第四章能量衡算第一節概述第二節能量衡算的基本方法和步驟第三節無化學反應過程能量衡算第四節化學反應過程的能量衡算第五節穩定流動過程物能聯合衡算第六節綜合性例題

.回顧上節課1，由生成熱求取反應熱2，由燃燒熱求取反應熱基準點？基準點？相對于標準狀態下穩定單質的生成焓等于零相對于標準狀態下完全氧化產物燃燒熱等于零4.4化學反應過程的能量衡算1回顧上節第一種基準：若已知標準反應熱，可取298K，101.33千帕為反應物及產物的計算基準。對非反應物可另選適當的溫度為基準由

求出各Hi值。

---怎么求？2回顧上節課4.4化學反應過程的能量衡算以組成反應物及產物的元素（單質）在298K，101.3千帕時的焓為零。非反應物以任意適當的溫度為基準。第一種基準能解決以下問題嗎？1、反應復雜，難以寫出化學反應式2、有平行反應，原料參加各反應的比例不知。不能!第二種基準

4.4.1第二種基準4.4化學反應過程的能量衡算第二種基準中的基準物質是組成反應物和產物的以自然形態存在的原子(標準狀態下穩定單質的生成焓等于零）這時反應物或產物的焓H是各物質298K的生成熱與由298K變到其進出口狀態的顯熱和潛熱之和。過程總焓變為：298K，1atm，元素(單質）298K，1atm，化合物T進（T出），P進（P出）化合物ΔH實際Hi4.4.1第二種基準4.4化學反應過程的能量衡算因此第二種基準的計算式為：4.4.1第二種基準4.4化學反應過程的能量衡算例5—19P151~153甲烷在連續反應器中用空氣氧化生產甲醛，副反應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進反應器的甲烷為基準，氣體均看做理想氣體。進口：甲烷25℃進反應器，空氣于100℃進反應器出口：溫度均150℃求從反應器移走多少熱量？4.4.1第二種基準4.4化學反應過程的能量衡算例5—19P151~153100molCH425℃100molO2

100℃376molN2100℃60molCH430molHCHO10molCO250molH2O50molO2376molN2150℃反應過程Q物料流程簡圖如下：4.4.1第二種基準4.4化學反應過程的能量衡算

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相關計算數據如下：4.4.1第二種基準4.4化學反應過程的能量衡算例5—19P151~153100molCH425℃100molO2

100℃376molN2100℃60molCH430molHCHO10molCO250molH2O50molO2376molN2150℃反應過程Q基準：第二種基準（25℃，單質的H為0）4.4.1第二種基準4.4化學反應過程的能量衡算例5—19P151~153100molCH425℃100molO2

100℃376molN2100℃反應過程基準：第二種基準（25℃，單質的H為0）進口：

4.4.1第二種基準4.4化學反應過程的能量衡算

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

-6439.188kJ進口總焓值：例5—19P151~1534.4.1第二種基準4.4化學反應過程的能量衡算例5—19P151~153基準：第二種基準（25℃，單質的H為0）出口：60molCH430molHCHO10molCO250molH2O50molO2376molN2150℃反應過程4.4.1第二種基準4.4化學反應過程的能量衡算例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出口總焓值：4.4.1第二種基準4.4化學反應過程的能量衡算例5—19P151~153基準：第二種基準（25℃，單質的H為0）4.4.1第二種基準4.4化學反應過程的能量衡算換熱式反應器絕熱式反應器針對實際過程，反應過程的熱量衡算分為：反應過程的熱效應通過換熱設備與外界進行換熱反應過程的熱效應不與外界換熱4.4化學反應過程的能量衡算一、帶換熱的反應過程的能量衡算例5—20帶換熱的反應器，在反應器中進行乙醇脫氫生成乙醛的反應：C2H5OH（g）=CH3CHO（g）+H2-Q；標準反應熱為ΔH=68.95kJ。原料含乙醇90%（mol%）和乙醛10%（mol%），進料溫度300℃，當加入反應器的熱量為5300kJ/100mol進料，產物出口溫度為265℃。計算反應器中乙醇的轉化率。已知熱容的值為：C2H5OH（g）：Cp=0.110kJ/mol.KCH3CHO（g）：Cp=0.080kJ/mol.KH2（g）：Cp=0.029kJ/mol.K并假定這些熱容值都是常數。4.4.2帶換熱的反應過程的能量衡算4.4化學反應過程的能量衡算解：取100mol進料為計算基準由物料衡算得各個組分量標于流程圖上相應位置反應器90molC2H5OH10molCH3CHOn1molC2H5OHn2molCH3CHOn3molH2300℃265℃Q=5300kJ/100mol4.4.2帶換熱的反應過程的能量衡算4.4化學反應過程的能量衡算三個未知數，只能列兩個物料衡算式，需借助能量衡算式求解，為一物能聯算問題。（1）對C元素列式：90×2+10×2=2n1+2n2

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

整理得：3n1+2n2+n3=290（3）能量衡算取第一種基準。進料C2H5OH（g）：Cp=0.110kJ/mol.K4.4.2帶換熱的反應過程的能量衡算4.4化學反應過程的能量衡算進料：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帶換熱的反應過程的能量衡算4.4化學反應過程的能量衡算26.4n1+19.2n2+76.0n3=8247（3）聯立求解（1）（2）（3）得：n1=7.5moln2=92.5moln3=82.5mol乙醇轉化率：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帶換熱的反應過程的能量衡算4.4化學反應過程的能量衡算補充例題：一連續操作反應器，已知僅有反應A+2B→4C+5D反應器進料只有A和B且配比符合化學計量比，進料溫度100℃，A的轉化率為50%，出反應器的物料溫度為300℃。求過程所需移出或移入的熱量。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帶換熱的反應過程的能量衡算4.4化學反應過程的能量衡算解：取100kmolA/h進料為計算基準。物料衡算結果標注于圖上。反應器100kmolA/h200kmolB/h50kmolA/h100kmolB/h200kmolC/h250kmolD/h100℃300℃Q取第一種能量衡算基準，△H0r=20×5+（－20）×4－1×40=－20kJ/mol4.4.2帶換熱的反應過程的能量衡算4.4化學反應過程的能量衡算△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反應器需移出熱量200000kJ/h。4.4.2帶換熱的反應過程的能量衡算4.4化學反應過程的能量衡算選取能量衡算的第二種基準。HA進=△H0fA（298）+CPA（T進－298）=40×1000+10×（373－298）=40750kJ/kmolHB進=△H0fB（298）+CPB（T進－298）=0+15×（373－298）=1125kJ/kmol4.4.2帶換熱的反應過程的能量衡算4.4化學反應過程的能量衡算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帶換熱的反應過程的能量衡算4.4化學反應過程的能量衡算△H=（∑niHi）出－（∑niHi）入

=（50×42750+100×4125+200×（－18625）+250×21100）－（100×40750+200×1125）=－200000kJ/h。反應器需移出熱量200000kJ/h。HD出=△H0fD（298）+CPD（T出－298）=20×1000+4×（573－298）=21100kJ/kmol4.4.2帶換熱的反應過程的能量衡算4.4化學反應過程的能量衡算二、絕熱反應器的能量衡算設備與外界無熱交換(除進出物料帶入帶出Q外無其它熱交換)，故Q=ΔH=0。4.4.2絕熱反應過程的能量衡算4.4化學反應過程的能量衡算已知T進、進出物料（x）T出