化工节能原理与技术3

1化工节能原理与技术北京化工大学2014.2（春季学期）2第1章总论1.1能源与能源的分类（1）我国国民经济持续高速增长面临资源和环境的双重制约。石油作为重要的不可再生资源，其加工过程和产品质量对它的利用效率和生态环境都具有重大影响。（2）分子水平炼油、原子经济化工新催化材料、新反应工程和新反应途径3第1章总论1.1能源与能源的分类1.1.1能源能源定义：为人类生产和生活提供能量和动力的物质能源类型：固体燃料、液体燃料、气体燃料、水力、电能等。能源与能量的区别作业：列举几例新型能源及制备技术（从文献摘要中总结1-2句）。4第1章总论1.1.2能源的分类1.1.2.1按来源分类来自地球以外天体的能量（太阳辐射能）太阳能总能量可达174000TW/a地球本身蕴藏的能量（地热能和原子核能）地球和其他天体相互作用而产生的能量（潮汐能）5第1章总论1.1.2能源的分类1.1.2.2按能源的转换和利用层次分类（1）一次能源（煤、石油、天然气、水能、风能、太阳能）可再生能源非可再生能源（2）二次能源（电、蒸汽、煤气、石油制品）（3）终端能源天然气：甲烷(82-98%)和少量的乙烷、丙烷、丁烷等。类似的有煤层气。95%以上甲烷水煤气（半水煤气）：主要成分：H2,CO,少量CO2,N2,CH4等6第1章总论1.1.2能源的分类1.1.2.3按能源的使用状况分类（1）常规能源（2）新能源生物质能：秸杆气化，生物制氢。生物柴油：各种不同油料和醇类在酸或碱催化下进行酯交换反应1.1.2.4按对环境的污染程度分类（1）清洁能源（2）非清洁能源7第1章总论1.1.2能源的分类CH2COOR1CHCOOR2CH2COOR3+CH3OHR1COOCH3R2COOCH3R3COOCH3+CH2OHCHOHCH2OH化学法：液碱催化酯交换，反应速度慢，工艺流程复杂，不是绿色加工工艺生物法：采用生物酶作催化剂，距离大规模工业化较远高温高压（超临界反应）法：用超临界萃取（或液固萃取）后的液体原料；反应速度快，无催化剂；绿色加工工艺8第1章总论1.1.2能源的分类产物分相酯相甘油相蒸短链醇蒸短链醇真空蒸馏甘油真空蒸馏水洗干燥生物柴油醇水稀溶液醇水稀溶液无共沸物（甲醇/水）普通蒸馏无水甲醇共沸物（乙醇/水、叔丁醇/水）特殊蒸馏无水乙醇（叔丁醇）•关键技术后处理分离过程的分子热力学基础，用于建立过程数学模型特殊蒸馏分离醇水稀溶液（分离剂的筛选）9第1章总论1.2化学工业节能的潜力与意义1.2.1我国化学工业的特点（1）煤、石油、天然气既是能源，又是原料（2）能源消费以煤为主（3）大宗化学品生产规模太小1.2.2节能潜力节能总潜力和可实现的节能潜力10第1章总论1.2化学工业节能的潜力与意义1.2.3节能的意义1.3节能的途径1.3.1结构节能1.3.2管理节能1.3.3技术节能1.3.3.1工艺节能•催化剂和化学反应工程催化技术是现代炼油和石油化工工业重要的科学技术基础，在炼油和化学工业中60%以上的新产品和90%以上新工艺的开发基于催化作用。•分离工程•改进工艺方法和设备11第1章总论1.3节能的途径1.3.3.2化工单元操作设备节能流体输送机械、换热设备、蒸发设备、塔设备、干燥设备。1.3.3.3化工过程系统节能把整个系统集成起来作为一个有机的整体对待，所进行的节能工作。1.3.3.4控制节能12第1章总论教材：冯宵.化工节能原理与技术.北京：化学工业出版社，2005参考书：1.陈安民.石油化工过程节能方法和技术.北京：中国石化出版社，19952.黄素逸.能源科学导论.北京：中国电力出版社，19983.刘家祺.分离过程.北京：化学工业出版社，200513第1章总论考核方式：五分制成绩评定：课程总成绩的评定权重为：作业占10%，课程测验占60%（采取开卷方式），课程报告占30%。课程报告：一种新型的节能技术，如催化（反应精馏）技术，反应-反应耦合，结构化催化剂，新型热泵，新型精馏技术（热偶精馏、特殊精馏）等。