1、化工計(jì)算能量衡算第1頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)12分，星期二一、能量的形式動(dòng)能(EK)位能(EP)EP=mgZ內(nèi)能(U)U=U(T,V)第2頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)12分，星期二二、幾個(gè)重要的物理量熱量(Q) 由于溫差而引起的能量交換叫熱量。功(W) 力與位移的乘積。 常見(jiàn)的有體積功、流動(dòng)功、旋轉(zhuǎn)軸的機(jī)械功 環(huán)境向體系作的功為正，反之為負(fù)。熱量和功是傳遞性質(zhì)，與路徑有關(guān)。第3頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)12分，星期二焓(H)H=U+PV=H(T,P)U和H都是狀態(tài)函數(shù)，與過(guò)程的路徑無(wú)關(guān)，只與所處的狀態(tài)有關(guān)。第4頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日

2、，1點(diǎn)12分，星期二熱容Q=mCTdQ=mC(T)dT第5頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)12分，星期二恒壓過(guò)程恒容過(guò)程第6頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)12分，星期二恒壓過(guò)程，Q=H= mCpT第7頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)12分，星期二三、能量衡算的基本方法及步驟基本方法能量守恒定律：輸入的能量-輸出的能量=積累的能量使用范圍：總的能量適用，部分能量不一定適用第8頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)12分，星期二物料流動(dòng)示意圖1Z12Z2U1 u1P1 A1U2 u2P2 A2第9頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)12分，星期二輸入輸出能

3、量列表輸入輸出內(nèi)能U1U2動(dòng)能EK1=u12/2EK2=u22/2位能Ep1=gZ1Ep2=gZ2流動(dòng)功P1V1P2V2物料量m1=1m2=1傳入熱量Q泵的輸入功W第10頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)12分，星期二能量衡算(基本公式)U1+u12/2+gZ1+P1V1+Q+W=U2+u22/2+gZ2+P2V2H1+u12/2+gZ1+Q+W=H2+u22/2+gZ2U+u2/2+gZ+(PV)=Q+WH+u2/2+gZ=Q+W或 H+ EK+ EP =Q+W 第11頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)12分，星期二特殊過(guò)程能量衡算式的簡(jiǎn)化一般情況 EK=EP 0絕熱過(guò)程(Q

4、=0)H=W無(wú)做功過(guò)程(W=0)H=Q無(wú)功、無(wú)熱量傳遞過(guò)程(Q=0, W=0)H=0間歇過(guò)程 (PV)=0U=Q+W第12頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)12分，星期二能量衡算的基本步驟建立以單位時(shí)間為基準(zhǔn)的物料流程圖(衡算表)標(biāo)明物流的溫度、壓力、相態(tài)、組分的焓值選基準(zhǔn)溫度(0或25 )根據(jù)熱量的基本衡算式列熱量衡算式并求解列熱量衡算表第13頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)12分，星期二相變過(guò)程的能量衡算相變熱汽化潛熱(Hv)熔化潛熱(Hm)升華潛熱(Hs)相變熱隨相變溫度的變化而變化，但變化很微小，可以近似看作常數(shù)。第14頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)12分

5、，星期二相變熱的估算方法Trouton法則(汽化熱，沸點(diǎn)法，誤差30%)Hv=bTb kJ/mol（b=0.088(非極性液體)，0.109(水、低碳醇)）Chen方程(汽化熱，烴類、弱極性化合物，4%)J/mol第15頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)12分，星期二Kistiakowsky方程(汽化熱，一元醇和一元羧酸,3.0%)ClausiusClapeyron方程第16頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)12分，星期二Watson公式(已知T1時(shí)Hv，求T2時(shí)Hv)標(biāo)準(zhǔn)熔化熱Hm（J/mol)9.2Tm(用于金屬元素) 25Tm(用于無(wú)機(jī)化合物) 50Tm(用于有機(jī)化合物)

6、第17頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)12分，星期二理想氣體熱容的估算第18頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)12分，星期二第19頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)12分，星期二第20頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)12分，星期二芳香基團(tuán)第21頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)12分，星期二含氧基團(tuán)第22頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)12分，星期二含氮基團(tuán)第23頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)12分，星期二含硫和鹵素基團(tuán)第24頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)12分，星期二成環(huán)的貢獻(xiàn)(僅對(duì)環(huán)狀化合物)第25頁(yè)，共62頁(yè)，

