化工节能减排技术(1-2)孙老师课件

1化工节能减排技术青岛科技大学过程系统工程教研室

2014.91青岛科技大学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

2第1章总论1.1能源与能源的分类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。能源与能量的区别作业：列举几例新型能源及制备技术。3第1章总论1.1能源与能源的分类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174000TW/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）4第1章总论1.1.2能源的分类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（煤、石油、天然气、水能、风能、太阳能）可再生能源非可再生能源（2）二次能源（电、蒸汽、煤气、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。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5第1章总论1.1.2能源的分类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（2）新能源生物质能：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（2）非清洁能源6第1章总论1.1.2能源的分类7第1章总论1.1.2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）后的液体原料；反应速度快，无催化剂；绿色加工工艺7第1章总论1.1.2能源的分类CH2C8第1章总论1.1.2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第1章总论1.1.2能源的分类产物分相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和可实现的节能潜力9第1章总论1.2化学工业节能的潜力与意10第1章总论五年来，我国一次能源生产总量位居世界第一，煤炭产量占到世界的45%，石油年产量稳定在2亿吨，天然气产量稳步提高，电力装机规模居世界第二，水电、核电、风电等清洁能源快速发展，能源科技装备水平显著提高，节能环保成效明显，境外能源合作不断取得新进展，国内能源安全保障能力进一步增强。10第1章总论五年来不同角度分析我国化学工业的节能潜力（1）单位GDP能耗（2）能源利用率（3）主要产品单位能耗（4）主要设备能耗第1章总论不同角度分析我国化学工业的节能潜力第1章总论到2015年，原油加工综合能耗降到86千克标准煤/吨，乙烯综合能耗降到857千克标准煤/吨，石油石化行业单位工业增加值用水量比2010年减少30%。合成氨综合能耗低于1350千克标准煤/吨，烧碱（离子膜）综合能耗降到330千克标准煤/吨，电石综合能耗降到1050千克标准煤/吨，行业平均中水回用率达到90%，固体废物综合利用率达到75%。到2015年，原油加工综合能耗降到86千克标准煤/吨，乙烯综13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)产业结构（2）产品结构（3）企业结构（4）地区结构13第1章总论1.2化学工业节能的潜力与1.3.2管理节能

（1）宏观调控层次（2）企业经营管理层次1.3.3技术节能1.3.3.1工艺节能（1）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。（2）分离工程（3）改进工艺方法和设备第1章总论1.3.2管理节能第1章总论15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、蒸发设备、塔设备、干燥设备。1.3.3.3化工过程系统节能把整个系统集成起来作为一个有机的整体对待，所进行的节能工作。1.3.3.4控制节能15第1章总论1.3节能的途径化工节能减排技术(1-2)孙老师课件化工节能减排技术(1-2)孙老师课件化工节能减排技术(1-2)孙老师课件化工节能减排技术(1-2)孙老师课件化工节能减排技术(1-2)孙老师课件21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，19952.黄素逸.能源科学导论.北京：中国电力出版社，19983.刘家祺.分离过程.北京：化学工业出版社，200521第1章总论教材：22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22第2章节能的热力学能量：23第2章节能的热力学2.1基本概念2.1.1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。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23第2章节能的热力学2.1基本概念24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24第2章节能的热力学2.1基本概念25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）

–273.1525第2章节能的热力学2.1基本概念26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：单位质量物质所占有的容积m3/kg密度：比容的倒数kg/m326第2章节能的热力学2.1基本概念27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=760mmHg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)27第2章节能的热力学2.1基本概念28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：提供了确定系统平衡状态所需的独立参数数目的经验规则。对于组成一定的物质系统若存在n种可逆功（系统进行可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)=028第2章节能的热力学2.1基本概念29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。29第2章节能的热力学2.1基本概念30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。30第2章节能的热力学2.1基本概念31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）：U2.2.1闭口系统能量恒算式Q=ΔU+W对单位质量q=Δu+w对微元过程δq=du+δw31第2章节能的热力学2.2能量与热力学第一定32第2章节能的热力学2.2能量与热力学第一定律2.2.2开口系统能量衡算物质流转移到系统的能量为：δm1δm2δQδWδm1

