化工能量衡算

第五章能量衡算

本章要求：掌握能量衡算的原理掌握能量衡算的基本方法主要內(nèi)容：能量衡算的理論依據(jù)能量衡算的基本形式

幾個與能量衡算有關(guān)的重要物理量

能量衡算的基本方法

無化學(xué)反應(yīng)過程的能量衡算

化學(xué)反應(yīng)過程的能量衡算

第一節(jié)概述一、能量衡算的意義

選擇最佳操作條件，制定既經(jīng)濟(jì)又合理的能量消耗方案。二、能量衡算的理論依據(jù)熱力學(xué)第一定律：能量既不能產(chǎn)生，也不能消滅三、能量衡算的應(yīng)用主要應(yīng)用在兩種類型的問題上：

一類是對使用中的裝置或設(shè)備；另一類是在設(shè)計新裝置或設(shè)備時。

能量衡算的基礎(chǔ)是物料衡算。只有在進(jìn)行物料衡算后才能做出能量衡算。第二節(jié)能量的基本形式

能量衡算和物料衡算類似，要用到守恒的概念，即要計算進(jìn)入和離開特定體系的能量值，因此必須分清不同形式的能量形式及表示的方法。由于能量存在有多種形式，因此能量衡算要比物料衡算復(fù)雜。一、位能（Ep）位能又稱勢能，是物體由于在高度上的位移而具有的能量。其值的大小與物體所在的力場有關(guān)，物體在重力場中所具有的位能可用下式表示：第二節(jié)能量的基本形式分析：位能的大小和基準(zhǔn)面有關(guān)，因此物體距基準(zhǔn)面的高度差決定了位能的大小，當(dāng)物體處于基準(zhǔn)面上時其位能為零。由于多數(shù)化工生產(chǎn)過程基本上是在地表或接近地表的高度進(jìn)行的，位能對整個能量衡算的影響一般不大，除在計算物料的輸送功率時物料的位能變化是不可忽略的外，在能量衡算中位能皆可忽略。第二節(jié)能量的基本形式二、動能（Ek）

由于物體運(yùn)動所具有的能量，稱為動能，其值表示為：

物體的動能與物體運(yùn)動速度的平方成正比，因此物體的運(yùn)動速度對動能的影響較大，但在化工生產(chǎn)過程中物料的流動速度一般都不大，與其他能量相比較可以忽略，只有當(dāng)物料經(jīng)過噴嘴或銳孔形成高速的噴射流時，在能量衡算中動能的影響才比較明顯其值不可以忽略。

第二節(jié)能量的基本形式三、內(nèi)能（U）內(nèi)能表示除了宏觀的動能和位能外物質(zhì)所具有的能量，其大小與分子運(yùn)動有關(guān)。對于純組分物質(zhì)，內(nèi)能可表示成與溫度和摩爾體積間的函數(shù)關(guān)系：我們只能計算內(nèi)能的差，或計算相對于某個參考態(tài)的內(nèi)能，而無法計算內(nèi)能的絕對值。第三節(jié)幾個與能量衡算有關(guān)的重要物理量一、熱量（Q）當(dāng)溫度不同的兩物體進(jìn)行接觸時，能量總是從熱（溫度高）的物體向冷（溫度低）的物體流動，這種由于溫度差而引起傳遞的能量稱為熱量。環(huán)境對系統(tǒng)加的熱為正，從系統(tǒng)中取出的熱為負(fù)。熱量的單位為焦耳（J）

注意兩點(diǎn):

第一，熱量是一種能量的形式，是傳遞過程中的能量形式；第二，一定要有溫度差或溫度梯率，才會有熱量的傳遞。第三節(jié)幾個與能量衡算有關(guān)的重要物理量二、功（W）功是能量傳遞的一種形式。

說明：環(huán)境對系統(tǒng)作功取為正值，系統(tǒng)對環(huán)境作功取為負(fù)值。熱量的單位為焦耳（J）

在化工生產(chǎn)過程中常見的有體積功、流動功及旋軸功的機(jī)械功等。

功只是指被傳遞的熱量，從熱力學(xué)第二定律可知，功可以無條件地全部轉(zhuǎn)化為熱量。第三節(jié)幾個與能量衡算有關(guān)的重要物理量三、焓（H）

焓與內(nèi)能一樣，都是熱力學(xué)函數(shù)中的狀態(tài)函數(shù)，是物質(zhì)的一種容量性質(zhì)，與溫度壓力有關(guān)。這種狀態(tài)函數(shù)與過程的途徑無關(guān)，只與所處的狀態(tài)有關(guān)。

