El efecto de la termodinámica química en la producción

. Ejemplos de paso de la vida a la producción en termodinámica química 3 Feng Xin, Lu Xiaohua, Ji Yuanhui, Qian Hongliang (Laboratorio Estatal Clave de Materiales e Ingeniería Química, Universidad Tecnológica de Nanjing, Nanjing, Jiangsu 210009) [Resumen] Ejemplos vívidos son los cambios A buen antídoto para la situación aburrida y abstracta de la termodinámica química. Este artículo enumera múltiples ejemplos de "de la vida a la producción" que están estrechamente relacionados con los principios de la termodinámica, con el fin de estimular el interés de los estudiantes y hacerles darse cuenta del encanto de la termodinámica química. [Palabras clave] Termodinámica de ingeniería química; ejemplos; propiedades molares parciales; ahorro de energía y reducción de emisiones. Se enumeran ejemplos prácticos de termodinámica de ingeniería química que estimulan los intereses de los estudiantes y les ayudan a darse cuenta del carisma de la termodinámica de ingeniería química. s: Termodinámica de ingeniería química; Ejemplos prácticos; propiedad pVT; propiedad molar parcial; ahorro de energía y reducción de descargas Como todos sabemos, la termodinámica química es la esencia de la ingeniería química. Sin embargo, este curso es aburrido y difícil de aprender, y muchos estudiantes a menudo se sienten intimidados por conceptos abstractos y fórmulas numerosas y engorrosas. [122] La comprensión es una etapa esencial hacia el verdadero conocimiento. [2] El autor cree que los ejemplos vívidos son la mejor medicina para cambiar esta situación. Teniendo en cuenta que los estudiantes no tienen una comprensión perceptiva de la producción, la enseñanza del curso debe utilizar ejemplos de "pasar de la vida a la producción" tanto como sea posible y diseñarlos cuidadosamente. No es fácil compilar ejemplos nuevos, lo que también es la mayor preocupación de los profesores de primera línea. Este artículo está dispuesto a compartir con usted varios ejemplos escritos y recopilados por el autor. Quizás no sean lo suficientemente maduros y precisos, pero se espera que sirvan como punto de partida. Espero que más profesores se unan a este equipo para que más personas puedan hacerlo. * **Disfruta de su sabiduría y logros. 1. Propiedades pVT de los fluidos La temperatura crítica Tc es uno de los conceptos básicos más importantes y comunes de la seguridad de procesos. Por lo tanto, el autor siempre se centra en este punto de conocimiento al diseñar ejemplos de pVT. Ejemplo 1 La relación entre el comportamiento pVT y la selección de los componentes del gas licuado El gas licuado es un combustible gaseoso ideal. El requisito del gas licuado doméstico es que se vuelva líquido después de ser presurizado y almacenado en un cilindro de alta presión. Se vaporiza después de abrir la válvula reductora de presión para la combustión. Actualmente hay seis sustancias que se muestran en la Tabla 1 como componentes de gas candidatos para gas licuado. (1) Seleccione de 2 a 4 componentes de gas licuado de acuerdo con los requisitos para el almacenamiento y uso de gas licuado. (2) Explique el siguiente fenómeno: En invierno, a veces todavía hay mucho líquido en el cilindro pero no se puede encender.

