第一章 热力学与化工设计和化工生产
化工热力学
化工热力学化工热力学的第一个问题就是热能的转换。
它包括各种形式的热量之间的转换，如物质之间、设备之间、管线之间、以及反应容器内的气体之间的热量转换，因此这一章讨论各种传热问题。
化工热力学的第二个问题是研究反应中能量的传递问题，包括原料与产品的化学反应，产品与副产品的物理加工过程。
化工热力学的第三个问题是研究物质在溶液、悬浮液和气体中的分散与凝聚，其中包括固体物质的溶解、离析、沉降、升华、凝结、胶体化以及气体中的扩散等问题。
化工热力学的第四个问题是研究燃烧问题，包括燃烧方法的选择、燃烧室的设计和热量的测量等问题。
高温时空气中水蒸气液化变成饱和液态水。
温度降低到100 ℃以下时，液态水全部结冰。
水的结晶温度随压力升高而降低，纯净的水在一定的压力下有固定的熔点，温度在一定范围内变动，由于结构不同，在不同的条件下会发生物理性质上的变化，可制成很多晶体。
如常见的冰、干冰、雪、盐等，熔点不同。
水蒸气在一定条件下可以直接变成水。
水蒸气凝结时要吸收热量。
用途很广，人类生活和生产中大量需要各种各样的水。
水有许多不同的状态，有冰、水汽、水滴、雾、露、湿空气、液态水、盐水、海洋水、地下水、泉水、河流、湖泊、溪水、海水等。
水与水之间有密切的联系，如果我们能够科学地使用水资源，就会避免许多水灾害。
水有自己的运动规律，按照这些规律来观察和认识水，将会给人们带来很大的好处。
在过去的十几年里，世界上许多国家面临着水资源不足的危机。
为了减少用水，保护水资源，世界各国都非常重视节约用水。
全世界每年缺水约500亿立方米。
在干旱的北非、中亚和南美一些地区，每天至少损失100万人口的饮用水。
我国也面临着严峻的缺水问题。
我国人均水资源占有量仅为世界人均量的四分之一。
3。
化学分析是对实验中所得到的数据进行分析和处理，从而得出结论或者通过一定的推理，证明某种结果是否符合事实。
4。
溶液在一定条件下能够导电，且当两种液体互相接触时会发生放热现象，把这两种液体分开的方法叫做分液。
化工生产基础课件
定
义
压力管道，是指利用一定的压力，用于 输送气体或者液体的管状设备，其范围 输送气体或者液体的管状设备，其范围 规定为最高工作压力大于或者等于 0.1MPa（表压）的气体、液化气体、蒸 0.1MPa（表压）的气体、液化气体、蒸 汽介质或者可燃、易爆、有毒、有腐蚀 性、最高工作温度高于或者等于标准沸 点的液体介质，且公称直径大于25mm 点的液体介质，且公称直径大于25mm 的管道。
GB级
GB1 GB2
燃气管道
热力管道
GC1级 GC1级
符合下列条件之一的工业管道为GC1级： 符合下列条件之一的工业管道为GC1级： (1)输送GB5044《职业性接触毒物危害程度分级》 (1)输送GB5044《职业性接触毒物危害程度分级》中规定毒性 程度为极度危害介质的管道； (2)输送GB50160《石油化工企业设计防火规范》 (2)输送GB50160《石油化工企业设计防火规范》及GBJ16 《建筑设计防火规范》中规定的火灾危险性为甲、乙类可燃气体 建筑设计防火规范》 或甲类可燃液体介质且设计压力P≥4.0MPa的管道； 或甲类可燃液体介质且设计压力P≥4.0MPa的管道； (3)输送可燃流体介质、有毒流体介质，设计压力P≥4.0MPa且 (3)输送可燃流体介质、有毒流体介质，设计压力P≥4.0MPa且 设计温度≥400℃ 设计温度≥400℃的管道； (4)输送流体介质且设计压力P≥10.0MPa的管道。 (4)输送流体介质且设计压力P≥10.0MPa的管道。
8.1 压力管道 8.2 阀门 8.3 法兰
8.1 压 力 管 道
定义 分类 管道规格 钢号 管道选用标准及要求 管道顔色 提报管道材料要素
