化工热力学对生产作用

化工热力学对生产作用

. 化工热力学中从生活中来到 生产中去的实例 3 冯 新,陆小华,吉远辉,钱红亮 (南京工业大学材料化学工程国家重点实验室,江苏南京210009) [摘要]生动的实例是改变化工热力学枯燥、抽象局面的良药.本文列举了多个“从生活中来到生产中 去”与热力学原理密切相关的实例,以期激发学生的兴趣,使他们体会到化工热力学的魅力. [关键词]化工热力学;实例;pVT性质;偏摩尔性质;节能减排 PracticalExamplesofChemicalEngineeringThermodynamics FengXin,LuXiaohua,JiYuanhui,QianHongliang Abstract:Chemicalengineeringthermodynamicsisacoursethatstudentsgenerallyfeelabstract,uninter2estinganddifficulttostudy.However,vividexampleswillexcitethem.Inthispaper,manyexamples,closelyrelatedtothethermodynamicprinciplesfromlifetoproduction,areenumeratedinstimulatingstudents’interestsandhelpthemtorealizethecharismaofchemicalengineeringthermodynamics.Keywords:Chemicalengineeringthermodynamics;Practicalexamples;pVTproperty;Partialmolarproperty;Energysavinganddischargereduction 众所周知,化工热力学是化学工程的精髓.然而,该课程是枯燥的、难学的,抽象的概念和多 而繁琐的公式往往令众多学子望而生畏. [122] 理解是走向真知必不可少的阶段.[2] 作者认 为,生动的实例是改变该局面的良药.考虑到学生对生产没有感性认识,课程教学应尽可能用“从生活中来到生产中去”的实例,并精心设计.编制鲜活实例是不易的,这也是一线教师最大的苦恼.本文愿意与大家共享作者编写、收集的多个例子,也许它们还不够成熟和准确,但以期能起到抛砖引玉的作用,希望更多的教师加入这个队伍,以便 更多的人能共享他的智慧和成果. 一、流体的pVT性质 临界温度Tc是过程安全最重要、最普遍的基本概念之一.因此,作者在设计pVT例题时,始终围绕着这个知识点. 【例1】pVT行为与液化气成分选择的关系液化气是理想的气体燃料.对家庭用液化气的要求是加压后变成液体储于高压钢瓶里,打开减压阀后即汽化,以便燃烧.现有如表1所示的6种物质作为液化气成分的候选气体. (1)请根据对液化气储存和使用的要求来选 2 4择液化气成分. (2)请解释以下现象:到冬天,有时钢瓶内还有较多液体却不能被点燃. 表1 各种气体的Tc、pc以及正常沸点Tb[3] 物质Tc,℃pc,atmTb,℃燃烧值,kJ/g 甲烷-82.5545.36-161.4555.6乙烷32.1848.08-88.6552.0丙烷96.5941.98-42.1550.5正丁烷151.937.43-0.549.6正戊烷196.4633.3236.0549.1正己烷 234.4 29.80 68.75 48.4 解:(1)根据液化气候选成分Tc、pc的范围画成p2T示意图,见图1. 图1 例1中液化气候选成分的p2T图 设厨房室温为10～40℃,压力为1atm.