(u+pv+c2/2+gz)=δm2(h+c2/2+gz)

h=u+pvH=U+pV32第2章节能的热力学2.2能量与热力学第一定33第2章节能的热力学2.2能量与热力学第一定律2.2.2开口系统能量衡算开口系统的能量衡算式为：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+dU33第2章节能的热力学2.2能量与热力学第一定34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=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+W（对多股流体）34第2章节能的热力学2.2能量与热力学第一定35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：CO29%，CO33%,H236%,N2

21.5%,CH40.5%。进变换炉时水蒸气与一氧化碳的体积比为6，温度为

653.15K。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100kmolnkmol(nH2O:nCO=6)T=380℃

35第2章节能的热力学2.2能量与热力学第一定36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)：CO29;CO33;H236;N221.5;CH40.5;H2O198出变换炉时湿气体各组分的物质的量（kmol)：CO237.5;CO4.95;H264.05;N221.5;CH40.5;H2O169.95绝热过程：ΔH=0；36第2章节能的热力学2.2能量与热力学第一定37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焓是状态参数，过程焓变等于终态的焓减去初态的焓；既有物理变化又有化学反应的物系，计算焓变需考虑反应热。653.15K298.15KΔH1恒压降温ΔHr恒温恒压化学反应298.15KTK恒压升温ΔH2ΔH=0恒压绝热反应37第2章节能的热力学2.2能量与热力学第一定38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（1）.状态参数法ΔH=ΔH1+ΔHr+ΔH2=0ΔH1=-3.56×106(kJ)ΔHr=28.05

×(-41198)=-1.156×106(kJ)ΔH2=10396T-3099527(kJ)38第2章节能的热力学2.2能量与热力学第一定39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（2）.统一基准焓法规定0K时稳定单质的理想气体的焓为零；规定298.15K时稳定单质的理想气体的焓为零；基准态下化合物的焓等于标准生成焓无论物理变化，还是化学变化，元素守恒无论物理变化，还是化学变化，过程焓变：ΔH=H终态

–H初态653.15K时，H初态

=-49.17×106(kJ)

753.15K时，H终态

=-49.98×106(kJ)

ΔH=H终态

–H初态

=039第2章节能的热力学2.2能量与热力学第一定40第2章节能的热力学2.3火用与热力学第二定律热力学第一定律指出了能量的同一性，“量”的属性；不能解释“质”的属性如：功和热，高温热与低温热；热力学第二定律指出了能量的“质”的属性，说明过程进行的方向、条件及限制。开尔文说法：不可能从单一热源吸收热量使之完全变成有用功而不产生其他影响。普朗克说法：不可能制造一个机器，使之在循环动作中把一重物升高，而同时使一热源冷却。能量在使用的过程中，数量守恒，但是质量却是下降！！40第2章节能的热力学2.3火用与热力学第二定41第2章节能的热力学2.3火用与热力学第二定律TS12卡诺定理：在两个不同温度的恒温热源间工作的所有热机，不可能有任何热机的效率比可逆热机的效率更高。热效率：ηc=1-T2/T1动力循环至少需要两个热源41第2章节能的热力学2.3火用与热力学第二定42第2章节能的热力学2.3火用与热力学第二定律结论：提高热效应的根本途径：提高热源温度、降低冷源温度以及尽可能减少不可逆因素。2.3.2熵的概念和孤立系统熵增原理熵是状态函数，定义（对可逆过程）热效率：ηc=1-T2/T1最大有用功（以环境温度为限）：W=Q(1-T0/T1)42第2章节能的热力学2.3火用与热力学第二定43第2章节能的热力学2.3火用与热力学第二定律2.3.2熵的概念和孤立系统熵增原理熵流：由于热流引起的熵的变化熵产：由于系统内部和外部的不可逆性引起系统熵的变化孤立系统或绝热系统的熵可以增大，或保持不变，但不可能减少（热力学第二定律的另一种表述）熵增原理：孤立系统上增大的过程才有可能发生，反之，熵减小的过程不可能发生。不可逆性引起的做功能力损失为：43第2章节能的热力学2.3火用与热力学第二定44第2章节能的热力学2.3火用与热力学第二定律2.3.3热力学第二定律的熵衡算方程式适用于任何系统的熵衡算方程式：进入系统的熵+不可逆性引起的熵产量=离开系统的熵+系统熵的变化进、出系统的熵包括：进、出系统的物质流所携带的熵，以及因可逆传热所引起的熵变对闭口系统熵不具有守恒性44第2章节能的热力学2.3火用与热力学第二定45第2章节能的热力学2.3火用与热力学第二定律2.3.3热力学第二定律的熵衡算方程式对开口系统（既有能量交换又有物质交换）对稳定流动系统（系统参数不随时间而变）对单股稳流系统（min=mout=m）（对绝热过程，？）开口系统的熵增45第2章节能的热力学2.3火用与热力学第二定46第2章节能的热力学2.3火用与热力学第二定律2.3.3热力学第二定律的熵衡算方程式

