化工热力学绪论-课件

化工热力学

ChemicalEngineeringThermodynamics

1ppt课件化学工程能做什么？化学工程的主要目标就是使化学家实验室做出来的化学反应商品化！

10项顶尖成果（1983年，AIChE）1.合成橡胶（1983年，220亿磅/年。二战期间，及时解救了天然橡胶匮乏的困境。）2.抗生素：1918年流感夺走了全世界2000万人的生命。化学工程使青霉素的年产量高达百万磅。3.聚合物：塑料在很多应用场合能取代木头、金属和玻璃。2ppt课件化学工程能做什么？4.合成纤维。5.低温空分生成O2

和N2。6.核同位素的分离。7.原油的催化裂解：制备高辛烷值燃料的能力在英国战役和二次世界大战中是一决定性因素。8.污染的控制。9.肥料尤其是合成氨：新肥料改进了农业的生产力并帮助养活了全世界。10.生物医学工程。3ppt课件化学工程目的:

解决化学工程原理应用于新体系的瓶颈问题意义:

最合理地利用能源和资源、保护生态环境和人类健康4ppt课件化工热力学课程内容第一章绪论（2学时）第二章流体的PVT关系（6学时）第三章纯流体的热力学性质（6学时）第四章流体混合物的热力学性质（12学时）第五章相平衡（12学时）第六章化工过程的能量分析（10学时）第七章蒸汽动力循环和制冷循环（8学时）5ppt课件第一章

绪论6ppt课件关于化工热力学课程化工热力学课程是化学工程专业最重要的课程之一。是国内外化学工程专业本科生（化工热力学I）和研究生（化工热力学II）必修课程。是一门训练逻辑思维和演绎能力的课程。是一门培养节约资源、合理利用能源观点的课程。化工热力学是“焓焓”糊糊“熵”脑筋的课程。学时56。7ppt课件

化工热力学在课程链上的位置8ppt课件Why?1、冰箱的工作原理与空调是否相同？夏天打开冰箱门是否能当空调？2、空调与取暖器哪个更省电？3、注射青霉素过敏的原因是什么？怎样去除青霉素中的杂质？4、假酒为何会喝死人？怎样去除酒精中的甲醇？5、为什么无水酒精的价格是95%酒精的二倍？主要是哪一部分的成本提高了？9ppt课件Why?5、液化石油气的主要成分为何是丙烷、丁烷和少量的戊烷而不是甲烷或己烷？6、为何从天然植物中提取香精、色素等有效成分常用超临界萃取技术？萃取剂为何常选CO2？7、酸雨对大理石雕像是否有害？8、10kg/cm2的水蒸气能否推动汽轮机？10ppt课件Why?9、石墨如何变成金刚石？H2O在什么温度压力下能分解出H2和O2？N2和H2在什么温度压力下才能合成出NH3？10、精馏塔的设计主要依据是什么？11、为什么要节能？如何节能？依据是什么？全世界不可再生化石燃料的消耗占90%。中国50%的能源需要进口。中国人均能源消费不到世界平均水平的50%

。中国的能源利用率仅是世界平均水平的50%

。化工是耗能大户，仅次于冶金。11ppt课件新能源——可燃冰1M3“可燃冰”释放出的能量相当于164M3的天然气。全球“可燃冰”总能量，是所有煤、石油、天然气总和的2～3倍。“可燃冰”的主要成分是甲烷与水分子(CH4·H2O)。勘探需要知道：在海底下，何种温度、压力下会形成“可燃冰”？热力学能解决！12ppt课件湿空气作为热力循环的工作介质近10年来的实际应用已经证明，如果在空气中加入10~15%水蒸气，可以提高透平10~20%的效率。需要研究该体系高温高压下的热力学性质！二氧化碳减排的紧迫性全球气候转暖，导致南北极冰山融化，海平面已上升10到25厘米）二氧化碳地质减排CO2-H2O体系CO2-NaCl-H2O体系CO2-NaCl-KCl-H2O体系CO2-多元电解质-H2O体系13ppt课件降低资源消耗2009年，中国消耗了全球总产量30%的主要能源和原材料，创造的GDP仅占世界的4%。如果按每1美元生产总值能耗，我国比发达国家能耗高4~5倍。目前，美国每万美元耗水为514M3，日本208M3，中国5045M3，是发达国家的8~20倍。中国很多地区的经济增长速度是靠高投资、高能耗、高污染换来的。14ppt课件本章内容一、化工热力学的定义和用途二、化工热力学研究内容和特点三、化工热力学的局限性四、为何学和如何学好化工热力学五、本课程的内容15ppt课件一、化工热力学的定义和用途1、化工热力学的定义A、热力学（Thermo-dynamics）B、工程热力学（EngineeringThermodynamics）C、化学热力学（ChemicalThermodynamics）D、化工热力学（ChemicalEngineeringThermodynamics）16ppt课件一、化工热力学的定义和用途1、化工热力学的定义A、热力学（Thermo-dynamics

