第三章物料衡算和能量衡算(热量)知识讲解.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,*,第三章物料衡算和能量衡算(热量),一,.,封闭体系的能量衡算方程,封闭体系特点：,与环境只有能量交换，而无物质交换，如,间歇操作,过程，体系物质的,动能、位能、压力能无变化,，则：,U,=,Q,-,W,若体系与环境没有功的交换，即,W,=0,，则：,Q,=,U,二,.,流动体系的能量衡算方程,物料连续通过边界进出,能量输入速率,-,能量输出速率,=,能量积累速率,连续稳定流动过程的总能量衡算方程为：,W=W,f,+W,s,，,W,f,为流动功，,W,s,为轴功,；,三,.,热量衡算式及说明,热量衡算式,在反应器、蒸馏塔、蒸发器、换热器等化工设备中，,W,、,E,k,、,E,P,与,Q,、,U,和,H,的相比，可以忽略。,总能量衡算式为：,封闭体系,Q=U,敞开体系,Q=H,对这些设备做能量衡算的实质就是进行热量衡算。,连续稳定流动体系的热量衡算：,Q=,(n,i,H,i,),out,(n,j,H,j,),in,进出系统的物料往往不止一股，热量的交换也有多处，这时热量平衡方程式可写成：,Q=,H,2,H,1,或,Q=,U,2,U,1,Q,1,Q,2,Q,3,Q,4,Q,5,Q,6,Q,7,式中,Q,1,物料带入热；,Q,2,过程,放出的热,，包括,反应放热、冷凝放热、溶解放热,等等；,Q,3,从加热介质获得的热；,Q,4,物料带出热；,Q,5,冷却介质带出的热；,Q,6,过程,吸收的热,，包括,反应吸热、气化吸热、溶解吸热,等等；,Q,7,热损失。,实际计算时，还常使用下式：,Q,in,=,Q,out,例题：,两种组成不同的煤气在预热器中混合。并从,25,加热到,127,，以供燃烧炉使用。两种煤气的流量分别为,0.4kmol/s,和,0.1kmol/s,。预热器的热损失为,150kJ/s,。试计算预热器应提供的热量。,计算中煤气的焓取下列数值：,25,时，第一种煤气为,765kJ,kmol,；第二种煤气为,846kJ,kmol,。,127,时，混合煤气的焓值为,3640kJ,kmol,。,解：以,1s,为计算基准。根据公式：,四,.,热量的,计算方法,(1),等压,条件下,在,没有化学反应,和,聚集状态变化,时，物质温度从,T,l,变化到,T,2,时，过程放出或吸收的热按下式计算：,Q,也可以用,T,1,T,2,温度范围的平均摩尔热容计算出来，计算式为：,(2),通过计算,过程的焓变,求过程放出或吸收的热,根据,Q,H,，如果能求出过程的焓变，则,Q,可求得。,五,.,热量衡算的,基准和步骤,（,1,）基准：,包括两方面：,一是,数量,上，常用设备的小时进料量进行计算；,二是,焓没有绝对值,，所查的数据往往是来自不同基准态的，故必须指定。,基准态可以任意规定，不同物料可使用不同的基准，但对,同一种物料只能用一个基准。,热量衡算的步骤,建立单位时间为基准的,物料流程图或物料平衡表,。,选定,计算基准温度和计算相态,：可选,0(273K),、,25(298K),或其他温度作为基准温度。,在物料流程图上标明已知温度、压力、相态等条件，查出或计算,每个物料的焓值，标注在图上,。,列出,热量衡算式,，用数学方法求解。,当生产过程及物料组成较复杂时，可列出,热量衡算表,。,画出系统标有物流特性的流程简图,如进出系统的物料流量及组成未知，则首先应进行物料衡算,选取热量衡算的基准温度,计算物料的焓值,列出热量衡算表,列出热量衡算式并进行求解,六,.,热量衡算中使用的基本数据,1,、热容,2,、焓,3,、汽化热,4,、反应热,1.,热容,(1),热容与温度,的关系,热容,是,给定条件下，系统每升高,1K,所吸收的热,。随温度而变。根据过程不同，用分为,等压热容,和,等容热容,。,描述定压热容,C,p,与温度之间的关系一般有,三种,方法：,第一种,是在图上描绘出,C,p,T,关系曲线；,第二种,方法是把不同温度下的,C,p,列成表；,第三种,方法是用函数式表达,C,p,T,关系。,液体,常用的,C,p,T,关系有如下的函数形式,:,C,p,a,bT,C,p,a,bT,cT,2,dT,3,气体,常用的热容与温度的函数关系式：,C,p,a,bT,C,p,a,bT,cT,2,C,p,a,bT,cT,2,dT,3,C,p,a,bT,cT,-2,(2),平均热容,在工程计算中，常使用物质的平均定压摩尔热容 ，使用 数据可以计算出,Q,的值而,不必进行积分计算,，,但准确度比积分差,。