化工計算能量衡算概述培訓(xùn)講義

第四章能量衡算第一節(jié)概述第二節(jié)能量衡算的基本方法和步驟第三節(jié)無化學(xué)反應(yīng)過程能量衡算第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)過程的能量衡算

第五節(jié)加熱劑、冷卻劑及其他能量消耗的計算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(jì)性。兩類問題:設(shè)計型和操作型第一節(jié)概述

性質(zhì)——指物料的特性，它可以被測量出來或者可以計算出來。幾個概念：強(qiáng)度性質(zhì)——不隨組成體系的物料的量的變化而變化的性質(zhì)。

如T、P、ρ等。

廣延性質(zhì)（容量性質(zhì)）——體系性質(zhì)的值等于組成體系的各部分相應(yīng)值之和。如：m、V、H、S、G等等。4—1能量的形式

一、動能（EK）

——物質(zhì)由于宏觀運(yùn)動而具有的能量。二、位能（EP）（勢能）通常與內(nèi)能相比，體系EK很小，可忽略。——物體由于在高度上位移而具有的能量?；ぱb置中EP與內(nèi)能相比很小，通?？珊雎匀?、內(nèi)能（U）物質(zhì)除了宏觀的動能和勢能外所具有的能量。純組分：U=U（T，V）取全微分通常很小，則有：我們僅可計算內(nèi)能變化值或計算相對于某個參考態(tài)的內(nèi)能而無法求U的絕對值。所以能量宏觀能量動能勢能內(nèi)能分子勢能鍵能分子動能平動能轉(zhuǎn)動能振動能宏觀能量——構(gòu)成體系的物質(zhì)作為一個整體所具有的能量。內(nèi)能——構(gòu)成體系的微觀粒子（分子）所具有的能量。4—2幾個與能量衡算有關(guān)的重要的物理量一、熱量（Q）

——為體系和環(huán)境間因有溫差而引起傳遞的能量。注意：（1）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)。熱量無法測量和計算出來（不同過程Q不同）。（2）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Q>0，反之，Q<0。二、功W——力與在力的方向上位移的乘積注意：（1）W也是能量的傳遞形式，不是體系的性質(zhì)，僅在過程中體現(xiàn)出來，所以不能說體系有多少功。（2）環(huán)境向體系做功，W>0，反之，W<0。功和熱是能量傳遞的兩種不同的形式。化工中常見功體積功流動功軸功三、焓H定義式：H=U+PV純物質(zhì)：H=H（T，P）對H全微分一般很小，所以高壓過程（非理想氣體）要考慮，H、U均為狀態(tài)函數(shù)，其僅與體系所處的狀態(tài)有關(guān)，而與過程具體途徑無關(guān)。（這對能量衡算十分重要）。H可由工具書查取，T—H圖，C—H圖上查取；焓值表查?。ǜ戒洶恕⒏戒浘牛?。注意：因H絕對值不可求，故圖表上均有一定基準(zhǔn)態(tài)。衡算時各物料H的基準(zhǔn)態(tài)應(yīng)一致。四、熱容——一定量的物質(zhì)改變一定溫度所需要的熱量。P一定，體積一定則則因?yàn)槿粼赥i~Tf間Cp可看為常數(shù)，則有第二節(jié)能量衡算的基本方法和步驟

依據(jù)是能量守恒定律輸入的能量－輸出的能量=積累的能量注意：各種形式的總能量守恒，但具體至某種形式的能量不一定守恒。5—3總能量衡算

一、連續(xù)穩(wěn)定流動過程的總能量衡算衡算體系：1—1與2—2截面間的部分，地平線為基準(zhǔn)面，取1千克物料為計算基準(zhǔn)。U1u1P1A1Z1Z2U2u2P2A2泵換熱器21WQ項目輸入輸出物料量m1=1m2=1內(nèi)能U1U2動能EK1=u12/2EK=u22/2位能EP1=gZ1EP2=gZ2流動功P1V1P2V2傳遞熱量Q（體系獲得能量為正）功W（對體系做功為正）由能量守恒關(guān)系（穩(wěn)流過程的熱力學(xué)第一定律）總能量衡算普遍式由于H=U+PV當(dāng)物流中有多個組分時，無混合焓變（理想溶液），i組分量為mi時，此時：Q——輸入體系的總熱量；WS——輸入體系的總軸功。（3）無功、熱傳遞過程，且（等焓過程）（1）絕熱過程（Q=0），且（2）無做功過程（W=0）且?guī)追N特殊情況下總能量衡算普遍式可簡化：二、間歇過程的總能量衡算（封閉體系）

設(shè)備為剛性，無流動功時，或間歇過程（封閉體系總能量衡算基本方程）間歇過程一般有：（封閉體系的熱力學(xué)第一定律）穩(wěn)流過程的熱力學(xué)第一定律變?yōu)椋罕容^兩式使用條件例題每小時500千克蒸汽驅(qū)動渦輪，進(jìn)渦輪的蒸汽壓力為44atm、450C，線速度為60m/S，蒸汽離開渦輪的部位在渦輪進(jìn)口位置以下5m，常壓，速度為360m/S。渦輪軸功700kW，渦輪熱損失估計為10000kcal/h，計算過程的H的變化值(kJ/kg)。解：畫出流程簡圖汽輪機(jī)5m500kg44atm、450C60m/S500kg1atm、360m/SQ=-10000kcal/hW=-700kWm=500/3600=0.139kg/S由式W=-700kWQ=－10000×4.186kJ/h=－11.63kJ/S4—4熱量衡算

