化工過程開發(fā)與設計第章能量衡算

第6章能量衡算化工過程開發(fā)與設計熱力學數(shù)據(jù)及計算6.2無化學反應過程的能量衡算6.3能量衡算的基本概念6.1第6章能量衡算反應過程的能量衡算6.4計算機輔助化工流程中的能量衡算6.56.1能量衡算的基本概念12能量存在的形式普遍化能量平衡方程式34封閉體系的能量衡算穩(wěn)態(tài)下敞開流動體系的能量衡算5能量衡算問題的分類與求解步驟6.1.1能量存在的形式能量守恒定律的一般表達式為

(輸入系統(tǒng)的能量)-(輸出系統(tǒng)的能量)+（輸入的熱量）-（系統(tǒng)輸出的功）=（系統(tǒng)內能量的積累）（6-1）6.1.1能量存在的形式在能量平衡中，涉及到以下幾種能量。（1）動能（EK）（2）勢能（EP）（3）內能（U）（4）熱（Q）（5）功（W）6.1.2普遍化能量平衡方程式根據(jù)熱力學第一定律，能量衡算方程式可寫為ΔE=(U1+EK1+EP1)-(U2+EK2+EP2)+Q-W（6-2）6.1.3封閉體系的能量衡算封閉體系是指系統(tǒng)與環(huán)境之間沒有質量交換。在間歇過程中，體系中沒有物質流動，因此也沒有動能和勢能的變化，式（6-2）就可簡化為：ΔU=Q-W（6-3）6.1.4穩(wěn)態(tài)下敞開流動體系的能量衡算1．連續(xù)穩(wěn)定流動過程的總能量衡算表6-1體系輸入和輸出的能量項

目輸

入輸

出項

目輸

入輸

出內能U1U2物料量m1=1m2=1動能

傳給每千克流體的熱量Q位能EP1=gZ1EP2=gZ2泵輸出流體的功W（環(huán)境向體系作功）流動功P1V1P2V26.1.4穩(wěn)態(tài)下敞開流動體系的能量衡算圖6.1物料流動6.1.4穩(wěn)態(tài)下敞開流動體系的能量衡算體系內沒有能量和物質的積累，體系在其任一時間間隔內的能量平衡關系應為：輸入的總能量＝輸出的總能量（6-4）

