化工過程開發(fā)與設(shè)計(jì)能量衡算課件

第6章能量衡算化工過程開發(fā)與設(shè)計(jì)熱力學(xué)數(shù)據(jù)及計(jì)算6.2無化學(xué)反應(yīng)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(yīng)過程的能量衡算6.4計(jì)算機(jī)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(dòng)體系的能量衡算5能量衡算問題的分類與求解步驟能量存在的形式能量守恒定律的一般表達(dá)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(nèi)能量的積累）（6-1）能量存在的形式在能量平衡中，涉及到以下幾種能量。（1）動(dòng)能（EK）（2）勢(shì)能（EP）（3）內(nèi)能（U）（4）熱（Q）（5）功（W）普遍化能量平衡方程式根據(jù)熱力學(xué)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）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(zhì)量交換。在間歇過程中，體系中沒有物質(zhì)流動(dòng)，因此也沒有動(dòng)能和勢(shì)能的變化，式（6-2）就可簡(jiǎn)化為：ΔU=Q-W（6-3）15K）=-285.5乙醇脫氫反應(yīng)物料流程示意Cp=a+bT+cT2+dT3（6-22）Cp=a+bT+cT2（6-23）19+6×（-439.（1）求水的內(nèi)能增加值7流程模擬系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖即3n1+2n2+n3=290（2）4反應(yīng)過程的能量衡算3在鹽酸生產(chǎn)過程中，如果用100℃HCl（g）和25℃H2O（l）生產(chǎn)40℃、25％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的HCl水溶液1000kg/h，試計(jì)算吸收裝置中應(yīng)加入或移走多少熱量。3無化學(xué)反應(yīng)過程的能量衡算1]用泵將5℃的水從水池吸上，經(jīng)換熱器預(yù)熱后打入某容器。表6-1體系輸入和輸出的能量Cp≈Cv（6-27）1．連續(xù)穩(wěn)定流動(dòng)過程的總能量衡算由化學(xué)手冊(cè)查得下列化合物的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓數(shù)據(jù)（kJ/mol）如下：7流程模擬系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖（1）恒容過程熱Qv或ΔU的計(jì)算110kJ/(mol·℃)；3無化學(xué)反應(yīng)過程的能量衡算（1）求水的內(nèi)能增加值穩(wěn)態(tài)下敞開流動(dòng)體系的能量衡算1．連續(xù)穩(wěn)定流動(dòng)過程的總能量衡算表6-1體系輸入和輸出的能量項(xiàng)

目輸

入輸

出項(xiàng)

目輸

入輸

出內(nèi)能U1U2物料量m1=1m2=1動(dòng)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(dòng)功P1V1P2V2穩(wěn)態(tài)下敞開流動(dòng)體系的能量衡算圖6.1物料流動(dòng)穩(wěn)態(tài)下敞開流動(dòng)體系的能量衡算體系內(nèi)沒有能量和物質(zhì)的積累，體系在其任一時(shí)間間隔內(nèi)的能量平衡關(guān)系應(yīng)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）穩(wěn)態(tài)下敞開流動(dòng)體系的能量衡算簡(jiǎn)化為

ΔH=W（6-8）

ΔH=Q（6-9）

ΔH=0（6-10）2．熱量衡算

Q=ΔH=H2-H1（6-11）∑Q=∑H2-∑H1（6-12）穩(wěn)態(tài)下敞開流動(dòng)體系的能量衡算3．機(jī)械能衡算（6-13）ΔU=Q+F（6-14）

（6-15）

（6-16）能量衡算問題的分類與求解步驟1．能量衡算的分類（1）無化學(xué)反應(yīng)的能量衡算（2）有化學(xué)反應(yīng)的能量衡算6.2熱力學(xué)數(shù)據(jù)及計(jì)算1．利用熱容計(jì)算ΔU或ΔH（1）恒容過程熱Qv或ΔU的計(jì)算

（6-17）

（6-18）6.2熱力學(xué)數(shù)據(jù)及計(jì)算（2）恒壓過程熱Qp或ΔH的計(jì)算

（6-19）

（6-20）

（6-21）6.2熱力學(xué)數(shù)據(jù)及計(jì)算2．恒壓摩爾熱容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熱力學(xué)數(shù)據(jù)及計(jì)算3．潛熱計(jì)算Q=nΔHm（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熱力學(xué)數(shù)據(jù)及計(jì)算4．化學(xué)反應(yīng)熱