一、熱量衡算式若體系和環(huán)境無功的傳遞,且對穩(wěn)流過程，總能量衡算普遍式變?yōu)椋簩﹂g歇過程，總能量衡算普遍式變?yōu)椋荷蟽墒綖闊崃亢馑愕幕臼饺暨M(jìn)出體系的物料不止一個，上式寫成：間歇過程：∑Q——過程換熱量之和，包括熱損失；∑H2、∑U2——離開設(shè)備（體系）的各物料的焓或內(nèi)能之和；∑H1、∑U1——進(jìn)入設(shè)備（體系）的各物料的焓或內(nèi)能之和。注意：H、U的絕對值無法求出，要取一基準(zhǔn)態(tài)。同一物料的H1與H2，U1與U2的基準(zhǔn)態(tài)應(yīng)相同。穩(wěn)流過程二、熱量衡算的基本步驟（1）建立以單位時間為基準(zhǔn)的物料流程圖（或平衡表）；（以物料衡算為基礎(chǔ)）（2）在物料流程框圖上標(biāo)明已知T、P和相態(tài)等條件并查出或計算出每個組分的焓值，于圖上標(biāo)明；（3）選定計算基準(zhǔn)溫度（即輸入、輸出體系的熱量應(yīng)有同一基準(zhǔn)）常取0℃和25℃，若有相變，應(yīng)確定基準(zhǔn)相態(tài)；（4）針對衡算體系由（5—16）式列出熱量衡算式，用數(shù)學(xué)方法求未知數(shù)；（5）必要時列出熱量衡算表。例5－2P122。1、能量衡算前為什么需先進(jìn)行物料衡算？4、過程采用何種衡算式，為什么？2、由P257~270附錄八查得所給條件下的H值求解此題。3、由計算結(jié)果分析為何通常過程動能和勢能變化對熱量衡算的影響可忽略？5－5機(jī)械能衡算（略）第三節(jié)無化學(xué)反應(yīng)過程能量衡算

利用Q、W求取變成狀態(tài)函數(shù)ΔU和ΔH的求取。其值僅與始態(tài)和終態(tài)有關(guān)，則全過程的ΔH（ΔU）為各階段ΔH（ΔU）之和。把過程函數(shù)設(shè)計過程的原則是便于計算，各階段類型五種：1）恒溫時壓力的變化；2）恒壓時溫度變化；4）恒溫恒壓下的混合或分離；5）恒溫恒壓時的化學(xué)變化（25℃和0℃常用）。如求-5℃，1大氣壓的冰變?yōu)?00℃，5大氣壓的水蒸氣的ΔH。3）恒溫恒壓時相態(tài)變化；（正常沸點(diǎn)或已知ΔH相變條件常用）-5℃冰1atm300℃蒸汽，5atm0℃冰，1atm0℃水，1atm100℃水，1atm300℃蒸汽，1atm100℃蒸汽，1atmΔHΔH1ΔH6ΔH2ΔH3ΔH4ΔH5同學(xué)寫出10大氣壓，400℃水汽變?yōu)?.5大氣壓，-10℃的冰的ΔH求取過程。400℃(g)10atm-10℃（S)，0.5atm400℃(g)，1atm100℃(g)，1atm100℃(l)，1atm0℃（S），0.5atm0℃(l)，1atmΔHΔH1ΔH6ΔH2ΔH3ΔH4ΔH70℃(S)，1atmΔH5400℃(g)10atm-10℃（S)，0.5atm100℃(g)，10atm100℃(g)，1atm100℃(l)，1atm-10℃（S)，1atm0℃(l)，1atmΔHΔH1ΔH6ΔH2ΔH3ΔH4ΔH70℃(S)，1atmΔH54—6無相變的變溫變壓過程

物料溫度變化所加入或取出的熱量計算一、利用熱容計算ΔH和ΔU1、恒容過程QV和ΔU的計算ΔUA（T1V1）A（T2V2）A（T1V2）ΔU1

ΔU2

ΔU=ΔU1+ΔU2對理想氣體ΔU1=0

,液體、固體，恒溫ΔU1≈0（對實(shí)際氣體ΔU1≠0，需校正。）恒容變溫過程ΔU22、恒壓過程QP和ΔH的計算A（T1，P1）A（T2P2）A（T1P2）ΔH1

ΔHΔH2

ΔH1為恒溫變壓過程的焓變，對理想氣體ΔH1=0，對液、固體ΔV很小，ΔH1=ΔU+Δ（PV）=ΔU+ΔPV+ΔVP=ΔU+ΔPVΔH2為恒壓變溫過程的焓變，對理想氣體；對液、固體上式只有恒壓時方成立,或:上式不適用于實(shí)際氣體。3、壓力對焓的影響根據(jù)狀態(tài)函數(shù)的特點(diǎn)，設(shè)計如下過程：實(shí)際氣體T1P1