）——讨论热与功转化规律的科学。远古“钻木取火”——机械能转换为内能。12世纪“火药燃烧加速箭支的飞行”19世纪“蒸汽机”——热转换为功。17ppt课件热力学的四大特性⑴严密性：表现在热力学具有严格的理论基础。热力学证明是可以行通的事情，在实际当中才能够行的通；热力学证明是不可行的事情，在实际当中无论采用什么措施，也实施不了。⑵完整性由于热力学具有热力学第一定律：能量守恒定律第二定律：熵增原理、热效率第三定律：绝对熵定律第零定律：热平衡定律这四大定律使热力学成为一门逻辑性强而完整的科学。18ppt课件⑶普遍性：表现在热现象在日常生活中是必不可缺少的。热力学的基本定律、基本理论，不但能够解决实际生产中的问题，还能够解决日常生活中的问题，甚至用于宇宙问题的研究。⑷精简性：表现在热力学能够定性、定量地解决实际问题。19ppt课件B、工程热力学（EngineeringThermodynamics）——将热力学的基本理论应用于工程技术领域，则为工程热力学。主要研究热能与机械能之间转换规律以及在工程中的应用。

特点：制冷、发电介质简单：水蒸气、氨、氟里昂20ppt课件C、化学热力学（ChemicalThermodynamics）—应用热力学来处理热化学、相平衡和化学平衡等化学领域中的问题，则形成化学热力学（是物理化学的一部分）。例1：利用热力学的原理能计算出在何种温度和压力条件下，由氮和氢能合成氨，这在化肥工业上产生了重要影响。420～550℃

；150~1000atm例2：石墨与金刚石二者间转变时的温度与压力效应的热力学计算，不但预示了人工制造金刚石所需的条件，并且导出了关于自然界金刚石形成的地质条件的假说。21ppt课件石墨——>金刚石？在1400℃，5-10万大气压下，石墨——>金刚石22ppt课件D、化工热力学（ChemicalEngineeringThermodynamics）——集化学热力学和工程热力学之大成的学科。任务是从热力学第一、第二定律出发，研究化工过程中各种能量的相互转化和有效利用，研究各种物理和化学变化过程中达到平衡的理论极限、条件和状态。它是化学工程学的一个重要组成部分，是化工过程开发、设计和生产的重要理论依据。23ppt课件经典热力学无论是工程热力学还是化学热力学还是化工热力学，它们均是经典热力学，遵循经典热力学的三大定律（热力学第一、第二、第三定律），不同之处是由于热力学应用的具体对象不同，决定了各种热力学解决问题的方法有各自的特点。24ppt课件一、化工热力学的定义和用途2、化工热力学的用途①对于新工艺、新方法，用热力学事先判断它的可行性。（可行性分析）石墨————>金刚石？N2+H2————>NH3？H2O————>H2+O2？常温、常压常温、常压常温、常压判据？25ppt课件②对于实践证明是可行的工艺进行优化。（能量有效利用）A.提高产品质量。如利用相图去除青霉素中的杂质，拯救生命。B.节能。老厂改造，增效挖潜，能量的合理利用。如美国一聚乙烯醇工厂能耗大，特别是分离工段的能耗占全厂的65%，应用热力学相平衡的成果，将进料中乙醛含量由0.7%降至0.4%后，操作费用节省50%。能量损失的形式：1。防止跑冒滴漏2。不合理的工艺3。不可逆损失能量是有品位的。高温蒸汽比低温蒸汽有用。有用的热量称为有效能，也称为“火用”26ppt课件③多元相平衡数据是设计、生产操作和产品质量控制必不可少的，尤其是产品众多、分离要求高的石油化工更是如此。产品分离：设备投资50~90%；能量60~90%。精馏塔的设计27ppt课件④建立化工热力学模型，用最易测得的数据（P、V、T、X）推算难测数据（H，S，G）；用少量实验数据加模型，得到过程开发中大量有用数据。多、快、好、省！世界上有105无机物，6x106有机物，只有100种纯物质的热力学数据研究比较透彻。混合物的种类更多，更有用，但非常难测。尤其是极性物质、聚合物体系，电解质溶液。在高压、低温下的物性数据更是当务之急。实验费时、费力。28ppt课件湿空气作为热力循环的工作介质近10年来的实际应用已经证明，如果在空气中加入10~15%水蒸气，可以提高透平10~20%的效率。空气的组分：N2：78.08％，O2：20.95％，Ar：0.93％，CO2：0.03％，He、Ne、Kr、Xe。太复杂！怎么办？N2-O2-H2O三元体系可以视作空气-水体系的模型流体。29ppt课件二、化工热力学的研究内容和特点1、化工热力学的研究内容“原理-模型-应用”构成化工热力学研究内容的“三要素”原理应用模型状态方程EOS活度系数模型γi30ppt课件方法：运用经典热力学的原理，结合反映体系特征的模型，应用于解决工程中的实际问题。31ppt课件二、化工热力学的研究内容和特点2、化工热力学的研究特点1）经典热力学的研究特点从局部的实验数据推算系统完整的信息从常温常压的物性数据来推算苛刻条件下的性质从容易获得的物性数据（P、V、T、x）来推算较难测定的数据（y，H，S，G）从纯物质的信息求取混合物的信息2）化工热力学的研究特点32ppt课件二、化工热力学的研究内容和特点2）化工热力学的研究特点A.研究体系为实际状态B.处理方法：以理想态为标准态加上校正C.获取数据的方法：少量实验数据加半经验模型D.应用领域：解决工厂中的能量利用和平衡问题。33ppt课件二、化工热力学的研究内容和特点2）化工热力学的研究特点a.研究体系为实际状态化学热力学研究的是以理想状态为主，如理想气体、理想溶液；化工热力学研究的是实际状态。在任意温度、压力下，多组分的状态。理想气体：分子间没有相互作用，分子的体积大小可以忽略。（压力极低）PV=nRT真实气体：分子间有相互作用，分子的体积大小不能忽略PV≠