Tabla 1 Tc, pc y punto de ebullición normal Tb de varios gases [3] Sustancia Tc, ℃pc, atmTb, ℃ valor de combustión, kJ/g Metano-82.5545.36-161.4555.6 Etano 32.1848.08-88.6552.0 Propano 96.5941 .98-42.1550.5 n-butano 151.937.43-0.549.6 n-pentano 196.4633.3236.0549.1 n-hexano 234.4 29.80 68.75 48.4 Solución: (1) Seleccione el rango de componentes Tc y pc según el clima licuado a dibuje un diagrama p2T, consulte la Figura 1. Figura 1 Diagrama p2T de componentes seleccionados del clima licuado en el Ejemplo 1 Suponga que la temperatura ambiente de la cocina es de 10 a 40 °C y la presión es de 1 atm. Como se puede ver en la Figura 1, el metano siempre es un gas a temperatura ambiente. Si la temperatura del metano no se reduce a Tc, que es inferior a -82,55 °C, no se puede licuar por muy alta que se aplique la presión. el metano no es adecuado como componente del gas licuado; la Tc del etano es de 32,18°C. Una vez que supere los 32,18°C en verano, el aumento de presión provocará una explosión. Por lo tanto, el etano no es adecuado como componente del gas licuado. El gas n-hexano es un líquido a temperatura ambiente, no requiere compresión, pero su punto de ebullición normal Tb es de 68,75 °C, no importa en primavera, verano, otoño o invierno, no se vaporizará cuando se cierre la válvula reductora de presión. abierto: no es adecuado; el n-pentano puede licuarse a temperatura ambiente, pero no puede hacerlo en la mayoría de las estaciones. Vaporización: no es adecuado, por lo tanto, solo el propano y el n-butano califican. (2) La mayoría del gas licuado contendrá una pequeña cantidad de componentes C5 y C6, como el pentano. En invierno, la temperatura ambiente es baja y los alcanos superiores, como el pentano, no se pueden vaporizar, lo que da como resultado la producción de líquido residual. Ejemplo 2 La relación entre el comportamiento del pVT y el gas natural comprimido, un nuevo combustible para automóviles A medida que el precio de la gasolina sigue aumentando, el gas natural, que es económico y respetuoso con el medio ambiente, se ha convertido cada vez más en un nuevo combustible para los motores de los automóviles. y los taxis están cambiando al gas natural (el componente principal es el metano). Para permitir que una unidad de gas viaje distancias más largas, las estaciones de servicio de gas natural deben comprimir y llenar el gas natural a 0,2 MPa y 10 °C transportado por tuberías a tanques de almacenamiento de gas para producir gas natural comprimido. La presión es de 20 MPa. al compresor El efecto refrigerante es peor en verano, por lo que la temperatura del gas es de 15°C en invierno y 45°C en verano. Se sabe que el volumen del tanque de almacenamiento de gas es de 70 litros y que cada kg de metano puede viajar 17 kilómetros. Pregunta: (1) Si 20 MPa, el gas natural comprimido a 15 ℃ se considera un gas ideal, en comparación con la ecuación RK de. Estado, el valor calculado de un tanque de gas natural comprimido ¿El kilometraje de conducción es mayor o menor? ¿Cuántos kilómetros es la diferencia (calculado en invierno)? Me gustaría preguntar: ¿Se puede considerar el gas natural comprimido en este momento como un gas ideal? (2) Si el gas natural a 0,2 MPa y 10 ℃ transportado por el gasoducto se carga directamente en el tanque de almacenamiento de gas sin compresión, ¿cuántos ¿Cuántos kilómetros puede recorrer un tanque de gas natural? (3) Para recorrer un mayor kilometraje, ¿es posible convertir el gas natural comprimido en gas natural licuado aumentando la presión cuando las demás condiciones permanecen sin cambios? 4) Según el taxista, " "Para el mismo tanque de gas natural comprimido, el kilometraje en verano es más corto que en invierno". ¿Por qué? Por favor, explique el motivo y calcule cuánto más costará en verano que en invierno. ¿Conducir 300 kilómetros por día? (Un tanque de gas natural comprimido cuesta aproximadamente 50 yuanes. Los datos necesarios los puede asumir usted mismo). Solución: (1)① De la ecuación de estado del gas ideal, V= RT p=1.198×10-4m3?mol-1; n=V total V =584.31mol kilometraje S ideal=584.31×16×10-3×; 17=158.93km ② Según la ecuación RK, V=0.0000980m3?mol-1 n=V total V =714.29mol El kilometraje es: SRK=714.29×16×10-3×17=194.29km VS=SRK-S ideal = 194,29-158,93 = 35,36 km Se puede observar que el gas natural comprimido a una presión tan alta no puede considerarse un gas ideal.

