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,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,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，2005,13,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）273.15,18,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/m3,19,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),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)=0,21,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=U+W对单位质量q=u+w对微元过程q=du+w,24,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：,m1,m2,Q,W,m(u+pv+c2/2+gz)=m(h+c2/2+gz),h=u+pv,H=U+pV,25,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：,m1,m2,Q,W,dU=QW+m1(h1+c12/2+gz1)m2(h2+c22/2+gz2),Q=m2(h2+c22/2+gz2)m1(h1+c12/2+gz1)+W+dU,26,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=QW+m1(h1+c12/2+gz1)m2(h2+c22/2+gz2),dU=0，m1=m2,Q=H+mc2/2+mgz+W,Q=outmi(h+c2/2+gz)iinmi(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,100kmol,nkmol(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：H=0；U=,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。,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,H=H1+Hr+H2=0,H1=-3.56106(kJ),Hr=28.05(-41198)=-1.156106(kJ),H2=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：,H=H终态H初态,653.15K时，H初态=-49.17106(kJ),753.15K时，H终态=-49.98106(kJ),H=H终态H初态=0,32,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,T,S,1,2,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：c=1-T2/T1,34,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：c=1-T2/T1,最大有用功（以环境温度为限）：W=Q(1-T0/T1),35,第2章节能的热力学,2.3火用与热力学第二定律,2.3.2熵的概念和孤立系统熵增原理熵流：由于热流引起的熵的变化熵产：由于系统内部和外部的不可逆性引起系统熵的变化孤立系统或绝热系统的熵可以增大，或保持不变，但不可能减少（热力学第二定律的另一种表述）不可逆性引起的做功能力损失为：,36,第2章节能的热力学,2.3火用与热力学第二定律,2.3.3热力学第二定律的熵衡算方程式适用于任何系统的熵衡算方程式：进入系统的熵+不可逆性引起的熵产量=离开系统的熵+系统熵的变化进、出系统的熵包括：进、出系统的物质流所携带的熵，以及因可逆传热所引起的熵变对闭口系统,37,第2章节能的热力学,2.3火用与热力学第二定律,2.3.3热力学第二定律的熵衡算方程式对开口系统（既有能量交换又有物质交换）对稳定流动系统（系统参数不随时间而变）对单股稳流系统（min=mout=m）（对绝热过程，？）