Qp=△H（6-35）

QV=△U（6-36）Qp-QV=△H-△U=△nRT（6-37）6.2熱力學(xué)數(shù)據(jù)及計(jì)算5．基準(zhǔn)態(tài)的選取（1）選298K為基準(zhǔn)溫度。（2）選取系統(tǒng)某物流的溫度為基準(zhǔn)溫度，此物流的相態(tài)為各組分的基準(zhǔn)相態(tài)。6.3無化學(xué)反應(yīng)過程的能量衡算1．無相變過程的熱量衡算例[6.1]用泵將5℃的水從水池吸上，經(jīng)換熱器預(yù)熱后打入某容器。已知泵的流量為1000kg/h，加熱器的傳熱速率為11.6kW，管路的散熱速率為2.09kW，泵的有效功率為1.2kW。設(shè)地面與容器水面的高度不變，求水進(jìn)入容器時(shí)的溫度。6.3無化學(xué)反應(yīng)過程的能量衡算解方法一（1）求水的內(nèi)能增加值/kg=38.4kJ/kg（2）求水溫℃圖6.2例6.1附圖8kJ／mol，25℃、l01.假設(shè)鍋爐是絕熱操作，求甲醇的出口溫度。8]200℃，101.原料含乙醇90％（mol）和乙醛10％（mol），進(jìn)料溫度300℃，加入反應(yīng)器的熱量為5300kJ/100mol/h，產(chǎn)物的出口溫度為265℃。計(jì)算反應(yīng)器中乙醇的轉(zhuǎn)化率。U2+EK2+EP2+P2V2-（Ul+EK1+EP1+P1V1）Cp=Cv+R（6-26）表6-3反應(yīng)前后氣體組成的變化△rHm?(H2O，g，298.℃68（kJ/mol-C6H6）7流程模擬系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖穩(wěn)態(tài)下敞開流動(dòng)體系的能量衡算已知泵的流量為1000kg/h，加熱器的傳熱速率為11.8]200℃，101.472-283191.C2H5OH（g）→CH3CHO（g）＋H2（g）6流程模擬系統(tǒng)分類圖（4）定義流程涉及組分（4）定義流程涉及組分4]已知H2O（l）的6.3無化學(xué)反應(yīng)過程的能量衡算方法二：（1）求水的吸熱速率水的吸熱速率：kW（2）求水溫℃6.3無化學(xué)反應(yīng)過程的能量衡算例題[6.2]甲醇蒸氣離合成設(shè)備時(shí)的溫度為450℃，經(jīng)廢熱鍋爐冷卻。廢熱鍋爐產(chǎn)生0.4MPa飽和蒸汽。已知進(jìn)水溫度20℃，壓力0.45MPa。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。其中，CH3OH(汽)在450~300℃的熱容可按下式計(jì)算：Cp=（19.05+9.15×10-2T）（J／（mol·K））6.3無化學(xué)反應(yīng)過程的能量衡算解基準(zhǔn)：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6.3無化學(xué)反應(yīng)過程的能量衡算例6.3在鹽酸生產(chǎn)過程中，如果用100℃HCl（g）和25℃H2O（l）生產(chǎn)40℃、25％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的HCl水溶液1000kg/h，試計(jì)算吸收裝置中應(yīng)加入或移走多少熱量。解基準(zhǔn)：1000kg/h、25％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的HCl水溶液（kmol/h）（kmol/h）6.3無化學(xué)反應(yīng)過程的能量衡算（kJ）圖6.4鹽酸吸收過程的能量恒算示意圖6.4反應(yīng)過程的能量衡算例[6.4]已知H2O（l）的△rHm?（298.15K）=-285.8kJ／mol，25℃、l01.3kPa下水的蒸發(fā)焓△vapHm*=44.01kJ／mol，求H2O（g）的△rHm?（298.15K）。6.4反應(yīng)過程的能量衡算解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／mol（6-13）Cp≈Cv（6-27）ΔU=Q+F（6-14）（6-32）（1）甲醇三塔精餾流程見圖6.（6-33）ΔH+ΔEK+ΔEP=Q+W（6-7）T1=602K=329℃，T2=-1019K110kJ/(mol·℃)；（6-32）472-283191.6流程模擬系統(tǒng)分類圖利用通用流程模擬系統(tǒng)軟件進(jìn)行流程模擬，一般分為以下幾步。ΔE=E2-E1=△U+△EK+△EP（6-5）5計(jì)算機(jī)輔助化工流程中的能量衡算1．連續(xù)穩(wěn)定流動(dòng)過程的總能量衡算U2+EK2+EP2+P2V2-（Ul+EK1+EP1+P1V1）加壓塔塔底甲醇/水液（13）CH3CHO（g）：Cp=0.6.4反應(yīng)過程的能量衡算例題[6.5]利用化合物的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓△fHm?數(shù)據(jù)，計(jì)算下列反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾焓變△rHm?。反應(yīng)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(yīng)過程的能量衡算解由化學(xué)手冊(cè)查得下列化合物的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓數(shù)據(jù)（kJ/mol）如下：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(yīng)過程的能量衡算計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)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(yīng)過程的能量衡算例[6.8]200℃，101.33kPa下的一氧化碳?xì)怏w與500℃的空氣以1:4.5的比例進(jìn)行混合燃燒。燃燒生成混合氣以1000℃放出。假設(shè)一氧化碳燃燒是完全的，計(jì)算每1kmol的一氧化碳放熱多少？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(yīng)過程的能量衡算解CO（g）＋O2（g）＝CO2（g）△rHm?=-283191.932kJ△H=171901.472-283191.932-70002.45=-181292.91kJ表6-3反應(yīng)前后氣體組成的變化氣

