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內容：能量衡算的理論依據能量衡算的基本形式幾個與能量衡算有關(yǒuguān)的重要物理量能量衡算的基本方法無化學反應過程的能量衡算化學反應過程的能量衡算

精品資料第一節概述(ɡàishù)一、能量衡算的意義選擇最佳操作條件，制定既經濟又合理的能量消耗方案。二、能量衡算的理論依據熱力學第一定律：能量既不能產生，也不能消滅三、能量衡算的應用主要應用在兩種類型(lèixíng)的問題上：一類是對使用中的裝置或設備；另一類是在設計新裝置或設備時。能量衡算的基礎是物料衡算。只有在進行物料衡算后才能做出能量衡算。精品資料第二節能量(néngliàng)的基本形式能量衡算和物料衡算類似(lèisì)，要用到守恒的概念，即要計算進入和離開特定體系的能量值，因此必須分清不同形式的能量形式及表示的方法。由于能量存在有多種形式，因此能量衡算要比物料衡算復雜。一、位能（Ep）位能又稱勢能，是物體由于在高度上的位移而具有的能量。其值的大小與物體所在的力場有關，物體在重力場中所具有的位能可用下式表示：精品資料第二節能量(néngliàng)的基本形式分析：位能(wèinéng)的大小和基準面有關，因此物體距基準面的高度差決定了位能(wèinéng)的大小，當物體處于基準面上時其位能(wèinéng)為零。由于多數化工生產過程基本上是在地表或接近地表的高度進行的，位能(wèinéng)對整個能量衡算的影響一般不大，除在計算物料的輸送功率時物料的位能(wèinéng)變化是不可忽略的外，在能量衡算中位能(wèinéng)皆可忽略。精品資料第二節能量(néngliàng)的基本形式二、動能（Ek）由于物體運動所具有的能量(néngliàng)，稱為動能，其值表示為：

物體的動能與物體運動速度的平方成正比，因此物體的運動速度對動能的影響較大，但在化工生產過程中物料的流動速度一般都不大，與其他能量相比較可以忽略，只有當物料經過噴嘴或銳孔形成高速的噴射流時，在能量衡算中動能的影響才比較明顯其值不可以忽略。

精品資料第二節能量(néngliàng)的基本形式三、內能（U）內能表示除了宏觀的動能和位能外物質(wùzhì)所具有的能量，其大小與分子運動有關。對于純組分物質(wùzhì)，內能可表示成與溫度和摩爾體積間的函數關系：我們只能計算內能的差，或計算相對于某個參考態的內能，而無法計算內能的絕對值。精品資料第三節幾個與能量(néngliàng)衡算有關的重要物理量一、熱量（Q）當溫度不同的兩物體進行接觸時，能量總是從熱（溫度高）的物體向冷（溫度低）的物體流動，這種由于溫度差而引起傳遞(chuándì)的能量稱為熱量。環境對系統加的熱為正，從系統中取出的熱為負。熱量的單位為焦耳（J）注意兩點:第一，熱量是一種能量的形式，是傳遞(chuándì)過程中的能量形式；第二，一定要有溫度差或溫度梯率，才會有熱量的傳遞(chuándì)。精品資料第三節幾個與能量(néngliàng)衡算有關的重要物理量二、功（W）功是能量傳遞的一種(yīzhǒnɡ)形式。

