化工热力学-第1章 绪论-冯新-75

1化工热力学ChemicalEngineeringThermodynamics2国家和全球关心的问题和谐社会节能减排气候变化越来越看得见、摸得着CO2排放与气候变化之间的关系“低碳经济”低能耗——能量的最大利用低污染——物质的最大利用谁主沉浮？3减排交易全球CO2排放指标交易行情大幅上涨！每16美元/吨。重庆企业1200万吨废气指标卖了10亿元。28个签约项目包括煤矿瓦斯利用、冶金高（焦）煤气发电、化工余热余气利用、垃圾填埋气发电、小火电减排。江苏梅兰化工股份有限公司和常熟三爱富中昊化工新材料有限公司的温室气体减排交易，是迄今为止最大的单笔企业配额交易，交易金额高达10.2亿美元。4化学工程能做什么？化学工程的主要目标就是使化学家实验室做出来的化学反应商品化！10项顶尖成果（1983年，AIChE）1.合成橡胶（1983年，220亿磅/年。二战期间，及时解救了天然橡胶匮乏的困境。）2.抗生素：1918年流感夺走了全世界2000万人的生命。化学工程使青霉素的年产量高达百万磅。3.聚合物：塑料在很多应用场合能取代木头、金属和玻璃。5化学工程能做什么？4.合成纤维。5.低温空分生成O2和N2。6.核同位素的分离。7.原油的催化裂解：制备高辛烷值燃料的能力在英国战役和二次世界大战中是一决定性因素。8.污染的控制。9.肥料尤其是合成氨：新肥料改进了农业的生产力并帮助养活了全世界。10.生物医学工程。6“生活处处皆化工”不论是人们的衣、食、住、行，还是现代的高科技产品，都有化学工程的影子，真可谓“生活处处皆化工”。在美国和德国，化学工业都是第二大经济支柱产业。从我国“十五”统计情况看，国民经济产值的1/6是由化学工业提供的。7中国对环境的要求越来越高，包括水资源、固体废弃物等等，都需要化学工业作为支撑，需要化工提供新材料、新能源、新资源，为国家的发展和人们的生活提供服务。我国“十一五”规划中提出了两个指标：单位GDP的能耗降低20%，废弃物排放减少10%，要实现这两个指标，就要高效、节能、绿色。这对化学工业的研究、生产提出了更高的要求，由此也可以看出化学工业的重要性。化学工程的作用8ChemicalEngineeringisapowerfulhorsethatexploresandclaimsnewterritories9化学工程化学工程是以化学、物理、生物、数学的基本原理作为基础，研究物质转化、物质形态和物质组成的一门工程科学。它是将知识转化为生产力、为社会创造价值、为社会服务的一门核心科学。化学工业的核心是：通过化学反应或者生物反应，实现物质转化；通过化学工程的过程工业实现产品提纯和产品形态的加工。化学工程服务面很广——生物、医药、材料、环境、石油、化工等诸多领域；同时又对基础知识要求很宽的专业学科、工程学科。意义:最合理地利用能源和资源、保护生态环境和人类健康，为人们幸福生活而服务！10“21世纪多数工业中，化学工程扮演着战略角色，具有很大的发展空间”海水淡化饮用水净化处理城市废水资源化化学工程能源水资源传统工业生态环境制药食品化工与石化电子冶金天然气生物质利用燃料电池除尘CO2控制洁净燃烧11热爱你的专业吧！“ChemicalEngineeringcandoeverything!”12我们的新教材冯新，宣爱国，周彩荣，田永淑，龙小柱.《化工热力学》，北京：化学工业出版社，2009.13化工热力学课程内容第一章绪论（2学时）第二章流体的p-V-T关系和状态方程（6学时）第三章纯流体的热力学性质计算（6学时）第四章溶液热力学性质的计算（13学时）第五章相平衡（12学时）第六章化工过程能量分析（10学时）第七章压缩、膨胀、动力循环与制冷循环（7学时）14第一章绪论15关于化工热力学课程化工热力学课程是化学工程专业最重要的课程之一。