化工过程开发与设计第6章能量衡算.pptx

化工过程开发与设计 第6章 能量衡算化工过程开发与设计化工过程开发与设计 热力学数据及计算6.2无化学反应过程的能量衡算6.3能量衡算的基本概念6.1第6章 能量衡算反应过程的能量衡算6.4计算机辅助化工流程中的能量衡算6.5化工过程开发与设计 6.1 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封闭体系的能量衡算稳态下敞开流动体系的能量衡算5能量衡算问题的分类与求解步骤化工过程开发与设计 6.1.1 能量存在的形式能量守恒定律的一般表达式为 (输入系统的能量)-(输出系统的能量)+（输入的热量）-（系统输出的功）=（系统内能量的积累） （6-1）化工过程开发与设计 6.1.1 能量存在的形式在能量平衡中，涉及到以下几种能量1） 动能（EK）（2） 势能（EP）（3） 内能（U ）（4） 热（Q）（5） 功（W ）化工过程开发与设计 6.1.2 普遍化能量平衡方程式根据热力学第一定律，能量衡算方程式可写为E = ( U1 + EK1 + EP1) - ( U2 + EK2 + EP2) + Q - W （6-2）化工过程开发与设计 6.1.3 封闭体系的能量衡算封闭体系是指系统与环境之间没有质量交换。

在间歇过程中，体系中没有物质流动，因此也没有动能和势能的变化，式（6-2）就可简化为：U = Q -W （6-3）化工过程开发与设计 6.1.4 稳态下敞开流动体系的能量衡算1连续稳定流动过程的总能量衡算表6-1 体系输入和输出的能量项 目输 入输 出项 目输 入输 出内能U1U2物料量m1=1m2=1动能 传给每千克流体的热量Q位能EP1=gZ1EP2=gZ2泵输出流体的功W（环境向体系作功）流动功P1V1P2V2化工过程开发与设计 6.1.4 稳态下敞开流动体系的能量衡算图6.1 物料流动化工过程开发与设计 6.1.4 稳态下敞开流动体系的能量衡算体系内没有能量和物质的积累，体系在其任一时间间隔内的能量平衡关系应为： 输入的总能量输出的总能量 （6-4） E = E2 - E1 = U + EK + EP （6-5）U2 + EK2 + EP2 + P2V2 -（Ul + EK1 + EP1 + P1V1） = Q + W （6-6） H + EK + EP = Q + W （6-7）化工过程开发与设计 6.1.4 稳态下敞开流动体系的能量衡算简化为 H = W （6-8） H = Q （6-9） H = 0 （6-10）2热量衡算 Q = H=H2- H1 （6-11）Q =H2- H1 （6-12）化工过程开发与设计 6.1.4 稳态下敞开流动体系的能量衡算3机械能衡算 （6-13）U=Q+F （6-14） （6-15） （6-16）化工过程开发与设计 6.1.5 能量衡算问题的分类与求解步骤1能量衡算的分类（1）无化学反应的能量衡算（2）有化学反应的能量衡算化工过程开发与设计 6.2 热力学数据及计算1利用热容计算U或H（1）恒容过程热Qv或U的计算 （6-17） （6-18）化工过程开发与设计 6.2 热力学数据及计算（2）恒压过程热Qp或H的计算 （6-19） （6-20） （6-21）化工过程开发与设计 6.2 热力学数据及计算2 恒压摩尔热容CpCp= a + bT + cT 2 + dT 3 （6-22） Cp= a + bT + cT 2 （6-23） （6-24） （6-25） Cp = Cv+ R （6-26） Cp Cv （6-27）化工过程开发与设计 6.2 热力学数据及计算3潜热计算Q = nHm （6-28）H m, 2 = H m,1 + H m,4 - H m,3 （6-29）H m, 3 = （6-30）Hm,4 = （6-31） （6-32） （6-33） H m,2 = H m,1 （6-34）化工过程开发与设计 6.2 热力学数据及计算4化学反应热 Qp = H （6-35） QV = U （6-36）Qp - QV = H - U = nRT （6-37）化工过程开发与设计 6.2 热力学数据及计算5基准态的选取（1）选298 K为基准温度。

