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1、1,化工节能原理与技术,北京化工大学 2009.3（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资源能源类型：固体燃料、液体燃料、气体燃料、水力、电能等。能源是经济发展的原动力，是现代文明的物质基础作业：列举几例新型能源及制备技术（从文献摘要中总结1-2句）。
2、,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174000 TW/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）一次能源可再生能源：太阳能、水能、风能、海洋能非可再生能源：煤炭、石油、天然气、核燃料（2）二次能源：电、蒸气、煤气、焦炭、各种石油制品（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,C
3、O,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：煤、石油、天然气、水力（2）新能源：太阳能、地热能、潮汐能、风能、生物质能生物质能：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：太阳能、风能、海洋能、水力（2）非清洁能源：煤炭、石油,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
4、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（技术极限值）和可实现的节能潜力（一定时期内可实现的节能量）,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
5、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
6、.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，如化工过程强化技术，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
7、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
8、态（状态）：某一瞬间的宏观物理状况。平衡状态：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
9、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=760 mmHg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
10、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。
11、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)=
12、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=Q W+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,d
13、U=Q W+m1(h1+c12/2+gz1)m2(h2+c22/2+gz2),dU=0，m1=m2,Q=H+m c2/2+mg z+W,Q=out mi(h+c2/2+gz)i in mi(h+c2/2+gz)i+W,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：CO2 9%，CO 33%,H2 36%,N2 21.5%,CH4 0.5%。进变换炉时水蒸气与一氧化碳的体积比为6，温度为 653.15 K。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,100 kmol,n kmol(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)：CO2 9;CO 33;H2 36;N2 21.5;CH4 0.5;H2O 198出变换炉时湿气体各组分的物质的量（kmol)：CO2 37.5;CO 4.95;H2 64.05;N2 21.5;CH4 0.5;H2O 169.95绝热过程：H=0；U=,
