1、CHAPTER 5 ENERGY BALANCE 当物料衡算完成后当物料衡算完成后,对于没有热效应的过程对于没有热效应的过程,可直可直接根据物料衡算结果以及物料的性质、处理量和工接根据物料衡算结果以及物料的性质、处理量和工艺要求进行设备的工艺设计，以确定设备的型式、艺要求进行设备的工艺设计，以确定设备的型式、数量和主要工艺尺寸。而对于伴有热效应的过程数量和主要工艺尺寸。而对于伴有热效应的过程,则则还必须进行能量衡算还必须进行能量衡算,才能确定设备的主要工艺尺寸。才能确定设备的主要工艺尺寸。在药品生产中，无论是进行物理过程的设备在药品生产中，无论是进行物理过程的设备,还是进还是进行化学过程的设备
2、行化学过程的设备,大多存在一定的热效应大多存在一定的热效应,因此因此,通通常要进行能量衡算。常要进行能量衡算。5.1 Introduction 对于新设计的设备或装置，能量衡算的目的主要对于新设计的设备或装置，能量衡算的目的主要是为了确定设备或装置的热负荷。根据热负荷的大是为了确定设备或装置的热负荷。根据热负荷的大小以及物料的性质和工艺要求，可进一步确定传热小以及物料的性质和工艺要求，可进一步确定传热设备的型式、数量和主要工艺尺寸。此外，热负荷设备的型式、数量和主要工艺尺寸。此外，热负荷也是确定加热剂或冷却剂用量的依据。也是确定加热剂或冷却剂用量的依据。5.1 Introduction 在实际
3、生产中在实际生产中,根据需要根据需要,也可对已经投产的一台也可对已经投产的一台设备、一套装置、一个车间或整个工厂进行能量衡设备、一套装置、一个车间或整个工厂进行能量衡算算,以寻找能量利用的薄弱环节以寻找能量利用的薄弱环节,为完善能源管理、为完善能源管理、制定节能措施、降低单位能耗提供可靠的依据。制定节能措施、降低单位能耗提供可靠的依据。5.1 Introduction 能量衡算的依据是物料衡算结果以及为能量能量衡算的依据是物料衡算结果以及为能量衡算而收集的有关物料的热力学数据，如定压比衡算而收集的有关物料的热力学数据，如定压比热、相变热、反应热等。热、相变热、反应热等。能量衡算的理论基础是热力
4、学第一定律，即能能量衡算的理论基础是热力学第一定律，即能量守恒定律。能量有不同的表现形式，如内能、量守恒定律。能量有不同的表现形式，如内能、动能、势能、热能和功等。在药品生产中，热能动能、势能、热能和功等。在药品生产中，热能是最常见的能量表现形式，多数情况下，能量衡是最常见的能量表现形式，多数情况下，能量衡算可简化为热量衡算。算可简化为热量衡算。5.1 Introduction5.2.1 Energy balance Equations5.2.2 Calculations of various energy 5.2.3 Methods and Approaches5.2 Energy Bala
5、nce1Q物料C物料B蒸汽物料A4Q2Q3Q5Q6Q 当内能、动能、势能的变化量可以忽略且无轴功时，当内能、动能、势能的变化量可以忽略且无轴功时，输入系统的热量与离开系统的热量应平衡，由此可得出输入系统的热量与离开系统的热量应平衡，由此可得出传热设备的热量平衡方程式为传热设备的热量平衡方程式为 (5-1)式中式中Q1物料带入设备的热量，物料带入设备的热量，kJ；Q2加热剂或加热剂或冷却剂传给设备及所处理物料的热量，冷却剂传给设备及所处理物料的热量，kJ；Q3过程过程的热效应，的热效应，kJ；Q4物料带出设备的热量，物料带出设备的热量，kJ；Q5加热或冷却设备所消耗的热量或冷量，加热或冷却设备所
