化工能量衡算

第五章能量(néngliàng)衡算本章要求：掌握能量衡算的原理掌握能量衡算的基本方法主要内容：能量衡算的理论依据能量衡算的基本形式几个与能量衡算有关(yǒuguān)的重要物理量能量衡算的基本方法无化学反应过程的能量衡算化学反应过程的能量衡算

精品资料第一节概述(ɡàishù)一、能量衡算的意义选择最佳操作条件，制定既经济又合理的能量消耗方案。二、能量衡算的理论依据热力学第一定律：能量既不能产生，也不能消灭三、能量衡算的应用主要应用在两种类型(lèixíng)的问题上：一类是对使用中的装置或设备；另一类是在设计新装置或设备时。能量衡算的基础是物料衡算。只有在进行物料衡算后才能做出能量衡算。精品资料第二节能量(néngliàng)的基本形式能量衡算和物料衡算类似(lèisì)，要用到守恒的概念，即要计算进入和离开特定体系的能量值，因此必须分清不同形式的能量形式及表示的方法。由于能量存在有多种形式，因此能量衡算要比物料衡算复杂。一、位能（Ep）位能又称势能，是物体由于在高度上的位移而具有的能量。其值的大小与物体所在的力场有关，物体在重力场中所具有的位能可用下式表示：精品资料第二节能量(néngliàng)的基本形式分析：位能(wèinéng)的大小和基准面有关，因此物体距基准面的高度差决定了位能(wèinéng)的大小，当物体处于基准面上时其位能(wèinéng)为零。由于多数化工生产过程基本上是在地表或接近地表的高度进行的，位能(wèinéng)对整个能量衡算的影响一般不大，除在计算物料的输送功率时物料的位能(wèinéng)变化是不可忽略的外，在能量衡算中位能(wèinéng)皆可忽略。精品资料第二节能量(néngliàng)的基本形式二、动能（Ek）由于物体运动所具有的能量(néngliàng)，称为动能，其值表示为：

物体的动能与物体运动速度的平方成正比，因此物体的运动速度对动能的影响较大，但在化工生产过程中物料的流动速度一般都不大，与其他能量相比较可以忽略，只有当物料经过喷嘴或锐孔形成高速的喷射流时，在能量衡算中动能的影响才比较明显其值不可以忽略。

精品资料第二节能量(néngliàng)的基本形式三、内能（U）内能表示除了宏观的动能和位能外物质(wùzhì)所具有的能量，其大小与分子运动有关。对于纯组分物质(wùzhì)，内能可表示成与温度和摩尔体积间的函数关系：我们只能计算内能的差，或计算相对于某个参考态的内能，而无法计算内能的绝对值。精品资料第三节几个与能量(néngliàng)衡算有关的重要物理量一、热量（Q）当温度不同的两物体进行接触时，能量总是从热（温度高）的物体向冷（温度低）的物体流动，这种由于温度差而引起传递(chuándì)的能量称为热量。环境对系统加的热为正，从系统中取出的热为负。热量的单位为焦耳（J）注意两点:第一，热量是一种能量的形式，是传递(chuándì)过程中的能量形式；第二，一定要有温度差或温度梯率，才会有热量的传递(chuándì)。精品资料第三节几个与能量(néngliàng)衡算有关的重要物理量二、功（W）功是能量传递的一种(yīzhǒnɡ)形式。

说明：环境对系统作功取为正值，系统对环境作功取为负值。热量的单位为焦耳（J）

在化工生产过程中常见的有体积功、流动功及旋轴功的机械功等。

功只是指被传递的热量，从热力学第二定律可知，功可以无条件地全部转化为热量。精品资料第三节几个与能量(néngliàng)衡算有关的重要物理量三、焓（H）

焓与内能一样，都是热力学函数中的状态函数，是物质的一种容量性质，与温度压力有关。这种状态函数与过程(guòchéng)的途径无关，只与所处的状态有关。通常以物质的一定状态作为焓的基准态，某一状态下物质的焓等于该状态和焓基准态的焓差精品资料焓随温度、压力(yālì)的变化关系？恒温(héngwēn)下两边同除以dp积分精品资料焓方程(fāngchéng)精品资料第四节能量衡算的基本(jīběn)方法一、能量衡算方程1.能量衡算方程式的一般形式根据热力学第一定律，能量衡算方程式可写为：2.对不同(bùtónɡ)的体系能量衡算式又有不同(bùtónɡ)的简化形式：⑴封闭体系

