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热力学第一定律在化学工业上的应用0一, 10宁夏石油化.工2OOO年第3期 热力学第一定律在化学工业上的应用 傅永茂 (宁夏化设银川75000Dt,/,(宁夏化工设计研究院银川f 摘要应用稿力学第一定律理论指导实际工业生产,为研究化工单元与过程的掇限操作条件和 能量的变化,解决化工热力学分析方法噩改进实际过程提供了理论依据. 关键词理论知识实际应用 0前言 勺竹,象诊一f,执毋堙每 下选择. 化工热力学是研究化工单元与过程的极 限操作条件和能量的利用.它为解决化工热 力学分析及改进实际过程提供了理论依据. 在热力学这门学科中最基本的是热力学第一 定律,也就是能量守恒与转化定律.在工业 生产中,往往同时存在做功与热的传递.功 和热是转移过程中能量的变化,不转移时能 量总是储存在体系或环境内.所以,体系在 某个过程中传递的热(O)与功(w)之代数和, 应与这个体系在过程前后的能量变化相等. 如以E】,分别代表体系始,终态的总能量, AE代表总能量变化值,用数学式表达即为: AE=一El=QE 以上即是热力学第一定律的数学表达式. (注;体系吸热为正,体系对外做功为正.) 1在化工生产中的应用 在实际化工过程的热量恒算,有时是很 复杂的,应根据具体的条件,要求和有关原理 来进行.一般应按下列原则和步骤进行. 1,1物料恒算中选择计算基准在选择计 算基准时,要根据过程的特点选择,一般有如 (1)以重量为单位,如单位体积或单位摩 尔数或单位质量等. (2)以单位时间产品量或单位时间原料量, 如连续操作的合成氮系统的小时产氮量等. (3)以加人到设备内的一些物料为计算 基准. 1,2搜集数据生产操作数据:温度,压力, 组成,分解率,转化率等;热力学数据:物料的 热容,姑值,相变潜热,反应热等. 1,3画出计算简图对于某个变化过程,要 写明变化前后体系的始,终态,要知道变化过 程有无温度,压力的改变,体系与环境有无热 和功的传递,以及反应物和生成物的种类,数 量和聚集状态. 可用简图扼要表达. 始态终态 反应曲生成曲 1.4计算过程选定一个计算的基准温度, 同时设计一种假想的途径,使体系从同一始 态变到同一终态.从而列出热量恒算式,以进 行具体计别进入假想换热器中,温度变化到基准 温度25,这时它放出的热量移到假想热储 库中,然后进入反应器内,在25下反应.反 应过程中所产生的热效应也将它储存在假想 的热储库中,最后再将生成物(E+G)在假想 的换热器中自25变化到tC,需要的热源由 热储库供给. 从图2可以看出反应体系中,投有轴功 的传递W=0,势能和动能也投有发生变化, 可不计.拟定一个与上体系相符的热量计算 框图. 国3熟量计算框图 根据计算框图与热力学第一定律可得出: Q=z3.H进行完全,常常有某种反应 物过量,也有某些不参与反应的其他物质. (4)反应并不能进行完全,使生成物中掺 杂有部分反应物. (5)几个反应同时进行,并伴有逆向反 应. 以上这些情况使得热量恒算变得很复 杂,因此按上述办法将其分步,简化拟定就显 得更为重要.下面就应用热力学第一定律知 识,以化肥厂中变炉为例,计算一段出口气体 温度. 2实例应用 设半水煤气成份:(干基) 进变换炉前湿的气体反应物中,水蒸汽 与一氧化碳的体积比为6,温度为380,经 一 段反应后c0的转化率为85%. 计算基准取100ks分子干半水煤气 湿气体反应物中O/CO=6 I:1o:n6=336=198(ks分子) 因此湿气体反应物中各组分的量: 意 一-二呻 , 宁夏石油化工20clo年第3期 因CO的转化率为85%,所以反应的CO 量为: 33x85%:28.0528(kg分子) 根据:CO+H20=C+H2 可得出一段出口气体的各组分量 由于在变换炉中进行上述化学反应,体 系与环境无轴功的交换,因此w:0.又因变 换炉用的绝热材料具有良好的保温作用,热 损失可略而不计,则Q:0.因此按能量平衡 方程式可得H=0,即反应前后体系的焓值 相等,故变换反应所产生的热量直接用来加 热产物,使出口气体温度提高到f,现取 25作为基准温度.