利用Aspen查询化合物生成焓和计算反应焓变2
- 格式：doc
- 大小：638.50 KB
- 文档页数：9
下载文档原格式
合集下载
化学反应的热力学分析和能量转化问题的计算技巧
化学反应的热力学分析和能量转化问题的计算技巧热力学是研究物质在不同温度和压力下的能量转化、能量关系和反应性质的学科。
化学反应的热力学分析是确定反应的进程方向和平衡条件的重要工具。
本文将介绍化学反应的热力学分析以及相关的能量转化问题的计算技巧。
一、热力学基本概念热力学中的基本概念包括能量、焓、熵和自由能。
能量是物质的内在属性，可分为热能和化学能。
焓是指物质的热能与压力之积，用H 表示。
熵是表示物质分子无序程度的物理量，用S表示。
自由能是系统可用能量的度量，用G表示。
二、热力学第一定律热力学第一定律是能量守恒定律，在化学反应中，总能量守恒。
该定律可表达为以下公式：△U = q + w其中，△U表示系统的内能变化，q表示系统吸收或释放的热量，w表示系统对外界做功。
三、热化学方程式和焓变热化学方程式描述了化学反应伴随的热量变化。
焓变（△H）表示化学反应过程中系统的焓变化。
利用热化学方程式，可以通过计算反应前后的焓差来确定焓变。
△H = ∑n△H(生成物) - ∑n△H(反应物)其中，n表示反应物和生成物的摩尔数。
通过查找相应的焓变数据表，可以得到反应物和生成物的焓变值。
四、熵变和自由能变化熵是描述物质分子无序程度的物理量，化学反应可能引起体系的熵变（△S）。
正的△S表示体系的无序程度增加，负的△S表示体系的无序程度减少。
自由能变化（△G）是衡量反应进行方向的指标。
通过△G的正负可以判断反应的推进性质。
当△G<0时，反应是自发推进的；当△G>0时，反应不自发进行；当△G=0时，反应处于平衡状态。
△G = △H - T△S其中，T表示绝对温度。
通过计算反应前后的焓变和熵变，可以得到反应的自由能变化。
五、能量转化问题的计算技巧1. 利用标准生成焓计算反应焓变：首先确定反应涉及的反应物和生成物，查找相应的标准生成焓数据表，然后根据热化学方程式计算反应的焓变。
2. 利用热力学方程式计算热量：通过热力学方程式△U = q + w，计算反应过程中的吸热或放热量。
Aspenplus化工物性数据和相平衡数据的查询与估算PPT教学课件
7
第7页/共45页
1.1.1从文献中查找 • 1.1.1.2 外文工具书 • ⑵ CRC handbook of chemistry and physics，美国CRC Press公司出版。其中含 有约20000种物质的准确、可靠和最新的化学物理数据。第1版于1913问世，此后 几乎逐年进行修订再版，后来又改为每两年再版一次，内容不断扩充更新。目前 最新版本为2012年出版的第92版(网络版)，其主要目录见表1-4。
2
第2页/共45页
1.1 化工物性数据的查询
• 1.1.1从文献中查找 • 1.1.1.1 中文工具书 • ⑴ 化工辞典，王箴主编，化学工业出版
社出版. • 最新版本是2000年出的第4版，共收词
16000余条。
3
第3页/共45页
1.1.1从文献中查找 • 1.1.1.1 中文工具书 • ⑵ 石油化工基础数据手册,卢焕章主编，化学 工业出版社1982. • 共两篇，第一篇介绍各种化工介质物理、化学 性质和数据的计算方法；第二篇将387个化合 物的各种数据列成表格．以供查阅。 • 这些数据包括临界参数，及其在一定温度、压 力范围内的饱和蒸汽压、汽化热、热容、密度、 粘度、导热系数、表面张力、压缩因子、偏心 因子等16个物理参数。 • 1993年,化学工业出版社出版了由马沛生主编 的石油化工基础数据手册续编，包含552个新 化合物的21项物性。
14
第14页/共45页
1.2 纯物质的物性估算
纯物质物性估算 一般包括3个方面
