補(bǔ)充資料10 能量衡算

1、 第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 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。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。 ：能量既不能產(chǎn)生，也不能消滅：能量既不能產(chǎn)生，也不能消滅 一類是對(duì)使用中的裝置或設(shè)備一類是對(duì)使用中的裝置或設(shè)備 ； 另一類是在設(shè)計(jì)新裝置或設(shè)備時(shí)另一類是在設(shè)計(jì)新裝置或設(shè)備時(shí) 。 第二節(jié)第二節(jié) 能量的基本形式能量的基本形式 能量衡算和物料衡算類似，要用到守恒的概念，即能量衡算和物料衡算類似，要用到守恒的概念，即要計(jì)算進(jìn)入和離開(kāi)特定體系的能量值，因此必須分清不同要計(jì)算進(jìn)入和離開(kāi)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，形式的能量

2、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。因此能量衡算要比物料衡算復(fù)雜。 一、位能（一、位能（Ep） 位能又稱勢(shì)能，是物體由于在高度上的位移而具有的位能又稱勢(shì)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(chǎng)有關(guān)，物體在重力場(chǎng)能量。其值的大小與物體所在的力場(chǎng)有關(guān)，物體在重力場(chǎng)中所具有的位能可用下式表示：中所具有的位能可用下式表示：mgZE p第二節(jié)第二節(jié) 能量的基本形式能量的基本形式分析：分析： 位能的大小和基準(zhǔn)面有關(guān)，因此物體距基準(zhǔn)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)面的高度差決定了位能的大小，當(dāng)物體

3、處于基準(zhǔn)面上時(shí)其位能為零。由于多數(shù)化工生產(chǎn)過(guò)程基本面上時(shí)其位能為零。由于多數(shù)化工生產(chǎn)過(guò)程基本上是在地表或接近地表的高度進(jìn)行的，位能對(duì)整上是在地表或接近地表的高度進(jìn)行的，位能對(duì)整個(gè)能量衡算的影響一般不大，除在計(jì)算物料的輸個(gè)能量衡算的影響一般不大，除在計(jì)算物料的輸送功率時(shí)物料的位能變化是不可忽略的外，在能送功率時(shí)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。量衡算中位能皆可忽略。第二節(jié)第二節(jié) 能量的基本形式能量的基本形式22muEk22kmuE 第二節(jié)第二節(jié) 能量的基本形式能量的基本形式),(mVTnfU dTCnUUTTmv21,12第三節(jié)第三節(jié) 幾個(gè)與能量衡算有關(guān)的重要物理量幾個(gè)與能

4、量衡算有關(guān)的重要物理量LFdxW0 第三節(jié)第三節(jié) 幾個(gè)與能量衡算有關(guān)的重要物理量幾個(gè)與能量衡算有關(guān)的重要物理量 第三節(jié)第三節(jié) 幾個(gè)與能量衡算有關(guān)的重要物理量幾個(gè)與能量衡算有關(guān)的重要物理量 第四節(jié)第四節(jié) 能量衡算的基本方法能量衡算的基本方法WQEUEEEpkWQU22222211121122VpgZUUWQVpgZUU第四節(jié)第四節(jié) 能量衡算的基本方法能量衡算的基本方法WhpZguf22 有關(guān)hf的計(jì)算方法，在化工原理課程中已作詳細(xì)討論，此處不再敘述。第四節(jié)第四節(jié) 能量衡算的基本方法能量衡算的基本方法第四節(jié)第四節(jié) 能量衡算的基本方法能量衡算的基本方法 以熱量傳遞為主的設(shè)備，在連續(xù)穩(wěn)態(tài)流動(dòng)的以熱量傳

5、遞為主的設(shè)備，在連續(xù)穩(wěn)態(tài)流動(dòng)的情況下其熱量衡算可采用下式表示：情況下其熱量衡算可采用下式表示： 在間歇操作情況下其熱量衡算可采用下式表在間歇操作情況下其熱量衡算可采用下式表示：示： 12HHHQ12UUUQ 第四節(jié)第四節(jié) 能量衡算的基本方法能量衡算的基本方法 第四節(jié)第四節(jié) 能量衡算的基本方法能量衡算的基本方法 例5-5：兩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：120 kgmin-1，30；B：175 kgmin-1，65，鍋爐壓力為17103kPa（絕壓）。出口蒸汽通過(guò)內(nèi)徑為60mm的管子離開(kāi)鍋爐。如產(chǎn)生的蒸汽是鍋爐壓力下的飽和蒸汽，計(jì)算每分鐘要供應(yīng)鍋爐多少千焦的熱量，忽略進(jìn)口

