化工热力学绪论冯新课件

1 2国家和全球关心的问题国家和全球关心的问题v和谐社会和谐社会v节能减排节能减排v气候变化越来越看得见、摸得着气候变化越来越看得见、摸得着COCO2 2排放与气候变化之间的关系排放与气候变化之间的关系v“低碳经济低碳经济”低能耗低能耗能量的最大利用能量的最大利用低污染低污染物质的最大利用物质的最大利用谁主沉浮？谁主沉浮？3减排交易减排交易 v全球全球CO2排放指标交易行情大幅上涨！排放指标交易行情大幅上涨！每每16美元美元/吨。吨。重庆企业重庆企业1200万吨废气万吨废气指标卖了指标卖了10亿元亿元。28个个签约项目包括签约项目包括煤矿瓦斯利用、冶金高（焦）煤煤矿瓦斯利用、冶金高（焦）煤气发电、化工余热余气利用、垃圾填埋气发电、气发电、化工余热余气利用、垃圾填埋气发电、小火电减排小火电减排。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化工新材料有限公司的温室气体减排交易温室气体减排交易，是，是迄今为止最大的单笔企业配额交易，迄今为止最大的单笔企业配额交易，交易金额交易金额高达高达10.2亿美元亿美元。4 10项顶尖成果项顶尖成果（1983年，年，AIChE ）1.合成橡胶合成橡胶（1983年，年，220亿磅亿磅/年。二战期间，及时年。二战期间，及时解救了天然橡胶匮乏的困境。）解救了天然橡胶匮乏的困境。）2.抗生素抗生素：1918年流感夺走了全世界年流感夺走了全世界2000万万人的生命。人的生命。化学工程使青霉素的年产量高达百万磅。化学工程使青霉素的年产量高达百万磅。3.聚合物聚合物：塑料在很多应用场合能取代木头、金属和：塑料在很多应用场合能取代木头、金属和玻璃。玻璃。54.合成纤维合成纤维。5.低温空分生成低温空分生成O2 和和 N2。6.核同位素的分离核同位素的分离。7.原油的催化裂解原油的催化裂解：制备高辛烷值燃料的能力在英国：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。战役和二次世界大战中是一决定性因素。8.污染的控制。污染的控制。9.肥料尤其是合成氨肥料尤其是合成氨：新肥料改进了农业的生产力并：新肥料改进了农业的生产力并帮助养活了全世界。帮助养活了全世界。10.生物医学工程生物医学工程。6“生活处处皆化工生活处处皆化工”v不论是人们的衣、食、住、行，还是现代的不论是人们的衣、食、住、行，还是现代的高科技产品，都有化学工程的影子，真可谓高科技产品，都有化学工程的影子，真可谓“生活处处皆化工生活处处皆化工”。v在美国和德国，化学工业都是在美国和德国，化学工业都是第二大经济支第二大经济支柱产业柱产业。v从我国从我国“十五十五”统计情况看，国民经济产值统计情况看，国民经济产值的的1/6是是由化学工业提供的。由化学工业提供的。7v中国对环境的要求越来越高，包括水资源、固体废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，弃物等等，都需要化学工业作为支撑，需要化工提需要化工提供新材料、新能源、新资源，供新材料、新能源、新资源，为国家的发展和人们为国家的发展和人们的生活提供服务。的生活提供服务。v我国我国“十一五十一五”规划中提出了两个指标：规划中提出了两个指标：单位单位GDP的能耗降低的能耗降低20%，废弃物排放减少，废弃物排放减少10%，要实现这要实现这两个指标，就要高效、节能、绿色。这对化学工业两个指标，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。化学工业的重要性。化学工程的作用化学工程的作用8Chemical Engineering is a powerful horse that explores and claims new territories9v化学工程是以化学工程是以化学、物理、生物、数学的基本原理作化学、物理、生物、数学的基本原理作为基础为基础，研究，研究物质转化物质转化、物质形态和物质组成的一门、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。值、为社会服务的一门核心科学。v化学工业的核心是：通过化学反应或者生物反应，实化学工业的核心是：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。和产品形态的加工。v化学工程服务面很广化学工程服务面很广生物、医药、材料、环境、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。的专业学科、工程学科。意义意义:最合理地利用能源和资源、保护生态环境和人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！类健康，为人们幸福生活而服务！