一是基础物性，如常压沸点、熔点、临 界温度、临界压力、临界比容、临界压 缩因子、偏心因子、偶极矩等；
二是与温度相关的热力学性质，如气 体的热容、粘度、导热系数，液体的 蒸气压、蒸发焓、密度、热容、导热 系数等；
第7页/共45页
1.1.1从文献中查找 • 1.1.1.2 外文工具书 • ⑵ CRC handbook of chemistry and physics，美国CRC Press公司出版。其中含 有约20000种物质的准确、可靠和最新的化学物理数据。第1版于1913问世，此后 几乎逐年进行修订再版，后来又改为每两年再版一次，内容不断扩充更新。目前 最新版本为2012年出版的第92版(网络版)，其主要目录见表1-4。
2
第2页/共45页
1.1 化工物性数据的查询
• 1.1.1从文献中查找 • 1.1.1.1 中文工具书 • ⑴ 化工辞典，王箴主编，化学工业出版
社出版. • 最新版本是2000年出的第4版，共收词
16000余条。
3
第3页/共45页
1.1.1从文献中查找 • 1.1.1.1 中文工具书 • ⑵ 石油化工基础数据手册,卢焕章主编，化学 工业出版社1982. • 共两篇，第一篇介绍各种化工介质物理、化学 性质和数据的计算方法；第二篇将387个化合 物的各种数据列成表格．以供查阅。 • 这些数据包括临界参数，及其在一定温度、压 力范围内的饱和蒸汽压、汽化热、热容、密度、 粘度、导热系数、表面张力、压缩因子、偏心 因子等16个物理参数。 • 1993年,化学工业出版社出版了由马沛生主编 的石油化工基础数据手册续编，包含552个新 化合物的21项物性。
14
第14页/共45页
1.2 纯物质的物性估算
纯物质物性估算 一般包括3个方面
一是基础物性，如常压沸点、熔点、临 界温度、临界压力、临界比容、临界压 缩因子、偏心因子、偶极矩等；
二是与温度相关的热力学性质，如气 体的热容、粘度、导热系数，液体的 蒸气压、蒸发焓、密度、热容、导热 系数等；
基于ASPEN PLUS的甲醇和苯烷基化反应热力学分析
基于ASPEN PLUS的甲醇和苯烷基化反应热力学分析冯志武;胡博;郭旭青【摘要】利用ASPEN PLUS软件进行了甲醇和苯烷基化过程的热力学研究,计算了非标准状态下的反应焓、反应熵及反应吉布斯自由能变,为该反应体系提供了非标准状态下的热力学依据.研究结果表明,利用ASPEN PLUS软件的纯组分物性分析计算非标准状态的热力学数据可以大大减少人工计算量.甲醇和苯烷基化反应的反应焓变、反应熵变和反应吉布斯自由能变随压力变化不大,温度一定时,该体系中主副反应的热力学数据均可当作常数.该体系的主副反应均为放热反应,反应启动后,可以依靠体系放出的热量维持反应进行.除生成甲苯的反应为熵增反应外,其余反应均为熵减反应.从平衡常数看,该反应体系中乙苯、丙苯、异丙苯、二甲醚等副产物很可能不存在,甲醇作为原料并没有全部参与烷基化反应.【期刊名称】《山西化工》【年(卷),期】2019(039)001【总页数】6页(P16-21)【关键词】甲醇;苯;烷基化;ASPENPLUS【作者】冯志武;胡博;郭旭青【作者单位】阳泉煤业化工集团有限责任公司,山西太原 030021;阳泉煤业化工集团有限责任公司,山西太原 030021;阳泉煤业化工集团有限责任公司,山西太原030021【正文语种】中文【中图分类】TQ626引言甲醇和苯是用途广泛的基础有机化工原料。
近年来，随着煤化工的迅猛发展，我国甲醇和苯的产能迅速增加。
到2017年，我国甲醇产能达到了7 855.5万t，但开工率在50%～60%，纯苯的产能达到了1 250万t/a，而总产量为510.41万t，甲醇和苯的产能严重过剩。
因此，增加甲醇和苯下游衍生物的需求是化解产能过剩的有效途径。
