【正文】 %。 此過程即為循環(huán)過程 。 上圖中 ， 進反應器 （ 或無化學反應的過程 ） 的物料 MF是由新鮮原料 F與循環(huán)物料 R混合而成 ， 從反應器出來的產(chǎn)物 RP經(jīng)分離器分成產(chǎn)品 P和循環(huán)物料 R。 但是 ， 如果原料中含有不反應的雜質或惰性物質 ， 經(jīng)長時間的循環(huán)會使其濃度逐漸增加 ， 因此就必須把一部分循環(huán)物料不斷地排放掉 ，以維持進料中雜質的含量不再增大 。 圖中 W為排放物料 ， 即從分離器出來的分離產(chǎn)物 S分為兩部分 ， 一部分為排放物料 W， 另一部分為循環(huán)物料 R。 89 物料衡算 上圖包括以下幾個衡算體系 ， 用虛線表示 。 通常對有循環(huán)過程的物料衡算 ， 若已知總轉化率 ， 可以先做總物料衡算 ，若已知單程轉化率 ， 則可以先從反應器衡算做起 。 這類過程的物料衡算與循環(huán)過程的物料衡算相類似 ， 計算時應注意結點平衡 。 反應生成物經(jīng)分離器分成產(chǎn)物 P和循環(huán)物料 R。 循環(huán)物料中含有 C3H8和 C3H6， 其中 C3H6量是產(chǎn)物中 C3H6量的 5%。 解： 92 物料衡算 基準 ：新鮮原料 100 kmol/h C3H8 93 物料衡算 94 ?例： 苯乙烯制取過程如下圖所示 ， 先由乙烯與苯反應生成乙苯 ， 然后將乙苯脫氫制取苯乙烯： C2H4+C6H6 C6H5C2H5 C6H5C2H5 C6H5C2H3+H2 乙苯反應是在 560 K、 600 kPa， 在催化劑作用下 ， 乙烯與苯的摩爾比為1:5進行氣相合成的 。乙烯的轉化率為 100%。 物料衡算 95 反應中 ， 副反應生成的物質與苯乙烯質量之比：苯與甲苯為 7%， 膠狀物質為 2%， 廢氣為 7%。 反應后未反應的乙苯分離后循環(huán)返回乙苯脫氫裝置 。 物料衡算 96 苯乙烯制取過程 烷基化 苯，甲苯塔 苯 塔 乙 苯 塔 乙 苯 塔 苯 乙 烯 乙苯 脫氫 乙烯 多烷基苯 苯 ， 甲苯 苯乙烯 苯 重物質 R1 R2 物料衡算 97 解 基準 : 100 kmol乙烯 ⒈ 烷基化反應 設苯的循環(huán)量為 R1 100/(100+R1) =1/5； R1=400 kmol ⒉ 設乙苯的循環(huán)量為 R2 (100+R2) =R2 R2= kmol ⒊ 生成苯乙烯 （ S） S=(100+) =90 kmol=9378 kg 苯 ， 甲苯為 9378 = kg 廢氣為 9378 = kg 膠狀物質為 9378 = kg 未反應的乙苯為 (100+) （ ） = kmol= kg 餾出液 （ 乙苯 ） 為 kg 釜底液 （ 苯乙烯 +膠狀物質 ） 為 += kg 物料衡算 98 ⒋ 進料乙苯 為 50000 100 未反應的乙苯 =循環(huán)乙苯為 50000（ ） =37750 t 苯，甲苯 為 50000（ ） =3500 t 廢氣 為 3500 t 膠狀物質 為 50000（ ） =1000 t 反應器應供給的過熱水蒸氣 =50000+37750+3500+3500+10005662137750=1379 t 物料衡算 99 輸 入 輸 出 原料 t 生成物 t 乙苯 56621 苯乙烯 50000 循環(huán)乙苯 37750 未反應乙苯 37750 過熱水蒸氣 1379 苯，甲苯 3500 廢氣 3500 膠狀物質 1000 Σ 95750 Σ 95750 乙苯脫氫裝置的物料衡算（苯乙烯 50000 t） 物料衡算 100 能量衡算 能量衡算的依據(jù) 能量衡算方程式 能量衡算 101 ?在化工生產(chǎn)中 ， 能量的消耗 是一項重要的技術經(jīng)濟指標 ， 它是衡量工藝過程 、 設備設計 、操作制度是否先進合理的主要指標之一 。 