6、的動(dòng)能。 解：作水的物料衡算 可知產(chǎn)生的蒸汽流量為120+175=295kgmin-1。 確定各流股的比焓 由水蒸氣表查得30、65液態(tài)水及17103kPa時(shí)的飽和水蒸氣的焓。查得的數(shù)據(jù)已填入流程圖中。30、120kgmin-1 、H=125.7kJkg-1 65、175kgmin-1、H=271.9kJkg-1 295kgmin-1 、H=2793kJkg-1 1.7103kPa飽和水蒸氣(204) 0PEQEHK寫出能量衡算方程并求解 對(duì)體系來(lái)說(shuō)WQEEHPK由于沒(méi)有運(yùn)動(dòng)的部件，W=0；由于高度差較小，所以第四節(jié)第四節(jié) 能量衡算的基本方法能量衡算的基本方法)9 .2711757 .1251

7、20()2793295()()(12iiiiHmHmH=7.61105 kJmin-1=1.27104 kJs-1 由水蒸氣表查得17atm飽和蒸氣比容為0.1166 m3kg-1，內(nèi)徑0.06m管子的截面積為232m1083. 206. 04A蒸汽流速為13sm6 .2021083. 2601166. 0295u第四節(jié)第四節(jié) 能量衡算的基本方法能量衡算的基本方法由于進(jìn)水的動(dòng)能可以忽略,則 )2()(2KKumEE蒸汽132skJ45.501026 .20260295144kskJ10275. 145.501027. 1EHQ%4 . 00040. 010275. 145.504KQE 可見(jiàn)動(dòng)

8、能的變化約占過(guò)程所需總熱量的0.4%，對(duì)于帶有相變、化學(xué)反應(yīng)或較大溫度變化的過(guò)程，動(dòng)能和位能的變化相對(duì)于焓變來(lái)說(shuō)，常常是可忽略的（至少在作估算時(shí)可以這樣）。第五節(jié)第五節(jié) 無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的能量衡算無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的能量衡算 無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的能量衡算，一般應(yīng)用于計(jì)無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的能量衡算，一般應(yīng)用于計(jì)算指定條件下進(jìn)出過(guò)程物料的焓差或內(nèi)能差，用算指定條件下進(jìn)出過(guò)程物料的焓差或內(nèi)能差，用來(lái)確定過(guò)程的熱量，進(jìn)而計(jì)算出冷卻或加熱介質(zhì)來(lái)確定過(guò)程的熱量，進(jìn)而計(jì)算出冷卻或加熱介質(zhì)的用量或溫差，因此當(dāng)過(guò)程中各物料的焓或內(nèi)能的用量或溫差，因此當(dāng)過(guò)程中各物料的焓或內(nèi)能可以從手冊(cè)中查到時(shí)，直接采用式可以從手冊(cè)中查到時(shí)，直

9、接采用式 或或式式 進(jìn)行計(jì)算比較簡(jiǎn)單。進(jìn)行計(jì)算比較簡(jiǎn)單。12HHQ12UUQ第五節(jié)第五節(jié) 無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的能量衡算無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的能量衡算例例5-6：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80 kgmin-1，60的水為50 kgmin-1。試求鍋爐每分鐘的供熱量。解：根據(jù)題意畫(huà)出流程示意圖 20、80kgmin-1800kPa水蒸氣，130kgmin-1 60、50kgmin-1第五節(jié)第五節(jié) 無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的能量衡算無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的能量衡算 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(shí)，其溫度為170

10、.4，比焓為2773 kJkg-1。20的水比焓為83.74kJkg-1，60的水比焓為251.21 kJkg-1，代入式 Q=H2H1，可求每分鐘需供熱量： Q=1302773（8083.74+50251.21） =36049019260=341230 kJmin-1第五節(jié)第五節(jié) 無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的能量衡算無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的能量衡算 化工過(guò)程中無(wú)相變、無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的熱量化工過(guò)程中無(wú)相變、無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)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衡算主要是指物料溫度變化所需加入或取出的熱量的計(jì)算，化工生產(chǎn)中常見(jiàn)的加熱或冷卻過(guò)程就量的計(jì)算，化工生產(chǎn)中常見(jiàn)的加熱或冷卻過(guò)程就屬于這種情況。屬于這種

