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ΔE=(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：ΔU=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P1V1P2V22112KuE2222KuE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）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）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ΔH=W（6-8）ΔH=Q（6-9）ΔH=0（6-10）2．热量衡算Q=ΔH=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）ΔU=Q+F（6-14）（6-15）（6-16）2()2PugZUQW22PugZFW202PugZ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ΔU或ΔH（1）恒容过程热Qv或ΔU的计算（6-17）（6-18）21TvvTQUnCdT21TvTUnCdT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ΔH的计算（6-19）（6-20）（6-21）21TPpTQHnCdT21TpTHnCdT21TpTHVPnCdT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+cT2+dT3（6-22）Cp=a+bT+cT2（6-23）（6-24）（6-25）Cp=Cv+R（6-26）Cp≈Cv（6-27）21PQHnCTT,1npipiiCxC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=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）21TpTCdT液21TpTCdT汽21,2,1TmmppTHHCdTCdT汽液21,2,1()TmmppTHHCCdT汽液38.01211rrTT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298K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4431084.31042.31032.410481.9U2.141019.41084.3534t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℃7.101016.11009.26.1133Q2.141019.4100036001007.1534t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0.4MPa饱和蒸汽。已知进水温度20℃，压力0.45MPa。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450~300℃的热容可按下式计算：Cp=（19.05+9.15×10-2T）（J／（mol·K））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)450℃T1=602K=329℃，T2=-1019K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100℃HCl（g）和25℃H2O（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）10000.25()6.84936.5nqHCl210000.75()41.66718nqHO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,()()niiniiQqHqH，出进531004.4178.2849.696.5810849.6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△rHmӨ（298.15K）=-285.8kJ／mol，25℃、l01.3kPa下水的蒸发焓△vapHm*=44.01kJ／mol，求H2O（g）的△rHmӨ（298.15K）。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），△rHmӨ（298.15K）=-285.8kJ／molH2O（l）→H2O（g），△vapHm*=44.01kJ／molH2（g）+O2（g）→H2O（g）△rHmӨ(H2O，g，298.15K)=△HmӨ(H2O，l，298.15K)+△vapHm*=-285.8+44.04=-241.8kJ／mol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△fHmӨ数据，计算下列反应的标准摩尔焓变△rHmӨ。反应式为（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）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）Na2SNa2S2O3NaOH△fHmӨ49.0722.1935.34-173.3-286.1-1563.8(s)-439.96(aq)-1092.8(s)-1095.7(aq)-427.03(s)-469.94(aq)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）△rHmӨ=（-286.1+22.19）-（49.07-173.3）=-139.68（kJ/mol-C6H6）（2）△rHmӨ=2×（-286.1）+35.34-（22.19+3×0）=-559.05（kJ/mol-C6H5NO2）（3）△rHmӨ=[4×35.34+3×（-1095.7）+6×（-469.94）]÷4-[4×22.19+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+cT2kJ/kmol·K表6-2常数a、b、c的值气体abcCO26.5877.583×10-3-1.12×10-6O225.61213.260×10-3-4.2079×10-6N227.0355.816×10-3-0.2889×10-6CO226.54142.456×10-3-14.2986×10-6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）△rHmӨ=-283191.932kJ△H=171901.472-283191.932-70002.45=-181292.91kJ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CO1kmol0kmolO24.5×0.21=0.9450.445N24.5×0.79=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）△rHmӨ=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=0.080kJ/(mol·℃)；H2：=0.029kJ/(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）乙醇的转化率82470.762.194.26321nnn7.91905.790111进出进nnnx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）