7、2022年，5月20日，1點(diǎn)12分，星期二反應(yīng)熱的表示恒壓反應(yīng)熱(焓)在恒溫恒壓下，反應(yīng)物按照化學(xué)計(jì)量式完全反應(yīng)，物料在反應(yīng)前后的焓差被稱為恒壓反應(yīng)熱或反應(yīng)焓，以Hr表示。恒容反應(yīng)熱 在恒溫恒容下，反應(yīng)物在溫度T時(shí)按照化學(xué)計(jì)量式完全反應(yīng)，物料在反應(yīng)前后的內(nèi)能的變化被稱為恒容反應(yīng)熱，以Ur(T)表示。第26頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)12分，星期二Ur(T)= Hr- nRTn=i(氣態(tài)產(chǎn)物)- i(氣態(tài)反應(yīng)物)第27頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)12分，星期二反應(yīng)熱的計(jì)算由標(biāo)準(zhǔn)生成熱 計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)熱由標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱 計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)熱第28頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日

8、，1點(diǎn)12分，星期二連續(xù)穩(wěn)定體系的總能量衡算每小時(shí)500千克蒸汽驅(qū)動(dòng)渦輪。進(jìn)渦輪的蒸汽為44atm、450，線速度為60ms，蒸汽離開(kāi)渦輪的部位在渦輪進(jìn)口位置以下5m，常壓，速度為360ms。渦輪作軸功700kW，禍輪的熱損失佑計(jì)為104kcalh，計(jì)算過(guò)程焓的變化(kJkg)。第29頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)12分，星期二流程圖500kg/h44atm,45060m/s5m500kg/h1atm, 360m/sQ=-104kcal/h W=-700kW第30頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)12分，星期二解題過(guò)程物料衡算m=500/3600=0.139kg/s能量衡算

9、第31頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)12分，星期二第32頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)12分，星期二廢熱鍋爐的能量衡算甲醇蒸氣離合成設(shè)備時(shí)的溫度為450，經(jīng)廢熱鍋爐冷卻。廢熱鍋爐產(chǎn)生4.5atm飽和蒸汽。已知進(jìn)水溫度20，壓力4.5atm。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。第33頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)12分，星期二流程圖20 0.2molH2O 4.5atm1mol CH3OH(汽)450 0.2mol H2O(汽) 4.5atm飽和1mol CH3OH(汽) T=？第34頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)1

10、2分，星期二基準(zhǔn)：1mol CH3OH, 0.2mol H2O條件： H2O(液)0， CH3OH(汽) 450查熱容和焓值：Cp,甲醇=19.05+9.1510-2T kJ/molK(H水)20=83.74kJ/kg=1507kJ/mol(H水汽) 4.5atm=2747.8kJ/kg=49460kJ/mol第35頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)12分，星期二能量衡算：Q=H=0(絕熱操作)n水(H出-H進(jìn))水= n醇(H出-H進(jìn))醇(H進(jìn))水=1507kJ/mol(H出)水=49460kJ/mol(H進(jìn))醇=0(基準(zhǔn))第36頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)12分，星期二

11、代入數(shù)據(jù)求得：T=602K=329第37頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)12分，星期二汽化熱的計(jì)算甲醇的正常沸點(diǎn)為337.9K，臨界溫度為5132K計(jì)算甲醇在200時(shí)的汽化熱。解：(1)用Trouton法則求正常沸點(diǎn)下的Hv (實(shí)驗(yàn)值35.2kJ/mol):Hv=bTb=0.109337.9=36.8kJ/mol (2)用Watson公式，以Trouton法則算出的36.8代入，計(jì)算200的汽化熱(實(shí)驗(yàn)值19.8kJ/mol): 第38頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)12分，星期二有相變過(guò)程能量的衡算 含苯50mol%的苯、甲苯混合液，溫度為10，連續(xù)加入汽化室內(nèi)，在汽化室

12、內(nèi)混合物被加熱至50，壓力為34.8mmHg。液相中含40mol%的苯，汽相中含68.4mol%苯，問(wèn)每kmol進(jìn)料要多少熱量？第39頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)12分，星期二流程圖1kmol, 100.5kmol苯/kmol0.5kmol甲苯/kmolV kmol, 50, 34.8mmHg0.648kmol苯/kmol0.316kmol甲苯/kmolL kmol, 50 0.4 kmol苯/kmol0.6 kmol甲苯/kmolQ (kJ/mol)第40頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)12分，星期二(1)物料衡算(基準(zhǔn)：1kmol進(jìn)料混合物)1=V+L0.5=0.6

13、84V+0.4L 求得：V=0.352kmol L=0.648kmol第41頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)12分，星期二(2)能量衡算 基準(zhǔn)：苯(液)10，甲苯(液)10 忽略混合熱，總焓等于各組分焓的和。 查得： CP(苯，液)62.55十23.410-2T kJkmolK CP(甲苯，液)157kJkmol(050) 165kJkmol(0100)第42頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)12分，星期二 CP(苯，汽)=-36.21+48.4610-2T-31.5610-5 T2kJ/kmolK CP(甲苯，汽)=-34.40+55.9210-2T-34.4510-5 T