甲醇和苯烷基化反应得到的混合芳烃广泛应用于炼油、乙烯、对二甲苯(PX)、精对苯二甲酸(PTA)、聚酯(PET)、合成纤维、塑料加工等领域，是重要的化工原料，其下游产品广泛应用于高端合成材料、有机原料及各种中间体的制造[1]，而我国的混合芳烃主要依赖进口，近年来进口量超过1 000万t。
2-07生成焓计算
( H 2 H1 ) C P , 2 C P ,1 T p
H C P T p
定积分式
m
H T2
H T1
dH C P dT
T2 T1
r H (T2 ) r H (T1 ) (a bT cT 2 )dT
m
r H m (T1 ) a(T2 T1 )
b 2 c 3 (T2 T12 ) (T2 T13 ) 2 3
基氏公式微分式
8
例题 在一绝热刚性容器中发生下列反应 V = 1dm3 H2 (g)+ Cl2 (g) = 2 HCl (g) fHm(HCl, g ) = - 92.0 kJ mol-1 T1= 25℃=298K p1= 2 atm = 202.65 kPa
298.15K
1
式中
rCp, m= －aCp, A－bCp, B ＋ lCp, L＋mCp, M
－a Cp, A = ( aA + bAT + cAT 2 )×（－a ） －b Cp, B = ( aB + bBT + cBT 2 )×（－b ）
+
l Cp, L = ( aL + bLT + cLT 2 ) ×l m Cp, M = ( aM + bMT + cMT 2 ) ×m △a = BaB △b= BbB △c= BcB
1. 标准摩尔生成焓
T (标准态)
由标准摩尔生成焓计算标准摩尔反应焓
r H m (T )
T (标准态)
Fe3O4 + 4 C H1 = fHm(Fe3O4 ）
3 Fe + 4CO H2 = 4fHm(CO）
Aspen HX-NET的使用
需要输入的物流数据包括物流名称（name） 、初温（InletT）、终温(outletT)、热负 荷(Enthalpy)或热流率(MCp）。输入时请 注意单位要对应。
2、生成合成物流温焓图（如右下图）。物流数 据输完后，点击case表左下角的“Open Targets viea”快捷键（如上页图中所示）进入case Targets界面。点击“Plots/Table”生成合成物 流温焓图，如下图所示。
35°
152°
42°
s5 8300Hale Waihona Puke 247°50°
5.查看换热网络报告，根据跨夹点换热情 况，做出优化方案。 点击工具兰的跨夹点报告快捷键，便可看 到换热网络中跨夹点的请况。
习题：在HX-net中做出下图换热网络
s1 278° 9123 s2 134° 1543 s3 72 s4 2400 78°
4500
1100
1800
45° 1300
45°
Aspen HX-net的使用
报告人 广州优华过程技术有限公司 2009年09月28日
1
1、打开Aspen HX-net 的界面，新建文件夹。 点击“managers”→“Heat Integration manager”进入左下图界面,选择“HI case”再 点击“Add”添加新case。打开case中的 “Process streams”输入物流数据。
4.进行换热网络的设计，完成换热器数据 输入。点击case表左下角的“Open Hen Grid Dingram”快捷键进入case Hen Design界面（下图）。
换热器设计方法如下:点击case Hen Design （如 上页图所示）右下角扳手状的黄色小图标，弹出 设计工具栏“Design Tools”连线互相换热的冷 、热物流，双击连线，进如右图设计界面，输入 图中红圈指示的条件 （只需输入其中的三个条件 ，注意条件不要重复矛盾）
AspenPlus应用基础反应器
指定相对于每一单位质量非惰性进料 而言，RYield出口物流中各种组分间的 相对产率。并设定进料中的惰性组分。
