化工計算能量衡算

1、第第四四章章 能量衡算能量衡算第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 第二節(jié)第二節(jié) 能量衡算的基本方法和步驟能量衡算的基本方法和步驟 第三節(jié)第三節(jié) 無化學反應(yīng)過程能量衡算無化學反應(yīng)過程能量衡算第四節(jié)第四節(jié) 化學反應(yīng)過程的能量衡化學反應(yīng)過程的能量衡算算 第五節(jié) 加熱劑、冷卻劑及其他能量消耗加熱劑、冷卻劑及其他能量消耗的計算的計算能量衡算的重要性能量衡算的重要性 影響設(shè)備選型、結(jié)構(gòu)、尺寸設(shè)計及操作；影響經(jīng)濟性。兩類問題兩類問題:設(shè)計型和操作型第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 性質(zhì)性質(zhì)指物料的特性，它可以被測量出來或指物料的特性，它可以被測量出來或 者者可以計算出來。可以計算出來。 幾個概念：幾個概念：強度性質(zhì)強度性質(zhì)不隨組

2、成體系的物料的量的變化而不隨組成體系的物料的量的變化而 變化的性質(zhì)。變化的性質(zhì)。 如T、P、等。 廣延性質(zhì)廣延性質(zhì)（容量性質(zhì)）（容量性質(zhì)）體系性質(zhì)的值等于組成體體系性質(zhì)的值等于組成體 系的各部分相應(yīng)值之和系的各部分相應(yīng)值之和 。如：m、V、H、S、G等等。 41 能量的形式能量的形式 一、動能（一、動能（EK） 物質(zhì)由于宏觀運動而具有的能量。物質(zhì)由于宏觀運動而具有的能量。 221muEK二二 、位能（、位能（EP）（）（勢能）勢能） 通常與內(nèi)能相比，體系通常與內(nèi)能相比，體系EK很小，可忽略。很小，可忽略。 物體由于在高度上位移而具有的能量。物體由于在高度上位移而具有的能量。 mgzEP化工裝置

3、中化工裝置中EP與內(nèi)能相比很小，通?？珊雎耘c內(nèi)能相比很小，通?？珊雎?三、內(nèi)能（三、內(nèi)能（U） 物質(zhì)除了宏觀的動能和勢能外所具有的能量。物質(zhì)除了宏觀的動能和勢能外所具有的能量。 純組分：純組分：U=U（T，V） 取全微分取全微分 dVVUdTTUdUTVTVU0dTCdUV通常很小，則有：通常很小，則有： 我們僅可計算內(nèi)能變化值或計算相對于某個我們僅可計算內(nèi)能變化值或計算相對于某個參考態(tài)的內(nèi)能而無法求參考態(tài)的內(nèi)能而無法求U的絕對值。的絕對值。 2112TTVdTCUU所以所以能量能量 宏觀能量宏觀能量 動能動能 勢能勢能內(nèi)能內(nèi)能 分子勢能分子勢能 鍵能鍵能 分子動能分子動能 平動能平動能 轉(zhuǎn)動

4、能轉(zhuǎn)動能振動能振動能 宏觀能量宏觀能量構(gòu)成體系的物質(zhì)作為一個整體所具有構(gòu)成體系的物質(zhì)作為一個整體所具有 的能量。的能量。內(nèi)能內(nèi)能構(gòu)成體系的微觀粒子（分子）所具有的能量。構(gòu)成體系的微觀粒子（分子）所具有的能量。 42 幾個與能量衡算有關(guān)的重要的物理量幾個與能量衡算有關(guān)的重要的物理量 一、熱量（一、熱量（Q） 為體系和環(huán)境間因有溫差而引起傳遞的能量。為體系和環(huán)境間因有溫差而引起傳遞的能量。 注意：注意：（1）熱量是能量傳遞的一種形式，僅在過程中體）熱量是能量傳遞的一種形式，僅在過程中體現(xiàn)出來，它不是體系的性質(zhì)。熱量無法測量和計現(xiàn)出來，它不是體系的性質(zhì)。熱量無法測量和計算出來（不同過程算出來（不同過

5、程Q不同）。不同）。（2）只有存在溫差時才會有熱量傳遞。）只有存在溫差時才會有熱量傳遞。（3）熱量由環(huán)境向體系傳遞）熱量由環(huán)境向體系傳遞Q0，反之，反之，Q0，反之，反之，WVl，Vg-VlVg，則： 2lnRTHdTPdvlgvVVTHdTdP4）沃森（）沃森（Watson）公式公式 38. 01212)()(TTTTHHCCvv當Tc-T10K時，誤差小于1.8%。 5）標準熔化熱的計算）標準熔化熱的計算 molJHm有機化合物無機化合物金屬元素）mmmTTT5025(2 . 9二、有相變過程的能量衡算舉例二、有相變過程的能量衡算舉例 選定參考態(tài)時，不僅要選參考溫度，還要選參考相態(tài)。通常選

6、已知的溫度和相態(tài)的物流作為參考態(tài)。例題 有一含苯50（mol）、甲苯50的混合液，溫度為10，連續(xù)加入氣化室內(nèi)并被加熱至50 ，壓力34.8mmHg。液相中含苯40(mol)，氣相中含苯68.4，問每 kmol進料需要多少熱量？解；畫解；畫出示意圖出示意圖 汽汽 化化 室室Vkmol,50苯苯68.4，甲苯甲苯31.6Q(kJ/kmol)L kmol ,50苯苯40，甲苯甲苯601kmol 10苯苯50，甲苯甲苯50先作物料衡算，再作能量衡算。（1）物料衡算）物料衡算取1kmol進料混合物為計算基準總物料 1L+V苯 0.50.4L+0.684V聯(lián)立解得 V=0.352kmol, L=0.64

7、8kmol（2）能量衡算能量衡算選取基準： 10液體苯和甲苯為基準 因混合物為同系物，看為理想溶液，忽略混合熱。查資料得；Cp苯（l）62.55+23.4102 T kJ/kmol.KCp甲苯（l）157kJ/kmol.K（050 ）Cp甲苯（l）165kJ/kmol.K（0100 ）Cp苯（g）-36.21+48.46102T 31.5610-5T 2kJ/kmol.KCp甲苯（g）34.40+55.92102T 34.4510-5T 2kJ/kmol.K正常沸點下：kJ/kmol30760Hv苯(80.26 )kJ/kmol33470Hv甲苯(110.8 )進出體系各組分焓值為多少？出體系

