化工節(jié)能原理與技術(shù)

1、化工節(jié)能原理與技術(shù)1第1頁，共29頁，2022年，5月20日，1點11分，星期二第 1 章 總 論1.1 能源與能源的分類（1）我國國民經(jīng)濟持續(xù)高速增長面臨資源和環(huán)境的雙重制約。 石油作為重要的不可再生資源，其加工過程和產(chǎn)品質(zhì)量對它的利用效率和生態(tài)環(huán)境都具有重大影響。（2）分子水平煉油、原子經(jīng)濟化工 新催化材料、新反應工程和新反應途徑 2第2頁，共29頁，2022年，5月20日，1點11分，星期二第 1 章 總 論1.1 能源與能源的分類1.1.1 能源能源定義： 為人類生產(chǎn)和生活提供能量和動力的物質(zhì)資源能源類型：固體燃料、液體燃料、氣體燃料、水力、電能等。能源與能量的區(qū)別能源是經(jīng)濟發(fā)展的原動

2、力，是現(xiàn)代文明的物質(zhì)基礎(chǔ)作業(yè)：列舉幾例新型能源及制備技術(shù)（從文獻摘要中總結(jié)1-2句）。3第3頁，共29頁，2022年，5月20日，1點11分，星期二第 1 章 總 論1.1.2 能源的分類1.1.2.1 按來源分類來自地球以外天體的能量（太陽輻射能）太陽能總能量可達174000 TW/a地球本身蘊藏的能量（地熱能和原子核能）地球和其他天體相互作用而產(chǎn)生的能量（潮汐能）4第4頁，共29頁，2022年，5月20日，1點11分，星期二第 1 章 總 論1.1.2 能源的分類1.1.2.2 按能源的轉(zhuǎn)換和利用層次分類（1）一次能源可再生能源：太陽能、水能、風能、海洋能非可再生能源：煤炭、石油、天然氣、

3、核燃料（2）二次能源： 電、蒸氣、煤氣、焦炭、各種石油制品（3）終端能源天然氣：甲烷(82-98%)和少量的乙烷、丙烷、丁烷等。類似的有煤層氣。95%以上甲烷水煤氣（半水煤氣）：主要成分：H2,CO,少量CO2,N2, CH4等5第5頁，共29頁，2022年，5月20日，1點11分，星期二第 1 章 總 論1.1.2 能源的分類1.1.2.3 按能源的使用狀況分類（1）常規(guī)能源：煤、石油、天然氣、水力（2）新能源：太陽能、地熱能、潮汐能、風能、生物質(zhì)能生物質(zhì)能：秸桿氣化，生物制氫。生物柴油：各種不同油料和醇類在酸或堿催化下進行酯交換反 應1.1.2.4 按對環(huán)境的污染程度分類（1）清潔能源：太

4、陽能、風能、海洋能、水力（2）非清潔能源：煤炭、石油6第6頁，共29頁，2022年，5月20日，1點11分，星期二第 1 章 總 論1.1.2 能源的分類CH2COOR1CHCOOR2CH2COOR3+CH3OHR1COOCH3R2COOCH3R3COOCH3+CH2OHCHOHCH2OH化學法：液堿催化酯交換，反應速度慢，工藝流程復雜，不 是綠色加工工藝生物法：采用生物酶作催化劑，距離大規(guī)模工業(yè)化較遠高溫高壓（超臨界反應）法：用超臨界萃?。ɑ蛞汗梯腿。┖蟮囊后w原料；反應速度快，無催化劑；綠色加工工藝7第7頁，共29頁，2022年，5月20日，1點11分，星期二第 1 章 總 論1.1.2 能