定
义
从广义上理解，所谓压力管道，应当是 指所有承受内压或外压的管道，无论其管内 介质如何。但从我国颁发《 介质如何。但从我国颁发《压力管道安全管 理与监察规定》 理与监察规定》以后，“压力管道”便成为 受监察管道的专用名词。在《 受监察管道的专用名词。在《压力管道安全 管理与监察规定》 管理与监察规定》第二条中将压力管道定义 为：“在生产、生活中使用的可能引起燃爆 或中毒等危险性较大的特种设备”。
第一章 热力学与化工设计和化工生产
活塞往复式压缩机
压缩机的特点
特点：外界供给动力（电动机、汽轮机、内燃机）使 气体压力升高。
研究压缩机我们关心
压缩功 进气温度对压缩功的影响 气体压缩前后温度如何变化
单级往复式压缩机
• 压缩过程 （1）吸气 （2) 压缩
（3）排气
（4）再吸气
气体压缩分类：一般有等温、绝热、多变三种过程， 没有余隙（理想压缩） 从压缩级数分类：单级
有余隙的压缩
多级压缩
三种压缩过程的p-V图及T-S图
WS ,绝热 WS ,多变 WS ,等温
V2,绝热 V2,多变 V2,等温
T2,绝热 T2,多变 T2,等温
实际的有余隙的压缩过程
(a) p p2
A D
(b)
(c) p1 (d)
B C
Va
Vb
Vc
Vd
V
多级压缩中间冷却
混合室
被引射流体入口
气体吸入口
多级喷射器
应用的具体实例
1. 固体烧碱减压浓缩结晶
2.乙二醇生产中的减压精馏
用热力学原理分析热气球的工作原理
（2）流体经过节流阀的节流膨胀
• 流体在管道流动时，有时流经阀门、孔板等设备，由于局部阻力，使 流体压力显著降低，这种现象称为节流现象
节流过程的特征
根据稳流过程的热力学第一定律
流体通过扩压管时与喷管正好相反，使流体速度降低， 压力增加。
喷管与扩压管
H
u
2
2
gz Q Ws
否
1 2 H u 2
是否存在轴功?
是否和环境交换热量? 通常可以忽略 位能是否变化? 否
流体通过焓值的改变来换取速度的增加或减小
化工热力学
数有关，还与物质的蒸气压及外界条件温度相关联，建立 了SRK方程。 ▪ 形式
p RT a V b V (V b)
式中的方程常数b与RK方程的相同，常数a的表达式为
关。虽然有的状态方程可以用于气、液两相，但
较多用于气相，而且准确也高，而活度系数模型 主要用于液体溶液。
（2）意义： 化工热力学解决的三大问题中，以平衡状态下 热力学性质的计算最为重要，它是解决其它问题的基础， 所以在本书中受到特别的重视，所占的篇幅较多，其理由 如下：
▪ 物性及热力学性质是化工工艺设计中不可缺少的基础数据。 化工生产要涉及大量的物质，在过程开发和化工生产中， 若对处理物料的性质不了解，则无法分析流体间物质和能 量的传递，也无法设计分离过程，更无法认识其反应过程。
▪ 超临界流体区：高于临界温度和压力的区域叫超临界流体 区。从液体到流体或从气体到流体都不存在相变化。超临 界流体既不同于液体，也不同于气体，它的密度可以接近 液体，但具有类似气体的体积可变性和传递性质，可以作 为特殊的萃取溶剂和反应介质，与此相应的开发技术有超 临界萃取和超临界反应等。
▪ P-V图上的等温线: 主要有三种, 一是高于临界温度的等 温线T1，曲线平滑，近于双曲线，即PV = 常数，符合理 想气体的状态方程；二是小于临界温度的等温线T3，被 AC和BC线截断为三部分，其中水平段表示气液两相平衡
▪ 模型：经典热力学原理必须与反映系统特征的模 型相结合，才能解决实际问题。因为它只表示了
上述两类热力学性质之间的普遍依赖关系，并不
因具体系统而异。具体系统的这种关系还要由此
化工原理一
化工原理一
化工原理是化学工程专业的基础课程之一，它主要介绍了化工领域的基本原理
和基本知识。
