第四章-能量衡算-第二種基準(zhǔn)

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(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程能量衡算第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的能量衡算第五節(jié)穩(wěn)定流動(dòng)過(guò)程物能聯(lián)合衡算第六節(jié)綜合性例題

.回顧上節(jié)課1，由生成熱求取反應(yīng)熱2，由燃燒熱求取反應(yīng)熱基準(zhǔn)點(diǎn)？基準(zhǔn)點(diǎn)？相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下穩(wěn)定單質(zhì)的生成焓等于零相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下完全氧化產(chǎn)物燃燒熱等于零4.4化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的能量衡算1回顧上節(jié)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(jì)算基準(zhǔn)。對(duì)非反應(yīng)物可另選適當(dāng)?shù)臏囟葹榛鶞?zhǔn)由

求出各Hi值。

---怎么求？2回顧上節(jié)課4.4化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的能量衡算以組成反應(yīng)物及產(chǎn)物的元素（單質(zhì)）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)。第一種基準(zhǔn)能解決以下問(wèn)題嗎？1、反應(yīng)復(fù)雜，難以寫(xiě)出化學(xué)反應(yīng)式2、有平行反應(yīng)，原料參加各反應(yīng)的比例不知。不能!第二種基準(zhǔn)

4.4.1第二種基準(zhǔn)4.4化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的能量衡算第二種基準(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(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下穩(wěn)定單質(zhì)的生成焓等于零）這時(shí)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(guò)程總焓變?yōu)椋?98K，1atm，元素(單質(zhì)）298K，1atm，化合物T進(jìn)（T出），P進(jìn)（P出）化合物ΔH實(shí)際Hi4.4.1第二種基準(zhǔn)4.4化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的能量衡算因此第二種基準(zhǔn)的計(jì)算式為：4.4.1第二種基準(zhǔn)4.4化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的能量衡算例5—19P151~153甲烷在連續(xù)反應(yīng)器中用空氣氧化生產(chǎn)甲醛，副反應(yīng)是甲烷完全氧化生成CO2和H2O，方程式：1、CH4（g）+O2（g）——HCHO（g）+H2O（g）2、CH4（g）+2O2（g）——CO2（g）+2H2O(g)以100mol進(jìn)反應(yīng)器的甲烷為基準(zhǔn)，氣體均看做理想氣體。進(jìn)口：甲烷25℃進(jìn)反應(yīng)器，空氣于100℃進(jìn)反應(yīng)器出口：溫度均150℃求從反應(yīng)器移走多少熱量？4.4.1第二種基準(zhǔn)4.4化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的能量衡算例5—19P151~153100molCH425℃100molO2

100℃376molN2100℃60molCH430molHCHO10molCO250molH2O50molO2376molN2150℃反應(yīng)過(guò)程Q物料流程簡(jiǎn)圖如下：4.4.1第二種基準(zhǔn)4.4化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的能量衡算

O2N2CH4HCHOCO2H2O(kJ/kmol)29.8029.16----

(kJ/kmol)30.06429.2439.29.1239.5234.16(kJ/mol)00-74.85-115.90-393.5-241.83例5—19P151~153相關(guān)計(jì)算數(shù)據(jù)如下：4.4.1第二種基準(zhǔn)4.4化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的能量衡算例5—19P151~153100molCH425℃100molO2

100℃376molN2100℃60molCH430molHCHO10molCO250molH2O50molO2376molN2150℃反應(yīng)過(guò)程Q基準(zhǔn)：第二種基準(zhǔn)（25℃，單質(zhì)的H為0）4.4.1第二種基準(zhǔn)4.4化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的能量衡算例5—19P151~153100molCH425℃100molO2

100℃376molN2100℃反應(yīng)過(guò)程基準(zhǔn)：第二種基準(zhǔn)（25℃，單質(zhì)的H為0）進(jìn)口：

4.4.1第二種基準(zhǔn)4.4化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的能量衡算

n進(jìn)H進(jìn)n進(jìn)×H進(jìn)CH4100-74.85-7485O21002.235223.5N23762.187822.312HCHO000CO2000H2O000∑niHi進(jìn)