我们可设计如下计算步 骤: 螗寿终毒 S 6I 21.f (170 Oa”05 5 21f IT0 *Ar05 根据以上设计的途径可得出 H=H1+喁+H2:0 (1)计算HI,查有关数据: Cp(2538)cp(2538)气体气体 K耐-h分子.?Kd?分子一? C_410. 39lqt17.嘴 co7.120】8.37 6. 98C也5110.83 Hl=(9x10.39+33x7.12+36x6. 98+21.5x7.08+198x8.37+0.5x10.83) x(25380):一2394.6x355:一8.5xl旷 (KcaI) =一 3.56xl(KJ) (2)计算啡,查出有关气体标准生成 焓: 根据反应式:CO+0:c+H2 Hm:一No52(kg分子) Heo:一26416(K?kg分子) HH.:一57798(-kg分子) H2=0 啡:(一94052)+0一(一26416)+ (一57798)x28.05 = (一9838)x28.05 =一 275956(I(c-)=一1.155xl(KJ) (3)计算,需查Cp(Z一t)的值,囡 t是未知数,我们可假设t:480,查cp的值 cp(25一珈)cp(25480)气体气体 K凹l-分子-Kck鼻分子? M10. 68M【】7.14 corn7190【8.50 坞699C地lO.5l :(37x10.68+5x7.19+64x6.99 +21.5x7.14+170x8.50+0.5x11.51)x(t 一 25):2482t一62068(Kca1) 根据H:+H2:0 0=一850000275956+f2482t一 62068) t:11880242:478.66() 计算所得的值与假设基本相符,故变换 炉一段出口温度为480,因实际生产过程有 一 定量的热损失,所以实际一段出口温度要 比计算值低.通过以上实例计算,就可应用 热力学第一定律,得出所需的技术参数,为设 计设备,管道,工艺掌握较准确的数据,为生 产管理设计研究提供依据. 宁夏石油化I2000年第3期 3结语 应用热力学第一定律不仅可计算温度 值,也可在实际生产中,为保证一个工艺指 标.而需确定另一个工艺指标的计算. 如在化肥工业中造气炉工艺指标的确 定,要维持造气炉内炭层温度在1000不变 的情况下,则通人炉内的水蒸汽与空气的摩 尔比应为多少?这个问题在实际工业生产中 意义比较重要. 通过以上化肥厂生产单元的计算,可知热 力学第一定律在化学工业上的应用范围很广. 可为正确掌握生产管理和设计研究提供理论依 据.进一步讲,热力学第一定律只从能量守恒, 能量的相互转化方面考虑.并没有涉及到方向, 效率,限度等问题.在实际生产中就不可能百 分之百地转移.这就有个效率问题.解决这些 问题就得应用热力学第二定律. 参考文献 1原石油化学工业部化工设计院,<小氮肥设计 手册).北京化学工业出版社,1980年5月版. P7lP722.PT25.F727,P769. 宁夏大荣两产品入选国家级火炬计划项目 日前,由宁夏大荣化工冶全有限公司自行研制承担的3000吨,年单氰胺和25000吨,年正 肥丹项目,经专家认定,被列入2O00年国家级火炬计划项目,由科技部推荐享受国家高新技术 开发项目的有关优惠政策. 单氰胺主要用作有机合成的原料和医药中间体.农业上用作植物生长调节剂,杀虫剂,杀 菌剂.近年来.国内外单氰胺的应用研究比较活跃,开发了很多用途.以单氰胺为原料可生产 肌酸.O一甲基异脲,双辛胍胺二醋酸盐,多果啶,杀雄酮,新杀菌剂,氟尿嘧啶,盐酸苄奈克酯, 胍乙啶硫酸盐,胍生,胍氯酚,胍缩酮,苄杂环胍等一系列医药和农药产品,使单氰胺应用领域 不断拓宽.市场需求量逐年上升,具有较强的出口创汇能力,被评为国家级新产品;正肥丹主要 应用于农业,作为我国第一例具有农药和肥料双重功效的新产品,具有一般氮肥的功效外兼具 杀虫,灭菌,除草,提高地温等功效,可促使已失去生命的植物的植茎提前腐熟.使其转化戚有 机肥,对暖棚具有灭菌作用,是良好的酸性土壤改良剂,肥效持久,氮利用率高.功效失效缓慢, 播撒时不会造成环境污染及对人体造成伤害,其最突出特