化学热力学的应用篇1
1.1核心课程体系构建的原则
钦州学院开设化学工程与工艺专业有良好的机遇，同时也有多方面的挑战。要办好钦州学院化学工程与工艺专业，贯彻学院打造五大品牌专业的精神，需要从紧密联系北部湾区域经济建设方面着眼，努力办出具有石化特色的化学工程与工艺专业，重点建立一套紧密结合石化下游产业链、注重过程开发和工程实践能力培养的核心课程体系。在核心课程设置方面，确立夯实专业基础、强化工程意识、注重实验技能、拓宽专业口径，注重石化特色的原则。
1.2核心课程体系的内容与相互关系
所谓化工过程，主要包含分离过程和反应过程两种过程。与这两种过程紧密相关的一系列化工类课程共同构成了化工类课程的核心。按照“门数适宜，重点突出，相互支撑，形成一体”的要求，选择化工热力学、分离工程、传递原理、反应工程和化工工艺学等五门理论课以及与这五门理论课相关的化工专业实验课作为核心课程,建设具有石化特色化学工程与工艺专业的核心课程体系，全力打造化学工程与工艺这一品牌专业。在这五门理论课程中，分离工程和反应工程分别研究各类分离过程和反应过程，它们构成了化工过程课程最核心的部分。化工热力学是化工过程研究、开发和设计的理论基础，是化学工程的重要分支之一，与化学反应工程、分离工程关系密切。化工热力学的核心价值在于研究过程进行的方向和限度，为分离过程和反应过程提供相平衡、反应平衡数据，并对化工过程进行热力学分析[1]。反应工程是与工程实际紧密联系的课程之一，它广泛地将化工热力学、化学动力学、流体力学、传热、传质以及生产工艺、环境保护、经济学等反面的理论知识和经验综合于工业反应器的结构和操作参数的设计和优化中[2]。
分离工程是化工专业基础课程，讲述的是如何将混合物进行分离与提纯的学科。作为专门研究分离方法的分离工程课程对学生工程素养的培养有很重要的作用。该课程阐明了化工分离过程的本质规律，重点研究分离方法的工业化途径，设备设计放大效应，最优分离路线的工业化，及最优操作条件。在选择具体分离方法时，不仅要考虑技术上的可行性、经济上的合理性，而且要考虑能耗、环保、设备放大和开发成本等诸多问题[3]。传递原理旨在研究化工动量、热量及质量(俗称三传)的传递现象，用一种统一的观点来处理三种传递现象，并研究动量、热量和质量传递之间的类似性，是研究分离机理、分离效率和宏观反应动力学的基础理论，同时也是反应器放大研究的基础理论之一。与化工热力学不同，传递原理是一门探讨传递速率的课程，它对过程开发、过程设计、生产操作、优化控制及过程机理研究都有重要的使用意义[4]。化工工艺学重在工艺过程的分析，即在特定条件下，进行分离过程、反应过程的比较选择、整合优化。化工工艺学是大学基础化学、化工热力学、化工动力学、反应工程、分离工程等专业基础可和专业课的综合运用。化工热力学和传递原理旨在加强专业基础，化工专业实验、反应工程和分离工程重在强化工程意识，化工工艺学拓展了专业适应面，可以突出石化特色。
2核心课程体系的优化
为了保障以上核心课程体系的顺利实施，建议结合钦州学院化学工程与工艺现有的教学计划，从下面几个方面作出适当的调整。
2.1加强数理基础教学力度，适度拓展
新世纪的工程人才必须有熟练应用数学、科学与工程等知识的能力，有进行设计、实验分析与数据处理的能力。在两年的教学实践中，学生普遍反映数理基础不够扎实，一些数学问题不知所云，比如热力学计算中要应用迭代法求解状态方程、精馏过程计算、反映工程中的偏微分方程求解等等，问题大都源于数学基础较薄弱。因此建议加开线性代数、运筹学、概率论与数理统计、数值计算、C程序语言、数学物理方法，流体力学等数理和计算机基础课程。多所兄弟院校也早就开设了这些基础课程。线性代数和运筹学的开设可以解决反应器设计过程的优化问题；概率论与数理统计是实验数据处理和理解反应工程中一些基本概念的基础；数值计算和C程序语言两门课程是工科学生重要的基础课程，加开这两门课程也是落实我校化学工程与工艺专业培养计划中对学生计算机水平的要求，对学生的就业能力的提高有好处；数学物理方法和流体力学是传递工程等课程的基础，加开这两门课程可以大大的提高学生工程数学能力，为就业和进一步深造打下更坚实的数理基础。考虑到Matlab在科学和工程计算领域的突出作用，建议开设Matlab在化工中的应用的相关课程[5]。化工热力学和化工原理是反应工程的基础，故将化工热力学和从第四、五学期调整至第三、四学期；化工原理和反应工程两门课程共同构成了化学工程最核心的部分课程，将化工原理从第四、五学期调整至第二、三学期，反应工程从第三学期调整至第五学期，也是考虑到化工原理是反应工程的基础。同时，将计算机模拟与仿真删去，将其中的知识分散到加开的MATLAB在化工中的应用和数值计算这两门课程中。从上表2中还可以看出，加开的课程中，突出了数理课程的基础，同时，适度的拓展经济和计算机相关的课程，也增加化工制图和电工学等实践性较强的课程，这对培养学生的工程实践能力是必不可少的。
2.2整合化工专业实验
为了整合学院教学资源，最大限度地利用现有的一切教学设备，建议从各门化学工程与工艺核心课程的专业实验中选出一些经典的、与石化行业紧密相关的进行重新编排，单独设置一门大学化工基础实验课程，分成三个学期展开教学。另外，考虑到传统的化工专业实验教材以单一验证实验为主，无法满足新世纪综合素质人才培养的要求，可将化工实验按由浅入深的原则划分成验证型实验、设计型实验和综合型实验三个层次。尽量精简验证型实验，增加设计型实验和综合型实验。可以从教师的一些科研项目中选出一部分让学生参与，将这些项目设计成设计型或综合型实验，这样，通过学生的亲身体验科研过程，培养了正确的科研习惯，为学生的就业和进一步的深造打下好的基础。