10“2121世纪多数工业中，化学工程扮演着战略角色，具有很世纪多数工业中，化学工程扮演着战略角色，具有很大的发展空间大的发展空间”海水淡化海水淡化饮用水饮用水净化处理净化处理城市废城市废水资源化水资源化 化学工程化学工程能源能源水资源水资源传统工业传统工业生态环境生态环境制制 药药食食 品品化工化工与石化与石化电电 子子冶冶 金金天然气天然气生物生物质利用质利用燃料电池燃料电池除除 尘尘COCO2 2 控制控制洁净燃烧洁净燃烧1112我们的新教材我们的新教材v 冯新，宣爱国，冯新，宣爱国，周彩荣，田永淑，周彩荣，田永淑，龙小柱龙小柱.化工热力化工热力学学，北京：化学，北京：化学工业出版社，工业出版社，2009.13 1415http:/16v化工热力学化工热力学到底能干什么？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？箱门是否能当空调？(链接链接)2、如果用空气作为潜水员在海底的呼吸介质，为、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？何会出现类似麻醉现象？3、为什么无水酒精的价格是为什么无水酒精的价格是95%酒精的二倍？主酒精的二倍？主要是哪一部分的成本提高了？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？量的戊烷，而不是甲烷或已烷？Why Why Why Why Why Why？?继续继续继续继续蒸发盘管蒸发盘管冷冻室冷冻室冷凝盘管冷凝盘管压缩机压缩机毛细管毛细管单级蒸汽压缩制冷高 温 环高 温 环境境低 温 冷低 温 冷室室蒸发蒸发器器冷凝器冷凝器单级蒸汽压缩制冷空调返回返回5、为何从天然植物中提取香精、色素等有效成分常用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？萃取剂为何常选超临界萃取技术？萃取剂为何常选CO？6、为何在高度污染的河流中的鱼体内为何在高度污染的河流中的鱼体内PCB虽未过量，虽未过量，但鱼肝中却大大超量。但鱼肝中却大大超量。7、精馏塔的设计主要依据是什么？精馏塔的设计主要依据是什么？8、如何如何节能减排节能减排？依据是什么？依据是什么？Why Why Why Why Why Why？?v全世界不可再生化石燃料的消耗占全世界不可再生化石燃料的消耗占90%。v中国中国50%的能源需要进口。的能源需要进口。v中国中国人均能源消费人均能源消费不到世界平均水平的不到世界平均水平的50%。v中国的中国的能源利用率能源利用率仅是世界平均水平的仅是世界平均水平的50%。v化工是耗能大户，仅次于冶金。化工是耗能大户，仅次于冶金。21降低资源消耗降低资源消耗v2003年，中国消耗了全球总产量年，中国消耗了全球总产量30%的主要能源和的主要能源和原材料原材料，创造的，创造的GDP仅占世界的仅占世界的4%。v如果按每如果按每1美元生产总值能耗，我国比发达国家能美元生产总值能耗，我国比发达国家能耗高耗高45倍倍。v目前，目前，美国美国每万美元耗水为每万美元耗水为514M3，日本日本208M3，中国中国5045M3，是发达国家的，是发达国家的820倍倍。v中国很多地区的经济增长速度是靠中国很多地区的经济增长速度是靠高投资、高能耗、高投资、高能耗、高污染高污染换来的。换来的。22新能源新能源可燃冰可燃冰v1M3“可燃冰可燃冰”释放出的能量相当于释放出的能量相当于164M3的天然气。的天然气。v全球全球“可燃冰可燃冰”总能量，是所有煤、石油、天然气总能量，是所有煤、石油、天然气总和的总和的23倍。倍。v“可燃冰可燃冰”的主要成分是甲烷与水分子的主要成分是甲烷与水分子(CH4H2O)。v勘探需要知道：在海底下，勘探需要知道：在海底下，何种温度、压力下何种温度、压力下会形会形成成“可燃冰可燃冰”？v热力学能解决！热力学能解决！23湿空气作为热力循环的工作介质湿空气作为热力循环的工作介质v近近10年来的实际应用已经证明，如果在年来的实际应用已经证明，如果在空气空气中加入中加入1015%水蒸气水蒸气，可以提高，可以提高透平透平1020%的效率的效率。v需要研究该体系需要研究该体系高温高压下高温高压下的的热力学性热力学性质质！24可能的可能的CO2碳封存方法碳封存方法（1）二氧化碳填埋到含水层）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。）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。）填埋到地下煤层，增加甲烷产量。