第四章-能量衡算-第二种基准

第四章能量衡算第一节概述第二节能量衡算的基本方法和步骤第三节无化学反应过程能量衡算第四节化学反应过程的能量衡算第五节稳定流动过程物能联合衡算第六节综合性例题

.回顾上节课1，由生成热求取反应热2，由燃烧热求取反应热基准点？基准点？相对于标准状态下稳定单质的生成焓等于零相对于标准状态下完全氧化产物燃烧热等于零4.4化学反应过程的能量衡算1回顾上节第一种基准：若已知标准反应热，可取298K，101.33千帕为反应物及产物的计算基准。对非反应物可另选适当的温度为基准由

求出各Hi值。

---怎么求？2回顾上节课4.4化学反应过程的能量衡算以组成反应物及产物的元素（单质）在298K，101.3千帕时的焓为零。非反应物以任意适当的温度为基准。第一种基准能解决以下问题吗？1、反应复杂，难以写出化学反应式2、有平行反应，原料参加各反应的比例不知。不能!第二种基准

4.4.1第二种基准4.4化学反应过程的能量衡算第二种基准中的基准物质是组成反应物和产物的以自然形态存在的原子(标准状态下稳定单质的生成焓等于零）这时反应物或产物的焓H是各物质298K的生成热与由298K变到其进出口状态的显热和潜热之和。过程总焓变为：298K，1atm，元素(单质）298K，1atm，化合物T进（T出），P进（P出）化合物ΔH实际Hi4.4.1第二种基准4.4化学反应过程的能量衡算因此第二种基准的计算式为：4.4.1第二种基准4.4化学反应过程的能量衡算例5—19P151~153甲烷在连续反应器中用空气氧化生产甲醛，副反应是甲烷完全氧化生成CO2和H2O，方程式：1、CH4（g）+O2（g）——HCHO（g）+H2O（g）2、CH4（g）+2O2（g）——CO2（g）+2H2O(g)以100mol进反应器的甲烷为基准，气体均看做理想气体。进口：甲烷25℃进反应器，空气于100℃进反应器出口：温度均150℃求从反应器移走多少热量？4.4.1第二种基准4.4化学反应过程的能量衡算例5—19P151~153100molCH425℃100molO2

100℃376molN2100℃60molCH430molHCHO10molCO250molH2O50molO2376molN2150℃反应过程Q物料流程简图如下：4.4.1第二种基准4.4化学反应过程的能量衡算

O2N2CH4HCHOCO2H2O(kJ/kmol)29.8029.16----

(kJ/kmol)30.06429.2439.29.1239.5234.16(kJ/mol)00-74.85-115.90-393.5-241.83例5—19P151~153相关计算数据如下：4.4.1第二种基准4.4化学反应过程的能量衡算例5—19P151~153100molCH425℃100molO2

100℃376molN2100℃60molCH430molHCHO10molCO250molH2O50molO2376molN2150℃反应过程Q基准：第二种基准（25℃，单质的H为0）4.4.1第二种基准4.4化学反应过程的能量衡算例5—19P151~153100molCH425℃100molO2

100℃376molN2100℃反应过程基准：第二种基准（25℃，单质的H为0）进口：

4.4.1第二种基准4.4化学反应过程的能量衡算

n进H进n进×H进CH4100-74.85-7485O21002.235223.5N23762.187822.312HCHO000CO2000H2O000∑niHi进

-6439.188kJ进口总焓值：例5—19P151~1534.4.1第二种基准4.4化学反应过程的能量衡算例5—19P151~153基准：第二种基准（25℃，单质的H为0）出口：60molCH430molHCHO10molCO250molH2O50molO2376molN2150℃反应过程4.4.1第二种基准4.4化学反应过程的能量衡算例5—19P151~153

n出H出n出×H出CH460-69.95-4197O2503.785189.25N23763.6551374.28HCHO30-114.74-3442.2CO210-388.4-3884H2O50-237.56-11878∑niHi出

-21837.67kJ出口总焓值：4.4.1第二种基准4.4化学反应过程的能量衡算例5—19P151~153基准：第二种基准（25℃，单质的H为0）4.4.1第二种基准4.4化学反应过程的能量衡算换热式反应器绝热式反应器针对实际过程，反应过程的热量衡算分为：反应过程的热效应通过换热设备与外界进行换热反应过程的热效应不与外界换热4.4化学反应过程的能量衡算一、带换热的反应过程的能量衡算例5—20带换热的反应器，在反应器中进行乙醇脱氢生成乙醛的反应：C2H5OH（g）=CH3CHO（g）+H2-Q；标准反应热为ΔH=68.95kJ。原料含乙醇90%（mol%）和乙醛10%（mol%），进料温度300℃，当加入反应器的热量为5300kJ/100mol进料，产物出口温度为265℃。计算反应器中乙醇的转化率。已知热容的值为：C2H5OH（g）：Cp=0.110kJ/mol.KCH3CHO（g）：Cp=0.080kJ/mol.KH2（g）：Cp=0.029kJ/mol.K并假定这些热容值都是常数。4.4.2带换热的反应过程的能量衡算4.4化学反应过程的能量衡算解：取100mol进料为计算基准由物料衡算得各个组分量标于流程图上相应位置反应器90molC2H5OH10molCH3CHOn1molC2H5OHn2molCH3CHOn3molH2300℃265℃Q=5300kJ/100mol4.4.2带换热的反应过程的能量衡算4.4化学反应过程的能量衡算三个未知数，只能列两个物料衡算式，需借助能量衡算式求解，为一物能联算问题。（1）对C元素列式：90×2+10×2=2n1+2n2