化学热力学的应用篇2
关键词：生物质热解；研究进展；发展现状；展望
0引言
通过生物质能转换技术可高效地利用生物质能源，生产各种清洁能源和化工产品，从而减少人类对于化石能源的依赖，减轻化石能源消费给环境造成的污染。目前，世界各国尤其是发达国家，都在致力于开发高效、无污染的生物质能利用技术，以保护本国的矿物能源资源，为实现国家经济的可持续发展提供根本保障。
生物质热解是指生物质在没有氧化剂（空气、氧气、水蒸气等）存在或只提供有限氧的条件下，加热到逾500℃，通过热化学反应将生物质大分子物质（木质素、纤维素和半纤维素）分解成较小分子的燃料物质（固态炭、可燃气、生物油）的热化学转化技术方法。生物质热解的燃料能源转化率可达95.5%，最大限度的将生物质能量转化为能源产品，物尽其用，而热解也是燃烧和气化必不可少的初始阶段[1]。
1热解技术原理
1.1热解原理
从化学反应的角度对其进行分析，生物质在热解过程中发生了复杂的热化学反应，包括分子键断裂、异构化和小分子聚合等反应。木材、林业废弃物和农作物废弃物等的主要成分是纤维素、半纤维素和木质素。热重分析结果表明，纤维素在52℃时开始热解，随着温度的升高，热解反应速度加快，到350～370℃时，分解为低分子产物，其热解过程为：
(C6H10O5)nnC6H10O5
C6H10O5H2O+2CH3-CO-CHO
CH3-CO-CHO+H2CH3-CO-CH2OH
CH3-CO-CH2OH+H2CH3-CHOH-CH2+H2O
半纤维素结构上带有支链，是木材中最不稳定的组分，在225～325℃分解，比纤维素更易热分解，其热解机理与纤维素相似[2]。
从物质迁移、能量传递的角度对其进行分析，在生物质热解过程中，热量首先传递到颗粒表面，再由表面传到颗粒内部。热解过程由外至内逐层进行，生物质颗粒被加热的成分迅速裂解成木炭和挥发分。其中，挥发分由可冷凝气体和不可冷凝气体组成，可冷凝气体经过快速冷凝可以得到生物油。一次裂解反应生成生物质炭、一次生物油和不可冷凝气体。在多孔隙生物质颗粒内部的挥发分将进一步裂解，形成不可冷凝气体和热稳定的二次生物油。同时，当挥发分气体离开生物颗粒时，还将穿越周围的气相组分，在这里进一步裂化分解，称为二次裂解反应。生物质热解过程最终形成生物油、不可冷凝气体和生物质[3，4]。
1.2热解反应基本过程
根据热解过程的温度变化和生成产物的情况等，可以分为干燥阶段、预热解阶段、固体分解阶段和煅烧阶段。
1.2.1干燥阶段（温度为120～150℃），生物质中的水分进行蒸发，物料的化学组成几乎不变。
1.2.2预热解阶段（温度为150～275℃），物料的热反应比较明显，化学组成开始变化，生物质中的不稳定成分如半纤维素分解成二氧化碳、一氧化碳和少量醋酸等物质。上述两个阶段均为吸热反应阶段。
1.2.3固体分解阶段（温度为275～475℃），热解的主要阶段，物料发生了各种复杂的物理、化学反应，产生大量的分解产物。生成的液体产物中含有醋酸、木焦油和甲醇（冷却时析出来）；气体产物中有CO2、CO、CH4、H2等，可燃成分含量增加。这个阶段要放出大量的热。
1.2.4煅烧阶段（温度为450～500℃），生物质依靠外部供给的热量进行木炭的燃烧，使木炭中的挥发物质减少，固定碳含量增加，为放热阶段。实际上，上述四个阶段的界限难以明确划分，各阶段的反应过程会相互交叉进[5，6]。
2热解工艺及影响因素
2.1热解工艺类型
从对生物质的加热速率和完成反应所用时间的角度来看，生物质热解工艺基本上可以分为两种类型：一种是慢速热解，一种是快速热解。在快速热解中，当完成反应时间甚短（＜0.5s）时，又称为闪速热解。根据工艺操作条件，生物质热解工艺又可分为慢速、快速和反应性热解三种。在慢速热解工艺中又可以分为炭化和常规热解[5]。
慢速热解（又称干馏工艺、传统热解）工艺具有几千年的历史，是一种以生成木炭为目的的炭化过程，低温干馏的加热温度为500～580℃，中温干馏温度为660～750℃，高温干馏的温度为900～1100℃。将木材放在窑内，在隔绝空气的情况下加热，可以得到占原料质量30%～35%的木炭产量。
快速热解是将磨细的生物质原料放在快速热解装置中，严格控制加热速率（一般大致为10～200℃/s）和反应温度（控制在500℃左右），生物质原料在缺氧的情况下，被快速加热到较高温度，从而引发大分子的分解，产生了小分子气体和可凝性挥发分以及少量焦炭产物。可凝性挥发分被快速冷却成可流动的液体，成为生物油或焦油，其比例一般可达原料质量的40%～60%。
与慢速热解相比，快速热解的传热反应过程发生在极短的时间内，强烈的热效应直接产生热解产物，再迅速淬冷，通常在0.5s内急冷至350℃以下，最大限度地增加了液态产物（油）。
常规热解是将生物质原料放在常规的热解装置中，在低于600℃的中等温度及中等反应速率（0.1～1℃/s）条件下，经过几个小时的热解，得到占原料质量的20%～25%的生物质炭及10%～20%的生物油[7～9]。
2.2热解影响因素
总的来讲，影响热解的主要因素包括化学和物理两大方面。化学因素包括一系列复杂的一次反应和二次反应；物理因素主要是反应过程中的传热、传质以及原料的物理特性等。具体的操作条件表现为：温度、物料特性、催化剂、滞留时间、压力和升温速率[10]。
2.2.1温度