實(shí)際氣體T2P2理想氣體T1P1

理想氣體T2P2ΔHΔH1ΔH3ΔH2ΔH=ΔH1+ΔH2+ΔH3壓力對實(shí)際氣體的焓變的影響可由計算解決，但繁瑣，工程上常用查圖表的方法解決之。見P129圖5—7。原理為對比態(tài)原理。氣體混合物臨界參數(shù)可由Kay規(guī)則（線形加和法則）求取。注意：圖上查得的值的單位及表示形式。fh根據(jù)需要規(guī)定物質(zhì)的參考態(tài)（基準(zhǔn)態(tài)），將其在參考態(tài)的H和U值規(guī)定為零。則物質(zhì)在某一狀態(tài)的H和U的值，等于物質(zhì)由參考態(tài)變化到該狀態(tài)時的H和U的變化值。物質(zhì)的參考態(tài)，（即其相態(tài)、溫度、壓力）。對不同組分，原則上可選擇不同的相態(tài)，有時甚至可選擇不同的溫度壓力。但必須予以指明。參考態(tài)的壓力一般選取101.3kPa(1atm)。參考態(tài)的溫度和相態(tài)選取通常有以下幾種情況：二、單相體系的能量衡算1、選取298K為參考溫度2、選取體系某物流的溫度為參考溫度，此物流的相態(tài)為各組分的參考相態(tài)3、對于水或某些易揮發(fā)的物質(zhì)的參考態(tài)，一般有兩種選法：（1）選取0℃的（飽和）液體為參考態(tài)（2）取0℃或25℃的蒸汽作為參考態(tài)選擇不同參考態(tài)不影響計算結(jié)果，但參考態(tài)選取得當(dāng)，可使計算簡便。計算中兩種情況：（1）當(dāng)進(jìn)出體系的物料的各組分的焓和內(nèi)能可由圖表查得時穩(wěn)流過程間歇過程（2）進(jìn)出體系的物料的H和U不能從手冊查得時，選參考態(tài)，利用求Q的公式求算例5—6P130~1311、不同組分可選擇不同基準(zhǔn)2、單獨(dú)求空氣出口與進(jìn)口的焓變，可得何關(guān)系？將之與第三章的平均熱容的內(nèi)容比較之。3、氣體的焓變?yōu)槭裁磳崛菀暈闇囟鹊暮瘮?shù)？例5—7廢熱鍋爐的能量衡算，甲醇蒸汽離開合成設(shè)備的溫度為450oC，經(jīng)廢熱鍋爐冷卻。廢熱鍋爐產(chǎn)生4.5atm飽和蒸汽。已知進(jìn)水溫度20oC，壓力4.5atm。進(jìn)料水與甲醇的摩爾比為0.2。假設(shè)鍋爐是絕熱操作，求甲醇的出口溫度。解：由題意作圖?；鶞?zhǔn)：物料：1molCH3OH，0.2molH2O。能量：H2O（液）0oC，CH3OH（汽）450oC。廢熱鍋爐20oC，4.5atm，0.2molH2O1molCH3OH，ToC1molCH3OH，450oC4.5atm，0.2molH2O（汽）查附錄得：甲醇(汽)熱容（H水）20oC=1507kJ/kmol（H水汽）4.5atm=49460kJ/kmol能量衡算1、甲醇組分可選擇的何基準(zhǔn)？2、氣體的焓變?yōu)槭裁磳崛菀暈闇囟鹊暮瘮?shù)？3、過程能量衡算式有無問題？例5—7P1314—7相變過程的能量衡算

一、相變熱——恒定T、P下單位質(zhì)量或摩爾物質(zhì)發(fā)生相變時的焓變。三種相變熱：（1）汽化潛熱ΔHV

恒溫恒壓單位數(shù)量液體汽化所需的熱量（2）熔化潛熱ΔHM恒溫恒壓單位數(shù)量固體熔化所需的熱量；（3）升華潛熱ΔHS

恒溫恒壓單位數(shù)量固體氣化所需的熱量。對應(yīng)的有冷凝熱、凝固熱和凝華熱。P對相變熱的影響一般較小，通常不予考慮。物質(zhì)在正常沸點(diǎn)（熔點(diǎn)）下，可查手冊得相變熱，若相變條件與之有異，可設(shè)計過程計算之。也可由經(jīng)驗(yàn)式求相變熱.1)特魯頓（Trouton）法則kJ/molTb——液體的正常沸點(diǎn)，K；b——常數(shù)。對非極性液體b=0.088；對于水、低分子醇b=0.109。上式誤差小于30%。2)陳氏（Chen）法則J/mol上式適用于烴類及弱極性化合物，誤差一般小于4%。3）克勞修斯—克拉貝龍（Clausius-Clapeyron）方程在中低壓下，Vg>>Vl，Vg-Vl≈Vg，則：4）沃森（Watson）公式當(dāng)Tc-T>10K時，誤差小于1.8%。5）標(biāo)準(zhǔn)熔化熱的計算二、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(jìn)料需要多少熱量？解；畫出示意圖汽化室Vkmol,50℃苯68.4％，甲苯31.6％Q(kJ/kmol)Lkmol,50℃苯40％，甲苯60％1kmol10℃苯50％，甲苯50％先作物料衡算，再作能量衡算。（1）物料衡算取1kmol進(jìn)料混合物為計算基準(zhǔn)總物料1＝L+V苯0.5＝0.4L+0.684V聯(lián)立解得V=0.352kmol,L=0.648kmol（2）能量衡算選取基準(zhǔn)：10℃液體苯和甲苯為基準(zhǔn)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+23.4×10－2TkJ/kmol.KCp甲苯（l）＝157kJ/kmol.K（0～50℃）Cp甲苯（l）＝165kJ/kmol.K（0～100℃）Cp苯（g）＝-36.21+48.46×10－2T－31.56×10-5T

