化工節(jié)能原理與技術(shù)

化工節(jié)能原理與技術(shù)1第1頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第1章總論1.1能源與能源的分類（1）我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速增長(zhǎng)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(duì)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(jì)化工

新催化材料、新反應(yīng)工程和新反應(yīng)途徑2第2頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第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(dòng)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(jì)發(fā)展的原動(dòng)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(xiàn)摘要中總結(jié)1-2句）。3第3頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第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(yáng)輻射能）太陽(yáng)能總能量可達(dá)174000TW/a地球本身蘊(yùn)藏的能量（地?zé)崮芎驮雍四埽┑厍蚝推渌祗w相互作用而產(chǎn)生的能量（潮汐能）4第4頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第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(yáng)能、水能、風(fēng)能、海洋能非可再生能源：煤炭、石油、天然氣、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(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第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(yáng)能、地?zé)崮堋⒊毕?、風(fēng)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(jìn)行酯交換反應(yīng)1.1.2.4按對(duì)環(huán)境的污染程度分類（1）清潔能源：太陽(yáng)能、風(fēng)能、海洋能、水力（2）非清潔能源：煤炭、石油6第6頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第1章總論1.1.2能源的分類CH2COOR1CHCOOR2CH2COOR3+CH3OHR1COOCH3R2COOCH3R3COOCH3+CH2OHCHOHCH2OH化學(xué)法：液堿催化酯交換，反應(yīng)速度慢，工藝流程復(fù)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(yuǎn)高溫高壓（超臨界反應(yīng)）法：用超臨界萃?。ɑ蛞汗梯腿。┖蟮囊后w原料；反應(yīng)速度快，無催化劑；綠色加工工藝7第7頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第1章總論1.1.2能源的分類產(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(xué)基礎(chǔ)，用于建立過程數(shù)學(xué)模型特殊蒸餾分離醇水稀溶液（分離劑的篩選）8第8頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第1章總論1.2化學(xué)工業(yè)節(jié)能的潛力與意義1.2.1我國(guó)化學(xué)工業(yè)的特點(diǎn)（1）煤、石油、天然氣既是能源，又是原料（2）能源消費(fèi)以煤為主（3）大宗化學(xué)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(shí)現(xiàn)的節(jié)能潛力（一定時(shí)期內(nèi)可實(shí)現(xiàn)的節(jié)能量）9第9頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第1章總論1.2化學(xué)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(xué)反應(yīng)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(xué)技術(shù)基礎(chǔ)，在煉油和化學(xué)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(jìn)工藝方法和設(shè)備10第10頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第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(jī)械、換熱設(shè)備(加強(qiáng)保溫）、蒸發(fā)設(shè)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(dòng)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(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第1章總論12第12頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第1章總論教材：馮宵.化工節(jié)能原理與技術(shù).北京：化學(xué)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(guó)石化出版社，19952.黃素逸.能源科學(xué)導(dǎo)論.北京：中國(guó)電力出版社，19983.劉家祺.分離過程.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，200513第13頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第1章總論考核方式：五分制成績(jī)?cè)u(píng)定：課程總成績(jī)的評(píng)定權(quán)重為：作業(yè)占10%，課程測(cè)驗(yàn)占60%（采取開卷方式），課程報(bào)告占30%。課程報(bào)告：一種新型的節(jié)能技術(shù)，如化工過程強(qiáng)化技術(shù)，催化（反應(yīng)精餾）技術(shù)，反應(yīng)-反應(yīng)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(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第2章節(jié)能的熱力學(xué)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(xué)定律：熱力學(xué)第一定律：能量轉(zhuǎn)換與守恒定律熱力學(xué)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(xué)第三定律：0K時(shí)純物質(zhì)完美晶體的熵等于零

節(jié)能的實(shí)質(zhì)：防止和減少能量貶值現(xiàn)象的發(fā)生15第15頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第2章節(jié)能的熱力學(xué)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(duì)象。系統(tǒng)的邊界：系統(tǒng)與外界的分界面固定的、移動(dòng)的、真實(shí)的、假想的能量交換：熱和功物質(zhì)交換：物質(zhì)的流進(jìn)和流出，伴隨著能量的交換開口系統(tǒng)（流動(dòng)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)：無物質(zhì)交換和能量交換絕熱系統(tǒng)：無熱量交換16第16頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第2章節(jié)能的熱力學(xué)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(shí)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(xué)平衡的狀態(tài)（不存在不平衡勢(shì)）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(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第2章節(jié)能的熱力學(xué)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，是狀態(tài)的單值函數(shù)強(qiáng)度量（強(qiáng)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?qiáng)度量2.1.3.1溫度溫標(biāo)：衡量溫度的標(biāo)尺t（攝氏溫度）=T（熱力學(xué)溫度，開爾文溫度，或稱絕對(duì)溫度）