在生物质热解过程中，温度是一个很重要的影响因素，它对热解产物分布、组分、产率和热解气热值都有很大的影响。生物质热解最终产物中气、油、炭各占比例的多少，随反应温度的高低和加热速度的快慢有很大差异。一般地说，低温、长期滞留的慢速热解主要用于最大限度地增加炭的产量，其质量产率和能量产率分别达到30%和50%（质量分数）[11～13]。
温度小于600℃的常规热解时，采用中等反应速率，生物油、不可凝气体和炭的产率基本相等；闪速热解温度在500～650℃范围内，主要用来增加生物油的产量，生物油产率可达80%（质量分数）；同样的闪速热解，若温度高于700℃，在非常高的反应速率和极短的气相滞留期下，主要用于生产气体产物，其产率可达80%（质量分数）。当升温速率极快时，半纤维素和纤维素几乎不生成炭[5]。
2.2.2生物质材料的影响
生物质种类、分子结构、粒径及形状等特性对生物质热解行为和产物组成等有着重要的影响[3]。这种影响相当复杂，与热解温度、压力、升温速率等外部特性共同作用，在不同水平和程度上影响着热解过程。由于木质素较纤维素和半纤维素难分解，因而通常含木质素多者焦炭产量较大；而半纤维素多者，焦炭产量较小。在生物质构成中，以木质素热解所得到的液态产物热值为最大；气体产物中以木聚糖热解所得到的气体热值最大[5]。
生物质粒径的大小是影响热解速率的决定性因素。粒径在1mm以下时，热解过程受反应动力学速率控制，而当粒径大于1mm时，热解过程中还同时受到传热和传质现象的控制。大颗粒物料比小颗粒传热能力差，颗粒内部升温要迟缓，即大颗粒物料在低温区的停留时间要长，从而对热解产物的分布造成了影响。随着颗粒的粒径的增大，热解产物中固相炭的产量增大。从获得更多生物油角度看，生物质颗粒的尺寸以小为宜，但这无疑会导致破碎和筛选有难度，实际上只要选用小于1mm的生物质颗粒就可以了。
2.2.3催化剂的影响
有关研究人员用不同的催化剂掺入生物质热解试验中，不同的催化剂起到不同的效果。如：碱金属碳酸盐能提高气体、碳的产量，降低生物油的产量，而且能促进原料中氢释放，使空气产物中的H2/CO增大；K+能促进CO、CO2的生成，但几乎不影响H2O的生成；NaCl能促进纤维素反应中H2O、CO、CO2的生成；加氢裂化能增加生物油的产量，并使油的分子量变小。
另外，原料反应得到的产物在反应器内停留时间、反应产出气体的冷却速度、原料颗粒尺寸等，对产出的炭、可燃性气体、生物油（降温由气体析出）的产量比例也有一定影响[5]。
2.2.4滞留时间
滞留时间在生物质热解反应中有固相滞留时间和气相滞留时间之分。固相滞留时间越短，热解的固态产物所占的比例就越小，总的产物量越大，热解越完全。在给定的温度和升温速率的条件下，固相滞留时间越短，反应的转化产物中的固相产物就越少，气相产物的量就越大。气相滞留期时间一般并不影响生物质的一次裂解反应过程，而只影响到液态产物中的生物油发生的二次裂解反应的进程。当生物质热解产物中的一次产物进入围绕生物质颗粒的气相中，生物油就会发生进一步的裂化反应，在炽热的反应器中，气相滞留时间越长，生物油的二次裂解发生的就越严重，二次裂解反应增多，放出H2、CH4、CO等，导致液态产物迅速减少，气体产物增加。所以，为获得最大生物油产量，应缩短气相滞留期，使挥发产物迅速离开反应器，减少焦油二次裂解的时间[3～5]。
2.2.5压力
压力的大小将影响气相滞留期，从而影响二次裂解，最终影响热解产物产量的分布。随着压力的提高，生物质的活化能减小，且减小的趋势渐缓。在较高的压力下，生物质的热解速率有明显的提高，反应也更激烈，而且挥发产物的滞留期增加，二次裂解较大；而在低的压力下，挥发物可以迅速从颗粒表面离开，从而限制了二次裂解的发生，增加了生物油产量[14，15]。
2.2.6升温速率
升温速率对热解的影响很大。一般对热解有正反两方面的影响。升温速率增加，物料颗粒达到热解所需温度的相应时间变短，有利于热解；但同时颗粒内外的温差变大，由于传热滞后效应会影响内部热解的进行。随着升温速率的增大，温度滞后就越严重，热重曲线和差热曲线的分辨力就会越低，物料失重和失重速率曲线均向高温区移动。热解速率和热解特征温度（热解起始温度、热解速率最快的温度、热解终止温度）均随升温速率的提高呈线形增长。在一定热解时间内，慢加热速率会延长热解物料在低温区的停留时间，促进纤维素和木质素的脱水和炭化反应，导致炭产率增加。气体和生物油的产率在很大程度上取决于挥发物生成的一次反应和生物油的二次裂解反应的竞争结果，较快的加热方式使得挥发分在高温环境下的滞留时间增加，促进了二次裂解的进行，使得生物油产率下降、燃气产率提高[16～18]。
3热解技术研究现状
3.1国内研究现状
与欧美一些国家相比，亚洲及我国对生物质热解的研究起步较晚。近十几年来，广州能源研究所生物质能研究中心、浙江大学、东北林业大学等单位做了一些这方面的工作。
广州能源研究所生物质能研究中心，目前研究方向重点为生物质热化学转化过程的机理及热化学利用技术。其研究内容为：（1）高能环境下的热解机理研究：等离子体热解气化、超临界热解等；（2）气化新工艺研究：高温气化、富氧气化、水蒸汽气化等；（3）气化技术系统集成及应用：新型气化装置、气化发电系统等；（4）生物质气化燃烧与直接燃烧：气化燃烧技术、热解燃烧技术、直接燃烧等。
浙江大学着眼于流化床技术在生物质清洁能源规模化利用上显示出的巨大潜在优势，在上世纪末成功开发了以流化床技术为基础的生物质热裂解液化反应器，并在先期成功试验的基础上，针对已有的生物质热裂解液化工艺中能源利用率不高以及液体产物不分级等缺点，采用独特的设计方案研发了生物质整合式热裂解分级制取液体燃料装置，得出了各运行参数对生物质热解产物的得率及组成的影响程度，适合规模化制取代用液体燃料。目前正在开展深层技术和扩展应用的研究。
