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1、化工节能技术1 1第1页，本讲稿共28页第第 1 1 章章 总总 论论1.1 1.1 能源与能源的分类能源与能源的分类（1 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。）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 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。环境都具有重大影响。（2 2）分子水平炼油、原子经济化工）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 新催化材料、新反应工程和新反应途径 2 2第2页，本讲稿共28页第第 1 1 章章 总总
2、论论1.1 1.1 能源与能源的分类能源与能源的分类1.1.1 1.1.1 能源能源 能源定义：能源定义：为人类生产和生活提供能量和动力的物质资源 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 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 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 1-2句）。句）。3 3第3页，本讲稿共28页第第 1 1 章章 总总 论论1.1.2 1.1.2
3、能源的分类能源的分类1.1.2.1 1.1.2.1 按来源分类 按来源分类 来自地球以外天体的能量（太阳辐射能）来自地球以外天体的能量（太阳辐射能）太阳能总能量可达 太阳能总能量可达174000 TW/a 174000 TW/a 地球本身蕴藏的能量（地热能和原子核能）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）地球和其他天体相互作用而产生的能量（潮汐能）4 4第4页，本讲稿共28页第第 1 1 章章 总总 论论1.1.2 1.1.2 能源的分类能源的分类1.1.2.2 1.1.2.2 按能源的转换和利用层次分类 按能源的转换和利用层次分类（1 1）一次能源
4、）一次能源 可再生能源：太阳能、水能、风能、海洋能 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 非可再生能源：煤炭、石油、天然气、核燃料（2 2）二次能源：）二次能源：电、蒸气、煤气、焦炭、各种石油制品 电、蒸气、煤气、焦炭、各种石油制品（3 3）终端能源）终端能源天然气：甲烷 天然气：甲烷(82-98%)(82-98%)和少量的乙烷、丙烷、丁烷等。和少量的乙烷、丙烷、丁烷等。类似的有煤层气。类似的有煤层气。95%95%以上甲烷 以上甲烷水煤气（半水煤气）：水煤气（半水煤气）：主要成分：主要成分：H H2 2,CO,CO,少量 少量CO CO2 2,N,N
5、2 2,CH,CH4 4等 等5 5第5页，本讲稿共28页第第 1 1 章章 总总 论论1.1.2 1.1.2 能源的分类能源的分类1.1.2.3 1.1.2.3 按能源的使用状况分类 按能源的使用状况分类（1 1）常规能源：煤、石油、天然气、水力）常规能源：煤、石油、天然气、水力（2 2）新能源：太阳能、地热能、潮汐能、风能、生物质能）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 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 应1.1.2.4 1.1.2.4 按对
6、环境的污染程度分类 按对环境的污染程度分类（1 1）清洁能源：太阳能、风能、海洋能、水力）清洁能源：太阳能、风能、海洋能、水力（2 2）非清洁能源：煤炭、石油）非清洁能源：煤炭、石油6 6第6页，本讲稿共28页第第 1 1 章章 总总 论论1.1.2 1.1.2 能源的分类 能源的分类CH2COOR1CHCOOR2CH2COOR3+CH3OHR1COOCH3R2COOCH3R3COOCH3+CH2OHCHOHCH2OH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
7、料；反应速度快，无催化剂；绿色加工工艺7 7第7页，本讲稿共28页第第 1 1 章章 总总 论论1.1.2 1.1.2 能源的分类能源的分类产物 分相酯相甘油相蒸短链醇蒸短链醇 真空蒸馏甘油真空蒸馏水洗干燥生物柴油醇水稀溶液醇水稀溶液无共沸物（甲醇/水）普通蒸馏 无水甲醇共沸物（乙醇/水、叔丁醇/水）特殊蒸馏无水乙醇（叔丁醇）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）8 8第8页，本讲稿共28页第第 1 1 章章 总总 论论1.2 1.2 化学工业节能的潜力与意义化学工业节能的潜力与意义1.2.1 1.2.1 我国化学工业的特点 我国
8、化学工业的特点（1 1）煤、石油、天然气既是能源，又是原料）煤、石油、天然气既是能源，又是原料（2 2）能源消费以煤为主）能源消费以煤为主（3 3）大宗化学品生产规模太小）大宗化学品生产规模太小1.2.2 1.2.2 节能潜力 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 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）可实现的节能量）9 9第9页，本讲稿共28页第第 1 1 章章 总总 论论1.2 1.2 化学工业节能的潜力与意义化学工业节能的潜力与意义1.2.3 1.2.3 节能的意义 节能的意义1.3 1.3 节能的途径节能的途径1.3.1 1.3