能量衡算 102 能量衡算 在化工生產(chǎn)中 ， 需要通過能量衡算解決的問題： ① 確定物料輸送機械和其它操作機械所需 功率 ； ② 確定各單元過程所需 熱量或者冷量 及其 傳遞速率 ； ③ 化學反應所需的 放熱速率 和 供熱速率 ； ④ 做好 余熱綜合利用 ； ⑤ 最終確定 總需求能量和能量的費用 。 能量衡算 104 能量衡算的依據(jù) ?能量守恒定律 輸入能量 +生成能量 =消耗能量 +積累能量 +輸出能量 能量衡算 105 I. 封閉體系的能量衡算方程 封閉體系特點：與環(huán)境只有能量交換 ， 沒有物質交換 。 1. 對有些化工過程如 流體流動過程 ， 此時傳熱量的變化較其他小 ， 次要 。 化工原理中的流體流動 柏努力方程 。 此時（ 無外功 W=0） 能量衡算簡化為熱量衡算 。 也可以 100 mol 或 100 kmol 原料為基準 ， 但前者更常用 。 能量衡算 112 ③ 選定計算基準 （ 溫度和相態(tài) ） 。 由于手冊 、 文獻上查到的熱力學數(shù)據(jù)大多是 298 K時的數(shù)據(jù) ， 故選298 K為基準溫度 ， 計算比較方便 。 ⑤ 當生產(chǎn)過程及物料組成較復雜時 ， 可以 列出熱量衡算表 。 如產(chǎn)生的蒸汽是鍋爐壓力下的飽和蒸汽 ， 計算每分鐘要供應鍋爐多少千焦的熱量 。 解： 114 能量衡算 1. 作水的物料衡算 ， 可知產(chǎn)生的蒸汽流量應為 295 kg/min。 查得的數(shù)據(jù)已填入流程圖中 。 能量衡算 116 III. 無化學反應過程的熱量衡算 ?無化學反應過程的能量衡算 ， 一般指進出過程物料的 焓差 熱量衡算 。 能量衡算 117 ?途經(jīng)各個階段的類型有 5種 ， 即 ： T時 P的變化 P時 T的變化 T恒 P時相態(tài)的變化 T恒 P時混合和分離 T恒 P時的反應過程 前 4種已學 （ 無相變 、 有相變 、 混合熱等的計算 ） 下面重點講 反應過程的熱量衡算 。 為了使反應溫度得到控制 ， 必須自反應體系排走或向反應供給熱量 ， 即反應器也須有供給或冷卻用的換熱設備 ， 這些都需進行反應過程的熱量衡算 。 Qp=△ Hr 注意 ：一定的△ Hr值是對一定的反應式而言的。 規(guī)定在標準態(tài)下 （ 1atm、 25℃ ） 處于 穩(wěn)定狀態(tài)的單質 的 △ Hf =0 2） 由標準生成熱計算標準反應熱 △ Hr 根據(jù)蓋斯定律 化學反應熱 只決定于物質的初態(tài)和終態(tài) ，與過程的途徑無關 ， 則： △ Hr= ∑生成物 ui（ △ Hf ） － ∑反應物 ui（ △ Hf） 能量衡算 123 能量衡算 △ Hr= (△ Hf ) CH4－ (2 (△ Hf ) H2+ (△ Hf ) C(石墨 ))= (△ Hf ) CH4 △ Hr= (△ Hf ) CH4－ (2 (△ Hf ) H2+ (△ Hf ) C(金剛石 )) = (△ Hf ) CH4 － (△ Hf ) C(金剛石 )) 124 2. 由標準燃燒熱△ Hc計算標準反應熱△ Hr 1）標準燃燒熱△ Hc 在 1atm、 25℃ 各種處于 穩(wěn)定狀態(tài)的物質 進行燃燒反應生成燃燒產(chǎn)物時的焓變。 2）由標準燃燒熱計算標準反應熱 根據(jù)蓋斯定律 化學反應熱只決定于物質的初態(tài)和終態(tài)，與過程的途徑無關，則： △ Hr= ∑ 反應物 ui（ △ Hc ） － ∑ 生成物 ui（ △ Hc ） 能量衡算 125 三、 化學反應過程的熱量衡算 ?把前述化工過程，加入有化學反應的焓差同前一起計算即可。對非反應物質另選適當?shù)臏囟然鶞省? 能量衡算 126 式中 , 為進反應器物料在等壓變溫過程中的焓變和有相變時的焓變之和； 為出反應器物料在等壓變溫過程中的焓變和有相變時的焓變之和 。 127 能量衡算 反應前反應物 溫度： T1 恒壓反應： 反應后產(chǎn)物 溫度： T2 反應前反應物 溫度： 298K 反應后產(chǎn)物 溫度： 298K 3 , 29 8iKHH ?? ? ? ?2 39。 