东北林业大学生物质能研究中心研究方向：转锥式生物质闪速热解液化装置。经过一系列的调试、实验和改进后，现已经探索出了一些基本的设计规则和经验。现阶段设备制造已完成，即将进入实验阶段，为今后设备改进及技术推广打好坚实的基础。
另外在快速热裂解研究上，沈阳农业大学在联合国粮农组织（FTO）的协助下，从荷兰的BTG集团引入一套50kg/h旋转锥闪速热解装置并进行了相关实验研究；上海理工大学、华东理工大学、浙江大学、中国科学院广州能源研究所、清华大学、哈尔滨工业大学和山东理工大学等单位也开展了相关实验研究，目前正在开展深层技术和扩展应用的研究。在现在技术的支持下，用于商业运行的只有输运床和循环流化床系统[19，20]。
河南农业大学农业部可再生能源重点开放实验室也长期进行了生物质热解方面的研究。“YNO4型生物质燃气脱焦机”的诞生解决了现有生物质热解气化机组净化装置复杂、脱焦效率低且焦油难收集等问题，结构简单，操作方便，避免了二次污染，系统运行可靠，维护费用低，经济效益显著，适用于各类生物质热解气化机组的配套及其商业化应用，已于2001年11月通过省科技厅技术鉴定，并已在许昌机电厂投入批量生产。
同时，该实验室与河南商丘三利新能源有限公司对生物质热解产物进行了综合利用的研究，并形成了配套设备。根据农作物秸秆资源存在着季节性、分散性的特点和运输、储存难的矛盾，采取了分散和集中的模式，即在农作物秸秆易收集的范围内建造小型生物质热解装置，就地使用生物质燃气，然后将便于运输的生物质炭、焦油、木醋液收集，建设若干集中加工厂，生产多种产品以供各种用途，较适合我国的国情。
3.2国外研究现状
生物质热解技术最初的研究主要集中在欧洲和北美。20世纪90年开始蓬勃发展，随着试验规模大小的反应装置逐步完善，示范性和商业化运行的热解装置也被不断地开发和建造。欧洲一些著名的实验室和研究所开发出了许多重要的热解技术，20世纪90年代欧共体JOULE计划中生物质生产能源项目内很多课题的启动就显示了欧盟对于生物质热解技术的重视程度。
但较有影响力的成果多在北美涌现，如加拿大的CastleCapital有限公司将BBC公司开发的10Kg/h～25Kg/h的橡胶热烧蚀反应器放大后，建造了1500Kg/h～2000kg/h规模的固体废物热烧蚀裂解反应器，之后，英国Aston大学、美国可再生能源实验室、法国的Nancy大学及荷兰的Twente大学也相继开发了这种装置。
荷兰Twente大学反应器工程组及生物质技术（BTG）集团研制开发了旋转锥热裂解反应器，由于工艺先进、设备体积小、结构紧凑，得到了广泛的研究和应用；Hamberg木材化学研究所对混合式反应器鼓泡床技术进行了改进和发展，成功地采用静电扑捉和冷凝器联用的方式，非常有效地分离了气体中的可凝性烟雾。ENSYN基于循环流化床的原理在意大利开发和建造了闪速热解装置（RTP），还有一些小型的实验装置也相继在各研究所安装调试。
传统的热解技术不适合湿生物质的热转化。针对这个问题，欧洲很多国家己开始研究新的热解技术，这就是HydroThermalUpgrading（HTU）。将湿木片或生物质溶于水中，在一个高压容器中，经过15min（200℃，300bar）软化，成为糊状，然后进入另一反应器（330℃，200bar）液化5～15min。经脱羧作用，移去氧，产生30%CO2、50%生物油，仅含10%～15%的氧。荷兰Shell公司证明：通过催化，可获得高质量的汽油和粗汽油。这项技术可产生优质油（氧含量比裂解油低），且生物质不需干燥，直接使用[21，22]。
4前景与展望
面对化石能源的枯竭和环境污染的加剧，寻找一种洁净的新能源成了迫在眉睫的问题。现在全世界都把目光凝聚在生物质能的开发和利用上。生物质能利用前景十分广阔，但真正实际应用还取决于生物质的各种转化利用技术能否有所突破。
随着技术的不断完善，研究的方向和重点也在拓宽，以前侧重热解反应器类型及反应参数，以寻求产物最大化，而现在整体利用生物质资源的联合工艺以及优化系统整体效率被认为是最大化热解经济效益、具有相当大潜力的发展方向；除此之外，提高产物品质，开发新的应用领域，也是当前研究的迫切要求。
我国生物质热解技术方面的研究进展缓慢，主要是因为研究以单项技术为主，缺乏系统性，与欧美等国相比还有较大差距。特别是在高效反应器研发、工艺参数优化、液化产物精制以及生物燃油对发动机性能的影响等方面存在明显差距。同时，热解技术还存在如下一些问题：生物油成本通常比矿物油高，生物油同传统液体燃料不相容，需要专用的燃料处理设备；生物油是高含氧量碳氢化合物，在物理、化学性质上存在不稳定因素，长时间贮存会发生相分离、沉淀等现象，并具有腐蚀性；由于物理、化学性质的不稳定，生物油不能直接用于现有的动力设备，必须经过改性和精制后才可使用；不同生物油品质相差很大，生物油的使用和销售缺少统一标准，影响其广泛应用。以上问题也是阻碍生物质高效、规模化利用的瓶颈所在[6]。
针对以上存在的差距和问题，今后的研究应主要集中在如何提高液化产物收率，寻求高效精制技术，提高生物油品质，降低运行成本，实现产物的综合利用和工业化生产等方面。同时加强生物质液化反应机理的研究，特别是原料种类及原料中各种成分对热化学反应过程及产物的影响。在理论研究的基础上，将现有设备放大，降低生物油生产成本，逐渐向大规模生产过渡，完善生物油成分和物理特性的测定方法，制定统一的规范和标准，开发生物油精制与品位提升新工艺，开发出用于热化学催化反应过程中的低污染高效催化剂，使其能够参与化石燃料市场的竞争[23]。?
