化工計算能量衡算

化工計算能量衡算第一頁，共六十二頁，2022年，8月28日一、能量的形式動能(EK)位能(EP)EP=mgZ內(nèi)能(U)U=U(T,V)第二頁，共六十二頁，2022年，8月28日二、幾個重要的物理量熱量(Q)由于溫差而引起的能量交換叫熱量。功(W)力與位移的乘積。常見的有體積功、流動功、旋轉軸的機械功環(huán)境向體系作的功為正，反之為負。熱量和功是傳遞性質，與路徑有關。第三頁，共六十二頁，2022年，8月28日焓(H)H=U+PV=H(T,P)U和H都是狀態(tài)函數(shù)，與過程的路徑無關，只與所處的狀態(tài)有關。第四頁，共六十二頁，2022年，8月28日熱容Q=mCΔTdQ=mC(T)dT第五頁，共六十二頁，2022年，8月28日恒壓過程恒容過程第六頁，共六十二頁，2022年，8月28日恒壓過程，Q=ΔH=mCpΔT第七頁，共六十二頁，2022年，8月28日三、能量衡算的基本方法及步驟基本方法能量守恒定律：輸入的能量-輸出的能量=積累的能量使用范圍：總的能量適用，部分能量不一定適用第八頁，共六十二頁，2022年，8月28日物料流動示意圖1Z12Z2U1u1P1A1U2u2P2A2第九頁，共六十二頁，2022年，8月28日輸入輸出能量列表輸入輸出內(nèi)能U1U2動能EK1=u12/2EK2=u22/2位能Ep1=gZ1Ep2=gZ2流動功P1V1P2V2物料量m1=1m2=1傳入熱量Q泵的輸入功W第十頁，共六十二頁，2022年，8月28日能量衡算(基本公式)U1+u12/2+gZ1+P1V1+Q+W=U2+u22/2+gZ2+P2V2H1+u12/2+gZ1+Q+W=H2+u22/2+gZ2ΔU+Δu2/2+gΔZ+Δ(PV)=Q+WΔH+Δu2/2+gΔZ=Q+W或ΔH+ΔEK+ΔEP=Q+W

第十一頁，共六十二頁，2022年，8月28日特殊過程能量衡算式的簡化一般情況ΔEK=ΔEP≈0絕熱過程(Q=0)ΔH=W無做功過程(W=0)ΔH=Q無功、無熱量傳遞過程(Q=0,W=0)ΔH=0間歇過程Δ(PV)=0ΔU=Q+W第十二頁，共六十二頁，2022年，8月28日能量衡算的基本步驟建立以單位時間為基準的物料流程圖(衡算表)標明物流的溫度、壓力、相態(tài)、組分的焓值選基準溫度(0℃或25℃)根據(jù)熱量的基本衡算式列熱量衡算式并求解列熱量衡算表第十三頁，共六十二頁，2022年，8月28日相變過程的能量衡算相變熱汽化潛熱(ΔHv)熔化潛熱(ΔHm)升華潛熱(ΔHs)相變熱隨相變溫度的變化而變化，但變化很微小，可以近似看作常數(shù)。第十四頁，共六十二頁，2022年，8月28日相變熱的估算方法Trouton法則(汽化熱，沸點法，誤差30%)ΔHv=bTb