說明：環境對系統作功取為正值，系統對環境作功取為負值。熱量的單位為焦耳（J）

在化工生產過程中常見的有體積功、流動功及旋軸功的機械功等。

功只是指被傳遞的熱量，從熱力學第二定律可知，功可以無條件地全部轉化為熱量。精品資料第三節幾個與能量(néngliàng)衡算有關的重要物理量三、焓（H）

焓與內能一樣，都是熱力學函數中的狀態函數，是物質的一種容量性質，與溫度壓力有關。這種狀態函數與過程(guòchéng)的途徑無關，只與所處的狀態有關。通常以物質的一定狀態作為焓的基準態，某一狀態下物質的焓等于該狀態和焓基準態的焓差精品資料焓隨溫度、壓力(yālì)的變化關系？恒溫(héngwēn)下兩邊同除以dp積分精品資料焓方程(fāngchéng)精品資料第四節能量衡算的基本(jīběn)方法一、能量衡算方程1.能量衡算方程式的一般形式根據熱力學第一定律，能量衡算方程式可寫為：2.對不同(bùtónɡ)的體系能量衡算式又有不同(bùtónɡ)的簡化形式：⑴封閉體系

精品資料⑵連續穩態流動過程(guòchéng)的總能量衡算連續穩態流動：1.是指流體流動途徑中所有各點的狀況都不隨時間而變化，系統中沒有物料量的積累2.垂直于流向(liúxiànɡ)的各個截面處的質量流率相等。精品資料一些常見的屬于穩流體系(tǐxì)的裝置噴嘴(pēnzuǐ)擴壓管節流閥透平機壓縮機混合裝置換熱裝置二、能量衡算方程的應用精品資料噴嘴(pēnzuǐ)與擴壓管噴嘴與擴壓管的結構特點是進出口截面積變化很大。流體通過時，使壓力沿著流動方向降低，而使流速(liúsù)加快的部件稱為噴嘴。反之，使流體流速(liúsù)減緩，壓力升高的部件稱為擴壓管。噴嘴擴壓管精品資料噴嘴(pēnzuǐ)與擴壓管是否(shìfǒu)存在軸功?否是否和環境交換熱量?通?？梢院雎晕荒苁欠褡兓?否精品資料透平機和壓縮機透平機是借助流體的減壓和降溫(jiàngwēn)過程來產出功壓縮機可以提高流體(liútǐ)的壓力，但是要消耗功精品資料透平機和壓縮機是否(shìfǒu)存在軸功?是!是否和環境(huánjìng)交換熱量?通常可以忽略位能是否變化?不變化或者可以忽略動能是否變化？通常可以忽略精品資料節流閥是否(shìfǒu)存在軸功?否是否和環境(huánjìng)交換熱量?通?？梢院雎晕荒苁欠褡兓?否動能是否變化?通?？梢院雎跃焚Y料第四節能量(néngliàng)衡算的基本方法三．熱量衡算的基本方法及步驟

熱量衡算的基本步驟有a.畫物料流程圖b.選擇基準c.數學方法(shùxuéfānɡfǎ)求解d.列表并校核

精品資料第四節能量衡算的基本(jīběn)方法例5-1：兩股不同溫度的水用作鍋爐進水，它們的流量及溫度分別是A：120kg·min-1，30℃；B：175kg·min-1，65℃，鍋爐壓力為17×103kPa（絕壓）。出口蒸汽通過內徑為60mm的管子離開鍋爐。如產生的蒸汽是鍋爐壓力下的飽和蒸汽，計算(jìsuàn)每分鐘要供應鍋爐多少千焦的熱量，忽略進口的動能。解：①作水的物料衡算可知產生的蒸汽流量為120+175=295kg·min-1。②確定各流股的比焓由水蒸氣表查得30℃、65℃液態水及17×103kPa時的飽和水蒸氣的焓。查得的數據已填入流程圖中。精品資料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飽和(bǎohé)水蒸氣(204℃)③寫出能量衡算方程并求解(qiújiě)

對體系來說由于沒有運動的部件，W=0；由于高度差較小，所以精品資料第四節能量衡算的基本(jīběn)方法=7.61×105kJ·min-1=1.27×104kJ·s-1由水蒸氣表查得17atm飽和蒸氣比容為0.1166m3·kg-1，內徑(nèijìnɡ)0.06m管子的截面積為蒸汽流速為精品資料第四節能量(néngliàng)衡算的基本方法由于進水的動能可以(kěyǐ)忽略,則