2）选取系统某物流的温度为基准温度，此物流的相态为各组分的基准相态化工过程开发与设计 6.3 无化学反应过程的能量衡算1无相变过程的热量衡算例6.1 用泵将5的水从水池吸上，经换热器预热后打入某容器已知泵的流量为1000kg/h，加热器的传热速率为11.6kW，管路的散热速率为2.09kW，泵的有效功率为1.2kW设地面与容器水面的高度不变，求水进入容器时的温度化工过程开发与设计 6.3 无化学反应过程的能量衡算解 方法一（1）求水的内能增加值 /kg =38.4kJ/kg（2）求水温 图6.2 例6.1附图化工过程开发与设计 6.3 无化学反应过程的能量衡算方法二：（1）求水的吸热速率水的吸热速率： kW（2）求水温 化工过程开发与设计 6.3 无化学反应过程的能量衡算例题6.2 甲醇蒸气离合成设备时的温度为450 ，经废热锅炉冷却废热锅炉产生0.4 MPa饱和蒸汽已知进水温度20 ，压力0.45 MPa进料水与甲醇的摩尔比为0.2假设锅炉是绝热操作，求甲醇的出口温度其中，CH3OH(汽)在450300 的热容可按下式计算：Cp = （19.05 + 9.15 10-2 T）（J（molK）化工过程开发与设计 6.3 无化学反应过程的能量衡算解 基准：物料：1molCH3OH，0.2molH2O条件：H2O（液）0，CH3OH(汽)450T 1 = 602 K = 329 ， T 2 = -1 019 K图6.3 例题6.2的题意图化工过程开发与设计 6.3 无化学反应过程的能量衡算例6.3 在盐酸生产过程中，如果用100HCl（g）和25H2O（l）生产40、25（质量分数）的HCl水溶液1000kg/h，试计算吸收装置中应加入或移走多少热量。

解基准：1000kg/h、25（质量分数）的HCl水溶液 （kmol/h） （kmol/h）化工过程开发与设计 6.3 无化学反应过程的能量衡算 （kJ）图6.4 盐酸吸收过程的能量恒算示意图化工过程开发与设计 6.4 反应过程的能量衡算例6.4 已知H2O（l）的rHm （298.15 K）= - 285.8 kJmol，25 、l01.3 kPa下水的蒸发焓vapHm*= 44.01 kJmol，求H2O（g）的rHm（298.15 K）化工过程开发与设计 6.4 反应过程的能量衡算解 H2（g） + O2（g） H2O（l）， rHm（298.15 K） = -285.8 kJmolH2O（l） H2O（g）， vap Hm* = 44.01 kJmolH2（g） + O2（g） H2O（g）rHm (H2O，g，298.15K)= Hm (H2O，l，298.15K) + vap Hm*= -285.8 + 44.04 =-241.8 kJmol化工过程开发与设计 6.4 反应过程的能量衡算例题6.5 利用化合物的标准摩尔生成焓fHm数据，计算下列反应的标准摩尔焓变rHm反应式为（1）C6H6（l） + HNO3（l） C6H5NO2（l） + H2O（l）（2）C6H5NO2（l）+3H2（g）C6H5NH2（l）+2 H2O（l）（3）4 C6H5NO2（l）+6Na2S（aq）+7 H2O（l）4C6H5NH2（l）+3 Na2S2O3（aq）+6NaOH（aq）化工过程开发与设计 6.4 反应过程的能量衡算解 由化学手册查得下列化合物的标准摩尔生成焓数据（kJ/mol）如下：化合物C6H6（l）C6H5NO2（l）C6H5NH2（l）HNO3（l）H2O（l）Na2SNa2S2O3NaOHfHm49.0722.19 35.34-173.3-286.1-1563.8(s)-439.96(aq)-1092.8(s)-1095.7(aq)-427.03(s)-469.94(aq)化工过程开发与设计 6.4 反应过程的能量衡算计算标准反应热（1）rHm=（-286.1+22.19）-（）=-139.68（kJ/mol- C6H6）（2）rHm=2（-286.1）+35.34-（22.19+30）=-559.05（kJ/mol -C6H5NO2）（3）rHm=435.34+3（-1095.7）+6（-469.94）4- 422.19+6（-439.96）+7（-286.1）4 （kJ/mol- C6H5NO2）化工过程开发与设计 6.4 反应过程的能量衡算例6.8 200，101.33kPa下的一氧化碳气体与500的空气以1:4.5的比例进行混合燃烧。