kJ/mol（b=0.088(非極性液體)，0.109(水、低碳醇)）Chen方程(汽化熱，烴類、弱極性化合物，4%)J/mol第十五頁，共六十二頁，2022年，8月28日Kistiakowsky方程(汽化熱，一元醇和一元羧酸,3.0%)Clausius—Clapeyron方程第十六頁，共六十二頁，2022年，8月28日Watson公式(已知T1時ΔHv，求T2時ΔHv)標準熔化熱ΔHm（J/mol)≈9.2Tm(用于金屬元素)≈25Tm(用于無機化合物)≈50Tm(用于有機化合物)第十七頁，共六十二頁，2022年，8月28日理想氣體熱容的估算第十八頁，共六十二頁，2022年，8月28日第十九頁，共六十二頁，2022年，8月28日第二十頁，共六十二頁，2022年，8月28日芳香基團第二十一頁，共六十二頁，2022年，8月28日含氧基團第二十二頁，共六十二頁，2022年，8月28日含氮基團第二十三頁，共六十二頁，2022年，8月28日含硫和鹵素基團第二十四頁，共六十二頁，2022年，8月28日成環(huán)的貢獻(僅對環(huán)狀化合物)第二十五頁，共六十二頁，2022年，8月28日反應熱的表示恒壓反應熱(焓) 在恒溫恒壓下，反應物按照化學計量式完全反應，物料在反應前后的焓差被稱為恒壓反應熱或反應焓，以ΔHr表示。恒容反應熱在恒溫恒容下，反應物在溫度T時按照化學計量式完全反應，物料在反應前后的內(nèi)能的變化被稱為恒容反應熱，以ΔUr(T)表示。第二十六頁，共六十二頁，2022年，8月28日ΔUr(T)=ΔHr-ΔnRTΔn=Σμi(氣態(tài)產(chǎn)物)-Σμi(氣態(tài)反應物)第二十七頁，共六十二頁，2022年，8月28日反應熱的計算由標準生成熱計算標準反應熱由標準燃燒熱計算標準反應熱第二十八頁，共六十二頁，2022年，8月28日連續(xù)穩(wěn)定體系的總能量衡算每小時500千克蒸汽驅動渦輪。進渦輪的蒸汽為44atm、450℃，線速度為60m／s，蒸汽離開渦輪的部位在渦輪進口位置以下5m，常壓，速度為360m／s。渦輪作軸功700kW，禍輪的熱損失佑計為104kcal／h，計算過程焓的變化(kJ／kg)。第二十九頁，共六十二頁，2022年，8月28日流程圖500kg/h44atm,450℃60m/s5m500kg/h1atm,360m/sQ=-104kcal/hW=-700kW第三十頁，共六十二頁，2022年，8月28日解題過程物料衡算m=500/3600=0.139kg/s能量衡算第三十一頁，共六十二頁，2022年，8月28日第三十二頁，共六十二頁，2022年，8月28日廢熱鍋爐的能量衡算甲醇蒸氣離合成設備時的溫度為450℃，經(jīng)廢熱鍋爐冷卻。廢熱鍋爐產(chǎn)生4.5atm飽和蒸汽。已知進水溫度20℃，壓力4.5atm。進料水與甲醇的摩爾比為0.2。假設鍋爐是絕熱操作，求甲醇的出口溫度。第三十三頁，共六十二頁，2022年，8月28日流程圖20℃0.2molH2O4.5atm1molCH3OH(汽)450℃0.2molH2O(汽)4.5atm飽和1molCH3OH(汽)T=？℃第三十四頁，共六十二頁，2022年，8月28日基準：1molCH3OH,0.2molH2O條件：H2O(液)0℃，CH3OH(汽)450℃查熱容和焓值：Cp,甲醇=19.05+9.15×10-2TkJ/mol·K(H水)20℃=83.74kJ/kg=1507kJ/mol(H水汽)4.5atm=2747.8kJ/kg=49460kJ/mol第三十五頁，共六十二頁，2022年，8月28日能量衡算：Q=ΔH=0(絕熱操作)n水(H出-H進)水=n醇(H出-H進)醇(H進)水=1507kJ/mol(H出)水=49460kJ/mol(H進)醇=0(基準)第三十六頁，共六十二頁，2022年，8月28日代入數(shù)據(jù)求得：T=602K=329℃第三十七頁，共六十二頁，2022年，8月28日汽化熱的計算甲醇的正常沸點為337.9K，臨界溫度為513．2K．計算甲醇在200℃時的汽化熱。解：(1)用Trouton法則求正常沸點下的ΔHv(實驗值35.2kJ/mol):ΔHv=bTb=0.109×337.9=36.8kJ/mol(2)用Watson公式，以Trouton法則算出的36.8代入，計算200℃的汽化熱(實驗值19.8kJ/mol):第三十八頁，共六十二頁，2022年，8月28日有相變過程能量的衡算含苯50mol%的苯、甲苯混合液，溫度為10℃，連續(xù)加入汽化室內(nèi)，在汽化室內(nèi)混合物被加熱至50℃，壓力為34.8mmHg。液相中含40mol%的苯，汽相中含68.4mol%苯，問每kmol進料要多少熱量？第三十九頁，共六十二頁，2022年，8月28日流程圖1kmol,10℃0.5kmol苯/kmol0.5kmol甲苯/kmolVkmol,50℃,34.8mmHg0.648kmol苯/kmol0.316kmol甲苯/kmolLkmol,50℃0.4kmol苯/kmol0.6kmol甲苯/kmolQ(kJ/mol)第四十頁，共六十二頁，2022年，8月28日(1)物料衡算(基準：1kmol進料混合物)1=V+L0.5=0.684V+0.4L求得：V=0.352kmolL=0.648kmol第四十一頁，共六十二頁，2022年，8月28日(2)能量衡算基準：苯(液)10℃，甲苯(液)10℃忽略混合熱，總焓等于各組分焓的和。查得：

CP(苯，液)＝62.55十23.4×10-2TkJ／kmol·KCP(甲苯，液)＝157kJ／kmol·℃(0—50℃)＝165kJ／kmol·℃(0—100℃)第四十二頁，共六十二頁，2022年，8月28日