可見動能的變化約占過程所需總熱量的0.4%，對于帶有相變、化學反應或較大溫度變化的過程，動能和位能的變化相對于焓變來說，常常是可忽略的（至少在作估算時可以這樣）。精品資料第五節無化學反應過程(guòchéng)的能量衡算無化學反應過程的能量衡算，一般應用于計算指定條件下進出過程物料的焓差，用來確定過程的熱量，進而(jìnér)計算出冷卻或加熱介質的用量或溫差，各物料的焓可以從手冊中查到時，直接采用式進行計算比較簡單。精品資料第五節無化學反應(huàxuéfǎnyìng)過程的能量衡算例5-2：某鍋爐每分鐘產生(chǎnshēng)800kPa的飽和水蒸氣，現有兩股不同溫度的水作為鍋爐進水，其中20℃的水為80kg·min-1，60℃的水為50kg·min-1。試求鍋爐每分鐘的供熱量。解：根據題意畫出流程示意圖20℃、80kg?min-1800kPa水蒸氣，130kg·min-1

60℃、50kg·min-1精品資料第五節無化學反應過程(guòchéng)的能量衡算因為焓是一個狀態函數，其變化值與過程無關，所以(suǒyǐ)為了計算一個實際過程的焓變，由始態到終態可以用假想的幾個階段來代替原過程，而假想的各個階段的焓變應該是可以計算的，所需的數據也是可得到的。根據題意可知鍋爐每分鐘產生130kg的水蒸氣，由飽和水蒸氣表知當壓力為800kPa時，其溫度為170.4℃，比焓為2773kJ·kg-1。20℃的水比焓為83.74kJ·kg-1，60℃的水比焓為251.21kJ·kg-1，代入式Q=H2－H1，可求每分鐘需供熱量：Q=130×2773－（80×83.74+50×251.21）=360490－19260=341230kJ·min-1精品資料第五節無化學反應過程(guòchéng)的能量衡算一、無相變的變溫變壓過程的熱量衡算化工過程中無相變、無化學反應過程的熱量衡算主要是指物料溫度變化所需加入或取出的熱量的計算(jìsuàn)，化工生產中常見的加熱或冷卻過程就屬于這種情況。1．利用熱容計算(jìsuàn)ΔU或ΔH⑴恒壓過程Qp或ΔH的計算

⑵恒容過程QV或ΔU的計算精品資料第五節無化學反應(huàxuéfǎnyìng)過程的能量衡算⑶壓力對焓的影響壓力變化對U、H的影響，對于(duìyú)理想氣體和真實氣體是不同的。對理想氣體，U是溫度的函數，與壓力無關；對固體或液體，在恒溫變化時，ΔU≈0，ΔΗ=ΔU+Δ（PV）≈VΔP。對于(duìyú)真實氣體，在低壓高溫情況，接近理想氣體，可忽略壓力對焓的影響，其它情況下，可根據氣體的焓校正圖加以校正。精品資料第五節無化學反應(huàxuéfǎnyìng)過程的能量衡算2．單相體系的能量衡算例5-3：有一裂解氣的油吸收裝置，熱的貧油和冷的富油在換熱器中換熱，富油流量為12000kg·h-1，入口溫度為30℃；貧油流量為10000kg·h-1，入口溫度為150℃，出口溫度為65℃。求富油的出口溫度。已知在相應的溫度范圍內，貧油平均(píngjūn)熱容為2.240kJ·kg-1·K-1；富油為2.093kJ·kg-1·K-1。若換熱器熱損失可忽略不計。解：根據題意畫出流程示意圖

富油30℃F3=12000kg·h-1

F1=10000kg·h-1

貧油150℃

65℃

換熱器

F2=10000kg·h-1

F4=12000kg·h-1T4=？精品資料第五節無化學反應(huàxuéfǎnyìng)過程的能量衡算基準：1h、30℃

因無熱量損失，故貧油與富油帶入系統的焓與貧油與富油離開(líkāi)系統時的焓相等，即熱量衡算式為式中ΔH1,ΔH3—分別為貧油和富油進入換熱器時和基準態比較所具有的焓變，kJ·h-1