是国内外化学工程专业本科生（化工热力学I）和研究生（化工热力学II）必修课程。是一门训练逻辑思维和演绎能力的课程。是一门培养节约资源、合理利用能源观点的课程。化工热力学是“焓焓”糊糊“熵”脑筋的课程。学时56。化工热力学到底能干什么？1、冰箱的工作原理与空调是否相同？夏天打开冰箱门是否能当空调？(链接)2、如果用空气作为潜水员在海底的呼吸介质，为何会出现类似麻醉现象？3、为什么无水酒精的价格是95%酒精的二倍？主要是哪一部分的成本提高了？4、液化石油气的主要成分为何是丙烷、丁烷和少量的戊烷，而不是甲烷或已烷？Why？?Why？?Why？?Why？?Why？?继续继续蒸发盘管冷冻室冷凝盘管压缩机毛细管单级蒸汽压缩制冷高温环境低温冷室蒸发器冷凝器单级蒸汽压缩制冷空调返回5、为何从天然植物中提取香精、色素等有效成分常用超临界萃取技术？萃取剂为何常选CO２？6、为何在高度污染的河流中的鱼体内PCB虽未过量，但鱼肝中却大大超量。7、精馏塔的设计主要依据是什么？8、如何节能减排？依据是什么？Why？?Why？?Why？?Why？?Why？?全世界不可再生化石燃料的消耗占90%。中国50%的能源需要进口。中国人均能源消费不到世界平均水平的50%。中国的能源利用率仅是世界平均水平的50%。化工是耗能大户，仅次于冶金。21降低资源消耗2003年，中国消耗了全球总产量30%的主要能源和原材料，创造的GDP仅占世界的4%。如果按每1美元生产总值能耗，我国比发达国家能耗高4~5倍。目前，美国每万美元耗水为514M3，日本208M3，中国5045M3，是发达国家的8~20倍。中国很多地区的经济增长速度是靠高投资、高能耗、高污染换来的。22新能源——可燃冰1M3“可燃冰”释放出的能量相当于164M3的天然气。全球“可燃冰”总能量，是所有煤、石油、天然气总和的2～3倍。“可燃冰”的主要成分是甲烷与水分子(CH4·H2O)。勘探需要知道：在海底下，何种温度、压力下会形成“可燃冰”？热力学能解决！23湿空气作为热力循环的工作介质近10年来的实际应用已经证明，如果在空气中加入10~15%水蒸气，可以提高透平10~20%的效率。需要研究该体系高温高压下的热力学性质！24可能的CO2碳封存方法（1）二氧化碳填埋到含水层（2）二氧化碳填埋到地下油层，增加石油产量。（3）填埋到地下煤层，增加甲烷产量。评估CO2地质减排的可行性要求在中等压力和温度下CO2和水的压力-温度-组成（P-T-X）数据关系CO2-H2O体系CO2-NaCl-H2O体系CO2-NaCl-KCl-H2O体系CO2-CH4-H2O体系一、化工热力学的定义和用途二、化工热力学研究内容和特点三、热力学的研究方法四、为何学和如何学好化工热力学五、化工热力学和其它化学工程分支学科间的关系六、本课程的内容学习指导内容26一、化工热力学的定义和用途1、化工热力学的定义A、热力学（Thermo-dynamics）B、工程热力学（EngineeringThermodynamics）C、化学热力学（ChemicalThermodynamics）D、化工热力学（ChemicalEngineeringThermodynamics）27一、化工热力学的定义和用途1、化工热力学的定义A、热力学（Thermo-dynamics）说法1：讨论热与功转化规律的科学。说法2：是研究自然界各种形式能量之间相互转化的规律，以及能量转化对物质的影响的科学。远古“钻木取火”——机械能转换为内能。12世纪“火药燃烧加速箭支的飞行”19世纪“蒸汽机”——热转换为功。28热力学的四大特性⑴严密性：表现在热力学具有严格的理论基础。热力学证明是可以行通的事情，在实际当中才能够行的通；热力学证明是不可行的事情，在实际当中无论采用什么措施，也实施不了。⑵完整性由于热力学具有热力学第一定律：能量守恒定律􀂄第二定律：熵增原理、热效率􀂄第三定律：绝对熵定律􀂄第零定律：热平衡定律这四大定律使热力学成为一门逻辑性强而完整的科学。