39。2 29811=mmTi pi i iiiH n C dT n H??? ? ????12981 =nni pi i iTH n C dT n H? ? ?? 1 3 2H H H H? ? ? ? ? ? ?128 ?例： 氨氧化反應器的能量衡算氨氧化反應式為： 4NH3(氣 )+5O2(氣 ) =4NO(氣 )+6H2O (氣 ) 此反應在 25℃ 、 kPa的反應熱為 = kJ/mol。操作壓力為 kPa，計算反應器應輸入或輸出的熱量。 計算焓時的基準態(tài)： 25℃ ， kPa NH3(氣 )， O2(氣 )，NO(氣 )， H2O (氣 )。 計算出口物料的焓： 由手冊查得 300℃ 時 O2 與 H2O的值： 能量衡算 130 能量衡算 131 氨氧化反應器的能量衡算 物料 n進 (mol/h) H進 (mol/h) N出 (mol/h) H出 (mol/h) NH3 100 0 O2 200 0 75 NO 100 H2O (氣 ) 150 已知氨的消耗量為 100 mol/h，反應的標準反應熱 由此算出過程的 ΔH為 0 100 ( ) 2261 5 /4A R rAnH k J h?? ??? ? ?= kJ/mol，則反應放出的熱量： 0 2261 5 635 .25 845 .3 1435 .5 01970 0 k /r i i i iH H n H n HJh? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?????輸 出 輸 入 （ ）0r? 能量衡算 132 （二）以標準生成熱為基礎進行衡算 ? ?()i i i iout inQ H n H n H? ? ? ???進入反應器物料的熱焓： ? ? 1, 298 , , 2982981 1 1n n nTi i i f K i P i i i Kin Ki i in H n H n C dT n H?? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ??出反應器物料的熱焓： ? ? 239。 39。,29 8iK?其中 , 是組分 i的量 (kmol/h)； 是組分 i的標準生成熱 (kJ/mol)； 是組分 i的等壓熱容 (kJ/)； 是進料組分 i在基準溫度下 從基準相態(tài)變?yōu)檫M料相態(tài)時 的相變熱 (kJ/mol)； 是出料組分 i在基準溫度下從基準相態(tài)變?yōu)槌隽舷鄳B(tài)時的相變熱 (kJ/mol)。4 , 2981mi f KiH n H ?????3 , 2981ni f KiH n H ?????11 , 298 , , 2982981 1 1n n nTi f K i P i i KKi i iH n H n C dT H?? ? ?? ? ? ? ?? ? ?? 239。 39。 CH4(氣 )+O2 HCHO(氣 )+ H2O(氣 ) CH4(氣 )+2O2 CO2+2 H2O(氣 ) 以 100 mol進反應器的甲烷為基準，物料流程圖如示。 能量衡算 kJ 137 能量衡算 kJ/mol kJ kJ/mol kJ 138 能量衡算 (15025) (15025) kJ kJ 139 能量衡算 kJ kJ kJ/mol 140 能量衡算 kJ kJ kJ kJ/mol kJ/mol 141 ? ?( ) = ( 218 40. 8 ( 643 ) ) = 154 01k Ji i i iQ H n H n H? ? ? ??? 輸 出 輸 能量衡算 142 能量衡算 （一）以標準反應熱為基礎進行衡算 （二）以標準生成熱為基礎進行衡算 1 , 29 8 2rKH H H H?? ? ? ? ? ? ??? ?2139。 39。 兩種方法： 143 由標準生成熱 △ Hf計算標準反應熱 △ Hr 1） 標準生成熱 △ Hf 在 1atm、 25℃ 由 穩(wěn)定狀態(tài)的單質 生成 1 mol化合物 的恒壓反應熱