通常以物質(zhì)的一定狀態(tài)作為焓的基準(zhǔn)態(tài)，某一狀態(tài)下物質(zhì)的焓等于該狀態(tài)和焓基準(zhǔn)態(tài)的焓差焓隨溫度、壓力的變化關(guān)系？恒溫下兩邊同除以dp積分焓方程第四節(jié)能量衡算的基本方法一、能量衡算方程

1.能量衡算方程式的一般形式根據(jù)熱力學(xué)第一定律，能量衡算方程式可寫為：2.對不同的體系能量衡算式又有不同的簡化形式：

⑴封閉體系

⑵連續(xù)穩(wěn)態(tài)流動過程的總能量衡算連續(xù)穩(wěn)態(tài)流動：1.是指流體流動途徑中所有各點(diǎn)的狀況都不隨時間而變化，系統(tǒng)中沒有物料量的積累2.垂直于流向的各個截面處的質(zhì)量流率相等。一些常見的屬于穩(wěn)流體系的裝置噴嘴擴(kuò)壓管節(jié)流閥透平機(jī)壓縮機(jī)混合裝置換熱裝置二、能量衡算方程的應(yīng)用噴嘴與擴(kuò)壓管

噴嘴與擴(kuò)壓管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是進(jìn)出口截面積變化很大。流體通過時，使壓力沿著流動方向降低，而使流速加快的部件稱為噴嘴。反之，使流體流速減緩，壓力升高的部件稱為擴(kuò)壓管。噴嘴擴(kuò)壓管噴嘴與擴(kuò)壓管是否存在軸功?否是否和環(huán)境交換熱量?通?？梢院雎晕荒苁欠褡兓?否透平機(jī)和壓縮機(jī)

透平機(jī)是借助流體的減壓和降溫過程來產(chǎn)出功

壓縮機(jī)可以提高流體的壓力，但是要消耗功

透平機(jī)和壓縮機(jī)是否存在軸功?是!是否和環(huán)境交換熱量?通?？梢院雎晕荒苁欠褡兓?不變化或者可以忽略動能是否變化？通常可以忽略節(jié)流閥是否存在軸功?否是否和環(huán)境交換熱量?通?？梢院雎晕荒苁欠褡兓?否動能是否變化?通?？梢院雎缘谒墓?jié)能量衡算的基本方法三．熱量衡算的基本方法及步驟

熱量衡算的基本步驟有

a.畫物料流程圖

b.選擇基準(zhǔn)

c.數(shù)學(xué)方法求解

d.列表并校核

第四節(jié)能量衡算的基本方法例5-1：兩股不同溫度的水用作鍋爐進(jìn)水，它們的流量及溫度分別是A：120kg·min-1，30℃；B：175kg·min-1，65℃，鍋爐壓力為17×103kPa（絕壓）。出口蒸汽通過內(nèi)徑為60mm的管子離開鍋爐。如產(chǎn)生的蒸汽是鍋爐壓力下的飽和蒸汽，計算每分鐘要供應(yīng)鍋爐多少千焦的熱量，忽略進(jìn)口的動能。解：①作水的物料衡算可知產(chǎn)生的蒸汽流量為120+175=295kg·min-1。

②確定各流股的比焓由水蒸氣表查得30℃、65℃液態(tài)水及17×103kPa時的飽和水蒸氣的焓。查得的數(shù)據(jù)已填入流程圖中。30℃、120kg?min-1

、H=125.7kJ?kg-1

65℃、175kg?min-1、H=271.9kJ?kg-1

295kg?min-1

、H=2793kJ?kg-1

1.7×103kPa飽和水蒸氣(204℃)③寫出能量衡算方程并求解

對體系來說由于沒有運(yùn)動的部件，W=0；由于高度差較小，所以第四節(jié)能量衡算的基本方法=7.61×105kJ·min-1=1.27×104kJ·s-1

由水蒸氣表查得17atm飽和蒸氣比容為0.1166m3·kg-1，內(nèi)徑0.06m管子的截面積為蒸汽流速為第四節(jié)能量衡算的基本方法由于進(jìn)水的動能可以忽略,則

可見動能的變化約占過程所需總熱量的0.4%，對于帶有相變、化學(xué)反應(yīng)或較大溫度變化的過程，動能和位能的變化相對于焓變來說，常常是可忽略的（至少在作估算時可以這樣）。第五節(jié)無化學(xué)反應(yīng)過程的能量衡算無化學(xué)反應(yīng)過程的能量衡算，一般應(yīng)用于計算指定條件下進(jìn)出過程物料的焓差，用來確定過程的熱量，進(jìn)而計算出冷卻或加熱介質(zhì)的用量或溫差，各物料的焓可以從手冊中查到時，直接采用式進(jìn)行計算比較簡單。第五節(jié)無化學(xué)反應(yīng)過程的能量衡算例5-2：某鍋爐每分鐘產(chǎn)生800kPa的飽和水蒸氣，現(xiàn)有兩股不同溫度的水作為鍋爐進(jìn)水，其中20℃的水為80kg·min-1，60℃的水為50kg·min-1。試求鍋爐每分鐘的供熱量。解：根據(jù)題意畫出流程示意圖20℃、80kg?min-1800kPa水蒸氣，130kg·min-1

