화학적 열역학이 생산에 미치는 영향

. 화학 열역학에서 생명에서 생산으로 이동하는 예 3 Feng Xin, Lu Xiaohua, Ji Yuanhui, Qian Hongliang (Nanjing University of Technology, Nanjing, Jiangsu 210009) [Abstract] 생생한 예는 변화 A입니다. 화학 열역학의 지루하고 추상적인 상황에 대한 좋은 해독제입니다. 이 글은 학생들의 흥미를 자극하고 화학적 열역학의 매력을 깨닫게 하기 위해 열역학 원리와 밀접하게 관련된 "생명에서 생산까지"의 여러 사례를 나열합니다. [키워드] 화학공학 열역학, pVT 특성, 에너지 절약 및 방출 감소 화학공학 열역학 실례 Feng Xiaohua, JiYuanhui, QianHongliang les는 생명에서 생산까지의 열역학 원리를 열거하여 학생들의 관심을 자극하고 화학공학 열역학의 카리스마를 실현하도록 돕습니다. 키워드:화학공학열역학;실제예;pVT특성;부분몰특성;에너지 절약 및 방전 감소 우리 모두 알고 있듯이 화학열역학은 화학공학의 핵심입니다. 하지만 이 강좌는 지루하고 배우기 어려우며, 많은 학생들이 추상적인 개념과 많고 성가신 공식에 겁을 먹는 경우가 많습니다. 이해는 참된 지식을 향한 필수 단계입니다. [2] 저자는 이러한 상황을 바꾸는 가장 좋은 약은 생생한 사례라고 믿는다. 학생들이 생산에 대한 지각적 이해가 없다는 점을 고려하여 수업에서는 '생활에서 생산까지'의 사례를 최대한 활용하고 신중하게 설계해야 합니다. 일선 교사들의 가장 큰 고민이기도 한 신선한 사례를 정리하는 것이 쉽지 않다. 이 글은 저자가 작성하고 수집한 여러 사례를 여러분과 공유하고자 합니다. 어쩌면 충분히 성숙하지도, 정확하지도 않지만, 더 많은 사람들이 이 팀에 합류할 수 있도록 출발점이 되기를 바랍니다. * **그의 지혜와 업적을 즐겨보세요. 1. 유체의 pVT 특성 임계 온도 Tc는 공정 안전의 가장 중요하고 일반적인 기본 개념 중 하나입니다. 따라서 저자는 pVT 예제를 설계할 때 항상 이 지식 포인트에 중점을 둡니다. 예 1 pVT 거동과 액화 가스 구성 요소 선택 사이의 관계 액화 가스는 이상적인 가스 연료입니다. 가정용 액화가스의 요건은 고압 실린더에 가압되어 저장되어 연소를 위해 감압 밸브를 연 후 기화하는 것입니다. 현재 액화 가스의 후보 가스 성분으로 표 1에 표시된 6가지 물질이 있습니다. (1) 액화 가스 저장 및 사용 요구 사항에 따라 2 4 액화 가스 구성 요소를 선택하십시오. (2) 다음 현상을 설명해주세요. 겨울에는 실린더에 여전히 많은 양의 액체가 남아 있지만 점화되지 않는 경우가 있습니다.