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化学热力学的应用篇3
超临界流体就是指在某一温度和压力下，处于液体到气体中间状态的流体。它的密度与液体密度相当，而粘度又和气体相似，其扩散的能力在液体和气体之间，大概相当于液体扩散能力的10-100倍。所以它既具有液体的高溶解能力，又能拥有气体的高扩散能力和压缩性。我们就利用超临界流体的这些特性，用于我们的化学生产。像这样的技术我们就把它称为超临界流体技术（SCF）。超临界流体技术一般是控制温度和压力的条件下，或者加入其他物资的情况下改变体系的传质系数、传热系数及化学反应特征的，这能更加高效清洁地进行化学生产，有的在超临界的状态下能节省能耗，所以超临界流体技术也被称为超级绿色化学技术。超临界液体技术（SCF）现在广泛应用到了材料制备中。早在上世纪九十年代该技术就已经开始应用，把二氧化碳制备成超临界的状态，以它为介质来制取特氟龙；还有聚丙烯工艺中也应用了SCF技术，利用丙烷的特点来做稀释剂，该技术也是做PE的升级版。当下，超临界流体技术则更多地应用在了高分子材料，复合材料，不易粉碎的无机物材料，以及提取不太容易溶解在单一超临界液体中的有机物。现在应用的超临界流体技术的方法主要有一下几种：1、快速膨胀法，该方法主要用于固体颗粒状的物质的制备；2、压缩抗溶剂发，主要用于制备微孔、微球类的物质，所以在药物分子及聚合物共沉上应用较多，也较成熟；3、抗溶剂法，通常该方法会应用在制备爆炸性物质和不溶于单一超临界流体的有机物上等。除了以上在制备材料方面的突出贡献，超临界流体技术还在分析化学中大展拳脚。它与色谱技术相结合，能在色谱研究中得到比气象色谱更高效，比液相色谱更精准的超临界流体色谱。更由于它的高效和低成本使得超临界流体技术在石油化工、环境保护还有医药化学等多个领域得到广泛使用。
2绿色化学反应技术的应用
绿色化学指用化学的技术和方法，再结合其他学科的知识来减少或者消除化学对于人类的危害、社会的危害以及环境的危害。从源头的原材料开始，到生产过程中的试剂和介质还有催化剂，到最后的产物及副产物都要求绿色、环保、无毒害，还有就是“原子经济性”的“零排放”。像在绿色无毒原料控制方面，石油化工原料就可以改变成生物原料的。制作尼龙可以不用含苯的石油化工原料，改成生物原料，生物原料的淀粉及纤维素等在酶催化反映下也能形成己二酸，这样一样可以制作尼龙，而且对人体和环境都危害极小。再比如在反应过程中对介质、溶剂等的控制，也要求无毒无害，在有机反应中水就是很好的溶剂，不仅对环境无害还能节省到有机反应中的官能团的保护还有去保护等环节，所以也省工艺省时间了。还有反应中用的绿色催化剂，绿色催化剂能更加正对性，更加高效地参与化学反应，并且得到的副产物少。在有机合成反应中，绿色催化剂的应用显得尤为重要。像不对称合成反应中，催化剂不仅为化学农药和精细化工提供反应需要的中间体，有的还能为反应提供绿色的合成技术。比如酶催化反应、氢酯化反应、还有不对称酮反应等。
3化学工程中的传热研究
化学反应中传热的研究是化学工程的重要内容，因为它严重影响着一个反应的能耗，反应的进程等。在微细尺度传热研究中，由于尺度微细，原有的传热假设及会发生变化，其流动还有传入的规律也会发生变化。目前在纳米、微米、集成电子设备还有微型热管领域中该传热研究交深入，取得了较不错的成果。而我们在改进传热工艺和设备上也做足了研究，为了提高传热效率，我们可以改进设备的性能，使其持续对外传热的能力提高，改变里面的传热材料和工艺的设计来实现传热的效率。然而我们现在投入很多精力的滴状冷凝技术的研究还没能取得很好的成果。由于我们不能在维持物质在滴状的时候冷凝，同时冷凝表面寿命延长,所以目前这个难题还很难突破。还有就是我们在计算沸腾时的传热存在很多弊端，复杂的沸腾状态不适用目前所有的传热计算方式，就研究沸腾传热的计算方法也是一大块难题的，所以就滴状传热技术的研究也将会是我们传热研究领域的一个重要课题，如果该研究获得进展必将改变现在很多的化学生产工艺形式，将会带领化学生产进入一个新的时代。
4结语
化学热力学的应用篇4
摘要：
对用做钝头体高超声速飞行器热防护的碳/酚醛复合材料在典型服役环境下的烧蚀机制进行了研究，建立了烧蚀过程的数学模型。利用有限元方法实现数学模型的求解，预报了冷壁热流4002kWm、焓值51MJkg的气动热环境下碳/酚醛材料的烧蚀行为。对于20mm厚度的碳/酚醛材料，受热过程中碳化层深度持续增加，100s时刻表面温度达到1405K，背壁温度为497K，孔隙热解气体压力达18.1atm。本研究为具有长时间大面积热防护需求的高超声速飞行器的热护设计提供了有力支持。
关键词：
碳/酚醛；热防护；多物理场；烧蚀；有限元
碳/酚醛复合材料作为一种轻质强韧化防热材料，具有防热效率高、防隔热一体、抗剪切能力强、烧蚀后退量小等特点，主要用于钝头体热防护[1]。由于占飞行器较大比重，其冗余设计对于整个飞行器的质量控制有关键作用[2]。准确的掌握碳/酚醛复合材料烧蚀特性能够解决过度冗余或防热设计可靠性不足的问题[3,4]。热防护材料在烧蚀过程中通过自身温升、表面材料相变、化学反应等吸收能量以达到防隔热的效果。Beacher,S.J.等[5]建立了普遍的热化学烧蚀模型。J.B.Henderson等[6]研究了聚酯基防热材料服役环境下的基体热解与热变形过程，并采用一维模型计算材料烧蚀过程中的温度、热解气体压强等参数的动态变化过程。Hogan等[7]利用控制容积法解算了轴对称模型的能量传递方程，并利用非结构化动网格模型获得了材料烧蚀过程中的表面后退率。