nRT34ppt课件二、化工热力学的研究内容和特点b.处理方法：以理想态为标准态加上校正实际结果=理想结果+校正气体

Z（压缩因子）气体（逸度系数）溶液γi（活度系数）化学热力学的方法建立模型35ppt课件C.获取数据的方法：少量实验数据加半经验模型化工热力学是用少量实验数据加半经验模型，得到所需数据。尽管有误差（5%），但很实用，可以预测复杂的物性数据。高压、高温、低温、多元二、化工热力学的研究内容和特点模型：运用数学式来表达物质之间相互关系。越有物理意义的模型，越准确。36ppt课件由Wilson模型计算甲醇-甲基乙基酮体系

的相平衡数据Wilson模型37ppt课件二、化工热力学的研究内容和特点D.应用领域：解决工厂中的能量利用和平衡问题。例如：合成氨厂有“一段转化”、“脱碳”、“甲烷化”、“蒸汽、合成气的压缩”等过程，如何实现全厂的能量平衡和有效能的合理使用问题。有用的热量称为有效能，也称为“火用”38ppt课件化工热力学和其它化学工程分支学科间的关系第一级：物性常数和热力学性质计算第二级：平衡计算第三级：“三传一反”第四级：设备设计第五级：流程配置第六级：过程发展吸收系统模拟反应系统模拟精馏系统模拟化工模拟系统吸收塔计算反应器计算精馏塔计算换热器计算设备模拟化反应速度计算传质计算流体力学计算传热计算三传和反应工程学相平衡计算反应平衡计算热平衡计算物料平衡计算露点泡点计算化工热力学全流程的最佳化设计和控制物性学和热力学表面张力计算导热系数计算密度计算焓的计算粘度计算39ppt课件化工热力学和其它化学工程分支学科间的关系化工过程示意图40ppt课件三、化工热力学的局限性

热力学研究方法宏观研究方法微观研究方法经典热力学

分子热力学（统计热力学）41ppt课件三、化工热力学的局限性1、经典热力学的特点1研究大量分子中发生的平均变化，并总结出具有普遍性的热力学基本定律。它建筑在热力学的三个基本定律之上，运用数学方法，得到宏观性质之间的依赖关系；2、分子热力学特点建立在大量粒子群的统计性质的基础上从物质的微观结构观察与分析问题，预测与解释平衡情况下物质的宏观性质。从分子间的相互作用出发，建立宏观性质与微观性质经典热力学局限性之一：不能定量预测物质的宏观性质不能解释微观本质及其产生某种现象的内部原因。42ppt课件三、化工热力学的局限性3、经典热力学的特点2：不研究物质的结构；不考虑过程的细节；只关心平衡问题（只关心体系的初态和终态）；不关心如何到达平衡。经典热力学局限性之二：只能解决极限问题，不能解决速率问题

经典热力学能够给出的是必要条件而不是充分条件。但由热力学分析可以排除不能发生反应的条件，因而节省了大量的时间和精力。43ppt课件四、为何学和如何学好化工热力学1、为何要学化工热力学？答：为了解决化学产品的制备中存在两类问题。1）反应问题反应物A+反应物B产物C或

D或

E？在给定条件下，A和B作用，能否得到C？或D？或E？或它们的全部？如果制备产品C，什么是其最优条件（如压力、温度等）？产率多少？1、可行性分析2、化学反应平衡44ppt课件怎样分离，才能得到纯物质C？2）分离问题含A、B、C、D、E的混合物