표 1 각종가스의 Tc, pc 및 표준끓는점 Tb [3] 물질 Tc, ℃pc, atmTb, ℃ 연소값, kJ/g 메탄-82.5545.36-161.4555.6 에탄 32.1848.08-88.6552.0 프로판 96.5941 .98-42.1550.5 n-부탄 151.937.43-0.549.6 n-펜탄 196.4633.3236.0549.1 n-헥산 234.4 29.80 68.75 48.4 해결책: (1) 액화 기후에 따라 성분 Tc 및 pc의 범위를 선택하십시오. p2T 다이어그램을 그립니다. 그림 1을 참조하세요. 그림 1 예시 1에서 선택된 액화 기후 구성요소의 p2T 다이어그램 주방실 온도가 10~40°C이고 압력이 1atm이라고 가정합니다. 그림 1에서 알 수 있듯이 메탄은 상온에서 항상 기체입니다. 메탄의 온도를 -82.55°C 이하인 Tc로 낮추지 않으면 아무리 높은 압력을 가해도 액화될 수 없습니다. 메탄은 액화가스의 성분으로 적합하지 않습니다. 에탄의 Tc는 32.18°C입니다. 여름에 32.18°C를 초과하면 압력이 증가하여 폭발이 발생합니다. 따라서 에탄은 액화가스의 성분으로 적합하지 않습니다. n-헥산은 실온에서 액체이며 압축이 필요하지 않지만, 봄, 여름, 가을, 겨울에 상관없이 정상 끓는점 Tb는 감압 밸브가 작동할 때 증발하지 않습니다. 개방됨 - 적합하지 않음; n-펜탄은 실온에서 액화될 수 있지만 대부분의 계절에는 액화될 수 없음. 증발 - 적합하지 않음. 따라서 프로판과 n-부탄만 적합함. (2) 대부분의 액화 가스에는 펜탄과 같은 C5 및 C6 성분이 소량 포함되어 있습니다. 겨울에는 실내 온도가 낮고 펜탄과 같은 고급 알칸이 기화되지 않아 잔류 액체가 생성됩니다. 실시예 2 pVT 거동과 새로운 자동차 연료인 압축천연가스의 관계 휘발유 가격이 지속적으로 상승함에 따라, 경제적이면서 환경친화적인 천연가스는 점점 더 많은 자동차 엔진용 연료로 자리잡고 있습니다. 택시는 천연가스(주성분은 메탄)로 전환되고 있습니다. 한 단위의 가스가 더 먼 거리를 이동할 수 있도록 하려면 천연가스 충전소는 파이프라인을 통해 가스 저장 탱크로 운반되는 천연가스를 0.2MPa 및 10°C로 압축하고 채워서 압축천연가스를 생산해야 합니다. 압축기에 여름에는 냉각 효과가 더 나빠지므로 가스 온도는 겨울에 15°C, 여름에는 45°C입니다. 가스 저장 탱크의 부피는 70L이고 메탄 1kg은 17km를 이동할 수 있는 것으로 알려져 있습니다. 질문: (1) RK 방정식과 비교하여 20MPa인 경우 15℃ 압축 천연 가스는 이상 가스로 간주됩니다. 상태, 압축 천연 가스 탱크의 계산된 값은 주행 거리가 몇 킬로미터입니까?(겨울에 계산됨) 묻고 싶습니다. 이때의 압축천연가스를 이상기체로 볼 수 있습니까? (2) 파이프라인을 통해 이송되는 0.2MPa, 10℃ 천연가스를 압축하지 않고 직접 가스저장탱크에 장입하면 몇 퍼센트나 될까요? (3) 더 긴 주행 ​​거리를 주행하려면 다른 조건이 변하지 않은 상태에서 압력을 높여 압축 천연 가스를 액화 천연 가스로 전환할 수 있습니까? 4) 택시 운전사 말에 따르면, "동일한 압축천연가스 탱크를 사용하더라도 여름의 주행거리는 겨울보다 짧습니다." 이유는 무엇입니까? 이유를 설명하고 겨울보다 여름에 비용이 얼마나 더 들 것인지 예상해 보십시오. 하루에 300km를 운전합니까? (압축 천연 가스 탱크는 약 50 위안입니다. 필요한 데이터는 스스로 가정 할 수 있습니다.) 풀이: (1) ① 이상기체 상태 방정식으로부터 V= RT p=1.198×10-4m3·mol-1; n=V 총 V =584.31mol S 이상 =584.31×16×10-3× 17=158.93km ② RK 방정식에 따르면 V=0.0000980m3?mol-1 n=V 총 V =714.29mol 주행거리는 SRK=714.29×16×10-3×17=194.29km VS=SRK-S Ideal =194.29-158.93=35.36km 이처럼 높은 압력을 받는 압축천연가스는 이상기체로 볼 수 없음을 알 수 있다.