化工原理一是化工原理课程中的第一部分，主要涉及化工基本概念、化工热力学和化工动力学等内容。
首先，化工原理一介绍了化工的基本概念，包括化工的定义、范围、发展历史
和重要性等方面。
化工是一门综合性强、应用广泛的学科，它涉及到化学、物理、工程等多个学科的知识，是现代工业生产的重要基础。
其次，化工原理一还涉及了化工热力学的基本内容。
热力学是研究能量转化和
能量传递规律的科学，而化工热力学则是将热力学原理应用于化工领域的一个重要分支。
化工热力学主要包括热力学基本概念、热力学过程、热力学定律等内容，它为化工工程的设计、运行和优化提供了重要的理论基础。
另外，化工原理一还涉及了化工动力学的基本内容。
动力学是研究物质在化学
反应过程中的行为规律的科学，而化工动力学则是将动力学原理应用于化工领域的一个重要分支。
化工动力学主要包括反应速率、反应机理、反应动力学方程等内容，它为化工工程的反应器设计、反应过程控制和优化提供了重要的理论支持。
综上所述，化工原理一是化学工程专业学生必修的一门重要课程，它为学生打
下了化工领域的基础知识和基本理论，为他们今后的学习和工作奠定了坚实的基础。
同时，化工原理一也为学生提供了一扇了解化工领域的窗口，让他们对化工这门学科有了更深入的了解和认识。
总之，化工原理一涵盖了化工的基本概念、化工热力学和化工动力学等内容，
它对于化学工程专业学生来说具有重要的意义。
希望学生们能够认真学习化工原理一这门课程，掌握其中的基本原理和知识，为将来的学习和工作打下坚实的基础。
《化工热力学》课件
Van der Waals方程
探讨Van der Waals方程对非理想气体的描述和应 用。
二元混合物
混合物的组成
解释二元混合物的组成及其对热力学性质的 影响。
离子交换
研究离子交换对二元混合物中的离子平衡的 影响。
相平衡曲线
介绍二元混合物相平衡曲线在化工热力学中 的重要性。
活度系数
讲解混合物中的活度系数及其在化工热力学 计算中的应用。
相边界
1
液-气相边界
探索液-气相边界及其在化工过程中
固-气相边界
2
的应用。
了解固-气相边界对于固体反应和蒸
馏过程的重要性。
3
液-固相边界
研究液-固相边界对于溶解过程和晶 体生长的影响。
气体相似性定律
波伊尔斯定律
讨论波伊尔斯定律及其在气 体流动和压缩过程中的应用。
查理定律
探索查理定律对气体热膨胀 和压力变化的影响。
熵和焓
1 熵的概念
2 焓的定义
解释熵作为热力学状态函数的概念和性质。
介绍焓的定义及其在化工热力学中的应用。
3 能量转换
4 热力过程。
说明热力学第一法则与焓的关系和在化工 过程中的应用。
状态方程及其应用
状态方程的定义
理想气体状态方程
介绍状态方程在化工热力学中的基本定义和应用。 研究理想气体状态方程及其在化工过程中的应用。
《化工热力学》PPT课件
通过本课件，您将深入了解化工热力学的基本概念和应用。从熵和焓到热力 学计算和催化反应，准备好探索化学工程的热能世界吧！
化工热力学概述
1 基本原理
2 重要性
3 实际应用
介绍化工热力学的基本 原理和主要研究领域。
矿大(北京)化工热力学01第一章
ˆi
1.5 学好化工热力学的目的和方法
1.5.2 学好化工热力学的方法
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1来自5 学好化工热力学的目的和方法
巨大的中间试验（需要模型）。
1.4 化工热力学的研究方法和特点
化工热力学研究内容的“三要素”： 原理-模型-应用
状态方程EOS
模型 原理
活度系数模型γi
应用
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。
