1、1,化工热力学 Chemical Engineering Thermodynamics,同学们关心的问题,我要赚大钱！ 到底是考研还是工作？ 化学工程与工艺专业不是我喜欢的专业！我 想做律师、公务员、做贸易！ 我忙着考证将来找个好工作！ 所有的课程我都不感兴趣！所以我忙着玩游 戏！但我心里也虚，不知怎么办？ 化学工程是夕阳工业吗？,2,国家和全球关心的问题,和谐社会 节能减排 气候变化越来越看得见、摸得着 “低碳经济” 低能耗能量的最大利用低污染物质的最大利用,3,减排交易,全球CO2 排放指标交易行情大幅上涨！ 每16 美元/吨。 重庆企业1200万吨废气指标卖了10亿元。28个 签约项目包
2、括煤矿瓦斯利用、冶金高（焦）煤 气发电、化工余热余气利用、垃圾填埋气发电、小火电减排 。 江苏梅兰化工股份有限公司和常熟三爱富中昊化工新材料有限公司的温室气体减排交易，是迄今为止最大的单笔企业配额交易，交易金额 高达10.2亿美元 。,4,5,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
3、属和玻璃。,6,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 。,“生活处处皆化工”,不论是人们的衣、食、住、行，还是现代的 高科技产品，都有化学工程的影子，真可谓 “生活处处皆化工” 。 在美国和德国，化学工业都是第二大经济支 柱产业。 从我国“十五”统计情况看，国民经济产值的 1/6是由化学工业提供的。,7,化学工程的作用,中国对环境的要求越来越高，包括水
4、资源、固体废弃物等等，都需要化学工业作为支撑，需要化工提供新材料、新能源、新资源，为国家的发展和人们的生活提供服务。,我国“十一五”规划中提出了两个指标：单位GDP的 能耗降低20%，废弃物排放减少10%，要实现这两个指标，就要高效、节能、绿色。这对化学工业的研究、生产提出了更高的要求，由此也可以看出化 学工业的重要性。,8,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。,9,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
5、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！,10,Range of length scales covered by chemical engineering,11,12,12,同学们的将来职业,科研经商从政,13,化学工程师的收入 美国国家学院和雇主联合委员 会统计结果 2008年,1) 技术类(比如，计算机科 学)， $56,921。其中化学 工程毕业生甚至达到$63,749； 民用工程， $49,427；电子
6、工程， $56,512， 机械，$56,429. 2) 金融和会计，$48,795； 3) 经济，$52,926； 4) 护士，$52,129；5) 化学，$52,125；6) 政治科学和政府工作， $43,594,14,Chemical engineer = CEO,Many chemical engineers have found their way into upper management. A chemical engineer is either currently, or has previously, occupied the CEO position for:3M, Du
7、Pont, General Electric, Union Carbide, Dow Chemical, Exxon, BASF, Gulf Oil, Texaco, and B.F. Goodrich.Even a former director of the CIA, John M. Deutch, was a chemical engineer by training.,？,15,热爱你的专业吧！,“Chemical Engineering can do everything!”,16,Survey by World Chemical Engineering Council How do
8、es chemical engineering education meet the requirement of employment. (a) Participation of selected home countries, and (b) Are you pleased to have studied Chemical Engineering results of the Yes-No scheme. (http:/www.dechema.de/chemengworld_media/Downloads/survey.pdf ). Y. Jin; Y. Cheng. Chemical E
9、ngineering in China:Past, Present and Future, AIChE J; 2011, 51(3):552-560.,17,18,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（13学时） 第五章 化工过程的能量分析（8学时） 第六章 蒸汽动力循环和制冷循环（7学时） 第七章 相平衡（12学时）,19,第一章 绪 论,20,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
10、）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54。,化工热力学到底能干什么？Why?,21,1、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、如果用空气作为潜水员在海底的呼吸介质，为何会出现类似麻醉现象？ 4、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？,22,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CO
11、2？ 7、为何在高度污染的河流中的鱼体内PCB虽未过量， 但鱼肝中却大大超量。 8、精馏塔的设计主要依据是什么？ 9、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55%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。,23,降低资源消耗,2003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45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820
12、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。,24,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23倍。 “可燃冰”的主要成分是甲烷与水分子(CH4H2O)。 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！,25,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1015%水蒸气，可以提高透平1020%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
13、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,26,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,27,一、 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（Engineering Thermodynamics） C、化学热力学（ Chemical Thermodynamics） D、化工热力学（ Chemical Engineering Thermo
14、dynamics）,28,一、 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。,29,热力学的四大特性,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。 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
15、性强而完整的科学。,30,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。 精简性： 表现在热力学能够定性、定量地解决实际问题。,31,B、化学热力学（ Chemical Thermodynamics） 将热力学基本理论应用化学领域，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
