第三章物料衡算和能量衡算

第三章物料衡算和能量衡算掌握:物料衡算和能量衡算步驟、非反應過程和反了解:物料衡算和能量衡算的重要意義理解:平衡方程；衡算基準；應過程的物料衡算和能量衡算1任務：1、找出主副產(chǎn)品的生成量、廢物的排出量;2、確定原材料消耗定額;3、確定各物流的流量、組成和狀態(tài);4、確定每一個設備內(nèi)物質轉換與能量傳遞速度。目的：為確定操作方式，設備選型以及設備尺寸、管路設施與公用工程提供依據(jù)。本章任務與目的：2§3-1設計計算前的準備工作

(4)流體輸送過程參數(shù)(μ、ρ、摩擦系數(shù)等)。1.工藝性資料的收集(1)物料衡算提綱生產(chǎn)步驟和化學反應（包括主、付反應）;各步驟所需的原料，中間體規(guī)格和物理化學性質;成品的規(guī)格和物化性質;每批加料量或單位時間進料量;各生產(chǎn)步驟的產(chǎn)率；(2)工藝流程圖及說明；(3)熱量計算參數(shù)和設備計算數(shù)據(jù)(ΔH、Cp、K、λ、α等)；◆3（5）傳質過程系數(shù)，相平衡數(shù)據(jù);（6）冷凍過程的熱力學參數(shù);（7）具體的工藝操作條件（溫度T、壓力P、流量G）;（8）介質物性和材質性能，材質數(shù)據(jù)，腐蝕數(shù)據(jù);（9）車間平立面布置的參考資料;（10）管道設計資料（管道配置、管道材質、架設方式、管件、閥件等）;（11）環(huán)境保護、安全保護等規(guī)范和資料?！?-1設計計算前的準備工作42.工程性資料的收集（1）氣象、地質資料;（2）公用工程的消耗量，輔助設施能力;（3）總圖運輸、原料輸送方式、儲存方式;（4）上、下水資料;（5）配電工程資料;（6）儀表自控資料等。3.資料的來源（1）科研單位（研究報告）（2）設計單位（設計圖紙、設計說明書）（3）基建單位（廠址方案、基建工程資料和安裝工程資料）◆◆§3-1設計計算前的準備工作

5車間原始資料、各種生產(chǎn)報表工藝操作規(guī)程設備崗位操作法設備維護檢修規(guī)程及設備維修紀錄卡勞動保護及安全技術規(guī)程車間化驗室的分析研究資料車間實測數(shù)據(jù)工廠科室掌握的技改資料供銷科的產(chǎn)品目錄和樣本財務科的產(chǎn)品原料單耗及成本分析資料全廠職工勞動福利的生活資料(4)生產(chǎn)單位(現(xiàn)場操作數(shù)據(jù)和實際的經(jīng)濟技術指標)（5）可行性研究報告、各國文摘和專利、各類工藝書籍、各類調(diào)查報告、各種化工過程與設備計算等書籍?！?-1設計計算前的準備工作6（1）IndustrialChemicals（2）EncyclopediaofChemicalTechnology（3）ScienceandTechnology（4）ChemicalAbstracts（C.A）（5）HandbookofTechnology（6）I.C.T（物性手冊）（7）化工工藝設計手冊（8）材料與零部件手冊4.幾本常用的化工設計資料和手冊§3-1設計計算前的準備工作◆7§3-2物料衡算（1）物料衡算能為化工設計提供的基礎數(shù)據(jù)(目的)1）物料消耗定額。2）工藝設備的大小尺寸。3）管道的大小尺寸。4）為能量衡算提供基礎數(shù)據(jù)。設計任務書、生產(chǎn)量、工藝技術條件、反應轉化率、相平衡數(shù)據(jù)等。（2）物料衡算的依據(jù)◆1物料衡算的目的、依據(jù)8①穩(wěn)定操作過程:②系統(tǒng)內(nèi)無化學反應:③系統(tǒng)內(nèi)無化學反應的穩(wěn)態(tài)操作過程:(Fi－Fo)＋（Dp－Dr）＝0Fi－Fo＝WFi－Fo＝0（3）物料衡算式：（Fi）（Fo）（Dr）（W）（Dp）進入過程單元的物料衡算－流出過程單元的物料量＋在過程單元內(nèi)生成的物料量－在過程單元內(nèi)消耗的物料量＝過程單元內(nèi)累積的物料量

