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
流体不可压缩
Bernoulli方程
( pV ) Vp
第6章 化工过程的能量分析
——能量平衡方程
引言——化工过程能量分析实例：
硫铁矿生产硫酸工艺简介示意
对反应热的利用程度，是衡量硫酸工业技术水平的重要标志。三个主要反 应均为放热反应，在298K时的标准反应热为：
焙烧工段的废热锅炉回收高温余热 时，通常可产出中压过热蒸 汽（3.9MPa、450°C）0.8～1.5t / (t100%硫酸.h)。
喷嘴
扩压管
喷嘴与扩压管
u 0 H gz Q Ws H 2 2
2
2
u
是否存在轴功? 是否和环境交换热量? 位能是否变化?
否
通常可以忽略 否
u u H 2 H1 2
2 1
2 2
流体通过焓值的改变来换取动能的调整
Velli方程——管路及流体输送
▫ 热量的传递 是无序的。
引言——化工热力学另外的任务
1、平衡研究：相平衡、能量平衡、化学平衡 2、化工过程的热力学分析：进行能量的有效利用， 即进行分析能量品位的变化。 化工过程总是伴随着能量品位的降低。 一个效率较高的过程是能量品位降低较少的过程。 找出品位降低最多的薄弱环节，指出改造的方向。 实现能源的最大化利用（不是仅总能量的平衡， 而是品位高的能量做功，品位低的能量加热。）
能量平衡方程
E1m1 p1V1m1 Q E2m 2 p2V2m 2 WS d mE 体系
u2 E U Ek E p U gZ 2
E —单位质量 流体的总能量
u2 u2 d (m E)体系 （U pV gZ） （U pV gZ） m２ Q Ws 1m1 ２ 2 2
不受流体属性的限制，也不受其过程的限制。
单位要一致
m kg m N m J 2 2 s kg s kg kg
2 2
6.1.3 能量平衡方程的应用
d (mE)体系 u2 u2 （H gZ） （H gZ） m２ Q Ws 1m1 ２ 2 2
吸收工段低温余热的温度约为70度(吸收塔出口 酸温),通过水冷器回收可得热水。
但国内大多数厂家不利用！！
• 能量不仅有数量，而且有质量（品位）。 • 功的品位高于热 。 • 高级能量： ▫ 能够完全转化为功的能量，如机械能、电能、 水力能和风能等；
引言——基本概念
• 低级能量： ▫ 不能完全转化为功的能量，如热能、焓等。 • 高温热源产生的热的品位比低温热源产生的热的品位高。

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
在“物化”课程中我们已经学习过热力学两大定律，利用这
两大定律可以计算过程的热和功，以及判断过程的方向和限度。 但“物化”上着重介绍两大定律在封闭系统中的应用，而在 实际化工生产中大量遇到的是敞开体系，这类体系中进行的是 流动过程，因此在化工热力学课程中进一步讨论两大定律对流
2、稳定流动（非稳定流动）
• 敞开体系（限定容积体系）
• 稳定、连续、流进、流出，不随时间变化，没有能量和 物料的积累。 • 化工过程中最常用。
不能用ΔU＝Ｑ+Ｗ来表达!!!
6.1.2 能量平衡方程
能量守恒与转化
系统状态的函数
系统蓄积的能量 如动能、位能和内能 能量可分为两大类 过程中系统和环境传递的能量 功和热量
体积功W
流动功Wf = F*l = (P*A)(V/A)= P*V [J/Kg]
能量平衡方程
容量性质的数量衡算： 进入体系的量 - 离开体系的量 = 体系积累的量 可得到体系的物料平衡和能量平衡方程式
物料平衡方程：
m1 m2 dm体系
能量平衡方程
进入体系的能量-离开体系的能量=体系积累的能量
如回收高温余热的45-65%，生产中压过 热蒸汽0.685～0.990t / (t100%硫酸.h)， 所产生的蒸汽量用于驱动发电机组，实 际可发电150～170KW.h。若生产每吨硫 酸的电耗按100KW.h计，则高温余热发 可自给有余。
在转化工段，二氧化硫催化反应温度为420～ 590℃。化学反应放出的热量用于一段入口气 和二次转化入口气的预热。
H u
2
2
gz Q Ws
H 0
否
通常可以忽略 否 否
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?