陈海龙等[8]基于体积烧蚀条件下的三维多物理场耦合控制方程预报了高硅氧/酚醛复合材料在酚醛树脂热解反应过程中的温度场、位移场、孔隙压力以及树脂残留率等热力学响应。李玮洁等[9,10]研究了发生表面后退的碳化烧蚀体的非线性热解层模型。由于现代设计和分析工具的飞速发展，如ProEngineer等工程软件允许可建立复杂的几何模型，NASTRAN和PATRAN等分析工具使复杂结构体的热分析更容易实现[11,12]。但是，目前尚无能进行高精度烧蚀热响应分析的工程软件。有一些可用于烧蚀分析的计算代码如CMA[13]和FIAT[14]等，但他们都是基于一维有限差分法，并不兼容现代设计工具。本文研究了中低热流密度下碳/酚醛材料的防热机制，建立了其烧蚀模型，并借助于有限元软件预报了其烧蚀行为。
1碳/酚醛复合材料的防热机制
碳/酚醛主要用于钝头体的大面积热防护，其典型服役环境为：以对流换热为主的中低热流环境(0.1~1.5MW/m2)、中等焓值(5~15MJ/kg)。在此服役环境下，假设增强相在高温下不发生化学反应，即固体材料表面不发生后退。则碳/酚醛防热材料的能量耗散机制包括：（1）材料表面热辐射；（2）固体相的温升吸热；（3）孔隙内热解气体的温升和膨胀吸热；（4）基体热解反应吸热；（5）材料表面高温热解气体引射；（6）质量引射引起“热阻塞”效应。碳/酚醛烧蚀材料的烧蚀过程是极为复杂的，是一个固体传热、传质和化学反应等多物理场同时变化而且相互耦合影响的过程。各场之间的耦合关系具体如下：固体热传导决定的固体温度影响树脂材料的高温化学反应速率，反之，热解反应产生热效应以及伴随的酚醛树脂的热物理性质变化影响固体热传导过程。固体温度分布的变化影响孔隙内热解气体的温度压力等参数变化，反之，热解气体的在固体孔隙内的对流换热以及材料表面的引射作用影响固体内部分布以及表面热载荷的阻塞效应。热解气体的温度压力对于反应速率有直接影响，反之酚醛树脂高温化学反应产生的热解气体是质量传递过程的质量源。
2烧蚀过程的数学模型
分别从能量和质量传递的角度对烧蚀模型进行分析。研究材料的表面能量平衡关系、热解气体传质过程、热化学反应速率、能量传递过程。全面建立描述烧蚀过程的数学模型。
2.1表面能量平衡根据表面能量平衡关系，建立材料的表面能量平衡方程。
2.2热解气体传质过程材料烧蚀过程中，基体高温反应生成了热解气体，热解气体在固体相的孔隙中扩散，这里从质量守恒原理出发，推导气体相的扩散控制方程。
2.3热化学反应速率树脂基体在高温下发生热解反应，假设基体由多种组分组成，而任一组分的热解反应速率可由Arrhenius动力学反应方程表示，若第k种组分的反应级数为。
2.4能量传递过程与非烧蚀材料不同，烧蚀材料内部的能量传输通过两种方式进行—传导传热和传质传热。同时，由于热解反应过程中伴随着化学能的转化，反应发生前后物系焓值不守恒。考虑化学反应的焓变效应，微元体的能量平衡方程。
3碳/酚醛复合材料的热物理性质
通过实验手段和调研资料可以获得原始材料和完全碳化材料的密度、孔隙率、渗透率、热导率、热容等参数随温度变化的热物性参数[15]。烧蚀材料固体相的热物理性能是随温度、碳化程度不同而实时变化的，而我们难以测量这些参数的实时变化特性，因此需要采用合理的热物理性能变化模型。
4算例
本文借助于COMSOLMultiphysics软件，利用有限元法对描述烧蚀过程的控制方程进行求解。预报厚度为20mm的碳/酚醛材料在模拟热环境下的烧蚀过程，热环境参数与模型的初始条件和边界条件如表1所示。图1~图3分别给出了碳/酚醛材料不同时刻的温度分布、热解气体压力分布和热解程度分布云图。由图1可知，碳/酚醛材料表面温度随着加热时间持续升高，但表面温升速率降低，100s时刻表面温度为1405K。背壁温度在加热前期缓慢升高，而后温升速率逐步加快，100s时刻背壁温度达到497K。根据图2，材料的基体相发生热解反应生成大量的热解气体，虽然热解气体通过表面不断逸出，但由于热解反应的持续进行和材料内部的温度的升高，材料孔隙中的热解气体压力仍然持续增大。100s时刻热解气体的最大压力达到18.1atm。由图3可知，靠近受热面的碳/酚醛材料温度较高，很快发生完全热解形成碳化层（热解程度=0），背壁附近的材料温度较低，几乎未发生热解反应，为原始材料层（热解程度=1）。碳/酚醛材料受热过程中，碳化层深度持续增加，原始材料层厚度持续减小。
5结论
化学热力学的应用篇5
关键词：化学工程；应用；发展方向
近几年由于我国科学技术水平的进步，自动化技术的应用在各行各业中逐步扩散起来，比如化学工程技术在化学生产中的应用也逐渐受到人们的关注，化学工程行业关系着人们的日常生活，影响着其他行业的发展，所以对在化学生产过程中的应用进行研究探析，是十分有必要的实时话题。