8、各組分焓值求取：50 液體苯l5338kJ/kmodTT104 .2355.62dTCp3232832-323283ll）苯（）苯（H50 液體甲苯kJ/kmol62801050157TTCpHl(l)基準）甲苯（甲苯50 氣體苯，正常沸點80.26 ，設(shè)計如下過程：80.26 氣體苯液體苯10 80.26 液體苯50 氣體苯kJ/kmol37600dTT1056.31-T1048.4636.21-30760dT1023.462.55dTCpHdTCpH32326.35325-2-26.3532832-32326.353(g)v26.353283(l)(g)苯苯苯苯甲苯正常沸點110.8 ，設(shè)

9、計如下過程：110.8 液體甲苯110.8 氣體甲苯50 氣體甲苯液體甲苯10 50 氣體甲苯：kJ/kmol42780dTT1045.34-T1055.9234.4-33470108 .110165dTCpH108 .110CpH3238 .38325-2-3238 .383(g)vl(g)甲苯甲苯）甲苯（甲苯分別計算進出口物料的焓值005.005.0Hnii進進kJ1763062806 . 053384 . 0648. 042780316. 037600684. 0352. 0Hnii出出每kmol進料所需熱量QkJ/kmonHnHQiiii進進出出三、利用焓三、

10、利用焓溫圖作能量衡算溫圖作能量衡算 找出某物質(zhì) 的HTP間關(guān)系，制成焓溫圖，由HT圖作能量衡算方便，不足是有HT圖的物質(zhì)較少。HT圖選取參考態(tài)有-129 (200 F)和0兩種，應(yīng)注意查得的H值的零點要一致。利用H-T圖作上述例題，查圖得各狀態(tài)下焓值10 ：H苯（l）=4kcal/kg50 ：H苯（l）=20.5kcal/kg50 ：H苯（g）=121kcal/kg,kmol/kJ18173kmol/kcal29.43414925 . 04785 . 022926 . 05 .20784 . 0648. 011892316. 012178684. 0352. 0HQ10 ：H甲苯(l)4kca

11、l/kg50 :H甲苯(l)22kcal/kg50 ：H甲苯(g)118kcal/kg苯甲苯48 溶解和混合過程溶解和混合過程 一、溶解熱和混合熱一、溶解熱和混合熱 積分溶解熱積分溶解熱1摩爾溶質(zhì)于恒溫恒壓下溶于摩爾溶質(zhì)于恒溫恒壓下溶于n 摩摩 爾溶劑中，形成溶液時焓的變化。爾溶劑中，形成溶液時焓的變化。 溶解及混合過程，會伴隨有能量吸收或放出，這兩種過程的熱分別稱為溶解熱和混合熱。 無限稀釋積分溶解熱無限稀釋積分溶解熱1摩爾溶質(zhì)于恒溫恒壓摩爾溶質(zhì)于恒溫恒壓 下溶于無窮多的溶劑中，形成溶液時焓下溶于無窮多的溶劑中，形成溶液時焓 的變化。的變化?；旌蠠岷腿芙鉄釘?shù)據(jù)可查有關(guān)資料得到。表51（P14

12、2）給出25 鹽酸、燒堿和硫酸溶液的積分溶解熱和積分混合熱。該表取純物質(zhì)（純?nèi)苜|(zhì)和純?nèi)軇榛鶞剩ù藭r焓為零）。BIAO 溶解熱和混合熱 也可選用25 純?nèi)軇┖鸵粋€指定的稀溶液為基準，可與前一種基準下的值進行換算。如：氯化氫的水溶液（n10molH2O/molHCl),該溶液以25 純HCl（g）和純H2O(l)為基準的焓求以25 純H2O(l) 和極稀的HCl溶液(n=106molH2O/molHCl)為基準時該溶液的焓 。SH(n=10)-69.49kJ/molHCl。以25C H2O為基準，（10610）molH2O的焓為零，則上過程的焓變?yōu)橛蒆Cl含量為1mol的極稀溶液變化為10mo

13、lH2O/molHCl溶液的焓差。上問題可看為下面過程:純組分 1mol HCl 106molH2O溶液 1molHCl10molH2O +10610 molH2O（液）25C溶液 1mol HCl 106molH2OH25C25C)10( nSH)(nSH)n(S)10n(SHHHmolHCl/kJ49.69H)10n(S查表51得molHCl/kJ65. 514.7549.69H題目所求H5.65kJ/molHCl。molHClkJHnS14.75二、溶解與混合過程的二、溶解與混合過程的能量衡算（略）能量衡算（略） 可知，nmolH2O/mol溶質(zhì)的溶液的焓為：以25 純?nèi)軇┖蜔o限稀釋的溶

14、液為基準：溶液以25 純?nèi)苜|(zhì)和溶劑為基準)n(HHS)(H)n(HHSS對于溶解和混合過程的熱量衡算，可以列一進出口焓表，過程H即為所求Q。若過程物料有純?nèi)苜|(zhì)，則宜選擇25C（或已知SH的其它溫度）溶質(zhì)和溶劑作為計算焓的基準。 若進出口物料是稀溶液，則宜選擇25C無限稀釋的溶液和純?nèi)軇榛鶞?。T不是25C時，其H可按下法求之：)n(HHS)(H)n(HHSS（1）先由下兩公式求出25C的焓值：（2）再加上25C至tC的焓變。例題 鹽酸由氣態(tài)HCl用水吸收而制得，用100 C 的HCl（氣）和25C的H2O（液），生產(chǎn)40 C、20（質(zhì)量）HCl水溶液1000kg/h,問吸收設(shè)備應(yīng)加入或移出多少

15、熱量？解（1）先作物料衡算，求出進料的物質(zhì)量。hmolhkmolnHCl/5480/480. 55 .36%201000hmolhkmolnOH/44400/400.440 .18%8010002畫出物料流程圖畫出物料流程圖5480molHCl(g)/h,100C44400molH2O(l)/h,25C 吸 收 塔 1000kg/h 20%(w)HCl40C5840molHCl/h44400molH2O/hQ 基準進料有純?nèi)苜|(zhì)，且25C積分溶解熱已知，選取25C純HCl（氣）和H2O（液）為基準。出料的焓值。molHClOmolHmolHClOmolHn221 .8548044400由表51

16、數(shù)據(jù)采用內(nèi)插法求得SHmolHClkJHS/423.6701. 81051005.6449.6949.6925C至40C的焓變：查得20鹽酸溶液的熱容為0.5573kJ/molHCl.KmolHClkJH/360. 8)2540(5573. 0進料物料的焓值：水進料溫度為基準溫度，其焓值為零。molHClkJHHHs/064.59360.8423.67查附錄用內(nèi)插法求HCl 的熱容KmolkJCpHCl./176.2937340029840013.2919.2919.29molHCl/188.2298373176.29kJHHCl進能量衡算kJ/h335661188.254805480064.