9、.1 结构节能 结构节能1.3.2 1.3.2 管理节能 管理节能1.3.3 1.3.3 技术节能 技术节能1.3.3.1 1.3.3.1 工艺节能 工艺节能 催化剂和化学反应工程 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 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%60%以上的新产品和 以上的新产品和90%90%以上新工艺的开发基于催化作用。以上新工艺的开发基于催化作用。分离工程 分离工程 改进工艺方法和设备 改进工艺方法和设备10 10第10页，本讲稿共28页第第 1 1 章章 总总 论论1.3 1.3 节
10、能的途径节能的途径1.3.3.2 1.3.3.2 化工单元操作设备节能 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。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 1.3.3.3 化工过程系统节能 化工过程系统节能1.3.3.4 1.3.3.4 控制节能 控制节能1 1 1 1第1 1页，本讲稿共28页第第 1 1 章章 总总 论论教材：教材：冯宵 冯宵.化工节能原理与技术 化工节能原理与技术.北京：化学工业出版社，北京：化学工业出版社，2005 2005参考书：参考书：1.1.陈安民 陈安民.石油化工过程节能方法和技术 石油化工过程节能方法和技
11、术.北京：中国石化出版社，北京：中国石化出版社，1995 19952.2.黄素逸 黄素逸.能源科学导论 能源科学导论.北京：中国电力出版社，北京：中国电力出版社，1998 19983.3.刘家祺 刘家祺.分离过程 分离过程.北京：化学工业出版社，北京：化学工业出版社，2005 200512 12第12页，本讲稿共28页第第 1 1 章章 总总 论论考核方式：考核方式：五分制 五分制成绩评定：成绩评定：课程总成绩的评定权重为：作业占 课程总成绩的评定权重为：作业占10%10%，课程测验占，课程测验占60%60%（采取开卷方式），（采取开卷方式），课程报告占 课程报告占30%30%。课程报告：课程
12、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）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 技术，反应-反应耦合，结构化催化剂，新型热泵，新型精馏 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 技术（热偶精馏、特殊精馏）等。大约5000-10000 5000-10000字左右。字左右。13 13第13页，本讲稿共28页第第 2 2 章章 节能的热力学节能的热力学能量：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）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：热力学定律：热力学第一定律
13、：能量转换与守恒定律 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 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 起其他变化，揭示能量“质 质”的属性 的属性热力学第三定律：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14 14第14页，本讲稿共28页第第 2 2 章章 节能的热力学节能的热力学2.1 2.1 基本概念基本概念2.1.1 2.1.1 热力系统（系统）热力系统（系统）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。：相
14、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15 15第15页，本讲稿共28页第第 2 2 章章 节能的热力学节能的热力学2.1 2.1 基本概念 基本概念2.1.2 2.1.2 平衡状态 平衡状态热力状态（状态）热力状态（状态）：某一瞬间的宏观物理状况。：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 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、
15、热平衡和化学平衡的状态（不存在不平衡势）2.1.3 2.1.3 状态参数和状态方程式 状态参数和状态方程式状态参数 状态参数：描述系统宏观状态的物理量，是状态的单值函数：描述系统宏观状态的物理量，是状态的单值函数16 16第16页，本讲稿共28页第第 2 2 章章 节能的热力学节能的热力学2.1 2.1 基本概念基本概念2.1.3 2.1.3 状态参数和状态方程式 状态参数和状态方程式状态参数 状态参数：描述系统宏观状态的物理量，是状态的单值函数：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 强度量（强度性质）：压力P P、温度、温度T T、组成、组成 x x 等；不可加
16、量 等；不可加量广延量（容量性质）：容积 广延量（容量性质）：容积V V、内能、内能 U U、焓、焓 H H、熵、熵 S S 等；可加量 等；可加量广延量 广延量/质量 质量 转变为强度量 转变为强度量2.1.3.1 2.1.3.1 温度 温度温标 温标：衡量温度的标尺：衡量温度的标尺t t（摄氏温度）（摄氏温度）=T=T（热力学温度，（热力学温度，开尔文温度，或称绝对温度）273.15 273.1517 17第17页，本讲稿共28页第第 2 2 章章 节能的热力学节能的热力学2.1 2.1 基本概念基本概念2.1.3 2.1.3 状态参数和状态方程式 状态参数和状态方程式2.1.3.2 2.