化学工程技术是一门主要研究化工生产过程中研究和开发以及过程装置的设计、制造和管理的综合性技术。化学工程技术的发展对于强化化工生产过程，提高产品质量，降低原料和能量消耗，对于企业的技术改造以及新技术的开发起着重要作用。
1新型反应技术的研究
1.1超临界化学反应技术
超临界液体是指在温度和压力都处于临界点之上时，此时状态处于液体和气体之间，具有这两种状态的双重性质。这种状态的流体不仅在化学工业、生物化工、食品工业有广泛的应用，而且还在医药工业等领域应用很广泛，已经显示出巨大的魅力，极具发展前景。近年来，化学界将超临界水氧化法应用到保护环境的领域，但是都处于初级发展阶段，很不成熟。
1.2绿色化学反应技术
绿色化学是指对环境不会造成污染的，有利于保护环境的化学工程。绿色化学简单说就是采取化学的技术和方法来减少或消除那些对人类有害的、妨碍社区安全的、对生态环境会产生不利影响的原料或溶剂等。绿色化学是将污染从源头进行消除的工程，因此很彻底，这主要包含原子经济性和高选择性的反应，生产出对环境有利的材料，并且回收废物循环利用的一门科学技术。
1.3新的分离技术
从广义上看，分离强化首先是对设备的强化，随后对生产工艺进行强化，整体来说就是只要能将设备变小、将能量转化效率提高的技术都是化工分离技术强化的结果，这样不仅有利于实现可持续发展，同时也是化工分离技术的重要技术与主要趋势之一。然而，古老的化工分离技术原理：利用沸点的不同，将不同的组分从分离塔里分离出来。随着科技的发展及国内外的分工合作共同研究除了大量新的分离技术，具有广阔的发展前景，但是这些在应用中同样也存在着很多问题，此项研究对相关分子蒸馏的基础理论探究比较少，没有在理论上充分说明和指导，对设计刮膜式分子蒸馏器也没有深入的研究。随着信息技术和科学的不断进步和发展，分离技术也随之得到改善，取得了长足的进步，逐渐信息技术引入到分离技术的研究与开发上，例如在研究热力学和传递的性质、多相流等方面，这些都是信息技术发生功效的主要分离技术，再如分子模拟大大提高了预测热力学平衡和传递性质的水平。对分子的设计加速了可以加速分离，因此对研究和开发新的高效的分离剂有深远的意义。信息技术的引进对于分离过程的深入产生了重要的作用，而且还能提高工作效率。
2传热过程中一些新的研究进展和方向
2.1微细尺度传热学研究进展
微细尺度是从空间尺度和时间尺度微细的探讨和研究传热学规律，现在传热学中已经自成一个分支，发展前景广阔。当物体的特征尺寸远大于载体粒子的平均尺寸即连续介质时假定依然会成立，但是由于尺度的微细，原来的假设的影响因素也会相对的发生变化，这就导致了流动和传入规律发生着变化。目前，微米、纳米科学已经取得长足的进步，受到人们的广泛关注，诸多领域都是围绕微细尺度传热学进行研究的。其中高集成度电子设备、微型热管、多空介质流动传热等多项研究都是微热尺度传热学研究取得的丰硕成果。
2.2强化传热过程的研究进展
这项研究主要是从改进换热器设备的形式入手，提高传热的效率，并想办法改进设备使其持续对外放热，这种改进包含发明新的传热材料和改进生产工艺，将过去的设计进行优化等方法。
2.3传热理论研究进展
近年来，传热研究者一直都致力于滴状冷凝在工业生产上的应用，但至今仍未能很好的实现，主要问题是如何获得实现滴状冷凝，并且使其冷凝表面寿命延长。改变冷凝界面的性质，将滴状冷凝应用到工业上进行传热改造是传播热学研究的主要热点之一。沸腾的传热方式不仅在机械、动力和石油化工等传统的工业之中广泛使用，而且在航空航天技术等高科技领域也广泛的应用着。长期以来，人们都在对液体发生核态沸腾的主要原因和具有高换热强度的机理进行着深入的探究。由于沸腾的现象是复杂和多变的，这些都导致了我们不能利用常规的计算方法来计算出沸腾所能传输的热量。到现在为止，加热器表面受到水沸腾时产生的气泡的影响，这一问题是最需要得到解决的，也是研究的重点所在，对沸腾传热进行计算大都采取机理模型，这种方法存在严重的缺陷就是计算的准确率很低，而且需要大量的实验做基础，所以目前应用的范围较窄，目前没有能较准确计算沸腾传热的计算式，因此我们有另辟蹊径，从新的角度来探究和研究问题，从基本理论出发，提出新的理论与计算方法或研究出新的模型，将数学与之相结合计算出沸腾所传出的热量，这将成为今后研究的重中之重。
3化学工程学科未来的发展动态
科学的进步使大量新的技术和产品能源不断涌现，并且在先进技术的引导下得到了广泛的应用，这就为化学工程的研究提出了新的问题，那就是如何为新的产业的形成和发展提供良好的服务并不断形成新的完整的理论，化学工程的发展就此进入一个新的发展阶段。在学科研究的方法上更多的注重学科的交叉，更多的研究材料其中包含信息和化学、生物与化学、能源与化学、环境与化学相结合的工程学科，这些都为化学工程的发展提出了新的发展方向和研究课题，为化学的发展做了良好的铺垫。
4结束语
电气工程中使用电气自动化技术可以提升相关设备的有效性，可以实现整个工程的信息化、网络化和效率化，可以使电气工程的数据采集、电网调度更加高效便捷，可以满足目前经济环境下的刚性需求，更好地适应社会的发展规律。
参考文献
[1]陈伟.浅析化学工程技术在化工生产中的应用[J].科学专论，2013（1）.