2kJ/kmol.KCp甲苯（g）＝－34.40+55.92×10－2T－34.45×10-5T

2kJ/kmol.K正常沸點(diǎn)下：(80.26℃)(110.8℃)進(jìn)出體系各組分焓值為多少？出體系各組分焓值求?。?0℃液體苯50℃液體甲苯50℃氣體苯，正常沸點(diǎn)80.26℃，設(shè)計如下過程：80.26℃氣體苯液體苯10℃80.26℃液體苯50℃氣體苯甲苯正常沸點(diǎn)110.8℃，設(shè)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：分別計算進(jìn)出口物料的焓值每kmol進(jìn)料所需熱量Q三、利用焓—溫圖作能量衡算找出某物質(zhì)的H~T~P間關(guān)系，制成焓—溫圖，由H~T圖作能量衡算方便，不足是有H~T圖的物質(zhì)較少。H~T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(diǎn)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,10℃

：H甲苯(l)＝4kcal/kg50℃:H甲苯(l)＝22kcal/kg50℃

：H甲苯(g)＝118kcal/kg苯甲苯4—8溶解和混合過程

一、溶解熱和混合熱

積分溶解熱——1摩爾溶質(zhì)于恒溫恒壓下溶于n摩爾溶劑中，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——1摩爾溶質(zhì)于恒溫恒壓下溶于無窮多的溶劑中，形成溶液時焓的變化。混合熱和溶解熱數(shù)據(jù)可查有關(guān)資料得到。表5－1（P142）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?zhǔn)（此時焓為零）。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(zhǔn)，可與前一種基準(zhǔn)下的值進(jìn)行換算。如：氯化氫的水溶液（n＝10molH2O/molHCl),該溶液以25℃純HCl（g）和純H2O(l)為基準(zhǔn)的焓求以25℃純H2O(l)和極稀的HCl溶液(n=106molH2O/molHCl)為基準(zhǔn)時該溶液的焓。(n=10)＝-69.49kJ/molHCl。以25oCH2O為基準(zhǔn)，（106－10）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10molH2O/molHCl溶液的焓差。上問題可看為下面過程:純組分1molHCl106molH2O溶液1molHCl10molH2O+106－10molH2O（液）25oC溶液1molHCl106molH2O25oC25oC查表5－1得題目所求H＝5.65kJ/molHCl。二、溶解與混合過程的能量衡算（略）可知，nmolH2O/mol溶質(zhì)的溶液的焓為：以25℃純?nèi)軇┖蜔o限稀釋的溶液為基準(zhǔn)：溶液以25℃純?nèi)苜|(zhì)和溶劑為基準(zhǔn)對于溶解和混合過程的熱量衡算，可以列一進(jìn)出口焓表，過程即為所求Q。若過程物料有純?nèi)苜|(zhì)，則宜選擇25oC（或已知的其它溫度）溶質(zhì)和溶劑作為計算焓的基準(zhǔn)。若進(jìn)出口物料是稀溶液，則宜選擇25oC無限稀釋的溶液和純?nèi)軇榛鶞?zhǔn)。T不是25oC時，其H可按下法求之：（1）先由下兩公式求出25oC的焓值：（2）再加上25oC至toC的焓變。例題鹽酸由氣態(tài)HCl用水吸收而制得，用100oC的HCl（氣）和25oC的H2O（液），生產(chǎn)40oC、20％（質(zhì)量）HCl水溶液1000kg/h,問吸收設(shè)備應(yīng)加入或移出多少熱量？解（1）先作物料衡算，求出進(jìn)料的物質(zhì)量。畫出物料流程圖5480molHCl(g)/h,100oC44400molH2O(l)/h,25oC吸收塔1000kg/h20%(w)HCl40oC5840molHCl/h44400molH2O/hQ基準(zhǔn)進(jìn)料有純?nèi)苜|(zhì)，且25oC積分溶解熱已知，選取25oC純HCl（氣）和H2O（液）為基準(zhǔn)。出料的焓值。由表5－1數(shù)據(jù)采用內(nèi)插法求得25oC至40oC的焓變：查得20％鹽酸溶液的熱容為0.5573kJ/molHCl.K進(jìn)料物料的焓值：水進(jìn)料溫度為基準(zhǔn)溫度，其焓值為零。查附錄用內(nèi)插法求HCl的熱容能量衡算過程需移出熱量為335661kJ/h.實(shí)際是設(shè)計下過程求Q1000kg(l)25℃20%鹽酸5480molHCl(g)100℃44400H2O(液）25℃5480molHCl(g)25℃44400H2O(液）25℃1000kg(l)40℃20%鹽酸第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)過程的能量衡算

4—9反應(yīng)熱及其表示

化學(xué)反應(yīng)熱——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。一、恒壓反應(yīng)熱ΔHr

——恒溫恒壓下，反應(yīng)物按化學(xué)計量式完全反應(yīng)，物料在反應(yīng)前后的焓差。恒壓下若不作非體積功，則有QP=ΔHr

aA+bBcC+dD討論反應(yīng)熱時注意的幾點(diǎn)：（1）反應(yīng)熱是對一定反應(yīng)方程式而言，又叫1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)物生成的摩爾數(shù)等于其相應(yīng)的化學(xué)計量系數(shù)。（2）

各反應(yīng)物和產(chǎn)物的相態(tài)相態(tài)不同，ΔHr不同

（3）各物質(zhì)所處的狀態(tài)（溫度壓力濃度等均有影響）二、恒容反應(yīng)熱ΔUr

——在恒溫恒容條件下，反應(yīng)物在溫度T時按化學(xué)計量關(guān)系完全反應(yīng)后的內(nèi)能變化。當(dāng)氣體為理想氣體時5—10反應(yīng)熱的計算