RYield — 示例（1）
甲烷与水蒸汽在镍催化剂下的转化反应为：
C4 H 22 H O C2 O 42 H
原料气中甲烷与水蒸汽的摩尔比为14，流量为 100 kmol/hr。反应在恒压及等温条件下进行，系统 总压为0.1013 MPa，温度为750 ℃，如果反应器出口 物流中摩尔比率CH4 H2O : CO2 : H2等于1 : 2 : 3 : 4 时，CO2和H2的产量是多少？需要移走的反应热负荷 是多少？此结果是否满足总质量平衡？是否满足元素 平衡？
留留占在所时时的反占间间体应的和和积器体气所分中积相占率的。/的凝。停体聚留积相时分所间率占。。的体积分率。
RCSTR —— 选择反应
RCSTR中的化学反应通 过选用预定义的化学反应对 象来设定。
Reactions — 化学反应对象
用途：为三类动力学反应器模 块和RadFrac 模块提供反 应的计量关系、平衡关 系和动力学关系。
RYield — 示例（2）
若在示例（1）的原料气中 加入 25 kmol/hr 氮气，其余条 件不变，计算结果会发生什么 变化？
RYield — 示例（3）
以示例（2）的结果为基础， 在Ryied模块的产率设置项中 将氮气设置为惰性组份，重新 计算，结果如何？
热力学平衡类反应器
根据热力学平衡条件计算反应结果， 不考虑动力学可行性。
1、模型设定 (Specifications) 2、产物 (Products) 3、物流指定 (Assign Steams) 4、惰性物 (Inerts) 5、限制平衡 (Restricted Equilibrium)
RYield — 示例（1）
甲烷与水蒸汽在镍催化剂下的转化反应为：
C4 H 22 H O C2 O 42 H
原料气中甲烷与水蒸汽的摩尔比为14，流量为 100 kmol/hr。反应在恒压及等温条件下进行，系统 总压为0.1013 MPa，温度为750 ℃，如果反应器出口 物流中摩尔比率CH4 H2O : CO2 : H2等于1 : 2 : 3 : 4 时，CO2和H2的产量是多少？需要移走的反应热负荷 是多少？此结果是否满足总质量平衡？是否满足元素 平衡？
留留占在所时时的反占间间体应的和和积器体气所分中积相占率的。/的凝。停体聚留积相时分所间率占。。的体积分率。
RCSTR —— 选择反应
RCSTR中的化学反应通 过选用预定义的化学反应对 象来设定。
Reactions — 化学反应对象
用途：为三类动力学反应器模 块和RadFrac 模块提供反 应的计量关系、平衡关 系和动力学关系。
RYield — 示例（2）
若在示例（1）的原料气中 加入 25 kmol/hr 氮气，其余条 件不变，计算结果会发生什么 变化？
RYield — 示例（3）
以示例（2）的结果为基础， 在Ryied模块的产率设置项中 将氮气设置为惰性组份，重新 计算，结果如何？
热力学平衡类反应器
根据热力学平衡条件计算反应结果， 不考虑动力学可行性。
1、模型设定 (Specifications) 2、产物 (Products) 3、物流指定 (Assign Steams) 4、惰性物 (Inerts) 5、限制平衡 (Restricted Equilibrium)
化学反应热与化学反应焓的计算
焓变与反应方向
焓变：表示反应过 程中的能量变化
反应方向：焓变影 响反应进行的方向
焓变与反应速率： 焓变影响反应速率
焓变与平衡常数： 焓变影响化学反应过程中的能量变化，与反应速率密切相关。 焓变越大，反应速率越快，反应所需时间越短。 焓变对反应速率的影响可以通过温度和压力等因素来调节。 了解焓变与反应速率的关系有助于更好地控制化学反应过程。
计算方法
定义：化学反应焓是指在一定温度和压力下，化学反应过程中所释放或吸收的热量，用符号ΔH 表示。
