《工程化学概论》PPT课件.ppt
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1、本课程主要内容,老师主讲主要内容物质结构基础化学热力学化学动力学水化学(溶液化学与离子平衡)电化学(材料在环境中的失效与防护)同学们感兴趣的内容 讨论课 由同学们主讲,老师点评(6-8学时),本课程考试方式,1)课程结束参加由学校组织的统考:闭卷考试。2)最后成绩由4部分组成,考试成绩50,课堂到课率及随堂测试10,作业15,积极参与课程讨论25%。暑假期间:学校召开教风和学风建设工作会议高度重视,实施学业评价体系改革,大力推行“形成性评价”。改革试点课程终结性评价成绩一般不得高于课程总成绩的50%。提高命题质量,增加主观题减少客观题,尽可能不使用如名词解释、填空、是非判断等题,不得使用4年内
2、学生考试使用的试题。,教材及参考书,教 材:唐和清,工科基础化学.北京:化学工业出版社,2009,第二版。参考书:浙江大学,普通化学.北京:高等教育出版社,2003,6江棂,工科化学.北京:化学工业出版社,2003,8曲保中,新大学化学.北京:科学出版社,2002,12武汉大学,无机化学.武汉:武汉大学出版社,1997,1,机械学科领域的相关化学问题,首先看看目前国家在基础研究领域对机械学科提出的要求。机械学机械学是对各类机械产品进行功能综合、定量描述以及性能控制的基础技术科学,主要研究机械系统的特性,试图应用机械系统相关的知识和信息发展新的设计理论与方法。机械学包括机构学与机器组成原理、机械
3、系统动力学、机械结构强度学、机械摩擦学与表面技术、机械仿生学、机械设计理论和方法学、传动机械学、机器人机械学等。制造科学主要研究加工出符合设计要求、提升客户价值的产品所涉及的各种制造理论、方法、技术、工艺、装备与系统等,包括零件成形制造、零件加工制造、制造系统与自动化、机械测试理论与技术、微/纳机械系统等。,目前上述领域主要发展趋势是:面向国家战略需求和学科发展前沿,以及(潜在的)工业应用的基础研究;面向环境友好、资源节约的设计与制造一体化的研究;面向超、精、尖、特(大/重)装备的创新设计、制造原理与测试理论的研究,包括工艺机理、装备原型样机理论与技术;面向极端工况的设计与制造方法的研究,如尺
4、度从宏观向介观、微观、纳观扩展,参数由常规向超常或极端发展;机电液磁信息等多学科交叉、多场耦合的分析与设计方法的研究。,例如:化学机械系统,经过几十年的发展电子期间的微小化改变了人类的生活方式,微型机电系统应运而生。进入21世纪,纳米科技的研究急速兴起,生态环境和能源问题成为焦点,人们将更关注空间科技、地球科技和海洋科技,新的形势对特种机械装置的微小化提出了迫切的要求,如化学化工装置等。尽管电子元器件实现了微小化,但实际应用于过程机械装置时,涉及化学化工、热力过程的微小化。例如:氢能提供了解决未来能源和环境问题的无线可能,但应用于汽车、深海潜艇时,制氢系统的微小化是关键。,微型飞行器:要实现良
5、好的作战性能,化学能源动力装置的微小化是不可回避的问题。微型化学机械系统(McMS Micro-Chemo-Mechanical System)与微机电系统(MEMS)将具有同等重要的地位。,微槽道换热器结构,“蛟龙”号“载人潜水器于2010年7月在中国南海执行一次成功下潜任务。到达3759米深的海底。9小时03分的水下及海底作业,化学化工学科发展需要,“三传一反”概括了化工生产过程的全部特征。“三传”为动量传递、热量传递和质量传递(化工单元操作),“一反”为化学反应过程。作为学校创新人才的培养,交叉学科更容易产生学术火花。通过本课程的学习,希望化学基础知识能给大家专业发展提供帮助。,第一章