11、情況。 1利用熱容計(jì)算利用熱容計(jì)算 U或或H 恒壓過(guò)程恒壓過(guò)程Qp或或H的計(jì)算的計(jì)算 TCnHQmpTTpd,21 恒容過(guò)程恒容過(guò)程QV或或U的計(jì)算的計(jì)算 TCnUQmVTTVd,21第五節(jié)第五節(jié) 無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的能量衡算無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的能量衡算 壓力對(duì)焓的影響壓力對(duì)焓的影響 壓力變化對(duì)壓力變化對(duì)U、H的影響，對(duì)于理想氣體和真的影響，對(duì)于理想氣體和真實(shí)氣體是不同的。對(duì)理想氣體，實(shí)氣體是不同的。對(duì)理想氣體，U是溫度的函數(shù)，是溫度的函數(shù)，與壓力無(wú)關(guān)；對(duì)固體或液體，在恒溫變化時(shí)，與壓力無(wú)關(guān)；對(duì)固體或液體，在恒溫變化時(shí)，U0，=U+（PV）VP。對(duì)于真實(shí)氣體，。對(duì)于真實(shí)氣體，在低壓高溫情況，接近理想氣

12、體，可忽略壓力對(duì)在低壓高溫情況，接近理想氣體，可忽略壓力對(duì)焓的影響，其它情況下，可根據(jù)氣體的焓校正圖焓的影響，其它情況下，可根據(jù)氣體的焓校正圖加以校正。加以校正。第五節(jié)第五節(jié) 無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的能量衡算無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的能量衡算解：根據(jù)題意畫(huà)出流程示意圖解：根據(jù)題意畫(huà)出流程示意圖 富油 30F3=12000kgh-1 F1=10000kgh-1 貧油150 65 換熱器 F2=10000kgh-1 F4=12000kgh-1T4=？第五節(jié)第五節(jié) 無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的能量衡算無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的能量衡算 基準(zhǔn)：基準(zhǔn)：1h、30 因無(wú)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(kāi)系統(tǒng)時(shí)的焓相等，即熱量衡算

13、式為4231HHHH 式中 H1, H3分別為貧油和富油進(jìn)入換熱器時(shí)和基準(zhǔn)態(tài)比較所具有的焓變，kJ h-1 H2, H4分別為貧油和富油離開(kāi)換熱器時(shí)和基準(zhǔn)態(tài)比較所具有的焓變，kJ h-1 由已知，有焓變計(jì)算式 TCnHpm,，代入數(shù)據(jù)得： H1100002.240（15030）2688000kJh-1 H2 100002.240（6530）784000kJh-1 H3 120002. 093（3030）0 H4 120002. 093（T4 30 ）=25116(T4 30 ）第五節(jié)第五節(jié) 無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的能量衡算無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的能量衡算將將數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)或或表表達(dá)達(dá)式式代代入入：4231HHHH

14、有有：)30(25116784000026880004T 解解得得： T4 4= =105.8 所所以以富富吸吸收收油油的的出出口口溫溫度度為為 105.8 第五節(jié)第五節(jié) 無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的能量衡算無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的能量衡算 。 第五節(jié)第五節(jié) 無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的能量衡算無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的能量衡算 例例5-10：每小時(shí)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(duì)焓的影響，計(jì)算每小時(shí)的供熱量。解：根據(jù)題意，W=EK=EP=0，所以能量衡算式變?yōu)椋?Q=H 因此算出H便為所求的加熱量。第五節(jié)第五節(jié) 無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的能量衡算無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的能量衡算 從手冊(cè)中查得101.

15、3kPa正已烷的沸點(diǎn)為342K，H汽化 28.87kJmol-1，而正已烷在709.1kPa時(shí)的沸點(diǎn)為419K，但由于無(wú)法查到419K時(shí)的氣化熱數(shù)據(jù)，因此設(shè)計(jì)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）298K正已烷（氣）573K正已烷（氣）342K正已烷（液）342K正已烷（液）419K正已烷（氣）419K正已烷 （氣）298KHm,1Hm,2Hm,3Hm,4Hm,5Hm,6Hm,7Hm,8第五節(jié)第五節(jié) 無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的能量衡算無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)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

16、已知419K的 Hv，H可由 Hm,1 Hm,4 Hm,5 Hm,6計(jì)算，如果已知298K的Hv， H可由 Hm,7 Hm,8計(jì)算，由于只有342K時(shí)的 Hv，H應(yīng)由Hm,1 Hm,2 Hm,3計(jì)算。 查液體正已烷的 Cp,m(l) 215.5 kJkmol-1K-1。 Hm,1 =Cp,m(l)(T2T1)=215.5（342298）103 9.482kJ.mol-1 Hm,2 = Hv(342K) =28.87kJ.mol-1第五節(jié)第五節(jié) 無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的能量衡算無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的能量衡算氣體正已烷： 39252)m(g,1066.571064.281019.5593. 6TTTCpkJkm

