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化工热力学应用及研究前沿化工热力学ChemicalThermodynamics1979~2003年北极冰帽的演变100年间阿尔卑斯山的冰川萎缩情况新疆乌鲁木齐河源1号冰川在1962-1980年退缩了80m1980-1992年又退缩了60m近30年来,青藏高原的冰川正以年均7%以上的速度萎缩2005年的卡特里娜飓风及其对美国新奥尔良市的影响死亡1600余人,财产损失金额在250亿至1000亿美元之间。2008年“古斯塔夫”再次袭击美国新奥尔良市,引起全球关注。2005年第13号台风“泰利”造成浙江、安徽、福建、江西、河南、湖北等6省1930.1万人受灾,死亡124人,失踪31人,紧急转移安置灾民183.6万人;倒塌房屋9.7万间,损坏27.7万间;农作物受灾面积126.1万公顷,绝收26.2万公顷;直接经济损失154.2亿元2015年7月7~15日,三台闹海。莲花灿鸿浪卡气象灾害•2006年第1号台风对广东造成重大灾害•2006年四川重庆地区持续高温干旱,最高温度达44C以上•2006年9月初内蒙古东部遭罕见秋季大雪袭击,牲畜被大雪压死、冻死•2008年1月~2月,中国南方发生大面积雪灾,损失惨重•2008年4月,第1号台风袭击海南省•2008年5月,缅甸遭遇强热带风暴袭击,死亡人数难以计数•2009年8月8日,台湾遭遇莫拉克台风灾害,损失惨重,多个村庄遭埋8月8日8月9日8月10日8月11日2013年7月中旬以后我国南方大范围高温天气,持续时间和最高气温均打破有气象记录以来的记录。南方六省局地气温40~42℃!气象灾害因北极冰川融化找不到食物而饿死的北极熊全球十年地表平均温度变化全球暴雨暴雪增加趋势近30年美国应对极端天气救灾支出安徽高温少雨旱情蔓延10.7亿元被“蒸发”极端天气等引起的损失不断扩大气象灾害2007年初发表的第四次气候变化评估报告指出,气候变暖已经是“毫无争议”的事实,人类活动“很可能”是导致气候变暖的主要原因。“很可能”表示90%以上的可能性。政府间气候变化专门委员会(IPCC)主要国家的CO2排放80%以上的CO2由化石燃料燃烧产生;其中钢铁、水泥和火电厂是主要排放源。自然界中碳的循环和100多年来大气中CO2浓度的变化与气温变化的关系370ppm历史长河中大气CO2浓度与气温变化的关系14.61℃12.39℃严峻的CO2减排形势如果要使大气中的CO2浓度稳定在450ppmv,则在2050年时必须在目前的排放水平下降低50~60%的排放量,至2100年降低80%。气候变化已成为全球政治和经济问题1992年9月,巴西里约热内卢,《联合国气候变化纲要公约》1997年12月,日本京都,《京都议定书》2007年12月,印尼巴厘岛,巴厘岛路线图2015年12月,巴黎,巴黎协定围绕气候问题的分歧、博弈、挑战2009年12月7日~12月18日,联合国哥本哈根气候变化大会核心分歧:减排目标与资金援助超级博弈:发达国家转嫁历史责任与发展中国家争取发展空间巨大挑战:绿色挑战与机遇并存11月25日美国:减排17%;11月26日中国:下降40%至45%;12月03日印度:下降20%至25%。乘“气候快车”去开气候大会减排目标:单位GDP碳排放,2020年比2005年:(a)把全球平均气温升幅控制在工业化前水平以上低于2°C之内,并努力将气温升幅限制在工业化前水平以上1.5°C之内,同时认识到这将大大减少气候变化的风险和影响(b)提高适应气候变化不利影响的能力并以不威胁粮食生产的方式增强气候抗御力和温室气体低排放发展(c)使资金流动符合温室气体低排放和气候适应型发展的路径围绕气候问题的分歧、博弈、挑战2015年12月12日,巴黎气候变化大会通过《巴黎协定》2016年9月3日,中国全国人大常委会批准中国加入《巴黎气候变化协定》,成为第23个完成批准协定的缔约方2017年6月1日,美国总统唐纳德·特朗普在华盛顿宣布,美国将退出应对全球气候变化的《巴黎协定》气候变化问题的核心——能源追根朔源,温室气体排放引起的全球气候变化的根源在于人类活动的加强和生活水平的提高对能源和各种物质的需求越来越大,而目前所使用的能源大部分来源于媒、石油、天然气等不可再生的化石燃料的燃烧以及加工。解决之道:1、开发可再生能源(绿色能源)2、提高能源利用效率,包括能源转换和终端使用效率3、工艺开发与改进、节能降耗减排技术开发请举例说明生活中热力学的应用实例生活实例热能源高效利用和过程开发理论基础——热力学为了提高热机效率和热能转化而诞生的科学汤姆生1753-1814炮膛钻孔功热转换卡诺1796-1832热机卡诺定理焦耳1818-1889热功当量亥姆霍兹1821-1894能量守恒原理迈尔1814-1878热功转换原理克拉佩龙1799-1864汽液平衡克拉佩龙方程克劳修斯1822-1888熵概念开尔文1824-1907热功转换需要代价麦克斯韦1831-1879统计方法玻尔兹曼1844-1906熵/热力学几率吉布斯1839-1903热力学势化学热力学能斯特1864-1941低温普拉克1858-1947熵为零能源高效利用和过程开发理论基础——热力学为了提高热机效率和热能转化而诞生的科学J.M.PrausnitzJ.GmehlingG.Sadowski韩世钧朱自强胡英李以圭郭天民马沛生汪文川时钧侯虞钧陆九芳刘洪来张锁江陆小华张香平徐南平仲崇立混乱是自发的,恢复次序是有条件和需要代价的。所得少于所当得,所费多于所当费,都是浪费热力学第一定律:能量守恒热力学第二定律:功可以全部转换为热,但热不能全部转换为功(不可能造出永动机)热力学第三定律:绝对零度不能达到=1-T2/T1为了提高热机效率和热能转化而诞生的科学能源高效利用和过程开发理论基础——热力学化工热力学的两大应用领域过程分析——能量的合理利用原料原料提纯反应产物纯化产品去除有害反应物副产物未反应的反应物循环使用IIIIII在化工生产的第I步和第III步都涉及分离操作,如精溜、吸收、萃取等,在一个典型的化工厂,分离设备的投资约占总投资的40-80%,甚至达到90%以上。