5、源的分類產(chǎn)物分相酯相甘油相蒸短鏈醇蒸短鏈醇真空蒸餾甘油真空蒸餾水洗干燥生物柴油醇水稀溶液醇水稀溶液無共沸物（甲醇/水）普通蒸餾無水甲醇共沸物（乙醇/水、叔丁醇/水）特殊蒸餾無水乙醇（叔丁醇）關(guān)鍵技術(shù)后處理分離過程的分子熱力學基礎(chǔ)，用于建立過程數(shù)學模型特殊蒸餾分離醇水稀溶液（分離劑的篩選）8第8頁，共29頁，2022年，5月20日，1點11分，星期二第 1 章 總 論1.2 化學工業(yè)節(jié)能的潛力與意義1.2.1 我國化學工業(yè)的特點（1）煤、石油、天然氣既是能源，又是原料（2）能源消費以煤為主（3）大宗化學品生產(chǎn)規(guī)模太小1.2.2 節(jié)能潛力節(jié)能總潛力（技術(shù)極限值）和可實現(xiàn)的節(jié)能潛力（一定時期內(nèi)可實現(xiàn)

6、的節(jié)能量）9第9頁，共29頁，2022年，5月20日，1點11分，星期二第 1 章 總 論1.2 化學工業(yè)節(jié)能的潛力與意義1.2.3 節(jié)能的意義1.3 節(jié)能的途徑1.3.1 結(jié)構(gòu)節(jié)能1.3.2 管理節(jié)能1.3.3 技術(shù)節(jié)能1.3.3.1 工藝節(jié)能催化劑和化學反應工程 催化技術(shù)是現(xiàn)代煉油和石油化工工業(yè)重要的科學技術(shù)基礎(chǔ)，在煉油和化學工業(yè)中60%以上的新產(chǎn)品和90%以上新工藝的開發(fā)基于催化作用。分離工程改進工藝方法和設(shè)備10第10頁，共29頁，2022年，5月20日，1點11分，星期二第 1 章 總 論1.3 節(jié)能的途徑1.3.3.2 化工單元操作設(shè)備節(jié)能流體輸送機械、換熱設(shè)備(加強保溫）、蒸發(fā)設(shè)

7、備（多效、熱泵）、塔設(shè)備（減少回流比）、干燥設(shè)備（余熱回收、排氣再循環(huán))。1.3.3.3 化工過程系統(tǒng)節(jié)能動力、加熱公用工程和冷卻公用工程1.3.3.4 控制節(jié)能節(jié)能需要操作控制；通過操作控制節(jié)能11第11頁，共29頁，2022年，5月20日，1點11分，星期二第 1 章 總 論12第12頁，共29頁，2022年，5月20日，1點11分，星期二第 1 章 總 論教材：馮宵. 化工節(jié)能原理與技術(shù). 北京：化學工業(yè)出版社，2005參考書：1.陳安民. 石油化工過程節(jié)能方法和技術(shù). 北京：中國石化出版社，19952.黃素逸. 能源科學導論. 北京：中國電力出版社，19983.劉家祺. 分離過程. 北

8、京：化學工業(yè)出版社，200513第13頁，共29頁，2022年，5月20日，1點11分，星期二第 1 章 總 論考核方式：五分制成績評定：課程總成績的評定權(quán)重為：作業(yè)占10%，課程測驗占60%（采取開卷方式），課程報告占30%。課程報告：一種新型的節(jié)能技術(shù)，如化工過程強化技術(shù)，催化（反應精餾）技術(shù)，反應-反應耦合，結(jié)構(gòu)化催化劑，新型熱泵，新型精餾技術(shù)（熱偶精餾、特殊精餾）,以及其它的節(jié)能減排技術(shù)等。大約5000-10000字左右。14第14頁，共29頁，2022年，5月20日，1點11分，星期二第 2 章 節(jié)能的熱力學能量：內(nèi)能是物質(zhì)內(nèi)部一切微觀粒子所具有的能量的總和。（狀態(tài)參數(shù)）熱力學定律：

