第三章 能量衡算

Q1+ Q2+ Q3= Q4+ Q5+ Q6
Q1——物料带入热量； Q2——加热介质供给或输出的热量，输入为正，输出为负；
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Q3——过程的热效应，吸正放负； Q4——物料带出热量； Q5——消耗在加热设备各部件上的热量； Q6——设备向四周的散热损失；
⑵ 热量衡算的步骤
① 建立单位时间为基准的物料流程图或物料平衡表。 ②选定计算基准温度和计算相态：可选0℃(273K)、25℃(298K)或其
4NH3(气)+5O2(气)
4NO(气)+6H2O (气)
此反应在25℃、101.3kPa的反应热为=-
904.6kJ/mol。现有25℃100mol NH3/h和 200mol O2/h连续进入反应器，氨在反应器内全部
反应，产物在300℃呈气态离开反应器。操作压力为
101.3kPa，计算反应器应输入或输出地热量。
加热至50 ℃，压力为34.8mmHg。液相中苯的浓度
为0.4，汽相中苯的浓度为0.684，问1kmol苯、甲苯
第 三
混合液经过汽化室要吸收多少热量？
章
物 料 衡 算 与 能 量 衡 算
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（三）以标准反应热为基础进行衡算
一、反应热
在化学反应中放出的热量取决于反应条件。在标准条件下 ，纯组分、压力为0.1MPa、温度为25℃（并非一定需要），反 应进行时放出的热量称为标准反应热。
O2 200 0 75 635.25 H2O (气)
150 1435.5
已知氨的消耗量为100mol/h，反应的标准反应热
H
0 r
=-904.6kJ/mol，则反应放出的热量：
nAR
H
0 r
100 (904.6)
22615kJ
/h
A
4
H

H
0 r

输出ni Hi
第 对于简单反应过程，假定位能与动能忽略不计则：
三
章 物
H H1 Hr0,298K H2
料 衡
式中, H为1 进反应器物料在等压变温过程中的焓变和有相变时的焓变
算
之和：
与
能 量
H 2为出反应器物料在等压变温过程中的焓变和有相变时的焓变之和：
衡
算
9
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例3-7 氨氧化反应器的能量衡算氨氧化反应式为：
➢ 开发出针对我国石化企业，覆盖主要生产装置的流程模拟、过程控 制好过程优化软件将具有很强的市场竞争力。
25℃,
O2 200mol/h NH3 100mol/h
反应器 Q/(kJ/h)
300℃,
O2 75mol/h H2O 150mol/h NO 100 mol/h
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解 由物料衡算得到的各组分的摩尔流量示于图3-7中。

算焓时的基准态：25℃，101.3kPa NO(气)，H2O (气)。
解 物料衡算结果示于图中 取101.3kPa及25℃时生成各个反应物和产物的各种 单质（即C、O2、H2）为基准，非反应物质N2也 取101.3kPa及25℃为基准（因25℃是气体平均摩尔 热容的参考温度）。
现将各个焓值计算如下：
第 三 章
物 料 衡 算 与 能 量 衡 算
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二、三种化工模拟软件的对比 ➢ 一般认为，PROII在炼油工业应用更为准确些，因其数据库中有不少
经验数据；而ASPEN在化工领域表现更好。 ➢ HYSYS主要用于天然气的加工处理及炼油工业。 ➢ Aspen plus 计算较准确，数据库比较完善。不过由于它考虑的方面非
常全面，所以学起来比较费劲。
U = Q + W 若体系与环境没有功的交换，即W = 0，则：
Q =U 2. 流动体系的能量衡算方程——物料连续通过边界进出
能量输入速率-能量输出速率=能量积累速率
连续稳定流动过程的总能量衡算方程为：
U gz 1 u 2 ( pv) Q W 2
H