相平衡热力学——分离过程的选择和设计物理化学分离工程产品工程化工工艺过程优化化工热力学基本原理工程应用将物理化学基本原理应用于具体的化工过程和物系,提供物质结构与性能的关系,为专业课程的学习打下基础化工热力学是应用性科学,以解决实际问题为目标。化工热力学的核心作用化工热力学的核心作用化工过程分析(物料和热量衡算、熵或[火用]分析);分离过程的相平衡计算;反应过程的化学平衡计算;工程应用普遍规律热力学基本方程;热力学函数间关系;相平衡热力学;…物质特性pVT关系;状态方程;热化学性质;热化学性质模型;相平衡规律;活度因子模型;核心内容实验测定;计算机模拟;统计力学推导;经验半经验估算;理论基础GlobalInformationSystemsinScience:ApplicationtotheFieldofThermodynamicsbyThermophysicalPropertiesDivision,NationalInstituteofStandardsandTechnology,USAJCED,2009,54,2411复杂材料结构与性能关系;生命现象的热力学基础;新能源开发的热力学基础;环境修复的热力学基础;学术前沿化工热力学的主要研究内容和方法液固平衡相图气(汽)液平衡相图液液平衡相图定量化、模型化是化工热力学的灵魂普遍规律与物质特性相结合是化工热力学解决实际问题的基本手段TTTpxTpxTp),(),(KixpTxpTii,,1),,(),,(nTVAp,][,,ijnVTiinA相平衡热力学QkTAlnkTrQijij2/)(exp统计力学经验、半经验状态方程或活度系数模型经验、半经验配分函数模型化学工程学科的新进展0.Pre-paradigm-engineerswithnoformaleducationDescriptivetreatmentofspecificprocesses(potash,sulfuricacid,soap)1.Thefirstparadigm-UnitOperations,1923Processesbrokenintocommon,standardunitssuchasheatexchange,distillation,crystallization,etc.2.Thesecondparadigm-TransportPhenomena,1960Unifiedmathematicaltreatmentofmomentum,heatandmasstransfer3.Thethirdparadigm-ProductDesign?(Wei,Cussler)MolecularEngineering?ProductdesignrequiresconsiderationofspecificmaterialspropertiesFromtheUnitoperationconceptuptoM2P2EMolecular,Materials,ProcessandProductengineering分子、材料、过程和产品工程a)conservationequations(mass,energy,momentum,electriccharge)b)equilibriumlawsattheinterface(s)c)constitutivelawsd)kineticlawsofheat/masstransferandreactione)initialandboundaryconditionsf)optimizationcriterionFromrawmaterialstoproductsinvolvingreactionsandseparationsProcessEngineering大宗化学品的生产分子产品除了复杂的多相流系统,大部分过程工业已经可以进行大规模的计算机模拟。多相系统的难点在于复杂的界面现象及其与传递和反应的耦合作用机理尚未完全掌握。结构化产品的设计与制造需求概念选择制造产品工程结构化产品不单产品的化学组成及其分子结构重要,许多时候,其聚集态结构更为重要。产品工程的核心结构与性能的关系,以及结构的形成、演变和调控方法。多样化产品制造的特点(1)生物制药、功能材料、电子材料、纳米材料、催化剂、试剂等的生产,品种繁多,附加价值高,更贴近最终用户。对产品质量及性能要求变动很大。(2)规模小,往往是批式生产,非稳态操作。(3)不单产品的化学组成重要,许多时候,其介观结构更为重要。(4)有些原来是大规模生产,为减少有害化学品的储存和运输,也要发展分散的小规模的生产。多样化产品制造涉及的关键技术(1)利用量子力学和统计力学理论以及计算机技术,进行具有一定介观结构产品的设计,并预测其性能。(2)利用组合化学方法,快速进行筛选,得到目标产品。(5)采用高新技术,如不对称催化、模板导向合成、自组装等,进行生产。(3)发展综合化小型化的生产流程。(4)在非稳态生产过程模拟基础上进行设计。产品配方(添加剂等)分子结构聚集状态分相结构分子产品的性能结构化产品的性能化学制备产品结构过程控制(剪切等)分子层次分子以上层次介观层次过程(制备)机理研究结构与性能的关系产品结构的调控产品性能化学工程核心原理的重组分子概念+多尺度描述+系统分析与合成化学工程的理论已从“单元操作”、“三传一反”向“多尺度时空结构和复杂系统”的方向过渡。例:物质转化的多层次多尺度特征多尺度多层次电荷轨道晶格自旋微尺度电子/原子化学与化学工程的融合,它们共同构成了化学科学基础化学研究正以前所未有的程度与化学工程相互重叠和渗透。化学是由下而上的粗粒化和预测;化学工程是由上而下的离散化和控制,在介观层次相遇,互相借鉴,对化学
本文标题:化工热力学前沿及SWCF-VR EOS(讲座)
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