1.4 化工热力学的研究方法和特点
特点：
a. 研究体系为实际状态
过程开发、设计和生产的重要理论依据。
1.1.4 热力学的分支
⑷ 统计热力学
Statistical Thermodynamics
统计热力学是年轻的、刚刚起步的学科， 它从微观角度出发，例如采用配分函数，研究
过程的热现象。
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
b. 处理方法：以理想态为标准态加上校正
气体Z （压缩因子） 实际结果 = 理想结果 + 校正 气体φ（逸度系数） 溶液γi（活度系数）
化学热力学的方法 建立模型
1.4 化工热力学的研究方法和特点
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，
化工设计目录知识点总结
化工设计目录知识点总结
一、化工设计概述
1. 化工设计的定义和意义
2. 化工设计的发展历程
3. 化工设计的基本原则
二、化工设计的基本理论
1. 化工过程计算
2. 化工过程流程图
3. 化工设备设计
4. 化工工艺设计
5. 化工系统设计
三、化工设计的基本知识
1. 化工原理
2. 化工材料
3. 化工流体力学
4. 化工热力学
5. 化工反应工程
6. 化工传热传质
四、化工设计的基本操作
1. 化工设计的工程分析
2. 化工设计的工艺流程
3. 化工设计的设备选型
4. 化工设计的工程经济性分析
五、化工设计的相关技术
1. 化工设计的CAD技术应用
2. 化工设计的模拟仿真技术
3. 化工设计的智能化应用
4. 化工设计的信息化管理
六、化工设计的现代化发展
1. 化工设计的绿色化技术
2. 化工设计的清洁生产技术
3. 化工设计的资源综合利用技术
4. 化工设计的循环经济技术
七、化工设计的质量管理
1. 化工设计的ISO认证
2. 化工设计的质量控制
3. 化工设计的安全管理
4. 化工设计的环境保护
八、化工设计的案例分析
1. 化工设计的典型案例
2. 化工设计的成功案例
3. 化工设计的失败案例
4. 化工设计的借鉴案例
以上是关于化工设计目录知识点总结的基本内容，希望对你有所帮助。
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热力学第一定律—能量转化与守恒的定律
热力学第一定律:物质和能量是相互依存的，物质既
不能被创造也不能被消灭，那么能量也是不能创造和消 灭，这就是能量转换和守恒定律——热力学第一定律，
热力学第一定律是人们经验的总结，是不能通过证明进行确认 数学表达式： Δ（体系的能量）+Δ（环境的能量）= 0 Δ（体系的能量）= ΔU + ΔEk + ΔEp Δ（环境的能量）= -(Q+W)
热 力 学 基 本 定 律
热 力 学 基 本 概 念
热 力 学 函 数 及 关 系
流 体 p V T 关 系
逸 度 系 数 方 程
活 度 系 数 方 程
热力学的研究方 法
经典热力学 不研究物质结构，不考虑过程机理，只从宏观角度研究大量分子组成 的系统，系统达到平衡时所表现出的宏观性质。 分子热力学 从微观角度应用统计的方法，研究大量粒子群的特性，将宏观性质看 作是相应微观量的统计平均值。 应用统计力学的方法通过理论模型预测宏观性质。在化工热力学的发
（2) 在化工抽真空中的应用 （3）在节能中的应用
喷气式发动机
火箭
火箭升空
（1）在火箭和喷气式飞机中的应用
压气机 燃烧室 空气 透平 喷嘴 排气
燃料
涡轮喷气式飞机的引擎的示意图
燃料
燃烧室 喷嘴
排气
氧化剂
液体燃料火箭引擎的示意图
抽真空用水流泵和蒸汽喷射泵的原理
工作 流体 入口
喷嘴
扩压管
压出口 工作蒸汽
是否存在轴功?