9、熱力學第一定律：能量轉(zhuǎn)換與守恒定律熱力學第二定律：克勞修斯說法：不可能把熱從低溫物體傳至高溫物體而不引起其他變化，揭示能量“質(zhì)”的屬性熱力學第三定律：0K時純物質(zhì)完美晶體的熵等于零 節(jié)能的實質(zhì)：防止和減少能量貶值現(xiàn)象的發(fā)生15第15頁，共29頁，2022年，5月20日，1點11分，星期二第 2 章 節(jié)能的熱力學2.1 基本概念2.1.1 熱力系統(tǒng)（系統(tǒng)）熱力系統(tǒng)（系統(tǒng)）：相互作用的物體中取出的研究對象。系統(tǒng)的邊界：系統(tǒng)與外界的分界面固定的、移動的、真實的、假想的能量交換：熱和功物質(zhì)交換：物質(zhì)的流進和流出，伴隨著能量的交換開口系統(tǒng)（流動系統(tǒng)）：有物質(zhì)交換和能量交換閉口系統(tǒng)：無物質(zhì)交換孤立系統(tǒng)：無

10、物質(zhì)交換和能量交換絕熱系統(tǒng)：無熱量交換16第16頁，共29頁，2022年，5月20日，1點11分，星期二第 2 章 節(jié)能的熱力學2.1 基本概念2.1.2 平衡狀態(tài)熱力狀態(tài)（狀態(tài)）：某一瞬間的宏觀物理狀況。平衡狀態(tài)：在不受外界影響的條件下，系統(tǒng)宏觀性質(zhì)不隨時間改變的狀態(tài)如溫度、壓力、組成等滿足力平衡、熱平衡和化學平衡的狀態(tài)（不存在不平衡勢）2.1.3 狀態(tài)參數(shù)和狀態(tài)方程式狀態(tài)參數(shù)：描述系統(tǒng)宏觀狀態(tài)的物理量，是狀態(tài)的單值函數(shù)17第17頁，共29頁，2022年，5月20日，1點11分，星期二第 2 章 節(jié)能的熱力學2.1 基本概念2.1.3 狀態(tài)參數(shù)和狀態(tài)方程式狀態(tài)參數(shù)：描述系統(tǒng)宏觀狀態(tài)的物理量，

11、是狀態(tài)的單值函數(shù)強度量（強度性質(zhì)）：壓力P、溫度T、組成 x 等；不可加量廣延量（容量性質(zhì)）：容積V、內(nèi)能 U、焓 H、熵 S 等；可加量廣延量/質(zhì)量 轉(zhuǎn)變?yōu)閺姸攘?.1.3.1 溫度溫標：衡量溫度的標尺t （攝氏溫度）= T （熱力學溫度，開爾文溫度，或稱絕對溫度） 273.1518第18頁，共29頁，2022年，5月20日，1點11分，星期二第 2 章 節(jié)能的熱力學2.1 基本概念2.1.3 狀態(tài)參數(shù)和狀態(tài)方程式2.1.3.2 比容和密度比容：單位質(zhì)量物質(zhì)所占有的容積 m3 / kg密度：比容的倒數(shù) kg / m319第19頁，共29頁，2022年，5月20日，1點11分，星期二第 2 章

12、 節(jié)能的熱力學2.1 基本概念2.1.3.3 壓力單位：工程大氣壓（at）1at = 1kgf/cm2 標準大氣壓(atm）1atm = 760 mmHg測量儀器：差壓計（壓力表或真空表）表壓 (Pg) = 絕對壓力 (P)- 大氣壓 (P0)真空度 (Pv) = 大氣壓 (P0) - 絕對壓力 (P)真空度 (Pv) = - 表壓 (Pg) 20第20頁，共29頁，2022年，5月20日，1點11分，星期二第 2 章 節(jié)能的熱力學2.1 基本概念2.1.3.3 狀態(tài)公理和狀態(tài)方程式狀態(tài)公理：對于組成一定的物質(zhì)系統(tǒng)若存在 n 種可逆功（系統(tǒng)進行可逆過程時 和外界所交換的功量）的作用，則決定該系

