化工热力学：第1章_绪论.ppt

化工热力学Chemical Engineering Thermodynamics2化学工程化学工程化学工程是以化学、物理、生物、数学的基本原理作为基础，研究物质转化、物质形态和物质组成的一门工程科学它是将知识转化为生产力、为社会创造价值、为社会服务的一门核心科学化学工业的核心是：通过化学反应或者生物反应，实现物质转化；通过化学工程的过程工业实现产品提纯和产品形态的加工化学工程服务面很广生物、医药、材料、环境、石油、化工等诸多领域；同时又对基础知识要求很宽的专业学科、工程学科意义: 最合理地利用能源和资源、保护生态环境和人类健康，为人们幸福生活而服务！3“21世纪多数工业中，化学工程扮演着战略角色，具有很大的发展空间”海水淡化饮用水净化处理城市废水资源化 化学工程能源水资源传统工业生态环境制 药食 品化工与石化电 子冶 金天然气生物质利用燃料电池除 尘CO2 控制洁净燃烧课程目的和要求 明确化工热力学研究的对象，掌握热力学研究问题与处理的方法，认识其在化学工程学科中的重要地位及其在化工生产中的应用 要求学生在物理化学、高等数学等课程的学习基础上，深入理解与掌握热力学状态函数与过程函数、状态函数与全微分的密切关系，容量性质与强度性质，平衡状态与可逆过程，热力学过程与循环等基本概念与内容。

第1章 绪 论Chemical Engineering Thermodynamics51.1 化工热力学的定义A、热力学（Thermo-dynamics ）说法1：讨论热与功转化规律的科学说法2：是研究自然界各种形式能量之间相互转化的规律，以及能量转化对物质的影响的科学w远古“钻木取火”机械能转换为内能w12世纪“火药燃烧加速箭支的飞行”w19世纪“蒸汽机”热转换为功6热力学的四大特性严密性：n表现在热力学具有严格的理论基础热力学证明是可以行得通的事情，在实际当中才能够行得通；热力学证明是不可行的事情，在实际生产当中无论采用什么措施，也实施不了完整性n热力学定律w热力学第一定律：能量守恒定律热效率w第二定律：熵增原理、热力学效率w第三定律：绝对熵定律w第零定律：热平衡定律n这四大定律使热力学成为一门逻辑性强而完整的科学7普遍性：n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精简性：n表现在热力学能够定性、定量地解决实际问题8B、化学热力学（ Chemical Thermodynamics）将热力学的基本理论应用于化学领域，则为化学热力学。

主要研究解决化学和物理变化进行的方向和限度特别是对化学反应的可能性和平衡条件作出预测内容包括热化学、相平衡和化学平衡等部分（是物理化学的一部分）C、工程热力学（Engineering Thermodynamics）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应用 特点：v制冷、发电v介质简单：水蒸气、氨、氟里昂9D、化工热力学（ Chemical Engineering Thermodynamics） 集化学热力学和工程热力学之大成的学科n将工程热力学和化学热力学应用于化工与生物、能源、信息、环境、材料等的交叉领域n研究化工过程中各种能量以及物质相互转化的理论极限、条件和状态n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10热力学热力学化学化学工程学工程学工工程程热热力力学学化化学学热热力力学学化化工工热热力力学学化工热力学111.2.1 热力学性质计算和关联：描述物态变化的规律和状态性质流体p-V-T关系 状态方程低温技术氦气液化发现超导现象寻求高温超导材料磁悬浮列车1.2 化工热力学的用途12确定化学反应发生的可能性及其方向，确定反应平衡条件和平衡时体系的状态。

n石墨金刚石？nH2O H2+O2 ？nN2+ H2 NH3 ？常温、常压常温、常压常温、常压判据？1.2.2 可行性分析13 石墨金刚石？在1400，5-10万atm下，石墨金刚石v例1：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14确定相变发生的可能性及其方向，确定相平衡条件和相平衡时体系的状态 多元相平衡数据是产品分离的基石n产品分离车间：w设备占全厂总投资5090%；能量占全厂6090%n精馏塔的设计：没有相平衡数据无法设计BA15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：n乙烯+氯氯乙醇环氧乙烷乙二醇.n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1660年代乙烯直接氧化法在工业上得到应用，这种方法不再使用氯，主要反应有二步：n乙烯环氧乙烷乙二醇70年代由乙烯直接合成乙二醇成功：n乙烯乙二醇n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%。

171.2.3 能量有效利用：描述能量转换的规律，确定某种能量向目标能量转换的最大效率 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%化学工程师开发和设计某一化工过程阶段，必须考虑能耗问题化工过程的能量有效合理利用！18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节能的环节和设备，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）19例2：南京塑料厂乙苯脱氢制苯乙烯v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，能量的有效利用热棒技术解决了青藏铁路冻土问题热棒技术解决了青藏铁路冻土问题热棒长7米，路基下5米，地面上2米，整个棒体罐有液氨。