◆1物料衡算的目的、依據(jù)§3-2物料衡算92、物料衡算的步驟

8）列出物料衡算式，及其他相關約束式，進行物料衡算；1）化工過程分析；2）畫出方框圖（方框流程圖）；3）分析化學反應過程，寫出主、副反應化學反應方程式；4）確定衡算體系；5）根據(jù)設計要求確定（寫明年產(chǎn)量、年工作日或每晝夜的）6）選定計算標準，并在圖上注明所選的基準值；7）收集計算需要的數(shù)據(jù)；9）將物料衡算結果列成物料平衡表，畫出物料平衡圖。生產(chǎn)能力、產(chǎn)率、產(chǎn)品的純度要求等；◆§3-2物料衡算10例：乙苯苯反應器器內(nèi)的反反應如下下：乙烯+苯→乙苯苯乙苯+乙烯→二二乙苯二乙苯+苯→乙苯苯二乙苯+乙烯→三三乙苯三乙苯+苯→乙苯苯，二乙乙苯乙苯、二二乙苯→→甲苯、、二甲苯苯、正丁丁苯、異異丙苯、、雜環(huán)環(huán)化合物物2、物料衡衡算的步步驟◆§3-2物料衡算算11(2)批量基準準3、物料衡衡算的基基準運算中保保持一致致。若基基準選得得好，計計算變得得簡單。。進行物料料衡算時時，必須須選擇一一計算基基準，并并在整個個(1)時間基準準連續(xù)（小小時，天天…）間歇（（釜，批批……）(3)或已知進進料/出料組成成(4)物質的量量基準(5)標準體積積基準◆§3-2物料衡算算12C3H8+5O2=3CO2+4H2O每100kmol燃燒產(chǎn)物物需要多多少摩爾爾空氣？？氧氣過過量25%（1）.基準：1kmol原料氣C3H8燃燒用氧氧5kmol；實際供氧氧5×1.25=6.25kmol；供給空氣氣量29.76kmol；其中氮氣氣量23.51kmol產(chǎn)生：CO23kmol；H2O4kmol；O21.25kmol；N223.51kmol；合計31.76kmol；x==93.7kmol例3-1：13（2）.基準：1kmol空氣實際供氧氧0.21/1.25=0.168kmol；燃燒C3H80.21/（5×1.25）=0.0336kmol；供給空氣氣量1kmol；其中氮氣氣量0.79kmol；產(chǎn)生：CO20.101kmol；H2O0.135kmol；O20.042kmol；N20.79kmol；合計1.068kmol；x==93.7kmol14（3）基準：：100kmol煙道氣以元素平平衡法：：C3H8+5O2=3CO2+4H2OC平衡B=3P；H2平衡B=4Q；O2平衡0.21A=M+Q/2+P；N2平衡0.79A=N；煙道氣總量N+M+P+Q=100；過剩氧氣0.21A（0.25/1.25）=M解出：空氣量量A=93.7kmol；C3H8B=3.148kmol；N2N=74.02kmol；O2M=3.935kmol；CO2P=9.445kmol；H2OQ=12.59kmol。15（Ⅰ）分數(shù)約束式式4、約束式可可分為兩類：：式中xij—第j組分在第i股物流中的摩摩爾分數(shù)(或質量分數(shù))；Ns—物流的股數(shù)；；Nc—物流組分數(shù)。。(i=1,2,…，Ns)(3-2)當一般物流的的組成用摩爾爾分數(shù)或質量量分數(shù)表示時時，有下式成立：：◆§3-2物料衡算16常見的設備約約束式有：①進料比(或任何兩股物物流的量之比比)為一常數(shù)；②兩股物流流具有相同的的組成(如分流器)；③相平衡常常數(shù)；④化學平衡衡常數(shù)；⑤化學反應應過程中的轉轉化率、選擇擇性或其他限限度。(Ⅱ)設備約束式§3-2物料衡算17有Ns股物流，Nc個組分數(shù)，Np個設備參數(shù)總變量數(shù)：Nv=Ns（Nc+1）+Np設計變量：（Ⅲ）變量§3-2物料衡算18⑴轉化率轉化率=