29⑶普遍性：表现在热现象在日常生活中是必不可缺少的。热力学的基本定律、基本理论，不但能够解决实际生产中的问题，还能够解决日常生活中的问题，甚至用于宇宙问题的研究。⑷精简性：表现在热力学能够定性、定量地解决实际问题。30B、化学热力学（ChemicalThermodynamics）——将热力学的基本理论应用于化学领域，则为化学热力学。主要研究解决化学和物理变化进行的方向和限度。特别是对化学反应的可能性和平衡条件作出预测。内容包括热化学、相平衡和化学平衡等部分（是物理化学的一部分）。C、工程热力学（EngineeringThermodynamics）——将热力学的基本理论应用于工程技术领域，则为工程热力学。主要研究热能与机械能之间转换规律以及在工程中的应用。特点：制冷、发电介质简单：水蒸气、氨、氟里昂31D、化工热力学（ChemicalEngineeringThermodynamics）——集化学热力学和工程热力学之大成的学科。将工程热力学和化学热力学应用于化工与生物、能源、信息、环境、材料等的交叉领域。研究化工过程中各种能量以及物质相互转化的理论极限、条件和状态。它是化学工程学的一个重要组成部分，是化工过程开发、设计和生产的重要理论依据。32热力学化学工程学化工热力学化工热力学33经典热力学无论是工程热力学还是化学热力学还是化工热力学，它们均是经典热力学，遵循经典热力学的三大定律（热力学第一、第二、第三定律），不同之处是由于热力学应用的具体对象不同，决定了各种热力学解决问题的方法有各自的特点。34一、化工热力学的定义和用途2、化工热力学的用途①确定化学反应发生的可能性及其方向，确定反应平衡条件和平衡时体系的状态。（可行性分析）石墨————金刚石？H2O————H2+O2？N2+H2————NH3？常温、常压常温、常压　　？　　？00GG常温、常压判据？400℃；300atm35石墨金刚石？P101325.PTT15.298TP010dPPGdTTGGG?)P,T(G,atm1,K15.298,0kJmol9.2G1其它条件下的下不可行在在1400℃，5-10万atm下，石墨金刚石例1：石墨与金刚石二者间转变时的温度与压力效应的热力学计算，不但预示了人工制造金刚石所需的条件，并且导出了关于自然界金刚石形成的地质条件的假说。36②描述能量转换的规律，确定某种能量向目标能量转换的最大效率。（能量有效利用）如:美国一聚乙烯醇工厂能耗大，特别是分离工段的能耗占全厂的65%，应用热力学相平衡的成果，将进料中乙醛含量由0.7%降至0.4%后，操作费用节省50%。化学工程师开发和设计某一化工过程阶段，必须考虑能耗问题。化工过程的能量有效合理利用！37③描述物态变化的规律和状态性质。流体p-V-T关系状态方程→低温技术→氦气液化→发现超导现象→寻求高温超导材料→磁悬浮列车2VabVRTp38④确定相变发生的可能性及其方向，确定相平衡条件和相平衡时体系的状态。多元相平衡数据是产品分离的基石。产品分离车间：设备占全厂总投资50~90%；能量占全厂60~90%。精馏塔的设计：没有相平衡数据无法设计。DxFxWxBA39如：分离回收二氧化碳的新方法——BV钾碱吸收法⑤通过模拟计算，得到最优操作条件，代替耗费巨大的中间试验。（需要模型和基础数据）施亚钧教授的国家自然基金项目。研制出新的二元吸收剂，完成工艺条件的研究后，进行了工业生产条件下气液平衡和相际间传质、系数的数学模型研究。确定该吸收过程的控制步骤。这为工程放大提供了基础数据和理论基础，指导了从实验室规模(右图)直接放大到近两万倍的工业装置规模。40可行性分析为了降低原料消耗，利用本国资源，制止环境污染和不用剧毒物质作原料等，要求发展直接合成新工艺（清洁生产、绿色化工）。以乙