现代热力学一大任务。 进行化工过程能量分析的理论基础是
热力学第一定律 热力学第二定律。
主要内容
1能量平衡方程---热力学第一定律 2热力学第二定律及应用 3理想功、损失功和热力学效率 4有效能
化工热力学第五章
化学反应 相变化 体系状态变化， 体系状态变化，如 温度变化
∆H
3)对化工机器的绝热过程 3)对化工机器的绝热过程
当体系在绝热情况下，与环境进行功的交换时， 当体系在绝热情况下 ， 与环境进行功的交换时 ， 1 ∆C 2 = 0 g∆Z = 0 Q=0 ∵ 2
∴
Ws = ∆H
此式说明了在绝热情况下， 此式说明了在绝热情况下，当动能和位能的 变化相对很小时， 变化相对很小时，体系与环境交换的功量等 于体系焓的减少
第五章
化工过程的能量分析
5.1 能量平衡方程
• 一． 热力学第一定律的实质
热力学第一定律的实质就是能量在数量上是守恒的 基本形式为： 基本形式为： Δ（体系的能量）＋Δ（环境的能量）＝0 体系的能量） 环境的能量） 体系的能量）＝－Δ 环境的能量） 或 Δ（体系的能量）＝－Δ（环境的能量） 体系的能量的增加等于环境的能量的减少。 体系的能量的增加等于环境的能量的减少。
正卡诺循环的结果是热部分地转化为功， 正卡诺循环的结果是热部分地转化为功，用热效率来评价循环的经济性
热效率: 热效率:
− WS 移走净功 η= = QH 热量输入
热效率的物理意义： 热效率的物理意义： 工质从高温热源吸收的热量转化为净功的比率。 工质从高温热源吸收的热量转化为净功的比率。
26
据热力学第一定律: 据热力学第一定律: ∵ ∴ 又∵ ∴
20
自发、非自发和可逆、非可逆之间的区别？ 自发、非自发和可逆、非可逆之间的区别？
• 自发与非自发过程决定物系的始、终态与 自发与非自发过程决定物系的始、 环境状态； 环境状态；
• 可逆与非可逆过程是（考虑）过程完成的 可逆与非可逆过程是（考虑） 方式，与状态没有关系。 方式，与状态没有关系。
热力化学第六章 化工过程热力学分析
Wid 耗功：a WS
T0 T0 Q低 Q 1 1 T L T I a T0 Q高 1 T H
T0 1 T L T0 1 T H
100%转化为理想功。 100%转化为理想功。
E XP
E XPh 部分转化为理想功。 E XC 部分转化为理想功。
稳流过程，流体具有的总有效能为：
EX EXK EXP EXPh EXC
6.3 过程热力学分析法
1）动能 和位能 100%转化为理想功。
E XK
2） 物理
6.2 化工单元过程的热力学分析
1. 流体流动过程的热力学分析 问题的提出： 由于流体流动有摩擦，包括流体的内摩擦及 流体与管道、设备的摩擦，使流体的一部分机械 能耗散为热能，导致功损耗，并有熵产生。 流体流动的推动力是压力差，为不可逆过程， 也有熵产生。 讨论流体流动过程的功损耗应首先找出熵产生 与压力降之间的关系：Δ Sg Δ p
6.2 化工单元过程的热力学分析
(4)换热过程的热力学效率： 例题6-9
H L Wid WL Wid a H H Wid Wid 无温差的传热过程，若无散热损失： a 1，但实际 生产中均为不可逆的有温差传热：
H L Wid Wid
a 1
思考： (1)热量全部回收，仍有功耗，为什么？
T Q ) Q(1 0 ) T T
|QH|=|QL|=Q
T0 ) TH T L Wid Q (1 0 ) TL
H Wid Q (1
损耗功： WL W
H id
T0 (TH TL )Q W TH TL
L id
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过程中，能量损失是一个不可避免的问题。
随着科技的不断进步，研究人员们开始利用热传导来分析和解决这个问题。
热传导是指热量从高温区域传递到低温区域的过程，通过对热传导的分析，我们可以找出能量损失的原因，并采取相应的措施来减少能量损失。
首先，让我们来了解一下热传导的基本原理。
热传导是通过分子之间的碰撞和振动来传递热量的。
在化工过程中，能量损失主要是由于热量通过材料的传导而消耗掉的。
这种传导过程可以通过热传导方程来描述，该方程是根据热传导定律得出的。
通过解析这个方程，我们可以计算出能量损失的大小，并找出引起能量损失的主要原因。
其次，让我们来看一下在化工过程中常见的能量损失情况。
一个常见的例子是管道输送过程中的能量损失。
在管道输送过程中，由于管道材料的热传导，热量会从管道内部传递到外部环境中，导致能量损失。
另外，由于管道本身的绝热性能有限，也会导致能量的损失。
通过对这些能量损失的分析，我们可以找到改善管道绝热性能的方法，从而减少能量损失。
此外，化工过程中的换热器也是能量损失的一个重要来源。
换热器是用来将热量从一个流体传递到另一个流体的设备。
在换热过程中，由于换热器本身的热传导，热量会从高温流体传递到低温流体，从而导致能量损失。
为了减少这种能量损失，我们可以采取一些措施，比如增加换热器的绝热性能，优化换热器的结构等。
除了管道和换热器，还有许多其他的化工设备也存在能量损失的问题。
例如，反应器中的能量损失主要是由于反应物的热传导引起的。
在反应过程中，反应物会通过反应器壁传递热量，导致能量损失。
通过对反应器的热传导进行分析，我们可以找到减少能量损失的方法，比如增加反应器的绝热性能，优化反应器的结构等。
总结起来，利用热传导分析化工过程中的能量损失是一个重要的研究方向。
通过对热传导的分析，我们可以找到能量损失的原因，并采取相应的措施来减少能量损失。
在化工过程中，管道、换热器和反应器等设备都存在能量损失的问题，我们可以通过优化这些设备的结构和绝热性能来减少能量损失。
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单位质量的流体带入、带出能量的形式为动能(u2/2)， 势能(gz)和热力学能(U)。
1 2 E1 U1 u1 gz1 2
g为重力加速度。
1 2 E2 U 2 u2 gz2 2
系统与环境交换功W，实际上由两部分组成。一部分是通 过泵、压缩机等机械设备的转动轴，使系统与环境交换的轴功 Ws ；另一部分是单位质量物质被推入系统时，接受环境所给 与的功，以及离开系统时推动前面物质对环境所作的功。 假设系统入口处截面面积为Al，流体的比容为V1，压力为 P1，则推动力为P1A1，使单位质量流体进入系统，需要移动的 距离为V1/A1,推动单位质量流体进入系统所需要的功为
封闭体系的能量平衡方程
在闭系非流动过程中的热力学第一定律数 学表达式为
U Q W
5.1.3
稳态流动体系的能量平衡方程
稳态流动是指流体流动途径中所有各点 的状况都不随时间而变化，系统中没有物料 和能量的积累。