xA=⑵選擇性選擇性=β=§3-2物料衡算19⑶收率收率=轉化率×選擇性

=ψ=βxA

=⑷限制反應應物⑸過量反應應物第三章物物料衡算與能能量衡算§3-2物料衡算20穩(wěn)態(tài)過程以各各物流的總流流量Fi及組成xij表示,則有：（j=1,2,…,Nc）(3—5)式中Fi——第i股物流物質的的量流量；xij——第j組分在第i股物流中的摩摩爾分數(shù)；vjm——第j組分在第m個化學反應應中的化學學計量系數(shù)數(shù)；rm——第m個化學反應應的反應速速率；Nr——過程中所包包含的化學學反應個數(shù)數(shù)?！欤?3車間物料衡衡算21物理吸收、、結晶、提提純、脫水水等3.3.1無化學反應應過程的物物料衡算1.簡單過程的的物料衡算算(無化學反應應、單設備備)常見操作有有:混合、蒸餾餾、精餾、、增濕、氣氣體混合物的部分冷冷凝、液體體混合物的的部分氣化化、閃蒸、、對于非反應應的連續(xù)穩(wěn)穩(wěn)態(tài)過程，，式(3-5)可簡化為：：(j=1,2,…,Nc）◆22

餾出液

F3

乙醇水24%F1

料液苯75%

乙醇40%

水60%F2

苯乙醇產(chǎn)品

F4=1000kg/h三個未知數(shù)數(shù)需三個方方程：總物料平衡衡式F1+F2=F3+F4組分物料平平衡式苯平衡F2=0.75F3水平衡0.6F1=0.24F3醇平衡（（1－0.6）F1=F4例3-2：3.3.1無化學反應應過程的物物料衡算23２.有多個設備備過程的物物料衡算甚至無法求求解。算體系，這這是很重要要的步驟。。不然會使使計算繁劃分多個衡衡算體系。。此時，必必須選擇恰恰當?shù)暮鈱τ卸鄠€設設備的過程程，進行物物料衡算時時，可以3.3.1無化學反應應過程的物物料衡算◆24有兩個蒸餾餾塔的分離離裝置，將將含50%苯、30%甲苯20%(mol%)二甲苯的混混合物分成成較純的三三個餾分，，其流程圖圖及各流股股組成如圖。。計算蒸餾餾1000mol/h原料所得各各流股的量量及進塔Ⅱ物料的組成成。例3-3：25乙烯部分氧氧化制取環(huán)環(huán)氧乙烷，，乙烯在過過量空氣存存在條件下下通過銀催催化劑進行行。主反應:2C2H4+O22C2H4O副反應:C2H4+3O22CO2+2H2O進料物質的的流量為1000mol/h，進料中含含C2H4摩爾分數(shù)10％，乙烯的的轉化率為為25％，生成產(chǎn)產(chǎn)物的C2H4的選擇性為為80％，計算反反應器出口口物流的流流量與組成成。3.3.2有化學反應應過程的物物料衡算例3-426利用化學反反應速度求求解。(1)組分編號組分C2H4O2N2C2H4OCO2H2O編號123456(2)計算簡圖(3)方程與約束束式：①物料平衡衡方程;②摩爾分數(shù)數(shù)約束式;③設備約束束式;(4)變量分析(5)求解方程組組F2F1X11,X12,X13X21,X22,X23,X24,

