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1、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。 能源与能量的区别 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
2、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。
3、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：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
4、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（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）,1
5、0,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(加强保温）、蒸发设备（多效、热泵）、塔设备（减少回流比）、干燥设备（余热回收、排气再循环)。 1.3.3.3 化工过程
6、系统节能 动力、加热公用工程和冷却公用工程 1.3.3.4 控制节能 节能需要操作控制；通过操作控制节能,12,第 1 章 总 论,13,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，1995 2.黄素逸. 能源科学导论. 北京：中国电力出版社，1998 3.刘家祺. 分离过程. 北京：化学工业出版社，2005,14,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
7、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）,以及其它的节能减排技术等。大约5000-10000字左右。,15,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,16,第 2 章 节能的热力学,2.1 基本概念 2.1.1 热
8、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,17,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
9、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,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 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） 273.15,19,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
10、质量物质所占有的容积 m3 / kg 密度：比容的倒数 kg / m3,20,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),21,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
11、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) = 0,22,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。,23,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
12、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。,24,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）：U 2.2.1 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,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 物质流转移到系统的能量为：,m1,m2,Q,W,m
13、(u+ pv + c2/2 + gz) = m (h + c2/2 + gz),h = u + pv,H = U + pV,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 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,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 稳定流动：空间
14、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 in mi(h + c2/2 + gz)i + W,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 例2-1：某化肥厂生产的半水煤气，其组成如下：CO2 9%，CO 3
15、3%, 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=380,29,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 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 =,