(2) RK 방정식을 사용하여 다음을 계산합니다. 3 4 생명에서 생산까지 화학공학 열역학의 예 V=0.0192909m3?mol-1 n= VTotal V =3.63molS=3.63×16×10 -3 × 17=0.987km 차량 연료로서 파이프라인을 통해 운송되는 천연 가스는 압축기에 의해 고압 천연 가스로 압축되어야 실용적인 의미가 있음을 알 수 있습니다. (3)아니요. 왜냐하면 "다른 모든 조건은 변하지 않는다"는 것은 온도도 변하지 않는다는 것을 의미하기 때문입니다. 예 1에서 온도가 약 10°C이고 Tc보다 높으면 아무리 많은 압력을 가해도 액화될 수 없음을 알 수 있습니다. 따라서 온도를 -82.55°C 이하로 낮추고 가압하면 됩니다. 이론적으로 온도가 -82.55°C까지 떨어지면 압력을 가해 액화하는 것이 가능하지만, 유체의 p2V2T 관계에 따르면 압력은 4.60MPa로 매우 높습니다. 온도가 낮을수록 필요한 압력도 낮아집니다. 따라서 실제로 액화천연가스의 온도는 일반적으로 -162°C까지 떨어지며 상압에서는 액체가 될 수 있습니다. (4) ① (1)에서 알 수 있듯이 겨울에 가스 온도가 15°C일 때 압축천연가스 탱크 하나는 194.29km를 이동하므로 킬로미터당 비용은 50194.29=0.257위안입니다. ② 같은 방법은 다음과 같습니다. 여름에 가스 온도가 45°C일 때 킬로미터당 비용을 계산하는 데 사용됩니다. 50 163.94 = 0.305 위안 따라서 하루에 300 킬로미터를 여행하면 겨울보다 여름에 더 많은 돈을 쓰게 됩니다: 300 × (0.305- 0.257) = 14.4위안/일, 분기당 1,300위안이 더 소요됩니다. 이는 V∝T로 여름철 온도가 상승하면 가스의 몰부피 V가 증가하기 때문이다. 가스저장탱크의 전체 부피는 일정하므로 압축천연가스의 몰수 n=Vtotal/V는 작아진다. .여행 마일리지가 감소됩니다. 따라서 여름에는 같은 연료탱크의 주행거리가 겨울보다 짧아집니다. 사례 3 자동차 타이어의 압력은 타이어 내부 공기의 온도와 관련이 있습니다. 타이어 내부 공기 온도가 25°C일 때 압력 게이지는 210kPa를 표시합니다. 타이어의 부피가 0.025m3인 경우 여름에 타이어 내부 공기 온도가 50°C까지 상승할 때 타이어의 압력계는 어떤 값을 표시해야 합니까? 타이어를 안전하게 사용하려면 타이어를 원래의 압력으로 복원해야 합니다. 이때 타이어에서 얼마나 많은 공기가 방출되어야 합니까? 대기압은 100kPa이고 공기 구성은 79wtO2입니다. [4] 문제 해결을 위한 아이디어를 제시해주세요. 해결책: 문제 해결 아이디어는 그림 2에 나와 있습니다. 압력계에 210kPa가 표시되면 실제 압력은 210 100(국소 대기압) = 310kPa이어야 합니다. 