6、概 论,1.1 化学与化学工业,研究物质的组成、结构、性质及化学变化的规律的科学,是研究分子层次范围内的物质的结构和能量变化的科学;化学是分子科学,是物质科学的基础学科之一,化学是一门中心的、实用的、创造性的科学。,1.化学,现代化学:研究泛分子的科学-研究原子层次、分子层次、超分子层次、高分子层次、生物分子、纳米分子与 聚集体、复杂分子层次的科学。由于传统化学会造成环境环境污染,化学又开始了保护世界,推动了传统化学向绿色化学转变。,2.化学工业,以化学过程为核心内容和关键步骤的工业,通过化学过程实现全部或部分生产目的的工业。现代化学已经不是单一学科,化学与生命科学、材料科学、能源科学、生态环
7、境学、信息学、纳米技术、系统学等学科的交叉融合。作为工科大学生必须将强基础化学知识的学习。,1.2 化学工业的地位及影响,化学与生活:衣-服装;食-农业、食品;住-建筑材料、装饰、家庭陈设品;行:交通工具、燃料;日用品。化学与国防:武器、动力。化学对健康和生命的贡献:药物化学。化学与当今世界四大热点问题:环境保护;能源的开发和利用;新材料研制;生命科学。,1.化学与生活,1)衣,人造纤维:粘胶纤维、醋酸纤维和铜氨纤维。(人造棉、人造丝、人造毛和富强纤维等)都属于人造纤维。合成纤维:以有机化合物为原料,利用化学合成的方法,经过聚合反应合成的高分子聚合物。锦纶(尼龙)-聚酰胺纤维,涤纶(的确良)-
8、聚酯纤维,腈纶-聚丙烯脂纤维;维纶(维尼纶)-聚乙烯醇纤维;丙纶-聚丙烯纤维;氯纶-聚氯乙烯纤维。合成纤维具有强度高,耐磨,弹性好,保暖,不发霉,但也存在致命的缺点,吸湿性差,不透气等。,3)日用化学品,食物的本质是化学物质,主要营养物质包括:蛋白质、脂肪、碳水化食物(糖)、维生素、无机盐(矿物质)、纤维素等。,2)食,合成洗涤剂、肥皂、香精、香料、化妆品、牙膏、油墨、火柴、干电池、烷基苯、五钠(三聚磷酸钠)、骨胶、明胶、皮胶、甘油、硬脂酸、感光胶片、感光纸等。,肥皂:含有822个碳原子的脂肪酸或混合脂肪酸的碱性盐类(无机的或有机的)的总称,是脂肪酸盐:RCOOM。,2.化学与能源,C、H、O
9、、N、S、P(C135H96O9NS),煤的化学组成虽然各有差别,公认平均组成(C135H96O9NS)。煤的热值(发热量,标准煤29.3MJkg-1,高质煤30MJkg-1)。,1)煤,煤的成分,a.水煤气:C(s)+H2O(g)=CO(g)+H2(g),c.煤的液化燃料:以合成气为原料,生产液体燃料。,b.合成气:煤=H2(40%)+CO(15%)+CH4(15%)+CO2(30%),水蒸气,O2,将H2和 CO进行甲烷化反应,制取合成天然气。CO(g)+3H2(g)=CH4+H2O(l)(合成天然气),d.水煤浆燃料:70%煤粉+30%水+少量添加剂,可代替油使用。细菌选煤脱硫,(合成气
