化工过程开发与设计第章能量衡算

1、第6章 能量衡算化工过程开发与设计第一页，共四十七页。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第二页，共四十七页。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第三页，共四十七页。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）第四页，共四十七页。6.1.1 能量存在的形式在能

2、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 ）第五页，共四十七页。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）第六页，共四十七页。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）第七页，共四十七页。6.1.4 稳态下敞开流动体系的能量衡算1连续稳定

3、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第八页，共四十七页。6.1.4 稳态下敞开流动体系的能量衡算图6.1 物料流动第九页，共四十七页。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

4、+ EK1 + EP1 + P1V1） = Q + W （6-6） H + EK + EP = Q + W （6-7）第十页，共四十七页。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）第十一页，共四十七页。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）第十二页，共四十七页。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

5、的能量衡算第十三页，共四十七页。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）第十四页，共四十七页。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）第十五页，共四十七页。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）第十六页，共四十七页。6.2 热力学数据及计算3潜热计算Q = nHm （6-2

6、8）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）第十七页，共四十七页。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）第十八页，共四十七页。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。第十九页，共四十七页。6.3 无化学反应过程的能量衡算1无相变过程

7、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。第二十页，共四十七页。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附图第二十一页，共四十七页。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 第二十二页，共四十七页。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

8、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）第二十三页，共四十七页。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的题意图第二十四页，共四十七页。6.3 无化学反应过程

9、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）第二十五页，共四十七页。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第二十六页，共四十七页。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

10、）的rHm（298.15 K）。第二十七页，共四十七页。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第二十八页，共四十七页。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（

11、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）第二十九页，共四十七页。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）Na2SNa2S2O3NaOHfHm49.0722.1935.34-173.3-286.1-1563

12、.8(s)-439.96(aq)-1092.8(s)-1095.7(aq)-427.03(s)-469.94(aq)第三十页，共四十七页。6.4 反应过程的能量衡算计算标准反应热（1）rHm=（-286.1+22.19）-（49.07-173.3）=-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）第三十一页，共四十七页。

13、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第三十二页，共四十七页。6.4 反应过程的能量衡算解 CO（g） O

14、2（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第三十三页，共四十七页。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/100

15、mol/h，产物的出口温度为265。计算反应器中乙醇的转化率。第三十四页，共四十七页。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第三十五页，共四十七页。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

16、衡算 （3）乙醇的转化率第三十六页，共四十七页。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第三十七页，共四十七页。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第三十八页，共四十七页。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）定义流程涉及组分第三十九页，共四十七页。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

17、系统的其他功能（10）输出最终结果。第四十页，共四十七页。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 三塔精馏流程图第四十一页，共四十七页。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6.8。（2）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0.570.050.000.050.010.020.0394.075.180.05第四十二页，共四十七页。6.5 计算机辅助化工流程中的能量衡算表6-5 精馏塔

18、压力（bar（g）塔顶压力塔底压力预精馏塔0.50.8加压塔5.66.0常压塔0.030.08第四十三页，共四十七页。6.5 计算机辅助化工流程中的能量衡算2）模拟方法计算机模拟是研究化工工艺过程的有效途径, 采用化工流程模拟软件PRO/ II 来模拟甲醇精馏系统。表6-6 三塔流程物料衡算结果 （wt%）物流名称（物流号）粗甲醇液（11）预精馏后甲醇液（12）加压塔塔底甲醇/ 水液（13）精甲醇气（14）甲醇精馏污水液（15）精甲醇液（16）设计值 计算值设计值 计算值设计值 计算值设计值 计算值设计值 计算值设计值 计算值CO20.570.570.000.000.000.000.000.0

19、00.000.000.000.00CO0.020.020.000.000.000.000.000.000.000.000.000.00H20.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.00CH40.050.050.000.000.000.000.000.000.000.000.000.00N20.010.010.000.000.000.000.000.000.000.000.000.00(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异丁醇0.050.050.050.050.080.0910ppm0.000.840.9210ppm0.00总流量,kg/h13431134