从图1中可以看出,甲烷在室温下始终是气体,若不把 甲烷的温度降至Tc即-82.55°C以下,则无论施加多高压力都不能使其液化———因此甲烷不适合做液化气成分;乙烷的Tc为32.18°C,到了夏天一旦超过32.18°C,则压力升高会引起爆炸———因此乙烷也不适合做液化气成分;正己烷在室温下就是液体,不需要压缩,但它的正常沸点Tb为68.75°C,无论春夏秋冬,打开减压阀它都不会气 化———不适合;正戊烷室温下能液化,但在大多季节不能气化———不适合;因此,只有丙烷和正丁烷符合要求. (2)多数液化气会含有少量戊烷等C5、C6成分,冬天室温较低,戊烷等高级烷烃不能气化导致残液产生. 【例2】pVT行为与汽车新燃料压缩天然气间的关系 随着汽油不断涨价,既经济又环保的天然气已成为汽车发动机的新燃料,越来越多的公交车 和出租车改烧天然气(主要成分为甲烷).为了使单位气量能行驶更长的里程,天然气加气站需要将管道输送来的0.2MPa、10℃的天然气压缩灌装到储气罐中,制成压缩天然气,其压力为20MPa,由于压缩机冷却效果在夏天要差,所以气 体的温度在冬天为15℃,夏天为45℃.已知储气罐体积为70L,每kg甲烷可行驶17公里,问: (1)如果将20MPa,15℃压缩天然气当做理想气体,则与RK状态方程相比,它计算出来的一罐压缩天然气的行驶里程多了还是少了,相差多少公里?(按冬天算).试问:此时的压缩天然气能否当做理想气体? (2)如果将管道输送来的0.2MPa、10℃的天然气不经压缩直接装入储气罐中,一罐天然气能行驶多少公里? (3)为了行驶更长的里程,在其他条件均不变的情况下,是否可以通过再提高压力使压缩天然气变成液化天然气来实现?你有什么好的建议? (4)据出租车司机说“同样一罐压缩天然气,夏天跑的里程比冬天要短”,为什么?请说出理由,并估算出同样每天行驶300公里,夏天比冬天要多花多少钱?(一罐压缩天然气约50元.必要 的数据可以自己假设). 解:(1)①由理想气体状态方程可得 V= RT p=1.198×10-4m3・mol-1;n=V总V =584.31mol; 行驶里程S理想=584.31×16×10-3×17=158.93km ②根据RK方程 求得V=0.0000980m3・mol-1 n=V总 V =714.29mol 行驶里程为:SRK=714.29×16×10-3×17=194.29km VS=SRK-S理想=194.29-158.93=35.36km 由此可见,如此高压下的压缩天然气不能当做理想气体. (2)用RK方程计算得: 3 4 化工热力学中从生活中来到生产中去的实例V=0.0192909m3 ・mol-1 ;n= V总 V =3.63molS=3.63×16×10 -3 ×17=0.987公里 由此可见,作为汽车燃料,管道输送来的天然 气必须经压缩机压缩成高压天然气才有实际意义. (3)不可以.因为,“其他条件均不变”意味着温度也不变,由例1可知,当温度在10℃左右,大于Tc时,无论施加多大的压力都不能使之液化.因此,只有必须将其温度降低至-82.55°C以下,再加压才行. 理论上,温度降至-82.55°C,即可能加压液化,但压力极高为4.60MPa,由流体的p2V2T关系可知,温度越低,所需压力越低,因此实际上液化天然气的温度常降至-162℃,这样在常压下即能变成液体. (4)①由(1)可知,冬天气体温度为15℃时,每罐压缩天然气行驶194.29公里,那么每公里花 费50194.29=0.257元;②同样方法计算夏天气体温度为45℃时,每 公里花费50 163.94 =0.305元 因此,同样每天行驶300公里,夏天比冬天要多花的钱为300×(0.305-0.257)=14.4元/天;一个季度要多花1300元. 这是因为V∝T,当夏天温度增大后气体的摩尔体积V增大,由于储气罐的总体积是一定的,因此装入的压缩天然气摩尔数n=V总/V变小,随之行驶的里程数减小.所以同样一罐气夏天跑的里程比冬天要短. 【例3】汽车轮胎里的压力与胎内空气的温度相关.当胎内空气温度为25℃时,压力表显示210kPa.如果轮胎的体积为0.025m3,当夏天胎 内空气升至50℃时,压力表应显示为多少?为了轮胎的安全使用,需要轮胎恢复到原来的压力,此时轮胎内应该放掉多少空气?