整理得：n1+n2=100（2）对H元素列式：90×6+10×4=6n1+4n2+2n3

整理得：3n1+2n2+n3=290（3）能量衡算取第一种基准。进料C2H5OH（g）：Cp=0.110kJ/mol.K4.4.2带换热的反应过程的能量衡算4.4化学反应过程的能量衡算进料：HC2H5OH=0.110（300-25）=30.3kJ/molHCH3CHO=0.08（300-25）=22.0kJ/mol出料：HC2H5OH=0.110（265-25）=26.4kJ/molHCH3CHO=0.08（265-25）=19.2kJ/molHH2=0.029（265-25）=7.0kJ/mol4.4.2带换热的反应过程的能量衡算4.4化学反应过程的能量衡算26.4n1+19.2n2+76.0n3=8247（3）联立求解（1）（2）（3）得：n1=7.5moln2=92.5moln3=82.5mol乙醇转化率：x=(90-7.5)/90=91.7%5300=n368.95+（26.4n1+19.2n2+7.0n3）－（90×30.3+10×22.0）4.4.2带换热的反应过程的能量衡算4.4化学反应过程的能量衡算补充例题：一连续操作反应器，已知仅有反应A+2B→4C+5D反应器进料只有A和B且配比符合化学计量比，进料温度100℃，A的转化率为50%，出反应器的物料温度为300℃。求过程所需移出或移入的热量。已知：△H0fA（298）=40kJ/mol，△H0fB（298）=0kJ/mol，△H0fC（298）=-20kJ/mol，△H0fD（298）=20kJ/molCPA=10kJ/kmol.K，

CPB=15kJ/kmol.K，CPC=5kJ/kmol.K，

CPD=4kJ/kmol.K。4.4.2带换热的反应过程的能量衡算4.4化学反应过程的能量衡算解：取100kmolA/h进料为计算基准。物料衡算结果标注于图上。反应器100kmolA/h200kmolB/h50kmolA/h100kmolB/h200kmolC/h250kmolD/h100℃300℃Q取第一种能量衡算基准，△H0r=20×5+（－20）×4－1×40=－20kJ/mol4.4.2带换热的反应过程的能量衡算4.4化学反应过程的能量衡算△H反=nAR×△H0r/μA=50×1000×（－20）=-1000000kJ/h（∑niHi）入=（∑niCpi（T－298））入=（100×10+200×15）（373－298）=300000kJ/h（∑niHi）出=（∑niCpi（T－298））出=（50×10+100×15+200×5+250×4）×（573－298）=1100000kJ/h△H=－1000000+1100000－300000=－200000kJ/h反应器需移出热量200000kJ/h。4.4.2带换热的反应过程的能量衡算4.4化学反应过程的能量衡算选取能量衡算的第二种基准。HA进=△H0fA（298）+CPA（T进－298）=40×1000+10×（373－298）=40750kJ/kmolHB进=△H0fB（298）+CPB（T进－298）=0+15×（373－298）=1125kJ/kmol4.4.2带换热的反应过程的能量衡算4.4化学反应过程的能量衡算HA出=△H0fA（298）+CPA（T出－298）=40×1000+10×（573－298）=42750kJ/kmolHB出=△H0fB（298）+CPB（T出－298）=0×+15×（573－298）=4125kJ/kmolHC出=△H0fC（298）+CPC（T出－298）=-20×1000+5×（573－298）=-18625kJ/kmol4.4.2带换热的反应过程的能量衡算4.4化学反应过程的能量衡算△H=（∑niHi）出－（∑niHi）入

=（50×42750+100×4125+200×（－18625）+250×21100）－（100×40750+200×1125）=－200000kJ/h。反应器需移出热量200000kJ/h。HD出=△H0fD（298）+CPD（T出－298）=20×1000+4×（573－298）=21100kJ/kmol4.4.2带换热的反应过程的能量衡算4.4化学反应过程的能量衡算二、绝热反应器的能量衡算设备与外界无热交换(除进出物料带入带出Q外无其它热交换)，故Q=ΔH=0。4.4.2绝热反应过程的能量衡算4.4化学反应过程的能量衡算已知T进、进出物料（x）T出