17、1.3.2 比容和密度 比容和密度比容 比容：单位质量物质所占有的容积：单位质量物质所占有的容积 m m3 3/kg/kg密度 密度：比容的倒数：比容的倒数 kg/m kg/m3 318 18第18页，本讲稿共28页第第 2 2 章章 节能的热力学节能的热力学2.1 2.1 基本概念 基本概念2.1.3.3 2.1.3.3 压力 压力单位 单位：工程大气压（：工程大气压（at at）1at=1kgf/cm 1at=1kgf/cm2 2 标准大气压 标准大气压(atm(atm）1atm=760 mmHg 1atm=760 mmHg测量仪器 测量仪器：差压计（压力表或真空表）：差压计（压力表或真空
18、表）表压 表压(P(Pg g)=)=绝对压力 绝对压力(P)-(P)-大气压 大气压(P(P0 0)真空度 真空度(P(Pv v)=)=大气压 大气压(P(P0 0)-)-绝对压力 绝对压力(P)(P)真空度 真空度(P(Pv v)=-)=-表压 表压(P(Pg g)19 19第19页，本讲稿共28页第第 2 2 章章 节能的热力学节能的热力学2.1 2.1 基本概念基本概念2.1.3.3 2.1.3.3 状态公理和状态方程式 状态公理和状态方程式状态公理 状态公理：对于组成一定的物质系统若存在：对于组成一定的物质系统若存在 n n 种可逆功（系统进行可逆过程时 种可逆功（系统进行可逆过程时
19、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 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 数有 n n+1+1 个。个。简单可压缩系统 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。：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 物质的状态方程式：F(F(p p,v v,T)=0,T)=020 20第20页，本讲稿共28页第第 2 2 章章 节能的热力学节能的热力学2.1 2.1 基本概念 基本概念2.1.4 2.1.4 功和热量 功和热量功（功（W)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。：系统对外界的单一效果归
20、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。系统对外做功为正，得到功为负。热量 热量(Q)(Q)：由于温差引起的，系统与外界之间发生的能量转移。：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。系统吸热为正，放热为负。21 21第21页，本讲稿共28页第第 2 2 章章 节能的热力学节能的热力学2.1 2.1 基本概念基本概念2.1.5 2.1.5 可逆过程 可逆过程耗散效应 耗散效应：使功变为热的效应。：使功变为热的效应。非平衡损失 非平衡损失：有限温差下的传热过程 有限温差下的传热过程 有限压差 有限压差 混合过程（化学势差）混合过程（化学势差）可
21、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 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。实际能量转换过程提供了理想的标准。22 22第22页，本讲稿共28页第第 2 2 章章 节能的热力学节能的热力学2.2 2.2 能量与热力学第一定律能量与热力学第一定律输入系统的能量 输入系统的能量-输出系统的能量 输出系统的能量=系统储存能量的变化 系统储存能量的变化宏观动能 宏观动能：mc mc2 2/2/2宏观位能 宏观位能：mgz mgz系统内部的微观能量（内能）系统内部的微观能量（内能）：U U2.2.1 2.2.1
