化工熱力學(xué)有效能

1、化工熱力學(xué)有效能第1頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)6分，星期二4.4 過(guò)程火用分析 4.4.1 火用的概念 4.4.2 物理火用的計(jì)算 4.4.3 化學(xué)火用的計(jì)算 4.4.4 火無(wú) 4.4.5 不可逆性和火用損失 4.4.6 火用衡算及火用效率 4.4.7 火用分析法及其應(yīng)用第2頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)6分，星期二 能量不僅有數(shù)量的大小，而且還有品質(zhì)(位)的高低。能量品質(zhì)的高低體現(xiàn)在它的轉(zhuǎn)換能力上，即能量轉(zhuǎn)換為功的能力。 按能量轉(zhuǎn)化為有用功的多少，可以把能量分為三類：高(品)質(zhì)能量：理論上能完全轉(zhuǎn)化為有用功的能量。質(zhì)和量是統(tǒng)一的，如電能、機(jī)械能、動(dòng)能、位能；低(品

2、)質(zhì)能量：能部分轉(zhuǎn)化為有用功的能量。如物質(zhì)的內(nèi)能(焓)、熱能和以熱的形式傳遞的能量。僵態(tài)能量：理論上不能轉(zhuǎn)化為功的能量。如海水、地殼、處于環(huán)境狀態(tài)下的能量；4.4.1 有效能（ ） 的概念第3頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)6分，星期二 為了衡量能量的可利用程度或比較體系在不同狀態(tài)下可用于作功的能量大小， 1932年Keenen提出了能量的“可用性”概念，1956年Rant首先提出有效能的概念。第4頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)6分，星期二國(guó)外：exergy, essergy, availability, available energy, utilizable ener

3、gy 國(guó)內(nèi)： 、有效能、可用能、資用能等我們采用：有效能、 ，并用符號(hào)Ex表示我國(guó)國(guó)標(biāo)稱為 (exergy)第5頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)6分，星期二1). （有效能）的定義： 由體系所處的狀態(tài)到達(dá)基準(zhǔn)態(tài)所提供的最大有用功即為體系處于該狀態(tài)的火用。用Ex表示 （無(wú)效能）：理論上不能轉(zhuǎn)化為有用功的能量。為表達(dá)體系處于某狀態(tài)的作功能力，先要確定一個(gè)基準(zhǔn)態(tài)，并定義在基準(zhǔn)態(tài)體系作功能力為零。 第6頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)6分，星期二所謂的基準(zhǔn)態(tài)就是體系變化到與周圍自然環(huán)境達(dá)到完全平衡的狀態(tài)。這種平衡包括熱平衡、力平衡和化學(xué)平衡。平衡的環(huán)境狀態(tài)即為熱力學(xué)死態(tài)(寂態(tài))，體

4、系處于熱力學(xué)死態(tài)時(shí)，火用為零。即基準(zhǔn)態(tài)下體系的作功能力為零。第7頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)6分，星期二當(dāng)體系和環(huán)境僅有熱平衡和力平衡而未達(dá)到化學(xué)平衡，這種平衡稱為約束性平衡。體系與環(huán)境達(dá)到約束性平衡時(shí)的狀態(tài)，稱為“約束性死態(tài)”或“物理死態(tài)”。若體系與環(huán)境既有熱平衡、力平衡且又有化學(xué)平衡，則這種平衡稱為非約束性平衡。體系與環(huán)境達(dá)到非約束性平衡時(shí)的狀態(tài)，稱為“非約束性死態(tài)”或“化學(xué)死態(tài)”。第8頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)6分，星期二 對(duì)于沒(méi)有核、磁、電與表面張力效應(yīng)的過(guò)程，穩(wěn)流體系的火用可由下列四個(gè)主要部分組成：火用Ex動(dòng)能火用Ex,K位能火用Ex,p 物理火用Ex,

5、ph 化學(xué)火用Ex,ch由于動(dòng)能和位能對(duì)火用的貢獻(xiàn)很小，可忽略不計(jì)，此時(shí)： 火用物理火用化學(xué)火用2). 火用(有效能)的組成第9頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)6分，星期二物理火用：物系由所處的狀態(tài)到達(dá)與環(huán)境成約束性平衡狀態(tài)所提供的最大有用功，即為該物系的物理火用。即物系僅由于T、p與環(huán)境的T0、p0不同所具有的火用?；瘜W(xué)火用：體系和環(huán)境由約束性平衡狀態(tài)到達(dá)非約束性平衡狀態(tài)所提供的最大有用功即為該體系的化學(xué)火用。即物系在環(huán)境的T0、p0下，由于組成與環(huán)境組成不同所具有的火用。 通常，體系由約束性平衡狀態(tài)到達(dá)非約束性平衡狀態(tài)須經(jīng)化學(xué)反應(yīng)與物理擴(kuò)散兩個(gè)過(guò)程。第10頁(yè)，共64頁(yè)，2022年