评估评估CO2地质减排的可行性地质减排的可行性要求在中等压力和温度下要求在中等压力和温度下CO2和水的压力和水的压力-温度温度-组组成（成（P-T-X）数据关系）数据关系 CO2-H2O体系体系CO2-NaCl-H2O体系体系CO2-NaCl-KCl-H2O体系体系CO2-CH4-H2O体系体系 一、化工热力学的定义和用途一、化工热力学的定义和用途二、化工热力学研究内容和特点二、化工热力学研究内容和特点三、热力学的研究方法三、热力学的研究方法四、为何学和如何学好化工热力学四、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五、化工热力学和其它化学工程分支学科间的关系支学科间的关系六、本课程的内容六、本课程的内容学习指学习指 导导 内内 容容26一、一、化工热力学的定义和用途化工热力学的定义和用途1、化工热力学的定义化工热力学的定义A、热力学（、热力学（Thermo-dynamics）B、工程热力学（、工程热力学（Engineering Thermodynamics）C、化学热力学（、化学热力学（Chemical Thermodynamics）D、化工热力学（、化工热力学（Chemical Engineering Thermodynamics）27一、一、化工热力学的定义和用途化工热力学的定义和用途1、化工热力学的定义化工热力学的定义A、热力学热力学（Thermo-dynamics）说法说法1：讨论热与功转化规律的科学。：讨论热与功转化规律的科学。说法说法2：是研究自然界各种形式能量之间相互转化：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。的规律，以及能量转化对物质的影响的科学。v远古远古“钻木取火钻木取火”机械能转换为内能。机械能转换为内能。v12世纪世纪“火药燃烧加速箭支的飞行火药燃烧加速箭支的飞行”v19世纪世纪“蒸汽机蒸汽机”热转换为功。热转换为功。28热力学的四大特性热力学的四大特性v严密性：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；行通的事情，在实际当中才能够行的通；热力学证明是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，也实施不可行的事情，在实际当中无论采用什么措施，也实施不了。不了。v完整性完整性由于热力学具有由于热力学具有v热力学第一定律：能量守恒定律热力学第一定律：能量守恒定律v第二定律：熵增原理、热效率第二定律：熵增原理、热效率v第三定律：绝对熵定律第三定律：绝对熵定律v第零定律：热平衡定律第零定律：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。这四大定律使热力学成为一门逻辑性强而完整的科学。29v普遍性：普遍性：表现在热现象在日常生活中是必不可缺少的。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。中的问题，甚至用于宇宙问题的研究。v精简性：精简性：表现在热力学能够定性、定量地解决实际问表现在热力学能够定性、定量地解决实际问题。题。30B、化学热力学、化学热力学（Chemical Thermodynamics）将热力学的基本理论应用于化学领域，则为化学热力学。将热力学的基本理论应用于化学领域，则为化学热力学。主要研究主要研究解决化学和物理变化进行的方向和限度。特别是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。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）。的一部分）。C、工程热力学、工程热力学（Engineering Thermodynamics）将热力学的基本理论应用于工程技术领域，则为工程热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。力学。主要研究主要研究热能与机械能热能与机械能之间转换规律以及在工程中的应之间转换规律以及在工程中的应用。用。特点：特点：v制冷、发电制冷、发电v介质简单：水蒸气、氨、氟里昂介质简单：水蒸气、氨、氟里昂31D、化工热力学、化工热力学（Chemical Engineering Thermodynamics）集化学热力学和工程热力学之大成的学科。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。物、能源、信息、环境、材料等的交叉领域。研究研究化工过程化工过程中各种中各种能量以及物质相互转化能量以及物质相互转化的理论极限、条件和状态。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。工过程开发、设计和生产的重要理论依据。32化工热力学化工热力学33经典热力学经典热力学v无论是无论是工程热力学工程热力学还是还是化学热力学化学热力学还是还是化化工热力学，工热力学，它们均是它们均是经典热力学经典热力学，遵循遵循经经典热力学典热力学的三大定律（的三大定律（热力学第一、第二、热力学第一、第二、第三定律第三定律），不同之处是由于热力学应用不同之处是由于热力学应用的的具体对象不同具体对象不同，决定了各种热力学解决，决定了各种热力学解决问题的方法有各自的特点。