当路基温度上升时，液态氨受热发生气化，上升到热棒的上端，通过散热片将热量传导给空气，气态氨由此冷却变成了液态氨，又沉入了棒底，这样周而往复，热棒就相当于一个永动的天然制冷机，不断地将冻土层中的热量排出1.2.4 化工过程、装置设计与优化的理论基础 物料衡算和热量衡算是化工过程和生产装置研究开发和设计计算的基础 化工热力学也是大型模拟计算仿真、实时控制系统软件的基础较为流行的大型化工模拟软件，如Aspen Plus、PROII、CHEMCAD等热力学模型和物性数据库是其核心基础通过模拟计算，得到最优操作条件，代替耗费巨大的中间试验22世界著名化工流程模拟软件Aspen Plus, PRO IIv在当今世界，化工流程模拟软件很成熟，问题是如何选择合适的模型23化工热力学化工热力学课程内容课程内容（4848学时）学时）第第1 1章章 绪绪 论（论（2 2学时）学时）第第2 2章章 流体的流体的p-V-T p-V-T 关系和状态方程（关系和状态方程（6 6学时）学时）第第3 3章章 纯流体的热力学性质计算纯流体的热力学性质计算 （8 8学时）学时）第第4 4章章 溶液热力学性质的计算溶液热力学性质的计算 （8 8学时）学时）第第5 5章章 相平衡（相平衡（4 4学时）学时）第第1111章章 高分子溶液热力学基础（高分子溶液热力学基础（6 6学时）学时）第第6 6章章 热力学第一定律及其工程应用（热力学第一定律及其工程应用（2 2学时）学时）第第7 7章章 热力学第二定律及其工程应用（热力学第二定律及其工程应用（6 6学时）学时）第第8 8章章 蒸汽动力循环与制冷循环蒸汽动力循环与制冷循环 （4 4学时）学时） 复习（复习（2 2学时）学时）24本课程的内容热力学数据与物性数据的研究np、V、T、H、S、G、f、n第2、3、4章解决平衡的状态，确定质量传递或变化方向n第5、9、11章解决化工过程所需的热、功及其传递方向，解决能量合理利用问题n第6、7、8章25各章之间的联系第第3 3章章 纯流体的热力学纯流体的热力学性质性质( (H,S,UH,S,U，难测；，难测；由由EOS+CEOS+Cp p得到）得到）第第5 5章章 相平衡相平衡第第1111章章 高分子溶高分子溶液热力学液热力学给出给出物质物质 有效有效利用利用极限极限给出给出能量能量有效有效利用利用极限极限化工热力学的任务第第4 4章章 流体混合物的热力学性质流体混合物的热力学性质第第1111章章 高分子溶液热力学基础高分子溶液热力学基础第第2 2章章 流体的流体的PVTPVT关系关系( ( p p-V-T,-V-T, EOS EOS) )第第6 6、7 7章章 化工过程能化工过程能量分析量分析( (H,S, W,EH,S, W,Ex x ) )第第8 8章动力循环与制冷章动力循环与制冷循环循环 ( H, S, Q, W, ( H, S, Q, W, ) )261.3 化工热力学在专业课程链上的位置vv基础课：基础课： 高等数学、外语、大学物理高等数学、外语、大学物理 无机化学、有机化学、分析化学无机化学、有机化学、分析化学 物理化学物理化学 专业基础课：化工原理、化工热力学、化学反应工程专业基础课：化工原理、化工热力学、化学反应工程专业课：化学工艺学、分离工程、化工设计、催化剂专业课：化学工艺学、分离工程、化工设计、催化剂化学热力学化学动力学281.4 化工热力学的研究特点n“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i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。

均相性质纯 物 质定组成混合物非均相性质纯 物 质混 合 物流动系统热力学分析热力学模拟均相封闭体系热力学非均相封闭体系热力学流动体系的能量平衡、熵平衡方程应用封闭体系流动体系模型EOS活度系数热力学原理均相封闭体系热力学均相性质纯 物 质定组成混合物均相性质纯 物 质定组成混合物均相封闭体系热力学均相封闭体系热力学热力学原理模型EOS活度系数模型EOS活度系数热力学原理301）经典热力学的研究特点如何得到热力学数据？实验：易测（P、V、T、X） 难测（H，S，G）推算：n局部 完整 n纯物质 混合物n常温常压 苛刻条件 需要模型！312）化工热力学的研究特点a.研究体系为实际状态n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；n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：PV=nRT真实气体：PV nRT32b.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 i（活度系数）化学热力学的方法建立模型33由Wilson模型计算甲醇-甲基乙基酮体系的相平衡数据C.获取数据的方法：少量实验数据加半经验模型v尽管有误差（5%），但很实用，可以预测复杂复杂的物性数据。

Wilson模型1.5 热力学研究方法 经典热力学方法、分子热力学方法 分子热力学从微观角度，将经典热力学、统计物理、量子力学及有限的实验数据结合起来，通过建立数学模型、拟合模型参数，对实际系统热力学性质进行计算与预测 经典热力学是建立在热力学第一、第二定律基础上的，是人类大量实践经验的总结，是自然界和人类各种活动中的普遍规律因而，热力学所给出的结论、宏观性质间关联式的正确性，具有普遍的。