(2) Utilice la ecuación RK para calcular: 3 4 Ejemplos de termodinámica de ingeniería química desde la vida hasta la producción V=0,0192909m3?mol-1; n= VTotal V =3,63molS=3,63×16×10 -3 × 17=0,987 kilómetros; Se puede ver que, como combustible para vehículos, el gas natural transportado por tuberías debe comprimirse mediante un compresor para convertirse en gas natural a alta presión para que tenga importancia práctica. (3)No. Porque "todas las demás condiciones permanecen sin cambios" significa que la temperatura también permanece sin cambios. En el ejemplo 1, podemos ver que cuando la temperatura es de alrededor de 10 °C y mayor que Tc, no se puede licuar sin importar cuánta presión se aplique. Por lo tanto, sólo es necesario bajar su temperatura por debajo de -82,55°C y luego presurizarlo. Teóricamente, cuando la temperatura desciende a -82,55 °C, es posible licuar bajo presión, pero la presión es extremadamente alta a 4,60 MPa. Según la relación p2V2T del fluido, cuanto menor es la temperatura, menor es la presión requerida. Por lo tanto, de hecho, la temperatura del gas natural licuado generalmente cae a -162°C, puede convertirse en líquido bajo presión normal. (4) ① Se puede ver en (1) que cuando la temperatura del gas es de 15 °C en invierno, cada tanque de gas natural comprimido recorre 194,29 kilómetros, por lo que el costo por kilómetro es 50194,29 = 0,257 yuanes ② El mismo método es; Se utiliza para calcular el coste por kilómetro cuando la temperatura del gas es de 45°C en verano 50 163,94 = 0,305 yuanes. Por lo tanto, si recorre 300 kilómetros por día, gastará más dinero en verano que en invierno: 300 × (0,305-. 0,257) = 14,4 yuanes/día; te costará 1.300 yuanes más en un trimestre. Esto se debe a que V∝T. Cuando la temperatura aumenta en verano, el volumen molar V del gas aumenta. Dado que el volumen total del tanque de almacenamiento de gas es constante, el número de moles de gas natural comprimido n=Vtotal/V se vuelve menor. Se reduce el kilometraje recorrido. Por tanto, el kilometraje del mismo depósito de gasolina en verano es menor que en invierno. Ejemplo 3 La presión en una llanta de automóvil está relacionada con la temperatura del aire dentro de la llanta. Cuando la temperatura del aire dentro del neumático es de 25 °C, el manómetro muestra 210 kPa. Si el volumen del neumático es de 0,025 m3, cuando el aire del neumático aumenta a 50 °C en verano, ¿qué debe mostrar el manómetro? Para un uso seguro del neumático, es necesario restablecer el neumático a su presión original. ¿Cuánto aire debe liberarse del neumático en este momento? Suponga que la presión atmosférica es de 100 kPa y la composición del aire es 21 wtO2; [4] Por favor proporcione ideas para resolver el problema. Solución: La idea de resolver el problema se muestra en la Figura 2. Cabe señalar que: el manómetro muestra 210 kPa, entonces la presión real debe ser 210 100 (presión atmosférica local) = 310 kPa Figura 2 Ejemplo 3 Ideas para resolver problemas 44 Ejemplos de termodinámica química desde la vida hasta la producción Respuesta: (1) 25 ℃, V1=0,0079854m3?mol-1; n1 =0,025/0,0079854=3,13mol (2) Cuando el aire del neumático aumenta a 50 ℃ en verano, el manómetro debe mostrar 336,15-100=236,15 kPa. (3) 50 ℃, V3 = 0,00866 m3?mol-1; n3 = 0,025/0,00866 = 2,887 mol, por lo que se liberan 3,13-2,887 = 0,243 mol de aire. 2. Propiedad molar parcial La propiedad molar parcial es un concepto relativamente abstracto y es difícil dar ejemplos. Los dos ejemplos siguientes utilizan interacciones entre personas como metáforas. Ejemplo 4 La autoridad en termodinámica más famosa del mundo actual, ganador del Premio Presidencial de Estados Unidos, académico de las tres academias de Estados Unidos y profesor J.M. Prausnitz del Departamento de Ingeniería Química de la Universidad de California, Berkeley, lo describió de esta manera: [5] La fuerza entre moléculas suele ser muy especial. En este caso, lamentablemente es imposible predecir, ni siquiera aproximadamente, las propiedades de la mezcla a partir de las propiedades de los componentes puros. Esto no sorprende si consideramos la siguiente analogía descabellada. Supongamos que un sociólogo en Rusia estudia cuidadosamente el comportamiento de los rusos y aprende todo sobre ellos después de observarlos durante varios años. Luego fue a China y realizó un estudio igualmente exhaustivo sobre los chinos. Entonces, con este conocimiento, ¿podría predecir el comportamiento de una sociedad formada por una mezcla arbitraria de rusos y chinos? Probablemente imposible.