计算公式：ΔH=Σ(反应物焓)-Σ(产物焓)，其中Σ表示物质焓的加和。
注意事项：在计算过程中，需要注意反应物和产物的摩尔数以及焓值，以避免误差。
影响因素：化学反应焓受温度、压力、反应物和产物的性质等因素影响。
焓变是反应过程 中的能量变化， 与反应机理密切 相关。
过渡态是反应过 程中的中间状态， 具有较高的能量。
焓变的大小决定 了反应是否自发 进行，而过渡态 的稳定性决定了 反应速率。
通过了解焓变与 反应过渡态的关 系，可以更好地 理解反应机理和 反应条件。
焓变与反应速率常数的关系
焓变影响反应过 程中的能量变化， 进而影响反应速 率
焓变与熵变的关系
热力学第二定律
熵增原理：在封闭系统中，自发反 应总是向着熵增加的方向进行
热力学第二定律的意义：揭示了热 力学过程的方向性和限度，解释了 为什么有些反应能够自发进行
添加标题
添加标题
添加标题
添加标题
焓变与熵变的关系：在等温、等压 条件下，自发反应总是向着焓减少、 熵增加的方向进行
热力学第二定律的应用：用于判断 反应自发进行的方向和限度，以及 能源利用和环境保护等领域
化学反应焓的计算
定义：在标准状态下，25。C（298K）时，1mol
物质完全燃烧时的焓变，叫标准燃烧焓。
（数据见表2.1,P77 )
规定：燃烧产物
C CO2(g)；H H2O(l)；N C的燃烧热等于CO2的生成热。 O2燃烧热等于0.
N2(g)
5.化学反应焓计算
标准反应焓 rHӨm（kJ/mol） 定义：在标准状态下，25。C（298K）
= （ fH ）生成 - （ffH ）反应
C+H2+ nO2
rH
CH4+ nO2
cH1
CO2、H2O
cH2
rH = cH1 - cH2 = （ cH ）反应 - （cH ）生成
反应焓的计算
rHӨ = i fH = （ fHӨ ）生成 - （fHӨ ）反应 =（ cHӨ ）反应 - （cHӨ ）生成
状态变化前叫始态，状态变化后叫终态。
状态函数的特征和性质
两个特征：
1）对应一个状态有一个确定值。
2）状态函数的改变值只与始态和终态有关，
与变化的途径无关。
两种性质：
1）容量性质 其数值大小和系统中所含物质的量成正比，
(广度性质）
具有加和性。
2）强度性质 数值大小和系统中所含物质的量无关，
不具有加和性。
热力学第一定理
能量守恒与转化定律（如何表述？）
数学表达式： U = Q + W
就是说状态发生变化时，系统的热力学能变化 U等于系统从环境中吸收的热量Q加上环境对系 统所做的功W。 换句话说，系统的热力学能的变化，以热和功两 种方式体现出来。
功和热
功和热是在过程 中，系统←→环境之间 的能量交换，是伴随过 程而发生的，没有过程 就没有功和热。
化学反应热和焓的测量
电解法的原理
电解法是一种通过电解反应来测量化学反应热的方法。
电解法中，电流通过电解质溶液，使电解质溶液中的离子发生电化学反应，产生热量。
电解法的原理是基于法拉第定律，即电流通过电解质溶液时，产生的热量与电流强度、电解质溶液的电阻和电解质溶液的浓度有关。
电解法的优点是可以直接测量化学反应热，而不需要间接计算。
a. 准备反应物和反应条件b. 测量反应开始和结束时的温度c. 计算热量变化d. 计算反应热和焓
单击此处输入你的项正文，文字是您思想的提炼
热化学法
原理：通过测量化学反应前后的温度变化来计算反应热和焓
仪器：需要温度计和热电偶等设备
步骤：首先，测量反应物和产物的温度；然后，计算反应前后的温度变化；最后，根据温度变化计算反应热和焓
避免热量损失：使用保温材料包裹反应容器，减少热量损失，提高测量准确性。
准确计算焓变：根据反应物的质量和反应热，准确计算焓变，避免计算误差。
重复实验：进行多次实验，确保测量结果的可靠性和准确性。
气体法注意事项
气体的纯度：确保气体的纯度，避免杂质影响测量结果