ΔH2,ΔH4—分別為貧油和富油離開換熱器時和基準態比較所具有的焓變，kJ·h-1

由已知，有焓變計算式，代入數據得：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）精品資料第五節無化學反應過程(guòchéng)的能量衡算精品資料第五節無化學反應(huàxuéfǎnyìng)過程的能量衡算二、相變過程的熱量衡算氣化和冷凝、熔化和凝固、升華和凝華這類相變過程往往伴有顯著的內能和相態變化，這種變化常成為過程熱量衡算的主體，不容忽略。相變過程的熱量變化體現在物系的相態發生變化而非溫度的變化，進行熱量衡算時需要利用相變熱的數據。1．相變熱在恒定壓力和溫度下，1mol的物質(wùzhì)發生相態變化時的焓變稱為該物質(wùzhì)的相變熱。由于相變熱隨相變溫度的變化會有顯著的差異，如果實際過程與所查數據的條件不符合，可設計一個計算途徑來計算。精品資料第五節無化學反應過程(guòchéng)的能量衡算例5-4：每小時100mol液體正已烷，在25℃、709.1kPa下恒壓氣化(qìhuà)并加熱至300℃。忽略壓力對焓的影響，計算每小時的供熱量。解：根據題意，W=ΔEK=ΔEP=0，

所以能量衡算式變為：

Q=ΔH

因此算出ΔH便為所求的加熱量。精品資料第五節無化學反應過程(guòchéng)的能量衡算從手冊中查得101.3kPa正已烷的沸點為342K，ΔH汽化＝28.87kJ·mol-1，而正已烷在709.1kPa時的沸點為419K，但由于無法查到419K時的氣化熱數據，因此設計如圖5-13所示的途徑，使正已烷在342K由液體氣化為蒸氣，而不是在實際(shíjì)溫度419K下汽化。正已烷（液）298K709.1kPa正已烷（氣）573K709.1kPa正已烷（氣）342K101.3kPa正已烷（液）342K101.3kPa正已烷（液）419K709.1kPa正已烷（氣）419K709.1kPa正已烷（氣）298K20kPaΔHm,1ΔHm,2ΔHm,3ΔHm,4ΔHm,5ΔHm,6ΔHm,7ΔHm,8精品資料第五節無化學反應(huàxuéfǎnyìng)過程的能量衡算上圖表示從298K液態正已烷汽化(qìhuà)并加熱為573K正已烷蒸氣的幾條可能的途徑。如果已知419K的ΔHv，ΔH可由ΔHm,1＋ΔHm,4＋ΔHm,5＋ΔHm,6計算，如果已知298K的ΔHv，ΔH可由ΔHm,7＋ΔHm,8計算，由于只有342K時的ΔHv，ΔH應由ΔHm,1＋ΔHm,2＋ΔHm,3計算。

查液體正已烷的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精品資料第五節無化學反應(huàxuéfǎnyìng)過程的能量衡算氣體(qìtǐ)正已烷：kJ·kmol-1·K-1

kJ·mol-1

所以每小時的加熱量為8545kJ。kJ·h-1精品資料第五節無化學反應過程(guòchéng)的能量衡算例5-11：濃度為0.50（摩爾分數，下同）的苯、甲苯混合液，溫度為10℃，連續送入氣化室內(shìnèi)，在氣化室內(shìnèi)混合物被加熱至50℃，壓力為34.8mmHg。液相中苯的濃度為0.4，氣相中苯的濃度為0.684，問1kmol進料要多少熱量？解：根據題意畫出流程示意圖氣化室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．相變過程的能量衡算精品資料第五節無化學反應過程(guòchéng)的能量衡算由物料(wùliào)衡算求V和L：基準283K1kmol，液相由手冊可查得：