Esta analogía es muy extrema, pero nos recuerda que las moléculas no son partículas inertes que se mueven ciegamente por el espacio, sino individuos complejos cuya "personalidad" es sensible a su entorno. Ejemplo 5 Hay un dicho en China: "¡Los hombres y las mujeres trabajan juntos sin cansarse!". Los niños y las niñas interactuarán entre sí, y su comportamiento cuando están solos no se puede utilizar para describir el comportamiento de los niños y las niñas juntos. es, "El poder de niños y niñas juntos ≠ Poder de niño, poder de niña". 3. Ley de Henry Ejemplo 6 Reacción alpina y ley de Henry Dado que la presión en la montaña es muy pequeña, la presión parcial del oxígeno en la atmósfera pO2=p?yO2 en el aire (1) y el oxígeno disuelto en la sangre es: pO2 =kO2xO2 en la sangre (2) De la ecuación (1), debido a que la proporción de oxígeno en la atmósfera permanece constante, y O2 en el aire es =21wt. Por lo tanto, cuando la presión total sobre la montaña se vuelve menor (a una altitud de 3000 metros, p = 0,701 × 105 Pa), la pO2 se reduce a partir de la ecuación (2), cuando la pO2 se reduce, el O2 en la sangre se reduce y el cerebro sufre mal de altura debido a la falta de oxígeno. Ejemplo 7 Cámara de oxígeno hiperbárico y ley de Henry La terapia con oxígeno hiperbárico es un método de tratamiento en el que se coloca al paciente en una cámara de tratamiento por encima de 1,4 atm e inhala intermitentemente oxígeno de 100% en peso. El principio es el mismo que en el ejemplo 6. Por un lado, la presión total p aumenta y, por otro lado, el O2 en el aire y aumenta. Ambos aumentan pO2. Según la fórmula (2), el O2 en x sangre aumenta con el aumento de pO2 en la cámara de oxígeno hiperbárico, aumentando 7221 veces, de modo que el tejido cerebral está completamente oxigenado. El ejemplo 8 utiliza la Tabla 2 para explicar: El aire es más barato y no tóxico que el CO2, entonces, ¿por qué no puede usarse para producir refrescos y champán espumoso? [6] Tabla 2 Constantes de Henry de varios gases disueltos en agua a 25 °C. [6] Gases H/bar gas H/bar gas H/bar acetileno 1350 etano 30600 sulfuro de hidrógeno 550 aire 72950 etileno 11550 metano 41850 dióxido de carbono 1670 helio 126600 nitrógeno 87650 monóxido de carbono 5400 hidrógeno 71600 oxígeno 44380 Solución: Debido a la constante de Henry del aire es mayor que el CO2, entonces la solubilidad en champán o sprite es menor y se forman menos burbujas, por lo que no es adecuado para hacer refrescos y champán espumoso. 4. Ejemplo 9 de ahorro de energía y reducción de emisiones La planta química Chongqing Changfeng ha sufrido pérdidas durante 15 años consecutivos. Se basó en la innovación tecnológica para obtener una ganancia de 20 millones de yuanes en medio año, logrando un salto cualitativo de enormes pérdidas a enormes ganancias. [7] Solución: Clasificar el calor de la reacción química y el calor residual del proceso en todos los procesos de producción de toda la fábrica. El proceso de producción de calor y el proceso de consumo de calor de cada dispositivo de producción están vinculados e integrados, y los procesos de producción y consumo de calor de diferentes dispositivos están integrados en todos los dispositivos, de modo que las partes de la oferta y la demanda de energía térmica no solo sean consistentes en cantidad, sino también en calidad. Intentar intercambiar el calor residual de baja calidad