gz

1 u 2 2
PRO/II 流程模拟软件 PRO/II 由美国模拟科学（SIMSCI）公司研发提供的。是目前石
油化工行业最全面的流程模拟软件，已被广泛地应用于化学过程的严 格的质量和能量平衡。
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西安石油大学2006年也购买了该软件，20个用户终端。 PRO/II流程模拟软件功能特点 适用行业：油/气加工、炼油、化工、化学工程、建筑、聚合物、精 细化工/制药 模拟应用：新工艺设计、评估改变的装置配置、改进现有装置、消除 装置工艺瓶颈、优化和改进装置产量和效益。 组份数据库：2000多纯组分库、1900多组分/种类电解质库等。 混合物数据：用于3000多VLE二元作用参数、2200在线共沸混合物用 于参数估算、专用数据包等。 热力学计算方法：60多个热力学模型。 热力学数据：特殊包：胺，乙二醇，酒精；超过5000个二元交互参数； 专用的水溶性数据；超过550个Henry系数；二元交互参数预测；热力 学数据回归。
NH3(气)，O2(气)，
因此进口两股物料的焓均为零。计算出口物料的焓：
由手册查得300℃时O2 与H2O的值：
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将计算出的焓值填入进、出口焓表，见表3-6
表3-6氨氧化反应器的能量衡算
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物料 n进 H进 N出 H出 NH3 100 0
物料 NO
n进 H进 N出 H出 100 845.3
三、化工模拟软件存在问题 ➢ 还没有成熟的化工软化可用于石油化工过程部分主要装置的模拟（如
催化裂化、加氢裂化的反应部分）。 ➢ 国际上大的从事流程模拟的公司在模型上实行技术封锁，我国的石化
企业长期几乎完全依赖外国相关产品，现有产品价格昂贵。
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➢ 现有产品主要集中在比较成熟的精馏过程的建模和优化，在其他一 些主要装置，如反应器、反应精馏、聚合等过程还没有模型或只有 简单的模型，对石化企业好设计部门来说，花巨资购买的软件只能 在某些装置上使用。
热锅炉冷却，废热锅炉产生4.5atm的饱和蒸汽。已知
进水温度为20℃，压力为4.5atm，进料水与甲醇的
摩尔比为0.2。假如锅炉是绝热操作，求甲醇的出口温
第 三
度。
章
物 料 衡 算 与 能 量 衡 算
（二）相变过程的热量衡算
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例2 浓度为0.5（摩尔分数）的苯、甲苯混合液，温
度为10 ℃，连续加入汽化室内，在汽化室内混合物被
其中,
niHi

nn
n
ni
H
0 f
,298
K

T2
298 niCP,idT
n
H
/ i ,298
K
i 1
i 1
n i 是组分i的量（kmol/h）；
H
0 f
,298K
是组分i的标准生成热(kJ/mol)；
C P,i 是组分i的等压热容(kJ/mol.K)；
H i,298K 是进料组分i在基准温度下从进料相态变为基准相态时
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物料 n进
表3-7甲烷反应器的能量衡算
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H进 n出 H出 物料 n进 H进 n出 H出
CH4 100 -
60
74.8
5
- HC 69.9 HO 5
30 114. 74
O2 100 2.23 50 3.78 CO2
5
5
10 388. 4
N 2 376 2.18 376 3.65 H2O
输入 niHi 22615 （635.25 845.3 1435.5） 0
19700kJ / h
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（四）以标准生成热为基础进行衡算
一、生成热
在标准状态下，由构成组成的元素生成1mol组分
时的焓差。任何反应的标准反应热可以由反应物和生
成物的生成热计算得到。反之，组分的生成热也可以
的相变热(kJ/mol)；
H
/ i,298K
是出料组分i在基准温度下从基准相态变为出料相态时
的相变热(kJ/mol)。
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例3-8 甲烷在连续式反应器中用空气氧化生产甲醛，副反应 是甲烷完全氧化生成CO2和H2O。
CH4(气)+O2 HCHO(气)+ H2O(气) CH4(气)+2O2 CO2+2 H2O(气)