大约5000-10000字左右。14第2章节能的热力学能量：内能是物质内部一切微观粒子所具有的能量的总和。（状态参数）热力学定律：热力学第一定律：能量转换与守恒定律热力学第二定律：克劳修斯说法：不可能把热从低温物体传至高温物体而不引起其他变化，揭示能量“质”的属性热力学第三定律：0K时纯物质完美晶体的熵等于零节能的实质：防止和减少能量贬值现象的发生15第2章节能的热力学2.1基本概念2.1.1热力系统（系统）热力系统（系统）：相互作用的物体中取出的研究对象。系统的边界：系统与外界的分界面固定的、移动的、真实的、假想的能量交换：热和功物质交换：物质的流进和流出，伴随着能量的交换开口系统（流动系统）：有物质交换和能量交换闭口系统：无物质交换孤立系统：无物质交换和能量交换绝热系统：无热量交换16第2章节能的热力学2.1基本概念2.1.2平衡状态热力状态（状态）：某一瞬间的宏观物理状况。平衡状态：在不受外界影响的条件下，系统宏观性质不随时间改变的状态如温度、压力、组成等满足力平衡、热平衡和化学平衡的状态（不存在不平衡势）2.1.3状态参数和状态方程式状态参数：描述系统宏观状态的物理量，是状态的单值函数17第2章节能的热力学2.1基本概念2.1.3状态参数和状态方程式状态参数：描述系统宏观状态的物理量，是状态的单值函数强度量（强度性质）：压力P、温度T、组成x等；不可加量广延量（容量性质）：容积V、内能U、焓H、熵S等；可加量广延量/质量转变为强度量2.1.3.1温度温标：衡量温度的标尺t（摄氏温度）=T（热力学温度，开尔文温度，或称绝对温度）–273.1518第2章节能的热力学2.1基本概念2.1.3状态参数和状态方程式2.1.3.2比容和密度比容：单位质量物质所占有的容积m3/kg密度：比容的倒数kg/m3mVvvVm119第2章节能的热力学2.1基本概念2.1.3.3压力单位：工程大气压（at）1at=1kgf/cm2标准大气压(atm）1atm=760mmHg测量仪器：差压计（压力表或真空表）表压(Pg)=绝对压力(P)-大气压(P0)真空度(Pv)=大气压(P0)-绝对压力(P)真空度(Pv)=-表压(Pg)ghP20第2章节能的热力学2.1基本概念2.1.3.3状态公理和状态方程式状态公理：对于组成一定的物质系统若存在n种可逆功（系统进行可逆过程时和外界所交换的功量）的作用，则决定该系统平衡态的独立状态参数有n+1个。简单可压缩系统：与外界交换功量的模式中只有容积功的系统。物质的状态方程式：F(p,v,T)=021第2章节能的热力学2.1基本概念2.1.4功和热量功（W)：系统对外界的单一效果归结为提升一个重物，则说系统作了功。系统对外做功为正，得到功为负。热量(Q)：由于温差引起的，系统与外界之间发生的能量转移。系统吸热为正，放热为负。22第2章节能的热力学2.1基本概念2.1.5可逆过程耗散效应：使功变为热的效应。非平衡损失：•有限温差下的传热过程•有限压差•混合过程（化学势差）可逆过程是理想化的极限过程，可以作出最大的功或消耗最少的功，为评价实际能量转换过程提供了理想的标准。23第2章节能的热力学2.2能量与热力学第一定律输入系统的能量-输出系统的能量=系统储存能量的变化宏观动能：mc2/2宏观位能：mgz系统内部的微观能量（内能）：U2.2.1闭口系统能量恒算式Q=ΔU+W对单位质量q=Δu+w对微元过程δq=du+δw24第2章节能的热力学2.2能量与热力学第一定律2.2.2稳定流动开口系统能量衡算物质流转移到系统的能量为：δm1δm2δQδWδm(u+pv+c2/2+gz)=δm(h+c2/2+gz)h=u+pvH=U+pV25第2章节能的热力学2.2能量与热力学第一定律2.2.2稳定流动开口系统能量衡算开口系统的能量衡算式为：δm1δm2δQδWdU=δQ–δW+δm1(h1+c12/2+gz1)–δm2(h2+c22/2+gz2)δQ=δm2(h2+c22/2+gz2)–δm1(h1+c12/2+gz1)+δW+dU26第2章节能的热力学2.2能量与热力学第一定律2.2.2稳定流动开口系统能量衡算稳定流动：空间各点参数不随时间变化的流动过程（1）.