T-S

图（可逆过程热量）TS12dS>0，系统吸热dS<0，系统放热46第2章节能的热力学2.3火用与热力学第二定47第2章节能的热力学2.3火用与热力学第二定律2.3.4能量和火用能量的转换过程具有方向性或不可逆性能量的转换能力（能量转换为功的能力或做功能力）能量的可利用性分为三类：(a).具有完全转换能力的能量，如机械能、电能等；(b).具有部分转换能力的能量，如热能、内能或焓等；(c).完全不具有转换能力的能量，如处于环境温度下的热能等卡诺热机的热效率：ηc=1-T0/T147第2章节能的热力学2.3火用与热力学第二定48第2章节能的热力学2.3火用与热力学第二定律2.3.4能量和火用能量的火用（有效能）：转换为有用功的那部分能量；能量的火无（无效能）：不能转换为有用功的那部分能量任何一种形式的能量可表示成能量=火用+火无分析第一类能量，第二类能量和第二类能量的火用和火无。数量相同，形式不同的能量而言：火用大，品质高；火用小，品质低48第2章节能的热力学2.3火用与热力学第二定49第2章节能的热力学2.4能量的火用计算2.4.1环境与物系的基准状态自然环境是火用的自然零点自然环境是一种概念性的环境（既客观存在，又是人为规定）定环境模型：环境是确定不变的。斯蔡古特的环境模型：(1).环境温度T0=298.15K，环境压力P0=1atm(2).环境由若干基准物构成。每一种元素都有其对应的基准物和基准反应。(3).基准物的自由焓较小龟山-吉田模型：(1).气态基准物的组成(2).其他元素以在T0,P0

下纯态最稳定的物质作为基准物范围很大的静止物系，各部分温度、压力相等，组成均匀，不随时间变化；它又是一个庞大而恒定的热源，不会因得到或给出热量、物质而使其温度、压力或组成发生变化。任何过程都不会对环境的热力学性质产生影响。问题简化49第2章节能的热力学2.4能量的火用计50第2章节能的热力学2.4能量的火用计算2.4.1环境与物系的基准状态系统与环境处于热力学平衡状态时，火用值为零；完全的热力学平衡：热平衡、力平衡和化学平衡不完全的热力学平衡：热平衡、力平衡

物理火用：取不完全平衡环境状态作为基准态，一个系统的能量具有的火用物理火用+化学火用：取完全平衡环境状态作为基准态

化学火用：取完全平衡环境状态作为基准态，因化学不平衡所具有的火用50第2章节能的热力学2.4能量的火用计51第2章节能的热力学2.4能量的火用计算2.4.2机械形式能量的火用

动能火用：c2/2

位能火用：gz

封闭系统从状态1变化到状态2所做功W12

的火用为：

Ew=W12–p0(V2–V1)

封闭系统所做功的火无为：Aw=p0(V2–V1)V1V2T0,p0通过系统边界以功的形式转移的能量是机械式能量，但并不是任何情况下都是火用，只有在环境条件下的有用功才是火用。有用功定义是技术上能利用的输给功源的功。51第2章节能的热力学2.4能量的火用计52第2章节能的热力学2.4能量的火用计算2.4.3热量火用