,例题：,已知常压下气体甲烷,0,t,的平均定压摩尔热容数据如下：,试求常压下甲烷在,200,到,800,温度范围的平均定压摩尔热容，并计算,15kmol,甲烷在常压下从,800,降温到,200,所放出的热量。,解：假设如下热力学途径：,从 表中查得，,代入（,E,）式得：,因此,那么，,15kmol,甲烷在常压下从,800,降温到,200,所放出的热量为：,(3),热容与压力,的关系,压力仅仅对,真实气体热容的影响比较明显,。,各种真实气体在温度,T,和压力,p,时的热容,C,p,，与同样温度条件下的理想气体热容之差 ，是和,对比压力,p,r,和对比温度,T,r,有关,的，也就是数值符合对应状态原理。,(4),混合物的热容,a,理想气体混合物,因为理想气体分子间没有作用力，所以,混合物热容按分子组成加和的规律来,计算，用下式表示：,混合气体中,i,组分的理想气体定压摩尔热容,混合气体的理想气体定压摩尔热容,i,组分的摩尔分数,b,真实气体混合物,求真实气体混合物热容时：,先求该混合气体,在同样温度下处于理想气体时的热容,，,再根据混合气体的,假临界压力 和假临界温度,，求得混合气体的,对比压力和对比温度,，,在图上查出,最后求得,C,p,。,c,液体混合物,一般工程计算常用,加和法,来估算混合液体的热容。,估算用的公式与理想气体混合物热容的加和公式相同，即按,组成加和,。,(5),热容的单位,热容的单位有两类：,一类是每,lmol,或每,1kmol,物质温度升高,l,所需要的热量，称为,摩尔热容,，单位是,kJ,(molK),，,kJ,(kmolK),等。,另一类是每,1kg,或每,1g,物质温度升高,l,所需要的热量，通常称为,比热容,，其单位是,kJ,(kgK),、,kJ,(gK),等。,2,焓,(1),焓的数据的获取,a,理想气体焓表,不同温度下理想气体与,25,理想气体焓的差值用 表示，常用物质的 大都被计算出来，这些数据可以查“,常用物质标准焓差数据表,”。,在使用时把两个不同温度,T,l,和,T,2,下 的相减，所得差值是此物质在,T,l,和,T,2,的理想气体状态的焓差，,并不需要也不可能知道绝对数值,。,b,某些理想气体焓的多项式,c,热力学图表,如焓温图、压焓图、焓浓图等，在热衡算中，课使用这些热力学图表查出不同温度、不同压力条件下气体或液体的焓值。,d,饱和蒸汽物性参数表,从饱和蒸汽物性参数表中，可以查到不同温度的饱和蒸汽焓值；,使用时只需,注意焓值的基准态,就可以了。,(2),普遍化焓差图,普遍焓差图是根据,对应状态原理,得到的。可,适用于任何气体,。,只要知道了该物质的,T,c,、,p,c,，就可以求出各温度、压力下的对比压力,p,r,和对比温度,T,r,，从纵坐标可读出,(H,o,H),T,c,的值，然后,(H,o,H),便可计算出来。,当理想气体的焓,H,o,计算出来后，根据,H,H,o,(H,o,H),的关系就可以求出真实气体的焓,H,。,3,汽化热,液体汽化所吸收的热量,称为汽化热，也称为蒸发潜热,。,汽化热是物质的基本物性数据之一。,在一些手册上常能查到各种物质在,正常沸点,(,即常压下的沸点,),的汽化热,有时也能找到一些物质在,25,的汽化热。,由已知的某一温度的汽化热求另一温度的汽化热,方法,1,在工程计算中可用,Wston,公式：,此,公式比较简单而又相当准确，在离临界温度,10,以外，平均误差仅为,1.8,，因此被广泛采用,。,方法,2,也可根据,状态函数增量不随途径而变,的特性，可假设如下热力学途径：,H,1,H,3,H,2,H,4,当,查不到汽化热,的数据，但已知该物质的,蒸气压,数据时，工程上可用,克,克方,程式,(C1ausiusClapeyron,方程,),估算了,T,1,T,2,温度范围内的气化热：,4,反应热,在很多情况下是,查不到反应热数据,的,可通过物质的,标准生成热数据和燃烧热数据,来计算反应热,因为标准生成热和燃烧热数据可在一般手册上查到,特别是对,有机反应,，使用燃烧热求算反应热是一个普遍使用的方法。,用下面的公式从,标准生成热求算反应热,：,用下面的公式从,标准燃烧热求算反应热,：,在化工生产中，反应温度常常不是,25,，此时可以利用焓变只与始态、终态有关而与途径无关的特性,假设便利的热力学途径，从,25,的反应热求算其他温度的反应热。