ΔE=E2-E1=△U+△EK+△EP

（6-5）U2+EK2+EP2+P2V2-（Ul+EK1+EP1+P1V1）=Q+W（6-6）

ΔH+ΔEK+ΔEP=Q+W（6-7）6.1.4穩(wěn)態(tài)下敞敞開流動動體系的的能量衡衡算簡化為ΔH=W（6-8）ΔH=Q（6-9）ΔH=0（6-10）2．熱量衡衡算Q=ΔH=H2-H1（6-11）∑Q=∑∑H2-∑H1（6-12）6.1.4穩(wěn)態(tài)下敞敞開流動動體系的的能量衡衡算3．機械能能衡算（6-13）ΔU=Q+F（6-14）（6-15）（6-16）6.1.5能量衡算算問題的的分類與與求解步步驟1．能量衡衡算的分分類（1）無化學學反應的的能量衡衡算（2）有化學學反應的的能量衡衡算6.2熱力學數(shù)數(shù)據(jù)及計計算1．利用熱熱容計算算ΔU或ΔH（1）恒容過過程熱Qv或ΔU的計算（6-17）（6-18）6.2熱力學數(shù)據(jù)及及計算（2）恒壓過程熱熱Qp或ΔH的計算（6-19）（6-20）（6-21）6.2熱力學數(shù)據(jù)及及計算2．恒壓摩爾爾熱容CpCp=a+bT+cT2+dT3（6-22）Cp=a+bT+cT2（6-23）（6-24）（6-25）Cp=Cv+R（6-26）Cp≈≈Cv（6-27）6.2熱力力學學數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)及及計計算算3．潛潛熱熱計計算算Q=nΔΔHm（6-28）△Hm,2=△△Hm,1+△△Hm,4-△△Hm,3（6-29）△Hm,3=（6-30）△Hm,4=（6-31）（6-32）（6-33）△Hm,2=△△Hm,1（6-34）6.2熱力力學學數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)及及計計算算4．化化學學反反應應熱熱Qp=△△H（6-35）QV=△△U（6-36）Qp-QV=△△H-△△U=△△nRT（6-37）6.2熱力力學學數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)及及計計算算5．基基準準態(tài)態(tài)的的選選取?。?）選選298K為基準溫度度。（2）選取系統(tǒng)統(tǒng)某物流的的溫度為基基準溫度，，此物流的的相態(tài)為各各組分的基基準相態(tài)。。6.3無化學反應應過程的能能量衡算1．無相變過過程的熱量量衡算例[6.1]用泵將5℃的水從水池池吸上，經(jīng)經(jīng)換熱器預預熱后打入入某容器。。已知泵的的流量為1000kg/h，加熱器的的傳熱速率率為11.6kW，管路的散散熱速率為為2.09kW，泵的有效效功率為1.2kW。設地面與與容器水面面的高度不不變，求水水進入容器器時的溫度度。6.3無化學反應應過程的能能量衡算解方法法一（1）求水的內內能增加值值/kg=38.4kJ/kg（2）求水溫℃圖6.2例6.1附圖6.3無化學反應應過程的能能量衡算方法二：（1）求水的吸吸熱速率水的吸熱速速率：kW（2）求水溫℃6.3無化學反應應過程的能能量衡算例題[6.2]甲醇蒸氣離離合成設備備時的溫度度為450℃℃，經(jīng)廢熱鍋鍋爐冷卻。。廢熱鍋爐爐產(chǎn)生0.4MPa飽和蒸汽。。已知進水水溫度20℃，壓力0.45MPa。進料水與與甲醇的摩摩爾比為0.2。假設鍋爐爐是絕熱操操作，求甲甲醇的出口口溫度。其其中，CH3OH(汽)在450~300℃℃的熱容可按按下式計算算：Cp=（19.05+9.15××10-2T）（J／（mol·K））6.3無化學反應應過程的能能量衡算解基準：物物料：1molCH3OH，0.2molH2O條件：H2O（液）0℃，CH3OH(汽)450℃T1=602K=329℃℃，T2=-1019K圖6.3例題6.2的題意圖圖6.3無化學反反應過程程的能量量衡算例6.3在鹽酸生生產(chǎn)過程程中，如如果用100℃℃HCl（g）和25℃H2O（l）生產(chǎn)40℃、25％（質量量分數(shù)））的HCl水溶液1000kg/h，試計算算吸收裝裝置中應應加入或或移走多多少熱量量。解基準：1000kg/h、25％（質量量分數(shù)））的HCl水溶液（kmol/h）（kmol/h）6.3無化學反反應過程程的能量量衡算（kJ）圖6.4鹽酸吸收收過程的的能量恒恒算示意意圖6.4反應過程程的能量量衡算例[6.4]已知H2O（l）的△rHm?（298.15K）=-285.8kJ／mol，25℃℃、l01.3kPa下水的蒸蒸發(fā)焓△△vapHm*=44.01kJ／mol，求H2O（g）的△rHm?（298.15K）。6.4反應過程程的能量量衡算解H2（g）+O2（g）→H2O（l），△rHm?（298.15K）=-285.8kJ／molH2O（l）→H2O（g），△△vapHm*=44.01kJ／molH2（g）+O2（g）→H2O（g）△rHm?(H2O，g，298.15K)=△△Hm?(H2O，l，298.15K)+△△vapHm*=-285.8+44.04=-241.8kJ／mol6.4反應過程的能能量衡算例題[6.5]利用化合物的的標準摩爾生生成焓△fHm?數(shù)據(jù)，計算下下列反應的標標準摩爾焓變變△rHm?。反應式為（1）C6H6（l）+HNO3（l）→C6H5NO2（l）+H2O（l）（2）C6H5NO2（l）+3H2（g）→C6H5NH2（l）+2H2O（l）（3）4C6H5NO2（l）+6Na2S（aq）+7H2O（l）→4C6H5NH2（l）+3Na2S2O3（aq）+6NaOH（aq）6.4反應過過程的的能量量衡算算解由化學學手冊冊查得得下列列化合合物的的標準準摩爾爾生成成焓數(shù)數(shù)據(jù)（（kJ/mol）如下下：化合物C6H6（l）C6H5NO2（l）C6H5NH2（l）HNO3（l）H2O（l）Na2SNa2S2O3NaOH△fHm?49.0722.1935.34-173.3-286.1-1563.8(s)-439.96(aq)-1092.8(s)-1095.7(aq)-427.03(s)-469.94(aq)6.4反應過過程的的能量量衡算算計算標標準反反應熱熱（1）△rHm?=（-286.1+22.19）-（49.07-173.3）=-139.68（kJ/mol-C6H6）（2）△rHm?=2×（-286.1）+35.34-（22.19+3×0）=-559.05（kJ/mol-C6H5NO2）（3）△rHm?=[4××35.34+3××（-1095.7）+6××（-469.94）]÷4-[4×22.19+6×（-439.96）+7××（-286.1）]÷4（kJ/mol-C6H5NO2）6.4反應過過程的的能量量衡算算例[6.8]200℃，101.33kPa下的一一氧化化碳氣氣體與與500℃的空氣氣以1:4.5的比例例進行行混合合燃燒燒。燃燃燒生生成混混合氣氣以1000℃℃放出。。假設設一氧氧化碳碳燃燒燒是完完全的的，計計算每每1kmol的一氧氧化碳碳放熱熱多少少？已知：：Cp=a+bT+cT2kJ/kmol·K表6-2常數(shù)a、b、c的值氣