热量火用：系统所传递的热量用可逆方式所能作出的最大有用功

可逆热机T>T0δQδWA-δQ0能量衡算式：δQ=-δQ0+δWA熵平衡方程式：δQ/T+dS产

=-δQ0/T052第2章节能的热力学2.4能量的火用计53第2章节能的热力学2.4能量的火用计算2.4.3热量火用

热量火用：系统所传递的热量用可逆方式所能作出的最大有用功

能量衡算式：δQ=-δQ0+δWA熵平衡方程式：δQ/T+dS产

=-δQ0/T可逆过程：dS产

=0热量火用热量火无53第2章节能的热力学2.4能量的火用计54第2章节能的热力学2.4能量的火用计算2.4.3热量火用

热量火用：系统所传递的热量用可逆方式所能作出的最大有用功

热量火用S热量火无S1S21243TT0EQAQ54第2章节能的热力学2.4能量的火用计55第2章节能的热力学2.4能量的火用计算2.4.3热量火用

温度恒定热源

变温热源热量火用热量火无热量火无？热力学平均温度55第2章节能的热力学2.4能量的火用计56第2章节能的热力学2.4能量的火用计算2.4.3热量火用

例2-2把100kPa、127℃的1kg空气可逆定压加热到427℃，试求所加热量中的火用和火无。空气的平均定压比热容cp=1.004kJ/(kgK)。设环境大气温度为27℃。解：空气吸收热量为

空气在吸热过程中熵的变化为

56第2章节能的热力学2.4能量的火用计所加热量中火无为：所加热量火用为所加热量中火无为：所加热量火用为58第2章节能的热力学2.4能量的火用计算2.4.3热量火用

T>T0

相同热量的情况下，热量的温度越高，热量中的火用值越大；

T<T0

EQ

与Q

的方向相反。说明：系统得到热量时，系统的火用减少；放出热量时，系统的火用增加。单位热量的火用：Ω=EQ/Q

SS1S2TT04312EQQ58第2章节能的热力学2.4能量的火用计59第2章节能的热力学2.4能量的火用计算2.4.3热量火用

T>T0

热量火用总是小于热量；

T<T0

冷量火用可以大于热量；T/K300T0Ω10.51.5059第2章节能的热力学2.4能量的火用计60第2章节能的热力学2.4能量的火用计算2.4.3热量火用

在温差相同、传热量相同的条件下，低温时的火用损失比高温时大得多；例2-3在某一低温装置中将空气自600kPa和27℃定压预冷至-100℃，试求1kg空气所获冷量的火用和火无。空气的平均定压比热容为1.0kJ/(kgK)。设环境大气的温度为27℃。解：空气获得冷量60第2章节能的热力学2.4能量的火用计空气在冷却过程中熵的变化为所获冷量中火无为：所获冷量中火用为空气在冷却过程中熵的变化为所获冷量中火无为：所获冷量中火62第2章节能的热力学2.4能量的火用计算2.4.4封闭系统的火用

封闭系统的火用：

封闭系统从给定状态以可逆方式转变到环境状态，并只与环境交换热量时所能作出的最大有用功。P,T,u,SP0,T0,u0,S0δqδwA,max

62第2章节能的热力学2.4能量的火用计63第2章节能的热力学2.4能量的火用计算2.4.4封闭系统的火用

封闭系统的火用：

封闭系统从给定状态以可逆方式转变到环境状态，并只与环境交换热量时所能作出的最大有用功。封闭系统的能量方程可逆过程封闭系统的火用封闭系统的火无63第2章节能的热力学2.4能量的火用计64第2章节能的热力学2.4能量的火用计算2.4.4封闭系统的火用

封闭系统的火用：

封闭系统从给定状态以可逆方式转变到环境状态，并只与环境交换热量时所能作出的最大有用功。封闭系统的火用从状态1可逆变化到状态2时所作的最大有用功：64第2章节能的热力学2.4能量的火用计65第2章节能的热力学2.4能量的火用计算2.4.5稳定流动系统的火用

稳定流动系统的火用：

稳定物流经可逆方式与环境交换热量时所能作出的最大有用功。稳流能量方程熵方程进入系统的熵+不可逆性引起的熵产量=离开系统的熵+系统熵的变化65第2章节能的热力学2.4能量的火用计66第2章节能的热力学2.4能量的火用计算2.4.5稳定流动系统的火用

稳定流动系统的火用：

稳定物流经可逆方式与环境交换热量时所能作出的最大有用功。稳流能量方程熵方程可逆条件稳定流动系统的火用66第2章节能的热力学2.4能量的火用计67第2章节能的热力学2.4能量的火用计算2.4.5稳定流动系统的火用