ΔHr、ΔUr的求取僅取決于始終態(tài)。（1）由標(biāo)準(zhǔn)生成熱求取反應(yīng)熱標(biāo)準(zhǔn)生成熱——在標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)——在溫度為T,壓力為101.3千帕?xí)r純物質(zhì)狀態(tài)稱為該物質(zhì)反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)態(tài)（對氣體還應(yīng)為具有理想氣體性質(zhì)的純氣體）。

標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)熱——在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，反應(yīng)物在溫度T按化學(xué)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）。（2）由標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱——298K，1大氣壓下，各種處于穩(wěn)定狀態(tài)的物質(zhì)進(jìn)行燃燒反應(yīng)生成燃燒產(chǎn)物時的焓變。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)物如：（3）由標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱求標(biāo)準(zhǔn)生成熱根據(jù)蓋斯定律，由化學(xué)方程式組合根據(jù)由標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱求標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)熱。具體方法見例5—16和例5—17。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）例5—15P147~1484—11化學(xué)反應(yīng)過程的能量衡算

一、基準(zhǔn)的選取

第一種基準(zhǔn)若已知標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)熱，可取298K，101.33千帕為反應(yīng)物及產(chǎn)物的計算基準(zhǔn)。對非反應(yīng)物可另選適當(dāng)?shù)臏囟葹榛鶞?zhǔn)求過程的ΔH。nAR——過程中消耗或生成的A的摩爾數(shù)（此數(shù)不一定是進(jìn)料或出料中A的摩爾數(shù)。）μA——A的化學(xué)計量系數(shù)。當(dāng)過程中有多個反應(yīng)時，上式應(yīng)包含每個反應(yīng)的A——化學(xué)方程式中任意一種反應(yīng)物或產(chǎn)物。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，μA應(yīng)為相應(yīng)反應(yīng)物的化學(xué)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ΔHr=-904.6kJ?，F(xiàn)有25℃的100molNH3/h和200molO2/h連續(xù)進(jìn)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5—18氨氧化反應(yīng)式為：反應(yīng)器100molNH3/h200molO2/h100molNO/h150molH2O/h75molO2/h25℃300℃Q解：取100molNH3/h進(jìn)料為計算基準(zhǔn)（單位時間）由物料衡算得各個組分流率標(biāo)于流程圖上注意，積分式中溫度是用攝氏溫度還是熱力學(xué)溫度要由熱容與溫度關(guān)系而定。=100×（-904.6）/4=-22615kJ/h選取第一種基準(zhǔn)，即取298K，101.33千帕反應(yīng)物及產(chǎn)物NH3、O2、NO和H2O的計算基準(zhǔn)。由求出各Hi值。

第二種基準(zhǔn)以組成反應(yīng)物及產(chǎn)物的元素在298K，101.3千帕?xí)r的焓為零。非反應(yīng)物以任意適當(dāng)?shù)臏囟葹榛鶞?zhǔn)。=-22615+（635.25+845.3+1435.5）-0=-19700kJ/h第二種基準(zhǔn)中的基準(zhǔn)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)物的焓H是各物質(zhì)298K的生成熱與由298K變到其進(jìn)出口狀態(tài)的顯熱和潛熱之和。過程總焓變?yōu)椋?98K，1atm，元素298K，1atm，化合物T進(jìn)（T出），P進(jìn)（P出）化合物ΔHHi例5—19P151~153看書后講解。注意各化合物的H計算應(yīng)包含生成熱的值。建議采用P152表5—2形式計算。反應(yīng)過程熱量衡算分為換熱式反應(yīng)器絕熱式反應(yīng)器二、帶換熱的反應(yīng)過程的能量衡算例5—20帶換熱的反應(yīng)器，在反應(yīng)器中進(jìn)行乙醇脫氫生成乙醛的反應(yīng)：C2H5OH（g）=CH3CHO（g）+H2-Q標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)熱為ΔH=68.95kJ。原料含乙醇90%（mol%）和乙醛10%（mol%），進(jìn)料溫度300℃，當(dāng)加入反應(yīng)器的熱量為5300kJ/100mol進(jìn)料，產(chǎn)物出口溫度為265℃。計算反應(yīng)器中乙醇的轉(zhuǎn)化率。已知熱容的值為：C2H5OH（g）：Cp=0.110kJ/mol.KCH3CHO（g）：Cp=0.080kJ/mol.KH2（g）：Cp=0.029kJ/mol.K并假定這些熱容值都是常數(shù)。解：取100mol進(jìn)料為計算基準(zhǔn)由物料衡算得各個組分量標(biāo)于流程圖上相應(yīng)位置反應(yīng)器90molC2H5OH10molCH3CHOn1molC2H5OHn2molCH3CHOn3molH2300℃265℃Q=5300kJ/100mol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。（1）對C元素列式：90×2+10×2=2n1+2n2

整理得：n1+n2=100（2）對H元素列式：90×6+10×4=6n1+4n2+2n3

整理得：3n1+2n2+n3=290（3）能量衡算取第一種基準(zhǔn)。進(jìn)料C2H5OH（g）：Cp=0.110kJ/mol.K進(jìn)料：HC2H5OH=0.110（300-25）=30.3kJ/molHCH3CHO=0.08（300-25）=22.0kJ/mol出料：HC2H5OH=0.110（265-25）=26.4kJ/molHCH3CHO=0.08（265-25）=19.2kJ/molHH2=0.029（265-25）=7.0kJ/mol26.4n1+19.2n2+76.0n3=8247（3）聯(lián)立求解（1）（2）（3）得：n1=7.5moln2=92.5moln1=82.5mol乙醇轉(zhuǎn)化率：x=(90-7.5)/90=91.7%5300=n368.95+（26.4n1+19.2n2+7.0n3）－（90×30.3+10×22.0）三、絕熱反應(yīng)器的能量衡算設(shè)備與外界無熱交換(除進(jìn)出物料帶入帶出Q外無其它熱交換)，故Q=ΔH=0。例5-21P154～155由于反應(yīng)單一，且標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)熱求取方便，故仍取第一種基準(zhǔn)。已知T進(jìn)、進(jìn)出物料（x）T出