Cp（甲苯、液）=157kJ·kmol-1·K-1(273~323K)Cp（苯、液）=165kJ·kmol-1·K-1(273~373K)Cp（苯、氣）=－36.21+48.46×10-2T－31.56×10-5T2(kJ·kmol-1·K-1)Cp（甲苯、氣）=－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精品資料第五節無化學反應(huàxuéfǎnyìng)過程的能量衡算(1)苯(液)50℃(2)苯(氣)50℃苯(液,10℃)—苯（液，80.26℃）—苯（氣，80.26℃）—苯（氣，50℃）(3)甲苯(jiǎběn)(液)50℃ΔH2=Cp（甲苯(jiǎběn)、液）（50－10）=157（50－10）=6280kJ·kmol-1(4)甲苯（氣）50℃甲苯(液,10℃)—甲苯（液，110.8℃）—甲苯（氣，110.8℃）—甲苯（氣，50℃）精品資料第五節無化學反應(huàxuéfǎnyìng)過程的能量衡算將計算(jìsuàn)填入進出口焓表物質n進/kmolHm,進,/(kJ·kmol-1)n出/kmolHm,出/(kJ·kmol-1)苯(液)0.500.2595338甲苯(液)0.500.3896280苯(氣)－－0.24137600甲苯(氣)－－0.11142780總能量衡算Q=ΔH=Σn出Hm,出-Σn進Hm,進=(0.259×5338)+(0.389×6280)+(0.241×37600)+(0.111×42780)－0=17630kJ·kmol-1精品資料第五節無化學反應(huàxuéfǎnyìng)過程的能量衡算三．溶解熱和混合(hùnhé)熱1概念