稳定流动系统的火用：

稳定物流经可逆方式与环境交换热量时所能作出的最大有用功。稳定流动系统的火用稳定流动系统的火无不考虑宏观动能和位能（焓火用）从状态1可逆变化到状态2时所作的最大有用功：67第2章节能的热力学2.4能量的火用计68第2章节能的热力学2.4能量的火用计算2.4.5稳定流动系统的火用

例2-4设有一空气绝热透平，空气的进口状态为600kPa、200℃，宏观速度为160m/s，出口状态为100kPa、40℃和80m/s。试求（1）空气在进、出口状态下的焓火用；（2）透平的实际输出功；（3）透平能够作出的最大有用功。空气的定压比热容为1.01kJ/(kgK)，环境大气状态为

100kPa、17℃。解：（1）忽略空气动能和位能，空气在进口状态下的火用为68第2章节能的热力学2.4能量的火用计空气在出口状态下的火用为（2）透平实际输出功为（3）透平能够做出的最大有用功空气在出口状态下的火用为（2）透平实际输出功为（3）透平能够70第2章节能的热力学2.4能量的火用计算2.4.6化学反应的最大有用功

稳定流动系统化学反应Q:化学反应系统与外界的热量交换（反应热）ΔH=H2–H1

化学反应系统焓的变化（反应焓）定温条件下，化学反应系统熵的变化可逆条件熵平衡70第2章节能的热力学2.4能量的火用计71第2章节能的热力学2.4能量的火用计算2.4.6化学反应的最大有用功

稳定流动系统化学反应结论：可逆定温系统作出的最大反应有用功等于系统自由焓的减少。最大反应有用功是状态参数71第2章节能的热力学2.4能量的火用计72第2章节能的热力学2.4能量的火用计算2.4.6化学反应的最大有用功

653.15K298.15KΔH1恒压降温ΔHr恒温恒压化学反应298.15KTK恒压升温ΔH2ΔH=0恒压绝热反应T1,P1T2,P2298.15K,1atm298.15K,1atm实际化学反应过程一般是变温变压的，即反应物的温度、压力与生成物的温度压力不同。这里，可以利用最大反应有用功是状态参数特性，采用3个假想过程来计算上述化学反应过程的最大有用功。72第2章节能的热力学2.4能量的火用计73第2章节能的热力学2.4能量的火用计算2.4.6化学反应的最大有用功

标准态下化学反应的最大有用功标准态下化学反应的焓变标准态下化学反应的熵变（标准态生成自由焓）73第2章节能的热力学2.4能量的火用计74第2章节能的热力学2.4能量的火用计算2.4.6化学反应的最大有用功例2-5在298.15K和1atm下，CO和O2

进行燃烧反应生成CO2

。反应前反应物CO和O2

不进行混合，试求此化学反应的最大反应有用功。257118kJ/kmol74第2章节能的热力学2.4能量的火用计75第2章节能的热力学2.4能量的火用计算2.4.6化学反应的最大有用功例2-6在例2-5的反应中加入惰性气体N2,该气体不参加反应，其反应式为

CO+O2/2+1.88N2=CO2+1.88N2

反应前后反应物和生成物进行混合，反应前后物系总压仍为1atm，温度仍为298.15K。试求此反应过程的最大反应有用功。253564kJ/kmol75第2章节能的热力学2.4能量的火用计76第2章节能的热力学2.4能量的火用计算2.4.7气体的扩散

火用

在P0

、T0

下的气体可逆定温地转变到其在环境空气中的分压力Pi0

时所能作出的最大有用功。(属于化学火用）气体的扩散火用单位质量气体的扩散火用对真实溶液？对于分离过程？76第2章节能的热力学2.4能量的火用计77第2章节能的热力学2.4能量的火用计算2.4.8元素和化合物的化学