–273.1518第18頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第2章節(jié)能的熱力學(xué)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：?jiǎn)挝毁|(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(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第2章節(jié)能的熱力學(xué)2.1基本概念2.1.3.3壓力單位：工程大氣壓（at）1at=1kgf/cm2標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(atm）1atm=760mmHg測(cè)量?jī)x器：差壓計(jì)（壓力表或真空表）表壓(Pg)=絕對(duì)壓力(P)-大氣壓(P0)真空度(Pv)=大氣壓(P0)-絕對(duì)壓力(P)真空度(Pv)=-表壓(Pg)20第20頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第2章節(jié)能的熱力學(xué)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(duì)于組成一定的物質(zhì)系統(tǒng)若存在n種可逆功（系統(tǒng)進(jìn)行可逆過程時(shí)和外界所交換的功量）的作用，則決定該系統(tǒng)平衡態(tài)的獨(dú)立狀態(tài)參數(shù)有n+1個(gè)。簡(jiǎn)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(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第2章節(jié)能的熱力學(xué)2.1基本概念2.1.4功和熱量功（W)：系統(tǒng)對(duì)外界的單一效果歸結(jié)為提升一個(gè)重物，則說系統(tǒng)作了功。系統(tǒng)對(duì)外做功為正，得到功為負(fù)。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(fù)。22第22頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第2章節(jié)能的熱力學(xué)2.1基本概念2.1.5可逆過程耗散效應(yīng)：使功變?yōu)闊岬男?yīng)。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(xué)勢(shì)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(píng)價(jià)實(shí)際能量轉(zhuǎn)換過程提供了理想的標(biāo)準(zhǔn)。23第23頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第2章節(jié)能的熱力學(xué)2.2能量與熱力學(xué)第一定律輸入系統(tǒng)的能量-輸出系統(tǒng)的能量=系統(tǒng)儲(chǔ)存能量的變化宏觀動(dòng)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=ΔU+W對(duì)單位質(zhì)量q=Δu+w對(duì)微元過程δq=du+δw24第24頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第2章節(jié)能的熱力學(xué)2.2能量與熱力學(xué)第一定律2.2.2穩(wěn)定流動(dòng)開口系統(tǒng)能量衡算物質(zhì)流轉(zhuǎn)移到系統(tǒng)的能量為：δm1δm2δQδWδm

(u+pv+c2/2+gz)=δm(h+c2/2+gz)

h=u+pvH=U+pV25第25頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第2章節(jié)能的熱力學(xué)2.2能量與熱力學(xué)第一定律2.2.2穩(wěn)定流動(dòng)開口系統(tǒng)能量衡算開口系統(tǒng)的能量衡算式為：δm1δm2δQδWdU=δQ–δW+δm1(h1+c12/2+gz1)–δm2(h2+c22/2+gz2)

δQ=δm2(h2+c22/2+gz2)

–δm1(h1+c12/2+gz1)+δW+dU26第26頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第2章節(jié)能的熱力學(xué)2.2能量與熱力學(xué)第一定律2.2.2穩(wěn)定流動(dòng)開口系統(tǒng)能量衡算穩(wěn)定流動(dòng)：空間各點(diǎn)參數(shù)不隨時(shí)間變化的流動(dòng)過程（1）.熱和功的交換不隨時(shí)間而變；（2）.物質(zhì)交換不隨時(shí)間而變；（3）.進(jìn)、出口截面參數(shù)不隨時(shí)間而變dU=δQ–δW+δm1(h1+c12/2+gz1)–δm2(h2+c22/2+gz2)

dU=0，δm1=δm2Q=ΔH+mΔc2/2+mgΔz+WQ=Σoutmi(h+c2/2+gz)i–Σinmi(h+c2/2+gz)i+W27第27頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第2章節(jié)能的熱力學(xué)2.2能量與熱力學(xué)第一定律2.2.2穩(wěn)定流動(dòng)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：CO29%，CO33%,H236%,N2

21.5%,CH40.5%。進(jìn)變換爐時(shí)水蒸氣與一氧化碳的體積比為6，溫度為653.15K。設(shè)變換率為85%，試計(jì)算出變換爐的氣體溫度。變換氣半水煤氣水蒸氣100kmolnkmol(nH2O:nCO=6)T=380℃

28第28頁(yè)，課件