17、59HnHnQ 進進出出過程需移出熱量為335661kJ/h.實際是設(shè)計下過程求Q321HHHH1000kg(l)25 20%鹽酸5480molHCl(g) 100 44400H2O(液）25 5480molHCl (g)25 44400H2O(液）25 1000kg(l)40 20%鹽酸H1H2H3H第四節(jié)第四節(jié) 化學反應(yīng)過程的能量衡算化學反應(yīng)過程的能量衡算 49 反應(yīng)熱及其表示反應(yīng)熱及其表示 化學反應(yīng)熱化學反應(yīng)熱在等溫條件下，不作非體積功時反應(yīng)在等溫條件下，不作非體積功時反應(yīng)系統(tǒng)所吸收或放出的熱量。系統(tǒng)所吸收或放出的熱量。一、恒壓反應(yīng)熱一、恒壓反應(yīng)熱Hr 恒溫恒壓下，反應(yīng)物按化學計量式完全

18、反應(yīng)，恒溫恒壓下，反應(yīng)物按化學計量式完全反應(yīng)，物料在反應(yīng)前后的焓差。物料在反應(yīng)前后的焓差。 恒壓下若不作非體積功，則有 QP=Hr aA + bB cC + dD 討論反應(yīng)熱時注意的幾點：討論反應(yīng)熱時注意的幾點： （1）反應(yīng)熱是對一定反應(yīng)方程式而言，又叫）反應(yīng)熱是對一定反應(yīng)方程式而言，又叫1反應(yīng)反應(yīng)摩爾的反應(yīng)熱，即各反應(yīng)物反應(yīng)的摩爾數(shù)和產(chǎn)物生成摩爾的反應(yīng)熱，即各反應(yīng)物反應(yīng)的摩爾數(shù)和產(chǎn)物生成的摩爾數(shù)等于其相應(yīng)的化學計量系數(shù)。的摩爾數(shù)等于其相應(yīng)的化學計量系數(shù)。 （2） 各反應(yīng)物和產(chǎn)物的相態(tài)各反應(yīng)物和產(chǎn)物的相態(tài) 相態(tài)不同，Hr不同 （3）各物質(zhì)所處的狀態(tài)）各物質(zhì)所處的狀態(tài)（溫度壓力濃度等均有影響）A

19、ArnHH二、恒容反應(yīng)熱二、恒容反應(yīng)熱Ur 在恒溫恒容條件下，反應(yīng)物在溫度T時按化學計量關(guān)系完全反應(yīng)后的內(nèi)能變化。)(TUQrV 當氣體為理想氣體時 nRTTHPVTHTUrrr)()()()(氣態(tài)反應(yīng)物）氣態(tài)產(chǎn)物）(iin510 反應(yīng)熱的計算反應(yīng)熱的計算 Hr、Ur的求的求 取僅取決于始終態(tài)。取僅取決于始終態(tài)。 （1）由標準生成熱）由標準生成熱 求取反應(yīng)熱求取反應(yīng)熱標準生成熱標準生成熱在標準狀態(tài)下（298K，101.3千 帕）由穩(wěn)定單質(zhì)生成1摩爾化合物的恒壓反應(yīng)熱。 標準狀態(tài)標準狀態(tài)在溫度為T,壓力為101.3千帕時純物質(zhì)狀態(tài)稱為該物質(zhì)反應(yīng)的標準態(tài)（對氣體還應(yīng)為具有理想氣體性質(zhì)的純氣體）。

20、標準反應(yīng)熱標準反應(yīng)熱在標準狀態(tài)下，反應(yīng)物在溫度T按化學計量關(guān)系完全反應(yīng)后所放出或吸收的熱量能寫出所給物質(zhì)的生成反應(yīng)（例子）。反應(yīng)物生成物)()(000fiifiirHHH（2）由標準燃燒熱）由標準燃燒熱 00rCHH求 標準燃燒熱標準燃燒熱298K，1大氣壓下，各種處于穩(wěn)定狀態(tài)的物質(zhì)進行燃燒反應(yīng)生成燃燒產(chǎn)物時的焓變。稀的水溶液）()()()()(2222HClClgSOSgNNlOHHgCOC對氯化物，若無足夠的H形成氯化氫，則一般添加水作為反應(yīng)物00,2OHCH如： （3）由標準燃燒熱求標準生成熱）由標準燃燒熱求標準生成熱 根據(jù)蓋斯定律，由化學方程式組合根據(jù)由標準燃燒熱求標準反應(yīng)熱 。 具體

21、方法見例516和例517 。會寫物質(zhì)的燃燒反應(yīng)。作業(yè)：C2H2Cl4、C2Cl4CHCl3+1/2O2+H2O （l） CO2+3HCl（稀的水溶液）CCl4+2H2O（l） 2CO2+4HCl（稀的水溶液）產(chǎn)物反應(yīng)物（iCiicirHH)()H000例515 P147148411 化學反應(yīng)過程的能量衡算化學反應(yīng)過程的能量衡算 一、基準的選取一、基準的選取 第一種基準第一種基準 若已知標準反應(yīng)熱，可若已知標準反應(yīng)熱，可取取298K，101.33千帕為反應(yīng)物及產(chǎn)物的計算千帕為反應(yīng)物及產(chǎn)物的計算基準?；鶞?。對非反應(yīng)物可另選適當?shù)臏囟葹榛鶞是筮^程的H。dTCHTpii298nAR過程中消耗或生成的A