그림 2 예 3 문제 해결 아이디어 44 생명에서 생산까지 화학적 열역학의 예 답: (1) 25 ℃, V1=0.0079854m3?mol-1; n1 =0.025/0.0079854=3.13mol (2) 여름에 타이어 공기온도가 50℃까지 올라갈 때 압력계는 336.15-100=236.15kPa를 표시해야 합니다. (3) 50℃, V3=0.00866m3?mol-1; n3=0.025/0.00866=2.887mol이므로 3.13-2.887=0.243mol의 공기가 방출됩니다. 2. 부분몰성질 부분몰성질은 상대적으로 추상적인 개념으로 예를 들기가 어렵다. 다음 두 가지 예는 모두 사람 간의 상호 작용을 은유로 사용합니다. 사례 4 오늘날 세계에서 가장 유명한 열역학 권위자이자 미국 대통령상 수상자, 미국 3개 학회 학자, 캘리포니아대학교 버클리캠퍼스 화학공학과 J.M. 프라우스니츠 교수가 이를 기술한 바 있다. [5] 분자 사이의 힘은 일반적으로 매우 특별합니다. 이 경우, 불행하게도 순수한 성분의 특성으로부터 혼합물의 특성을 대략적으로 예측하는 것은 불가능합니다. 다음과 같은 터무니없는 비유를 생각해 보면 이는 놀라운 일이 아닙니다. 러시아의 한 사회학자가 러시아인의 행동을 주의 깊게 연구하고 몇 년 동안 관찰한 후 그들에 대한 모든 것을 알게 되었다고 가정해 보겠습니다. 그 후 그는 중국으로 가서 중국인에 대해 마찬가지로 철저한 연구를 수행했습니다. 그렇다면 이 지식으로 그는 러시아인과 중국인이 임의로 혼합되어 형성된 사회의 행동을 예측할 수 있었을까요? 아마도 불가능했을 것입니다.

이 비유는 매우 극단적이지만 분자는 맹목적으로 공간을 이동하는 불활성 입자가 아니라 환경에 민감한 "성격"을 가진 복잡한 개체라는 점을 상기시켜 줍니다. 예 5 중국에는 "남자와 여자가 ​​함께 일해도 지치지 않는다"는 말이 있습니다! 남자와 여자는 서로 교류하며, 혼자 있을 때의 행동으로는 남자와 여자가 ​​함께 하는 행동을 설명할 수 없습니다. '소년과 소녀가 함께하는 힘 ≠ 소년파워, 소녀파워'이다. 3. 헨리의 법칙 예시 6 알파인 반응과 헨리의 법칙 산에 가해지는 압력은 매우 작기 때문에 대기 중의 산소 분압 pO2=p?yO2(1)과 혈액 중의 용존 산소는 pO2 =kO2xO2 in the blood (2) 방정식 (1)에서 대기 중 산소의 비율은 일정하게 유지되므로 공기 중 yO2는 =21wt입니다. 따라서 산의 전체 압력이 작아지면(고도에서) 3000미터, p=0.701×105Pa), pO2는 식 (2)에서 작아지고, pO2가 작아지면 혈액 중의 O2도 작아지고, 산소 부족으로 인해 뇌는 고산병을 겪게 됩니다. 실시예 7 고압산소실과 헨리의 법칙 고압산소치료는 환자를 1.4기압 이상의 치료실에 배치하고 간헐적으로 100wt의 산소를 흡입하는 치료방법이다. 원리는 실시예 6과 동일하다. 한편으로는 전체 압력 p가 증가하고, 다른 한편으로는 공기 y 중의 O2가 모두 증가한다. 