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。
进入体系的能量：
微元体本身具有的能量
E1m1
p1V1m1
环境对微元体所作的流动功
环境传入的热量 Q
能量平衡方程
进入体系的能量-离开体系的能量=体系积累的能量
离开体系的能量：
微元体带出的能量
E2m2
p2V2m2
环境对环境所作的流动功
体系对环境所作的轴功
WS
体系积累的能量= d mE 体系
p

泵 水
p
u gZ 0 2
2
例 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
能量平衡方程
d (m E)体系 u2 u2 （U pV gZ） （U pV gZ） m２ Q Ws 1m1 ２ 2 2
流动功包含在焓中
H U pV
普遍化的能量平衡方程：
d (mE)体系
u2 u2 （H gZ） （H gZ） m２ Q Ws 1m1 ２ 2 2
绝热压缩或膨胀过程：
是否和环境交换热量? 通常可以忽略
△H=WS
②换热设备
2 热交换器（蒸发器、冷凝器）、反应器、加热炉
H
u 2
gZ Q Ws
和传质设备（吸收器、蒸馏塔和增/减湿器） ∵ △Ek=0；△Ep=0 ；WS=0
Q = △H = H2－ H1
Q为过程的热负荷（如反应的热效应、
速率冷却，送入高出
15m的高位贮水槽，试 求高位贮水槽的水温。
H u 2
2 gZ Q Ws
解：体系的输入与输出相等，m1=m2，故以1kg水为计 算基准，有输入功
2 .0 WS 0.571kJ kg 1 3 .5
输出热
698 Q 199 .4kJ kg 1 3.5
b. 功W 除热Q 之外的能量传递均叫做功。物系得到功作用， 记为正值；而物系向环境做功，记为负值。
功 W：
轴功Ws 对流动系统 流动功Wf
流体通过机械设备的旋转 轴与环境所交换的能量。 物料连续流动时，因流体 内部相互推动所交换的功。
功
对非流动系统
特定设备（如带活塞的气 缸）中，因流体体积改变 而与环境交换的能量。
1）封闭体系：限定质量体系，无质量交换
m1 m2 m
m1 m2 dm 0
mdE Q Ws
d (mE)体系 Q Ws
封闭体系过程通常都不能引起外部的势能或动能 变化，只能引起内能的变化。
u2 E U gZ 2
单位质量的封闭体系：
dU Q Ws
动过程的应用。
1、封闭体系（限定质量体系） 与环境仅有能量交换，而无质量交换，体系内部是固定的。 热力学第一定律的数学表达式： 物理 化学
ΔU＝Ｑ+Ｗ
按照国际规定: Ｑ:体系吸热为正，Ｑ>0， 体系放热为负, Ｑ<0 ； Ｗ:环境对体系作功，Ｗ>0 ， 体系对环境作功, Ｗ<0
只适合封闭体系!!!
流体的相变热等）
体系状态变化，如发生化学反应、 相变化、温度变化时与环境交换 的热量（反应热、相变热、显热） 等于体系的焓差。
③ 对化工机器的绝热过程
H
u 2
2
gZ Q Ws
△Ek=0；△Ep=0 ；Q=0
∴ Ws =△H
在绝热情况下，当动能和位能的变化相对很小时，体 系对环境所做的功等于体系焓的减少，功和热都是过 程的函数，但焓是状态函数，在特定条件下就可以利 用流体经过运转设备进出口的焓差计算功，不论是什 么工质，也不论过程是否可逆，这个式子总是成立。
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
位能变化
gZ 9.8115 0.1472 kJ kg
1
稳定流动过程的热力学第一定律：
H u 2
2 gZ Q Ws
H Q Ws gZ
(199.4) 0.5714 0.1472 199kJ kg 1
由饱和蒸汽表知，95℃的饱和热水的焓值为 H1=397.96kJ· kg-1，故
(以1kg为基准) b. 动能EK 物质具有质量m，并且以速度u 运动，物系动能EK = 1/2 mu2 。
EK = 1/2 u2 c. 重力势能Ep (以1kg为基准) 物质具有质量m，并且与势能基准面的垂直距离为z，物系就 具有势能Ep =mgz 。 Ep =gz
能量传递的形式
a. 热Q 由于温差而引起的能量传递叫做热。规定物系得到 热时Q 为正值，物系向环境放热时Q 为负值。
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：现利用功率为 2.0kW的泵将95℃、流 量为3.5kg· s-1的热水从
低位贮水槽抽出，经过
热交换器以698kJ · s-1的
H
u 2
2
gZ Q Ws
一些常见的属于稳流体系的装置
喷嘴 透平机 混合装置
扩压管
节流阀
压缩机 换热装置
单级透平结构图（Turbine）
①流体输送、增压或减压设备
H
u
2
2
gz Q Ws
是!
△H=Q+WS
是否存在轴功? 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