體abcCO26.5877.583×10-3-1.12×10-6O225.61213.260×10-3-4.2079×10-6N227.0355.816×10-3-0.2889×10-6CO226.54142.456×10-3-14.2986×10-66.4反應過過程的的能量量衡算算解CO（g）＋O2（g）＝CO2（g）△rHm?=-283191.932kJ△H=171901.472-283191.932-70002.45=-181292.91kJ表6-3反應應前前后后氣氣體體組組成成的的變變化化氣

體燃燒前n入燃燒后n出CO1kmol0kmolO24.5×0.21=0.9450.445N24.5×0.79=3.5553.555CO2016.4反應應過過程程的的能能量量衡衡算算例[6.9]在一一連連續(xù)續(xù)反反應應器器中中進進行行乙乙醇醇脫脫氫氫反反應應：：C2H5OH（g）→→CH3CHO（g）＋＋H2（g）△rHm??=68.95kJ/mol原料料含含乙乙醇醇90％（（mol）和和乙乙醛醛10％（（mol），，進進料料溫溫度度300℃℃，加加入入反反應應器器的的熱熱量量為為5300kJ/100mol/h，產(chǎn)產(chǎn)物物的的出出口口溫溫度度為為265℃℃。計計算算反反應應器器中中乙乙醇醇的的轉轉化化率率。。6.4反應應過過程程的的能能量量衡衡算算已知知熱熱容容值值為為：：C2H5OH（g）：Cp=0.110kJ/(mol·℃)；CH3CHO（g）：Cp=0.080kJ/(mol·℃℃)；H2：=0.029kJ/(mol·℃℃)，并假定定這些熱熱容值為為常數(shù)。。解圖6.5乙醇脫氫氫反應物物料流程程示意6.4反應過程程的能量量衡算（1）C元素衡算算90×2+10×2=2n1+2n2整理得n1+n2=100（1）（2）H元素衡衡算90××6+10×4=6n1+4n2+2n3即3n1+2n2+n3=290（2）（3）能量量衡算算（3）乙醇的的轉化化率6.5計算機機輔助助化工工流程程中的的能量量衡算算圖6.6流程模模擬系系統(tǒng)分分類圖圖6.5計算機機輔助助化工工流程程中的的能量量衡算算圖6.7流程模模擬系系統(tǒng)的的結構構示意意圖6.5計算機機輔助助化工工流程程中的的能量量衡算算利用通通用流流程模模擬系系統(tǒng)軟軟件進進行流流程模模擬，，一般般分為為以下下幾步步。（1）分析析模擬擬問題題（2）選擇擇流程程模擬擬系統(tǒng)統(tǒng)軟件件，并并準備備輸入入數(shù)據(jù)據(jù)（3）繪繪制模模擬流流程（4）定義義流程程涉及及組分分6.5計算機機輔助助化工工流程程中的的能量量衡算算（5）選擇熱力學學性質計算方方法（6）輸入原始物物流及模塊參參數(shù)（7）運行模擬（8）分析模擬結結果（9）運行模擬系系統(tǒng)的其他功功能（10）輸出最終結結果。6.5計算機輔助化化工流程中的的能量衡算例6.10對甲醇精餾的的三塔流程進進行模擬計算算，掌握物料料衡算與能量量衡算的基本本方法與步驟驟。圖6.8三塔精餾流程程圖6.5計算機輔助化化工流程中的的能量衡算解（1）甲醇三塔精精餾流程見圖圖6.8。（2）模擬計算1）基礎數(shù)據(jù)表6-4粗甲醇組成（（wt%）組分名稱CO2COH2CH4N2(CH3)2OArCH3OHH2O異丁醇組成0.570.050.000.050.010.020.0394.075.180.056.5計算機輔助化化工流程中的的能量衡算表6-5精餾塔壓力（（bar（g）塔頂壓力塔底壓力預精餾塔0.50.8加壓塔5.66.0常壓塔0.030.086.5計算機輔助化化工流程中的的能量衡算2）模擬方法計算機模擬是是研究化工工工藝過程的有有效途徑,采用化工流程程模擬軟件PRO/II來模擬甲醇精精餾系統(tǒng)。表6-6三塔流程物料料衡算結果（（wt%）物流名稱（物流號）粗甲醇液（11）預精餾后甲醇液（12）加壓塔塔底甲醇/水液（13）精甲醇氣（14）甲醇精餾污水液（15）精甲醇液（16）設計值

計算值設計值

計算值設計值

計算值設計值

計算值設計值

計算值設計值

計算值CO20.570.570.000.000.000.000.000.000.000.000.000.00CO0.020.020.000.000.000.000.000.000.000.000.000.00H20.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.00CH40.050.050.000.000.000.000.000.000.000.000.000.00N20.010.010.000.000.000.000.000.000.000.000.000.00(CH3)2O0.020.0