17、ol-1K-17 .41d)1066.57d1064.281019.5593. 6(d39573342252573342)m(g,3,mTTTTTTCHp kJmol-1 8545) 1 .4787.28482. 9(100)()(m,3m,2m,1,mHHHnHnHQi所以每小時(shí)的加熱量為8545 kJ。 kJh-1第五節(jié)第五節(jié) 無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的能量衡算無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的能量衡算 例例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(wèn)1kmol進(jìn)料

18、要多少熱量？解：根據(jù)題意畫(huà)出流程示意圖 氣氣化化室室1kmol，10 0.5kmol苯/kmol 0.5kmol甲苯/kmol V（ kmol）,50,34.8mmHg Q(kJ/kmol) L（kmol）,50 0.4 mol苯/kmol,0.6 kmol甲苯/kmol 第五節(jié)第五節(jié) 無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的能量衡算無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的能量衡算由物料衡算求由物料衡算求V和和L： 由手冊(cè)可查得：Cp（苯、液）=62.55+23.410-2T kJkmol-1K-1Cp（甲苯、液）=157 kJkmol-1K-1 (273323K)Cp（甲苯、液）=165 kJkmol-1K-1 (273373K)Cp（苯

19、、氣）=36.21+48.4610-2T31.5610-5T2(kJkmol-1K-1)Cp（甲苯、氣）=34.40+55.9210-2T34.4510-5T2 (kJkmol-1K-1)Hv(苯)=30760 kJkmol-1Hv(甲苯)=33470 kJkmol-1(1)苯(液)503232831(1kmolkJ5338dTCHp 苯，液）第五節(jié)第五節(jié) 無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的能量衡算無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的能量衡算(2)甲苯(液)50 H2=Cp（甲苯、液）（5010）=157（5010）=6280 kJkmol-1(3)苯(氣)50苯(液,10)苯（液，80.26）苯（氣，80.26）苯（氣，50）3

20、532831323353()v(3kmolkJ37600ddTCHTCHpp苯，氣）苯苯，液）(4)甲苯（氣）50甲苯(液,10)甲苯（液，110.8）甲苯（氣，110.8）甲苯（氣，50）3233841(v(4kmolkJ42780d108 .110TCHCHpp甲苯，氣）甲苯）甲苯，液）（第五節(jié)第五節(jié) 無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的能量衡算無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的能量衡算將計(jì)算填入進(jìn)出口焓表將計(jì)算填入進(jìn)出口焓表 物質(zhì)n 進(jìn)/kmolH m,進(jìn), / (kJkmol-1)n 出/ kmolH m,出/ (kJkmol-1)苯(液)0.500.2595338甲苯(液)0.500.3896280苯(氣)0.24137

21、600甲苯(氣)0.11142780總能量衡算 Q=H=n出H m,出-n進(jìn)H m,進(jìn) =(0.2595338)+(0.3896280)+(0.24137600)+(0.11142780)0 =17630 kJkmol-1第五節(jié)第五節(jié) 無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的能量衡算無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的能量衡算 溶解熱是指1mol溶質(zhì)（氣體或固體）于恒溫、恒壓下溶于n mol溶劑中，形成溶液時(shí)引起的焓的變化，稱該濃度下溶液的積分溶解熱，記作 Hs(T,n)。隨著n的增大即溶液的濃度無(wú)限稀釋，Hs趨于一極限值，稱為無(wú)限稀釋積分溶解熱 Hs(T,) 。 混合熱與溶解熱有相同的含意，只不過(guò)混合熱是指兩種液體混合過(guò)程的焓變。第五

22、節(jié)第五節(jié) 無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的能量衡算無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的能量衡算第五節(jié)第五節(jié) 無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的能量衡算無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的能量衡算 例例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(shí)生產(chǎn)40、25%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）HCl水溶液2000kg，計(jì)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(jì)算HCl（氣體）和H2O（液體）的流率?；鶞?zhǔn)：2000kg 25%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）HCl水溶液1HClhkmol7 .135 .3625. 02000n1OHhkmol333.831875. 020002n第五節(jié)第五節(jié) 無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的能量衡算無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的能量衡算 H2O