假定大气压为 100kPa,空气的成分21wt%O2;79wt%N2.[4] 请给出解题思路. 解:解题思路见图2.需注意的是:压力表显示210kPa,则实际压力应为210+100(当地大气压)=310kPa 图2 例3解题思路 44化工热力学中从生活中来到生产中去的实例 答:(1)25℃,V1=0.0079854m3・mol-1;n1 =0.025/0.0079854=3.13mol (2)当夏天胎内空气升至50℃时,压力表应显示为336.15-100=236.15kPa. (3)50℃,V3=0.00866m3・mol-1;n3=0.025/0.00866=2.887mol 故放掉3.13-2.887=0.243mol的空气. 二、偏摩尔性质 偏摩尔性质是一个比较抽象的概念,很难举例.以下两个例子均是用人与人之间的相互作用来比喻. 【例4】现今世界最著名的热力学权威,美国总统奖获得者、美国三院院士、加州大学伯克利分校化工系J.M.Prausnitz教授是这样描述的:[5] 分子之间的力通常是十分特殊的,在这种情况下,遗憾的是不可能用纯组分的性质来预测(即使是近似地预测)混合物的性质.如果我们考虑下面一个牵强的类比,这一点就不奇怪了.设想一个在俄罗斯的社会学家,仔细地研究俄罗斯人的行为,观察了若干年后知道了关于他们的一切.然后他到中国对中国人进行了相似的透彻的研究.那么凭借这些知识,他能否预言由俄罗斯人和中国人任意混合所形成社会的行为呢?大概是不可能的.这种类比是高度极端的,但它能提醒我们,分子不是盲目地在空间移动的惰性粒子,相反,它们是复杂的“个人”,其“个性”对它们的环境是敏感的. 【例5】中国有一句俗话:“男女搭配干活不累”! 男生女生之间会产生相互作用,不能拿他们单独时的行为来描述男女生在一起时的行为,即“男女生一起的力量≠男生力量+女生的力量”. 三、Henry定律【例6】高山反应与Henry定律 由于高山上压力很小,大气中的氧分压 pO2=p・y空气中O2 (1) 而血液中的氧溶量为: pO2=kO2x血液中O2 (2) 由(1)式知,因为氧气在大气中的比例恒定保 持y空气中O2=21wt%,因此,当高山上总压变小(海拔3000米时,p=0.701×105Pa)则导致pO2变小;由(2)式知,当pO2变小,则x血液中O2变小,大脑由于缺氧就发生了高山反应. 【例7】高压氧舱与Henry定律 高压氧治疗是将患者置于1.4atm以上的治疗舱内,并间歇性吸入100wt%氧气的治疗方式.原理同【例6】,一方面提高了总压p,另一方面提高了y空气中O2,两者使pO2增大.根据(2)式, x血液中O2随着高压氧舱内pO2的提高而提高,提高 7221倍,从而使大脑组织得到充分氧供. 【例8】用表2来解释:空气比CO2更廉价和无毒,为何不能用来制作苏打和冒泡香槟?[6] 表2 25℃下溶解在水中的各种气体的Henry常数[6]气体H/bar 气体H/bar气体H/bar 乙炔1350乙烷30600硫化氢550空气72950乙烯11550甲烷41850二氧化碳1670氦气126600氮气87650一氧化碳 5400 氢气 71600 氧气 44380 解:因为空气的Henry常数较CO2大,则在香槟或雪碧中的溶解度就较小,形成的气泡就少,所以不适合用来制作苏打和冒泡香槟. 四、节能减排【例9】重庆长风化工厂连续亏损15年,依靠科技创新半年获利润2000万元,实现了从巨额亏 损到巨额利润的质的飞跃. [7] 解决方法:全厂所有生产过程中的化学反应热和工艺余热进行排序.将每套生产装置的产热过程和用热过程进行联动集成,将不同装置的产热和用热过程进行跨装置集成,使热能供需的双方不仅在数量上相符,同时在质量上相配,并努力用低档余热换出较高品质的能量.燃煤锅炉没了,该厂每年节约燃煤成本1000万元.【例10】液化天然气冷能利用成了循环经济热项目. 液化天然气(LNG)具有热值高、污染小等特点.使用过程中须耗费大量的热能使其转化为常温天然气.