14、2kJ/kmolKHv(苯)30760kJ/kmolHv(甲苯)33470kJ/kmola. 苯(液) 50b. 甲苯(液) 50第43頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)12分，星期二 c. 苯(汽) 50 苯(液, 10 ) 苯(液, 80.26 ) 苯(汽, 80.26 ) 苯(汽, 50 ) d. 甲苯(汽) 50甲苯(液, 10) 甲苯(液, 110.8) 甲苯(汽, 110.8) 甲苯(汽, 50 )第44頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)12分，星期二總能量衡算 Q=H=n出H出- n進(jìn)H進(jìn) =17630kJ/mol第45頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)1

15、2分，星期二反應(yīng)過(guò)程中的能量衡算第一種基準(zhǔn): 如果已知標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)熱，可選298K，1atm為反應(yīng)物及產(chǎn)物的計(jì)算基準(zhǔn)。第二種基準(zhǔn):已組成反應(yīng)物及產(chǎn)物的元素，在25，1atm時(shí)的焓為零，非反應(yīng)分子以任意適當(dāng)?shù)臏囟葹榛鶞?zhǔn)。第46頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)12分，星期二氨氧化反應(yīng)器的能量衡算 氨氧化反應(yīng)式為：4NH3(g)+5O2(g) 4NO(g)+6H2O(g) 此反應(yīng)在25 、1atm的反應(yīng)熱為Hr0-904.6kJ。現(xiàn)右25的100molNH3/h和200mol02/h連續(xù)進(jìn)入反應(yīng)器，氨在反應(yīng)器內(nèi)全部反應(yīng)，產(chǎn)物于300 呈氣態(tài)離開(kāi)反應(yīng)器。如操作壓力為1atm，計(jì)算反應(yīng)器應(yīng)輸入或輸

16、出的熱量。第47頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)12分，星期二流程及物料流率反應(yīng)器100mol NH3/h200mol O2/h25 100mol NO/h150mol H2O/h75mol O2/h300 Q第48頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)12分，星期二計(jì)算過(guò)程算焓時(shí)的參考態(tài)：25 1atm NH3(氣), O2(氣), NO(氣), H2O(氣)。因此進(jìn)口的兩股物料的焓均為零，下面計(jì)算出口物料的焓：查得出口物料的熱容： NO: Cp=29.5+0.818810-2T-0.292510-5T2+0.365210-9T3O2H2OCP J/mol.30.8034.80

17、第49頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)12分，星期二出口各物料的焓 O2：H=nCp(300-25)=635.25kJ/h NO: H2O: H=nCp(300-25)=1435.5kJ/h第50頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)12分，星期二過(guò)程的焓第51頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)12分，星期二帶換熱的反應(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(g) 標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)熱為Hr0 68.95kJ。原料含乙醇90mol%和乙醛10mol%，進(jìn)料溫度300，當(dāng)加入反應(yīng)器的熱量為5300kJ100mol，產(chǎn)物出口溫度為265。

18、計(jì)算反應(yīng)器中乙醇的轉(zhuǎn)化率。已知熱容值為：C2H5OH(g )，0.110kJmol CH3CHO(g)：0.080kJmol H2(g) ： 0.029kJmol 第52頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)12分，星期二流程圖反應(yīng)器90mol C2H5OH(g )10mol CH3CHO(g) 300 n1mol C2H5OH (g) n2mol CH3CHO(g) n3mol H2(g)265 Q=5300kJ/100mol第53頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)12分，星期二物料衡算基準(zhǔn)：100mol進(jìn)料C元素： 90*2+10*2=2n1+2n2H元素： 90*6+10*4

19、=6n1+4n2+2n3O元素：90+10=n1+n2第54頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)12分，星期二能量衡算基準(zhǔn)：25 ，C2H5OH (g) ，CH3CHO(g) ，H2(g)，輸入、輸出焓值計(jì)算如下：輸入：C2H5OH(g)：H=0.110(300-25)=30.3kJ/molCH3CHO(g): H=0.08(300-25)=22.0kJ/mol輸出：C2H5OH(g)：H=0.110(265-25)=26.4kJ/molCH3CHO(g): H=0.08(265-25)=19.2kJ/molH2(g): H=0.029(300-25)=7.0kJ/mol第55頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)12分，星期二解得： n1=7.5mol n2=92.5mol n3=82.5mol第56頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)12分，星期二乙醇的轉(zhuǎn)化率：第57頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)12分，