火用

标准化学火用：用环境模型计算的物质化学火用。基准物和基准反应基准反应：一种非基准物质（包括元素、单质和化合物）与一种或几种基准物在P0、T0

下发生化学反应，而反应物和生成物均为P0、T0

下的纯物质。77第2章节能的热力学2.4能量的火用计78第2章节能的热力学2.4能量的火用计算2.4.8元素和化合物的化学

火用

标准化学火用：用环境模型计算的物质化学火用。环境模型中的基准物化学火用为零元素的化学火用：元素与环境物质进行化学反应变成基准物所提供的最大化学反应有用功。元素的标准化学火用：化学反应在规定的环境模型中空气中所含组分的标准化学火用：扩散火用纯态化合物的标准摩尔化学火用：单质标准化学火用之和加上生成反应过程的理想功。△G<0，生成反应过程的最大化学反应有用功>0，过程对外做功，化合物的标准摩尔化学火用小于单质的标准摩尔化学火用之和，反之。。78第2章节能的热力学2.4能量的火用计79第2章节能的热力学2.4能量的火用计算2.4.8元素和化合物的化学

火用

例2-7试用龟山-吉田环境模型求碳（石墨）的标准化学火用例2-8试用龟山-吉田环境模型求甲烷CH4

气体的标准化学火用附录1和附录2（无机与有机化合物的标准摩尔化学火用）79第2章节能的热力学2.4能量的火用计80第2章节能的热力学2.4能量的火用计算2.4.9燃料的化学

火用

燃料的化学火用（燃料火用）：P0

、T0

下的燃料与氧气一起稳定流经化学反应系统时，以可逆方式转变到完全平衡的环境状态所能作出的最大有用功。EFEO280第2章节能的热力学2.4能量的火用计81第2章节能的热力学2.4能量的火用计算2.4.9燃料的化学

火用

燃料的化学火用（燃料火用）（简化的近似计算公式。）气体燃料液体燃料固体燃料一般液体燃料和固体燃料燃料的化学火用在数值上及其接近其热值，这是由于燃烧反应的熵变较之反应热往往小得多。81第2章节能的热力学2.4能量的火用计82第2章节能的热力学2.4能量的火用计算2.4.9燃料的化学

火用

例2-9计算C2H4

燃料的标准化学火用（燃料火用）解：C2H4的氧化反应方程式为82第2章节能的热力学2.4能量的火用计83第2章节能的热力学2.5火用损失和火用衡算方程式2.5.1火用损失和火用的衡算方程火用损失：不可逆过程中火用的减少量火用衡算方程：

输入系统的火用=输出系统的火用+火用损失+系统火用的变化

83第2章节能的热力学2.5火用损失和84第2章节能的热力学2.5火用损失和火用衡算方程式2.5.2封闭系统的火用衡算方程式

84第2章节能的热力学2.5火用损失和85第2章节能的热力学2.5火用损失和火用衡算方程式2.5.2封闭系统的火用衡算方程式

85第2章节能的热力学2.5火用损失和86第2章节能的热力学2.5火用损失和火用衡算方程式2.5.2封闭系统的火用衡算方程式

环境、热源和系统的熵增量之和86第2章节能的热力学2.5火用损失和87第2章节能的热力学2.5火用损失和火用衡算方程式2.5.3稳定流动系统的火用衡算方程式

87第2章节能的热力学2.5火用损失和88第2章节能的热力学2.5火用损失和火用衡算方程式2.5.3稳定流动系统的火用衡算方程式

（对多股稳定物流、多个热源）88第2章节能的热力学2.5火用损失和89第2章节能的热力学2.5火用损失和火用衡算方程式（1）有限温差传热过程

2.5.4不稳定流动系统的火用衡算方程式89第2章节能的热力学2.5火用损失和90第2章节能的热力学2.5火用损失和火用衡算方程式（2）绝热节流过程

90第2章节能的热力学2.5火用损失和91第2章节能的热力学2.5火用损失和火用衡算方程式（3）不可逆绝热压缩过程

91第2章节能的热力学2.5火用损失和92第2章节能的热力学2.6装置的火用效率和火用损失系数火用效率火用损失大，说明过程的不可逆性大，用来衡量过程的热力学完善程度。

火用损失火用效率火用损系数92第2章节能的热力学2.6装置的火用效93第2章节能的热力学2.6装置的火用效率和火用损失系数火用效率火用效率反映了实际过程接近理想过程的程度，从能量的质来评价过程的优劣。