6、，5月20日，1點(diǎn)6分，星期二例：確定1273K，10atm的CO氣體有多大的做功能力，其 為多少？假定環(huán)境溫度T025， p01atm第11頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)6分，星期二1273K10atmCO氣體298K10atmCO氣體298K=T01atm=p0CO氣體卡諾機(jī)可逆膨脹機(jī) WcWR298K=T01atm=p0CO+O2燃燒CO2等溫?cái)U(kuò)散(膨脹) 298K 1atmWc放熱WR物理化學(xué)第12頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)6分，星期二4.4 過(guò)程火用分析 4.4.1 火用的概念 4.4.2 物理火用的計(jì)算 4.4.3 化學(xué)火用的計(jì)算 4.4.4 火無(wú) 4.

7、4.5 不可逆性和火用損失 4.4.6 火用衡算及火用效率 4.4.7 火用分析法及其應(yīng)用第13頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)6分，星期二4.4.2 物理火用的計(jì)算定義：物系經(jīng)可逆物理過(guò)程達(dá)到約束性死態(tài)時(shí)所作的最大有用功即為該物系的物理火用。即指物系由于T、p與環(huán)境的T0、p0不同所具有的火用。物理死態(tài)(約束性死態(tài))： 一般取環(huán)境狀態(tài)T025（298.15K） p01atm (101.325 kPa) 當(dāng)體系處于環(huán)境狀態(tài)(T0、p0)時(shí)，Ex0 第14頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)6分，星期二穩(wěn)流物系火用Ex的數(shù)學(xué)表達(dá)式 任意狀態(tài)（T，p，H，S）基態(tài)（T0, p0,

8、H0 , S0）(5-47)第15頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)6分，星期二 對(duì)穩(wěn)流體系上式就是穩(wěn)流體系在任意狀態(tài)時(shí)的火用計(jì)算式。它是火用計(jì)算的基本公式，適用于各種物理的、化學(xué)的或者兩者兼有的火用計(jì)算?；鹩靡彩求w系的狀態(tài)函數(shù)，而且與環(huán)境的狀態(tài)有關(guān)。（火用為復(fù)合的狀態(tài)函數(shù)）第16頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)6分，星期二 穩(wěn)流物系的火用變化Ex 穩(wěn)流物系從狀態(tài)1變化到狀態(tài)2所引起的火用的變化為第17頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)6分，星期二對(duì)穩(wěn)流體系理想功和火用的計(jì)算式分別為：理想功火用火用變化 理想功與火用的關(guān)系第18頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，1

9、點(diǎn)6分，星期二1）共同點(diǎn)：都用以表示能量品質(zhì)的高低，并以作出的最大功來(lái)計(jì)算，都是從熱力學(xué)第一、第二定律推導(dǎo)而得。2) 區(qū)別理想功是對(duì)兩個(gè)狀態(tài)(過(guò)程)而言，可正可負(fù)，而火用是對(duì)某一狀態(tài)而言，與環(huán)境有關(guān)，只為正值。對(duì)理想功，其始態(tài)和終態(tài)不受任何限制，而 火用的終態(tài)必須是基準(zhǔn)態(tài)(環(huán)境狀態(tài))。第19頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)6分，星期二始態(tài)1終態(tài)2基態(tài)WidEx1Ex2 理想功是終態(tài)與始態(tài)火用的差值第20頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)6分，星期二1) 功、電能和機(jī)械能的火用本身的數(shù)值 2) 熱的有效能(熱量 )ExQ 熱量相對(duì)于平衡環(huán)境態(tài)所具有的最大作功能力即為熱的有效能(

10、熱量 )。 按Carnot循環(huán)所轉(zhuǎn)化的最大功來(lái)計(jì)算。 幾種常見(jiàn)情況的火用計(jì)算第21頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)6分，星期二對(duì)恒溫?zé)嵩?，其熱量火用為總能量火無(wú)第22頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)6分，星期二 對(duì)變溫?zé)嵩矗?如由T1變到T2)，其熱量火用為：第23頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)6分，星期二 用H、S值來(lái)計(jì)算 ExQ = T0S-H 變溫情況，如由T變到T0(5-50)第24頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)6分，星期二說(shuō)明：熱量火用ExQ不僅與熱量Q有關(guān)，而且與環(huán)境溫度T0及熱源溫度T有關(guān)。ExQ表示熱流的作功能力，與是否真正作了功無(wú)關(guān)