23、25（液） 83.333kmolh-1 25%HCl（水溶液）402000kgh-1 HCl 100（氣） 13.7kmolh-1 圖 5-15 例 5-12 流程示意圖 能量衡算基準(zhǔn)： 由于 25HCl 的根據(jù)題意畫(huà)流程示意圖 能量衡算基準(zhǔn)：由于25HCl的Hs已知，又過(guò)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(guò)程表示為）氣，）氣，25(HCl100(HCl查出HCl的平均熱容 11m,KmolJ17.29pCHm,1=29.17（10025）1032.188kJmol-1第五節(jié)第五節(jié) 無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的能量衡算無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的能量衡算溶解過(guò)程

24、的焓變?yōu)镠s，其過(guò)程表示為 ）水溶液，）液，）氣，25(HCl25(OH25(HCl2n12)molHCl()OmolH084. 67 .13333.83（n1s(molHCl)kJ23.65)084. 6 ,25(H設(shè)HCl水溶液帶出的熱量為，其過(guò)程表示為：）水溶液，）水溶液，40(HCl25(HCl由手冊(cè)查得25%（質(zhì)量）鹽酸的熱容為0.4185kJmol-11m,2molkJ278. 6)2540(4185. 0H1533,hkJ10275. 8188. 2107 .13)278. 623.65(107 .13)()(進(jìn)出imiimiHnHnHQ吸收裝置每小時(shí)需移出8.375105 kJ

25、熱量。第六節(jié)第六節(jié) 化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的熱量衡算化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的熱量衡算 在化學(xué)反應(yīng)中反應(yīng)物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的改變使分子內(nèi)部質(zhì)在化學(xué)反應(yīng)中反應(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。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?；蛞瞥鲆欢ǖ臒崃俊?化學(xué)反應(yīng)通常伴隨較大的熱效應(yīng)化學(xué)反應(yīng)通常伴隨較大的熱效應(yīng)吸收熱量或放出吸收熱量或放出熱量，稱為反應(yīng)熱

26、。熱量，稱為反應(yīng)熱。 有關(guān)反應(yīng)熱的定義及標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)熱的定義和計(jì)算方法，有關(guān)反應(yīng)熱的定義及標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)熱的定義和計(jì)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。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)第六節(jié) 化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的熱量衡算化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的熱量衡算 對(duì)于化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，同反應(yīng)系統(tǒng)中物料的焓對(duì)于化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，同反應(yīng)系統(tǒng)中物料的焓變相比，其位能、動(dòng)能的變化皆可忽略，系統(tǒng)與變相比，其位能、動(dòng)能的變化皆可忽略，系統(tǒng)與環(huán)境間一般也無(wú)功的傳遞。這樣，反應(yīng)系統(tǒng)的能環(huán)境間一般也無(wú)功的傳遞。這樣，反應(yīng)系

27、統(tǒng)的能量衡算就簡(jiǎn)化為熱量衡算即焓衡算。量衡算就簡(jiǎn)化為熱量衡算即焓衡算。 1基準(zhǔn)一：基準(zhǔn)一：298K、101.3kPa 各反應(yīng)物及產(chǎn)物狀態(tài)各反應(yīng)物及產(chǎn)物狀態(tài)第六節(jié)第六節(jié) 化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的熱量衡算化學(xué)反應(yīng)過(guò)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(duì)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(shí)反應(yīng)過(guò)程的焓差用下式計(jì)算：iiiiHnHnHnH輸入輸出AAr第六節(jié)第六節(jié) 化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的熱量衡算化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的熱量衡算 例例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（

28、氣） 4NO（氣）+6H2O（氣）kJ6 .904rH 現(xiàn)將每小時(shí)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(kāi)反應(yīng)器。如操作壓力為101.3kPa，計(jì)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 NH3200molh-1 O2400molh-1 25 NO 200molh-1 H2O 300molh-1 O2 150molh-1 300 第六節(jié)第六節(jié) 化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的熱量衡算化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的熱量衡算輸入物料的焓因進(jìn)口的兩股物料的溫度均為298K，故焓均為零。輸出物料的焓查表300時(shí)：O2： H2O： NO：

29、11)O(m,KmolJ50.302pC11)OH(m,KmolJ80.342pC39252m,103652. 0102925. 01088188. 050.29TTTCp計(jì)算： TCnHpd573298m,)NO( 139252573298hkJ4 .1690103652. 0102925. 01088188. 050.29200TTT1m,)O(hkJ2 .125827550.30150)298573(2pCnH1m,)OH(hkJ297127580.34300)298573(2pCnH基準(zhǔn)：題給的進(jìn)料量，基準(zhǔn)：題給的進(jìn)料量，25，101.3kPa，物料均為氣態(tài)，物料均為氣態(tài)第六節(jié)第六節(jié)