通常的做法是以海水作为热源.按返回的海水温度降低5℃计算,则气化300万吨LNG一年约需1.2亿m3的海水吸收冷能. 如果利用其冷能建设一套3万m3/hr的空分装置,则可年产气氧28.6万吨,实现产值2亿多元.该装置与传统生产液态产品的空分装置比较,由于有效回收和利用了LNG中的冷能,可节电50%—60%,节水70%—90%,(下转第66页) 5 4 化工热力学中从生活中来到生产中去的实例沟通协调的局面必须打破,建立以过程为对象的 管理机制和协调机制则是实现过程管理的当务之急. (四)经常永续地改善系统“改善”不是一件一劳永逸的工作.环境的变化要求我们必须将现有工作过程的改善不断推向深入.决不能认为“到目前为止我们已经实现了工作过程的最优化,目前的状态在一定时间内缓释经得起考验!”因为这种想法只会使我们产生懈怠心理,从而放松发现工作过程中潜在问题出现的警惕性.对于过程的改善应永远保持进行状态,这样,我们的系统才会有可能处于高效的 状态. (文字编辑:吴文水)参考文献: [1]汪应洛.工业工程[M].西安:机械工业出版社,1996.5. [2]刘广第.质量管理学[M].北京:清华大学出版社,1996.2. [3]詹姆斯・W・沃克.人力资源战略[M].北京:中国人 民大学出版社,2001.4. [4]樊耘.管理学[M].西安:陕西人民出版社,2001.8.[5]赵涛.发现戴明[M].北京:北京工业大学出版社,2002.6. (上接第45页)同时减轻海域环境冷污染. 另外,利用LNG冷能发展循环经济拓展旅游资源.如“冰雪大世界”项目是将LNG气化过程中的冷能,通过载冷剂传输至冰雪世界换热站,将冷量梯级利用于冰雪旅游世界的不同功能区,为滑雪场、滑冰场、酒店等梯级提供冷能,实现LNG冷能的综合利用.这不仅可以让市民在夏 天享受到赏雪滑冰的乐趣,还能有效控制大量冷能对环境的破坏. 五、制冷与供热【例11】热棒技术解决了青藏铁路冻土问题.青藏铁路建设的1110公里新线中,有550公里要经过多年冻土地段.冻土是一种对温度极为敏感的土体介质.冬季,冻土在负温状态下随温度的降低体积发生剧烈膨胀,顶推上层的路基、路面;在夏季,冻土随着温度升高而融化,体积缩小后使路基发生沉降,这种周期性变化往往很容易导致路基和路面塌陷、下沉、变形、破裂. 现在每隔15米就竖立的热棒技术解决了冻土问题.热棒(又叫无芯重力式热管、热虹吸管)是一种高效热导装置,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,使其永久冻结. 爱因斯坦说过:虽然物理学的大部分理论都 会随时间而改变,但热力学是普适而永恒的.[5] 化工热力学是枯燥和抽象的,但我们相信通过努力,使学生透过熟悉的现象看到科学的本质,那学生们一定能体会到化工热力学的魅力所带来的快乐!因为“了解事物的本质是令人愉快的!” (文字编辑:吴文水) 参考文献: [1]冯新,陆小华.以学生为本的化工热力学课程教学改 革[J].化工高等教育,2006,(4):30234. [2]张楚廷.科学课程的改造[J].中国大学教学,2004,(9):15218. [3]陈钟秀,顾飞燕编.化工热力学(第二版)[M],北京: 化学工业出版社,2001.2952297. [4]YunusA.CengelandMichaelA.Boles.Thermody2namics:AnEngineeringApproach(6th)[M].McGraw2Hill,2006.1592160. [5](美)普劳斯尼茨等著,陆小华,刘洪来译.流体相平衡 的分子热力学(原著第三版)[M].北京:化学工业出版社,2006.1142115. [6](美)史密斯等著,刘洪来,陆小华等译.化工热力学导 论(原著第七版)[M].北京:化学工业出版社,2008. 2182219. [7]邓经国.从巨额亏损到巨额利润———重庆长风化工厂 科技创新纪实[N].中国化工报,200628222.