纯C

D和

E

A和B所需产品

进一步参加反应

副产品4、能量有效利用3、相平衡问题45ppt课件可行性分析为了降低原料消耗，利用本国资源，制止环境污染和不用剧毒物质作原料等，要求发展直接合成新工艺（清洁生产、绿色化工）。以乙二醇生产为例:50年代采用乙烯和氯气为原料的氯醇法生产乙二醇，主要反应有三步：乙烯+氯→氯乙醇→环氧乙烷→乙二醇.这个方法不但流程长，辅助原料氯的成本高，而且由于使用了氯，给后处理带来了许多麻烦（如腐蚀、副产盐酸问题等）。例1：乙二醇生产46ppt课件60年代乙烯直接氧化法在工业上得到应用，这种方法不在使用氯，主要反应有二步：乙烯→环氧乙烷→乙二醇70年代由乙烯直接合成乙二醇成功：乙烯→乙二醇产品收率也从乙烯氧化法的75%提高到90%，这意味着每公斤乙二醇所消耗的乙烯数量比以前降低了17%。47ppt课件能量的有效利用化工生产要消耗大量的能源。石油、天然气等能源不仅是化学工业的燃料，而且是生产一些重要化工产品的原料。利用热力学的基本原理，对化工过程进行热力学分析，是热力学近三十年来最重要的进展。计算各种热力过程的理想功、损耗功、有效能等，找出可以节能而没有能的环节和设备，然后采取措施，达到节能的目的。对于评定新的设计方案和改进现有生产都是有效的手段。近来，能源紧张问题更显突出，故在流程选择、设备设计中往往以节能为目标函数进行优化，为了节能，宁可增加设备（即初始投资）48ppt课件例1：南京塑料厂乙苯脱氢制苯乙烯这么简单的反应方程式用了三层楼的一个车间，经过很多换热装置才完成，目的只有一个，能量的有效利用。49ppt课件例1：典型的石油气顺序深冷分离，能量消耗较大，经过全面分析和研究，采用原料分段预冷进料、中间再沸器和其他措施，对相同规模的石油气分离装置可节能25%。例2：最杰出和典型的节能化工工程是濮阳中原化肥厂的AMV合成氨工艺，能耗从常规的900Gcal/t降到590Gcal/t氨。其在过程中采取了一系列的节能措施，包括热泵、热管系统。因此，有人认为，凡是有能量交换的地方，就有热力学问题。这里的能量交换包括热、功、动能、位能和化学能（化学反应）的交换。50ppt课件四、为何学和如何学好化工热力学2、如何学好化工热力学？1）掌握化工热力学处理问题方法之特点从局部的实验数据加半经验模型推算系统完整的信息从常温常压的物性数据来推算苛刻条件下的性质纯物质性质的推算：从容易获得的物性数据（P、V、T、X）来推算较难测定的数据（y，H，S，G）混合物性质的推算：从纯物质的信息利用混合规则求取混合物的信息以理想态为标准态加上校正来处理真实状态的方法51ppt课件四、为何学和如何学好化工热力学

2）注意准确理解热力学概念概念抽象规则严格咬文嚼字混合物的逸度系数纯组分i的逸度系数混合物中组分i的逸度系数52ppt课件四、为何学和如何学好化工热力学3）注意单位换算能量：J，Cal，cm3.atm，cm3.bar压力：kg/m2（工程压力），atm，mmHg，bar，Pa，MPa温度：K，℃

，oF，4）循序渐进3、教材与习题：教材：陈钟秀,顾飞燕编，化工热力学（第二版），化学工业出版社，200153ppt课件四、为何学和如何学好化工热力学4、参考书1）马沛生，化工热力学（通用型），化学工业出版社，20052）郑丹星，流体与过程热力学，化学工业出版社，20053）陈新志等，化工热力学，化学工业出版社，20014）陈新志，化工热力学习题精解，科学出版，20035）陈钟秀,顾飞燕编，化工热力学例题与习题，化学工业出版社，19986）朱自强,徐汛编，化工热力学，化学工业出版社，19917）J.M.Smith,andH.C.VanNess,IntroductionChemicalEngineeringThermodynamics,7thEd.,Co.,化学工业出版社，200654ppt课件五、本课程的内容化工热力学着重研究热力学函数在工程中的应用。用热力学函数（P、V、T、H、S等）分析某些化工过程实际上的效率问题，即达到平衡的条件、状态。化工热力学是“焓焓”糊糊“熵”脑筋的课程，即焓熵计算及其应用55ppt课件五、本课程的内容①热力学数据与物性数据的研究P、V、T、H、S、G、f、φ、α、γ第2、3、4章②解决相平衡、化学平衡的状态