22、的摩爾數(shù)（此數(shù)不一 定是進料或出料中A 的摩爾數(shù)。） AA的化學計量系數(shù)。 當過程中有多個反應(yīng)時，上式應(yīng)包含每個反應(yīng)的 ArARHn0A化學方程式中任意一種反應(yīng)物或產(chǎn)物。 輸入輸出（)(0iiiiArARHnHnHnH 注意：每個反應(yīng)只考慮一個反應(yīng)物，nAR應(yīng)為相應(yīng)反應(yīng)消耗的A 的量，A應(yīng)為相應(yīng)反應(yīng)物的化學計量系數(shù)。 輸入輸出項中的ni應(yīng)包括所有的組分（如惰性物質(zhì)）。 計算中注意單位的一致性。（如反應(yīng)熱與熱容單位往往不同。） 取此反應(yīng)在25，1atm的反應(yīng)熱為Hr =-904.6kJ?，F(xiàn)有25的100molNH3/h和200molO2/h連續(xù)進入反應(yīng)器，氨在反應(yīng)器內(nèi)全部反應(yīng)，產(chǎn)物于300呈氣態(tài)

23、離開反應(yīng)器。如操作壓力1atm，計算反應(yīng)器應(yīng)輸入或輸出的熱量。4NH3（g）+5O2（g）= 4NO（g）+6H2O（g）例518氨氧化反應(yīng)式為： 反反 應(yīng)應(yīng) 器器100molNH3/h200molO2/h100molNO/h150molH2O/h75molO2/h25300Q 解：取100molNH3/h進料為計算基準（單位時間）由物料衡算得各個組分流率標于流程圖上 注意，積分式中溫度是用攝氏溫度還是熱力學溫度要由熱容與溫度關(guān)系而定。 ArARHn0=100（-904.6）/4=-22615kJ/h 選取第一種基準，即取298K，101.33千帕反應(yīng)物及產(chǎn)物NH3、O2、NO和H2O的計算基

24、準。由 求出各Hi值。 30025dTCnHnpiii 第二種基準第二種基準 以組成反應(yīng)物及產(chǎn)物的元素以組成反應(yīng)物及產(chǎn)物的元素在在298K298K，101.3101.3千帕時的焓為零。非反應(yīng)物以任千帕時的焓為零。非反應(yīng)物以任意適當?shù)臏囟葹榛鶞?。意適當?shù)臏囟葹榛鶞省?=-22615+（635.25+845.3+1435.5）-0=-19700 kJ/h輸入輸出（)(0iiiiArARHnHnHnH 第二種基準中的基準物質(zhì)是組成反應(yīng)物和產(chǎn)第二種基準中的基準物質(zhì)是組成反應(yīng)物和產(chǎn)物的以自然形態(tài)存在的原子。這時反應(yīng)物或產(chǎn)物物的以自然形態(tài)存在的原子。這時反應(yīng)物或產(chǎn)物的焓的焓H H是各物質(zhì)是各物質(zhì)298K2

25、98K的生成熱與由的生成熱與由298K298K變到其進變到其進出口狀態(tài)的顯熱和潛熱之和。過程總焓變?yōu)椋撼隹跔顟B(tài)的顯熱和潛熱之和。過程總焓變?yōu)椋?298K ，1atm，元元 素素298K， 1atm，化合物化合物T 進進（T出出），），P進進（P出出）化合物）化合物0298fHHHi輸入輸出（)(iiiiHnHnH例519 P151153 看書后講解。注意各化合物的注意各化合物的H H計算應(yīng)包含生成熱的值。計算應(yīng)包含生成熱的值。 建議采用建議采用P152P152表表5252形式計算形式計算 。反應(yīng)過程熱量衡算分為反應(yīng)過程熱量衡算分為 換熱式反應(yīng)器換熱式反應(yīng)器絕熱式反應(yīng)器絕熱式反應(yīng)器dTCHHTp

26、ifii298)298(二、帶換熱的反應(yīng)過程的能量衡算二、帶換熱的反應(yīng)過程的能量衡算 例例520 520 帶換熱的反應(yīng)器，在反應(yīng)器中進行乙醇脫氫帶換熱的反應(yīng)器，在反應(yīng)器中進行乙醇脫氫生成乙醛的反應(yīng)：生成乙醛的反應(yīng)：C C2 2H H5 5OHOH（g g）= CH= CH3 3CHOCHO（g g）+H+H2 2-Q-Q標準反應(yīng)熱為標準反應(yīng)熱為H=68.95kJH=68.95kJ。原料含乙醇原料含乙醇90%90%（mol%mol%）和乙和乙醛醛10%10%（mol%mol%），），進料溫度進料溫度300300，當加入反應(yīng)器的熱量為，當加入反應(yīng)器的熱量為5300kJ/100mol5300kJ/1

27、00mol進料，產(chǎn)物出口溫度為進料，產(chǎn)物出口溫度為265265。計算反應(yīng)器中乙醇的轉(zhuǎn)化率。已知熱容的值為：計算反應(yīng)器中乙醇的轉(zhuǎn)化率。已知熱容的值為： C C2 2H H5 5OHOH（g g）：）：C Cp p=0.110kJ/mol.K=0.110kJ/mol.K CH CH3 3CHOCHO（g g）：）：C Cp p=0.080kJ/mol.K=0.080kJ/mol.K H H2 2（g g）：）：Cp=0.029kJ/mol.KCp=0.029kJ/mol.K 并假定這些熱容值都是常數(shù)。并假定這些熱容值都是常數(shù)。解：取解：取100mol100mol進料為計算基準進料為計算基準由物料衡

28、算得各個組分量標于流程圖上相應(yīng)位置由物料衡算得各個組分量標于流程圖上相應(yīng)位置反反 應(yīng)應(yīng) 器器90molC90molC2 2H H5 5OHOH10molCH10molCH3 3CHOCHOn n1 1molCmolC2 2H H5 5OHOHn n2 2molCHmolCH3 3CHOCHOn n3 3molHmolH2 2300300265265Q=5300kJ/100mol Q=5300kJ/100mol 三個未知數(shù)，只能列兩個物料衡算式，需借助能三個未知數(shù)，只能列兩個物料衡算式，需借助能量衡算式求解，為一物能聯(lián)算問題。量衡算式求解，為一物能聯(lián)算問題。（1 1）對）對C C元素列式：元素列