CP(苯，汽)=-36.21+48.46×10-2T-31.56×10-5T2kJ/kmol·KCP(甲苯，汽)=-34.40+55.92×10-2T-34.45×10-5T2kJ/kmol·KΔHv(苯)＝30760kJ/kmolΔHv(甲苯)＝33470kJ/kmola.苯(液)50℃b.甲苯(液)50℃第四十三頁，共六十二頁，2022年，8月28日c.苯(汽)50℃苯(液,10℃)苯(液,80.26℃)苯(汽,80.26℃)苯(汽,50℃)

d.甲苯(汽)50℃甲苯(液,10℃)甲苯(液,110.8℃)甲苯(汽,110.8℃)甲苯(汽,50℃)第四十四頁，共六十二頁，2022年，8月28日總能量衡算Q=ΔH=Σn出H出-Σn進H進

=17630kJ/mol第四十五頁，共六十二頁，2022年，8月28日反應過程中的能量衡算第一種基準:如果已知標準反應熱，可選298K，1atm為反應物及產(chǎn)物的計算基準。第二種基準:已組成反應物及產(chǎn)物的元素，在25℃，1atm時的焓為零，非反應分子以任意適當?shù)臏囟葹榛鶞省５谒氖摚擦摚?022年，8月28日氨氧化反應器的能量衡算氨氧化反應式為：4NH3(g)+5O2(g)4NO(g)+6H2O(g)此反應在25℃、1atm的反應熱為ΔHr0＝-904.6kJ?，F(xiàn)右25℃的100molNH3/h和200mol02/h連續(xù)進入反應器，氨在反應器內(nèi)全部反應，產(chǎn)物于300℃呈氣態(tài)離開反應器。如操作壓力為1atm，計算反應器應輸入或輸出的熱量。第四十七頁，共六十二頁，2022年，8月28日流程及物料流率反應器100molNH3/h200molO2/h25℃100molNO/h150molH2O/h75molO2/h300℃Q第四十八頁，共六十二頁，2022年，8月28日計算過程算焓時的參考態(tài)：25℃1atmNH3(氣),O2(氣),NO(氣),H2O(氣)。因此進口的兩股物料的焓均為零，下面計算出口物料的焓：查得出口物料的熱容：

NO:Cp=29.5+0.8188×10-2T-0.2925×10-5T2+0.3652×10-9T3O2H2OCPJ/mol.℃30.8034.80第四十九頁，共六十二頁，2022年，8月28日出口各物料的焓O2：H=nCp(300-25)=635.25kJ/hNO:H2O:H=nCp(300-25)=1435.5kJ/h第五十頁，共六十二頁，2022年，8月28日過程的焓第五十一頁，共六十二頁，2022年，8月28日帶換熱的反應器

在反應器中進行乙醇脫氫生成乙醛的反應：C2H5OH(g)CH3CHO(g)+H2(g)

標準反應熱為ΔHr0＝68.95kJ。原料含乙醇90mol%和乙醛10mol%，進料溫度300℃，當加入反應器的熱量為5300kJ／100mol，產(chǎn)物出口溫度為265℃。計算反應器中乙醇的轉化率。已知熱容值為：C2H5OH(g)，0.110kJ／mol·℃CH3CHO(g)：0.080kJ／mol·℃H2(g)：0.029kJ／mol·℃第五十二頁，共六十二頁，2022年，8月28日流程圖反應器90molC2H5OH(g)10molCH3CHO(g)

300℃n1molC2H5OH(g)

n2molCH3CHO(g)

n3molH2(g)265℃Q=5300kJ/100mol第五十三頁，共六十二頁，2022年，8月28日物料衡算基準：100mol進料C元素：90*2+10*2=2n1+2n2H元素：90*6+10*4=6n1+4n2+2n3O元素：90+10=n1+n2第五十四頁，共六十二頁，2022年，8月28日能量衡算基準：25℃，C2H5OH(g)，CH3CHO(g)，H2(g)，輸入、輸出焓值計算如下：輸入：C2H5OH(g)：H=0.110(300-25)=30.3kJ/molCH3CHO(g):H=0.08(300-25)=22.0kJ/mol輸出：C2H5OH(g)：H=0.110(265-25)=26.4kJ/molCH3CHO(g):H=0.08(265-25)=19.2kJ/molH2(g):H=0.029(300-25)=7.0kJ/mol第五十五頁，共六十二頁，2022年，8月28日解得：n1=7.5moln2=92.5moln3=82.5mol第五十六頁，共六十二頁，2022年，8月28日乙醇的轉化率：第五十七頁，共六十二頁，2022年，8月28日絕熱反應器的能量衡算絕熱反應器與外界沒有熱交