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(yīng)過程的能量衡算例[6.9]在一連續(xù)反應(yīng)器中進(jìn)行乙醇脫氫反應(yīng)：C2H5OH（g）→CH3CHO（g）＋H2（g）△rHm?=68.95kJ/mol原料含乙醇90％（mol）和乙醛10％（mol），進(jìn)料溫度300℃，加入反應(yīng)器的熱量為5300kJ/100mol/h，產(chǎn)物的出口溫度為265℃。計(jì)算反應(yīng)器中乙醇的轉(zhuǎn)化率。∑Q=∑H2-∑H1（6-12）△rHm?（298.7流程模擬系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖條件：H2O（液）0℃，CH3OH(汽)450℃Cp=Cv+R（6-26）15K）=-285.15K）=-285.2]甲醇蒸氣離合成設(shè)備時(shí)的溫度為450℃，經(jīng)廢熱鍋爐冷卻。4反應(yīng)過程的能量衡算5計(jì)算機(jī)輔助化工流程中的能量衡算4]已知H2O（l）的封閉體系是指系統(tǒng)與環(huán)境之間沒有質(zhì)量交換。Q=ΔH=H2-H1（6-11）4反應(yīng)過程的能量衡算3無化學(xué)反應(yīng)過程的能量衡算110kJ/(mol·℃)；（1）選298K為基準(zhǔn)溫度。基準(zhǔn)：1000kg/h、25％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的HCl水溶液穩(wěn)態(tài)下敞開流動(dòng)體系的能量衡算（kJ）6.4反應(yīng)過程的能量衡算已知熱容值為：C2H5OH（g）：Cp=0.110kJ/(mol·℃)；CH3CHO（g）：Cp=0.080kJ/(mol·℃)；H2：=0.029kJ/(mol·℃)，并假定這些熱容值為常數(shù)。解圖6.5乙醇脫氫反應(yīng)物料流程示意6.4反應(yīng)過程的能量衡算（1）C元素衡算90×2+10×2=2n1+2n2