,38,第2章节能的热力学,2.3火用与热力学第二定律,2.3.3热力学第二定律的熵衡算方程式T-S图（可逆过程热量）,T,S,1,2,39,第2章节能的热力学,2.3火用与热力学第二定律,2.3.4能量和火用能量的转换过程具有方向性或不可逆性能量的转换能力（能量转换为功的能力或做功能力）能量的可利用性分为三类：(a).具有完全转换能力的能量，如机械能、电能等；(b).具有部分转换能力的能量，如热能、内能或焓等；(c).完全不具有转换能力的能量，如处于环境温度下的热能等,卡诺热机的热效率：c=1-T0/T1,40,第2章节能的热力学,2.3火用与热力学第二定律,2.3.4能量和火用能量的火用（有效能）：转换为有用功的那部分能量；能量的火无（无效能）：不能转换为有用功的那部分能量任何一种形式的能量可表示成能量=火用+火无分析第一类能量，第二类能量和第二类能量的火用和火无。,41,第2章节能的热力学,2.4能量的火用计算,2.4.1环境与物系的基准状态自然环境是火用的自然零点自然环境是一种概念性的环境定环境模型：环境是确定不变的。斯蔡古特的环境模型：(1).环境温度T0=298.15K，环境压力P0=1atm(2).环境由若干基准物构成。每一种元素都有其对应的基准物和基准反应。(3).基准物的自由焓较小龟山-吉田模型：(1).气态基准物的组成(2).其他元素以在T0,P0下纯态最稳定的物质作为基准物,42,第2章节能的热力学,2.4能量的火用计算,2.4.1环境与物系的基准状态系统与环境处于热力学平衡状态时，火用值为零；完全的热力学平衡：热平衡、力平衡和化学平衡不完全的热力学平衡：热平衡、力平衡物理火用：取不完全平衡环境状态作为基准态，一个系统的能量具有的火用物理火用+化学火用：取完全平衡环境状态作为基准态化学火用：取完全平衡环境状态作为基准态，因化学不平衡所具有的火用,43,第2章节能的热力学,2.4能量的火用计算,2.4.2机械形式能量的火用动能火用：c2/2位能火用：gz封闭系统从状态1变化到状态2所做功W12的火用为：Ew=W12p0(V2V1)封闭系统所做功的火无为：Aw=p0(V2V1),V1,V2,T0,p0,44,第2章节能的热力学,2.4能量的火用计算,2.4.3热量火用热量火用：系统所传递的热量用可逆方式所能作出的最大有用功,能量衡算式：Q=-Q0+WA,熵平衡方程式：Q/T+dS产=-Q0/T,45,第2章节能的热力学,2.4能量的火用计算,2.4.3热量火用热量火用：系统所传递的热量用可逆方式所能作出的最大有用功,能量衡算式：Q=-Q0+WA,熵平衡方程式：Q/T+dS产=-Q0/T,可逆过程：dS产=0,热量火用,热量火无,46,第2章节能的热力学,2.4能量的火用计算,2.4.3热量火用热量火用：系统所传递的热量用可逆方式所能作出的最大有用功,热量火用,S,热量火无,S1,S2,1,2,4,3,T,T0,EQ,AQ,47,第2章节能的热力学,2.4能量的火用计算,2.4.3热量火用温度恒定热源变温热源,热量火用,热量火无,热量火无？,热力学平均温度,48,第2章节能的热力学,2.4能量的火用计算,2.4.3热量火用例2-2把100kPa、127的1kg空气可逆定压加热到427，试求所加热量中的火用和火无。空气的平均定压比热容cp=1.004kJ/(kgK)。设环境大气温度为27。,49,第2章节能的热力学,2.4能量的火用计算,2.4.3热量火用TT0相同热量的情况下，热量的温度越高，热量中的火用值越大；TT0热量火用总是小于热量；TT0冷量火用可以大于热量；,T/K,300,T0,1,0.5,1.5,0,51,第2章节能的热力学,2.4能量的火用计算,2.4.3热量火用在温差相同、传热量相同的条件下，低温时的火用损失比高温时大得多；例2-3在某一低温装置中将空气自600kPa和27定压预冷至-100，试求1kg空气所获冷量的火用和火无。空气的平均定压比热容为1.0kJ/(kgK)。设环境大气的温度为27。,52,第2章节能的热力学,2.4能量的火用计算,2.4.4封闭系统的火用封闭系统的火用：封闭系统从给定状态以可逆方式转变到环境状态，并只与环境交换热量时所能作出的最大有用功。,P,T,u,S,P0,T0,u0,S0,q,wA,max,53,第2章节能的热力学,2.4能量的火用计算,2.4.4封闭系统的火用封闭系统的火用：封闭系统从给定状态以可逆方式转变到环境状态，并只与环境交换热量时所能作出的最大有用功。,封闭系统的能量方程,可逆过程,封闭系统的火用,封闭系统的火无,54,第2章节能的热力学,2.4能量的火用计算,2.4.4封闭系统的火用封闭系统的火用：封闭系统从给定状态以可逆方式转变到环境状态，并只与环境交换热量时所能作出的最大有用功。