11、。計(jì)算ExQ的公式可適用于任何與環(huán)境有熱交換的體系。第25頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)6分，星期二 例: 某工廠有兩種余熱可資利用，其一是高溫的煙道氣，主要成分是二氧化碳、氮?dú)夂退髁繛?00 kgh-1, 溫度為800，其平均等壓熱容為0.8 kJkg-1K-1；其二是低溫排水，流量為1348 kgh-1, 溫度為80,水的平均等壓熱容可取為4.18 kJkg-1K-1，假設(shè)環(huán)境溫度為298K。問(wèn)兩種余熱中的火用各為多少？第26頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)6分，星期二 解：高溫的煙道氣是高溫、低壓氣體，可作為理想氣體處理，則高溫的煙道氣放出的熱量Q = mCp

12、(T-T0) = 3.1105 kJh-1第27頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)6分，星期二 低溫排水的火用低溫排水放出的熱量 Q水= mCp(T-T0) = 3.1105 kJh-1第28頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)6分，星期二由例可看出：盡管低溫排水的余熱等于高溫?zé)煹罋獾挠酂?，但是其火用只有高溫?zé)煹罋獾氖种徊坏?，火用才能正確評(píng)價(jià)余熱資源。在余熱利用的評(píng)價(jià)上，必須注意到熱量與火用是不一致的，且與溫度密切相關(guān)，顯熱的評(píng)價(jià)只與熱量的溫度有關(guān)，而與物質(zhì)的種類無(wú)關(guān)。第29頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)6分，星期二3）穩(wěn)流物系物理火用Exph的計(jì)算 以上兩式是計(jì)

13、算穩(wěn)流過(guò)程流體火用和火用變化的基本公式。 第30頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)6分，星期二 若有現(xiàn)成的熱力學(xué)性質(zhì)圖表如水蒸氣表，則物質(zhì)的焓和熵值可直接查出計(jì)算。 若沒(méi)有專用的熱力學(xué)性質(zhì)圖表可供查閱時(shí)，或者對(duì)于混合物，焓(變)和熵(變)要按上一章介紹的方法計(jì)算。第31頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)6分，星期二 P120 例5-9蒸汽的有效能為：假設(shè)蒸汽用來(lái)加熱，不作軸功，蒸汽所放出的熱即狀態(tài)壓力pMPa溫度T KSkJ/kg.KHkJ/kgS-S0kJ/kg.KH-H0kJ/kgExkJ/kg液體水0.10132980.367104.8飽和蒸汽1.0134536.5822

14、7766.2152671814過(guò)熱蒸汽1.0135737.13030536.762948934飽和蒸汽6.868557. 55.82627755.4626701043飽和蒸汽8.6115735.78727835.47426781092第32頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)6分，星期二 通常高壓蒸汽先用來(lái)對(duì)外作功，乏氣(低壓蒸汽)再作為工藝加熱之用。盲目地把高壓蒸汽作加熱就是一種浪費(fèi)。一般用來(lái)供熱的大都是0.51.0MPa的飽和蒸汽。第33頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)6分，星期二穩(wěn)流物系物理火用Exph的計(jì)算對(duì)于理想氣體Cp為理想氣體的恒壓熱容，若Cp可以視為常數(shù)，則溫度

15、火用壓力火用第34頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)6分，星期二在實(shí)用中，有時(shí)缺乏Cp的數(shù)據(jù)，但可由焓圖查得H和H0的數(shù)據(jù)，則可用下式近似計(jì)算：第35頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)6分，星期二 例：某流化催化裂化裝置再生煙氣溫度為620，壓力為0.225MPa，假定該煙氣Cp=1.09kJ/kgK,M=29,設(shè)環(huán)境狀態(tài)為25，1atm。試計(jì)算煙氣的物理火用。 解:煙氣的物理火用 Exph= Cp (T -T0)- T0ln(T/T0)+RT0ln(p/p0) 代入數(shù)據(jù)得: Exph=361.6 kJ/kg第36頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)6分，星期二對(duì)于液體或

16、固體 在壓力不太高時(shí)，壓力對(duì)液體的焓和熵的影響一般可以忽略不計(jì)若Cp可以視為常數(shù)，則第37頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)6分，星期二 對(duì)于真實(shí)氣體 設(shè)計(jì)過(guò)程，通過(guò)求剩余焓和剩余熵的方法來(lái)計(jì)算 (H-H0)和(S-S0)，再代入Ex的基本公式中SigHigHR, SR死態(tài)id.gT0, p0H0, S0id.gT, pH*, S*待求狀態(tài)real.gT, pH, S第38頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)6分，星期二故真實(shí)氣體的摩爾物理火用第39頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)6分，星期二對(duì)氣體混合物理想氣體混合物的物理火用為：真實(shí)氣體混合物的物理火用第40頁(yè)，共6