60℃、50kg·min-1第五節(jié)無化學(xué)反應(yīng)過程的能量衡算因?yàn)殪适且粋€狀態(tài)函數(shù)，其變化值與過程無關(guān)，所以為了計算一個實(shí)際過程的焓變，由始態(tài)到終態(tài)可以用假想的幾個階段來代替原過程，而假想的各個階段的焓變應(yīng)該是可以計算的，所需的數(shù)據(jù)也是可得到的。

根據(jù)題意可知鍋爐每分鐘產(chǎn)生130kg的水蒸氣，由飽和水蒸氣表知當(dāng)壓力為800kPa時，其溫度為170.4℃，比焓為2773kJ·kg-1。20℃的水比焓為83.74kJ·kg-1，60℃的水比焓為251.21kJ·kg-1，代入式Q=H2－H1，可求每分鐘需供熱量：

Q=130×2773－（80×83.74+50×251.21）

=360490－19260=341230kJ·min-1第五節(jié)無化學(xué)反應(yīng)過程的能量衡算一、無相變的變溫變壓過程的熱量衡算

化工過程中無相變、無化學(xué)反應(yīng)過程的熱量衡算主要是指物料溫度變化所需加入或取出的熱量的計算，化工生產(chǎn)中常見的加熱或冷卻過程就屬于這種情況。

1．利用熱容計算ΔU或ΔH

⑴恒壓過程Qp或ΔH的計算

⑵恒容過程QV或ΔU的計算第五節(jié)無化學(xué)反應(yīng)過程的能量衡算

⑶壓力對焓的影響壓力變化對U、H的影響，對于理想氣體和真實(shí)氣體是不同的。對理想氣體，U是溫度的函數(shù)，與壓力無關(guān)；對固體或液體，在恒溫變化時，ΔU≈0，ΔΗ=ΔU+Δ（PV）≈VΔP。對于真實(shí)氣體，在低壓高溫情況，接近理想氣體，可忽略壓力對焓的影響，其它情況下，可根據(jù)氣體的焓校正圖加以校正。第五節(jié)無化學(xué)反應(yīng)過程的能量衡算

2．單相體系的能量衡算例5-3：有一裂解氣的油吸收裝置，熱的貧油和冷的富油在換熱器中換熱，富油流量為12000kg·h-1，入口溫度為30℃；貧油流量為10000kg·h-1，入口溫度為150℃，出口溫度為65℃。求富油的出口溫度。已知在相應(yīng)的溫度范圍內(nèi)，貧油平均熱容為2.240kJ·kg-1·K-1；富油為2.093kJ·kg-1·K-1。若換熱器熱損失可忽略不計。解：根據(jù)題意畫出流程示意圖

富油30℃F3=12000kg·h-1

F1=10000kg·h-1

貧油150℃

65℃

換熱器

F2=10000kg·h-1

F4=12000kg·h-1T4=？第五節(jié)無化學(xué)反應(yīng)過程的能量衡算

基準(zhǔn)：1h、30℃

因無熱量損失，故貧油與富油帶入系統(tǒng)的焓與貧油與富油離開系統(tǒng)時的焓相等，即熱量衡算式為式中ΔH1,ΔH3—分別為貧油和富油進(jìn)入換熱器時和基準(zhǔn)態(tài)比較所具有的焓變，kJ·h-1

ΔH2,ΔH4—分別為貧油和富油離開換熱器時和基準(zhǔn)態(tài)比較所具有的焓變，kJ·h-1

由已知，有焓變計算式，代入數(shù)據(jù)得：

ΔH1＝10000×2.240×（150－30）＝2688000kJ·h-1

ΔH2＝10000×2.240×（65－30）＝784000kJ·h-1

ΔH3＝12000×2.093×（30－30）＝0ΔH4＝12000×2.093×（T4

－30）=25116(T4

－30）第五節(jié)無化學(xué)反應(yīng)過程的能量衡算第五節(jié)無化學(xué)反應(yīng)過程的能量衡算二、相變過程的熱量衡算氣化和冷凝、熔化和凝固、升華和凝華這類相變過程往往伴有顯著的內(nèi)能和相態(tài)變化，這種變化常成為過程熱量衡算的主體，不容忽略。相變過程的熱量變化體現(xiàn)在物系的相態(tài)發(fā)生變化而非溫度的變化，進(jìn)行熱量衡算時需要利用相變熱的數(shù)據(jù)。