공식(2)에 따르면, 고압 산소실의 pO2 증가에 따라 혈액 내 O2가 증가하여 7221배 증가하여 뇌 조직이 완전히 산소화됩니다. 예 8은 표 2를 사용하여 다음을 설명합니다. 공기는 CO2보다 저렴하고 독성이 없는데 왜 탄산음료와 스파클링 샴페인을 만드는 데 사용할 수 없습니까? [6] 표 2 25°C에서 물에 용해되는 다양한 가스의 헨리 상수 6] 가스 H/bar 가스 H/bar 가스 H/bar 아세틸렌 1350 에탄 30600 황화수소 550 공기 72950 에틸렌 11550 메탄 41850 이산화탄소 1670 헬륨 126600 질소 87650 일산화탄소 5400 수소 71600 산소 44380 해결책: 공기의 헨리 상수는 다음과 같습니다. CO2보다 크면 샴페인이나 스프라이트에 대한 용해도가 작아지고 거품이 적게 형성되므로 탄산음료나 스파클링 샴페인 제조에는 적합하지 않습니다. 4. 에너지 절약 및 배출 저감 사례 9 충칭 창펑화학공장은 기술혁신을 통해 15년 연속 적자를 기록해 반년 만에 2000만 위안의 이익을 냈고, 막대한 손실에서 막대한 이익으로 질적 도약을 달성했다. [7] 해결책: 공장 전체의 모든 생산과정에서 화학반응열을 분류하고 폐열을 처리한다. 각 생산장치의 열생산과정과 열소비과정이 연계되어 통합되고, 서로 다른 장치의 열생산과정과 열소비과정이 여러 장치에 걸쳐 통합되어 열에너지 수급의 양면이 양적으로 일치할 뿐만 아니라, 품질도 일치합니다. 낮은 등급의 폐열을 더 높은 품질의 에너지로 교환하려고 노력합니다. 석탄 보일러를 사용하지 않아 매년 1,000만 위안의 석탄 연소 비용을 절감할 수 있습니다. 사례 10 액화천연가스 냉에너지 활용은 순환경제의 뜨거운 프로젝트가 되었습니다. 액화천연가스(LNG)는 발열량이 높고 오염이 적은 특성을 가지고 있습니다. 사용 중에는 상온의 천연가스로 변환하기 위해 많은 양의 열에너지가 소비되어야 합니다. 일반적인 접근 방식은 바닷물을 열원으로 사용하는 것입니다. 회수된 해수의 온도를 5°C 낮추면 냉에너지를 흡수해 연간 300만톤의 LNG를 가스화하는 데 약 1억2천만m3의 해수가 필요하게 된다. 냉에너지를 사용하여 시간당 30,000m3의 공기 분리 장치를 구축하면 연간 286,000톤의 가스와 산소를 생산할 수 있어 생산량이 2억 위안 이상에 달합니다. 액상 제품을 생산하는 기존 공기 분리 장치에 비해 이 장치는 LNG의 냉에너지를 효과적으로 회수하고 활용하므로 전기는 50~60%, 물은 70~90% 절약할 수 있습니다. (66페이지에 계속) 5 4 화학 열역학 생명부터 생산까지 인스턴스 간 소통과 조정의 상황이 깨져야 합니다. 프로세스를 대상으로 하는 관리 메커니즘과 조정 메커니즘의 확립이 프로세스 관리를 달성하는 데 최우선 과제입니다. (4) 시스템을 자주 그리고 지속적으로 개선합니다. "개선"은 일회성 작업이 아닙니다. 환경 변화로 인해 우리는 기존 업무 프로세스를 지속적으로 개선해야 합니다.