29、式：90902+102+102=2n2=2n1 1+2n+2n2 2 整理得：整理得： n n1 1+n+n2 2=100=100（2 2）對）對H H元素列式：元素列式： 90906+106+104=6n4=6n1 1+4n+4n2 2+2n+2n3 3 整理得：整理得： 3n3n1 1+2n+2n2 2+n+n3 3=290=290（3 3）能量衡算）能量衡算 取第一種基準。取第一種基準。進料進料C C2 2H H5 5OHOH（g g）：）：C Cp p=0.110kJ/mol.K=0.110kJ/mol.K進料：進料： H H C2H5OH C2H5OH =0.110=0.110（30

30、0-25300-25）=30.3kJ/mol=30.3kJ/molH H CH3CHO CH3CHO =0.08=0.08（300-25300-25）=22.0kJ/mol=22.0kJ/mol出料：出料：H H C2H5OH C2H5OH =0.110=0.110（265-25265-25）=26.4kJ/mol=26.4kJ/molH H CH3CHO CH3CHO =0.08=0.08（265-25265-25）=19.2kJ/mol=19.2kJ/molH H H2H2=0.029=0.029（265-25265-25）=7.0kJ/mol=7.0kJ/mol輸入輸出（)(0iiiiA

31、rARHnHnHnH26.4n26.4n1 1+19.2n+19.2n2 2+76.0n+76.0n3 3=8247 =8247 （3 3）聯(lián)立求解（聯(lián)立求解（1 1）（）（2 2）（）（3 3）得：）得：n n1 1=7.5mol=7.5moln n2 2=92.5mol =92.5mol n n1 1=82.5mol=82.5mol乙醇轉(zhuǎn)化率：乙醇轉(zhuǎn)化率：x=(90-7.5)/90=91.7%x=(90-7.5)/90=91.7%5300=n5300=n3 3 68.95+ 68.95+（26.4n26.4n1 1+19.2n+19.2n2 2+7.0n+7.0n3 3） （90 90 3

32、0.3+1030.3+10 22.0 22.0）三、絕熱反應(yīng)器的能量衡算三、絕熱反應(yīng)器的能量衡算 設(shè)備與外界無熱交換設(shè)備與外界無熱交換( (除進出物料帶入帶出除進出物料帶入帶出Q Q外無其它熱交換外無其它熱交換) )，故，故Q=H=0Q=H=0。PTPTHH. 21.輸出。輸入例例5-21 P1545-21 P154155 155 由于反應(yīng)單一，且標準反應(yīng)熱求取方便，故由于反應(yīng)單一，且標準反應(yīng)熱求取方便，故仍取第一種基準。仍取第一種基準。1212,0,0TTHTTHrr放熱反應(yīng)：吸熱反應(yīng)：已知已知T T進進、進出物料（、進出物料（x x） T T出出 已知已知T T進進、 T T出出進料（進料

33、（x x） 出料（出料（x x）已知已知T T出出、進出物料（、進出物料（x x） T T進進 已知已知T T進進、 T T出出出料（出料（x x） 進料進料 絕熱過程通常通過熱量衡算求進出物料組成及進絕熱過程通常通過熱量衡算求進出物料組成及進出口溫度。出口溫度。例：一連續(xù)操作反應(yīng)器，已知僅有反應(yīng)例：一連續(xù)操作反應(yīng)器，已知僅有反應(yīng) A+2B4C+5D A+2B4C+5D 反應(yīng)器進料只有反應(yīng)器進料只有A A和和B B且配比符合化學計量比，進料且配比符合化學計量比，進料溫度溫度100100，A A的轉(zhuǎn)化率為的轉(zhuǎn)化率為50%50%，出反應(yīng)器的物料溫，出反應(yīng)器的物料溫度為度為300300。求過程所需移

34、出或移入的熱量。求過程所需移出或移入的熱量。已知：已知：H H0 0fAfA（298298）=40kJ/mol=40kJ/mol， H H0 0fBfB（298298）=0kJ/mol=0kJ/mol， H H0 0fCfC（298298）=-20kJ/mol=-20kJ/mol，H H0 0fDfD（298298）=20kJ/mol=20kJ/mol C CPAPA=10 kJ/=10 kJ/kmol.Kkmol.K， C CPBPB=15 kJ/=15 kJ/kmol.Kkmol.K， C CPCPC=5 kJ/=5 kJ/kmol.Kkmol.K， C CPDPD=4 kJ/=4 kJ/

35、kmol.Kkmol.K。解：取解：取100kmolA/h100kmolA/h進料進料 為計算基準。物料衡算結(jié)果為計算基準。物料衡算結(jié)果標注于圖上。標注于圖上。反反 應(yīng)應(yīng) 器器100kmolA/h 100kmolA/h 200kmolB/h200kmolB/h50kmolA/h50kmolA/h100kmolB/h100kmolB/h200kmolC/h20200kmolC/h20250kmolD/h250kmolD/h100100300300Q Q 取第一種能量衡算基準，取第一種能量衡算基準， H0r=205+（20）4140=20kJ/molH H反反=n=nARARH H0 0r r/A

36、 A=50=5010001000（2020） =-1000000kJ/h=-1000000kJ/h（n ni iH Hi i）入入= =（n ni iCpiCpi（T T298298）入入= =（10010010+20010+2001515）（）（373373298298）=300000kJ/h=300000kJ/h（n ni iH Hi i）出出= =（n ni iCpiCpi（T T298298）出出 = =（505010+10010+10015+20015+2005+2505+2504 4） （573573298298） =1100000kJ/h=1100000kJ/hH=H=10000

37、00+11000001000000+1100000300000=300000=200000kJ/h200000kJ/h反應(yīng)器需移出熱量反應(yīng)器需移出熱量200000kJ/h200000kJ/h。選取能量衡算的第二種基準。選取能量衡算的第二種基準。dTCHHTpifii298)298(H HA A進進= =H H0 0fAfA（298298）+ C+ CPAPA（T T進進298298） =40=401000+101000+10（373373298298） =40750kJ/kmol=40750kJ/kmolH HB B進進= =H H0 0fBfB（298298）+ C+ CPBPB（T T進進