精品资料⑵连续稳态流动过程(guòchéng)的总能量衡算连续稳态流动：1.是指流体流动途径中所有各点的状况都不随时间而变化，系统中没有物料量的积累2.垂直于流向(liúxiànɡ)的各个截面处的质量流率相等。精品资料一些常见的属于稳流体系(tǐxì)的装置喷嘴(pēnzuǐ)扩压管节流阀透平机压缩机混合装置换热装置二、能量衡算方程的应用精品资料喷嘴(pēnzuǐ)与扩压管喷嘴与扩压管的结构特点是进出口截面积变化很大。流体通过时，使压力沿着流动方向降低，而使流速(liúsù)加快的部件称为喷嘴。反之，使流体流速(liúsù)减缓，压力升高的部件称为扩压管。喷嘴扩压管精品资料喷嘴(pēnzuǐ)与扩压管是否(shìfǒu)存在轴功?否是否和环境交换热量?通常可以忽略位能是否变化?否精品资料透平机和压缩机透平机是借助流体的减压和降温(jiàngwēn)过程来产出功压缩机可以提高流体(liútǐ)的压力，但是要消耗功精品资料透平机和压缩机是否(shìfǒu)存在轴功?是!是否和环境(huánjìng)交换热量?通常可以忽略位能是否变化?不变化或者可以忽略动能是否变化？通常可以忽略精品资料节流阀是否(shìfǒu)存在轴功?否是否和环境(huánjìng)交换热量?通常可以忽略位能是否变化?否动能是否变化?通常可以忽略精品资料第四节能量(néngliàng)衡算的基本方法三．热量衡算的基本方法及步骤

热量衡算的基本步骤有a.画物料流程图b.选择基准c.数学方法(shùxuéfānɡfǎ)求解d.列表并校核

精品资料第四节能量衡算的基本(jīběn)方法例5-1：两股不同温度的水用作锅炉进水，它们的流量及温度分别是A：120kg·min-1，30℃；B：175kg·min-1，65℃，锅炉压力为17×103kPa（绝压）。出口蒸汽通过内径为60mm的管子离开锅炉。如产生的蒸汽是锅炉压力下的饱和蒸汽，计算(jìsuàn)每分钟要供应锅炉多少千焦的热量，忽略进口的动能。解：①作水的物料衡算可知产生的蒸汽流量为120+175=295kg·min-1。②确定各流股的比焓由水蒸气表查得30℃、65℃液态水及17×103kPa时的饱和水蒸气的焓。查得的数据已填入流程图中。精品资料30℃、120kg•min-1、H=125.7kJ•kg-1

65℃、175kg•min-1、H=271.9kJ•kg-1

295kg•min-1、H=2793kJ•kg-1

1.7×103kPa饱和(bǎohé)水蒸气(204℃)③写出能量衡算方程并求解(qiújiě)

对体系来说由于没有运动的部件，W=0；由于高度差较小，所以精品资料第四节能量衡算的基本(jīběn)方法=7.61×105kJ·min-1=1.27×104kJ·s-1由水蒸气表查得17atm饱和蒸气比容为0.1166m3·kg-1，内径(nèijìnɡ)0.06m管子的截面积为蒸汽流速为精品资料第四节能量(néngliàng)衡算的基本方法由于进水的动能可以(kěyǐ)忽略,则