稳态流动系统的能量平衡关系式为：
E2 E1 Q W
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。
1 2 6.98 5 m u 50 593J 0.593kJ 2 2
2 2
mgz 50 9.81 3 1472 J 1.472kJ Q 6030 0.593 1.472 6032kJ
换热器的动能变化和位能变化可以忽略不计
5.2 热功间的转化
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
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
轴功
流动功包含在焓中
⊿ 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。
熵产生是体系内部不可逆性引起的熵变化 可逆过程 不可逆过程
S产生 0 S产生 0
封闭体系
S体系
稳态流动体系
Q
T
S产生
m S m S T 入 出
i i j j
Q
S 产生 0
绝热节流过程
S 产生 mS j Si mS
可逆绝热过程
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
透平机和压缩机
H
u
2
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
节流阀
H
u
2
2
gz Q Ws
热力学第二定律 • 克劳修斯说法：热不可能自动从低温物体传给高 温物体。 • 开尔文说法：不可能从单一热源吸热使之完全变 为有用的功而不引起其他变化。 热力学第二定律说明过程按照特定方向，而不 是按照任意方向进行。 自然界中的物理过程能够自发地向平衡方向进 行。
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
解
H
u 2
2
gz Q Ws
mH mCP T2 T1 50 1.005 423 303 6030kJ
将空气当作理想气体，并忽略压降时
T2 T1 V2 V1
T2 T1 u2 A u1 A
T2 423 u2 u1 5 6.98m / s T1 303
Wid H
u
2
2
gz T0 S
忽略动能和势能变化
Wid H T0 S
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。
5.3 熵函数
5.3.1熵与熵增原理 熵增原理
dS
Q
T
等号用于可逆过程，不等号用于不可逆过程。 孤立体系
dS 0
5.3.2 熵平衡
S体系 mi Si m j S j
入 出
Q
T
S 产生
熵流是由于有热量流入或流出系统所伴有的墒变化
Q
T
由于传递的热量可正，可负，可零，墒流也亦可正，可负，可零。
T ℃ 120 130 160 H kJ/kg 2716.6 H2 2796.2
130 120 H 2 2716.6 160 120 2796.2 2716.6
H 2 2736.5kJ / kg
H 2 H1 2736.5
1.5MPa 饱和液体焓值 Hl=844.9 饱和蒸汽焓值 Hg=2792.2
V1 P P 1A 1 1V1 A1
这是单位质量流体进入系统时，接受后面流体(环境)所给予的 功；同样,单位质量流体离开系统时，必须推动前面的流体(环 境)，即对环境作 －P2V2的功。这种流体内部相互推动所交换 的功，称为流动功。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
否
通常可以忽略 否
H 0
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?
通常可以忽略
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
u
2
2
gz Q Ws
否
通常可以忽略 否
H 0
对于非粘性流体或简化的理想情况，可忽略摩擦损耗，则
P u gz 0 2
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
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。
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,系统与环境之间的可逆传热量为 Qrev=T0ΔS
RT V P
P2 WR RT ln P 1
左式只适用与理想气体 等温过程
一些常见的属于稳装置
节流阀
压缩机
换热装置
喷嘴与扩压管
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。
H1 H l 1 x H g x
H1 H l 2736.5 844.9 x 0.9709 H g H l 2792.2 844.9
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(kgK),求50kg空气从换 热器吸收的热量
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。
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。
E Q W
5.1.2
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
m 2 kg m 2 N m J 2 2 s kg s kg kg
可逆条件下的轴功
WR VdP
P 1
P2
对于液体，在积分时一般 可将V当作常数。 对于气体怎么办？ 对于理想气体等温过程
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 H i x j H j 0
出 入
x A H1 xB H 3 x A H 2 xB H 4
mA xA m A mB mB xB m A mB
• 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。
热机的热效率
高温热源 TH
W Q1 Q2 Q1 Q1
火力发电厂的热效率大约为 40% 卡诺热机的效率
低温热源 TL
W T2 1 Q1 T1
W Ws P 1V1 P 2V2
稳态流动系统的能量平衡关系可写为
2 u2 u12 U gz U gz Q Ws P 2 2 1 1 1V1 P 2V2 2 2
U PV
u 2