por energía de mayor calidad. Sin la caldera de carbón, la planta ahorra 10 millones de yuanes en costos de carbón cada año. Ejemplo 10 La utilización de energía fría del gas natural licuado se ha convertido en un proyecto candente de economía circular. El gas natural licuado (GNL) tiene las características de alto poder calorífico y baja contaminación. Durante su uso, se debe consumir una gran cantidad de energía térmica para convertirlo en gas natural a temperatura normal. El enfoque habitual es utilizar agua de mar como fuente de calor. Si la temperatura del agua de mar devuelta se reduce en 5°C, se necesitarán aproximadamente 120 millones de m3 de agua de mar para absorber energía fría y gasificar 3 millones de toneladas de GNL al año. Si su energía fría se utiliza para construir una unidad de separación de aire de 30.000 m3/h, puede producir 286.000 toneladas de gas y oxígeno al año, alcanzando un valor de producción de más de 200 millones de yuanes. En comparación con la unidad de separación de aire tradicional que produce productos líquidos, este dispositivo puede ahorrar entre un 50% y un 60% de electricidad y entre un 70% y un 90% de agua debido a la recuperación y utilización efectiva de la energía fría en el GNL (continúa en la página 66) 5 4. Termodinámica Química Se debe romper la situación de comunicación y coordinación entre instancias desde la vida hasta la producción. El establecimiento de un mecanismo de gestión y un mecanismo de coordinación dirigido al proceso es una máxima prioridad para lograr la gestión del proceso. (4) Mejorar el sistema de forma frecuente y sostenible La "mejora" no es una tarea que se haga de una vez por todas. Los cambios en el entorno nos exigen mejorar continuamente los procesos de trabajo existentes.

No debemos pensar que "hasta ahora hemos logrado la optimización del proceso de trabajo, y el estado actual puede aliviarse en un cierto período de tiempo y puede resistir la prueba". Porque este tipo de pensamiento solo nos aflojará, por lo tanto. relajarse y descubrir el proceso de trabajo. Estar alerta ante posibles problemas. La mejora del proceso siempre debe mantenerse en progreso, de modo que nuestro sistema probablemente se encuentre en un estado eficiente. (Editor de copia: Wu Wenshui) Referencias: [1] Wang Yingluo. Ingeniería industrial [M]. Machinery Industry Press, 1996.5 [2] Liu Guangdi [M]. [3] James W. Walker. Estrategia de recursos humanos [M]. Beijing: Renmin University of China Press, 2001.4. [4] Fan Xi'an: Shaanxi People's Publishing House, 2001.8. ] Zhao Tao. Descubriendo Deming [M]. Beijing: Beijing University of Technology Press, 2002.6 (Viene de la página 45) Reducir simultáneamente la contaminación por frío del medio marino. Además, la energía fría del GNL se utiliza para desarrollar la economía circular y ampliar los recursos turísticos. Por ejemplo, el proyecto "Ice and Snow World" consiste en transferir la energía fría en el proceso de gasificación de GNL a la estación de intercambio de calor Ice and Snow World a través del refrigerante, y utilizar las cascadas de energía fría en diferentes áreas funcionales del Ice and Snow World. Tourism World proporcionará estaciones de esquí y pistas de patinaje, hoteles y otras cascadas que proporcionarán energía fría para lograr una utilización integral de la energía fría del GNL. Esto no sólo permite a los ciudadanos disfrutar