可见动能的变化约占过程所需总热量的0.4%，对于带有相变、化学反应或较大温度变化的过程，动能和位能的变化相对于焓变来说，常常是可忽略的（至少在作估算时可以这样）。精品资料第五节无化学反应过程(guòchéng)的能量衡算无化学反应过程的能量衡算，一般应用于计算指定条件下进出过程物料的焓差，用来确定过程的热量，进而(jìnér)计算出冷却或加热介质的用量或温差，各物料的焓可以从手册中查到时，直接采用式进行计算比较简单。精品资料第五节无化学反应(huàxuéfǎnyìng)过程的能量衡算例5-2：某锅炉每分钟产生(chǎnshēng)800kPa的饱和水蒸气，现有两股不同温度的水作为锅炉进水，其中20℃的水为80kg·min-1，60℃的水为50kg·min-1。试求锅炉每分钟的供热量。解：根据题意画出流程示意图20℃、80kg•min-1800kPa水蒸气，130kg·min-1

60℃、50kg·min-1精品资料第五节无化学反应过程(guòchéng)的能量衡算因为焓是一个状态函数，其变化值与过程无关，所以(suǒyǐ)为了计算一个实际过程的焓变，由始态到终态可以用假想的几个阶段来代替原过程，而假想的各个阶段的焓变应该是可以计算的，所需的数据也是可得到的。根据题意可知锅炉每分钟产生130kg的水蒸气，由饱和水蒸气表知当压力为800kPa时，其温度为170.4℃，比焓为2773kJ·kg-1。20℃的水比焓为83.74kJ·kg-1，60℃的水比焓为251.21kJ·kg-1，代入式Q=H2－H1，可求每分钟需供热量：Q=130×2773－（80×83.74+50×251.21）=360490－19260=341230kJ·min-1精品资料第五节无化学反应过程(guòchéng)的能量衡算一、无相变的变温变压过程的热量衡算化工过程中无相变、无化学反应过程的热量衡算主要是指物料温度变化所需加入或取出的热量的计算(jìsuàn)，化工生产中常见的加热或冷却过程就属于这种情况。1．利用热容计算(jìsuàn)ΔU或ΔH⑴恒压过程Qp或ΔH的计算

⑵恒容过程QV或ΔU的计算精品资料第五节无化学反应(huàxuéfǎnyìng)过程的能量衡算⑶压力对焓的影响压力变化对U、H的影响，对于(duìyú)理想气体和真实气体是不同的。对理想气体，U是温度的函数，与压力无关；对固体或液体，在恒温变化时，ΔU≈0，ΔΗ=ΔU+Δ（PV）≈VΔP。对于(duìyú)真实气体，在低压高温情况，接近理想气体，可忽略压力对焓的影响，其它情况下，可根据气体的焓校正图加以校正。精品资料第五节无化学反应(huàxuéfǎnyìng)过程的能量衡算2．单相体系的能量衡算例5-3：有一裂解气的油吸收装置，热的贫油和冷的富油在换热器中换热，富油流量为12000kg·h-1，入口温度为30℃；贫油流量为10000kg·h-1，入口温度为150℃，出口温度为65℃。求富油的出口温度。已知在相应的温度范围内，贫油平均(píngjūn)热容为2.240kJ·kg-1·K-1；富油为2.093kJ·kg-1·K-1。若换热器热损失可忽略不计。解：根据题意画出流程示意图

富油30℃F3=12000kg·h-1

F1=10000kg·h-1

贫油150℃

65℃

换热器

F2=10000kg·h-1

F4=12000kg·h-1T4=？精品资料第五节无化学反应(huàxuéfǎnyìng)过程的能量衡算基准：1h、30℃

因无热量损失，故贫油与富油带入系统的焓与贫油与富油离开(líkāi)系统时的焓相等，即热量衡算式为式中ΔH1,ΔH3—分别为贫油和富油进入换热器时和基准态比较所具有的焓变，kJ·h-1