13、統(tǒng)平衡態(tài)的獨立狀態(tài)參 數(shù)有 n + 1 個。簡單可壓縮系統(tǒng)：與外界交換功量的模式中只有容積功的系統(tǒng)。物質(zhì)的狀態(tài)方程式：F (p, v, T) = 021第21頁，共29頁，2022年，5月20日，1點11分，星期二第 2 章 節(jié)能的熱力學2.1 基本概念2.1.4 功和熱量功（W)：系統(tǒng)對外界的單一效果歸結(jié)為提升一個重物，則說系統(tǒng)作了功。 系統(tǒng)對外做功為正，得到功為負。熱量(Q)：由于溫差引起的，系統(tǒng)與外界之間發(fā)生的能量轉(zhuǎn)移。 系統(tǒng)吸熱為正，放熱為負。22第22頁，共29頁，2022年，5月20日，1點11分，星期二第 2 章 節(jié)能的熱力學2.1 基本概念2.1.5 可逆過程耗散效應：使功變?yōu)?/p>

14、熱的效應。非平衡損失：有限溫差下的傳熱過程有限壓差混合過程（化學勢差） 可逆過程是理想化的極限過程，可以作出最大的功或消耗最少的功，為評價 實際能量轉(zhuǎn)換過程提供了理想的標準。23第23頁，共29頁，2022年，5月20日，1點11分，星期二第 2 章 節(jié)能的熱力學2.2 能量與熱力學第一定律輸入系統(tǒng)的能量 - 輸出系統(tǒng)的能量 = 系統(tǒng)儲存能量的變化宏觀動能：mc2/2宏觀位能：mgz系統(tǒng)內(nèi)部的微觀能量（內(nèi)能）：U2.2.1 閉口系統(tǒng)能量恒算式Q = U + W對單位質(zhì)量q = u + w對微元過程q = du + w24第24頁，共29頁，2022年，5月20日，1點11分，星期二第 2 章

15、節(jié)能的熱力學2.2 能量與熱力學第一定律2.2.2 穩(wěn)定流動開口系統(tǒng)能量衡算物質(zhì)流轉(zhuǎn)移到系統(tǒng)的能量為：m1m2QWm (u+ pv + c2/2 + gz) = m (h + c2/2 + gz) h = u + pvH = U + pV25第25頁，共29頁，2022年，5月20日，1點11分，星期二第 2 章 節(jié)能的熱力學2.2 能量與熱力學第一定律2.2.2 穩(wěn)定流動開口系統(tǒng)能量衡算開口系統(tǒng)的能量衡算式為：m1m2QWdU =Q W + m1(h1 + c12/2 + gz1) m2 (h2 + c22/2 + gz2) Q = m2 (h2 + c22/2 + gz2) m1(h1 +

16、 c12/2 + gz1) +W + dU 26第26頁，共29頁，2022年，5月20日，1點11分，星期二第 2 章 節(jié)能的熱力學2.2 能量與熱力學第一定律2.2.2 穩(wěn)定流動開口系統(tǒng)能量衡算穩(wěn)定流動：空間各點參數(shù)不隨時間變化的流動過程（1）.熱和功的交換不隨時間而變；（2）.物質(zhì)交換不隨時間而變；（3）.進、出口截面參數(shù)不隨時間而變dU =Q W + m1(h1 + c12/2 + gz1) m2 (h2 + c22/2 + gz2) dU =0， m1 = m2Q = H + m c2/2 + mg z + WQ = out mi(h + c2/2 + gz)i in mi(h + c2/2 + gz)i + W27第27頁，共29頁，2022年，5月20日，1點11分，星期二第 2 章 節(jié)能的熱力學2.2 能量與熱力學第一定律2.2.2 穩(wěn)定流動開口系統(tǒng)能量衡算例2-1：某化肥廠生產(chǎn)的半水煤氣，其組成如下：CO2 9%，CO 33%, H2 36%,N2 21.5%, CH4 0.5%。進變換爐時水蒸氣與一氧化碳的體積比為6，溫度為 653.15 K。設(shè)變換率為85%，試計算出變換爐的氣體溫度。變換氣半水煤氣水蒸氣100 kmoln kmol (nH2O : nCO =6)T=380 28第28頁，共