X25,

X26

1r1,r2γφ催化反應器2F1X11-F2X21-2r1-r2=0F1X12-F2X22-rl-3r2=0FlX13-F2X23=0-F2X24+2r1=0-F2X25+2r2=0-F2X26+2r2=OXll+X12+X13=1X21+X22+X23+X24+X25+X26=l轉化率表達式:選擇性表達式:空氣中氧與氮具有固定的比例:2C2H4+O22C2H4O

C2H4+3O22CO2+2H2O(１)直接接求求解解法法27輸入入(某種種元元素素)＝輸輸出出(同種種元元素素)(２)元素素衡衡算算法法用甲甲烷烷和和氫氫的的混混合合氣氣完完全全燃燃燒燒來來加加熱熱鍋鍋爐爐，，反反應應方方程程式式如如下下：：CH4+2O2CO2+2H2OH2+1/2O2H2O煙道道氣氣的的組組成成mol：N2，72.19%；CO2,8.12%;O2,2.44%;H2O,17.25%;計算算:(1)燃料料中中甲甲烷烷與與氫氫氣氣的的摩摩爾爾比比;(2)空氣氣與與(CH4+H2)的摩摩爾爾比比.例3-5:28（３３））用用聯(lián)聯(lián)系系組組分分作作衡衡算算◆“聯(lián)聯(lián)系系組組分分””是是指指隨隨物物料料輸輸入入體體系系，，但但完完全全不不參參加加反反應，，又又隨隨物物料料從從體體系系輸輸出出的的組組分分，，在在整整個個反反應應過過程程中，它的的數(shù)量不不變?！羧绻w系系中存在在聯(lián)系組組分，那那么輸入入物料和和輸出物物料之間就就可以根根據(jù)聯(lián)系系組分的的含量進進行關聯(lián)聯(lián)?！粲寐?lián)系組組分作衡衡算，尤尤其是對含未知知量較多多的物料衡算，可可以使計計算簡化化。29例如，F(xiàn)、P分別為輸輸入、輸輸出物料料，T為聯(lián)系組組分。T在F中的質量量分數(shù)為為xFT，在P中的質量量分數(shù)為為xPT，則F與P之間的關關系為：：FxFT＝PxPT，即：：3.3.2有化學反反應過程程的物料料衡算30采用以減減小誤差差。但是是，應該該注意，，當某個聯(lián)聯(lián)系組選擇聯(lián)系系組分時時，如果果體系中中存在數(shù)數(shù)種聯(lián)系系組分，，那么，此此時就要要選擇一一個適宜宜的聯(lián)系系組分，，或聯(lián)合合分數(shù)量很很小，而且此此組分的的分析相對誤差差又較大大時，則不不宜選用用。3.3.2有化學反反應過程程的物料料衡算31（４）具具有循環(huán)環(huán)、排放放即旁路路過程的的物料衡衡算先根據(jù)已已知的條條件及所所求的未未知量選選擇合適適的衡算算體系，列出出物料衡衡算式再再求解。。如果存在在聯(lián)系組組分，則則可以利利用聯(lián)系系組分計計算。有循環(huán)的的過程，，轉化率率常分為為單程轉化化率與總轉化率率：32總物料衡衡算：F=P+W反應器物物料衡算算：MF=RP分離器物物料衡算算：RP=S+P結點A物料衡算算：F+R=MF結點B的物料衡衡算：S=R+W（４）具具有循環(huán)環(huán)、排放放即旁路路過程的的物料衡衡算33例3-7：有物流流循環(huán)的的計算：：乙烯與氯氯氣反應應生產(chǎn)氯氯乙烯的的過程如如下圖：：在各反應應器中發(fā)發(fā)生如下下反應：：(A)氯化反應應C2H4+Cl2→C2H4Cl2(DCE：二氯乙乙烷）DCE收率98%（B)次氯化C2H4+2HCl+0.5O2→C2H4Cl2+H2ODCE以乙烯為為基準的的收率為為95%以HCl為基準的的收率為為90%（C)熱裂解C2H4Cl2→C2H3Cl(VCM)+HClVCM的收率為為99%，HCl的收率為為99.5%設VC產(chǎn)量為12500kg/h，試求Cl2,C2H4流量及及HCl的循環(huán)環(huán)量。。