可逆过程，火用损失为0，η=1.不可逆过程，火用损失非0，η<193第2章节能的热力学2.6装置的火用效第2章节能的热力学2.7节能理论新进展2.7.1可避免火用损失与不可避免火用损失2.7.2热经济学把热力学分析与经济优化理论相结合的技术2.7.3有限时间热力学2.7.4综合考虑资源利用和环境影响的火用分析第2章节能的热力学2.7节能理论新进展95化工节能减排技术青岛科技大学过程系统工程教研室

2014.91青岛科技大学96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

2第1章总论1.1能源与能源的分类97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。能源与能量的区别作业：列举几例新型能源及制备技术。3第1章总论1.1能源与能源的分类98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174000TW/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）4第1章总论1.1.2能源的分类99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（煤、石油、天然气、水能、风能、太阳能）可再生能源非可再生能源（2）二次能源（电、蒸汽、煤气、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。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5第1章总论1.1.2能源的分类100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（2）新能源生物质能：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（2）非清洁能源6第1章总论1.1.2能源的分类101第1章总论1.1.2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）后的液体原料；反应速度快，无催化剂；绿色加工工艺7第1章总论1.1.2能源的分类CH2C102第1章总论1.1.2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第1章总论1.1.2能源的分类产物分相103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和可实现的节能潜力9第1章总论1.2化学工业节能的潜力与意104第1章总论五年来，我国一次能源生产总量位居世界第一，煤炭产量占到世界的45%，石油年产量稳定在2亿吨，天然气产量稳步提高，电力装机规模居世界第二，水电、核电、风电等清洁能源快速发展，能源科技装备水平显著提高，节能环保成效明显，境外能源合作不断取得新进展，国内能源安全保障能力进一步增强。10第1章总论五年来不同角度分析我国化学工业的节能潜力（1）单位GDP能耗（2）能源利用率（3）主要产品单位能耗（4）主要设备能耗第1章总论不同角度分析我国化学工业的节能潜力第1章总论到2015年，原油加工综合能耗降到86千克标准煤/吨，乙烯综合能耗降到857千克标准煤/吨，石油石化行业单位工业增加值用水量比2010年减少30%。合成氨综合能耗低于1350千克标准煤/吨，烧碱（离子膜）综合能耗降到330千克标准煤/吨，电石综合能耗降到1050千克标准煤/吨，行业平均中水回用率达到90%，固体废物综合利用率达到75%。到2015年，原油加工综合能耗降到86千克标准煤/吨，乙烯综107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)产业结构（2）产品结构（3）企业结构（4）地区结构13第1章总论1.2化学工业节能的潜力与1.3.2管理节能

（1）宏观调控层次（2）企业经营管理层次1.3.3技术节能1.3.3.1工艺节能（1）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。（2）分离工程（3）改进工艺方法和设备第1章总论1.3.2管理节能第1章总论109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、蒸发设备、塔设备、干燥设备。1.3.3.3化工过程系统节能把整个系统集成起来作为一个有机的整体对待，所进行的节能工作。1.3.3.4控制节能15第1章总论1.3节能的途径化工节能减排技术(1-2)孙老师课件化工节能减排技术(1-2)孙老师课件化工节能减排技术(1-2)孙老师课件化工节能减排技术(1-2)孙老师课件化工节能减排技术(1-2)孙老师课件115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，19952.黄素逸.能源科学导论.北京：中国电力出版社，19983.刘家祺.分离过程.北京：化学工业出版社，200521第1章总论教材：116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22第2章节能的热力学能量：117第2章节能的热力学2.1基本概念2.1.1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。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23第2章节能的热力学2.1基本概念118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24第2章节能的热力学2.1基本概念119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）

–273.1525第2章节能的热力学2.1基本概念120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：单位质量物质所占有的容积m3/kg密度：比容的倒数kg/m326第2章节能的热力学2.1基本概念121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=760mmHg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)27第2章节能的热力学2.1基本概念122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：提供了确定系统平衡状态所需的独立参数数目的经验规则。对于组成一定的物质系统若存在n种可逆功（系统进行可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)=028第2章节能的热力学2.1基本概念123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。29第2章节能的热力学2.1基本概念124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。30第2章节能的热力学2.1基本概念125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）：U2.2.1闭口系统能量恒算式Q=ΔU+W对单位质量q=Δu+w对微元过程δq=du+δw31第2章节能的热力学2.2能量与热力学第一定126第2章节能的热力学2.2能量与热力学第一定律2.2.2开口系统能量衡算物质流转移到系统的能量为：δm1δm2δQδWδm1

