化学计算-能量平衡.ppt

能量衡算 一、能量的形式 动能(EK) 位能(EP) EP=mgZ 内能(U) U=U(T,V) 二、几个重要的物理量 热量(Q) 由于温差而引起的能量交换叫热量。 功(W) 力与位移的乘积。 常见的有体积功、流动功、旋转轴的机械功 环境向体系作的功为正，反之为负。 热量和功是传递性质，与路径有关。 焓(H) H=U+PV=H(T,P) 热容 Q=mCΔT dQ=mC(T)dT 恒压过程 恒容过程 恒压过程，Q=ΔH 三、能量衡算的基本方法及步骤 基本方法 能量守恒定律： 输入的能量-输出的能量=积累的能量 使用范围：总的能量适用，部分能量不一定适用 物料流动示意图 输入输出能量列表 能量衡算(基本公式) U1+u12/2+gZ1+P1V1+Q+W=U2+u22/2+gZ2+P2V2 H1+u12/2+gZ1+Q+W=H2+u22/2+gZ2 ΔU+Δu2/2+gΔZ+Δ(PV)=Q+W ΔH+Δu2/2+gΔZ=Q+W 或 ΔH+ ΔEK+ ΔEP =Q+W 特殊过程能量衡算式的简化 一般情况 ΔEK=ΔEP ≈0 绝热过程(Q=0) ΔH=W 无做功过程(W=0) ΔH=Q 无功、无热量传递过程(Q=0, W=0) ΔH=0 间歇过程 Δ(PV)=0 ΔU=Q+W 能量衡算的基本步骤 建立以单位时间为基准的物料流程图(衡算表) 标明物流的温度、压力、相态、组分的焓值 选基准温度(0℃或25 ℃) 根据热量的基本衡算式列热量衡算式并求解 列热量衡算表 相变过程的能量衡算 相变热 汽化潜热(ΔHv) 熔化潜热(ΔHm) 升华潜热(ΔHs) 相变热随相变温度的变化而变化，但变化很微小，可以近似看作常数。 相变热的估算方法 Trouton法则(汽化热，沸点法，误差30%) ΔHv=bTb kJ/mol （b=0.088(非极性液体)，0.109(水、低碳醇)） Chen方程(汽化热，烃类、弱极性化合物，4%) J/mol Kistiakowsky方程(汽化热，一元醇和一元羧酸,3.0%) Clausius—Clapeyron方程 Watson公式(已知T1时ΔHv，求T2时ΔHv) 标准熔化热 ΔHm（J/mol)≈9.2Tm(用于金属元素) ≈25Tm(用于无机化合物) ≈50Tm(用于有机化合物) 理想气体热容的估算 Rihani –Doraiswamy基团贡献法 芳香基团 含氧基团 含氮基团 含硫和卤素基团 成环的贡献(仅对环状化合物) 反应热的表示 恒压反应热(焓) 在恒温恒压下，反应物按照化学计量式完全反应，物料在反应前后的焓差被称为恒压反应热或反应焓，以ΔHr表示。 恒容反应热 在恒温恒容下，反应物在温度T时按照化学计量式完全反应，物料在反应前后的内能的变化被称为恒容反应热，以ΔUr(T)表示。 ΔUr(T)= ΔHr- ΔnRT Δn=Σμi(气态产物)- Σμi(气态反应物) 反应热的计算 由标准生成热 计算标准反应热 由标准燃烧热 计算标准反应热 连续稳定体系的总能量衡算 每小时500千克蒸汽驱动涡轮。进涡轮的蒸汽为44atm、450℃，线速度为60m／s，蒸汽离开涡轮的部位在涡轮进口位置以下5m，常压，速度为360m／s。涡轮作轴功700kW，祸轮的热损失佑计为104kcal／h，计算过程焓的变化(kJ／kg)。 流程图 解题过程 物料衡算 m=500/3600=0.139kg/s 能量衡算 废热锅炉的能量衡算 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4.5atm饱和蒸汽。已知进水温度20℃，压力4.5atm。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。 流程图 基准：1mol CH3OH, 0.2mol H2O 条件： H2O(液)0℃， CH3OH(汽) 450℃ 查热容和焓值： Cp,甲醇=19.05+9.15×10-2T kJ/mol·K (H水)20℃=83.74kJ/kg=1507kJ/mol (H水汽) 4.5atm=2747.8kJ/kg=49460kJ/mol 能量衡算：Q=ΔH=0(绝热操作) n水(H出-H进)水= n醇(H出-H进)醇 (H进)水=1507kJ/mol (H出)水=49460kJ/mol (H进)醇=0(基准) 代入数据求得：T=602K=329℃ 汽化热的计算 甲醇的正常沸点为337.9K，临界温度为513．2K．计算甲醇在200℃时的汽化热。 解：(