34353.4.1能量衡衡算的的概論論1能量衡衡算的的意義義供主要要依據(jù)據(jù)。先進的的主要要指標標之一一。能能量衡衡算可可為降降低能能耗提提能耗是是衡量量工藝藝過程程、設設備設設計、、操作作制度度是否否§３.4能量衡衡算◆36★化工計計算中中能量量衡算算可以以解決決的問問題(4)充分利利用能能耗，，使過過程的的總能能耗降降低到到最低低；(1)確定液液體輸輸送機機械(泵、壓壓縮機機、通通風機機等)、其卻等））所需需熱量量或冷冷量、、及其其傳遞遞速率率;一定的反反應溫溫度；；它操作作機械械（攪攪拌機機、過過濾機機、粉粉碎機機)所需的的功率率；(2)確定各各單元元過程程（蒸蒸發(fā)、、蒸餾餾、冷冷凝、、冷(3)控制放放熱或或供熱熱速率率，確確保有有熱效效應反反應保保持3.4.1能量衡衡算的的概論論372.與能量量衡算算有關關的幾幾個重重要物物理量量(1).熱量（（Q）(2).功（W）(3).焓(H)(4).熱容Q＝mC?T是能量量傳遞遞的兩兩種形形式，，不是是物系系的性性質3.4.1能量衡衡算的的概論論◆38a理想氣氣體焓焓表;計算算d飽和蒸蒸汽物物性參參數(shù)表表.b通過附附錄查查取焓焓、熱熱容、、熵的的多項項式及及多項項式的的焓溫圖圖(H-T圖);溫熵圖圖(T-S圖);壓焓圖圖(P-H圖);e普遍化化焓差差圖焓c熱力學學圖表表;焓濃圖圖,蒸汽焓焓熵圖圖;常數(shù)，，利用用Cp-T關系式式進行行計算算;3.4.1能量衡衡算的的概論論39(1)經(jīng)驗公公式（（多項項式））熱容的的計算算(2)平均熱熱容(3)估算3.4.1能量衡衡算的的概論論40(1)連續(xù)穩(wěn)穩(wěn)定流流動過過程1.總能量量衡算算式?H+?Ek+??EP＝Q+W3.4.2能量衡衡算的的基本本方法法與步步驟輸入的的能量量一輸輸出的的能量量＝積積累的的能量量?H＝Q+Wa、體系在設設備進出口口之間的動動能變化，，位能變化化與焓變相比比較，其值值很小，可可忽略不計計。如流體體經(jīng)壓縮機、、膨脹機所所發(fā)生的變變化，上式式可簡化為為：◆41b、當流體流流經(jīng)管道，，閥門、換換熱器、混混合器等設設備時，體系系與環(huán)境沒沒有功的交交換，而進進出口的動動能與位能變變化可略而而不計，由由上式得：：ΔH=Qc、流體流經(jīng)經(jīng)節(jié)流膨脹脹，絕熱反反應，絕熱熱混合等過過程時，體系與與環(huán)境既無無熱量交換換，也不做做軸功，進進出口的動能能變化、位位能變化可可略而不計計，則有：：ΔH=0d、機械能量量平衡方程程。由穩(wěn)穩(wěn)態(tài)流動體體系的能量量平衡方程可進進一步導得得機械能平平衡方程。。3.4.2能量衡算的的基本方法法與步驟42(2)間歇過程?U＝Q+W?U＝Q總能量衡算算式：?U+?Ek+?EP＝Q+W3.4.2能量衡算的的基本方法法與步驟432.熱量衡算的的基本方法法及步驟(1)等壓變化:Q=nT1T2CpmdT或Q=nT1T2CpdT