(u+pv+c2/2+gz)=δm2(h+c2/2+gz)

h=u+pvH=U+pV32第2章节能的热力学2.2能量与热力学第一定127第2章节能的热力学2.2能量与热力学第一定律2.2.2开口系统能量衡算开口系统的能量衡算式为：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+dU33第2章节能的热力学2.2能量与热力学第一定128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=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+W（对多股流体）34第2章节能的热力学2.2能量与热力学第一定129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：CO29%，CO33%,H236%,N2

21.5%,CH40.5%。进变换炉时水蒸气与一氧化碳的体积比为6，温度为

653.15K。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100kmolnkmol(nH2O:nCO=6)T=380℃

35第2章节能的热力学2.2能量与热力学第一定130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)：CO29;CO33;H236;N221.5;CH40.5;H2O198出变换炉时湿气体各组分的物质的量（kmol)：CO237.5;CO4.95;H264.05;N221.5;CH40.5;H2O169.95绝热过程：ΔH=0；36第2章节能的热力学2.2能量与热力学第一定131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焓是状态参数，过程焓变等于终态的焓减去初态的焓；既有物理变化又有化学反应的物系，计算焓变需考虑反应热。653.15K298.15KΔH1恒压降温ΔHr恒温恒压化学反应298.15KTK恒压升温ΔH2ΔH=0恒压绝热反应37第2章节能的热力学2.2能量与热力学第一定132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（1）.状态参数法ΔH=ΔH1+ΔHr+ΔH2=0ΔH1=-3.56×106(kJ)ΔHr=28.05

×(-41198)=-1.156×106(kJ)ΔH2=10396T-3099527(kJ)38第2章节能的热力学2.2能量与热力学第一定133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（2）.统一基准焓法规定0K时稳定单质的理想气体的焓为零；规定298.15K时稳定单质的理想气体的焓为零；基准态下化合物的焓等于标准生成焓无论物理变化，还是化学变化，元素守恒无论物理变化，还是化学变化，过程焓变：ΔH=H终态

–H初态653.15K时，H初态

=-49.17×106(kJ)

753.15K时，H终态

=-49.98×106(kJ)

ΔH=H终态

–H初态

=039第2章节能的热力学2.2能量与热力学第一定134第2章节能的热力学2.3火用与热力学第二定律热力学第一定律指出了能量的同一性，“量”的属性；不能解释“质”的属性如：功和热，高温热与低温热；热力学第二定律指出了能量的“质”的属性，说明过程进行的方向、条件及限制。开尔文说法：不可能从单一热源吸收热量使之完全变成有用功而不产生其他影响。普朗克说法：不可能制造一个机器，使之在循环动作中把一重物升高，而同时使一热源冷却。能量在使用的过程中，数量守恒，但是质量却是下降！！40第2章节能的热力学2.3火用与热力学第二定135第2章节能的热力学2.3火用与热力学第二定律TS12卡诺定理：在两个不同温度的恒温热源间工作的所有热机，不可能有任何热机的效率比可逆热机的效率更高。热效率：ηc=1-T2/T1动力循环至少需要两个热源41第2章节能的热力学2.3火用与热力学第二定136第2章节能的热力学2.3火用与热力学第二定律结论：提高热效应的根本途径：提高热源温度、降低冷源温度以及尽可能减少不可逆因素。2.3.2熵的概念和孤立系统熵增原理熵是状态函数，定义（对可逆过程）热效率：ηc=1-T2/T1最大有用功（以环境温度为限）：W=Q(1-T0/T1)42第2章节能的热力学2.3火用与热力学第二定137第2章节能的热力学2.3火用与热力学第二定律2.3.2熵的概念和孤立系统熵增原理熵流：由于热流引起的熵的变化熵产：由于系统内部和外部的不可逆性引起系统熵的变化孤立系统或绝热系统的熵可以增大，或保持不变，但不可能减少（热力学第二定律的另一种表述）