熱心網友

。 化工熱力學發展歷史 熱現象是人類最早接觸到的自然現象之一。相傳遠古時代的燧人氏鉆木取火，用現代科學的語言來說，就是由機械功轉化為內能，溫度升高發生燃燒。我國在十二、十三世紀就記載有走馬燈和使用火藥燃燒向后噴氣來加速火箭的飛行，可以說是現代燃氣輪機和火箭等噴氣推進機的始祖。但是，人類對熱的認識逐步形成一間科學卻是近三百年來的事。從觀察和實驗總結出來的熱現象規律，構成熱現象的宏觀理論，叫做熱力學。為了提高蒸汽機的效率和創造性能更好的熱機，有必要對它們的工作規律進行廣泛的研究。十九世紀中，把生產實踐和實驗結果提到理論的高度，確立了關于能量轉化和守恒的熱力學第一定律以及關于熱效率的熱力學的第二定律。主要由這兩個定律在邏輯上和數學上的發展，形成了物理學中的熱力學部份。它除了為分析、研究，創造各種新型熱機提供理論基礎外，還廣泛地滲透到其他學科中去，例如熱力學理論和化學現象相結合，形成了所謂化學熱力學，它是研究物質的熱性質，化學、物理過程的方向和限度等普遍規律的基礎學科。 生產上蒸汽機的發明和相應的科學研究建立了熱力學的基本定律；熱力學本身的發展，又回過來幫助新型熱機的創建。通過專門研究和分析，使人們對各種熱機中的壓縮，燃燒、膨脹、冷卻、傳熱等過程、再熱循環、往復循環等有了更清晰的了解，這在熱機的設計和創新方面起了決定性的作用。在學科上形成了工程熱力學。廣而言之，熱力學是一門研究能量及其轉換的科學，它能預言物質狀態變化的趨勢并研究伴有熱效應體系的平衡。在化學工業的生產和科學實驗中有大量的這類問題需要解決，所以化工熱力學也就應運而生。由于既要解決化學問題，又要解決工程問題，所以化工熱力學實際上是集化學熱力學和工程熱力學的大成。自從1944年B·F·Dodge寫出了篇幅較大的"化工熱力學"教科書后，幾十年來，國內外這方面的研究不斷深入，教學工作也頗有成效，不但是大學生的必修課程，而且研究生也需學習。可以說，化工熱力學已成化學工程學的主要分支學科之一。盡管熱力學是一門比較古老的學科，但是在化學工業中的應用還在繼續擴大，在有關期刊中仍有許多文獻發表。5 化工熱力學的基本內容化工熱力學是討論熱力學在化工生產中的應用。化工過程中所需的熱和功的計算，化學反應、相際物質傳遞的方向與限度的判定，化工過程能量的有效利用等都屬于化工熱力學已經的范疇。在化工工程師的工作中，常涉及到下面四類問題：（1） 進行過程的能量衡算 物料衡算與建立在熱力學第一定律基礎上的能量衡算是所有化工工藝設計的基礎。他可以解決： ①進、出設備每股物料的數量、組成、溫度、壓力，從而求得設備中的傳熱量、傳質量或反應量。 ②確定生產過程中所需設備的尺寸和臺數（如換熱面積等）。 ③在設計方案評比、操作條件分析、工藝設備改進時，常以物料、熱量衡算結果為依據。（2）判斷過程進行的方向和限度 建立在熱力學第二定律上的一些熱力學函數（ 、 等）是判定過程進行方向與限度、確定平衡狀態的依據。而在化工單元操作及反應器設計中，平衡狀態的確定、平衡組成的計算、多組元相平衡數據的求取均是不可少的內容。例如：為了降低原料消耗，利用本國資源，制止環境污染和不用劇毒物質作原料等，要求發展直接合成新工藝。（清潔生產、綠色化工）50年代，采用乙烯和氯氣為原料的氯醇法生產乙二醇，主要反應有三步： 乙烯+氯→氯乙醇→環氧乙烷→乙二醇這個方法不但流程長，輔助原料氯的成本高，而且由于使用了氯，給后處理帶來了許多麻煩（如腐蝕、副產鹽酸問題等）。