溶解熱是指1mol溶質（氣體或固體）于恒溫、恒壓下溶于nmol溶劑中，形成溶液時引起的焓的變化，稱該濃度下溶液的積分溶解熱，記作ΔHs(T,n)。隨著n的增大即溶液的濃度無限稀釋，ΔHs趨于一極限值，稱為無限稀釋積分溶解熱ΔHs(T,∞)?；旌蠠崤c溶解熱有相同的含意，只不過混合熱是指兩種液體混合過程的焓變。精品資料第五節無化學反應(huàxuéfǎnyìng)過程的能量衡算2．溶解與混合過程的能量衡算當配制、濃縮或稀釋一種溶液，要作熱量衡算，可知能量變化情況(qíngkuàng)?；鶞剩喝绻芙馀c混合過程物料中有純溶質，宜選用25℃（或已知的其它溫度）溶質和溶劑作為計算焓的基準；如果進出口物料是稀溶液，則選無限稀釋的溶液和純溶劑為基準比較好。精品資料第五節無化學反應(huàxuéfǎnyìng)過程的能量衡算例5-12：鹽酸由氣態HCl用水吸收而制得，如果用25℃的H2O吸收100℃的HCl氣體(qìtǐ)，每小時生產40℃、25%（質量分數）HCl水溶液2000kg，計算吸收設備應加入或移出多少熱量？解：先作物料衡算，計算HCl（氣體(qìtǐ)）和H2O（液體）的流率?；鶞剩?000kg25%（質量分數）HCl水溶液精品資料第五節無化學反應(huàxuéfǎnyìng)過程的能量衡算根據題意(tíyì)畫流程示意圖能量衡算基準：由于25℃HCl的ΔHs已知，又過程中有純HCl（氣），所以選25℃、HCl(氣)、H2O(液)為基準。設HCl帶入的焓為，其過程表示為查出HCl的平均熱容ΔHm,1=29.17×（100－25）×10－3＝2.188kJ·mol-1精品資料第五節無化學反應過程(guòchéng)的能量衡算溶解過程(guòchéng)的焓變為ΔHs，其過程(guòchéng)表示為設HCl水溶液帶出的熱量為，其過程表示為：由手冊查得25%（質量）鹽酸的熱容為0.4185kJ·mol-1吸收裝置每小時需移出8.375×105kJ熱量。精品資料第六節化學反應(huàxuéfǎnyìng)過程的熱量衡算化學反應通常伴隨較大的熱效應——吸收熱量或放出熱量，稱為反應熱。是由于反應物質(wùzhì)分子結構的改變使分子內部質點間的相互作用發生變化，因而常伴隨著吸熱或放熱現象。為了使化學反應在適宜的溫度下進行以達到適當的轉化率或使目的產物達到盡可能高的收率，就要向反應系統提供或移出一定的熱量。有關反應熱的定義及標準反應熱的定義和計算方法，在第二章化工基礎數據有關章節中已作較詳細的介紹，在此不再敘述，直接將反應熱結合到能量衡算中去。精品資料第六節化學反應(huàxuéfǎnyìng)過程的熱量衡算一、化學反應過程的能量衡算基準對于化學反應過程，同反應系統中物料的焓變相比，其位能、動能(dòngnéng)的變化皆可忽略，系統與環境間一般也無功的傳遞。這樣，反應系統的能量衡算就簡化為熱量衡算即焓衡算。1．基準一：298K、101.3kPa各反應物及產物狀態精品資料第六節化學反應(huàxuéfǎnyìng)過程的熱量衡算此基準適合已知標準反應熱，且化學反應式單一。對非反應物質可另選適當的溫度為基準（如反應器的進、出口溫度，或熱容表的參考溫度）。此時(cǐshí)反應過程的焓差用下式計算：精品資料第六節化學反應(huàxuéfǎnyìng)過程的熱量衡算例5-13：氨氧化(yǎnghuà)反應器的熱量衡算，在25℃、101.3kPa下氨氧化(yǎnghuà)反應的標準反應熱為，其氨氧化(yǎnghuà)反應式為：4NH3（氣）+5O2（氣）→4NO（氣）+6H2O（氣）現將每小時200molNH3和400molO2在25℃下連續送入反應器，氨在反應器內全部反應，產物于300℃呈氣態離開反應器。如操作壓力為101.3kPa，計算反應器所需要輸入或輸出的熱量。解：由物料衡算得到的各組分流率示于流程圖中NH3200mol?h-1O2400mol?h-1

25℃

NO200mol?h-1H2O300mol?h-1O2150mol?h-1300℃精品資料第六節化學反應(huàxuéfǎnyìng)過程的熱量衡算①輸入(shūrù)物料的焓因進口的兩股物料的溫度均為298K，故焓均為零。②輸出物料的焓查表300℃時：O2：

H2O：NO：計算：

基準：題給的進料量，25℃，101.3kPa，物料均為氣態精品資料第六節化學反應過程(guòchéng)的熱量衡算③已知氨的消耗量為200mol?h-1④此過程(guòchéng)的焓

即為了維持產物溫度為300℃，每小時需從反應器移走39310kJ熱量。精品資料第六節化學反應(huàxuéfǎnyìng)過程的熱量衡算當一個過程的反應為復雜反應體系時，有時會難以寫出發生在體系中的各個化學反應式，即使能寫出反應式，有時也難以確定一種原料(yuánliào)參加不同反應的量的比例，即各反應的選擇性不確定，這時利用第一種基準進行化學反應過程的能量衡算就顯得力不從心。例如石油的催化裂解，反應如此之多，以致無法判別出每個單獨的反應，更談不上各反應間的比例關系，標準反應熱也無法知道，這時可用下列基準二求解。精品資料第六節化學反應過程(guòchéng)的熱量衡算此時(cǐshí)反應過程的總焓變用下式計算。