우리는 "지금까지 작업 프로세스의 최적화를 달성했으며 현재 상태는 일정 기간 내에 완화되고 테스트를 견딜 수 있습니다!"라고 생각해서는 안 됩니다. 긴장을 풀고 작업 과정을 발견하십시오. 잠재적인 문제에 주의하십시오. 프로세스의 개선은 항상 진행되어야 우리 시스템이 효율적인 상태가 될 수 있습니다. (편집자: Wu Wenshui) 참고문헌: [1] Wang Yingluo. Xi'an: Machinery Industry Press, 1996.5. [2] Liu Guangdi. Beijing: Tsinghua University Press, 1996. [3] James W. Walker. 베이징: 중국 인민대학교 출판부, 2001.4. [4] Fan Yun. 관리 [M], 산시성 인민출판사, 2001.8. ] Zhao Tao. 베이징: 베이징 기술 대학 출판부, 2002.6.(45페이지에서 계속) 동시에 해양 환경의 한랭 오염을 줄입니다. 또한, LNG냉열에너지는 순환경제 발전과 관광자원 확대에도 활용됩니다. 예를 들어, "얼음과 눈 세계" 프로젝트는 LNG 가스화 과정에서 냉에너지를 냉매를 통해 얼음과 눈 세계 열교환소로 전달하고, 얼음과 눈의 다양한 기능 영역에서 냉에너지 캐스케이드를 사용하는 것입니다. Tourism World는 스키 리조트와 스케이트장, 호텔 및 기타 폭포를 제공하여 LNG 냉에너지의 포괄적인 활용을 달성합니다. 이를 통해 시민들은 여름에도 눈썰매를 즐길 수 있을 뿐만 아니라, 대량의 냉에너지로 인한 환경피해를 효과적으로 통제할 수 있다. 5. 냉동 및 난방 사례 11 핫로드 기술은 칭하이-티베트 철도의 동토 문제를 해결합니다. 칭하이-티베트 철도가 건설한 1,110km의 신규 노선 중 550km가 영구동토층을 통과합니다. 동결된 토양은 온도에 매우 민감한 토양 매질입니다. 겨울에는 영하의 온도 조건에서 온도가 낮아지면서 동토의 부피가 급격히 팽창하여 상부 노반과 포장을 밀어올리고, 여름에는 온도가 상승함에 따라 동토가 녹아 부피가 줄어들어 노반이 침하됩니다. 이 주기의 성적인 변화는 노반과 포장 도로의 붕괴, 침하, 변형, 균열로 쉽게 이어질 수 있습니다. 이제 15m마다 세워지는 핫로드 기술은 동토 문제를 해결합니다. 핫로드(코어리스 중력 히트파이프, 열사이펀이라고도 함)는 길이 7m, 노반 아래 5m, 지상 2m의 고효율 열전도 장치입니다. 전체 로드 탱크에는 액체 암모니아가 들어 있습니다. 노반의 온도가 상승하면 액체암모니아는 가열되면 기화되어 핫로드 상단으로 상승하고, 방열판을 통해 공기 중으로 열을 전도하고, 기체상 암모니아는 냉각되어 액체암모니아로 변한 후 가라앉는다. 왕복 운동을 하는 핫 로드는 끊임없이 움직이는 천연 냉장고와 동일하며, 영구 동토층에서 열을 지속적으로 배출하여 영구적으로 얼게 합니다. 아인슈타인은 “대부분의 물리학 이론은 시간이 지나면 변하지만 열역학은 보편적이고 영원하다”고 말했습니다.

[5] 화학 열역학은 지루하고 추상적이지만, 우리는 학생들이 노력을 통해 친숙한 현상을 통해 과학의 본질을 볼 수 있다고 믿습니다. 그러면 학생들은 분명히 화학 열역학의 매력이 가져다주는 기쁨을 경험할 것입니다. 일이 즐겁습니다!" (편집자: Wu Wenshui) 참고문헌: [1] Feng Xin, Lu Xiaohua. 화학 공학 열역학 과정의 학생 중심 교육 개혁 [J]. 화학 공학 고등 교육, 2006, (4): 30234. [2] Zhang Chuting. 중국 대학 교육의 변화, 2004, (9): 15218. [3] Chen Zhongxiu, Gu Feiyan, eds. 베이징: 화학 Industry Press, 2001.2952297. [4] YunusA.CengelandMichaelA.Boles.Thermody2namics: AnEngineeringApproach(6th)[M].McGraw2Hill, 2006.1592160 [5] (미국) Prausnitz 외, Lu Xiaohua, Liu Honglai 번역. 상평형(원본 3판) [M] 베이징: 화학 산업 출판부, 2006.1142115. [6] (미국) Smith 등, Liu Honglai, Lu Xiaohua 등 화학 열역학 소개(원본 7판) [M].Beijing: Chemical Industry Press, 2008. 2182219. [7] Deng Jingguo. 막대한 손실에서 막대한 이익으로—충칭 창펑 화학 공장의 과학 기술 혁신 기록[N], 200628222.