6、消耗的热量或冷量，kJ；Q6设备设备向环境散失的热量，向环境散失的热量，kJ。654321QQQQQQ5.2.1 Energy balance Equations 在上式时，应注意除在上式时，应注意除Q1和和Q4外，其它外，其它Q值都有正值都有正负两种情况。例如，当反应放热时，负两种情况。例如，当反应放热时，Q3取取“+”号；号；反之，当反应吸热时，反之，当反应吸热时，Q3取取“”号，这与热力学中号，这与热力学中的规定正好相反。的规定正好相反。654321QQQQQQ5.2.1 Energy balance Equations 由式由式(5-1)可求出可求出Q2，即设备的热负荷。若，即设备的热
7、负荷。若Q2为正值，为正值，表明需要向设备及所处理的物料提供热量，即需要加表明需要向设备及所处理的物料提供热量，即需要加热；反之，则表明需要从设备及所处理的物料移走热热；反之，则表明需要从设备及所处理的物料移走热量，即需要冷却。此外，对于间歇操作，由于不同时量，即需要冷却。此外，对于间歇操作，由于不同时间段内的操作情况可能不同，因此，应按不同的时间间段内的操作情况可能不同，因此，应按不同的时间段分别计算段分别计算Q2的值，并取其最大值作为设备热负荷的的值，并取其最大值作为设备热负荷的设计依据。设计依据。为求出为求出Q2，必须求出式，必须求出式(5-1)中其它各项热量的值。中其它各项热量的值。5
8、.2.1 Energy balance Equations(1)Criterion of Calculation(2)Calculations of Q1 or Q4(3)Calculation of Q3 (4)Calculation of Q5 (5)Calculation Q6 5.2.2 Calculations of various energy 在计算各项热量之前，首先要确定一个计在计算各项热量之前，首先要确定一个计算基准。一般情况下，可以算基准。一般情况下，可以0oC和和1.013 105 Pa为计算基准。对于有反应的过程，也常以为计算基准。对于有反应的过程，也常以25oC和和1
9、.013 105Pa为计算基准。为计算基准。(1)Criterion of Calculation 若物料在基准温度和实际温度之间没有相变化，则若物料在基准温度和实际温度之间没有相变化，则可利用定压比热计算物料所含有的显热，即可利用定压比热计算物料所含有的显热，即 (5-2)式中式中G输入或输出设备的物料量，输入或输出设备的物料量，kg；t0基准温基准温度，度，0C；t2物料的实际温度，物料的实际温度，0C；Cp物料的定压物料的定压比热，比热，kJ kg-1 oC-1。dtCGQQ20ttp41或(2)Calculations of Q1 or Q4 物料的定压比热与温度之间的函数关系常用多项
10、物料的定压比热与温度之间的函数关系常用多项式来表示，即式来表示，即 (5-3)或或 (5-4)式中式中a、b、c、d物质的特性常数，可从有关手物质的特性常数，可从有关手册查得。册查得。32pdtctbtaC2pctbtaC(2)Calculations of Q1 or Q4 若已知物料在所涉及温度范围内的平均定压比热，若已知物料在所涉及温度范围内的平均定压比热，则式则式(5-2)可简化为可简化为 (5-5)式中式中Cp物料在物料在(t0t2)oC范围内的平均定压比热，范围内的平均定压比热，kJ kg-1 oC-1。)tt(GCQQ02p41或(2)Calculations of Q1 or
11、Q4 过程的热效应由物理变化热和化学变化热两部过程的热效应由物理变化热和化学变化热两部分组成，即分组成，即 (5-6)式中式中 Qp物理变化热，物理变化热，kJ；Qc化学变化热，化学变化热，kJ。cp3QQQ(3)Calculations of Q3 物理变化热是指物料的浓度或状态发生改变时所产物理变化热是指物料的浓度或状态发生改变时所产生的热效应，如蒸发热、冷凝热、结晶热、熔融热、生的热效应，如蒸发热、冷凝热、结晶热、熔融热、升华热、凝华热、溶解热、稀释热等。如果所进行的升华热、凝华热、溶解热、稀释热等。如果所进行的过程为纯物理过程，无化学反应发生，如固体的溶解、过程为纯物理过程，无化学反应