ΔH2,ΔH4—分别为贫油和富油离开换热器时和基准态比较所具有的焓变，kJ·h-1

由已知，有焓变计算式，代入数据得：ΔH1＝10000×2.240×（150－30）＝2688000kJ·h-1

ΔH2＝10000×2.240×（65－30）＝784000kJ·h-1

ΔH3＝12000×2.093×（30－30）＝0ΔH4＝12000×2.093×（T4－30）=25116(T4－30）精品资料第五节无化学反应过程(guòchéng)的能量衡算精品资料第五节无化学反应(huàxuéfǎnyìng)过程的能量衡算二、相变过程的热量衡算气化和冷凝、熔化和凝固、升华和凝华这类相变过程往往伴有显著的内能和相态变化，这种变化常成为过程热量衡算的主体，不容忽略。相变过程的热量变化体现在物系的相态发生变化而非温度的变化，进行热量衡算时需要利用相变热的数据。1．相变热在恒定压力和温度下，1mol的物质(wùzhì)发生相态变化时的焓变称为该物质(wùzhì)的相变热。由于相变热随相变温度的变化会有显著的差异，如果实际过程与所查数据的条件不符合，可设计一个计算途径来计算。精品资料第五节无化学反应过程(guòchéng)的能量衡算例5-4：每小时100mol液体正已烷，在25℃、709.1kPa下恒压气化(qìhuà)并加热至300℃。忽略压力对焓的影响，计算每小时的供热量。解：根据题意，W=ΔEK=ΔEP=0，

所以能量衡算式变为：

Q=ΔH

因此算出ΔH便为所求的加热量。精品资料第五节无化学反应过程(guòchéng)的能量衡算从手册中查得101.3kPa正已烷的沸点为342K，ΔH汽化＝28.87kJ·mol-1，而正已烷在709.1kPa时的沸点为419K，但由于无法查到419K时的气化热数据，因此设计如图5-13所示的途径，使正已烷在342K由液体气化为蒸气，而不是在实际(shíjì)温度419K下汽化。正已烷（液）298K709.1kPa正已烷（气）573K709.1kPa正已烷（气）342K101.3kPa正已烷（液）342K101.3kPa正已烷（液）419K709.1kPa正已烷（气）419K709.1kPa正已烷（气）298K20kPaΔHm,1ΔHm,2ΔHm,3ΔHm,4ΔHm,5ΔHm,6ΔHm,7ΔHm,8精品资料第五节无化学反应(huàxuéfǎnyìng)过程的能量衡算上图表示从298K液态正已烷汽化(qìhuà)并加热为573K正已烷蒸气的几条可能的途径。如果已知419K的ΔHv，ΔH可由ΔHm,1＋ΔHm,4＋ΔHm,5＋ΔHm,6计算，如果已知298K的ΔHv，ΔH可由ΔHm,7＋ΔHm,8计算，由于只有342K时的ΔHv，ΔH应由ΔHm,1＋ΔHm,2＋ΔHm,3计算。

查液体正已烷的Cp,m(l)＝215.5kJ·kmol-1·K-1。ΔHm,1=Cp,m(l)(T2－T1)=215.5×（342－298）×10－3

＝9.482kJ.mol-1ΔHm,2=ΔHv(342K)=28.87kJ.mol-1精品资料第五节无化学反应(huàxuéfǎnyìng)过程的能量衡算气体(qìtǐ)正已烷：kJ·kmol-1·K-1

kJ·mol-1

所以每小时的加热量为8545kJ。kJ·h-1精品资料第五节无化学反应过程(guòchéng)的能量衡算例5-11：浓度为0.50（摩尔分数，下同）的苯、甲苯混合液，温度为10℃，连续送入气化室内(shìnèi)，在气化室内(shìnèi)混合物被加热至50℃，压力为34.8mmHg。液相中苯的浓度为0.4，气相中苯的浓度为0.684，问1kmol进料要多少热量？解：根据题意画出流程示意图气化室1kmol，10℃0.5kmol苯/kmol

0.5kmol甲苯/kmol

V（

kmol）,50℃,34.8mmHg0.684苯,0.316甲苯

Q(kJ/kmol)L（kmol）,50℃34.8mmHg0.4苯,0.6甲苯2．相变过程的能量衡算精品资料第五节无化学反应过程(guòchéng)的能量衡算由物料(wùliào)衡算求V和L：基准283K1kmol，液相由手册可查得：