问题的方法有各自的特点。34一、一、化工热力学的定义和用途化工热力学的定义和用途2、化工热力学的用途化工热力学的用途确定化学反应发生的可能性及其方向，确定反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。应平衡条件和平衡时体系的状态。（可行性分析）（可行性分析）石墨石墨金刚石？金刚石？H2O H2+O2？N2+H2 NH3？常温、常压常温、常压常温、常压常温、常压？00 GG常温、常压常温、常压判据？判据？400；300atm35 石墨石墨金刚石？金刚石？P101325.PTT15.298TP010dPPGdTTGGG?)P,T(G,atm1,K15.298,0kJmol9.2G1 其它条件下的其它条件下的下不可行下不可行在在在在1400，5-10万万atm下下，石墨石墨金刚石金刚石v例例1 1：石墨与金刚石二者间转变时的温度与压力效应的热：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。导出了关于自然界金刚石形成的地质条件的假说。36描述能量转换的规律，确定某种能量向目标能量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。转换的最大效率。（能量有效利用）（能量有效利用）如如:美国一聚乙烯醇工厂能耗大，特别是分离工段的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能耗占全厂的65%，应用热力学相平衡的成果，将进，应用热力学相平衡的成果，将进料中乙醛含量由料中乙醛含量由0.7%降至降至0.4%后，操作费用节省后，操作费用节省50%。化学工程师化学工程师开发和设计某一化工过程阶段开发和设计某一化工过程阶段，必须考虑能耗问题。必须考虑能耗问题。化工过程的能量化工过程的能量有效合理利用！有效合理利用！37描述物态变化的规律和状态性质。描述物态变化的规律和状态性质。流体流体p-V-T关系关系 状态方程状态方程低温技术低温技术氦气液化氦气液化发现超发现超导现象导现象寻求高温超寻求高温超导材料导材料磁悬浮列车磁悬浮列车2VabVRTp 38确定相变确定相变发生的可能发生的可能性及其方向，确定相性及其方向，确定相平衡条件和相平衡时平衡条件和相平衡时体系的状态。体系的状态。v 多元相平衡数据是产品多元相平衡数据是产品分离的基石。分离的基石。产品分离车间：产品分离车间：v设备占全厂总投资设备占全厂总投资5090%；能量占；能量占全厂全厂6090%。精馏塔的设计：没有精馏塔的设计：没有相平衡数据无法设计。相平衡数据无法设计。DxFxWxBA39如：如：分离回收二氧化碳的新方法分离回收二氧化碳的新方法BVBV钾碱吸收法钾碱吸收法 通过模拟计算，得到最优操作条件，代替耗费巨大通过模拟计算，得到最优操作条件，代替耗费巨大的中间试验的中间试验。（需要模型和基础数据需要模型和基础数据）施亚钧教授施亚钧教授的国家自然基金项目。的国家自然基金项目。研制出新的二元吸收剂，完成工艺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。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这为工程放大提供了基础数据和理论基础，础，指导了从实验室规模指导了从实验室规模(右图右图)直接放直接放大到近两万倍的工业装置规模。大到近两万倍的工业装置规模。40可行性分析可行性分析v为了降低原料消耗，利用本国资源，制止环境污染为了降低原料消耗，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）艺（清洁生产、绿色化工）。v以乙二醇生产为例以乙二醇生产为例:v50年代采用乙烯和氯气为原料的氯醇法生产乙二醇，年代采用乙烯和氯气为原料的氯醇法生产乙二醇，主要反应有三步：主要反应有三步：乙烯乙烯+氯氯氯乙醇氯乙醇环氧乙烷环氧乙烷乙二醇乙二醇.这个方法不但流程长，辅助原料氯的成本高，而这个方法不但流程长，辅助原料氯的成本高，而且由于使用了氯，给后处理带来了许多麻烦（如且由于使用了氯，给后处理带来了许多麻烦（如腐蚀、副产盐酸问题等）。腐蚀、副产盐酸问题等）。例例1：乙二醇生产：乙二醇生产41v60年代乙烯年代乙烯直接氧化法直接氧化法在工业上得到应用，这种方在工业上得到应用，这种方法不在使用氯，主要反应有二步：法不在使用氯，主要反应有二步：乙烯乙烯环氧乙烷环氧乙烷乙二醇乙二醇v70年代由年代由乙烯直接合成乙二醇成功乙烯直接合成乙二醇成功：乙烯乙烯乙二醇乙二醇产品收率也从乙烯氧化法的产品收率也从乙烯氧化法的75%提高到提高到90%，这，这意味着每公斤乙二醇所消耗的乙烯数量比以前降意味着每公斤乙二醇所消耗的乙烯数量比以前降低了低了17%。42能量的有效利用能量的有效利用v化工生产要消耗大量的能源。石油、天然气等能源化工生产要消耗大量的能源。