22、闭口系统能量恒算式 闭口系统能量恒算式Q Q=U U+W W对单位质量 对单位质量q q=u u+w w对微元过程 对微元过程 q q=d du u+w w23 23第23页，本讲稿共28页第第 2 2 章章 节能的热力学节能的热力学2.2 2.2 能量与热力学第一定律能量与热力学第一定律2.2.2 2.2.2 稳定流动开口系统能量衡算 稳定流动开口系统能量衡算物质流转移到系统的能量为：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+pvH=U+pV H=U+pV24 24第24页，本讲稿共28页第第 2 2 章章 节
23、能的热力学节能的热力学2.2 2.2 能量与热力学第一定律能量与热力学第一定律2.2.2 2.2.2 稳定流动开口系统能量衡算 稳定流动开口系统能量衡算开口系统的能量衡算式为：开口系统的能量衡算式为：m1 m2 Q WdU=Q W+m dU=Q W+m1 1(h1+c12/2+gz1)m2(h2+c22/2+gz2)Q=Q=m2(h2+c22/2+gz2)m m1 1(h1+c12/2+gz1)+W W+dU dU 25 25第25页，本讲稿共28页第第 2 2 章章 节能的热力学节能的热力学2.2 2.2 能量与热力学第一定律能量与热力学第一定律2.2.2 2.2.2 稳定流动开口系统能量衡
24、算 稳定流动开口系统能量衡算稳定流动 稳定流动：空间各点参数不随时间变化的流动过程：空间各点参数不随时间变化的流动过程（1 1）.热和功的交换不随时间而变；热和功的交换不随时间而变；（2 2）.物质交换不随时间而变；物质交换不随时间而变；（3 3）.进、出口截面参数不随时间而变 进、出口截面参数不随时间而变dU=Q W+m dU=Q W+m1 1(h1+c12/2+gz1)m2(h2+c22/2+gz2)dU=0 dU=0，m m1 1=m=m2 2Q=Q=H H+m+m c c2 2/2+mg/2+mg z+W z+WQ=Q=out out m mi i(h+c2/2+gz)i in in
25、m mi i(h+c2/2+gz)i+W26 26第26页，本讲稿共28页第第 2 2 章章 节能的热力学节能的热力学2.2 2.2 能量与热力学第一定律能量与热力学第一定律2.2.2 2.2.2 稳定流动开口系统能量衡算 稳定流动开口系统能量衡算例 例2-1 2-1：某化肥厂生产的半水煤气，其组成如下：某化肥厂生产的半水煤气，其组成如下：CO CO2 2 9%9%，CO 33%,H CO 33%,H2 2 36%,N 36%,N2 2 21.5%,CH 21.5%,CH4 4 0.5%0.5%。进变换炉时水蒸气与一氧化碳的体积比为。进变换炉时水蒸气与一氧化碳的体积比为6 6，温度为，温度为
26、653.15 K 653.15 K。设变换率为。设变换率为85%85%，试计算出变换炉的气体温度。，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 27 27第27页，本讲稿共28页第第 2 2 章章 节能的热力学节能的热力学2.2 2.2 能量与热力学第一定律能量与热力学第一定律2.2.2 2.2.2 稳定流动开口系统能量衡算 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（进入炉中的湿气体各组分的物质的量（kmol)kmol)：CO CO2 2 9;CO 33;9;CO 33;H H2 2 36;N 36;N2 2 21.5;21.5;CH CH4 4 0.5;H 0.5;H2 2O 198 O 198出变换炉时湿气体各组分的物质的量（出变换炉时湿气体各组分的物质的量（kmol)kmol)：CO CO2 2 37.5;CO 4.95;37.5;CO 4.95;H H2 2 64.05;N 64.05;N2 2 21.5;21.5;CH CH4 4 0.5;H 0.5;H2 2O 169.95 O 169.95绝热过程 绝热过程：H H=0 0；U U=28 28第28页，本讲稿共28页