常通過計算算過程的焓焓變求過程程放出或吸吸收的熱。。熱衡算的兩兩種情況：：(2)對于一些不不能或很難難直接測定定的熱量或或能量，3.4.2能量衡算的的基本方法法與步驟◆44熱量衡算的的基本方法法：兩種情況：：1、在設計時時，根據(jù)給定的的進出物料料量及已知知溫度求另另一殷物料料的未知物物料量或溫溫度，常用于計計算換熱設設備的蒸汽汽用量或冷冷卻水用量量。2、在原有的的裝置上，，對某個設設備，利用實際測測定（有時時也要作一一些相應的的計算）的的數(shù)據(jù)，計計算出另一一些不能或或很難直接接測定的熱熱量或能量量，由此對設設備作出能能量上的分分析。如根根據(jù)各股物物料進出口口量及溫度度，找出該該設備的熱熱利用和熱熱損失情況況。3.4.2能量衡算的基基本方法與步步驟45e當生產(chǎn)過程及及物料組成較較復雜時，可可列出熱量衡衡算表a建立以單位時間為基準的物料料流程圖(或平衡表);b在物料流程框框圖上標明己知溫溫度、壓力、、相態(tài)等條件件，c選定計算基準溫度；d列出熱量衡算算式，然后用用數(shù)學方法求求解未知值；；也可以100mol或100kg原料為基準；；計算時相態(tài)的的確定也是很很重要的；并查出或計算算出每個物料料組分的焓值值，于圖上注注明；熱量衡算的基基本步驟：3.4.2能量衡算的基基本方法與步步驟46②恒壓時溫溫度的變化；；有以下5種階段的類型型：焓差衡算途徑徑③恒壓恒溫溫時相態(tài)的變變化；①恒溫時壓壓力的變化；；④兩個或兩兩個以上物質質在恒溫恒壓壓時的混合和和分離；⑤恒溫恒壓壓時的化學反反應過程。3.4.2能量衡算的基基本方法與步步驟473.4.3無化學反應過過程的能量衡衡算用來確定過程程的熱量。如如汽化、分流流、溶液稀釋釋、一般應用于計計算指定條件件下進出過程程物料的焓差差，增濕、物理吸吸收和蒸餾等等物理過程的的熱量衡算。。48(流體流入流出出貯罐、貯槽槽、工藝設備備、輸送設備備、廢料排放放設備)兩類物理過程程:(1)W、?Ek、?Ep＜＜Q、?U和?H;(反應器、蒸餾餾塔、蒸發(fā)器器、換熱器等等)Q=?U(封閉體系)或Q=?H(敞開體系）(2)Q、?U＜＜W、?Ek、?Ep3.4.3無化學反應過過程的能量衡衡算49Cp——恒壓摩爾熱容容。3.4.3.1無相變的變溫溫變壓過程1.利用熱容計算算ΔU或ΔH(1)恒容過程：n——物質的摩爾數(shù)數(shù)；Cv——恒容摩爾熱容容；T1和T2——始溫和終溫。。(2)恒壓過程：固體或液體：：ΔH=ΔU+Δ(pV)≈VΔp；(3)恒溫過程：理想氣體：U和H只是溫度的函函數(shù)，與壓力力無關；真空氣體：在在低壓高溫情情況下接近理理想氣體，可可忽略壓力對焓的的影響，其他他情況下，可可根據(jù)氣體的的焓校正圖加以以校正。502.單相體系的能能量衡算（1）體系的進料料和出料的每每個組分的焓焓能直接從圖圖表中查得，，則只需直接接代人公式中中計算ΔH或ΔU即可；（2）否則，要為為每個組分選選一參考態(tài)（（溫度、壓力力和相態(tài)），，用已知的或或估算的熱容容計算過程溫溫度下的焓，，方可進行能能量衡算。3.4.3.1無相變的變溫溫變壓過程51注:均指在一定的的壓力和溫度度下的相變熱熱.