已知T進(jìn)、T出進(jìn)料（x）出料（x）已知T出、進(jìn)出物料（x）T進(jìn)

已知T進(jìn)、T出出料（x）進(jìn)料絕熱過程通常通過熱量衡算求進(jìn)出物料組成及進(jìn)出口溫度。例：一連續(xù)操作反應(yīng)器，已知僅有反應(yīng)A+2B→4C+5D反應(yīng)器進(jìn)料只有A和B且配比符合化學(xué)計量比，進(jìn)料溫度100℃，A的轉(zhuǎn)化率為50%，出反應(yīng)器的物料溫度為300℃。求過程所需移出或移入的熱量。已知：△H0fA（298）=40kJ/mol，△H0fB（298）=0kJ/mol，△H0fC（298）=-20kJ/mol，△H0fD（298）=20kJ/molCPA=10kJ/kmol.K，CPB=15kJ/kmol.K，CPC=5kJ/kmol.K，

CPD=4kJ/kmol.K。解：取100kmolA/h進(jìn)料為計算基準(zhǔn)。物料衡算結(jié)果標(biāo)注于圖上。反應(yīng)器100kmolA/h200kmolB/h50kmolA/h100kmolB/h200kmolC/h20250kmolD/h100℃300℃Q取第一種能量衡算基準(zhǔn)，△H0r=20×5+（－20）×4－1×40=－20kJ/mol△H反=nAR×△H0r/μA=50×1000×（－20）=-1000000kJ/h（∑niHi）入=（∑niCpi（T－298））入=（100×10+200×15）（373－298）=300000kJ/h（∑niHi）出=（∑niCpi（T－298））出=（50×10+100×15+200×5+250×4）×（573－298）=1100000kJ/h△H=－1000000+1100000－300000=－200000kJ/h反應(yīng)器需移出熱量200000kJ/h。選取能量衡算的第二種基準(zhǔn)。HA進(jìn)=△H0fA（298）+CPA（T進(jìn)－298）=40×1000+10×（373－298）=40750kJ/kmolHB進(jìn)=△H0fB（298）+CPB（T進(jìn)－298）=0+15×（373－298）=1125kJ/kmolHA出=△H0fA（298）+CPA（T出－298）=40×1000+10×（573－298）=42750kJ/kmolHB出=△H0fB（298）+CPB（T出－298）=0×+15×（573－298）=4125kJ/kmolHC出=△H0fC（298）+CPC（T出－298）=-20×1000+5×（573－298）=-18625kJ/kmol△H=（∑niHi）出－（∑niHi）入=（50×42750+100×4125+200×（－18625）+250×21100）－（100×40750+200×1125）=－200000kJ/h。反應(yīng)器需移出熱量200000kJ/h。HD出=△H0fD（298）+CPD（T出－298）=20×1000+4×（573－298）=21100kJ/kmol作業(yè)：有一反應(yīng)A（g）+2B（g）→3C（g）在一絕熱式反應(yīng)器中進(jìn)行，已知原料混合物只含A和B，且配比等于化學(xué)計量比，又知A的轉(zhuǎn)化率為100%，產(chǎn)物混合物出反應(yīng)器的溫度為1200K。求原料混合物進(jìn)反應(yīng)器的溫度為多少？已知：CpA=30kJ/kmol·K，CpB=40kJ/kmol·K，CpC=70kJ/kmol·K；ΔH°C，A=0，ΔH°C，B=-170kJ/mol，ΔH°C，C=-120kJ/mol。解：取100kmolA/h進(jìn)料為計算基準(zhǔn)。物料衡算結(jié)果標(biāo)注于圖上。取第一種計算基準(zhǔn)反應(yīng)器100kmolA/h200kmolB/h300kmolC/hT＝？1200K絕熱過程第五節(jié)加熱劑、冷卻劑及其他能量消耗的計算4-12常用加熱劑和冷卻劑常用加熱劑有熱水、飽和水蒸汽(低壓、高壓)、導(dǎo)熱油、道生液、煙道氣和熔鹽等；常用冷卻劑有空氣、冷卻水、冰和冷凍鹽水等。1、加熱劑和冷卻劑的選用原則①在較低壓力下可達(dá)到較高溫度；②化學(xué)穩(wěn)定性高；2、常用加熱劑和冷卻劑的性能特點(diǎn)和物性參數(shù)

見表5-4③無腐蝕；④熱容量大；⑤冷凝熱大；⑥無火災(zāi)和爆炸危險；⑦無毒性；⑧溫度易于調(diào)節(jié)；⑨價格低廉；4-13加熱劑和冷卻劑消耗量的計算1、水蒸氣的消耗量(1)間接蒸汽加熱時的蒸汽消耗量若以0℃為基準(zhǔn)溫度式中：Q2—由蒸汽傳遞給物料及設(shè)備的熱量，kJ或kJh-1;H—蒸汽的焓,kJkg-1;Cp—冷凝水的定壓比熱,取4.18kJkg-1℃-1;T—冷凝水的溫度,℃;—熱效率。保溫設(shè)備取0.97～0.98;不保溫設(shè)備取0.93～0.95。(2)直接蒸汽加熱時水蒸汽的消耗量若以0℃為基準(zhǔn)溫度