17、4頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)6分，星期二式中剩余焓和剩余熵可用RK方程計(jì)算第41頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)6分，星期二剩余焓和剩余熵也可用普遍化方法計(jì)算第42頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)6分，星期二 封閉體系，由狀態(tài)T, p經(jīng)過(guò)一可逆物理變化過(guò)程到環(huán)境狀態(tài)T0, p0 ，則理想功為上式即為非流動(dòng)物系物理火用的計(jì)算式。4）非流動(dòng)物系的物理火用Exph第43頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)6分，星期二其中: (U - U0) 體系所釋放的最大能量; T0(S - S0) 完全可逆條件下也不得不排往自然環(huán)境的熱量; p0(V0-V) 克服大氣壓力所作的功

18、。 T0(S - S0)+ p0(V0-V)為火無(wú)(無(wú)效能)第44頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)6分，星期二5）壓力火用由第三章知(5-51)第45頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)6分，星期二對(duì)理想氣體(5-52)第46頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)6分，星期二4.4 過(guò)程火用分析 4.4.1 火用的概念 4.4.2 物理火用的計(jì)算 4.4.3 化學(xué)火用的計(jì)算 4.4.4 火無(wú) 4.4.5 不可逆性和火用損失 4.4.6 火用衡算及火用效率 4.4.7 火用分析法及其應(yīng)用第47頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)6分，星期二4.4.3 化學(xué)火用的計(jì)算 體

19、系和環(huán)境由約束性平衡態(tài)到達(dá)非約束性平衡態(tài)所提供的最大有用功即為該體系的化學(xué)火用。即處于環(huán)境溫度T0、壓力p0下的物系，由于組成與環(huán)境不同而具有的火用。 第48頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)6分，星期二 計(jì)算物質(zhì)的化學(xué)火用需要確定環(huán)境中基準(zhǔn)物的濃度和熱力學(xué)狀態(tài)。通用模型：斯蔡古特(Szargut) 龜山秀雄與吉田邦夫?qū)Ｓ媚Ｐ?1). 環(huán)境模型第49頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)6分，星期二 龜山-吉田環(huán)境模型： 環(huán)境T0298.15K(25) p00.10133MPa(1atm)以1atm、25的飽和濕空氣為基準(zhǔn)物，其基準(zhǔn)物的摩爾分?jǐn)?shù)為： N2 0.7560 O2 0.2

20、034 H2O(g) 0.0312 CO2 0.0003 Ar 0.0091 He 5.2410-6 Ne 1.810-5 除以上七種物質(zhì)外，其他元素均以在T0、p0下純態(tài)最穩(wěn)定的物質(zhì)作為基準(zhǔn)物。各種元素的基準(zhǔn)物以元素周期表的形式給出。第50頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)6分，星期二 指純物質(zhì)在溫度、壓力與自然環(huán)境相等時(shí)的摩爾化學(xué) ，用E0 x,ch,i (可簡(jiǎn)寫(xiě)為Ei0)表示 (1)死態(tài)物質(zhì)(大氣成分)的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)火用 純物質(zhì)i氣相T0, p0Ei0,Vi大氣中i(氣)T0 p0ip0 yi大氣Ei ,死態(tài)0, Vi,死態(tài)等溫?cái)U(kuò)散 Ex,擴(kuò)散 2) 純物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)火用計(jì)算第51頁(yè)

21、，共64頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)6分，星期二 即死態(tài)物質(zhì)(純i)的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)火用等于此物質(zhì)擴(kuò)散到濃度與環(huán)境相等時(shí)的擴(kuò)散火用。第52頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)6分，星期二(2)非死態(tài)物質(zhì)(非大氣成分)的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)火用通過(guò)有關(guān)的化學(xué)反應(yīng)來(lái)計(jì)算有一反應(yīng)物質(zhì)A11 molE10物質(zhì)A22 molE20物質(zhì)A33 molE30物質(zhì)A44 molE40 251atm第53頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)6分，星期二當(dāng)T=cons.時(shí) 當(dāng)穩(wěn)流過(guò)程是在自然環(huán)境的溫度T0下進(jìn)行時(shí)有 對(duì)穩(wěn)流過(guò)程有 第54頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)6分，星期二 當(dāng)反應(yīng)是在25,1atm下進(jìn)行時(shí),則有即反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)火用變化等于反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)Gibbs自由能變化。第55頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)6分，星期二由物化知，G0可利用物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)生成Gibbs自由能計(jì)算。物質(zhì)在298K的標(biāo)準(zhǔn)生成Gibbs自由能值一般手冊(cè)中都可以查到第56頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)6分，星期二從元素的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)火用和化合物的標(biāo)準(zhǔn)生成Gibbs自由能來(lái)計(jì)算某化合物i 的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)火用元素(單質(zhì))j的標(biāo)準(zhǔn)摩爾化學(xué)火用j 化合物中單質(zhì)j 的計(jì)量系數(shù)化合物i 的標(biāo)準(zhǔn)生成Gibbs自由能第57頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)6分，星期二補(bǔ)充講義中給出了用龜