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1、化工节能原理与技术,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,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)。,第 1 章 总 论,1.1.2 能源的分类1.1.
2、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),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,CO,少量CO2,N2,CH4等,第 1 章 总 论,1.1.
3、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,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,
4、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),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),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
5、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,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,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
6、社,2005,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。,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
7、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,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,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: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
8、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,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,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
9、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,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),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
10、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,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。,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
11、的标准。,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,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,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
12、:,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,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=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
13、in mi(h+c2/2+gz)i+W,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,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=,