各組分的摩爾焓等于各組分在操作溫度和壓力下的生成焓，即反應物或產物的摩爾焓是各物質25℃的生成熱與物質由25℃變到它進口狀態或出口狀態所需顯熱和潛熱之和，可以分為單質和化合物兩種情況來討論。例，現假定某物質處在T溫度下，用第二種基準計算時，其焓如何計算？①該物質為化合物或2.基準二：25℃，101.3kPa組成反應物及產物各穩定態的單質為基準，非反應分子以任意適當的溫度為基準精品資料第六節化學反應(huàxuéfǎnyìng)過程的熱量衡算②該物質為穩定(wěndìng)態的單質或所以第二種基準中的物質，是組成反應物和產物的、以自然形態存在的原子。精品資料第六節化學反應(huàxuéfǎnyìng)過程的熱量衡算二．典型反應器的熱量衡算⑴絕熱式反應器這類反應器除了熱量的自然損失外沒有專門的換熱設施，或者由于(yóuyú)反應速度很快而無法及時換熱，反應過程的熱效應將導致反應物料溫度的上升或下降，反應熱效應越大，溫度上升或下降的效果越明顯，所以這類反應器只適合于反應熱效應不大，單程轉化率不高的場合。⑵換熱式反應器這類反應過程借助與外界換熱，使反應維持在合適的溫度條件。在連續穩定的操作條件下，通過能量衡算，算出與外界交換的熱量，為換熱設備的設計提供依據。如果反應是吸熱的，就要有蒸汽管道、載熱體、鍋爐或加熱爐；相反的，如果反應是放熱的，就要有移熱裝置，如換熱器、冷凝器等。對這種反應器主要是計算反應過程的總焓差，總焓差即是所需的換熱量。精品資料第六節化學反應(huàxuéfǎnyìng)過程的熱量衡算例5-15：甲烷和水蒸汽在反應(fǎnyìng)器中反應(fǎnyìng)，生成H2、CO和CO2。物料衡算結果列于下表中。設進料和出料均為500℃。求為保持反應(fǎnyìng)器恒溫所需的加熱量。組分進料/（kmol?h-1）出料/（kmol?h-1）CH4H2O(氣)COCO2H21.002.500000.251.500.50.252.50共計3.505.001.換熱式反應器的熱量衡算精品資料第六節化學反應(huàxuéfǎnyìng)過程的熱量衡算解：分析反應過程，反應過程為復雜反應，所以選擇第二種基準(jīzhǔn)進行能量衡算。基準(jīzhǔn)：計算時間基準(jīzhǔn)為1h，溫度基準(jīzhǔn)25℃各元素穩定單質。由已知物料流量表，畫出流程示意圖CH40.25kmol?h-1H2O1.50kmol?h-1CO0.5kmol?h-1CO20.25kmol?h-1

H22.50kmol?h-1500℃CH41kmol?h-1H2O2.50kmol?h-1500℃精品資料第六節化學反應(huàxuéfǎnyìng)過程的熱量衡算本題(běntí)中由于進出口溫度相同，即同一種物質的Hi輸出=Hi輸入，則上式可化成：計算各組分在500℃的焓值CH4：查

H2O：查

精品資料第六節化學反應過程(guòchéng)的熱量衡算CO：查

CO2：查

H2：查總焓變應為精品資料第六節化學反應過程(guòchéng)的熱量衡算2.絕熱式反應器的熱量衡算絕熱反應器與外界沒有(méiyǒu)熱量交換，此時

按第一種基準計算時，下式成立

按第二種基準計算時，下式成立精品資料第六節化學反應(huàxuéfǎnyìng)過程的熱量衡算由絕熱反應器的特征，在化學反應過程中與外界無熱量交換，無論采用哪一種基準，絕熱反應過程進出物料的總焓是相等的，但它們的溫度是不同的。當化學反應是吸熱反應時，即,出料溫度低于進料溫度，即出料溫度下降；當化學反應是放熱反應時，即