1．相變熱在恒定壓力和溫度下，1mol的物質(zhì)發(fā)生相態(tài)變化時的焓變稱為該物質(zhì)的相變熱。

由于相變熱隨相變溫度的變化會有顯著的差異，如果實(shí)際過程與所查數(shù)據(jù)的條件不符合，可設(shè)計一個計算途徑來計算。

第五節(jié)無化學(xué)反應(yīng)過程的能量衡算例5-4：每小時100mol液體正已烷，在25℃、709.1kPa下恒壓氣化并加熱至300℃。忽略壓力對焓的影響，計算每小時的供熱量。解：根據(jù)題意，W=ΔEK=ΔEP=0，

所以能量衡算式變?yōu)椋?/p>

Q=ΔH

因此算出ΔH便為所求的加熱量。第五節(jié)無化學(xué)反應(yīng)過程的能量衡算

從手冊中查得101.3kPa正已烷的沸點(diǎn)為342K，ΔH汽化＝28.87kJ·mol-1，而正已烷在709.1kPa時的沸點(diǎn)為419K，但由于無法查到419K時的氣化熱數(shù)據(jù)，因此設(shè)計如圖5-13所示的途徑，使正已烷在342K由液體氣化為蒸氣，而不是在實(shí)際溫度419K下汽化。正已烷（液）298K709.1kPa正已烷（氣）573K709.1kPa正已烷（氣）342K101.3kPa正已烷（液）342K101.3kPa正已烷（液）419K709.1kPa正已烷（氣）419K709.1kPa正已烷（氣）298K20kPaΔHm,1ΔHm,2ΔHm,3ΔHm,4ΔHm,5ΔHm,6ΔHm,7ΔHm,8第五節(jié)無化學(xué)反應(yīng)過程的能量衡算

上圖表示從298K液態(tài)正已烷汽化并加熱為573K正已烷蒸氣的幾條可能的途徑。如果已知419K的ΔHv，ΔH可由ΔHm,1＋ΔHm,4＋ΔHm,5＋ΔHm,6計算，如果已知298K的ΔHv，ΔH可由ΔHm,7＋ΔHm,8計算，由于只有342K時的ΔHv，ΔH應(yīng)由ΔHm,1

＋ΔHm,2＋ΔHm,3計算。

查液體正已烷的Cp,m(l)＝215.5kJ·kmol-1·K-1。

ΔHm,1=Cp,m(l)(T2－T1)=215.5×（342－298）×10－3

＝9.482kJ.mol-1

ΔHm,2=ΔHv(342K)

=28.87kJ.mol-1第五節(jié)無化學(xué)反應(yīng)過程的能量衡算氣體正已烷：kJ·kmol-1·K-1

kJ·mol-1

所以每小時的加熱量為8545kJ。kJ·h-1第五節(jié)無化學(xué)反應(yīng)過程的能量衡算

例5-11：濃度為0.50（摩爾分?jǐn)?shù)，下同）的苯、甲苯混合液，溫度為10℃，連續(xù)送入氣化室內(nèi)，在氣化室內(nèi)混合物被加熱至50℃，壓力為34.8mmHg。液相中苯的濃度為0.4，氣相中苯的濃度為0.684，問1kmol進(jìn)料要多少熱量？解：根據(jù)題意畫出流程示意圖氣化室1kmol，10℃0.5kmol苯/kmol

0.5kmol甲苯/kmol

V（

kmol）,50℃,34.8mmHg0.684苯,0.316甲苯

Q(kJ/kmol)L（kmol）,50℃34.8mmHg

0.4苯,0.6甲苯2．相變過程的能量衡算第五節(jié)無化學(xué)反應(yīng)過程的能量衡算由物料衡算求V和L：基準(zhǔn)283K1kmol

，液相由手冊可查得：

Cp（甲苯、液）=157kJ·kmol-1·K-1(273~323K)Cp（苯、液）=165kJ·kmol-1·K-1(273~373K)Cp（苯、氣）=－36.21+48.46×10-2T－31.56×10-5T2(kJ·kmol-1·K-1)Cp（甲苯、氣）=－34.40+55.92×10-2T－34.45×10-5T2(kJ·kmol-1·K-1)ΔHv(苯)=30760

kJ·kmol-1ΔHv(甲苯)=33470kJ·kmol-1第五節(jié)無化學(xué)反應(yīng)過程的能量衡算(1)苯(液)50℃(2)苯(氣)50℃苯(液,10℃)—苯（液，80.26℃）—苯（氣，80.26℃）—苯（氣，50℃）(3)甲苯(液)50℃ΔH2=Cp（甲苯、液）（50－10）=157（50－10）=6280kJ·kmol-1(4)甲苯（氣）50℃甲苯(液,10℃)—甲苯（液，110.8℃）—甲苯（氣，110.8℃）—甲苯（氣，50℃）第五節(jié)無化學(xué)反應(yīng)過程的能量衡算將計算填入進(jìn)出口焓表

