如何控制相態(tài)

相態(tài)轉(zhuǎn)換編輯

一、三態(tài)六變及吸熱放熱情況

二、生物質(zhì)氣化原理

三、沼氣的產(chǎn)生

四、氣體液化的原因

能源簡單地說就是能量的來源。小到個體的休憩繁衍，大到一個民族、國家的發(fā)展進步能源都是不可或缺的。拂去歷史的塵埃，不難發(fā)現(xiàn)能源的每一次華麗轉(zhuǎn)身，都伴隨著人類社會的重大變革或是顯著變化?；鸬某霈F(xiàn)結(jié)束了人類茹毛飲血的生活；煤炭石油的規(guī)模開采則伴隨著工業(yè)革命走到了今天；液氫燃料的應(yīng)用讓人類一睹宇宙真面目變?yōu)榭赡?，這樣的例子俯仰皆是、不勝枚舉這里我也就不再贅敘。時至今日，能源領(lǐng)域雖然千姿百態(tài)，各領(lǐng)風(fēng)騷，但是呈現(xiàn)在人們眼前的狀態(tài)，從常規(guī)的層面來講無非就是固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)和混合體（這里混合體指固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)三種狀態(tài)中任意兩種的混合物）四種相態(tài)。能源的相態(tài)轉(zhuǎn)換就是通過理化的手段來改變某種能源的理化性質(zhì)，實現(xiàn)該能源不同相態(tài)之間的相互轉(zhuǎn)換。

其實把這些能源縮小到微觀世界你不難發(fā)現(xiàn)，他們無非就是碳、氫、氧加上其它一些的元素組合而成。就像我們小時候玩的積木一樣，不同的組合有不同的結(jié)果（核能源除外）。在把他們放大到宏觀世界，他們的外在表現(xiàn)無非就是固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)三種，其他的表現(xiàn)形式都是以這三種相態(tài)為基礎(chǔ)發(fā)展而來的，比如混合體、等離子等。把固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)三種狀態(tài)在縮小到微觀世界，他們其實就是分子排列上的差異罷了。當(dāng)然實現(xiàn)不同的排列會有不同的理化要求也會有不同的理化性質(zhì)表現(xiàn)。這樣，從微觀到宏觀再到微觀，不同的能源之間的相互轉(zhuǎn)換就有了理論上的可操作性。能源的相態(tài)轉(zhuǎn)換其目的就是改變現(xiàn)在的能源領(lǐng)域的散、亂、雜互不相通的局面，實現(xiàn)能源之間的相互轉(zhuǎn)換，從而達到清潔、高效地利用能源，進而促成能源的良性循環(huán)。能源的相態(tài)轉(zhuǎn)換其作用在這里僅舉幾個簡單的例子：比如說把煤炭的直接燃燒轉(zhuǎn)換成氣態(tài)燃燒或液態(tài)使用——從民生領(lǐng)域講，一年四季的生活用煤、冬季的洗浴用煤將發(fā)生什么變化，環(huán)境呢？從工業(yè)領(lǐng)域講，假如把電煤都轉(zhuǎn)換成煤氣然后在發(fā)電會是什么樣子？所涉及的行業(yè)會發(fā)生那些變化？；各類農(nóng)林副產(chǎn)品的氣化——比如把18億畝耕地的農(nóng)作物秸稈都轉(zhuǎn)換成優(yōu)質(zhì)燃氣將折合成多少標(biāo)煤？農(nóng)村的環(huán)境又是什么樣子？；在進一步該優(yōu)質(zhì)燃氣如果達到或接近天然氣的標(biāo)準(zhǔn)進而實現(xiàn)他們之間的互換，我們現(xiàn)在生活的世界將是什么樣子？氣態(tài)燃料的液化——燃料液化后從運輸?shù)慕嵌戎v，在民生領(lǐng)域?qū)⒐?jié)約多少輸氣管網(wǎng)？液態(tài)燃料的氣化——把燃料油轉(zhuǎn)換成氣體燃料使用也許汽車尾氣就不是問題了。

1.質(zhì)量守恒定律：在化學(xué)反應(yīng)中，參加反應(yīng)前各物質(zhì)的質(zhì)量總和等于反應(yīng)后生成各物質(zhì)的質(zhì)量總和。這個規(guī)律就叫做質(zhì)量守恒定律

2.能量守恒定律：能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為其他形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中，能量的總量不變