60年代，乙烯直接氧化法在工業上得到應用，這種方法不在使用氯，主要反應有二步： 乙烯 環氧乙烷 乙二醇70年代，由乙烯直接合成乙二醇成功，產品收率也從乙烯氧化法的75%提高到90%，這意味著每公斤乙二醇所消耗的乙烯數量比以前降低了17%。在這個生產乙二醇的發展過程中，用熱力學基本定律判斷這些方法的可行性及可行的條件（即必要的工藝條件），對節省過程發展中的人力、物力和研究時間有很大的幫助。 （3）研究化工過程能量的有效利用化工生產要消耗大量的能源。石油、天然氣等能源不僅是化學工業的燃料，而且是生產一些重要化工產品的原料。近年來的能源緊張，如何有效利用能量的問題顯得突出。利用熱力學的基本原理，對化工過程進行熱力學分析，是熱力學近三十年來最重要的進展。計算各種熱力過程的理想功、損耗功、有效能等，找出可以節能而沒有節能的環節和設備，然后采取措施，達到節能的目的。這對于評定新的設計方案和改進現有生產都是有效的手段。近來，能源緊張問題更顯突出，故在流程選擇、設備設計中往往以節能為目標函數進行優化，為了節能，寧可增加設備（即初始投資）。例： 典型的石油氣順序深冷分離，能量消耗較大，經過全面分析和研究，采用原料分段預冷進料、中間再沸器和其他措施，對相同規模的石油氣分離裝置可節能25%。因此，有人認為，凡是有能量交換的地方，就有熱力學問題。這里的能量交換包括熱、功、動能、位能和化學能（化學反應）的交換。又例：在節能最杰出和典型的節能化工工程是濮陽的中原化肥廠的AMⅤ合成氨工藝，能耗從常規的900 Gcal/t 氨降到590Gcal/t 氨。其在過程中采取了一系列的節能措施，包括熱泵（Heat Pump）系統。 （4）熱力學數據與物性數據的研究熱力學把研究的對象稱為體系（System），與研究對象有密切聯系的周圍稱為環境（Surrounding）。描述體系處于一定狀態是用一系列的宏觀熱力學性質（如T、P、Cp、H、S、G等）表示。上述三個問題的解決離不開熱力學數據與物性數據。①計算體系發生變化與環境交換的熱量、功量；②計算相際傳遞和化學反應的平衡組成；③對過程進行熱力學分析，計算理想功Wid、損耗功WL、有效能B。 都需要熱力學性質的基礎數據。但是，熱力學的有效應用（如過程模擬與放大），往往由于缺乏熱力學基礎數據而發生困難。根據統計，現有十萬種以上的無機化合物和近四百萬種有機化合物，而熱力學性質已研究得十分透徹的元素和化合物卻只有一百種左右。因此，對于物質熱力學性質的計算、氣體狀態方程的研究、普遍化方法求算熱力學函數，已成為很重要的熱力學基礎工作。目前，特別是對于混合物的數據更為缺少，而需要又十分迫切，因此，混合物的熱力學性質的研究和計算，目前已成為化工熱力學的主攻方向之一。概括起來，化工熱力學著重研究熱力學函數在工程中的應用。用熱力學函數（P、V、T、H、S等）分析某些化工過程實際上的效率問題，即達到平衡的條件、狀態。化工熱力學是“焓焓”糊糊“熵”腦筋的課程，即焓熵計算及其應用。結合所采用的教材，有： ①熱力學數據與物性數據的研究P、V、T、H、S、G、f、 、 、 第二、三、六章②解決化工過程所需的熱、功及其傳遞方向，解決能量合理利用問題 第四、五章③解決相平衡、化學平衡的狀態，確定質量傳遞方向 第七、八章 各章間聯系如下： 熱力學基礎數據( PVT,Cp,Cv)（二） 相平衡(七) ↓ ↗熱力學基本定律(四)→熱力學微分方程(三,六)→熱力學狀態函數→化學平衡(八) ↘過程熱力學分析(四,五)。