物質(zhì)n

進(jìn)/kmolHm,進(jìn),/(kJ·kmol-1)n

出/kmolHm,出/(kJ·kmol-1)苯(液)0.500.2595338甲苯(液)0.500.3896280苯(氣)－－0.24137600甲苯(氣)－－0.11142780總能量衡算Q=ΔH=Σn出Hm,出-Σn進(jìn)Hm,進(jìn)

=(0.259×5338)+(0.389×6280)+(0.241×37600)+(0.111×42780)－0=17630kJ·kmol-1第五節(jié)無化學(xué)反應(yīng)過程的能量衡算三．溶解熱和混合熱1概念

溶解熱是指1mol溶質(zhì)（氣體或固體）于恒溫、恒壓下溶于nmol溶劑中，形成溶液時引起的焓的變化，稱該濃度下溶液的積分溶解熱，記作ΔHs(T,n)。隨著n的增大即溶液的濃度無限稀釋，ΔHs趨于一極限值，稱為無限稀釋積分溶解熱ΔHs(T,∞)?；旌蠠崤c溶解熱有相同的含意，只不過混合熱是指兩種液體混合過程的焓變。第五節(jié)無化學(xué)反應(yīng)過程的能量衡算

2．溶解與混合過程的能量衡算當(dāng)配制、濃縮或稀釋一種溶液，要作熱量衡算，可知能量變化情況?；鶞?zhǔn)：如果溶解與混合過程物料中有純?nèi)苜|(zhì)，宜選用25℃（或已知的其它溫度）溶質(zhì)和溶劑作為計算焓的基準(zhǔn)；如果進(jìn)出口物料是稀溶液，則選無限稀釋的溶液和純?nèi)軇榛鶞?zhǔn)比較好。第五節(jié)無化學(xué)反應(yīng)過程的能量衡算例5-12：鹽酸由氣態(tài)HCl用水吸收而制得，如果用25℃的H2O吸收100℃的HCl氣體，每小時生產(chǎn)40℃、25%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）HCl水溶液2000kg，計算吸收設(shè)備應(yīng)加入或移出多少熱量？解：先作物料衡算，計算HCl（氣體）和H2O（液體）的流率?；鶞?zhǔn)：2000kg25%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）HCl水溶液第五節(jié)無化學(xué)反應(yīng)過程的能量衡算根據(jù)題意畫流程示意圖能量衡算基準(zhǔn)：由于25℃HCl的ΔHs已知，又過程中有純HCl（氣），所以選25℃、HCl(氣)、H2O(液)為基準(zhǔn)。設(shè)HCl帶入的焓為，其過程表示為查出HCl的平均熱容ΔHm,1=29.17×（100－25）×10－3＝2.188kJ·mol-1第五節(jié)無化學(xué)反應(yīng)過程的能量衡算溶解過程的焓變?yōu)棣s，其過程表示為設(shè)HCl水溶液帶出的熱量為，其過程表示為：由手冊查得25%（質(zhì)量）鹽酸的熱容為0.4185kJ·mol-1吸收裝置每小時需移出8.375×105kJ熱量。第六節(jié)化學(xué)反應(yīng)過程的熱量衡算化學(xué)反應(yīng)通常伴隨較大的熱效應(yīng)——吸收熱量或放出熱量，稱為反應(yīng)熱。是由于反應(yīng)物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的改變使分子內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)間的相互作用發(fā)生變化，因而常伴隨著吸熱或放熱現(xiàn)象。為了使化學(xué)反應(yīng)在適宜的溫度下進(jìn)行以達(dá)到適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)化率或使目的產(chǎn)物達(dá)到盡可能高的收率，就要向反應(yīng)系統(tǒng)提供或移出一定的熱量。有關(guān)反應(yīng)熱的定義及標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)熱的定義和計算方法，在第二章化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)有關(guān)章節(jié)中已作較詳細(xì)的介紹，在此不再敘述，直接將反應(yīng)熱結(jié)合到能量衡算中去。第六節(jié)化學(xué)反應(yīng)過程的熱量衡算一、化學(xué)反應(yīng)過程的能量衡算基準(zhǔn)

