化工过程开发和设计能量衡算专业知识讲座.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,化工过程开发与设计,本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。,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,6.5,6.1,能量衡算的基本概念,1,2,能量存在的形式,普遍化能量平衡方程式,3,4,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,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,）,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,）,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,）,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,）,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,U,1,U,2,物料量,m,1,=1,m,2,=1,动能,传给每千克流体的热量,Q,位能,E,P1,=gZ,1,E,P2,=gZ,2,泵输出流体的功,W,（环境向体系作功）,流动功,P,1,V,1,P,2,V,2,6.1.4,稳态下敞开流动体系的能量衡算,图,6.1,物料流动,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+EK1+EP1+P1V1,）,=Q+W,（,6-6,）,H+,EK+,EP=Q+W,（,6-7,）,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,）,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,）,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,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,）,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,）,6.2,热力学数据及计算,2,恒压摩尔热容,Cp,Cp=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,）,6.2,热力学数据及计算,3,潜热计算,Q=nHm,（,6-28,）,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,）,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,）,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。,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。,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,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,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,0.4 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,）,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,T 1=602 K=329,，,T 2=-1 019 K,图,6.3,例题,6.2,的题意图,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,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,）,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,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 kJ,mol,，,25,、,l01.3 kPa,下水的蒸发焓,vapHm*=44.01 kJ,mol,，求,H2O,（,g,）的,rHm,（298.15,K,）。,6.4,反应过程的能量衡算,解,H2,（,g,）,+O2,（,g,）,H2O,（,l,），,rHm,（298.15,K,）,=-285.8 kJ,mol,H2O,（,l,）,H2O,（,g,），,vap Hm*=44.01 kJ,mol,H2,（,g,）,+O2,（,g,）,H2O,（,g,）,rHm(H2O,，,g,，,298.15K)=Hm(H2O,，,l,，,298.15K)+vap Hm*=-285.8+44.04=-241.8 kJ,mol,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,（,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,）,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,C,6,H,6,（,l,）,C,6,H,5,NO,2,（,l,）,C,6,H,5,NH,2,（,l,）,HNO,3,（,l,）,H,2,O,（,l,）,Na,2,S,Na,2,S,2,O,3,NaOH,f,H,m,49.07,22.19,35.34,-173.3,-286.1,-1563.8(s),-439.96(aq),-1092.8(s),-1095.7(aq),-427.03(s),-469.94(aq),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,）,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,a,b,c,CO,26.587,7.583,10,-3,-1.12,10,-6,O,2,25.612,13.260,10,-3,-4.2079,10,-6,N,2,27.035,5.816,10,-3,-0.2889,10,-6,CO,2,26.541,42.456,10,-3,-14.2986,10,-6,6.4,反应过程的能量衡算,解,CO,（,g,）,O2,（,g,）,CO2,（,g,）,rHm=-283191.932kJ,H=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,CO,1 kmol,0 kmol,O,2,4.5,0.21=0.945,0.445,N,2,4.5,0.79=3.555,3.555,CO,2,0,1,6.4,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/100mol/h,，产物的出口温度为,265,。计算反应器中乙醇的转化率。,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,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,）能量衡算,（,3,）,乙醇的转化率,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,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,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,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,）运行模拟系统的其他功能,（,10,）输出最终结果。,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,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,CO,2,CO,H,2,CH,4,N,2,(CH,3,),2,O,Ar,CH,3,OH,H,2,O,异丁醇,组成,0.57,0.05,0.00,0.05,0.01,0.02,0.03,94.07,5.18,0.05,6.5,计算机辅助化工流程中的能量衡算,表,6-5,精馏塔压力（,bar,（,g,）,塔顶压力,塔底压力,预精馏塔,0.5,0.8,加压塔,5.6,6.0,常压塔,0.03,0.08,6.5,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,CO,2,0.57,0.57,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,CO,0.02,0.02,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,H,2,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,CH,4,0.05,0.05,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,N,2,0.01,0.01,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,(CH,3,),2,O,0.02,0.02,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,Ar,0.03,0.03,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,CH,3,OH,94.07,94.07,94.67,94.69,90.70,90.77,99.90,99.91,4.16,4.79,99.90,99.93,H,2,O,5.18,5.18,5.28,5.26,9.22,9.14,0.10,0.09,95.00,94.29,0.10,0.07,异丁醇,0.05,0.05,0.05,0.05,0.08,0.09,10ppm,0.00,0.84,0.92,10ppm,0.00,总流量,kg/h,13431,13431,13243,13240,7537,7537,15948,15939,727,727,12500,12500,温度,40.00,40.00,82.00,81.51,125.00,125.76,122.00,121.18,105.00,105.00,40.00,40.00,压力，,bar(g),4.00,4.00,0.80,0.80,6.00,6.00,5.60,5.60,8.00,8.00,0.03,0.03,6.5,计算机辅助化工流程中的能量衡算,表,6-7,三塔流程热量衡算结果 （,Gcal/h,）,塔顶冷凝器,塔釜再沸器,设计值,计算值,设计值,计算值,预精馏塔,0.88,0.88,1.24,1.29,加压塔,3.70,3.53,4.20,4.18,常压塔,4.11,3.97,3.70,3.53,Thank you,