Cp（甲苯、液）=157kJ·kmol-1·K-1(273~323K)Cp（苯、液）=165kJ·kmol-1·K-1(273~373K)Cp（苯、气）=－36.21+48.46×10-2T－31.56×10-5T2(kJ·kmol-1·K-1)Cp（甲苯、气）=－34.40+55.92×10-2T－34.45×10-5T2(kJ·kmol-1·K-1)ΔHv(苯)=30760

kJ·kmol-1ΔHv(甲苯)=33470kJ·kmol-1精品资料第五节无化学反应(huàxuéfǎnyìng)过程的能量衡算(1)苯(液)50℃(2)苯(气)50℃苯(液,10℃)—苯（液，80.26℃）—苯（气，80.26℃）—苯（气，50℃）(3)甲苯(jiǎběn)(液)50℃ΔH2=Cp（甲苯(jiǎběn)、液）（50－10）=157（50－10）=6280kJ·kmol-1(4)甲苯（气）50℃甲苯(液,10℃)—甲苯（液，110.8℃）—甲苯（气，110.8℃）—甲苯（气，50℃）精品资料第五节无化学反应(huàxuéfǎnyìng)过程的能量衡算将计算(jìsuàn)填入进出口焓表物质n进/kmolHm,进,/(kJ·kmol-1)n出/kmolHm,出/(kJ·kmol-1)苯(液)0.500.2595338甲苯(液)0.500.3896280苯(气)－－0.24137600甲苯(气)－－0.11142780总能量衡算Q=ΔH=Σn出Hm,出-Σn进Hm,进=(0.259×5338)+(0.389×6280)+(0.241×37600)+(0.111×42780)－0=17630kJ·kmol-1精品资料第五节无化学反应(huàxuéfǎnyìng)过程的能量衡算三．溶解热和混合(hùnhé)热1概念

溶解热是指1mol溶质（气体或固体）于恒温、恒压下溶于nmol溶剂中，形成溶液时引起的焓的变化，称该浓度下溶液的积分溶解热，记作ΔHs(T,n)。随着n的增大即溶液的浓度无限稀释，ΔHs趋于一极限值，称为无限稀释积分溶解热ΔHs(T,∞)。混合热与溶解热有相同的含意，只不过混合热是指两种液体混合过程的焓变。精品资料第五节无化学反应(huàxuéfǎnyìng)过程的能量衡算2．溶解与混合过程的能量衡算当配制、浓缩或稀释一种溶液，要作热量衡算，可知能量变化情况(qíngkuàng)。基准：如果溶解与混合过程物料中有纯溶质，宜选用25℃（或已知的其它温度）溶质和溶剂作为计算焓的基准；如果进出口物料是稀溶液，则选无限稀释的溶液和纯溶剂为基准比较好。精品资料第五节无化学反应(huàxuéfǎnyìng)过程的能量衡算例5-12：盐酸由气态HCl用水吸收而制得，如果用25℃的H2O吸收100℃的HCl气体(qìtǐ)，每小时生产40℃、25%（质量分数）HCl水溶液2000kg，计算吸收设备应加入或移出多少热量？解：先作物料衡算，计算HCl（气体(qìtǐ)）和H2O（液体）的流率。基准：2000kg25%（质量分数）HCl水溶液精品资料第五节无化学反应(huàxuéfǎnyìng)过程的能量衡算根据题意(tíyì)画流程示意图能量衡算基准：由于25℃HCl的ΔHs已知，又过程中有纯HCl（气），所以选25℃、HCl(气)、H2O(液)为基准。设HCl带入的焓为，其过程表示为查出HCl的平均热容ΔHm,1=29.17×（100－25）×10－3＝2.188kJ·mol-1精品资料第五节无化学反应过程(guòchéng)的能量衡算溶解过程(guòchéng)的焓变为ΔHs，其过程(guòchéng)表示为设HCl水溶液带出的热量为，其过程表示为：由手册查得25%（质量）盐酸的热容为0.4185kJ·mol-1吸收装置每小时需移出8.375×105kJ热量。精品资料第六节化学反应(huàxuéfǎnyìng)过程的热量衡算化学反应通常伴随较大的热效应——吸收热量或放出热量，称为反应热。是由于反应物质(wùzhì)分子结构的改变使分子内部质点间的相互作用发生变化，因而常伴随着吸热或放热现象。为了使化学反应在适宜的温度下进行以达到适当的转化率或使目的产物达到尽可能高的收率，就要向反应系统提供或移出一定的热量。有关反应热的定义及标准反应热的定义和计算方法，在第二章化工基础数据有关章节中已作较详细的介绍，在此不再叙述，直接将反应热结合到能量衡算中去。精品资料第六节化学反应(huàxuéfǎnyìng)过程的热量衡算一、化学反应过程的能量衡算基准对于化学反应过程，同反应系统中物料的焓变相比，其位能、动能(dòngnéng)的变化皆可忽略，系统与环境间一般也无功的传递。这样，反应系统的能量衡算就简化为热量衡算即焓衡算。1．基准一：298K、101.3kPa各反应物及产物状态精品资料第六节化学反应(huàxuéfǎnyìng)过程的热量衡算此基准适合已知标准反应热，且化学反应式单一。对非反应物质可另选适当的温度为基准（如反应器的进、出口温度，或热容表的参考温度）。此时(cǐshí)反应过程的焓差用下式计算：精品资料第六节化学反应(huàxuéfǎnyìng)过程的热量衡算例5-13：氨氧化(yǎnghuà)反应器的热量衡算，在25℃、101.3kPa下氨氧化(yǎnghuà)反应的标准反应热为，其氨氧化(yǎnghuà)反应式为：4NH3（气）+5O2（气）→4NO（气）+6H2O（气）现将每小时200molNH3和400molO2在25℃下连续送入反应器，氨在反应器内全部反应，产物于300℃呈气态离开反应器。如操作压力为101.3kPa，计算反应器所需要输入或输出的热量。解：由物料衡算得到的各组分流率示于流程图中NH3200mol∙h-1O2400mol∙h-1

25℃

NO200mol∙h-1H2O300mol∙h-1O2150mol∙h-1300℃精品资料第六节化学反应(huàxuéfǎnyìng)过程的热量衡算①输入(shūrù)物料的焓因进口的两股物料的温度均为298K，故焓均为零。②输出物料的焓查表300℃时：O2：

H2O：NO：计算：

基准：题给的进料量，25℃，101.3kPa，物料均为气态精品资料第六节化学反应过程(guòchéng)的热量衡算③已知氨的消耗量为200mol∙h-1④此过程(guòchéng)的焓

即为了维持产物温度为300℃，每小时需从反应器移走39310kJ热量。精品资料第六节化学反应(huàxuéfǎnyìng)过程的热量衡算当一个过程的反应为复杂反应体系时，有时会难以写出发生在体系中的各个化学反应式，即使能写出反应式，有时也难以确定一种原料(yuánliào)参加不同反应的量的比例，即各反应的选择性不确定，这时利用第一种基准进行化学反应过程的能量衡算就显得力不从心。例如石油的催化裂解，反应如此之多，以致无法判别出每个单独的反应，更谈不上各反应间的比例关系，标准反应热也无法知道，这时可用下列基准二求解。精品资料第六节化学反应过程(guòchéng)的热量衡算此时(cǐshí)反应过程的总焓变用下式计算。

各组分的摩尔焓等于各组分在操作温度和压力下的生成焓，即反应物或产物的摩尔焓是各物质25℃的生成热与物质由25℃变到它进口状态或出口状态所需显热和潜热之和，可以分为单质和化合物两种情况来讨论。例，现假定某物质处在T温度下，用第二种基准计算时，其焓如何计算？①该物质为化合物或2.基准二：25℃，101.3kPa组成反应物及产物各稳定态的单质为基准，非反应分子以任意适当的温度为基准精品资料第六节化学反应(huàxuéfǎnyìng)过程的热量衡算②该物质为稳定(wěndìng)态的单质或所以第二种基准中的物质，是组成反应物和产物的、以自然形态存在的原子。精品资料第六节化学反应(huàxuéfǎnyìng)过程的热量衡算二．典型反应器的热量衡算⑴绝热式反应器这类反应器除了热量的自然损失外没有专门的换热设施，或者由于(yóuyú)反应速度很快而无法及时换热，反应过程的热效应将导致反应物料温度的上升或下降，反应热效应越大，温度上升或下降的效果越明显，所以这类反应器只适合于反应热效应不大，单程转化率不高的场合。⑵换热式反应器这类反应过程借助与外界换热，使反应维持在合适的温度条件。在连续稳定的操作条件下，通过能量衡算，算出与外界交换的热量，为换热设备的设计提供依据。如果反应是吸热的，就要有蒸汽管道、载热体、锅炉或加热炉；相反的，如果反应是放热的，就要有移热装置，如换热器、冷凝器等。对这种反应器主要是计算反应过程的总焓差，总焓差即是所需的换热量。精品资料第六节化学反应(huàxuéfǎnyìng)过程的热量衡算例5-15：甲烷和水蒸汽在反应(fǎnyìng)器中反应(fǎnyìng)，生成H2、CO和CO2。物料衡算结果列于下表中。设进料和出料均为500℃。求为保持反应(fǎnyìng)器恒温所需的加热量。组分进料/（kmol∙h-1）出料/（kmol∙h-1）CH4H2O(气)COCO2H21.002.500000.251.500.50.252.50共计3.505.001.换热式反应器的热量衡算精品资料第六节化学反应(huàxuéfǎnyìng)过程的热量衡算解：分析反应过程，反应过程为复杂反应，所以选择第二种基准(jīzhǔn)进行能量衡算。基准(jīzhǔn)：计算时间基准(jīzhǔn)为1h，温度基准(jīzhǔn)25℃各元素稳定单质。由已知物料流量表，画出流程示意图CH40.25kmol∙h-1H2O1.50kmol∙h-1CO0.5kmol∙h-1CO20.25kmol∙h-1

H22.50kmol∙h-1500℃CH41kmol∙h-1H2O2.50kmol∙h-1500℃精品资料第六节化学反应(huàxuéfǎnyìng)过程的热量衡算本题(běntí)中由于进出口温度相同，即同一种物质的Hi输出=Hi输入，则上式可化成：计算各组分在500℃的焓值CH4：查

H2O：查

精品资料第六节化学反应过程(guòchéng)的热量衡算CO：查

CO2：查

H2：查总焓变应为精品资料第六节化学反应过程(guòchéng)的热量衡算2.绝热式反应器的热量衡算绝热反应器与外界没有(méiyǒu)热量交换，此时

按第一种基准计算时，下式成立

按第二种基准计算时，下式成立精品资料第六节化学反应(huàxuéfǎnyìng)过程的热量衡算由绝热反应器的特征，在化学反应过程中与外界无热量交换，无论采用哪一种基准，绝热反应过程进出物料的总焓是相等的，但它们的温度是不同的。当化学反应是吸热反应时，即,出料温度低于进料温度，即出料温度下降；当化学反应是放热反应时，即