是否和环境交换热量? 位能是否变化? 动能是否变化？
H Ws
气体的压缩
1.为什么要研究气体的压缩
W
V2
pdV p V
2 2
p1V1 Vdp
p1
p2
气体压缩要消耗大量的功
V1
2.为什么要对气体进行压缩？
（1）对气液反应、气固反应为了增加反应速率，必须在较高 压下进行，而有些反应要进行必须在高压才能反应。 （2）气体的输送，如天然气西气东输。 （3）气体的液化 （4）利用气体带着液体进行输送，流化床 （5）自控仪表
v H d ln p s d(1/ T ) RZ
积分
v H 和Z 为温度的弱函数
v H ＝const R Z
ln p s A
B T
在温度间隔不大时，计算结果 尚可以。仅用于小温度区间
ln p s A B T C
目前工程上常用的是Antoine （安托尼）方程
式中，A、B、C称为Antoine（安托尼）常 数，许多常用物质的安托尼常数可以从手 册中查出。 使用安托尼方程时需要注意方 程形式和每个物理量的单位。
J 0 J 0
J 0
T 0
T 0
积分节流效应
• 气体节流膨胀时，压力变化为一定值时， 所引起的温度变化称积分节流效应
TH T2 T1 J dp
p1
p2
节流过程的温度变化
节流过程压力下 降 dp 0
若 T 若 若
V V 0 T p
V T V 0 T p
H 1 2 u gz Q Ws 2
因节流过程进行得很快，可以认为是绝热的 ，
即
Q0
W ，该过程不对外作功， S 0 ，故节流膨胀属绝热而
不作功的膨胀。
• 可见，节流前后流体的焓值不变，这是节流过程的重要特征
H1 H 2
节流以后的温度压力怎么变呢？
等焓 线 等压线
饱和 液相 等干度线 线
活塞往复式压缩机
压缩机的特点
特点：外界供给动力（电动机、汽轮机、内燃机）使 气体压力升高。
研究压缩机我们关心
压缩功 进气温度对压缩功的影响 气体压缩前后温度如何变化
单级往复式压缩机
• 压缩过程 （1）吸气 （2) 压缩
（3）排气
（4）再吸气
气体压缩分类：一般有等温、绝热、多变三种过程， 没有余隙（理想压缩） 从压缩级数分类：单级
混合室
被引射流体入口
气体吸入口
多级喷射器ຫໍສະໝຸດ 应用的具体实例1. 固体烧碱减压浓缩结晶
2.乙二醇生产中的减压精馏
用热力学原理分析热气球的工作原理
（2）流体经过节流阀的节流膨胀
• 流体在管道流动时，有时流经阀门、孔板等设备，由于局部阻力，使 流体压力显著降低，这种现象称为节流现象
节流过程的特征
根据稳流过程的热力学第一定律
有余隙的压缩
多级压缩
三种压缩过程的p-V图及T-S图
WS ,绝热 WS ,多变 WS ,等温
V2,绝热 V2,多变 V2,等温
T2,绝热 T2,多变 T2,等温
实际的有余隙的压缩过程
(a) p p2
A D
(b)
(c) p1 (d)
B C
Va
Vb
Vc
Vd
V
多级压缩中间冷却
U Ek E p Q W
封闭体系的能量平衡方程
封闭系统的概念：与环境之间只有能量交换而无 物质交换的系统
没有物质交换，就没有物质流动，因此，就没有 动能，也没有势能的变化
U Q W
内能U 是通过热力学第一定律引出的一个热力学性质
稳流系统的热力学第一定律及其应用 u 2 H gz Q Ws
第一章
热力学与化工设计及 化工生产
热力学的框架——热力学基本定 律
热力学第一定律——能量守恒定律
热力学第二定律——熵增原理
1854年他正式命名了热力学第二定律。
1850年Clausis（克劳修斯）证明了热机效率，并指出热不能自动（无代价地