-6439.188kJ進(jìn)口總焓值：例5—19P151~1534.4.1第二種基準(zhǔn)4.4化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的能量衡算例5—19P151~153基準(zhǔn)：第二種基準(zhǔn)（25℃，單質(zhì)的H為0）出口：60molCH430molHCHO10molCO250molH2O50molO2376molN2150℃反應(yīng)過(guò)程4.4.1第二種基準(zhǔn)4.4化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的能量衡算例5—19P151~153

n出H出n出×H出CH460-69.95-4197O2503.785189.25N23763.6551374.28HCHO30-114.74-3442.2CO210-388.4-3884H2O50-237.56-11878∑niHi出

-21837.67kJ出口總焓值：4.4.1第二種基準(zhǔn)4.4化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的能量衡算例5—19P151~153基準(zhǔn)：第二種基準(zhǔn)（25℃，單質(zhì)的H為0）4.4.1第二種基準(zhǔn)4.4化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的能量衡算換熱式反應(yīng)器絕熱式反應(yīng)器針對(duì)實(shí)際過(guò)程，反應(yīng)過(guò)程的熱量衡算分為：反應(yīng)過(guò)程的熱效應(yīng)通過(guò)換熱設(shè)備與外界進(jìn)行換熱反應(yīng)過(guò)程的熱效應(yīng)不與外界換熱4.4化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的能量衡算一、帶換熱的反應(yīng)過(guò)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(jì)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)。4.4.2帶換熱的反應(yīng)過(guò)程的能量衡算4.4化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的能量衡算解：取100mol進(jìn)料為計(jì)算基準(zhǔn)由物料衡算得各個(gè)組分量標(biāo)于流程圖上相應(yīng)位置反應(yīng)器90molC2H5OH10molCH3CHOn1molC2H5OHn2molCH3CHOn3molH2300℃265℃Q=5300kJ/100mol4.4.2帶換熱的反應(yīng)過(guò)程的能量衡算4.4化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的能量衡算三個(gè)未知數(shù)，只能列兩個(gè)物料衡算式，需借助能量衡算式求解，為一物能聯(lián)算問(wèn)題。（1）對(duì)C元素列式：90×2+10×2=2n1+2n2

整理得：n1+n2=100（2）對(duì)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.K4.4.2帶換熱的反應(yīng)過(guò)程的能量衡算4.4化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的能量衡算進(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/mol4.4.2帶換熱的反應(yīng)過(guò)程的能量衡算4.4化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的能量衡算26.4n1+19.2n2+76.0n3=8247（3）聯(lián)立求解（1）（2）（3）得：n1=7.5moln2=92.5moln3=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）4.4.2帶換熱的反應(yīng)過(guò)程的能量衡算4.4化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的能量衡算補(bǔ)充例題：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(jì)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(guò)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。4.4.2帶換熱的反應(yīng)過(guò)程的能量衡算4.4化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的能量衡算解：取100kmolA/h進(jìn)料為計(jì)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/h250kmolD/h100℃300℃Q取第一種能量衡算基準(zhǔn)，△H0r=20×5+（－20）×4－1×40=－20kJ/mol4.4.2帶換熱的反應(yīng)過(guò)程的能量衡算4.4化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的能量衡算△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。4.4.2帶換熱的反應(yīng)過(guò)程的能量衡算4.4化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的能量衡算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/kmol4.4.2帶換熱的反應(yīng)過(guò)程的能量衡算4.4化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的能量衡算HA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/kmol4.4.2帶換熱的反應(yīng)過(guò)程的能量衡算4.4化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的能量衡算△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/kmol4.4.2帶換熱的反應(yīng)過(guò)程的能量衡算4.4化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的能量衡算二、絕熱反應(yīng)器的能量衡算設(shè)備與外界無(wú)熱交換(除進(jìn)出物料帶入帶出Q外無(wú)其它熱交換)，故Q=ΔH=0。4.4.2絕熱反應(yīng)過(guò)程的能量衡算4.4化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的能量衡算已知T進(jìn)、進(jìn)出物料（x）T出