10、),一、煤洁净技术,煤洁净技术包括煤炭燃烧前处理和净化技术;煤炭高效清洁燃烧技术;煤炭燃烧后净化技术以及煤炭转化技术等四个领域。(1)燃烧前的处理和净化技术(2)燃烧中净化(3)燃烧后净化烟气净化,(1)燃烧前的处理和净化技术,洗选处理。这是除去或减少原煤中所含的灰粉、硫等杂质,并按不同煤种、灰分、热值和粒度分成不同品种等级,以满足不同用户需要的方法。目前我国原煤洗选约为1/3,远远低于发达国家70以上的水平。型煤加工。这是用机械方法将粉煤和低品位煤制成具有一定粒度和形状的煤制品。高硫煤成型时可加入适量固硫剂,大大减少SO2排放。,水煤浆。这是1970年代发展起来的一种以煤代油的新燃料。它是把
11、灰分很低而挥发成分高的煤,研磨成250300微米的微细煤粉,按煤约70、水约30的比例,加入0.51.0%分散剂和0.020.1的稳定剂配制而成的,水煤浆可以像燃料油一样运输、储存和燃烧。我国制浆工艺已达国际水平,并已建成商业性示范工程。(同学们可以查阅微生物氧化亚铁硫杆菌水煤浆料制备中的脱硫机理),(2)燃烧中净化,先进的燃烧器是通过改进电站锅炉以及工业锅炉和窑炉的设计和燃烧技术,以减少污染物排放,并提高燃烧效率。国外已商业应用的有低NOx燃烧器,其燃烧过程是燃料和空气逐渐混合,以降低火焰温度,从而减少NOx生成;或者调节燃料与空气的混合比,提供只够燃料燃烧的氧,而不足以和氮结合成NOx。,
12、(3)燃烧后净化烟气净化,包括SO2、和颗粒NOx物的控制。烟尘,SO2变成亚硫酸钙浆状物。干法是用浆状脱硫剂(石灰石)喷雾,与烟气中的SO2反应,生成硫酸钙,水分被蒸发,干燥颗粒用集尘器收集。这两种方法脱硫效率达9。反应式为:SO2+CaO+O2 CaSO4 烟气除尘,目前大型电站一般采用静电除尘器,除尘效率可达99以上。国外目前正在研究开发先进的脱硫工艺,以及可以同时脱除90 SO2和NOx的烟气净化新技术。烟气净化技术又分为除尘、脱硫、脱硝3类。,二、烟气脱硫脱硝技术,近期日本新开发出组合烟囱型简易湿式脱硫装置、卧式小型脱硫装置、简易石灰石-石膏脱硫装置(可同时脱硫、除尘);美国研制成功
13、高效烟气脱硫洗涤器及高利用率新型吸附剂;美国ALANCO环境公司开发研制了荷电干式喷射脱硫法;ABB公司开发了近海燃煤电厂海水烟气脱硫技术。国内针对大量中小型锅炉开发了经济适用的烟气净化技术,如冲击-鼓泡式和旋流水膜式烟气脱硫除尘技术,碱性工业废水烟气脱硫工艺、陶瓷窑炉湿法收尘技术等。烟气脱硝技术有选择催化还原法、非催化还原法及吸附法等。,三、国外洁净煤技术,国外洁净煤技术也发展较快,1986年3月美国率先推出“洁净煤技术示范计划(CCTP)”,主要包含四个方面:(1)先进的燃煤发电技术(整体煤气化联合循环发电IGCC,流化床燃烧CFBC,改进燃烧和直接燃煤热机);(2)环境保护设备(NOX
14、与SOx控制);(3)煤炭加工成洁净能源技术(洗选、温和气化、液化);(4)工业应用(炼铁、水泥及其他行业控制硫、氮、灰尘排放和烟气回收洗涤等)。已有13项取得初步商业化成果。欧共体国家正在研究开发的项目有煤气化联合循环发电(IGCC),煤和生物质及废弃物联合气化(或燃烧),循环流化床燃烧,固体燃料气化与燃料电池联合循环技术等。日本近年来开始较大幅度的增加煤炭的消费量,发展洁净煤技术成为热点。,正在开发的项目包括(1)提高煤炭利用效率的技术;(2)脱硫、脱氮技术,如先进的煤炭洗选技术,氧燃烧技术,先进的废烟处理技术,先进的焦炭生产技术等;(3)煤炭转化技术,如煤炭直接液化,加氢气化,煤气化联合