石油、天然气等能源不仅是化学工业的燃料，而且是生产一些重要化工不仅是化学工业的燃料，而且是生产一些重要化工产品的原料。产品的原料。v利用热力学的基本原理，对化工过程进行热力学分利用热力学的基本原理，对化工过程进行热力学分析，是热力学近三十年来最重要的进展。计算各种析，是热力学近三十年来最重要的进展。计算各种热力过程的热力过程的理想功、损耗功、有效能理想功、损耗功、有效能等，找出可以等，找出可以节能而没有能的环节和设备，然后采取措施，达到节能而没有能的环节和设备，然后采取措施，达到节能的目的。节能的目的。v对于评定新的设计方案和改进现有生产都是有效的对于评定新的设计方案和改进现有生产都是有效的手段。近来，能源紧张问题更显突出，故在流程选手段。近来，能源紧张问题更显突出，故在流程选择、设备设计中择、设备设计中往往以节能为目标函数进行优化往往以节能为目标函数进行优化，为了节能，宁可增加设备（即初始投资）为了节能，宁可增加设备（即初始投资）43v例例2：南京塑料厂乙苯脱氢制苯乙烯：南京塑料厂乙苯脱氢制苯乙烯C2H5CH3C2H3560620oC乙苯苯乙烯+H2CH4+C2H4C2H48C+v这么简单的反应方程这么简单的反应方程式用了三层楼的一个式用了三层楼的一个车间，经过很多换热车间，经过很多换热装置才完成，目的只装置才完成，目的只有一个，有一个，能量的有效能量的有效利用。利用。44例例3：从巨额亏损到巨额利润：从巨额亏损到巨额利润 重庆重庆长风化工厂科技创新纪实长风化工厂科技创新纪实v邓经国邓经国 中国化工报中国化工报 2006-8-22v一个连续亏损长达一个连续亏损长达15年的老厂，一个连职工工资都无年的老厂，一个连职工工资都无法发出的特困企业，重庆长风化工厂依靠科技创新法发出的特困企业，重庆长风化工厂依靠科技创新2005年一举丢掉了多年的亏损帽子，实现产值年一举丢掉了多年的亏损帽子，实现产值2.3亿元，亿元，到今年上半年获利润到今年上半年获利润2000万元，实现了从巨额亏损到万元，实现了从巨额亏损到巨额利润的质的飞跃。巨额利润的质的飞跃。v燃煤锅炉没了燃煤锅炉没了众所周知，化工企业生产都离不开燃煤锅炉，离不众所周知，化工企业生产都离不开燃煤锅炉，离不开蒸汽。而长风厂自开蒸汽。而长风厂自2005年年5月月24日起，就关停了日起，就关停了燃煤锅炉，取而代之的是他们自己独创的自热平衡燃煤锅炉，取而代之的是他们自己独创的自热平衡联动系统。联动系统。45v传统化工生产方式是通过外部加热来实现物质的热反传统化工生产方式是通过外部加热来实现物质的热反应，又用冷剂将物质反应过程中的热处理掉。这种传应，又用冷剂将物质反应过程中的热处理掉。这种传统方式不仅造成了能源浪费和环境污染，同时也使化统方式不仅造成了能源浪费和环境污染，同时也使化工生产工艺变得十分复杂，增加了危险性。工生产工艺变得十分复杂，增加了危险性。v长风厂彻底改变了这种生产方式，首先，他们对全厂长风厂彻底改变了这种生产方式，首先，他们对全厂所有生产过程中的所有生产过程中的化学反应热和工艺余热进行排序化学反应热和工艺余热进行排序。然后，对所有的工艺流程都进行了改造。然后，对所有的工艺流程都进行了改造。v将每套生产装置的产热过程和用热过程进行联动集成，将每套生产装置的产热过程和用热过程进行联动集成，将不同装置的产热和用热过程进行跨装置集成，将不同装置的产热和用热过程进行跨装置集成，使热使热能供需的双方不仅在数量上相符能供需的双方不仅在数量上相符，同时在质量上相配，同时在质量上相配，并努力用低档余热换出较高品质的能量。并努力用低档余热换出较高品质的能量。v他们先后进行了他们先后进行了50多项工艺和技术的创新改造，从根多项工艺和技术的创新改造，从根本上改变了传统化工生产方式。仅此一项，本上改变了传统化工生产方式。仅此一项，该厂每年该厂每年节约燃煤成本节约燃煤成本1000万元。万元。上一内容下一内容回主目录O返回热棒长热棒长7 7米，路基下米，路基下5 5米，地面上米，地面上2 2米米，整个棒体罐有液氨。当路基温度上，整个棒体罐有液氨。当路基温度上升时，液态氨受热发生气化，上升到升时，液态氨受热发生气化，上升到热棒的上端，通过散热片将热量传导热棒的上端，通过散热片将热量传导给空气，气态氨由此冷却变成了液态给空气，气态氨由此冷却变成了液态氨，又沉入了棒底，这样周而往复，氨，又沉入了棒底，这样周而往复，热棒就相当于一个永动的天然制冷机热棒就相当于一个永动的天然制冷机，不断地将冻土层中的热量排出。，不断地将冻土层中的热量排出。47v化工热力学就化工热力学就是为是为“节能减排节能减排”而生的而生的 !48John Prausnitz如是说如是说v爱因斯坦在他的自传中曾说到虽然物理学的大部分爱因斯坦在他的自传中曾说到虽然物理学的大部分都会随时间而改变，但热力学是普适而永恒的；他都会随时间而改变，但热力学是普适而永恒的；他说许多理论在科学的长河中只是昙花一现，但他坚说许多理论在科学的长河中只是昙花一现，但他坚信信热力学会永远存在热力学会永远存在。