38、298298） =0+15=0+15（373373298298） =1125kJ/kmol=1125kJ/kmolH HA A出出= =H H0 0fAfA（298298）+ C+ CPAPA（T T出出298298） =40=401000+101000+10（573573298298） =42750kJ/kmol=42750kJ/kmolH HB B出出= =H H0 0fBfB（298298）+ C+ CPBPB（T T出出298298） =0=0+15+15（573573298298） =4125kJ/kmol=4125kJ/kmolH HC C出出= =H H0 0fCfC（29829

39、8）+ C+ CPCPC（T T出出298298） =-20=-201000+51000+5（573573298298） =-18625kJ/kmol=-18625kJ/kmolH=H=（n ni iH Hi i）出出（n ni iH Hi i）入入 = =（505042750+10042750+1004125+2004125+200（1862518625） +250+2502110021100）（）（10010040750+20040750+20011251125） = =200000kJ/h200000kJ/h。反應(yīng)器需移出熱量反應(yīng)器需移出熱量200000kJ/h200000kJ/h。H

40、HD D出出= =H H0 0fDfD（298298）+ C+ CPDPD（T T出出298298） =20=201000+41000+4（573573298298） =21100kJ/kmol=21100kJ/kmoln作業(yè)：有一反應(yīng)作業(yè)：有一反應(yīng)A A（g g）+2B+2B（g g）3C3C（g g）在一絕在一絕熱式反應(yīng)器中進行，已知原料混合物只含熱式反應(yīng)器中進行，已知原料混合物只含A A和和B B，且且配比等于化學計量比，又知配比等于化學計量比，又知A A的轉(zhuǎn)化率為的轉(zhuǎn)化率為100%100%，產(chǎn)，產(chǎn)物混合物出反應(yīng)器的溫度為物混合物出反應(yīng)器的溫度為1200K1200K。求原料混合物求原料混

41、合物進反應(yīng)器的溫度為多少？進反應(yīng)器的溫度為多少？n已知：已知：CpCpA A=30kJ/kmolK=30kJ/kmolK，CpCpB B=40 kJ/=40 kJ/kmolKkmolK，nCpCpC C=70 kJ/=70 kJ/kmolKkmolK；nHHC C， A A=0=0，HHC C， B B=-170kJ/mol=-170kJ/mol，nHHC C ，C C=-120 kJ/mol=-120 kJ/mol。解：解：取取100kmolA/h100kmolA/h進料進料 為計算基準。物料衡算為計算基準。物料衡算結(jié)果標注于圖上。結(jié)果標注于圖上。n取取第一種計算基準第一種計算基準反反 應(yīng)應(yīng)

42、 器器100kmolA/h 100kmolA/h 200kmolB/h200kmolB/h300kmolC/h300kmolC/hT T？1200K1200K輸入輸出（)(0iiiiArARHnHnHnHn絕熱過程絕熱過程molkJHHiCiicir20120301702)()H000產(chǎn)物反應(yīng)物（TTTHnHnHnHiiiiArAR110002422000029840200298301002981200703002010100)(30輸入輸出（0HKTT220211000242200000第五節(jié)第五節(jié) 加熱劑、冷卻劑及其他能量消耗的加熱劑、冷卻劑及其他能量消耗的計算計算n4 4-12-12常用

43、加熱劑和冷卻劑常用加熱劑和冷卻劑n常用加熱劑有熱水、飽和水蒸汽常用加熱劑有熱水、飽和水蒸汽( (低壓、高壓低壓、高壓) )、導、導熱油、道生液、煙道氣和熔鹽等；熱油、道生液、煙道氣和熔鹽等；n常用冷卻劑有空氣、冷卻水、冰和冷凍鹽水等。常用冷卻劑有空氣、冷卻水、冰和冷凍鹽水等。n1 1、加熱劑和冷卻劑的選用原則、加熱劑和冷卻劑的選用原則n在較低壓力下可達到較高溫度；在較低壓力下可達到較高溫度；n化學穩(wěn)定性高；化學穩(wěn)定性高；2 2、常用加熱劑和冷卻劑的性能特點和物性參數(shù)、常用加熱劑和冷卻劑的性能特點和物性參數(shù)見表見表5-45-4n無腐蝕；無腐蝕；n熱容量大；熱容量大；n冷凝熱大；冷凝熱大；n無火災(zāi)

44、和爆炸危險；無火災(zāi)和爆炸危險；n無毒性；無毒性；n溫度易于調(diào)節(jié)；溫度易于調(diào)節(jié)；n價格低廉；價格低廉；4 4-13-13加熱劑和冷卻劑消耗量的計算加熱劑和冷卻劑消耗量的計算n1 1、水蒸氣的消耗量、水蒸氣的消耗量n(1) (1) 間接蒸汽加熱時的蒸汽消耗量間接蒸汽加熱時的蒸汽消耗量n若以若以0 0為基準溫度為基準溫度式中：式中：Q Q2 2由蒸汽傳遞給物料及設(shè)備的熱量，由蒸汽傳遞給物料及設(shè)備的熱量，kJkJ或或kJkJ h h-1-1; ;HH蒸汽的焓蒸汽的焓,kJ,kJ kgkg-1-1; ;C Cp p冷凝水的定壓比熱冷凝水的定壓比熱, ,取取4.18kJ4.18kJ kgkg-1-1 -1

45、-1; ;TT冷凝水的溫度冷凝水的溫度, ,; ; 熱效率。保溫設(shè)備取熱效率。保溫設(shè)備取0.970.970.98;0.98;不保溫設(shè)備取不保溫設(shè)備取0.930.930.950.95。TCHQWP2(2) (2) 直接蒸汽加熱時水蒸汽的消耗量直接蒸汽加熱時水蒸汽的消耗量n若以若以0 0為基準溫度為基準溫度 式中式中 T Tk k被加熱液體的最終溫度，被加熱液體的最終溫度，。KPTCHQW22 2、冷卻劑的消耗量、冷卻劑的消耗量n水、冷凍鹽水和空氣均為常用的冷卻劑，其消耗量水、冷凍鹽水和空氣均為常用的冷卻劑，其消耗量可用下式計算可用下式計算 式中：式中： WW冷卻劑的消耗量，冷卻劑的消耗量，kgk

