化工过程开发与设计-第6章-能量衡算.pptx
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第6章能量衡算,化工过程开发与设计,热力学数据及计算,6.2,无化学反应过程的能量衡算,6.3,能量衡算的基本概念,6.1,第6章能量衡算,反应过程的能量衡算,6.4,计算机辅助化工流程中的能量衡算,6.5,6.1能量衡算的基本概念,1,2,能量存在的形式,普遍化能量平衡方程式,3,4,封闭体系的能量衡算,稳态下敞开流动体系的能量衡算,5,能量衡算问题的分类与求解步骤,6.1.1能量存在的形式,能量守恒定律的一般表达式为(输入系统的能量)-(输出系统的能量)+(输入的热量)-(系统输出的功)=(系统内能量的积累)(6-1),6.1.1能量存在的形式,在能量平衡中,涉及到以下几种能量。
(1)动能(EK)
(2)势能(EP)(3)内能(U)(4)热(Q)(5)功(W),6.1.2普遍化能量平衡方程式,根据热力学第一定律,能量衡算方程式可写为E=(U1+EK1+EP1)-(U2+EK2+EP2)+Q-W(6-2),6.1.3封闭体系的能量衡算,封闭体系是指系统与环境之间没有质量交换。
在间歇过程中,体系中没有物质流动,因此也没有动能和势能的变化,式(6-2)就可简化为:
U=Q-W(6-3),6.1.4稳态下敞开流动体系的能量衡算,1连续稳定流动过程的总能量衡算,表6-1体系输入和输出的能量,6.1.4稳态下敞开流动体系的能量衡算,图6.1物料流动,6.1.4稳态下敞开流动体系的能量衡算,体系内没有能量和物质的积累,体系在其任一时间间隔内的能量平衡关系应为:
输入的总能量输出的总能量(6-4)E=E2-E1=U+EK+EP(6-5)U2+EK2+EP2+P2V2-(Ul+EK1+EP1+P1V1)=Q+W(6-6)H+EK+EP=Q+W(6-7),6.1.4稳态下敞开流动体系的能量衡算,简化为H=W(6-8)H=Q(6-9)H=0(6-10)2热量衡算Q=H=H2-H1(6-11)Q=H2-H1(6-12),6.1.4稳态下敞开流动体系的能量衡算,3机械能衡算(6-13)U=Q+F(6-14)(6-15)(6-16),6.1.5能量衡算问题的分类与求解步骤,1能量衡算的分类
(1)无化学反应的能量衡算
(2)有化学反应的能量衡算,6.2热力学数据及计算,1利用热容计算U或H
(1)恒容过程热Qv或U的计算(6-17)(6-18),6.2热力学数据及计算,
(2)恒压过程热Qp或H的计算(6-19)(6-20)(6-21),6.2热力学数据及计算,2恒压摩尔热容CpCp=a+bT+cT2+dT3(6-22)Cp=a+bT+cT2(6-23)(6-24)(6-25)Cp=Cv+R(6-26)CpCv(6-27),6.2热力学数据及计算,3潜热计算Q=nHm(6-28)Hm,2=Hm,1+Hm,4-Hm,3(6-29)Hm,3=(6-30)Hm,4=(6-31)(6-32)(6-33)Hm,2=Hm,1(6-34),6.2热力学数据及计算,4化学反应热Qp=H(6-35)QV=U(6-36)Qp-QV=H-U=nRT(6-37),6.2热力学数据及计算,5基准态的选取
(1)选298K为基准温度。
(2)选取系统某物流的温度为基准温度,此物流的相态为各组分的基准相态。
6.3无化学反应过程的能量衡算,1无相变过程的热量衡算例6.1用泵将5的水从水池吸上,经换热器预热后打入某容器。
已知泵的流量为1000kg/h,加热器的传热速率为11.6kW,管路的散热速率为2.09kW,泵的有效功率为1.2kW。
设地面与容器水面的高度不变,求水进入容器时的温度。
6.3无化学反应过程的能量衡算,解方法一
(1)求水的内能增加值/kg=38.4kJ/kg
(2)求水温,图6.2例6.1附图,6.3无化学反应过程的能量衡算,方法二:
(1)求水的吸热速率水的吸热速率:
kW
(2)求水温,6.3无化学反应过程的能量衡算,例题6.2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0.4MPa饱和蒸汽。
已知进水温度20,压力0.45MPa。
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。
其中,CH3OH(汽)在450300的热容可按下式计算:
Cp=(19.05+9.1510-2T)(J(molK),6.3无化学反应过程的能量衡算,解基准:
物料:
1molCH3OH,0.2molH2O条件:
H2O(液)0,CH3OH(汽)450T1=602K=329,T2=-1019K,图6.3例题6.2的题意图,6.3无化学反应过程的能量衡算,例6.3在盐酸生产过程中,如果用100HCl(g)和25H2O(l)生产40、25(质量分数)的HCl水溶液1000kg/h,试计算吸收装置中应加入或移走多少热量。
解基准:
1000kg/h、25(质量分数)的HCl水溶液(kmol/h)(kmol/h),6.3无化学反应过程的能量衡算,(kJ),图6.4盐酸吸收过程的能量恒算示意图,6.4反应过程的能量衡算,例6.4已知H2O(l)的rHm(298.15K)=-285.8kJmol,25、l01.3kPa下水的蒸发焓vapHm*=44.01kJmol,求H2O(g)的rHm(298.15K)。
6.4反应过程的能量衡算,解H2(g)+O2(g)H2O(l),rHm(298.15K)=-285.8kJmolH2O(l)H2O(g),vapHm*=44.01kJmolH2(g)+O2(g)H2O(g)rHm(H2O,g,298.15K)=Hm(H2O,l,298.15K)+vapHm*=-285.8+44.04=-241.8kJmol,6.4反应过程的能量衡算,例题6.5利用化合物的标准摩尔生成焓fHm数据,计算下列反应的标准摩尔焓变rHm。
反应式为
(1)C6H6(l)+HNO3(l)C6H5NO2(l)+H2O(l)
(2)C6H5NO2(l)+3H2(g)C6H5NH2(l)+2H2O(l)(3)4C6H5NO2(l)+6Na2S(aq)+7H2O(l)4C6H5NH2(l)+3Na2S2O3(aq)+6NaOH(aq),6.4反应过程的能量衡算,解,由化学手册查得下列化合物的标准摩尔生成焓数据(kJ/mol)如下:
6.4反应过程的能量衡算,计算标准反应热
(1)rHm=(-286.1+22.19)-(49.07-173.3)=-139.68(kJ/mol-C6H6)
(2)rHm=2(-286.1)+35.34-(22.19+30)=-559.05(kJ/mol-C6H5NO2)(3)rHm=435.34+3(-1095.7)+6(-469.94)4-422.19+6(-439.96)+7(-286.1)4(kJ/mol-C6H5NO2),6.4反应过程的能量衡算,例6.8200,101.33kPa下的一氧化碳气体与500的空气以1:
4.5的比例进行混合燃烧。
燃烧生成混合气以1000放出。
假设一氧化碳燃烧是完全的,计算每1kmol的一氧化碳放热多少?
已知:
Cp=a+bT+cT2kJ/kmolK,表6-2常数a、b、c的值,6.4反应过程的能量衡算,解CO(g)O2(g)CO2(g)rHm=-283191.932kJH=171901.472-283191.932-70002.45=-181292.91kJ,表6-3反应前后气体组成的变化,6.4反应过程的能量衡算,例6.9在一连续反应器中进行乙醇脱氢反应:
C2H5OH(g)CH3CHO(g)H2(g)rHm=68.95kJ/mol原料含乙醇90(mol)和乙醛10(mol),进料温度300,加入反应器的热量为5300kJ/100mol/h,产物的出口温度为265。
计算反应器中乙醇的转化率。
6.4反应过程的能量衡算,已知热容值为:
C2H5OH(g):
Cp=0.110kJ/(mol);CH3CHO(g):
Cp=0.080kJ/(mol);H2:
=0.029kJ/(mol),并假定这些热容值为常数。
解,图6.5乙醇脱氢反应物料流程示意,6.4反应过程的能量衡算,
(1)C元素衡算902+102=2n1+2n2整理得n1+n2=100
(1)
(2)H元素衡算906+104=6n1+4n2+2n3即3n1+2n2+n3=290
(2)(3)能量衡算(3)乙醇的转化率,6.5计算机辅助化工流程中的能量衡算,图6.6流程模拟系统分类图,6.5计算机辅助化工流程中的能量衡算,图6.7流程模拟系统的结构示意图,6.5计算机辅助化工流程中的能量衡算,利用通用流程模拟系统软件进行流程模拟,一般分为以下几步。
(1)分析模拟问题
(2)选择流程模拟系统软件,并准备输入数据(3)绘制模拟流程(4)定义流程涉及组分,6.5计算机辅助化工流程中的能量衡算,(5)选择热力学性质计算方法(6)输入原始物流及模块参数(7)运行模拟(8)分析模拟结果(9)运行模拟系统的其他功能(10)输出最终结果。
6.5计算机辅助化工流程中的能量衡算,例6.10对甲醇精馏的三塔流程进行模拟计算,掌握物料衡算与能量衡算的基本方法与步骤。
图6.8三塔精馏流程图,6.5计算机辅助化工流程中的能量衡算,解
(1)甲醇三塔精馏流程见图6.8。
(2)模拟计算1)基础数据,表6-4粗甲醇组成(wt%),6.5计算机辅助化工流程中的能量衡算,表6-5精馏塔压力(bar(g),6.5计算机辅助化工流程中的能量衡算,2)模拟方法计算机模拟是研究化工工艺过程的有效途径,采用化工流程模拟软件PRO/II来模拟甲醇精馏系统。
表6-6三塔流程物料衡算结果(wt%),6.5计算机辅助化工流程中的能量衡算,表6-7三塔流程热量衡算结果(Gcal/h),Thankyou,
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