v在第一版的前言中，我引用了拉丁谚语：在第一版的前言中，我引用了拉丁谚语：“Felix qui potuit rerum cognescere causas”(了解到事了解到事物的本质是令人愉快的物的本质是令人愉快的)。希望第三版的中译本不但。希望第三版的中译本不但能给中国读者提供一个有用的工程工具，而且可以能给中国读者提供一个有用的工程工具，而且可以让他们让他们享受到由热力学的美丽和充满智慧所带来的享受到由热力学的美丽和充满智慧所带来的快乐。快乐。一、化工热力学的定义和用途一、化工热力学的定义和用途二、化工热力学研究内容和特点二、化工热力学研究内容和特点三、热力学的研究方法三、热力学的研究方法四、为何学和如何学好化工热力学四、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五、化工热力学和其它化学工程分支学科间的关系支学科间的关系六、本课程的内容六、本课程的内容学习指学习指 导导 内内 容容50二、化工热力学的研究内容和特点二、化工热力学的研究内容和特点v1、化工热力学的研究内容化工热力学的研究内容“原理原理-模型模型-应用应用”构成化工热力学研究构成化工热力学研究内容的内容的“三要素三要素”原理原理应用应用模型模型状态方程状态方程EOS活度系数模型活度系数模型i均相性质均相性质纯纯 物物 质质定组成混合物定组成混合物非均相性质非均相性质纯纯 物物 质质混混 合合 物物流动系统流动系统热力学分析热力学分析热力学模拟热力学模拟均相封闭体均相封闭体系热力学系热力学非均相封闭非均相封闭体系热力学体系热力学流动体系流动体系的能量平的能量平衡、熵平衡、熵平衡方程衡方程应用应用封闭体系封闭体系流动体系流动体系模型模型EOS活度系数活度系数热力学原热力学原理理均相封闭体均相封闭体系热力学系热力学均相性质均相性质纯纯 物物 质质定组成混合物定组成混合物均相性质均相性质纯纯 物物 质质定组成混合物定组成混合物均相封闭体均相封闭体系热力学系热力学均相封闭体均相封闭体系热力学系热力学热力学原热力学原理理模型模型EOS活度系数活度系数模型模型EOS活度系数活度系数热力学原热力学原理理方法方法：运用经典热力学的：运用经典热力学的原理原理，结合反映体系特征的，结合反映体系特征的模型模型，应用应用于解决工程中的实际问题。于解决工程中的实际问题。52二、化工热力学的研究内容和特点二、化工热力学的研究内容和特点2、化工热力学的研究特点化工热力学的研究特点1）经典热力学的研究特点经典热力学的研究特点如何得到热力学数据如何得到热力学数据？实验：易测实验：易测（P、V、T、X）难测难测（H，S，G）推算：推算：n局部局部 完整完整 n纯物质纯物质 混合物混合物n常温常压常温常压 苛刻条件苛刻条件 需要模需要模型！型！53二、化工热力学的研究内容和特点二、化工热力学的研究内容和特点2）化工热力学的研究特点）化工热力学的研究特点a.研究体系为实际状态研究体系为实际状态化学热力学化学热力学研究的是以研究的是以理想状态理想状态为主，如理想气为主，如理想气体、理想溶液；体、理想溶液；化工热力学化工热力学研究的是研究的是实际状态实际状态。在任意温度、压。在任意温度、压力下，多组分的状态。力下，多组分的状态。理想气体：理想气体：PV=nRT真实气体：真实气体：PV nRT54二、化工热力学的研究内容和特点二、化工热力学的研究内容和特点b.处理方法：以理想态为标准态加上校正处理方法：以理想态为标准态加上校正实际结果实际结果=理想结果理想结果+校正校正气体气体 Z（压缩因子（压缩因子）气体气体 （逸度系数）逸度系数）溶液溶液 i（活度系数）（活度系数）化学热力学的化学热力学的方法方法建立模型建立模型55由由Wilson模型模型计算计算甲醇甲醇-甲基乙基酮体甲基乙基酮体系的相平衡数据系的相平衡数据C.获取数据的方法：少量实验数据加半经验模型获取数据的方法：少量实验数据加半经验模型v尽管有误差（尽管有误差（5%），但很实用，可以预测），但很实用，可以预测的的物性数据。物性数据。二、化工热力学的研究内容和特点二、化工热力学的研究内容和特点iiiViixfPy 0 Wilson模型模型 NkNjkjjkikNjijjixxx111ln1ln 一、化工热力学的定义和用途一、化工热力学的定义和用途二、化工热力学研究内容和特点二、化工热力学研究内容和特点三、热力学的研究方法三、热力学的研究方法四、为何学和如何学好化工热力学四、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五、化工热力学和其它化学工程分支学科间的关系支学科间的关系六、本课程的内容六、本课程的内容学习指学习指 导导 内内 容容57三、热力学的三、热力学的研究方法研究方法热力学研究方法热力学研究方法宏观研究方法宏观研究方法微观研究方法微观研究方法经典热力学经典热力学分子热力学（统计热力学）分子热力学（统计热力学）v宏观性质之间相互关系都是建筑在热力学的三个宏观性质之间相互关系都是建筑在热力学的三个基本定律之上，运用数学方法而得到的。