,例题：,0.182MPa(1.8atm),压力下液氨的饱和温度为,22,，在,0.182MPa,，,22,下把,1kg,的液氨气化，并使气氨在加热器中进一步过热成为,120,的过热氨蒸气，求这一过程吸收的热量。,解：,因为,Q,H,，所以只要求出过程总焓变,H,的值，就,等于,求得过程吸收的热量,Q,。,七,.,物理过程的热衡算,解法：利用氨的汽化热数据和气体热容数据,(2,),H,2,从手册查得低压下气体氨的热容与温度关系的多项式如下：,式中热容的单位是,cal,(molK),平均温度：,（,3,）过程总焓变,H,Q=H,H,1,H,2,1338,305.8=1643.8kJ,kg,例题：,83,的混合气体的流量和组成如下,:,此股气体分成两路，主线气体经换热器加热到,140,，副线气体不加热。在换热器出口处，被加热到,140,的主线气体与副线气体汇合，成为,112,的气体。求主、副线气体的流量。,解：热衡算基准取,0,气体。,表中热容的单位是,kJ,(kgK),。,0,的混合气定压热容为：,C,p,0.90611.609,0.0320.9828,0.0161.146,0.0311.038,0.0151.841,1.568kJ,(kgK),83,的混合气定压热容为：,C,p,0.90611.835,0.0321.195,0.0161.384,0.0311.05,0.0151.883,1.78kJ,(kgK),112,的混合气定压热容为：,C,p,0.90611.899,0.0321.264,0.0161.461,0.0311.050,0.0151.904,1.845kJ,(kgK),140,的混合气定压热容为：,C,p,0.90611.931,0.0321.329,0.0161.533,0.0311.067,0.0151.925,1.863kJ,(kgK),设主线气体的质量流量为,1,kg,h,，汇合前，主线气体的温度为,140,，热量为,Q,1,，,汇合前，副线气体温度为,83,，热量为,Q,2,，,汇合后气体温度为,112,，热量为,Q,3,，,240.2,1,823519,139.1,1,1131478,解得：,1,3046kg,h,八,.,以反应热效应为基础进行热量衡算,在进行伴有化学反应过程的热衡算时，,反应热是一个很关键的数据,，则应该根据能够得到的反应热数据来假设热力学途径。,一般来说，有两种情况：,己知,25,的反应热数据和,已知反应温度下,的反应热数据。,H,H,1,H,2,H,3,式中：,H,2,25,的反应热数据,许多反应都不是在,25,时进行的，而反应后的物料也常常包含产物和未反应的物料及惰性物料，需要分别考虑并计算，避免遗漏，,一般可以按下面的方法进行计算：,（,1,）对参与反应的物料（含产物），,先按上述热力学途径计算出反应温度下的反应热数据（按,1mol,某反应物或产物计算），再折算出实际参加反应的物料的反应热（焓）。,（,2,）对未参与反应的物料及惰性物料的焓变,，根据进、出口温度，按物理过程进行计算。,（,3,）过程的总焓变是上述焓变之和,。,例题：,乙烯氧化制环氧乙烷的反应器中进行如下反应：,主反应,C,2,H,4(,g),0.5O,2,(g)C,2,H,4,O(g),副反应,C,2,H,4,(g),3O,2,(g)2CO,2,(g),2H,2,O(g),反应温度基本上维持在,250,，该温度下主、副反应的反应热分别为：,乙烯的单程转化率为,32,，反应的选择性为,69,，反应器进口混合气的温度为,210,，流量,45000m,3,(STP),h,，其组成如下：,热损失按反应放出热量的,5,考虑，求热载体移出的热量。,解：查得有关气体的热容数据如下：,假设如下热力学途径：,由 ,H,Q,1,Q,2,热损失按,5,考虑，所以：,Q,2,0.05(H),0.05(,8.32410,6,),4.16210,5,kJ,h,由热载体移出的热量为：,Q,1,H,Q,2,8.32410,6,(,4.16210,5,),7.90810,6,kJ,h,九,.,以组分标准生成热为基础进行热量衡算,组分,i,的标准生成热，,kJ/mol,相变热，,kJ/mol,作业,此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢,