第五章 化工过程的能量分析.ppt

第五章 化工过程的能量分析
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5 化工过程的能量分析
本章目的：学****能量分析的原理和方法
本章要求：
1、正确理解并熟练应用流动过程热力学第一定律的数学表达式
2、正确理解并熟练掌握热力学第二定律得
E1δm1+P1V1δm1+δQ +δWs -E2δm2-P2V2δm2=d(mE)
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能量平衡方程
又 H=U+PV 则上式可写为
普遍化的能量平衡方程
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---热力学第一定律
能量平衡方程
在以上推导过程中没有任何条件限制，
所以能量平衡方程式（5-9）不受流体属
性的限制，也不受其过程的限制。在实
际过程中，能量平衡方程可以进行适当
简化，下面我们就具体讨论能量平衡方
程的应用。
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---热力学第一定律
　热力学第一定律的实质
　能量平衡方程
　能量平衡方程的应用
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1）封闭体系：限定质量体系，无质量交换
m1=m2=m δm1=δm2=dm=0
δQ+δWs=mdE
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无动、位能变化
　　　　mdE=mdU
封闭体系　Wf　＝0,不存在流动功
则δW＝δWs
故　mdU=δQ+δW
对单位质量的流体 　 U＝Q+W
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2）稳定流动体系
特点：体系内无质量和能量积累
a．进出系统的物质质量流量相等。
b．体系内任一点的热力学状态不随时间变化
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2）稳定流动体系
即 d（mE）体系 =0
δm1=δm2=δm
则：
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稳定流动体系的能量衡算式（积分式）
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应用此式时要注意以下几点：
⑴单位要一致，且用国际单位制，若用工程单位制，所得公式与此式不同；
⑵式中Q和WS为代数值，即：Q以体系吸热为正，WS以体系得功(环境对体系做功）为正；
⑶应用条件是稳定流动体系，不受过程是否可逆或流体性质的影响。
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能量平衡方程的应用与简化
⑴对化工机器：如膨胀机、压缩机等
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⑵对化工设备：如反应器、热交换器、
传质设备、阀门、管道等
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这个式子的物理意义表现在：
　　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。
　　这里Q是过程函数，不是状态函数，与过程的途径有关，不易计算，当Ws = 0时， Q=ΔH ，将热量的计算与体系的状态函数相关联，就可以解决热量计算的问题了。
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⑶对化工机器的绝热过程
此式说明在绝热情况下，当动能和位能的变化很小时，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，这个式子总是成立的。
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（4）绝热稳定流动方程式——（节流过程、绝热反应、绝热混合）
定义：流体通过某装置，从某一恒定的高压变化到恒定的低压的过程称为节流过程
由于管子水平放置，
所以　　　　　ΔH=0
此为等焓过程。根据此式可方便地求得绝热过程中体系的温度变化。
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（5）机械能平衡方程式
　　dH+ gdZ+udu=δQ+δWS
对可逆过程 　dH=TdS+Vdp
　　　　　　　δQ=TdS
所以原式变为 δWS= VdP+ gdZ+udu
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如果考虑流体流动过程中的阻力，则还需要在式右边加上阻力项
对不可压缩流体，流体与环境无轴功交换，则
　　VdP+ gdZ+udu＝0
所以
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5　化工过程的能量分析
---热力学第一定律