化工过程的能量分析

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,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,5化工过程能力分析及合理用能,6能量集成与管理,1能量平衡方程-热力学第一定律,1.1热力学第一定律的实质,用数学式来表示就是,（体系的能量）+（环境的能量）=0或,（体系的能量）=-（环境的能量）,有关体系的概念,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,2 敞开体系（限定容积体系） 与环境既有能量交换也有质量交换。,3 化工生产中大都为稳定流动体系 稳流过程 均流过程,1.2 能量平衡方程,1 封闭体系的能量平衡方程，形式为,式中W为体积膨胀功W,2 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,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=,1.3 热力学第一定律的表达式,开系稳流系统能量平衡式：,H+mgz+12mu2=Q+W,h+gz+12u2=q+ws,2热力学第二定律热功转化与熵函数,1）基本概念,自发过程是不消耗功即可进行的过程；,非自发过程需要消耗功才可进行。,热量传递的方向与限度,热量传递的方向性是指高温物体可自发向低温物体传热，而低温物体向高温物体传热则必须消耗功。热量传递的限度是温度达到一致，不存在温差。,2）熵函数与熵增原理,熵是与系统内部分子运动混乱程度相联系的热力学性质。,通过研究热机的效率推导出熵函数的定义式,只有体系的某状态函数，当经历一个循环后，其函数的净增量才等于零。,熵定义，由卡诺效率推导出,热力学第二定律的数学表达式,因为,可逆过程：,不可逆过程：,这两个式子说明，可逆过程的熵变等于其热温商，不可逆过程的熵变则大于其热温熵。,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：,自然界一切自发进行的过程都是熵增大的过程；,自发过程向着熵增大的方向进行；,自发进行的限度；,3理想功、损失功和热力学效率,（1）,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：,Wid = H - T0S,（2）,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 ( Ssys + Ssur ) = T0St = T0Sg,损失功WL反映了实际过程的不可逆程度。,（3）,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行。由于实际过程都是不可逆的，因此实际提供的ws必然小于理想功，两者之比称为热力学效率。,产生过程,消耗过程,4 有效能,能量可分为两部分，一部分课转变为有用功（Ex)，另一部分不能转变为有用功的部分称为无效能（AN).,对于可逆过程， 有效能无损失，全部转变为功。,对不可逆工程， 有效能减小，Ex 0，有效能的减少量应等于无效能的增加量，-EX = AN,AN即为损失功。,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。,合理用能的基本原则是按质用能，按需供能。尽量做到能进启用，防止能量的无偿降级；应在技术和经济许可的前提下，采取各种措施，寻求过程的最佳推动力，以提高能量的利用率；合理组织能量的多次梯次利用，先用功后用热，将能量逐级使用,6 能量集成与管理(热交换网络),一、热交换网络的提出,一个化工生产过程的流程中，经常需要加热或冷却许多流股，用热水、蒸汽加热或用冷却水、冷冻液冷却。,这种设计虽简单，设备投资费较少，但热力学效率常常是很低，能耗较 大，显然是不经济。,在流程内部用需要被冷却的较高温的流股来加热需要热量的低温的流股，可以实现能量的有效利用，从而节约了能量源，降低成本。,在流程内建立热交换网络的根本目的：,减少流程对外界热源和冷源的需求，尽量使用流程内部的冷热流股互相搭配，以达到节约能源的目的。,二、基本概念及热交换系统表示方法,1、换热网络的名词,热流：热交换网络内，那些需要由起始温度冷却到目标温度的流股。,冷流：热交换网络内，那些需要由起始温度被加热到目 标温度的流股。,2、热交换网络的表示方法,（1） 线、圈表示法,（2） 矩阵表示法,（3） 温度焓图表示法,（4） 网络图表示法,三、流股的温度热焓复合曲线,1、单个流股的温度热焓直线图,对于一个进口温度（Ti ），,目标温度（To ）均已知。流量为,F，热容为Cp的流股，热容流率是,CP,则该直线的斜率为：1/CP,2、多个流股的温度热焓复合曲线（折线）图,A冷流股，热容流率CPA ，温度从T,5,T,2,B冷流股，热容流率CPB ，温度从T,3,T,1,C冷流股，热容流率CPC ，温度从T,4,T,2,这样就完成了多流股的温度热焓复合曲线（折线）。,四、窄点、热交换网络的最小能耗、热交换网络的合成,1 窄点,如图：多流股流体的换热变成了意复合热流和以复合冷流的换热。将两条曲线纵坐标距离最近处的对应横坐标点称为窄点，窄点处两点的温差最小，记为Tm。,2,、窄点特性和热交换网络设计原则,在温度热焓图中的总复合曲,线中，直线段斜率为正，表示热量,不足，斜率为负，表示热量多余。,窄点以上，热交换网络只需要,外界热源，是换热系统的“热阱”,窄点以下，热交换网络只需要,外界冷源，是换热系统的内部“热源”,窄点之处无热量通过，窄点上、,下之间无热量交换,针对：窄点之处无热量通过，窄点上、下之间无热量交换,最大回收能量（最节能）的热交换网络设计原则：,、换热网络内温度高于窄点的流股，只要其温度变化范围在窄点以上， 就不能引入外界冷源来进行冷却，而应该用系统内流股与之搭配（或引入外界热源）；,、换热网络内温度低于窄点的流股，只要其温度变化范围在窄点以下， 就不能引入外界热源来进行加热，而应该用系统内流股与之搭配（或引入外界冷源）；,（1）总流股数可行性原则,窄点以上流股数应满足 N,热,N,冷,式中 N,热,- 热流股数,N,冷,- 冷流股数,根据前面的热交换网络的表示法，对于窄点来说，窄点以上热流股是流入的，冷流股是流出的。同样，窄点以下热流股是流出的，冷流股是流入的。所以上式可以合并用一个式子来表示，即在窄点的同一侧流股数必须满足：,N,流出, N,流入,（2）热容流率的可行性原则,窄点处传热的温差最小为 Tm,离开窄点处的传热温,差,应大于等于Tm，即TTmin,因此，每个窄点匹配的流股热容流率应满足,窄点以上 CP热 CP冷,同样上两式，可以合并成为一式，即窄点同一侧应满足,CP,出, CP,入,3,、化工流程的能量管理,在实际化工流程组织与设计时，掌握以下基本原则：,化工过程能量管理的目的,节约有效能,1、尽量利用流程中的反应热（放热反应）产生的热流股来对需要加热的冷流股和设备进行加热；,2、在技术可行的前提下，尽量利用品位接近的流股相互搭配换热；,3、流程中一些耗能设备，在工艺可行的前提下，可以考虑共用问题。,4 过程能量集成,过程能量集成即指热交换网络技术在大系统（如工业园区或产物链）中的应用。,过程集成的思想是用需要被冷却的热流体加热需要升温的流体。生产中的流股之间的热交换可以减少燃料和冷却的塔操作负荷的需求，从而防止污染。需要被加热的过程流股和需要被冷却的过程流股间的热交换（能量集成）可以降低整个系统生产的能耗。,