46、g或或kgkg h h-1-1； C Cp p冷卻劑的平均定壓比熱，冷卻劑的平均定壓比熱，kJkJ kgkg-1-1 -1-1； T T1 1冷卻劑的初溫，冷卻劑的初溫，； T T2 2冷卻劑的終溫，冷卻劑的終溫，。 一般水的定壓比熱可取一般水的定壓比熱可取4.18kJ4.18kJ kgkg-1-1 -1-1，空氣的定壓，空氣的定壓比熱可取比熱可取1.01kJ1.01kJ kgkg-1-1 -1-1122TTCQWP表表5-5 5-5 氯化鈉水溶液的定壓比熱氯化鈉水溶液的定壓比熱溫度/oCNaCl 的質(zhì)量百分數(shù)/%0102030405024.0464.0574.0734.0894.1044.1

47、1763.8683.8783.8923.9053.9203.934103.7093.7223.7383.7483.7603.769143.5743.5853.6023.6083.6163.629183.4593.4703.4843.4923.5003.509223.3553.3633.3743.3823.3903.399263.2533.2623.2663.2783.2833.2915-145-14燃料消耗量的計算燃料消耗量的計算n式中式中: :nGG燃料的消耗量燃料的消耗量,kg,kg或或kgkg h h-1-1; ;n 燃燒爐的熱效率燃燒爐的熱效率, ,一般燃燒爐的一般燃燒爐的 值可取值可

48、取0.30.30.5,0.5,鍋爐鍋爐的的 值可取值可取0.60.60.92;0.92;nQpQp燃料發(fā)熱量燃料發(fā)熱量,kJ,kJ kgkg-1-1。表表5-6 5-6 幾種燃料的發(fā)熱量幾種燃料的發(fā)熱量 p2QQG燃料名稱褐煤煙煤無煙煤燃料油天然氣發(fā)熱量/kJkg-184001460014600335001460029300406004310033500377005-15電能的消耗量的計算電能的消耗量的計算n式中式中nEE電能的消耗量電能的消耗量,kWh(1kWh=3600kJ),kWh(1kWh=3600kJ)；n 電熱裝置的熱效率電熱裝置的熱效率, ,一般可取一般可取0.850.850.9

49、50.95。3600QE25-16壓縮空氣的消耗量的計算壓縮空氣的消耗量的計算n一般壓縮空一般壓縮空氣的消耗量氣的消耗量折算成常壓折算成常壓(1.013(1.013 10105 5P Pa)a)下的空氣下的空氣體積或體積體積或體積流量。流量。n（1 1）壓送液體時，壓縮空氣在設(shè)備內(nèi)所需壓強）壓送液體時，壓縮空氣在設(shè)備內(nèi)所需壓強220udllghPPel le e管路系統(tǒng)全部管件、閥門以及進、出口等管路系統(tǒng)全部管件、閥門以及進、出口等的當量之和的當量之和1 1、壓送液體物料時壓縮空氣的消耗量、壓送液體物料時壓縮空氣的消耗量(2)(2)每次操作均將設(shè)備中的液體全部壓完時的壓縮空氣每次操作均將設(shè)備中

50、的液體全部壓完時的壓縮空氣消耗量消耗量以常壓以常壓(1.013(1.013 105Pa)105Pa)下的空氣體積計，一次操下的空氣體積計，一次操作所需的壓縮空氣消耗量為作所需的壓縮空氣消耗量為5Tb10013.1PVV式中式中 V Vb b一次操作所需的壓縮空氣體積，一次操作所需的壓縮空氣體積，m m3 3 次次-1-1；V VT T設(shè)備容積，設(shè)備容積，m m3 3； PP壓縮空氣在設(shè)備內(nèi)建立的壓強，壓縮空氣在設(shè)備內(nèi)建立的壓強，PaPa。 若每天壓送物料的次數(shù)為若每天壓送物料的次數(shù)為n n，則每天操作所，則每天操作所需的壓縮空氣體積需的壓縮空氣體積n式中式中V Vd d每天操作所需壓縮空氣體積

51、每天操作所需壓縮空氣體積,m,m3 3 d d-1-1。n 每小時操作所需的壓縮空氣體積為每小時操作所需的壓縮空氣體積為式中式中V Vh h每小時操作所需壓縮空氣體積每小時操作所需壓縮空氣體積,m,m3 3 h h-1-1。 每次壓送液體所持續(xù)的時間，每次壓送液體所持續(xù)的時間，h h。bdnVVbhVV(2) (2) 每次操作僅將設(shè)備中的部分液體壓出時的每次操作僅將設(shè)備中的部分液體壓出時的壓縮空氣消耗量壓縮空氣消耗量n式中式中 設(shè)備的裝料系數(shù)；設(shè)備的裝料系數(shù)；n V V1 1每次壓送的液體體積，每次壓送的液體體積，m m3 3。n 每天或每小時操作所需的壓縮空氣體積與前同。每天或每小時操作所需

52、的壓縮空氣體積與前同。P10013. 1V)1 (VV51Tb2 2、攪拌液體時壓縮、攪拌液體時壓縮空氣的消耗量空氣的消耗量n壓縮空氣的最壓縮空氣的最低壓強低壓強 P P1.21.2gh+Pgh+P0 0n管路阻力按液管路阻力按液柱高度的柱高度的2020計。計。壓縮空氣消耗量為壓縮空氣消耗量為式中式中 KK系數(shù)，緩和攪拌取系數(shù)，緩和攪拌取2424，中等強度攪，中等強度攪拌取拌取4848，強烈攪拌取，強烈攪拌取6060；AA被攪拌液體的橫截面積，被攪拌液體的橫截面積，m m2 2； 一次攪拌操作持續(xù)的時間，一次攪拌操作持續(xù)的時間，h h。5b10013. 1PKAV5-175-17真空抽氣量的計