气体的压力：控制气体的压力，使其在规定的范围内
THANK YOU
汇报人：XX
气体的流量：调节气体的流量，使其稳定且均匀
气体的温度：保持气体的温度恒定，避免温度变化影响测量结果
电解法注意事项
电解池的构造：选择合适的电极材料和电解液
测量时间：选择合适的测量时间，避免过长或过短的测量时间影响测量结果
温度控制：保持电解池温度恒定，避免温度过高或过低
电流控制：保持电流稳定，避免过大的电流波动
热化学法的局限性：需要精确测量反应前后的温度变化，因此对实验设备和操作技术要求较高。
电解法是一种通过电解反应来测量化学反应热的方法。
电解法中，电流通过电解质溶液，使电解质溶液中的离子发生电化学反应，产生热量。
电解法的原理是基于法拉第定律，即电流通过电解质溶液时，产生的热量与电流强度、电解质溶液的电阻和电解质溶液的浓度有关。
电解法的优点是可以直接测量化学反应热，而不需要间接计算。
a. 准备反应物和反应条件b. 测量反应开始和结束时的温度c. 计算热量变化d. 计算反应热和焓
单击此处输入你的项正文，文字是您思想的提炼
热化学法
原理：通过测量化学反应前后的温度变化来计算反应热和焓
仪器：需要温度计和热电偶等设备
步骤：首先，测量反应物和产物的温度；然后，计算反应前后的温度变化；最后，根据温度变化计算反应热和焓
避免热量损失：使用保温材料包裹反应容器，减少热量损失，提高测量准确性。
准确计算焓变：根据反应物的质量和反应热，准确计算焓变，避免计算误差。
重复实验：进行多次实验，确保测量结果的可靠性和准确性。
气体法注意事项
气体的纯度：确保气体的纯度，避免杂质影响测量结果
气体的压力：控制气体的压力，使其在规定的范围内
THANK YOU
汇报人：XX
气体的流量：调节气体的流量，使其稳定且均匀
气体的温度：保持气体的温度恒定，避免温度变化影响测量结果
电解法注意事项
电解池的构造：选择合适的电极材料和电解液
测量时间：选择合适的测量时间，避免过长或过短的测量时间影响测量结果
温度控制：保持电解池温度恒定，避免温度过高或过低
电流控制：保持电流稳定，避免过大的电流波动
热化学法的局限性：需要精确测量反应前后的温度变化，因此对实验设备和操作技术要求较高。
2-8标准摩尔反应焓的计算
H2(g) 0 28.82
-74.81 35.31
C p,m /J· mol-1· K-1
20
T =1000K
CH4 (g) 2H2O(g) CO2 (g) 4H2 (g)
r Cp, m BCp, m,B
Cp,m ( CO2 ,g ) 4 Cp,m ( H2 ,g ) Cp,m ( CH4 ,g ) 2 Cp,m ( H2O,g )
19
Δ H 例2.8.1：求1000K下，下列反应的 r m CH4 (g) 2H2O(g) CO2 (g) 4H2 (g)
已知各物质在298.15K下的热力学数据： CH4(g)
Δf Hm /kJ· mol-1
H2O(g) -241.82 33.58
CO2(g) -393.51 37.10
r H m f H m (H2O,l) c Hm (H2,g)
11
(3)标准摩尔生成焓与标准摩尔燃烧反应焓间的相互关系：
rHmθ
fHm cHm
说明： fHm： 指生成 1 mol 产物
cHm ：燃烧 1 mol 反应物 rHm ：按计量式进行的反应 rHm= fHm(C6H5· C2H3)
CO + ½O2(g) = CO2(g)
r H m f H m (CO2)
H2(g) + 0.5O2(g) = H2O (g)
c H m(CO,g)
r H m f H m (H2O,g) c H m (H2,g)
2H2(g) + O2(g) = 2H2O (l)
= 199.97kJ· mol-1
21
若在温度区间 T1 到T2 范围内，反应物或产物有相变化