15、燃料电池和煤的热解等;(4)粉煤灰的有效利用技术。,2)石油和天然气,4)干净、无毒、无污染的二次能源-氢,石油以汽油(辛烷)为代表:C8H18(l)+25/2O2=8CO2(g)+H2O(l),天然气以甲烷为代表:CH4(g)+2O2=CO2(g)+2H2O(l),3)城市煤气和液化气,城市煤气:煤的合成气和炼焦气,主要成分为 H2(50%)+CO(15%)+CH4(15%)。,液化气:来自油田气或炼厂气,主要成分为高压液化后的 C3H8+C4H10。,需解决的三个问题:氢的制取、储存、利用。,氢能源,氢能作为一种无污染的二次能源,由于具有资源丰富,氢燃烧热值大且燃烧产物是水,不会产生大量的
16、烃、CO、CO2、SO2和有机酸,造成环境污染等种种突出的优势,因此科学家们预测氢能将在未来的能源体系中占有一席之地,它与电力将成为21世纪能源体系的两大支柱。但是,氢能要成为新能源结构的支柱,还需要在氢气的制取、氢气的储存与运输以及氢能的利用方面继续开展研究。开发制氢新技术,将主要考虑以水为原料,达到水分解制氢,氢燃烧生成水的循环过程。由于氢大量存在于水中,因此利用水制氢一旦技术成熟,达到实用化后,以氢为能源结构主要支柱便成为可能。,制氢新技术的研发,目前世界上氢气大部分以石油、天然气和煤为原料制取,小部分来自电解水等。开发制氢新技术,将主要考虑以水为原料,原则上要求制氢技术满足大型化、高效
17、率、低成本,使氢气得到应用。,电解水制氢,电解水制氢,关键是耗能问题。以电能换氢能,成本很高。但是,通过太阳光发电或热发电以及海洋能、生物质能、地热能、非尖峰负荷的原子能电站产生的电能来制氢,可以降低氢的成本。同时,也需要开发低电耗、高效率的电解水制氢新技术。日本开发了高温加压法,将电解水的效率提高到75%;美国建成一种SPE工业装置,能量效率达90%;我国研制了双反应器制氢工艺。先进的PEM电解工艺,是一种可逆的电氢转换装置,是燃料电池和产氢的电解槽的统一,总转换效率可达95%。,热化学循环制氢,目前已研究出100多种分步热化学循环流程制氢工艺。利用太阳能或高温气冷堆原子能电站的热能,使反应
18、不断循环进行,达到连续制氢的目的。,太阳能光解水制氢,利用半导体电极的光电化学效应制成太阳能光电化学电池,以水为原料,在太阳光照射下制取氢。虽然太阳能光解水制氢在实验室己取得突破性进展,但仍有电极材料、电池结构、电催化、光化学反应及光腐蚀稳定性等一系列技术和理论上的难题需要解决,才能达到实用化。,生物质能制氢,利用植物的光合作用分解水制氢或产氢细菌在太阳光照射下制氢。这些方法仍属实验室探索阶段。,美国开发出制氢新技术,美国科学家开发出一种用多糖制取氢的新技术。以这项技术为基础,未来的氢动力汽车将携带易于存储的碳水化合物,如淀粉。碳水化合物和水在特殊的酶作用下分解产生氢气,然后通过燃料电池产生电
19、力,驱动汽车前进。据美国科学促进会EurekAlert网站报道,这一成果是美国弗吉尼亚理工大学、橡树岭国家实验室和佐治亚大学的科学家共同取得的,论文发表在公共科学图书馆杂志上。,淀粉、纤维素等碳水化合物含有大量的氢,但它们非常稳定,只有在酶的作用下才会分解。在相关实验中,科学家利用合成生物学的方法,使用由13种酶组成的混合物,将碳水化合物和水转变成二氧化碳和氢气。实验显示,这一反应在大约30摄氏度和1个大气压的条件下即可发生。将二氧化碳抽掉后,氢气进入燃料电池产生电力。在反应中,氢是主要产物,效率比自然界里厌氧菌分解生物物质产生氢的效率高3倍,每磅(约045公斤)氢的成本可能低于1美元。,71
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