16、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,32,D、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。 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。 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。 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。,33,34,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
17、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。,35,一、 化工热力学的定义和用途,2、化工热力学的用途 对于新工艺、新方法，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。（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？,37,38,39,描述能量转换的规律，对于实践证明可行的工艺，确定某种能量向目标能量 转换的最大效率（能量有效利用） 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。 如美国一聚乙
18、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%。,40,41,42,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，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。 精馏塔的设计：没有数据无法设计 产品分离：设备投资5090%；能量6090%。,43,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。 （需要模型和基础数据） 如：分离回收二氧化碳的新方法BV钾碱吸收法 施亚钧教授的国家自然基金项目。
19、研制出新的二元吸收剂，完成工艺条件的研究后，进行了工业生产条件下气液平衡和相际间传质、系数的数学模型研究。确定该吸收过程的控制步骤。这为工程放大提供了基础数据和理论基础，指导了从实验室规模直接放大到近两万倍的工业装置规模。,44,45,二、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i,46,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。,47,二、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
20、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,48,二、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 nRT,49,二、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
21、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,50,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。,51,由Wilson模型计算甲醇-甲基乙基酮体系 的相平衡数据,Wilson模型,52,二、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
22、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”,53,三、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）,54,三、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
23、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。,55,三、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。,56,四、为何学和如何学好化工热力学,1、为何要学化工热力学？ 解决化学产品的制备中存在两类问题。 1）反应问题,在给定条件下，A和
24、B作用，能否得到C？或D？或E？或它们的全部？（可行性分析） 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？（平衡问题）,1、可行性分析,2、化学反应平衡,57,怎样分离，才能得到纯物质C？,2）分离问题,4、能量有效利用,3、相平衡问题,58,四、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
25、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,演绎法,演绎法是化工热力学理论体系的基本科学方法。 演绎过程主要以数学方法进行，这决定了化工热力学的数学公式纷繁复杂，理论概念严谨、抽象。 但演绎法 “似至晦，实至明；似至繁，实至简；似至难，实至易”的特点又决定了化工热力学抽象复杂的背后是多快好省。,59,60,四、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,61,四、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（
26、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，2001 习题：陈钟秀,顾飞燕编，化工热力学例题与习题，1998,62,四、为何学和如何学好化工热力学,4、参考书 1) (美)史密斯等著，刘洪来，陆小华，陈新志等译，化工热力学 导论-(原著第七版)，化学工业出版社，2008 (J. M. Smith, and H. C. Van Ness, Introduction Chemical Engineering Thermodynamics, 7th Ed., Co., 化学工
27、业出版社，2006) 2) 马沛生，化工热力学（通用型），化学工业出版社，2005 3）郑丹星，流体与过程热力学，化学工业出版社，2005 4）陈新志等，化工热力学，化学工业出版社，2001 5）陈新志，化工热力学习题精解 ，科学出版社，2003 6）朱自强,徐 汛编，化工热力学，化学工业出版社，1991 7）冯新，宣爱国，周彩荣，田永淑，龙小柱编，化 工热力学，化学工业出版社，2009 (推荐教材),63,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,64,化工热力学在
28、课程链上的位置,65,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,66,五、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,67,五、本课程的内容,对于模型的研究和建立不是本课程的内容 但了解模型的适用范围和如何应用模型是本课程的任务,68,五、本课程的内容,热力学数据与物性数据的研究 P、V、T、H、S、G、f、 第2、3、4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 第5、6章 解决相平衡、
29、化学平衡的状态，确定质量传递方向 第7、8章,69,各章之间的联系,第3章 纯流体的热力学性质(H,S,U，难测；由EOS, Cp,Cv得到）,第5章化工过程的能量分析:H,S,U,W(3),第7章相平衡:f (2,4),(4),第10章化学平衡:(4),给出物质有效利用极限,第6章蒸汽动力循环和制冷循环: H,S,W(3),给出能量有效利用极限,化工热力学的任务,第4章流体混合物的热力学性质,第2章热力学基础数据( PVT,Cp,Cv,EOS),70,考试方法 (1)平时成绩30% 上课情况、平时作业 (2)期末考试成绩70% 学好本课程的方法 (1)着重于基本概念的理解，对重要的公式加以推导。 (2)认真做好笔记。 (3)学习三遍：预习、学习、复习 做到：提起来是一串，放下是一堆。 (4)阅读讲义、教材、参考书,作业自己做!诚实做人！,71,总 结,一、化工热力学的用途： 1、可行性分析 2、能量有效利用 3、分离工艺及设备的设计（相平衡）需要热力学数据，最好是连续的，而不是离散的。,二、如何得到热力学数据： 1.实验：易测 难测 2.推算： 局部 完整 纯物质 混合物 常温常压 苛刻条件需要模型,三、模型的建立： 不同体系适合用不同的模型 非极性物质 极性物质 聚合物 大分子 了解不同模型的适合范围,四、了解不同模型的适合范围本课程的任务！,难,