热力学第三定律
1913年Nernst补充了关于绝对零度的定律，称为热力学第三定律
气体压缩设备——压缩机的分类
• 广义上讲，反能升高气体压力的设备均可称为压缩机 实际上根据压缩比r=P2/P1的数值把压缩机分为三类： r＝1.0——1.1 通风机 r＝1.1——4.0 鼓风机 r>4.0 压缩机（狭义） 按体积的变化情况：容积型和速度型 容积式压缩机——是将一定量的连续气流限制于一个封闭的空间里，使压力升高。 包括：往复式压缩机，回转式压缩机 ，滑片式压缩机 ，罗茨双转子式压 缩机，螺杆压缩机 速度型压缩机——是回转式连续气流压缩机，在其中高速旋转的叶片使通过它的气体加 速，从而将速度能转为压力 。 包括：离心式压缩机 ，轴流式压缩机 按运动方式：往复式 和回转式
物流体系热力学第一定律的应用
1 流体流经换热器、反应 器
H 1 2 u gz Q Ws 2
动能和势能的变化与焓变相比可用忽 略
1 2 u 0 2
gz 0
稳流系统热力学第一定律可化简为：
H Q
热管
热管的工作原理
热管技术在解决“神六”等飞船迎阳和 背阳材料温差、青藏高原铁路冻土路基 稳定和我们日常使用的笔记本电脑的散 热等问题上都采用了“热管”技术。
流体通过扩压管时与喷管正好相反，使流体速度降低， 压力增加。
喷管与扩压管
H
u
2
2
gz Q Ws
否
1 2 H u 2
是否存在轴功?
是否和环境交换热量? 通常可以忽略 位能是否变化? 否
流体通过焓值的改变来换取速度的增加或减小
喷管和扩压管在实际中的应用
（1）在航天和喷气式飞机中的应用
热力学第零定律
1931年Fouler补充了关于温度定义的定律
热力学基本定律在不同领域的具体应 用 ——热力学的不同分支
一般热力学原理在动力工程领域的应用
工程热力学
热力学基本定律，在蒸汽动力循环、燃气动力循环、喷管、压缩机、冷冻 机等过程的能量转换规律 热力学与化学反应相结合
化学热力学
在热力学内容中补充化学反应的内容，给出了反应热和反应平衡常数的计 算方法，同时又增加了溶液热力学的内容。 热力学与化学工程相结合
• 利用热力学关系式
H p V V T T p T
H Cp T p
H V T V p T p T T J p Cp H p T p
化工热力学
它既包括工程热力的内容即能量的利用问题，又强调了体系中组成变化的 规律，从而来解决各种相平衡问题，即各相组成分布的规律。
化工热力学主要内 容
热力学基本原理和理论
不考虑组成的 考虑组成的
热力学应用
能 量 应 用 流 动 体 系 能 量 计 算 压 缩 冷 冻 过 程 能 量 分 析 组 成 关 系 应 用 化 学 反 应 平 衡 相 平 衡
热管长7米，是一种碳素无缝钢管，5米埋入地下，地面露出 2米。里面灌装有液态氨，通过液态氨，让它保持冷冻状态 不松软；通过露出地面管径外表的“翅片”，把蕴含在地表 土层中的热量散发到空气中。
2 流体流经泵和压缩机（流体的压缩）
H
u
2
2
gz Q Ws
有!
通常可以忽略 不变化或者可以忽略 通常可以忽略
C
T
固 固 液
液
等容 线 气－液
固－气
S
三相线
饱和 气相 线
节流效应或Joule-Thomson效应
• 节流时的温度变化称为节流效应或Joule-Thomson效应。节流中 温度随压力的变化率称为微分节流效应系数或Joule-Thomson效 应系数，即 T J p H
MR=M-M*=实际的-理想气体
i ME=M-Mid=实际的-理想混合物
i
ˆ
修正项：Z，MR，ME