對于化學(xué)反應(yīng)過程，同反應(yīng)系統(tǒng)中物料的焓變相比，其位能、動能的變化皆可忽略，系統(tǒng)與環(huán)境間一般也無功的傳遞。這樣，反應(yīng)系統(tǒng)的能量衡算就簡化為熱量衡算即焓衡算。

1．基準(zhǔn)一：298K、101.3kPa

各反應(yīng)物及產(chǎn)物狀態(tài)第六節(jié)化學(xué)反應(yīng)過程的熱量衡算

此基準(zhǔn)適合已知標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)熱，且化學(xué)反應(yīng)式單一。對非反應(yīng)物質(zhì)可另選適當(dāng)?shù)臏囟葹榛鶞?zhǔn)（如反應(yīng)器的進(jìn)、出口溫度，或熱容表的參考溫度）。此時反應(yīng)過程的焓差用下式計算：第六節(jié)化學(xué)反應(yīng)過程的熱量衡算例5-13：氨氧化反應(yīng)器的熱量衡算，在25℃、101.3kPa下氨氧化反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)熱為，其氨氧化反應(yīng)式為：4NH3（氣）+5O2（氣）→4NO（氣）+6H2O（氣）現(xiàn)將每小時200molNH3和400molO2在25℃下連續(xù)送入反應(yīng)器，氨在反應(yīng)器內(nèi)全部反應(yīng)，產(chǎn)物于300℃呈氣態(tài)離開反應(yīng)器。如操作壓力為101.3kPa，計算反應(yīng)器所需要輸入或輸出的熱量。解：由物料衡算得到的各組分流率示于流程圖中NH3200mol?h-1O2400mol?h-1

25℃

NO200mol?h-1H2O300mol?h-1O2150mol?h-1300℃第六節(jié)化學(xué)反應(yīng)過程的熱量衡算①輸入物料的焓因進(jìn)口的兩股物料的溫度均為298K，故焓均為零。②輸出物料的焓查表300℃時：O2：

H2O：NO：計算：

基準(zhǔn)：題給的進(jìn)料量，25℃，101.3kPa，物料均為氣態(tài)第六節(jié)化學(xué)反應(yīng)過程的熱量衡算③已知氨的消耗量為200mol?h-1④此過程的焓

即為了維持產(chǎn)物溫度為300℃，每小時需從反應(yīng)器移走39310kJ熱量。第六節(jié)化學(xué)反應(yīng)過程的熱量衡算

當(dāng)一個過程的反應(yīng)為復(fù)雜反應(yīng)體系時，有時會難以寫出發(fā)生在體系中的各個化學(xué)反應(yīng)式，即使能寫出反應(yīng)式，有時也難以確定一種原料參加不同反應(yīng)的量的比例，即各反應(yīng)的選擇性不確定，這時利用第一種基準(zhǔn)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)過程的能量衡算就顯得力不從心。例如石油的催化裂解，反應(yīng)如此之多，以致無法判別出每個單獨(dú)的反應(yīng)，更談不上各反應(yīng)間的比例關(guān)系，標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)熱也無法知道，這時可用下列基準(zhǔn)二求解。第六節(jié)化學(xué)反應(yīng)過程的熱量衡算此時反應(yīng)過程的總焓變用下式計算。

各組分的摩爾焓等于各組分在操作溫度和壓力下的生成焓，即反應(yīng)物或產(chǎn)物的摩爾焓是各物質(zhì)25℃的生成熱與物質(zhì)由25℃變到它進(jìn)口狀態(tài)或出口狀態(tài)所需顯熱和潛熱之和，可以分為單質(zhì)和化合物兩種情況來討論。例，現(xiàn)假定某物質(zhì)處在T溫度下，用第二種基準(zhǔn)計算時，其焓如何計算？①該物質(zhì)為化合物或2.基準(zhǔn)二：25℃，101.3kPa組成反應(yīng)物及產(chǎn)物各穩(wěn)定態(tài)的單質(zhì)為基準(zhǔn)，非反應(yīng)分子以任意適當(dāng)?shù)臏囟葹榛鶞?zhǔn)第六節(jié)化學(xué)反應(yīng)過程的熱量衡算

②該物質(zhì)為穩(wěn)定態(tài)的單質(zhì)或所以第二種基準(zhǔn)中的物質(zhì)，是組成反應(yīng)物和產(chǎn)物的、以自然形態(tài)存在的原子。第六節(jié)化學(xué)反應(yīng)過程的熱量衡算二．典型反應(yīng)器的熱量衡算