30、化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的熱量衡算化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的熱量衡算已知氨的消耗量為200molh-11AAhkJ452304)6 .904(200rHn此過(guò)程的焓 iiiiHnHnHnH輸入輸出AAr0)29714 .16902 .1258(452301hkJ39310 即為了維持產(chǎn)物溫度為300，每小時(shí)需從反應(yīng)器移走39310kJ熱量。第六節(jié)第六節(jié) 化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的熱量衡算化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的熱量衡算 當(dāng)一個(gè)過(guò)程的反應(yīng)為復(fù)雜反應(yīng)體系時(shí)，當(dāng)一個(gè)過(guò)程的反應(yīng)為復(fù)雜反應(yīng)體系時(shí)，有時(shí)會(huì)難以寫出發(fā)生在體系中的各個(gè)化學(xué)反有時(shí)會(huì)難以寫出發(fā)生在體系中的各個(gè)化學(xué)反應(yīng)式，即使能寫出反應(yīng)式，有時(shí)也難以確定應(yīng)式，即使能寫出反應(yīng)式，有時(shí)也難以確定一

31、種原料參加不同反應(yīng)的量的比例，即個(gè)反一種原料參加不同反應(yīng)的量的比例，即個(gè)反應(yīng)的選擇性不確定，這時(shí)利用第一種基準(zhǔn)進(jìn)應(yīng)的選擇性不確定，這時(shí)利用第一種基準(zhǔn)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的能量衡算就顯得力不從心。行化學(xué)反應(yīng)過(guò)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，以致例如石油的催化裂解，反應(yīng)如此之多，以致無(wú)法判別出每個(gè)單獨(dú)的反應(yīng)，更談不上各反無(wú)法判別出每個(gè)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(wú)法知道，應(yīng)間的比例關(guān)系，標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)熱也無(wú)法知道，這時(shí)可用下列基準(zhǔn)二求解。這時(shí)可用下列基準(zhǔn)二求解。第六節(jié)第六節(jié) 化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的熱量衡算化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的熱量衡算此時(shí)反應(yīng)過(guò)程的總焓變用下式計(jì)算。ii

32、iiHnHnH輸入輸出 這里反應(yīng)物或產(chǎn)物的是各物質(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(lái)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(jì)算時(shí)，其焓如何計(jì)算？該物質(zhì)為化合物TCHHTpiifd298m,或 TCHHpiifm,2.基準(zhǔn)二：基準(zhǔn)二： 25，101.3kPa 組成反應(yīng)物及產(chǎn)物各穩(wěn)定態(tài)的單組成反應(yīng)物及產(chǎn)物各穩(wěn)定態(tài)的單質(zhì)時(shí)焓為零質(zhì)時(shí)焓為零 非反應(yīng)分子以任意適當(dāng)?shù)臏囟葹榛鶞?zhǔn)非反應(yīng)分子以任意適當(dāng)?shù)臏囟葹榛鶞?zhǔn)第六節(jié)第六節(jié) 化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的熱量衡算化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的熱量衡算 該物質(zhì)為穩(wěn)定態(tài)的單質(zhì) TCHTpid298m,或 TCHpim,

33、 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)第六節(jié) 化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的熱量衡算化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的熱量衡算 這類反應(yīng)器除了熱量的自然損失外沒(méi)有專門的換熱設(shè)這類反應(yīng)器除了熱量的自然損失外沒(méi)有專門的換熱設(shè)施，或者由于反應(yīng)速度很快而無(wú)法及時(shí)換熱，反應(yīng)過(guò)程的施，或者由于反應(yīng)速度很快而無(wú)法及時(shí)換熱，反應(yīng)過(guò)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(chǎng)合。合于反應(yīng)熱效應(yīng)不大，單程轉(zhuǎn)化率不高的

34、場(chǎng)合。 這類反應(yīng)過(guò)程借助與外界換熱，使反應(yīng)維持在合適的這類反應(yīng)過(guò)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(guò)能量衡算，算溫度條件。在連續(xù)穩(wěn)定的操作條件下，通過(guò)能量衡算，算出與外界交換的熱量，為換熱設(shè)備的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。如果出與外界交換的熱量，為換熱設(shè)備的設(shè)計(jì)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；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、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(duì)這種反應(yīng)器主要是計(jì)算反應(yīng)過(guò)程的總焓差，冷凝器等。對(duì)這種反應(yīng)器主要是計(jì)算反應(yīng)過(guò)程的