del patinaje sobre nieve en verano, sino que también controla eficazmente el daño medioambiental causado por grandes cantidades de energía fría. 5. Refrigeración y calefacción Ejemplo 11 La tecnología hot rod resuelve el problema del suelo congelado en el ferrocarril Qinghai-Tíbet. De los 1.110 kilómetros de nuevas líneas construidas por el ferrocarril Qinghai-Tíbet, 550 kilómetros pasan por tramos de permafrost. El suelo congelado es un medio de suelo extremadamente sensible a la temperatura. En invierno, el volumen de suelo congelado se expande violentamente a medida que la temperatura disminuye en condiciones de temperatura negativas, empujando hacia arriba la capa superior de la carretera y el pavimento; en verano, el suelo congelado se derrite a medida que aumenta la temperatura y el volumen se contrae, lo que hace que la capa de la carretera se asiente; Este ciclo Los cambios sexuales pueden conducir fácilmente al colapso, hundimiento, deformación y agrietamiento de las calzadas y pavimentos. La tecnología hot rod, que ahora se instala cada 15 metros, soluciona el problema del suelo helado. El hot rod (también llamado tubo de calor por gravedad sin núcleo, termosifón) es un dispositivo de conducción de calor de alta eficiencia, de 7 metros de largo, 5 metros debajo de la carretera y 2 metros sobre el suelo. Todo el tanque de varilla contiene amoníaco líquido. Cuando la temperatura de la superficie de la carretera aumenta, el amoníaco líquido se vaporiza cuando se calienta, sube al extremo superior del hot rod y conduce el calor al aire a través del disipador de calor. El amoníaco gaseoso se enfría y se convierte en amoníaco líquido, que luego desciende. La parte inferior de la varilla, y así sucesivamente, el hot rod es equivalente a un refrigerador natural en constante movimiento, drenando constantemente el calor de la capa de permafrost, congelándola permanentemente. Einstein dijo: Aunque la mayoría de las teorías de la física cambiarán con el tiempo, la termodinámica es universal y eterna.

[5] La termodinámica química es aburrida y abstracta, pero creemos que a través del trabajo duro, los estudiantes pueden ver la esencia de la ciencia a través de fenómenos familiares. Entonces los estudiantes definitivamente experimentarán la alegría que brinda el encanto de la termodinámica química. ¡Las cosas son agradables!" (Editor de texto: Wu Wenshui) Referencias: [1] Feng Xin, Lu Xiaohua. Reforma docente orientada a los estudiantes del curso de termodinámica de ingeniería química [J]. Educación superior en ingeniería química, 2006, (4): 30234. [2] Zhang Chuting. Transformación del plan de estudios científico [J]. Enseñanza universitaria china, 2004, (9): 15218. [3] Chen Zhongxiu, Gu Feiyan, eds. Termodinámica química (segunda edición) [M], Beijing: Chemical. Industry Press, 2001.2952297. [4] YunusA.CengelandMichaelA.Boles.Thermody2namics: AnEngineeringApproach(6th)[M].McGraw2Hill, 2006.1592160 [5] (EE. UU.) Traducido por Prausnitz et al., Lu Xiaohua, Liu Honglai. of Phase Equilibrium (Original 3.a edición) [M]. Beijing: Chemical Industry Press, 2006.1142115 (EE. UU.) Traducido por Smith et al., Liu Honglai, Lu Xiaohua et al. [M]. Beijing: Chemical Industry Press, 2008. 2182219. [7] Deng Jingguo. De enormes pérdidas a enormes ganancias——Registro de innovación científica y tecnológica de la planta química de Chongqing Changfeng [N].