基本定律之上，运用数学方法而得到的。经典热力学经典热力学研究方法的特点研究方法的特点 v用宏观物理量来描述体系的状态，以宏观观点考用宏观物理量来描述体系的状态，以宏观观点考察体系间的相互作用。察体系间的相互作用。v采用对大量宏观现象的直接观察与实验，并总结采用对大量宏观现象的直接观察与实验，并总结出具有普遍性的热力学基本定律。出具有普遍性的热力学基本定律。v只关心平衡问题（只关心被研究对象的始、终态只关心平衡问题（只关心被研究对象的始、终态及变化条件）；不关心如何到达平衡。及变化条件）；不关心如何到达平衡。经典热力学的局限之一经典热力学的局限之一：不能定量预测物质的宏观性质。不能定量预测物质的宏观性质。不能解释微观本质及其产生某种现象的内部原因不能解释微观本质及其产生某种现象的内部原因。经典热力学的局限经典热力学的局限经典热力学局性之二：经典热力学局性之二：只能解决极限问题，不能解决变化速率问题。只能解决极限问题，不能解决变化速率问题。(但由热力学分析可以排除不能发生反应的条件，但由热力学分析可以排除不能发生反应的条件，因而节省了大量的研究时间和精力。因而节省了大量的研究时间和精力。)一、化工热力学的定义和用途一、化工热力学的定义和用途二、化工热力学研究内容和特点二、化工热力学研究内容和特点三、热力学的研究方法三、热力学的研究方法四、为何学和如何学好化工热力学四、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五、化工热力学和其它化学工程分支学科间的关系支学科间的关系六、本课程的内容六、本课程的内容学习指学习指 导导 内内 容容611 1）反应问题反应问题化学平衡问题化学平衡问题:如果制备产品如果制备产品 C，什么是其最优条件（如压力、，什么是其最优条件（如压力、温度等）？其产率如何？温度等）？其产率如何？1 1、为何要学化工热力学？、为何要学化工热力学？须解决化工产品的制备中存在须解决化工产品的制备中存在两类问题两类问题。可行性分析可行性分析:在给定条件下，在给定条件下，A 和和 B 作用，能得到作用，能得到何种产物何种产物？反应物反应物A+反应物反应物B产物产物 C 或或 D 或或 E？学习指导学习指导/为何学和如何学好化工热力学为何学和如何学好化工热力学2 2）分离问题分离问题怎样怎样分离分离，才能得到，才能得到纯物质纯物质 C C？相平衡相平衡能量有效利用能量有效利用含含A、B、C、D、E的混合物的混合物 纯纯C D 和和 E A 和和 B所需产品所需产品 进一步参加反应进一步参加反应 副产品副产品学习指导学习指导/为何学和如何学好化工热力学为何学和如何学好化工热力学63演绎法演绎法v演绎法是化工热力学理论体系的基本科学方演绎法是化工热力学理论体系的基本科学方法。法。v演绎过程主要以数学方法进行，这决定了化演绎过程主要以数学方法进行，这决定了化工热力学的数学公式纷繁复杂，理论概念严工热力学的数学公式纷繁复杂，理论概念严谨、抽象。谨、抽象。v但演绎法但演绎法“似至晦，实至明；似至繁，实至似至晦，实至明；似至繁，实至简；似至难，实至易简；似至难，实至易”的特点又决定了化工的特点又决定了化工热力学热力学抽象复杂的背后是多快好省抽象复杂的背后是多快好省。64四、为何学和如何学好化工热力学四、为何学和如何学好化工热力学2、如何学好化工热力学？如何学好化工热力学？1）掌握化工热力学处理问题方法之特点）掌握化工热力学处理问题方法之特点从从局部局部的实验数据的实验数据加半经验模型加半经验模型推算系统推算系统完整完整的信的信息息从从常温常压常温常压的物性数据来推算的物性数据来推算苛刻条件苛刻条件下的性质下的性质纯物质性质的推算纯物质性质的推算：从从容易容易获得的物性数据获得的物性数据（P、V、T、X）来推算来推算较难测定较难测定的数据的数据（y，H，S，G）混合物性质的推算：混合物性质的推算：从从纯物质纯物质的信息利用混合规则的信息利用混合规则求取求取混合物混合物的信息的信息以以理想态为标准态理想态为标准态加上加上校正校正来处理真实状态的方法来处理真实状态的方法65四、为何学和如何学好化工热力学四、为何学和如何学好化工热力学 2）注意准确理解热力学概念）注意准确理解热力学概念概念抽象概念抽象规则严格规则严格咬文嚼字咬文嚼字ii混合物的混合物的逸度系数逸度系数纯组分纯组分i 的的逸度系数逸度系数混合物中混合物中组分组分i 的逸度系数的逸度系数66世界著名化工流程模拟软件世界著名化工流程模拟软件Aspen Plus,PRO