53、算真空抽氣量的計算n1 1、抽吸液體物料、抽吸液體物料n一次抽吸操作所需的抽氣量為一次抽吸操作所需的抽氣量為P Pk k設(shè)備中的剩余壓強，設(shè)備中的剩余壓強，PaPa。)10013.1Pln(VV5kTb2 2、真空抽濾、真空抽濾CAVbCC經(jīng)驗常數(shù)，可取經(jīng)驗常數(shù)，可取15151818；AA真空過濾器的過濾面積，真空過濾器的過濾面積，m m2 2； 一次抽濾操作持續(xù)的時間，一次抽濾操作持續(xù)的時間，h h。3 3、真空蒸發(fā)、真空蒸發(fā)n（1 1）間壁式冷凝器）間壁式冷凝器hhh5hD01. 0D01. 0D105 . 2G式中式中G Gh h從冷凝器抽走的空氣量，從冷凝器抽走的空氣量，kgkg h

54、h-1-1； D Dh h進入冷凝器的蒸汽量，進入冷凝器的蒸汽量，kgkg h h-1-1。 以標準狀態(tài)下的空氣體積計，每小時應(yīng)從冷以標準狀態(tài)下的空氣體積計，每小時應(yīng)從冷凝器抽走的空氣體積為凝器抽走的空氣體積為h353h00hhD1073. 7 10013. 115.273314. 82910D01. 0 PRTMGV (2) (2) 直接混合式冷凝器直接混合式冷凝器 以標準狀態(tài)下的空氣體積計，每小時應(yīng)從冷凝以標準狀態(tài)下的空氣體積計，每小時應(yīng)從冷凝器抽走的空氣體積為器抽走的空氣體積為 式中式中 W Wh h進入冷凝器的冷卻水量，進入冷凝器的冷卻水量，kgkg h h-1-1。 hhh5hD01

55、. 0)WD(105 . 2Gh3hh500hhD1073.7)WD(1093.1PRTMGV4 4、建立真空時每小時需抽走的空氣體積、建立真空時每小時需抽走的空氣體積5 5、維持真空所需抽氣量、維持真空所需抽氣量式中式中 抽氣時間，抽氣時間，h h； P P1 1設(shè)備內(nèi)的初始壓強，設(shè)備內(nèi)的初始壓強，PaPa； P P2 2設(shè)備內(nèi)的終了壓強，設(shè)備內(nèi)的終了壓強，PaPa。21ThPPlnVV)GG(KG21hG Gh h真空系統(tǒng)的氣體泄漏量真空系統(tǒng)的氣體泄漏量,kg,kg h h-1-1; ;G G1 1由真空系統(tǒng)容積確定的氣體泄漏量由真空系統(tǒng)容積確定的氣體泄漏量,kg,kg h h-1-1;

56、;G G2 2真空系統(tǒng)中各連接件的氣體泄漏量之和真空系統(tǒng)中各連接件的氣體泄漏量之和,kg,kg h-h-1 1; ;KK校正系數(shù)。密封性能較好的小型裝置校正系數(shù)。密封性能較好的小型裝置,K,K值取值取0.50.50.75;0.75;密密封性能較差及有腐蝕的裝置封性能較差及有腐蝕的裝置,K,K值取值取2 23 3。真空系統(tǒng)中常見連接件的氣體泄漏量如下表真空系統(tǒng)中常見連接件的氣體泄漏量如下表連接件或部件名稱平均泄漏量/kgh-1連接件或部件名稱平均泄漏量/kgh-1Dg500.045視鏡0.45aaa絲扣連接Dg500.09Dg1500.23玻璃液位計(含旋塞)0.91150 Dg600(含人孔)

57、0.36帶液封填料箱的攪拌器、泵軸等0.14600 Dg18000.5法蘭連接Dg18000.91普通填料箱(以每mm軸徑計)0.027d150.23 閥門(有密封圈)d150.45安全閥、放氣口(以每mm公稱直徑計)0.018潤滑旋塞0.045普通2.3泄放用小型旋塞0.09軸封十分嚴密0.51計算應(yīng)考慮輸送過程中的損失。通常的做法是計算應(yīng)考慮輸送過程中的損失。通常的做法是將所求得的能量消耗再乘上適當?shù)哪芎南禂?shù)。將所求得的能量消耗再乘上適當?shù)哪芎南禂?shù)。能耗系數(shù)能耗系數(shù) n計算，可確定每噸產(chǎn)品的各種能量消耗定額、每小計算，可確定每噸產(chǎn)品的各種能量消耗定額、每小時的最大用量、日消耗量和年消耗量，

58、最后可編制時的最大用量、日消耗量和年消耗量，最后可編制出能耗一覽表，出能耗一覽表，名 稱水水蒸汽冷凍鹽水 壓縮空氣 真空抽氣 量能耗系數(shù)1.201.251.201.301.30名 稱規(guī) 格單 位每 噸 產(chǎn) 品 消 耗 定 額 每 小 時 最 大 用 量 日 消 耗 量年 消 耗 量備 注23456789第一章 因次與單位 n1、概念：因次、因次式、單位、基本單位、單位制度，國際單位制的基本單位和輔助單位，米制中絕對單位制和工程單位制及其區(qū)別。n2、 單位換算單位換算的名詞解釋、換算方法，具體單位換算 第二章第二章 化工過程及過程參數(shù)化工過程及過程參數(shù)n1、概念：化工計算、化工過程、單元操作、流

59、程圖、化工過程開發(fā)、過程參數(shù)、溫度、溫標、干基和濕基。2、四種溫標的零點及分度方法，各種溫標的換算關(guān)系及換算。 3、物料的百分組成，表示方法及各種組成表示方法間的換算4、干基與濕基組成間的換算第三章化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)第三章化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)n1、常用的獲取物性數(shù)據(jù)的方法。 n2、由壓縮因子結(jié)合理想氣體狀態(tài)方程進行真實氣體的有關(guān)計算 3、熱容的定義，平均熱容與真熱容的關(guān)系，怎樣由平均CP求過程的QP,注意的問題。第四章第四章 物料衡算物料衡算 n1、化工操作的類型 穩(wěn)定操作、不穩(wěn)定操作、連續(xù)操作、間歇操作和半連續(xù)操作的定義及特點。n2、體系、環(huán)境、邊界的定義，物料衡算的依據(jù)，有幾種物料衡算式，內(nèi)容及使用條件、注意問題。 n3、畫物料流程簡圖的步驟