热和功的交换不随时间而变；（2）.物质交换不随时间而变；（3）.进、出口截面参数不随时间而变dU=δQ–δW+δm1(h1+c12/2+gz1)–δm2(h2+c22/2+gz2)dU=0，δm1=δm2Q=ΔH+mΔc2/2+mgΔz+WQ=Σoutmi(h+c2/2+gz)i–Σinmi(h+c2/2+gz)i+W（对多股流体）27第2章节能的热力学2.2能量与热力学第一定律2.2.2稳定流动开口系统能量衡算例2-1：某化肥厂生产的半水煤气，其组成如下：CO29%，CO33%,H236%,N221.5%,CH40.5%。进变换炉时水蒸气与一氧化碳的体积比为6，温度为653.15K。设变换率为85%，试计算出变换炉的气体温度。变换气半水煤气水蒸气100kmolnkmol(nH2O:nCO=6)T=380℃28第2章节能的热力学2.2能量与热力学第一定律2.2.2稳定流动开口系统能量衡算进入炉中的湿气体各组分的物质的量（kmol)：CO29;CO33;H236;N221.5;CH40.5;H2O198出变换炉时湿气体各组分的物质的量（kmol)：CO237.5;CO4.95;H264.05;N221.5;CH40.5;H2O169.95绝热过程：ΔH=0；ΔU=29第2章节能的热力学2.2能量与热力学第一定律2.2.2稳定流动开口系统能量衡算•焓是状态参数，过程焓变等于终态的焓减去初态的焓；•既有物理变化又有化学反应的物系，计算焓变需考虑反应热。653.15K298.15KΔH1恒压降温ΔHr恒温恒压化学反应298.15KTK恒压升温ΔH2ΔH=0恒压绝热反应30第2章节能的热力学2.2能量与热力学第一定律2.2.2稳定流动开口系统能量衡算（1）.状态参数法ΔH=ΔH1+ΔHr+ΔH2=0ΔH1=-3.56×106(kJ)ΔHr=28.05×(-41198)=-1.156×106(kJ)ΔH2=10396T-3099527(kJ)作业：1。计算653.15K时转化28.05kmol的恒温恒压反应热。31第2章节能的热力学2.2能量与热力学第一定律2.2.2稳定流动开口系统能量衡算（1）.统一基准焓法•规定0K时稳定单质的理想气体的焓为零；•规定298.15K时稳定单质的理想气体的焓为零；•基准态下化合物的焓等于标准生成焓•无论物理变化，还是化学变化，元素守恒•无论物理变化，还是化学变化，过程焓变：ΔH=H终态–H初态653.15K时，H初态=-49.17×106(kJ)753.15K时，H终态=-49.98×106(kJ)ΔH=H终态–H初态=032第2章节能的热力学2.3火用与热力学第二定律•热力学第一定律指出了能量的同一性，“量”的属性；不能解释“质”的属性•如：功和热，高温热与低温热；•热力学第二定律指出了能量的“质”的属性，说明过程进行的方向、条件及限制。开尔文说法：不可能从单一热源吸收热量使之完全变成有用功而不产生其他影响。普朗克说法：不可能制造一个机器，使之在循环动作中把一重物升高，而同时使一热源冷却。33第2章节能的热力学2.3火用与热力学第二定律TS12卡诺定理：在两个不同温度的恒温热源间工作的所有热机，不可能有任何热机的效率比可逆热机的效率更高。热效率：ηc=1-T2/T134第2章节能的热力学2.3火用与热力学第二定律结论：提高热效应的根本途径：提高热源温度、降低冷源温度以及尽可能减少不可逆因素。2.3.2熵的概念和孤立系统熵增原理•熵是状态函数，定义（对可逆过程）热效率：ηc=1-T2/T1最大有用功（以环境温度为限）：W=Q(1-T0/T1)TQdSreTQSSre1235第2章节能的热力学2.3火用与热力学第二定律2