式中Tk——被加熱液體的最終溫度，℃。2、冷卻劑的消耗量水、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

式中：W—冷卻劑的消耗量，kg或kgh-1；Cp—冷卻劑的平均定壓比熱，kJkg-1℃

-1；T1—冷卻劑的初溫，℃；T2—冷卻劑的終溫，℃。一般水的定壓比熱可取4.18kJkg-1℃-1，空氣的定壓比熱可取1.01kJkg-1℃-1表5-5氯化鈉水溶液的定壓比熱5-14燃料消耗量的計算式中:G—燃料的消耗量,kg或kgh-1;—燃燒爐的熱效率,一般燃燒爐的值可取0.3～0.5,鍋爐的值可取0.6～0.92;Qp—燃料發(fā)熱量,kJkg-1。表5-6幾種燃料的發(fā)熱量5-15電能的消耗量的計算式中E—電能的消耗量,kWh(1kWh=3600kJ)；—電熱裝置的熱效率,一般可取0.85～0.95。5-16壓縮空氣的消耗量的計算一般壓縮空氣的消耗量折算成常壓(1.013105Pa)下的空氣體積或體積流量。（1）壓送液體時，壓縮空氣在設(shè)備內(nèi)所需壓強(qiáng)∑le——管路系統(tǒng)全部管件、閥門以及進(jìn)、出口等的當(dāng)量之和1、壓送液體物料時壓縮空氣的消耗量(2)每次操作均將設(shè)備中的液體全部壓完時的壓縮空氣消耗量

以常壓(1.013105Pa)下的空氣體積計，一次操作所需的壓縮空氣消耗量為式中Vb——一次操作所需的壓縮空氣體積，m3次-1；VT——設(shè)備容積，m3；P——壓縮空氣在設(shè)備內(nèi)建立的壓強(qiáng)，Pa。若每天壓送物料的次數(shù)為n，則每天操作所需的壓縮空氣體積式中Vd—每天操作所需壓縮空氣體積,m3d-1。每小時操作所需的壓縮空氣體積為式中Vh—每小時操作所需壓縮空氣體積,m3h-1?！看螇核鸵后w所持續(xù)的時間，h。(2)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式中——設(shè)備的裝料系數(shù)；V1——每次壓送的液體體積，m3。每天或每小時操作所需的壓縮空氣體積與前同。2、攪拌液體時壓縮空氣的消耗量壓縮空氣的最低壓強(qiáng)P＝1.2ρgh+P0管路阻力按液柱高度的20％計。壓縮空氣消耗量為式中K——系數(shù)，緩和攪拌取24，中等強(qiáng)度攪拌取48，強(qiáng)烈攪拌取60；A——被攪拌液體的橫截面積，m2；——一次攪拌操作持續(xù)的時間，h。5-17真空抽氣量的計算1、抽吸液體物料一次抽吸操作所需的抽氣量為Pk——設(shè)備中的剩余壓強(qiáng)，Pa。2、真空抽濾C——經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，可取15～18；A——真空過濾器的過濾面積，m2；——一次抽濾操作持續(xù)的時間，h。3、真空蒸發(fā)（1）間壁式冷凝器式中Gh——從冷凝器抽走的空氣量，kgh-1；Dh——進(jìn)入冷凝器的蒸汽量，kgh-1。以標(biāo)準(zhǔn)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

(2)直接混合式冷凝器以標(biāo)準(zhǔn)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式中Wh—進(jìn)入冷凝器的冷卻水量，kgh-1。4、建立真空時每小時需抽走的空氣體積5、維持真空所需抽氣量式中——抽氣時間，h；P1——設(shè)備內(nèi)的初始壓強(qiáng)，Pa；

P2——設(shè)備內(nèi)的終了壓強(qiáng)，Pa。Gh—真空系統(tǒng)的氣體泄漏量,kgh-1;G1—由真空系統(tǒng)容積確定的氣體泄漏量,kgh-1;G2—真空系統(tǒng)中各連接件的氣體泄漏量之和,kgh-1;K—校正系數(shù)。密封性能較好的小型裝置,K值取0.5～0.75;密封性能較差及有腐蝕的裝置,K值取2～3。真空系統(tǒng)中常見連接件的氣體泄漏量如下表計算應(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(dāng)?shù)哪芎南禂?shù)。能耗系數(shù)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，最后可編制出能耗一覽表，第一章因次與單位1、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。2、

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化工過程及過程參數(shù)1、概念：化工計算、化工過程、單元操作、流程圖、化工過程開發(fā)、過程參數(shù)、溫度、溫標(biāo)、干基和濕基。2、四種溫標(biāo)的零點(diǎn)及分度方法，各種溫標(biāo)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)1、常用的獲取物性數(shù)據(jù)的方法。2、由壓縮因子結(jié)合理想氣體狀態(tài)方程進(jìn)行真實(shí)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。第四章物料衡算