,封闭系统的火用,从状态1可逆变化到状态2时所作的最大有用功：,55,第2章节能的热力学,2.4能量的火用计算,2.4.5稳定流动系统的火用稳定流动系统的火用：稳定物流经可逆方式与环境交换热量时所能作出的最大有用功。,稳流能量方程,熵方程,进入系统的熵+不可逆性引起的熵产量=离开系统的熵+系统熵的变化,56,第2章节能的热力学,2.4能量的火用计算,2.4.5稳定流动系统的火用稳定流动系统的火用：稳定物流经可逆方式与环境交换热量时所能作出的最大有用功。,稳流能量方程,熵方程,可逆条件,稳定流动系统的火用,57,第2章节能的热力学,2.4能量的火用计算,2.4.5稳定流动系统的火用稳定流动系统的火用：稳定物流经可逆方式与环境交换热量时所能作出的最大有用功。,稳定流动系统的火用,稳定流动系统的火无,不考虑宏观动能和位能（焓火用）,从状态1可逆变化到状态2时所作的最大有用功：,58,第2章节能的热力学,2.4能量的火用计算,2.4.5稳定流动系统的火用稳定流动系统的火用：稳定物流经可逆方式与环境交换热量时所能作出的最大有用功。作业1：从稳定流动系统的火用推导稳定流动系统的火无；2：从稳定流动系统的火用推导“从状态1可逆变化到状态2时所作的最大有用功”,稳定流动系统的火无,不考虑宏观动能和位能（焓火用）,从状态1可逆变化到状态2时所作的最大有用功：,59,第2章节能的热力学,2.4能量的火用计算,2.4.5稳定流动系统的火用例2-4设有一空气绝热透平，空气的进口状态为600kPa、200，宏观速度为160m/s，出口状态为100kPa、40和80m/s。试求（1）空气在进、出口状态下的焓火用；（2）透平的实际输出功；（3）透平能够作出的最大有用功。空气的定压比热容为1.01kJ/(kgK)，环境大气状态为100kPa、17。,60,第2章节能的热力学,2.4能量的火用计算,2.4.6化学反应的最大有用功,稳定流动系统化学反应,Q:化学反应系统与外界的热量交换（反应热）,H=H2H1化学反应系统焓的变化（反应焓）,定温条件下，化学反应系统熵的变化,可逆条件,61,第2章节能的热力学,2.4能量的火用计算,2.4.6化学反应的最大有用功,稳定流动系统化学反应,结论：可逆定温系统作出的最大反应有用功等于系统自由焓的减少。最大反应有用功是状态参数,62,第2章节能的热力学,2.4能量的火用计算,2.4.6化学反应的最大有用功,653.15K,298.15K,H1,恒压降温,Hr,恒温恒压化学反应,298.15K,TK,恒压升温,H2,H=0,恒压绝热反应,T1,P1,T2,P2,298.15K,1atm,298.15K,1atm,63,第2章节能的热力学,2.4能量的火用计算,2.4.6化学反应的最大有用功,标准态下化学反应的最大有用功,标准态下化学反应的焓变,标准态下化学反应的熵变,（标准态生成自由焓）,64,第2章节能的热力学,2.4能量的火用计算,2.4.6化学反应的最大有用功例2-5在298.15K和1atm下，CO和O2进行燃烧反应生成CO2。反应前反应物CO和O2不进行混合，试求此化学反应的最大反应有用功。,65,第2章节能的热力学,2.4能量的火用计算,2.4.6化学反应的最大有用功例2-6在例2-5的反应中加入惰性气体N2,该气体不参加反应，其反应式为CO+O2/2+1.88N2=CO2+1.88N2反应前后反应物和生成物都进行混合，反应前后物系总压仍为1atm，温度仍为298.15K。试求此反应过程的最大反应有用功。,66,第2章节能的热力学,2.4能量的火用计算,2.4.7气体的扩散火用在P0、T0下的气体可逆定温地转变到其在环境空气中的分压力Pi0时所能作出的最大有用功。,气体的扩散火用,单位质量气体的扩散火用,对真实溶液？,67,第2章节能的热力学,2.4能量的火用计算,2.4.8元素和化合物的化学火用标准化学火用：用环境模型计算的物质化学火用。基准物和基准反应基准反应：一种非基准物质（包括元素、单质和化合物）与一种或几种基准物在P0、T0下发生化学反应，而反应物和生成物均为P0、T0下的纯物质。,68,第2章节能的热力学,2.4能量的火用计算,2.4.8元素和化合物的化学火用标准化学火用：用环境模型计算的物质化学火用。环境模型中的基准物化学火用为零元素的化学火用：元素与环境物质进行化学反应变成基准物所提供的最大化学反应有用功。元素的标准化学火用：化学反应在规定的环境模型中空气中所含组分的标准化学火用：扩散火用纯态化合物的标准摩尔化学火用：,69,第2章节能的热力学,2.4能量的火用计算,2.4.8元素和化合物的化学火用例2-7试用龟山-吉添田环境模型求碳（石墨）的标准化学火用例2-8试用龟山-吉添田环境模型求甲烷CH4气体的标准化学