燃烧生成混合气以1000放出假设一氧化碳燃烧是完全的，计算每1kmol的一氧化碳放热多少？已知： Cp=a+bT+cT2 kJ/kmolK表6-2 常数a、b、c的值气 体abcCO26.5877.58310-3-1.1210-6O225.61213.26010-3-4.207910-6N227.0355.81610-3-0.288910-6CO226.54142.45610-3-14.298610-6化工过程开发与设计 6.4 反应过程的能量衡算解 CO（g） O2（g） CO2（g）rHm =-283191.932kJH=171901.472-283191.932-70002.45=-181292.91 kJ表6-3 反应前后气体组成的变化气 体燃烧前n入燃烧后n出CO1 kmol0 kmolO24.50.21=0.9450.445N24.50.79=3.5553.555CO201化工过程开发与设计 6.4 反应过程的能量衡算例6.9 在一连续反应器中进行乙醇脱氢反应：C2H5OH（g）CH3CHO（g）H2（g） rHm =68.95kJ/mol原料含乙醇90（mol）和乙醛10（mol），进料温度300，加入反应器的热量为5300kJ/100mol/h，产物的出口温度为265。

计算反应器中乙醇的转化率化工过程开发与设计 6.4 反应过程的能量衡算已知热容值为：C2H5OH（g）： Cp =0.110kJ/(mol)；CH3CHO（g）：Cp =0.080 kJ/(mol)；H2：=0.029 kJ/(mol)，并假定这些热容值为常数解 图6.5 乙醇脱氢反应物料流程示意化工过程开发与设计 6.4 反应过程的能量衡算（1）C元素衡算 902+102=2 n1+2 n2 整理得 n1+ n2=100 （1）（2）H元素衡算 906+104=6 n1+4 n2+2 n3 即 3n1+2 n2+ n3=290 （2）（3）能量衡算 （3）乙醇的转化率化工过程开发与设计 6.5 计算机辅助化工流程中的能量衡算图6.6 流程模拟系统分类图化工过程开发与设计 6.5 计算机辅助化工流程中的能量衡算图6.7 流程模拟系统的结构示意图化工过程开发与设计 6.5 计算机辅助化工流程中的能量衡算利用通用流程模拟系统软件进行流程模拟，一般分为以下几步1）分析模拟问题（2）选择流程模拟系统软件，并准备输入数据 （3） 绘制模拟流程 （4）定义流程涉及组分化工过程开发与设计 6.5 计算机辅助化工流程中的能量衡算（5）选择热力学性质计算方法 （6）输入原始物流及模块参数（7）运行模拟（8）分析模拟结果（9）运行模拟系统的其他功能（10）输出最终结果。

化工过程开发与设计 6.5 计算机辅助化工流程中的能量衡算例6.10 对甲醇精馏的三塔流程进行模拟计算，掌握物料衡算与能量衡算的基本方法与步骤图6.8 三塔精馏流程图化工过程开发与设计 6.5 计算机辅助化工流程中的能量衡算解（1）甲醇三塔精馏流程见图6.82）模拟计算1）基础数据表6-4 粗甲醇组成 （wt %）组分名称CO2COH2CH4N2(CH3)2OArCH3OHH2O异丁醇组成0.570.050.000.050.010.020.0394。