出料温度高于进料温度，即出料温度上升。对绝热反应过程的热量衡算，通常是根据(gēnjù)反应热计算物料的出口温度。精品资料第六节化学反应过程(guòchéng)的热量衡算例5-16：在绝热反应器中发生(fāshēng)乙醇脱氢生成乙醛的化学反应，反应式如下：C2H5OH(g)→CH3CHO(g)+H2(g)已知标准反应热为：，乙醇蒸气于300℃进入反应器，转化率为30%，在该操作温度范围内各物质的平均摩尔热容值为：C2H5OH(g)：CH3CHO(g)：H2(g)：求反应器出口产物的温度。精品资料第六节化学反应(huàxuéfǎnyìng)过程的热量衡算解：由题意进行(jìnxíng)简单的物料衡算后将得到的结果示于流程示意图反应器100molC2H5OH(g)300℃70molC2H5OH(g)30molCH3CHO(g)30molH2(g)T=？℃基准:物料基准100mol乙醇进料温度基准第一种基准25℃，C2H5OH(g)，CH3CHO(g)，H2(g)由第一种基准，能量衡算式为：25℃反应的焓：精品资料第六节化学反应(huàxuéfǎnyìng)过程的热量衡算计算(jìsuàn)各物质焓值各物质焓值的计算采用以下公式：C2H5OHCH3CHOH2

根据式（5-38）代入数据得：解得：T=111.9℃精品资料第七节稳态流动(liúdòng)过程物能联合衡算我们分别讨论了物料衡算和能量衡算，一般应在作能量衡算之前先要作物料衡算；但有时(yǒushí)根据物料衡算式不能直接计算出物料量，还需对物料衡算和能量衡算进行联立求解。本节主要讨论物料衡算和能量衡算联合应用的问题。精品资料第七节稳态流动过程(guòchéng)物能联合衡算一、物能联算的一般(yībān)解法对于任何一个体系，都可以写出：1.总的物料算式；2.每一组分的物料算式；3.总能量衡算式。二、计算举例精品资料第七节稳态流动过程(guòchéng)物能联合衡算例5-17：某连续蒸馏塔每小时分离10000kg含40%（质量分率，下同）苯、60%氯苯的溶液，进料温度294K，塔顶液体产物为99.5%的苯，塔底(从再沸器出来的物料)含1%苯。冷凝器进水温度为288.6K，出水温度为333K，再沸器用温度为411K的饱和水蒸汽加热，回流比（返回(fǎnhuí)塔顶的液体量与取出塔顶液体产物之比）为6:1，设再沸器和冷凝器均在101.3kPa下操作，冷凝器的计算温度为354K，再沸器温度为404K，算得再沸器气相中苯为3.9%（相当于5.5mol%）。计算下列各项：①塔顶产物和塔底产物每小时各为多少kg？②每小时回流多少kg？③进再沸器的液体和再沸器的蒸汽每小时各为多少kg？④每小时耗用的水蒸汽和冷却水各为多少kg？精品资料第七节稳态流动过程(guòchéng)物能联合衡算解：①根据题意画出流程示意图,并注明(zhùmínɡ)已知条件。L/D=6P=101.3kPa泠凝器计算温度354K再沸器计算温度404KVb中苯3.9%计算：1D,W2L3Lb4再沸器负荷冷凝器负荷精品资料第七节稳态流动(liúdòng)过程物能联合衡算②已知液态苯和氯苯的热容(rèrónɡ)数据如下表所示：温度/KCp/(kJ·kg-1·K-1)Hv/(kJ·kg-1)氯苯苯氯苯苯2943053223393553723894051.2551.3391.4021.4431.5061.5691.6321.6741.6951.7361.7991.8831.9662.0292.0922.176

325.43313.80302.17292.88

395.18385.97371.92357.73精品资料第七节稳态流动过程(guòchéng)物能联合衡算基准(jīzhǔn)：每小时10000kg进料总物料衡算F=D+W③整个系统物料衡算10000=D+WW=6040kg·h-1

D=3960kg·h-1

10000×0.4=D×0.995+(10000－D)×0.0110000×0.4=D×0.995+W×0.01苯的衡算FxFi=DxDi+WxWi精品资料第七节稳态流动(liúdòng)过程物能联合衡算④冷凝器物料(wùliào)衡算LbxLb=6040×0.01+Vb×0.039L/D=6L=6D=6×3960=23760

kg·h-1V=L+D=23760+3960=27720kg·h-1⑤再沸器物料衡算总物料衡算：Lb=W+Vb苯衡算：LbxLb=WxW+Vbx