Q Ws
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3. 热量衡算式及说明
⑴ 热量衡算式
在反应器、蒸馏塔、蒸发器、换热器等化工设备中，W、Ek、
Ez与Q、 U和H的相比，可以忽略。总能量衡算式为：
封闭体系
Q = ∆U
敞开体系
Q = ∆H
对这些设备做能量衡算的实质就是进行热量衡算。
连续稳定流动体系的热量衡算：
Q = H1–H2 或 Q = U1 –U2 实际计算时，还常使用下式： Qin = Qout
能量衡算的基本方程式 根据热力学第一定律，能量衡算方程可写为： Q+W=ΔE =ΔEk+ΔEp+U
W = Wt +Ws，Wt为流动功，Ws为轴功；
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1. 封闭体系的能量衡算方程 封闭体系特点：与环境只有能量交换，而无物质交换，如间歇操作过 程，体系物质的动能、位能、压力能无变化，则：
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设计化工单元操作：闪蒸罐，间歇精馏器，蒸馏器，液－液抽提精馏 器，侧线塔，压缩机，结晶器，旋流器，减压设备，溶解器，膨胀机， 闪蒸，带有固体的闪蒸，LNG多股流换热器，精确核算型换热器， 简单换热器，严格空冷器模型，加热/冷却曲线，混合器，相包络， 管道，聚合物反应器，泵，回流泵，阀，刮膜式蒸发器，平衡反应器， 转换反应器，吉布斯反应器，塞流反应器，平推流反应器，全混流反 应器， 间歇式反应器，固态颗粒分离器，分裂器，单变量控制器， 多变量的控制器，物流计算器，流程优化器，过程数据，用户自定义 操作单元，(电解质模块，SIMSCI外接的模块)等。 用户扩展功能：用户自定义物流属性包；增加用户组份数据；增加热 力学计算方法；增加自定义操作单元模块120个；增加自定义计算模 型7个；增加自定义电解质模型20个等。 分析工具：工况研究、优化器、单相变量控制器、多相变量控制器、 加热/冷却曲线等。
7
5
50 237. 56
Q H (ni Hi )输出 ni Hi 进入=-21840.8- (-6439.2)≈-15401 kJ/mol
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在一绝热反应器内进行下列反应：
CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g) 反应物在300℃,1atm下按化学计量比进入反应器，无惰性物、反应 进行完全。试计算该绝热反应器出口物料的温度。
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化工设计
第三章 物料衡算与能量衡算 Chart3 materiel balance and energy balance
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3.1 物料衡算 3.2 能量衡算 3.3 化工模拟软件在化工设计中的应用
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化工生产中，需要通过能量衡算解决的问题： ⑴ 确定物料输送机械和其他操作机械所需功率。 ⑵ 确定各单元过程所需热量或冷量及其传递速率。 ⑶ 化学反应所需的放热速率和供热速率。 ⑷ 做好余热综合利用。
以100mol进反应器的甲烷为基准，物料流程图如示。
25℃,CH4 100mol
100℃,O2 100mol N2 376 mol
反应器 Q
150℃,CH4 60mol HCHO(气) 30mol
CO2 10mol H2O(气) 50mol O2 50mol N2 376 mol
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第 由反应热计算得到。
三
章
物
料
Q H
衡
(ni Hi )输出
ni Hi 进入
算
与
能
量
衡
算
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进入反应器物料的热焓：
niHi

nn
n
来自百度文库
ni
H
0 f
,298 K

298 K
T1 niCP,idT
n
H i,298K
i 1
i 1
出反应器物料的热焓：
他温度作为基准温度。 ③在物料流程图上标明已知温度、压力、相态等条件，查出或计算每
个物料的焓值，标注在图上。 ④ 列出热量衡算式，用数学方法求解。 ⑤ 当生产过程及物料组成较复杂时，可列出热量衡算表。
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（一）无相变的变温变压过程的能量衡算
例1 甲醇蒸汽离开合成设备时的温度为450℃，经废
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4.3 化工模拟软件在化工设计中的应用
计算机用于化工设计的主要环节： ➢物性数据检索(物理性质、热力学性质数据)； ➢化工过程模拟设计(CAPD)； ➢计算机辅助绘图设计(CAD)； ➢计算机辅助工程(CAE)等
目前用的较多的化工流程模拟计算软件有PRO/II、HYSYS、 ASPEN PLUS等。