①汽化潛熱(?Hv）②熔化潛熱(?Hm)③升華潛熱(?Ht）相變熱獲得方方法：a純物質正常沸沸點（熔點））相變熱查手手冊;三種相變的相相變熱：c用經(jīng)驗方程計計算相變熱；；b設計途徑求算算；3.4.3.2相變過程能量量衡算52數(shù)量基準是指指選那個量作作基準來衡算算熱量。對于于連續(xù)操作一一般以單位時時間進料量（（即進料速率率）為基準，，而溫度和相相態(tài)基準的確確定才能從有有關手冊中查查得相關的熱熱力學數(shù)據(jù)以以便用于衡算算。熱量衡算的基基準：數(shù)量基準、溫度基準和相態(tài)基準。3.4.3.2相變過程能量量衡算53例3-8在一熱交換器器中用壓強為為136kpa的飽和蒸汽加加熱298k的空氣，空氣氣流量為1kg/s，蒸汽的流量量為0.01kg/s，冷凝水在飽飽和溫度281K下排出。若取取空氣的平均均比熱為1.005kJ/kg·k，試計算空氣氣出口溫度（（熱損失忽略略不計）。54解：過程如圖圖示：數(shù)量基準每秒鐘蒸汽、、空氣的流量量溫度基準取進口空氣溫溫度298K（H冷空氣=0）相態(tài)基準壓強為136kpa的飽和蒸汽，，查：H蒸汽.281K=2690KJ/kgH冷凝水281K=452.9KJ/kg衡算范圍封封閉虛虛線所示范圍圍對此連續(xù)穩(wěn)定定過程ΣQ入=ΣQ出，其中：ΣQ入=ΣQ蒸汽+ΣQ冷空氣=0.001×H蒸汽+1×H冷空氣ΣQ出=ΣQ熱空氣+ΣQ冷凝水=1×1.005（T-298）+0.001×H冷空氣T：熱空氣溫度度，將數(shù)據(jù)代代入解得T=320.3K553.4.4化學反應過程程的能量衡算算為了使反應溫溫度得到控制制，必須自反反應體系排走走熱量或向反反應體系供給給熱量，即反反應器必須有有供熱或冷卻卻用的換熱設設備，這種措措施不但成為為反應能否進進行的關鍵，，也與能量的的合理利用有有密切關系。?；瘜W反應過程程通常都伴隨隨較大的熱效效應—吸收熱量或放放出熱量。象象鄰二甲苯氧氧化制苯二甲甲酐、乙烯氧氧化制氧化乙乙烯這些主要要的工業(yè)過程程，就是放熱熱反應，乙苯苯脫氫制苯乙乙烯就是吸熱熱反應。561、反應熱的計計算熱可用簡單的的熱量加和法法求取。的實驗數(shù)據(jù)進進行計算。反應熱可以用用實驗方法測測定，也可以以用已有物質的初態(tài)和和終態(tài)，與過過程的途徑無無關，反應根據(jù)蓋斯（Hess)定律，化學反反應熱只決定定于Qv＝?Ur(T)恒容反應熱:Qp＝?Hr恒壓反應熱:3.4.4化學反應過程程的能量衡算算57（1）由標準生成成熱?Hfo計算標準反應應熱?Hro?Hro＝Σ反應物μi(?Hco)i－Σ產(chǎn)物μi(?Hco)i?Hro＝Σ生成熱μi(?Hfo)i－Σ反應熱μi(?Hfo)i（2）由標準燃燒燒熱?Hco計算標準反應應熱?Hro3.4.4化學反應過程程的能量衡算算58的進口溫度，，或平均熱容容表示的參考考溫度）。（1）第一種基準準：已知25℃反應熱數(shù)據(jù)據(jù)如果已知標準準反應熱，則則可選298K，latm為反應物及產(chǎn)物的計計算基準。