⑴絕熱式反應(yīng)器這類反應(yīng)器除了熱量的自然損失外沒有專門的換熱設(shè)施，或者由于反應(yīng)速度很快而無法及時換熱，反應(yīng)過程的熱效應(yīng)將導(dǎo)致反應(yīng)物料溫度的上升或下降，反應(yīng)熱效應(yīng)越大，溫度上升或下降的效果越明顯，所以這類反應(yīng)器只適合于反應(yīng)熱效應(yīng)不大，單程轉(zhuǎn)化率不高的場合。

⑵換熱式反應(yīng)器這類反應(yīng)過程借助與外界換熱，使反應(yīng)維持在合適的溫度條件。在連續(xù)穩(wěn)定的操作條件下，通過能量衡算，算出與外界交換的熱量，為換熱設(shè)備的設(shè)計提供依據(jù)。如果反應(yīng)是吸熱的，就要有蒸汽管道、載熱體、鍋爐或加熱爐；相反的，如果反應(yīng)是放熱的，就要有移熱裝置，如換熱器、冷凝器等。對這種反應(yīng)器主要是計算反應(yīng)過程的總焓差，總焓差即是所需的換熱量。第六節(jié)化學(xué)反應(yīng)過程的熱量衡算例5-15：甲烷和水蒸汽在反應(yīng)器中反應(yīng)，生成H2、CO和CO2。物料衡算結(jié)果列于下表中。設(shè)進(jìn)料和出料均為500℃。求為保持反應(yīng)器恒溫所需的加熱量。組分進(jìn)料/（kmol?h-1）出料/（kmol?h-1）CH4H2O(氣)COCO2H21.002.500000.251.500.50.252.50共計3.505.001.換熱式反應(yīng)器的熱量衡算第六節(jié)化學(xué)反應(yīng)過程的熱量衡算

解：分析反應(yīng)過程，反應(yīng)過程為復(fù)雜反應(yīng)，所以選擇第二種基準(zhǔn)進(jìn)行能量衡算?；鶞?zhǔn)：計算時間基準(zhǔn)為1h，溫度基準(zhǔn)25℃各元素穩(wěn)定單質(zhì)。由已知物料流量表，畫出流程示意圖CH40.25kmol?h-1H2O1.50kmol?h-1CO0.5kmol?h-1CO20.25kmol?h-1

H22.50kmol?h-1500℃CH4

1kmol?h-1

H2O2.50kmol?h-1500℃第六節(jié)化學(xué)反應(yīng)過程的熱量衡算本題中由于進(jìn)出口溫度相同，即同一種物質(zhì)的Hi輸出=Hi輸入，則上式可化成：計算各組分在500℃的焓值CH4：查

H2O：查

第六節(jié)化學(xué)反應(yīng)過程的熱量衡算CO：查

CO2：查

H2：查總焓變應(yīng)為第六節(jié)化學(xué)反應(yīng)過程的熱量衡算2.絕熱式反應(yīng)器的熱量衡算

絕熱反應(yīng)器與外界沒有熱量交換，此時

按第一種基準(zhǔn)計算時，下式成立

按第二種基準(zhǔn)計算時，下式成立第六節(jié)化學(xué)反應(yīng)過程的熱量衡算

由絕熱反應(yīng)器的特征，在化學(xué)反應(yīng)過程中與外界無熱量交換，無論采用哪一種基準(zhǔn)，絕熱反應(yīng)過程進(jìn)出物料的總焓是相等的，但它們的溫度是不同的。當(dāng)化學(xué)反應(yīng)是吸熱反應(yīng)時，即,出料溫度低于進(jìn)料溫度，即出料溫度下降；當(dāng)化學(xué)反應(yīng)是放熱反應(yīng)時，即

出料溫度高于進(jìn)料溫度，即出料溫度上升。對絕熱反應(yīng)過程的熱量衡算，通常是根據(jù)反應(yīng)熱計算物料的出口溫度。第六節(jié)化學(xué)反應(yīng)過程的熱量衡算

例5-16：在絕熱反應(yīng)器中發(fā)生乙醇脫氫生成乙醛的化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)式如下：

C2H5OH(g)→CH3CHO(g)+H2(g)已知標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)熱為：，乙醇蒸氣于300℃進(jìn)入反應(yīng)器，轉(zhuǎn)化率為30%，在該操作溫度范圍內(nèi)各物質(zhì)的平均摩爾熱容值為：C2H5OH(g)：CH3CHO(g)：