IIv在当今世界，化工流程模拟软件很在当今世界，化工流程模拟软件很成熟，成熟，问题是如何选择合适的模型问题是如何选择合适的模型67四、为何学和如何学好化工热力学四、为何学和如何学好化工热力学3）注意单位换算）注意单位换算能量：能量：J，Cal，cm3.atm，cm3.bar压力：压力：kg/m2（工程压力），（工程压力），atm，mmHg，bar，Pa，MPa温度：温度：K，oF，4）循序渐进）循序渐进5）充分利用参考资料辅助学习、网上资源）充分利用参考资料辅助学习、网上资源3、教材、教材v冯新、宣爱国、周彩荣、田永淑、龙小柱编，化工冯新、宣爱国、周彩荣、田永淑、龙小柱编，化工热力学，化工出版社，热力学，化工出版社，2009年年68四、为何学和如何学好化工热力学四、为何学和如何学好化工热力学4、参考书、参考书v1）陈钟秀）陈钟秀,顾飞燕编，化工热力学（第二版），化学工业出顾飞燕编，化工热力学（第二版），化学工业出版社，版社，2001v2）马沛生，化工热力学（通用型），化学工业出版社，）马沛生，化工热力学（通用型），化学工业出版社，2005v3）郑丹星，流体与过程热力学，化学工业出版社，）郑丹星，流体与过程热力学，化学工业出版社，2005v4）陈新志等，化工热力学，化学工业出版社，）陈新志等，化工热力学，化学工业出版社，2001v5）陈新志，化工热力学习题精解）陈新志，化工热力学习题精解，科学出版社，科学出版社，2003v6）陈钟秀）陈钟秀,顾飞燕编，化工热力学例题与习题，化学工业出顾飞燕编，化工热力学例题与习题，化学工业出版社，版社，1998v7）朱自强）朱自强,徐徐 汛编，化工热力学，化学工业出版社，汛编，化工热力学，化学工业出版社，1991 v8）J.M.Smith,and H.C.Van Ness,Introduction Chemical Engineering Thermodynamics,7th Ed.,Co.,化学工业出版社，化学工业出版社，2006一、化工热力学的定义和用途一、化工热力学的定义和用途二、化工热力学研究内容和特点二、化工热力学研究内容和特点三、热力学的研究方法三、热力学的研究方法四、为何学和如何学好化工热力学四、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五、化工热力学和其它化学工程分支学科间的关系支学科间的关系六、本课程的内容六、本课程的内容学习指学习指 导导 内内 容容70五、化工热力学和其它化学工程分支学科间的关系五、化工热力学和其它化学工程分支学科间的关系第一级第一级：物性常数：物性常数和热力学性质计算和热力学性质计算第二级第二级：平衡计算：平衡计算第三级第三级：“三传一反三传一反”第四级第四级：设备设计：设备设计第五级第五级：流程配置：流程配置第六级第六级：过程发展：过程发展吸收吸收系统系统模拟模拟反应反应系统系统模拟模拟精馏精馏系统系统模拟模拟吸收吸收塔计塔计算算反应反应器计器计算算精馏精馏塔计塔计算算换热换热器计器计算算反应反应速度速度计算计算传质传质计算计算流体流体力学力学计算计算传热传热计算计算相平相平衡计衡计算算反应反应平衡平衡计算计算热平热平衡计衡计算算物料物料平衡平衡计算计算露点露点泡点泡点计算计算全流程的全流程的最佳化设最佳化设计和控制计和控制表面表面张力张力计算计算导热导热系数系数计算计算密度密度计算计算焓的焓的计算计算粘度粘度计算计算71化工热力学在课程链上的位置化工热力学在课程链上的位置化学热力学化学热力学化学动力学化学动力学72六、本六、本 课课 程程 的的 内内 容容对于模型的研对于模型的研究和建立不是究和建立不是本课程的内容。本课程的内容。但了解模型的但了解模型的适用范围和如适用范围和如何应用模型是何应用模型是本课程的任务。本课程的任务。原理原理第二章第二章 流体的流体的PVT关系关系第三章第三章 流体的热力学性质流体的热力学性质第六章第六章 化工过程能量分析化工过程能量分析 应用应用第五章第五章 相平衡相平衡第七章第七章 动力和制冷循环动力和制冷循环 模型模型第二章第二章 状态方程状态方程EOS第四章第四章 活度系数模型活度系数模型i73六、本课程的内容六、本课程的内容v热力学数据与物性数据的研究热力学数据与物性数据的研究p、V、T、H、S、G、f、第第2、3、4章章v解决解决相平衡相平衡的状态，确定质量传递方向的状态，确定质量传递方向第第5章章v解决化工过程所需的热、功及其传递方向，解决化工过程所需的热、功及其传递方向，解决能量合理利用问题解决能量合理利用问题第第6、7章章74各章之间的联系各章之间的联系化工热力学的任务化工热力学的任务Vssiiiiiipypx (,)iiiiiiM G fa 75v考试方法考试方法(1)平时成绩平时成绩40%v上课情况、平时作业、课堂练习。上课情况、平时作业、课堂练习。(2)期中考试期中考试20%、期末考试成绩、期末考试成绩40%v学好本课程的方法学好本课程的方法(1)着重于基本概念的理解，对重要的公式加以着重于基本概念的理解，对重要的公式加以推导。推导。(2)认真做好笔记认真做好笔记。(3)学习三遍：预习、学习、复习学习三遍：预习、学习、复习v做到：做到：提起来是一串，放下是一堆提起来是一串，放下是一堆。(4)阅读讲义、教材、参考书阅读讲义、教材、参考书作业自己做作业自己做!诚实做人！诚实做人！