化学热力学的应用篇6
多层次适宜《物理化学简明教程》
为了在有限的篇幅内比较全面地介绍物理化学的基本原理、知识体系、重要应用和发展现状，作者特别注重精选内容，突出要点。对基本概念和基本原理不惜笔墨，讲深讲透，使之起到举一反三的作用。对需要进一步探讨的问题，适当安排在习题或思考题中，让学有余力的学生进一步钻研。如在化学势一章中，重点介绍狭义化学势的概念、物理意义、表示方法及其重要应用，略去活度系数计算的详细讨论，广义化学势的推导则放到习题处理。又如对可逆过程这一重要又很抽象的概念，教材从体积功的定义出发，讨论理想气体在具有相同始终态而经历各种不同途径计算各种途径一往一返的膨胀功和压缩功。通过对比分析，概括出可逆过程的概念和特征。如此处理，符合认识的规律，即从感性认识到理性认识、从特殊到一般、从表面现象到内在联系，便于初学者突破难点,正确理解和掌握基本概念。体例风格独特《物理化学教程》国内多数教材内容基本沿用20世纪50年代的编排框架，而由南开大学姚允斌教授编著的《物理化学教程》(湖南教育出版社)将内容重新组合编排，给人以耳目一新的感觉[3]。该书将内容分为物质的平衡性质和物质变化动力学两大部分，热化学和电化学不单独设章，而是把其中的有关内容按照理论体系的要求，分别编入相应章节，以便更本质地反映物理化学所涵盖的知识。专设的“热力学函数的规定值”一章系统讨论热力学函数规定值的含义及热力学函数表的制定，同时“输运过程”单独成章，将简单的可逆过程热力学向不可逆过程热力学自然扩展，并和动力学相衔接，起到承上启下的作用。该书对定义和定律叙述严密和准确，十分注意对定律和公式的应用条件，并说明了某些常见错误和疑难之处。与同类教材相比，虽然此书内容较深并有所扩展，但整个理论体系阐述脉络清晰，内容起点较低，而又有所拔高，由浅入深，层次分明。
大物理化学改革尝试
由于历史原因，在物理化学教学中，化学热力学和结构化学的融合一直是个令人困惑的问题。一方面由于两门课分科讲授的传统做法，能够同时熟练并融汇贯通地讲授两门课程的教师不多。另一方面，这两门课程体系的指导思想相差甚远。化学热力学经过几十年的教学实践和编写教材时一代代宗师们的千锤百炼，构成了十分严谨的科学的体系。宏观的、统计的物质运动图象是这个体系阐述概念模型时的基础。而作为物质体系的化学运动，基点则放在分子的层次上，体现分子组成、结构和相互作用对分子性质可能产生的千变万化的影响，以理想体系和稳态为基础的化学热力学就显得过于简略。所以物理化学的教学和教材改革在于使化学热力学方法能够真正地和物质体系的化学性质密切结合，即从理想体系向实际体系逼近，从稳态逐步过渡到介稳态或非稳态。复旦大学邓景发教授编写了一部融合物质结构的《物理化学》(高等教育出版社)，将化学动力学放在化学热力学和物质结构之后，其间插入统计热力学，从而使宏观与微观建立起桥梁，化学动力学的内容就可以不再停留在经典宏观动力学的水平上。作者在此领域内有多年科研经验和高水平工作，将有关理论和概念应用在化学反应动力学中，与一般教材中多以阿累尼乌斯的经验定律为基础的处理方法相比，水平大大提高，对化学变化规律的认识也更理性。大理科教学《化学原理》几十年来我国化学基础课体系是“四大化学”即无机化学、分析化学、有机化学和物理化学，并配备相应教材。印永嘉和姚天扬教授根据上世纪90年代基础化学课程体系改革的实际，编写的《化学原理》在教学内容和方法等方面做了较大调整和创新[5]。其特点是题材精选，编排新颖，融合无机、分析和物化内容，减少了化学热力学、化学平衡、化学动力学的多次重复，适当增加化学学科的前沿进展。全书首先阐述原子、分子结构和化学键，一开始就通过微观理论提示初学者化学是一门(在原子、分子和离子层次上)研究物质的组成、结构、性质及其相互变化规律的一门科学。之后讲述物质状态和性质、热力学基本定律等宏观理论及在化学中的应用，研究化学反应的能量效应、方向判断和限度等基本问题。统计热力学沟通微观粒子与物质宏观性质的关系。在系统介绍微观、统计和宏观理论后，展开与化学平衡有关的实际问题，如溶液、化学平衡(含酸碱平衡和容量分析、沉淀平衡和重量分析)、相平衡(相图分析)、氧化还原平衡(电化学和分析)、表面吸附平衡、配位平衡。化学动力学设有专章，按族的次序讲述元素及其化合物的性质和应用，运用化学理论进行分析与比较。该书既适用于化学专业，也可用作生命、地球、环境、医学、材料等专业的基础化学教学。
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