整理得n1+n2=100（1）（2）H元素衡算90×6+10×4=6n1+4n2+2n3

即3n1+2n2+n3=290（2）（3）能量衡算

（3）乙醇的轉(zhuǎn)化率6.5計(jì)算機(jī)輔助化工流程中的能量衡算圖6.6流程模擬系統(tǒng)分類圖6.5計(jì)算機(jī)輔助化工流程中的能量衡算圖6.7流程模擬系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖6.5計(jì)算機(jī)輔助化工流程中的能量衡算利用通用流程模擬系統(tǒng)軟件進(jìn)行流程模擬，一般分為以下幾步。（1）分析模擬問題（2）選擇流程模擬系統(tǒng)軟件，并準(zhǔn)備輸入數(shù)據(jù)（3）繪制模擬流程（4）定義流程涉及組分6.5計(jì)算機(jī)輔助化工流程中的能量衡算（5）選擇熱力學(xué)性質(zhì)計(jì)算方法（6）輸入原始物流及模塊參數(shù)（7）運(yùn)行模擬（8）分析模擬結(jié)果（9）運(yùn)行模擬系統(tǒng)的其他功能（10）輸出最終結(jié)果。6.5計(jì)算機(jī)輔助化工流程中的能量衡算例6.10對(duì)甲醇精餾的三塔流程進(jìn)行模擬計(jì)算，掌握物料衡算與能量衡算的基本方法與步驟。圖6.8三塔精餾流程圖6.5計(jì)算機(jī)輔助化工流程中的能量衡算解（1）甲醇三塔精餾流程見圖6.8。（2）模擬計(jì)算1）基礎(chǔ)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(jì)算機(jī)輔助化工流程中的能量衡算表6-5精餾塔壓力（bar（g）塔頂壓力塔底壓力預(yù)精餾塔0.50.8加壓塔5.66.0常壓塔0.030.086.5計(jì)算機(jī)輔助化工流程中的能量衡算2）模擬方法計(jì)算機(jī)模擬是研究化工工藝過程的有效途徑,采用化工流程模擬軟件PRO/II來模擬甲醇精餾系統(tǒng)。表6-6三塔流程物料衡算結(jié)果（wt%）物流名稱（物流號(hào)）粗甲醇液（11）預(yù)精餾后甲醇液（12）加壓塔塔底甲醇/水液（13）精甲醇?xì)猓?4）甲醇精餾污水液（15）精甲醇液（16）設(shè)計(jì)值

計(jì)算值設(shè)計(jì)值

計(jì)算值設(shè)計(jì)值

計(jì)算值設(shè)計(jì)值

計(jì)算值設(shè)計(jì)值

計(jì)算值設(shè)計(jì)值

計(jì)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)2O0.020.020.000.000.000.000.000.000.000.000.000.00Ar0.030.030.000.000.000.000.000.000.000.000.000.00CH3OH94.0794.0794.6794.6990.7090.7799.9099.914.164.7999.9099.93H2O5.185.185.285.269.229.140.100.0995.0094.290.100.07異丁醇0.050.050.050.050.080.0910ppm0.000.840.9210ppm0.00總流量,kg/h134311343113243132407537753715948159397277271250012500溫度,℃40.0040.0082.0081.51125.00125.76122.00121.18105.00105.0040.0040.00壓力，bar(g)4.004.000.800.806.006.005.605.608.008.000.030.03已知泵的流量為1000kg/h，加熱器的傳熱速率為11.穩(wěn)態(tài)下敞開流動(dòng)體系的能量衡算5計(jì)算機(jī)輔助化工流程中的能量衡算4反應(yīng)過程的能量衡算15K）=-285.基準(zhǔn)：物料：1molCH3OH，0.ΔH=Q（6-9）已知：Cp=a+bT+cT2kJ/kmol·K（3）△rHm?=[4×35.表6-3反應(yīng)前后氣體組成的變化5計(jì)算機(jī)輔助化工流程中的能量衡算01kJ／mol，求H2O（g）的△rHm?（298.33kPa下的一氧化碳?xì)怏w與500℃的空氣以1:4.5計(jì)算機(jī)輔助化工流程中的能量衡算1]用泵將5℃的水從水池吸上，經(jīng)換熱器預(yù)熱后打入某容器。QV=△U（6-36）4]已知H2O（l）的計(jì)算反應(yīng)器中乙醇的轉(zhuǎn)化率。基準(zhǔn)：1000kg/h、25％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的HCl水溶液（2）恒壓過程熱Qp或ΔH的計(jì)算6.5計(jì)算機(jī)輔助化工流程中的能量衡算表6-7三塔流程熱量衡算結(jié)果（Gcal/