35、總焓差，總焓差即是所需的換熱量。總焓差即是所需的換熱量。第六節(jié)第六節(jié) 化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的熱量衡算化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的熱量衡算 例例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/（kmolh-1）出料/（kmolh-1 ）CH4H2O(氣)COCO2H21.002.500000.251.500.50.252.50共計(jì)3.505.001.換熱式反應(yīng)器的熱量恒算第六節(jié)第六節(jié) 化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的熱量衡算化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的熱量衡算 解：分析反應(yīng)過(guò)程，反應(yīng)過(guò)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。 基準(zhǔn)：計(jì)算時(shí)

36、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(huà)出流程示意圖 CH4 0.25kmolh-1 H2O 1.50kmolh-1CO 0.5kmolh-1 CO2 0.25kmolh-1 H2 2.50kmolh-1 500 CH4 0.25kmolh-1 H2O 1.50kmolh-1500 第六節(jié)第六節(jié) 化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的熱量衡算化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的熱量衡算iiiiHnHnH輸入輸出本題中由于進(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：）輸入輸出iiinnHH(計(jì)算各組分在500的焓值CH4：查 1CHfmolkJ85.744）（H11500(m,KkmolkJ76.

37、48）pC231611085.74)298773()(3)500m(,CHf)(CH44pCHH-1kmolkJ 51689H2O：查 1O(g)HfmolkJ2 .2422）（H11500(m,KkmolkJ76.35）pC16986102 .242)298773()(3)500(m,OHfO)(H22pCHH1kmolkJ225214第六節(jié)第六節(jié) 化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的熱量衡算化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的熱量衡算CO：查 11500(m,KkmolkJ19.30）pC14340106 .110)298773()(3)500(m,COf(CO)pCHH1kmolkJ96260CO2：查 1COfmolkJ6 .1

38、10）（H1(g)COfkmolkJ7 .3932）（H11500(m,KkmolkJ11.45）pC21427107 .393)298773()(3)500(m,)g(COf)(CO22pCHH1kmolkJ372273H2：查 0(g)Hf2）（H11500(m,KkmolkJ29.29）pC1)500(m,)H(kmolkJ13913)298773(02CpCH總焓變應(yīng)為()51689(0.25 1.0)225214(1.52.5)96260 0.5372273 0.25 13.913 2.5iiiHH nn 輸出輸入1hkJ157566第六節(jié)第六節(jié) 化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的熱量衡算化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的

39、熱量衡算2.絕熱式反應(yīng)器的熱量衡算絕熱式反應(yīng)器的熱量衡算 絕熱反應(yīng)器與外界沒(méi)有熱量交換，此時(shí) 0HQ 按第一種基準(zhǔn)計(jì)算時(shí)，下式成立 iiiiHnHnHn輸出輸入ArA按第二種基準(zhǔn)計(jì)算時(shí)，下式成立iiiiHnHn輸出輸入第六節(jié)第六節(jié) 化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的熱量衡算化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的熱量衡算 由絕熱反應(yīng)器的特征，在化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中與外界無(wú)熱量交換，無(wú)論采用哪一種基準(zhǔn)，絕熱反應(yīng)過(guò)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(shí)，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(shí)，即 出料溫度高于進(jìn)料溫度，即出料溫度上升。對(duì)絕熱反應(yīng)過(guò)程的熱量衡算，通常是根據(jù)反應(yīng)熱計(jì)算物料的出口

40、溫度。 0rH0rH第六節(jié)第六節(jié) 化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的熱量衡算化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的熱量衡算 例例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： kJ95.68rHC2H5OH(g)： 11m,KmolkJ110. 0pCCH3CHO(g)： 11m,KmolkJ080. 0pC H2(g)： 11m,KmolkJ029. 0pC求反應(yīng)器出口產(chǎn)物的溫度。第六節(jié)第六節(jié) 化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的熱量衡算化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的熱量衡算解：由題意進(jìn)行簡(jiǎn)

41、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100mol C2H5OH(g) 300 70mol C2H5OH(g) 30mol CH3CHO(g) 30mol H2(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：iiiiHnHnHnH,m,mAmr,A輸入輸出25反應(yīng)的焓： kJ2069195.6830Amr,AHn第六節(jié)第六節(jié) 化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的熱量衡算化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的熱量衡算計(jì)算各物質(zhì)焓值各物質(zhì)焓值的計(jì)算采用以下公式： )25(m,m,TCTCHppiC2H5OH 1輸入OH)H