1、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(diǎn)。2、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。3、畫物料流程簡圖的步驟和要點(diǎn)。4、物料衡算的步驟及注意問題。5、計算基準(zhǔn)一般有幾種，基準(zhǔn)選取中應(yīng)注意的問題，怎樣選取一個合適的計算基準(zhǔn)。6、熟練進(jìn)行無化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算（簡單過程與復(fù)雜過程），對簡單過程，至多可列出的獨(dú)立物料衡算式的數(shù)目為C，對多單元過程至多可列出的獨(dú)立物料衡算式的數(shù)目為MC個。7、練掌握x、s、y、限制反應(yīng)物、過量反應(yīng)物、過量百分?jǐn)?shù)、單程轉(zhuǎn)化率、總轉(zhuǎn)化率的定義、定義式，并熟練地運(yùn)用其進(jìn)行有關(guān)計算。8、能熟練地運(yùn)用直接求算法、利用聯(lián)系物和結(jié)點(diǎn)做物料衡算。9、能熟練地進(jìn)行具有循環(huán)、排放及旁路過程的物料衡算。10、了解元素衡算法和有平衡反應(yīng)過程的物料衡算。5、掌握無化學(xué)反應(yīng)過程能量衡算設(shè)計過程的原則是便于計算，過程類型有哪5種，無相變的變溫變壓過程能量衡算，相變過程的能量衡算，物質(zhì)的參考態(tài)（基準(zhǔn)態(tài)）選取，利用焓—溫圖作能量衡算溶解熱和混合熱6、熟練掌握化學(xué)反應(yīng)過程的能量衡算由標(biāo)準(zhǔn)生成熱

，由標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱

基準(zhǔn)的選取第一種基準(zhǔn)

若已知標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)熱，可取298K，101.33千帕為反應(yīng)物及產(chǎn)物的計算基準(zhǔn)。對非反應(yīng)物可另選適當(dāng)?shù)臏囟葹榛鶞?zhǔn)。第二種基準(zhǔn)以組成反應(yīng)物及產(chǎn)物的元素在298K，101.3千帕?xí)r的焓為零。非反應(yīng)物以任意適當(dāng)?shù)臏囟葹榛鶞?zhǔn)。帶換熱的反應(yīng)過程的能量衡算絕熱反應(yīng)器的能量衡算第五章能量衡算1、掌握概念：性質(zhì)、強(qiáng)度性質(zhì)、廣延性質(zhì)、相變熱、恒壓反應(yīng)熱ΔHr、恒容反應(yīng)熱ΔUr、標(biāo)準(zhǔn)生成熱、標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱2、弄清能量的傳遞形式

熱量、功，注意問題3、熟記總能量衡算普遍式，幾種特殊情況下熱量衡算式4、掌握熱量衡算的基本步驟5、掌握無化學(xué)反應(yīng)過程能量衡算，設(shè)計過程的原則是便于計算，過程類型有哪5種，無相變的變溫變壓過程能量衡算，相變過程的能量衡算，物質(zhì)的參考態(tài)（基準(zhǔn)態(tài)）選取，利用焓—溫圖作能量衡算溶解熱和混合熱帶換熱的反應(yīng)過程的能量衡算絕熱反應(yīng)器的能量衡算6、熟練掌握化學(xué)反應(yīng)過程的能量衡算，由標(biāo)準(zhǔn)生成熱

，由標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱基準(zhǔn)的選取第一種基準(zhǔn)

若已知標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)熱，可取298K，101.33千帕為反應(yīng)物及產(chǎn)物的計算基準(zhǔn)。對非反應(yīng)物可另選適當(dāng)?shù)臏囟葹榛鶞?zhǔn)。第二種基準(zhǔn)以組成反應(yīng)物及產(chǎn)物的元素在298K，101.3千帕?xí)r的焓為零。非反應(yīng)物以任意適當(dāng)?shù)臏囟葹榛鶞?zhǔn)。課堂練習(xí)題1.、硝化混酸配制過程的物料衡算。已知混酸組成為H2SO465%(質(zhì)量百分含量，下同)、HNO35%、H2O30%，配制混酸用的原料為92.5%的工業(yè)硫酸、98%的硝酸及含H2SO467%的硝化廢酸。試通過物料衡算確定配制1000kg混酸時各原料的用量。為簡化計算，設(shè)原料中除水外的其它雜質(zhì)可忽略不計。2、含H2和CO混合氣和空氣燃燒，燃燒后廢氣分析結(jié)果如下：N2，79.8%（mol%)；O2，18.0%；CO2，2.4%(為干基）。計算：（1）H2和CO混合燃料的組成；（2）混合燃料和空氣的比率。3、原料A與B進(jìn)行下列反應(yīng)，反應(yīng)式：若新鮮原料中B過剩20％，A的單程轉(zhuǎn)化率為60％，A的總轉(zhuǎn)化率為90％，反應(yīng)器出來的產(chǎn)物進(jìn)分離器將產(chǎn)物C與D分離，剩下未反應(yīng)的A與B組分，一部分排放，其余返回反應(yīng)器流程如下：反應(yīng)器分離器FABMFRPCDWAB求：（1）循環(huán)氣R的摩爾組成；（2）排放氣W與循環(huán)氣R的摩爾比；（3）循環(huán)氣R與進(jìn)反應(yīng)器原料MF的摩爾比第五章能量衡算

第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)過程的能量衡算5—9反應(yīng)熱及其表示5—10反應(yīng)熱的計算5—11化學(xué)反應(yīng)過程的能量衡算

《化妝品術(shù)語》起草情況匯報中國疾病預(yù)防控制中心環(huán)境與健康相關(guān)產(chǎn)品安全所一、標(biāo)準(zhǔn)的立項和下達(dá)時間2006年衛(wèi)生部政法司要求各標(biāo)委會都要建立自己的術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)。1