H2(g)：求反應(yīng)器出口產(chǎn)物的溫度。第六節(jié)化學(xué)反應(yīng)過程的熱量衡算解：由題意進(jìn)行簡單的物料衡算后將得到的結(jié)果示于流程示意圖反應(yīng)器100molC2H5OH(g)300℃70molC2H5OH(g)30molCH3CHO(g)30molH2(g)T=？℃基準(zhǔn):物料基準(zhǔn)100mol乙醇進(jìn)料溫度基準(zhǔn)第一種基準(zhǔn)25℃，C2H5OH(g)，CH3CHO(g)，H2(g)由第一種基準(zhǔn)，能量衡算式為：25℃反應(yīng)的焓：第六節(jié)化學(xué)反應(yīng)過程的熱量衡算計算各物質(zhì)焓值各物質(zhì)焓值的計算采用以下公式：C2H5OHCH3CHOH2

根據(jù)式（5-38）代入數(shù)據(jù)得：解得：T=111.9℃第七節(jié)穩(wěn)態(tài)流動過程物能聯(lián)合衡算我們分別討論了物料衡算和能量衡算，一般應(yīng)在作能量衡算之前先要作物料衡算；但有時根據(jù)物料衡算式不能直接計算出物料量，還需對物料衡算和能量衡算進(jìn)行聯(lián)立求解。本節(jié)主要討論物料衡算和能量衡算聯(lián)合應(yīng)用的問題。第七節(jié)穩(wěn)態(tài)流動過程物能聯(lián)合衡算一、物能聯(lián)算的一般解法對于任何一個體系，都可以寫出：

1.總的物料算式；

2.每一組分的物料算式；

3.總能量衡算式。二、計算舉例第七節(jié)穩(wěn)態(tài)流動過程物能聯(lián)合衡算

例5-17：某連續(xù)蒸餾塔每小時分離10000kg含40%（質(zhì)量分率，下同）苯、60%氯苯的溶液，進(jìn)料溫度294K，塔頂液體產(chǎn)物為99.5%的苯，塔底(從再沸器出來的物料)含1%苯。冷凝器進(jìn)水溫度為288.6K，出水溫度為333K，再沸器用溫度為411K的飽和水蒸汽加熱，回流比（返回塔頂?shù)囊后w量與取出塔頂液體產(chǎn)物之比）為6:1，設(shè)再沸器和冷凝器均在101.3kPa下操作，冷凝器的計算溫度為354K，再沸器溫度為404K，算得再沸器氣相中苯為3.9%（相當(dāng)于5.5mol%）。計算下列各項：①塔頂產(chǎn)物和塔底產(chǎn)物每小時各為多少kg？②每小時回流多少kg？③進(jìn)再沸器的液體和再沸器的蒸汽每小時各為多少kg？④每小時耗用的水蒸汽和冷卻水各為多少kg？第七節(jié)穩(wěn)態(tài)流動過程物能聯(lián)合衡算解：①根據(jù)題意畫出流程示意圖,并注明已知條件。L/D=6P=101.3kPa泠凝器計算溫度354K再沸器計算溫度404KVb中苯3.9%計算：1D,W2L3Lb4再沸器負(fù)荷冷凝器負(fù)荷第七節(jié)穩(wěn)態(tài)流動過程物能聯(lián)合衡算②已知液態(tài)苯和氯苯的熱容數(shù)據(jù)如下表所示：溫度/KCp/(kJ·kg-1·K-1)Hv

/(kJ·kg-1)氯苯苯氯苯苯2943053223393553723894051.2551.3391.4021.4431.5061.5691.6321.6741.6951.7361.7991.8831.9662.0292.0922.176

325.43313.80302.17292.88

395.18385.97371.92357.73第七節(jié)穩(wěn)態(tài)流動過程物能聯(lián)合衡算基準(zhǔn)：每小時10000kg進(jìn)料總物料衡算F=D+W③整個系統(tǒng)物料衡算10000=D+WW=6040kg·h-1

D=3960kg·h-1

10000×0.4=D×0.995+(10000－D)×0.0110000×0.4=D×0.995+W×0.01苯的衡算FxFi=DxDi+WxWi第七節(jié)穩(wěn)態(tài)流動過程物能聯(lián)合衡算④冷凝器物料衡算LbxLb=6040×0.01+Vb×0.039L/D=6L=6D=6×3960=23760

kg·h-1V=L+D=23760+3960=27720kg·h-1⑤再沸器物料衡算總物料衡算：Lb=W+Vb苯衡算：LbxLb=WxW+VbxVbLb=6040+Vb第七節(jié)穩(wěn)態(tài)流動過程物能聯(lián)合衡算⑥總熱量衡算上式中Q水汽與Q冷凝為未知數(shù)，其它各項均為已知，所