對非反應物質質另選適當?shù)牡臏囟葹榛鶞蕼剩ㄈ绶磻髌?.4.4化學反應過程程的能量衡算算1、反應熱的計計算59可假設如下熱熱力學途徑:進口溫度,反應前物料出口溫度,反應后物料25℃,反應前物料25℃,反應后物料△H1△H2△H△H360(2)第二種基準以組成反應物物及產(chǎn)物的元元素，在25℃，1atm時的焓為零，，非反應分子子以任意適當當?shù)臏囟葹榛鶞剩惨嫯嬕粡執(zhí)钣兴辛鞴山M分分ni和Hi的表，只是在在這張表中反反應物或產(chǎn)物物的Hi，是各物質25℃的生成熱與物物質由25℃變到它進口狀狀態(tài)或出口狀狀態(tài)所需顯熱熱和潛熱之和和。已知反應溫度度下的反應熱熱數(shù)據(jù)，則可可按假設的熱熱力學途徑進行計計算。1、反反應應熱熱的的計計算算3.4.4化學學反反應應過過程程的的能能量量衡衡算算61P204例5.22例3-9甲醇醇氧氧化化生生產(chǎn)產(chǎn)甲甲醛醛在在列列管管式式固固定定床床催催化化反反應應器器中中進進行行，，原料料氣氣：：空氣氣:甲醇醇=13.28:1(mol),預熱熱至至210℃℃后進進入入反反應應器器內(nèi)內(nèi),發(fā)生生的的反反應應及及反反應應熱熱為為：：主反反應應：：副反反應應：：已知知：：甲甲醇醇轉轉化化率率100%;甲醛醛收收率率88.9%;CO:CO2=3：1(mol)；反應應溫溫度度為為300℃℃，混混合合氣氣體體離離開開時時T=300℃℃，反反應應熱熱損損失失為反反應應器器放放出出總總熱熱量量的的5%。CH3OHO2N2H2OHCHOCOCO225-210℃25-300℃52.5530.1330.5929.229.5434.1834.6440.9229.7142.17kJ/kmol··K熱載載體體道道生生的的比比熱熱容容:3.477kJ/kmol··K,進入入反反應應器器時時T=180℃℃,于290℃℃時氣氣化化,Qv290℃℃=269.9kJ/kmol··K,試做做反反應應器器的的熱熱衡衡算算,求道道生生循循環(huán)環(huán)量量.62進口口溫溫度度,反應應前前物物料料已知知反反應應溫溫度度,反應應后后物物料料已知知反反應應溫溫度度,反應應前前物物料料△H△H1△H263P206例5.23例3-10乙烯烯氧氧化化制制成成環(huán)環(huán)氧氧乙乙烷烷的的反反應應器器中中進進行行如如下下反反應應:主反反應應：：副反反應應：：反應應溫溫度度基基本本上上維維持持在在250℃℃，該該溫溫度度下下主主、、副副反反應應的的反反應應熱熱分分別別為為：：乙烯烯的的單單程程轉轉化化率率為為32%，反反應應選選擇擇性性為為69%，反反應應器器進進口口混混合氣氣的的溫溫度度為為210℃℃，流流量量45000m3（STP）/h，其其組組成成如如下下：：組分C2H4N2O2合計%（mol）3.582.014.5100熱損損失失按按反反應應放放出出熱熱量量的的5%考慮慮,求熱熱載載體體移移出出的的熱熱量量。。64aspenONE工程程與與創(chuàng)創(chuàng)新新解解決決方方案案PRO/ⅡⅡChemCADVMGSim；VMGThermoECSS工程程化化學學模模擬擬系系統(tǒng)統(tǒng)-----化工工之之星星§３.5計算算機機在在物物料料衡衡算算與與能能量量衡衡算算中中的的應應用用一、、流流程程模模擬擬軟軟件件65教學學內(nèi)內(nèi)容容：：了解解流流程程模模擬擬軟軟件件的的種種類類和和功功能能，，以以及及用用ChemCAD進行行物物料料衡衡算算和和熱熱量量衡衡