42、(Cm,molkJ25.30)25300(110. 052H1輸出OH)H(Cm,molkJ)25(110. 052THCH3CHO 1輸出CHO)(CHm,molkJ)25(080. 03THH2 1)H( ,mmolkJ)25(029. 02TH輸出根據(jù)式（5-38）iiiiHnHnHn,mAmr,A,m輸出輸入 代入數(shù)據(jù)得： )25(029. 030)25(080. 030)25(110. 070206925.30100TTT)25(0 .11956T解得： T=111.9 第七節(jié)第七節(jié) 穩(wěn)態(tài)流動(dòng)過(guò)程物能聯(lián)合衡算穩(wěn)態(tài)流動(dòng)過(guò)程物能聯(lián)合衡算 我們分別討論了物料衡算和能量衡算，一般我們分別討論

43、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(shí)根應(yīng)在作能量衡算之前先要作物料衡算；但有時(shí)根據(jù)物料衡算式不能直接計(jì)算出物料量，還需對(duì)物據(jù)物料衡算式不能直接計(jì)算出物料量，還需對(duì)物料衡算和能量衡算進(jìn)行聯(lián)立求解。本節(jié)主要討論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(wèn)題。物料衡算和能量衡算聯(lián)合應(yīng)用的問(wèn)題。第七節(jié)第七節(jié) 穩(wěn)態(tài)流動(dòng)過(guò)程物能聯(lián)合衡算穩(wěn)態(tài)流動(dòng)過(guò)程物能聯(lián)合衡算 對(duì)于任何一個(gè)體系，都可以寫出：對(duì)于任何一個(gè)體系，都可以寫出： 1.總的物料算式；總的物料算式； 2.每一組分的物料算式；每一組分的物料算式； 3.總能量衡算式。總能量衡算式。第七節(jié)第七節(jié) 穩(wěn)

44、態(tài)流動(dòng)過(guò)程物能聯(lián)合衡算穩(wěn)態(tài)流動(dòng)過(guò)程物能聯(lián)合衡算 例5-17：某連續(xù)蒸餾塔每小時(shí)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(lái)的物料)含1%苯。冷凝器進(jìn)水溫度為288.7K，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(jì)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(jì)算下列各項(xiàng)：塔頂產(chǎn)物和塔底產(chǎn)物每小時(shí)各為多少kg？每小時(shí)回流多少kg？進(jìn)

45、再沸器的液體和再沸器的蒸汽每小時(shí)各為多少kg？每小時(shí)耗用的水蒸汽和冷卻水各為多少kg？第七節(jié)第七節(jié) 穩(wěn)態(tài)流動(dòng)過(guò)程物能聯(lián)合衡算穩(wěn)態(tài)流動(dòng)過(guò)程物能聯(lián)合衡算解：根據(jù)題意畫(huà)出流程示意圖解：根據(jù)題意畫(huà)出流程示意圖,并注明已知條件。并注明已知條件。第七節(jié)第七節(jié) 穩(wěn)態(tài)流動(dòng)過(guò)程物能聯(lián)合衡算穩(wěn)態(tài)流動(dòng)過(guò)程物能聯(lián)合衡算已知液態(tài)苯和氯苯的熱容數(shù)據(jù)如下表所示：已知液態(tài)苯和氯苯的熱容數(shù)據(jù)如下表所示：溫度溫度/KCp/ (kJ Jkg-1K-1)Hv / (kJ Jkg-1)氯苯氯苯苯苯氯苯氯苯苯苯2943053223393553723894051.2551.3391.4021.4431.5061.5691.6321.674

46、1.6951.7361.7991.8831.9662.0292.0922.176325.43313.80302.17292.88395.18385.97371.92357.73第七節(jié)第七節(jié) 穩(wěn)態(tài)流動(dòng)過(guò)程物能聯(lián)合衡算穩(wěn)態(tài)流動(dòng)過(guò)程物能聯(lián)合衡算基準(zhǔn)：每小時(shí)10000kg進(jìn)料總物料衡算 F=D+W整個(gè)系統(tǒng)物料衡算10000=D+WW=6040 kgh-1 D=3960kgh-1 100000.4=D0.995+(10000D)0.01100000.4=D0.995+W0.01苯的衡算 FxFi=DxDi+WxWi第七節(jié)第七節(jié) 穩(wěn)態(tài)流動(dòng)過(guò)程物能聯(lián)合衡算穩(wěn)態(tài)流動(dòng)過(guò)程物能聯(lián)合衡算冷凝器物料衡算 LbxLb=6040