出料溫度高于進料溫度，即出料溫度上升。對絕熱反應過程的熱量衡算，通常是根據(gēnjù)反應熱計算物料的出口溫度。精品資料第六節化學反應過程(guòchéng)的熱量衡算例5-16：在絕熱反應器中發生(fāshēng)乙醇脫氫生成乙醛的化學反應，反應式如下：C2H5OH(g)→CH3CHO(g)+H2(g)已知標準反應熱為：，乙醇蒸氣于300℃進入反應器，轉化率為30%，在該操作溫度范圍內各物質的平均摩爾熱容值為：C2H5OH(g)：CH3CHO(g)：H2(g)：求反應器出口產物的溫度。精品資料第六節化學反應(huàxuéfǎnyìng)過程的熱量衡算解：由題意進行(jìnxíng)簡單的物料衡算后將得到的結果示于流程示意圖反應器100molC2H5OH(g)300℃70molC2H5OH(g)30molCH3CHO(g)30molH2(g)T=？℃基準:物料基準100mol乙醇進料溫度基準第一種基準25℃，C2H5OH(g)，CH3CHO(g)，H2(g)由第一種基準，能量衡算式為：25℃反應的焓：精品資料第六節化學反應(huàxuéfǎnyìng)過程的熱量衡算計算(jìsuàn)各物質焓值各物質焓值的計算采用以下公式：C2H5OHCH3CHOH2

根據式（5-38）代入數據得：解得：T=111.9℃精品資料第七節穩態流動(liúdòng)過程物能聯合衡算我們分別討論了物料衡算和能量衡算，一般應在作能量衡算之前先要作物料衡算；但有時(yǒushí)根據物料衡算式不能直接計算出物料量，還需對物料衡算和能量衡算進行聯立求解。本節主要討論物料衡算和能量衡算聯合應用的問題。精品資料第七節穩態流動過程(guòchéng)物能聯合衡算一、物能聯算的一般(yībān)解法對于任何一個體系，都可以寫出：1.總的物料算式；2.每一組分的物料算式；3.總能量衡算式。二、計算舉例精品資料第七節穩態流動過程(guòchéng)物能聯合衡算例5-17：某連續蒸餾塔每小時分離10000kg含40%（質量分率，下同）苯、60%氯苯的溶液，進料溫度294K，塔頂液體產物為99.5%的苯，塔底(從再沸器出來的物料)含1%苯。冷凝器進水溫度為288.6K，出水溫度為333K，再沸器用溫度為411K的飽和水蒸汽加熱，回流比（返回(fǎnhuí)塔頂的液體量與取出塔頂液體產物之比）為6:1，設再沸器和冷凝器均在101.3kPa下操作，冷凝器的計算溫度為354K，再沸器溫度為404K，算得再沸器氣相中苯為3.9%（相當于5.5mol%）。計算下列各項：①塔頂產物和塔底產物每小時各為多少kg？②每小時回流多少kg？③進再沸器的液體和再沸器的蒸汽每小時各為多少kg？④每小時耗用的水蒸汽和冷卻水各為多少kg？精品資料第七節穩態流動過程(guòchéng)物能聯合衡算解：①根據題意畫出流程示意圖,并注明(zhùmínɡ)已知條件。L/D=6P=101.3kPa泠凝器計算溫度354K再沸器計算溫度404KVb中苯3.9%計算：1D,W2L3Lb4再沸器負荷冷凝器負荷精品資料第七節穩態流動(liúdòng)過程物能聯合衡算②已知液態苯和氯苯的熱容(rèrónɡ)數據如下表所示：溫度/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精品資料第七節穩態流動過程(guòchéng)物能聯合衡算基準(jīzhǔn)：每小時10000kg進料總物料衡算F=D+W③整個系統物料衡算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精品資料第七節穩態流動(liúdòng)過程物能聯合衡算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再沸器物料衡算總物料衡算：Lb=W+Vb苯衡算：LbxLb=WxW+Vbx