3.電荷守恒定律：電荷的總量既不能創(chuàng)造，也不能消失，只能從一個物體轉(zhuǎn)移到另一物體，或者從物體的一部分轉(zhuǎn)移到另一部分。這就是電荷守恒定律，也就是說：在與外界沒有電荷交換的一個系統(tǒng)內(nèi)，總電荷量不變(電荷的代數(shù)和不變)

4.熱力學(xué)定律

(1)熱力學(xué)第零定律：任一熱力學(xué)的均相體系，在平衡態(tài)各自都存在一個狀態(tài)函數(shù)，稱之為溫度（符合為T）;它具有這樣的特征，對于一切互呈熱平衡的均相系，其溫度彼此相等。

(2)熱力學(xué)第一定律：自然界一切物體都具有能量，能量有各種不同形式，它能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，從一個物體傳遞給另一個物體，在轉(zhuǎn)化和傳遞過程中能量的總和不變。

（3）熱力學(xué)第二定律：不可能把熱從低溫物體傳到高溫物體而不產(chǎn)生其他影響；不可能從單一熱源取熱使之完全轉(zhuǎn)換為有用的功而不產(chǎn)生其他影響；不可逆熱力過程中熵的微增量總是大于零。

（4）熱力學(xué)第三定律：不可能用有限個手段和程序使一個物體冷卻到絕對溫度零度

5.理想氣體狀態(tài)方程：處于平衡態(tài)的氣體，可用體積V、壓強P、溫度T三個宏觀狀態(tài)參量來描述，在溫度不太低、壓力不太大的范圍內(nèi)，遵守玻意耳-馬略特定律，蓋呂薩克定律和查理定律。滿足上述氣體實驗三定律的氣體稱為理想氣體

（1）（1）玻意耳定律（玻—馬定律）

當(dāng)n，T一定時 V，p成反比，即V∝（1/p）

（2）查理定律

當(dāng)n，V一定時 p，T成正比，即p∝T

（3）蓋-呂薩克定律

當(dāng)n，p一定時 V，T成正比，即V∝T

（4）阿伏伽德羅定律

當(dāng)T，p一定時 V，n成正比，即V∝n

6. 伯努利定律：在一個流體系統(tǒng)中，比如氣流、水流中，流速越快，流體產(chǎn)生的壓力就越小 。

7.熱輻射定律：

（1）.普朗克定理

揭示了黑體單色輻射力 和波長 ，熱力學(xué)溫度T之間的關(guān)系：

——波長；

T——熱力學(xué)溫度；

C1——普朗克第一常數(shù)；

C2——普朗克第二常數(shù)。

（2）.斯蒂芬—玻爾茲曼定理

Cb=5.67 ，

稱為黑體輻射系數(shù)。

（3）.蘭貝特余弦定理

黑體在任何方向上輻射強度與方向無關(guān)

對漫輻射表面，輻射力是任意方向輻射強度的 倍

（4）基爾霍夫定律

在給定溫度下，對于給定波長，所有物體的比輻射率與吸收率的比值相同，且等于該溫度和波長下理想黑體的比輻射率。

相態(tài)

相態(tài)是物質(zhì)在一定溫度、壓強下所處的相對穩(wěn)定的狀態(tài)，是物質(zhì)聚集狀態(tài)的簡稱，也稱聚集態(tài)。氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)是物質(zhì)三態(tài)，相應(yīng)的物質(zhì)分別稱為氣體、液體、固體。它們是以分子或原子為基元的3種聚集狀態(tài)。水汽、水 、冰是常見的同一物質(zhì)的三態(tài)；固態(tài)物質(zhì)的分子或原子只能圍繞各自的平衡位置微小振動，固體有一定的形狀、大?。灰簯B(tài)物質(zhì)的分子或原子沒有固定的平衡位置，但還不能分散遠離，液體有一定體積，形狀隨容器而定，易流動，不易壓縮；氣態(tài)物質(zhì)的分子或原子作無規(guī)則熱運動，無平衡位置，也不能維持在一定距離，氣體沒有固定的體積和形狀，自發(fā)地充滿容器，易流動，易壓縮。

除上述三態(tài)外，在極高溫下電離的氣體成為由離子和電子組成的等離子體，稱為物質(zhì)第四態(tài)。這是宇宙中普遍存在的物質(zhì)聚集狀態(tài)。在超高壓、超高溫下原子結(jié)構(gòu)被破壞，原子外圍的電子被擠壓到原子核范圍，這種狀態(tài)稱為超固態(tài) ，亦稱物質(zhì)第五態(tài)。

相圖，也稱相態(tài)圖、相平衡狀態(tài)圖，是用來表示相平衡系統(tǒng)的組成與一些參數(shù)（如溫度、壓力）之間關(guān)系的一種圖。以水為例其簡單的相圖如下：

從中可以很容易地讀出水的三相點、臨界點等信息。

相態(tài)轉(zhuǎn)換

一、三態(tài)六變及吸熱放熱情況

熔化： 固態(tài)→液態(tài)（吸熱）

凝固： 液態(tài)→固態(tài) （放熱）

汽化：（分沸騰和蒸發(fā)）： 液態(tài)→氣態(tài) （吸熱）

液化：（兩種方法：壓縮體積和降低溫度）： 氣態(tài)→液態(tài) （放熱）

升華： 固態(tài)→氣態(tài) （吸熱）

凝華： 氣態(tài)→固態(tài) （放熱）

（注意：這里所說的“吸熱”與“放熱”的“熱”都是指的熱量，而不是指的溫度、內(nèi)能、熱值、比熱容等熱力學(xué)概念。即為“吸收熱量”與“放出熱量”的簡稱。在物理學(xué)中，熱量不能說“含有多少熱量”或“具有多少熱量”，只能說“吸收了多少熱量”或“放出了多少熱量”）

二、生物質(zhì)氣化原理

秸稈氣化包括熱解、燃燒和還原反應(yīng)。在以空氣為介質(zhì)的氣化器中，總的反應(yīng)式可寫作：CH1.4O0.6 +0.4O2+(1.5N2) ? 0.7CO+0.3CO2+0.6H2+0.1H2O+(1.5N2)
　　上式中CH1.4O0.6代表生物質(zhì)的分子式，以空氣為氣化介質(zhì)意味著同時加入氧氣和氮氣。因為氮氣不參加反應(yīng)，反應(yīng)后留在燃氣中沖淡了可燃成分，所以以空氣為介質(zhì)的氣化只能得到低發(fā)熱值的燃氣，發(fā)熱值一般在5~6MJ/m3。
　　熱解反應(yīng)
　　原料進入氣化器后，在熱量的作用下，首先被干燥，當(dāng)溫度升高到250℃時開始發(fā)生熱解反應(yīng)。熱解是高分子有機物在高溫下吸熱所發(fā)生的不可逆裂解反應(yīng)。其總的結(jié)果是大分子的碳氫化合物的鏈被打碎，析出生物質(zhì)中的揮發(fā)物，留下木炭構(gòu)成進一步反應(yīng)的床層。高溫時，生物質(zhì)的熱解產(chǎn)物是非常復(fù)雜的混合氣體，其中至少包括數(shù)百種碳氫化合物。有些可以在常溫下冷凝形成焦油，有些不冷凝氣體可以直接作為氣體燃料使用，是相當(dāng)不錯的中熱值干餾氣，發(fā)熱值可達15MJ/m3。熱解是一個十分復(fù)雜的過程，其真實的反應(yīng)包括若干沿著不同路線的一次、二次乃至高次反應(yīng)，不同的反應(yīng)路線得到不同的產(chǎn)物。

總的來說，熱解反應(yīng)是一個吸熱過程，但由于生物質(zhì)原料中含較多的氧，當(dāng)溫度升高到一定程度后，氧將參加反應(yīng)而使溫度迅速提高，從而加速完成熱解。工藝條件如溫度和加熱速率等的不同，反應(yīng)產(chǎn)物得率變化有變化，如緩慢裂解可以得到40~50%的木炭，這是典型的木炭生產(chǎn)工藝；而快速裂解（500K/s）可以將生物質(zhì)的70%轉(zhuǎn)換成蒸汽，冷卻后得到裂解油-–一種目前國際上很關(guān)注的新能源產(chǎn)品。秸稈氣化工藝的目的是得到可燃氣體，不必過多考慮這些中間反應(yīng)過程，但在熱解反應(yīng)中產(chǎn)生的焦油影響燃氣使用，需要抑制其產(chǎn)生并從燃氣中去除。
　　加熱速率是影響熱分解結(jié)果的主要因素之一。按加熱速率快慢可分為慢速分解、快速熱分解及閃蒸熱分解等，溫度與加熱速率是相互關(guān)聯(lián)的，低溫?zé)岱纸庀鄳?yīng)是慢速熱分解，高溫?zé)岱纸馔ǔ０榈妮^快的加熱速率。
　　慢速熱分解

低溫（低于500oC），慢加速率（小于100C）及原料的長停留時間（可以分小時或天計）是慢速熱分解的主要標(biāo)志。焦油及炭為其主要產(chǎn)物。在理論研究上，慢慢熱分解有助于研究熱分解過程機理及了解熱分解的全過程。在實際應(yīng)階段用上，慢速熱分解多發(fā)生在固定床反應(yīng)器中。
　　閃蒸熱分解

閃蒸熱分解是在中等反應(yīng)溫度（400~600oC）下，加熱速率達到10~1000 oC/s，揮發(fā)物的停留時間少于2s，主要產(chǎn)物為焦油（油）。
　　快速熱分解

非常高的加熱速率（1000~10000 oC/S），高反應(yīng)溫度（600 oC以上），及揮發(fā)物很短的停留時間（少于0.5S）為快速熱分解的區(qū)別，其主要產(chǎn)物為高質(zhì)量的氣體，很少焦油及炭形成，在很高的加熱速率下，甚至沒有一產(chǎn)次炭、氣體中含較多的烯烴與碳氫化合物，可作合成汽油或其他化工產(chǎn)品的原料，快速分解是氣化研究中渴望達到的目標(biāo)，在氣化爐的設(shè)計中，力求加快熱解過程的速率，快速流化床在氣化技術(shù)中的應(yīng)用，就是快速熱分解在氣化實踐中的具體體現(xiàn)。
　　氧化（燃燒）反應(yīng)熱解反應(yīng)和后面敘述的還原反應(yīng)都是吸熱反應(yīng)，為維持反應(yīng)必須供應(yīng)足夠的熱量，最簡單的方法是向反應(yīng)層供入空氣，通過燃燒獲得熱量。參與燃燒的主要是碳和空氣。主要的反應(yīng)有：

C+O2 = CO2
　　2C+O2 = 2CO
　　2CO+O2 = 2CO2
　　2H2+O2 = 2H2O
　　氧化層的反應(yīng)主要是碳和空氣的兩相反應(yīng)，其化學(xué)反應(yīng)速度可以用所消耗的氧量表述為：

K = a（C￥ －Cn ）
　　K = k Cn N

其中 K：單位面積單位時間碳表面消耗的氧量；

a：傳質(zhì)系數(shù)；

C￥ ：遠處的氧濃度，對氣化器就是空氣中的氧濃度；
　　Cn ：碳表面的氧濃度；

k ：化學(xué)反應(yīng)常數(shù)。燃燒需要消耗大量的氧，而這些氧是從周圍空氣中擴散到碳表面的，碳表面氧消耗以后濃度降低，周圍的氧就在濃度差的作用下向碳表面移動，式5-9表述了空氣中的氧向碳表面的傳輸速度。

式5-10表述了碳與氧的化學(xué)反應(yīng)速度。這兩個速度應(yīng)該是相等的，合并兩式并消去Cn，得到：
　　因此，實際控制燃燒反應(yīng)的是1/a表征的氧擴散阻力和1/ k表征的化學(xué)反應(yīng)阻力。化學(xué)反應(yīng)常數(shù)（k）隨著溫度升高而迅速增加。但傳質(zhì)系數(shù)a 受溫度影響很小。

溫度較低時，化學(xué)反應(yīng)速度（k）很小，當(dāng)1/ k >>1/a，可以忽略擴散阻力的影響，燃燒速度由化學(xué)反應(yīng)速度控制，稱作動力反應(yīng)。在氣化器中，實際燃燒溫度超過1500K，這時化學(xué)反應(yīng)速度即k值很大，1/ k <<1/a，可以忽略化學(xué)反應(yīng)阻力的影響而認為燃燒速度完全由空氣中的氧向碳表面的擴散速度所控制，稱為擴散反應(yīng)。

式5-11變?yōu)镵≈aC 在擴散反應(yīng)時，化學(xué)反應(yīng)速度大大超過了氧的擴散速度，燃燒得十分劇烈，以至于空氣中的氧一達到碳的表面，立刻被消耗光，碳表面氣體中的氧含量幾乎等于零。因此氧化層的厚度很小，只有3～4個原料顆粒的當(dāng)量直徑。增加通風(fēng)強度，只會使燃燒更加劇烈，氧消耗得更快，而不會增加氧化層的厚度。
　　還原反應(yīng)：還原層位于氧化層的后方，燃燒后的水蒸氣和二氧化碳與碳反應(yīng)生成氫和一氧化碳等，從而完成了固體生物質(zhì)原料向氣體燃料的轉(zhuǎn)變。

主要的反應(yīng)有：
　　C+H2O = CO+H2 NiSO'
　　C+CO2 = 2CO

C+2H2 = CH4
　　還原反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，溫度越高反應(yīng)越強烈。溫度低于600℃時，反應(yīng)已相當(dāng)緩慢。因此還原層與氧化層的界面是氧含量等于零的界面，還原層結(jié)束的界面大致為溫度等于600℃的界面。還原層的反應(yīng)受擴散和動力反應(yīng)的共同控制，其高度應(yīng)是反應(yīng)機制和供熱機制平衡的結(jié)果。反應(yīng)機制包括二氧化碳向碳粒表面的擴散，一氧化碳自表面的解析，炭表面的反應(yīng)活性，溫度等因素。供熱機制包括氣固兩相的熱容量，氣相的流速，以及兩相間的傳熱和傳質(zhì)等

三、沼氣的產(chǎn)生

沼氣的產(chǎn)生，簡單的說，是有機物質(zhì)在隔絕空氣和保持一定水分、溫度、酸堿度、碳氮比等條件下，經(jīng)過多種微生物的分解而產(chǎn)生的。多種微生物（沼氣細菌）分解有機物質(zhì)產(chǎn)生沼氣的過程,叫沼氣發(fā)酵。沼氣產(chǎn)生的基本原理，就是厭氧機理，其發(fā)酵的生物化學(xué)過程，大致可分為液化、產(chǎn)酸、產(chǎn)甲烷三個階段。
　　第一階段（水解階段）：有機物質(zhì)（碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂肪等）由發(fā)酵細菌（纖維素分解細菌、蛋白質(zhì)分解細菌、脂肪分解細菌等）的作用，將多糖水解成單糖，蛋白質(zhì)水解成肽和氨基酸，脂肪水解成甘油和脂肪酸，并進一步降解成各種低級有機酸，如乙酸、丙酸、宜春等。同時，還生成氫氣和二氧化碳。
　　第二階段（產(chǎn)酸階段）：主要是由產(chǎn)氫細菌和乙酸細菌，將丙酸、乙酸和乙醇等分解，形成氫和乙酸，間或有二氧化碳形成。
　　第三階段（產(chǎn)甲烷階段）產(chǎn)甲烷細菌分解乙酸，形成甲烷和二氧化碳，或利用氫還原二氧化碳，形成甲烷，或轉(zhuǎn)化甲酸形成甲烷。在形成的甲烷中，約30%來自氫還原二氧化碳，70%來自乙酸的分解。
　　沼氣發(fā)酵的三個階段是相互依賴和連續(xù)進行的，并保持動態(tài)平衡。在沼氣發(fā)酵初期，以第一、二階段的作用為主，也有第三階段的作用；在沼氣發(fā)酵后期，則是三個階段的作用同時進行，到一定時間，保持一定的動態(tài)平衡才能持續(xù)正常地產(chǎn)氣。

四、氣體液化的原因

氣體分子間存在引力，引力使氣體分子傾向彼此間吸引而聚集，但分子的熱運動又使它們傾向彼此分離、占有容器，而且不斷碰擊器壁，由于這兩種傾向存在，宏觀表現(xiàn)如何，要看哪一種傾向占有優(yōu)勢。

當(dāng)溫度相當(dāng)高時，分子熱運動激烈，此時分子間平均距離大，氣體占有較大容積，即壓強較低，分子間的吸引力較弱，因此氣體分子的強烈運動可以克服分子間微弱的引力，故保持氣體狀態(tài)。

在降低溫度時，分子運動的平均動能減小，同時增加壓強，可增加分子間引力，這足以克服分子運動的動能，使它們彼此聚集起來，變成液態(tài)。

在溫度較高時，分子熱運動強烈，它們需要有更大的分子間引力才能克服分子熱運動的動能，這就要求減少分子間的平均距離，也就是要有更大的壓強。要使氣體液化單純靠增加壓力、縮小分子平均距離來增加分子間的吸引力是有限的；必須首先降低氣體溫度、減少分子的熱運動能量，再增加壓力才是有效的。但在臨界溫度以上靠加大壓強來使氣體液化是徒勞的。