12、发生，如固体的溶解、硝化混酸的配制、液体混合物的精馏等，则硝化混酸的配制、液体混合物的精馏等，则 。化学变化热是指组分之间发生化学反应时所产生的化学变化热是指组分之间发生化学反应时所产生的热效应，可根据物质的反应量和化学反应热计算。热效应，可根据物质的反应量和化学反应热计算。0cQ(3)Calculations of Q3 对于稳态操作过程，对于稳态操作过程，；对于非稳态操作过；对于非稳态操作过程，如开车、停车以及各种间歇操作过程，程，如开车、停车以及各种间歇操作过程，Q5可按下可按下式计算式计算 (5-7)式中式中G设备各部件的质量，设备各部件的质量，kg；Cp设备各部件设备各部件材料的平均
13、定压比热，材料的平均定压比热，kJ kg-1 oC-1；t1设备各部件设备各部件的初始温度，的初始温度，oC；t2设备各部件的最终温度，设备各部件的最终温度，oC。与其他各项热量相比，与其他各项热量相比，Q5的数值一般较小，因此，的数值一般较小，因此，Q5常可忽略不计。常可忽略不计。0Q5)tt(GCQ12p5(4)Calculations of Q5 设备向环境散失的热量设备向环境散失的热量Q6可用下式计算可用下式计算 (5-8)式中式中 T对流对流-辐射联合传热系数辐射联合传热系数,W m-2 oC-1；AW与周围介质直接接触的设备外表面积，与周围介质直接接触的设备外表面积，m2；tW与周
14、围介质直接接触的设备外表面温度，与周围介质直接接触的设备外表面温度，oC；t周围周围介质的温度，介质的温度，oC；散热过程持续的时间，散热过程持续的时间，s。3wwT610)tt(AQ(5)Calculations of Q6 对于有保温层的设备或管道，其外壁向周围介质对于有保温层的设备或管道，其外壁向周围介质散热的联合传热系数可用下列经验公式估算。散热的联合传热系数可用下列经验公式估算。(1)空气在保温层外作自然对流空气在保温层外作自然对流,且且 在平壁保温层外，在平壁保温层外，T可按下式估算可按下式估算 (5-9)在圆筒壁保温层外，在圆筒壁保温层外，T可按下式估算可按下式估算 (5-10)
15、C150t0W)tt(07.08.9WT)tt(052.04.9WT(5)Calculations of Q6 (2)空气沿粗糙壁面作强制对流空气沿粗糙壁面作强制对流 当空气流速不大于当空气流速不大于5m s-1时，时，T可按下式估算可按下式估算 (5-11)式中式中 u空气流速，空气流速，m s-1。当空气速度大于当空气速度大于5m s-1时，时，T可按下式估算可按下式估算 (5-12)(3)对于室内操作的釜式反应器，对于室内操作的釜式反应器，T的数值可近似的数值可近似取为取为10 W m-2 oC-1。u2.42.6T78.0Tu8.7(5)Calculations of Q6 (1)明确
16、衡算目的，如通过热量衡算确定某设备或明确衡算目的，如通过热量衡算确定某设备或装置的热负荷、加热剂或冷却剂的消耗量等数据。装置的热负荷、加热剂或冷却剂的消耗量等数据。(2)明确衡算对象，划定衡算范围，并绘出热量衡明确衡算对象，划定衡算范围，并绘出热量衡算示意图。为了计算方便，常结合物料衡算结果，将算示意图。为了计算方便，常结合物料衡算结果，将进出衡算范围的各股物料的数量、组成和温度等数据进出衡算范围的各股物料的数量、组成和温度等数据标在热量衡算示意图中。标在热量衡算示意图中。5.2.3 Methods and Approaches (3)收集与热量衡算有关的热力学数据，如收集与热量衡算有关的热力
17、学数据，如定压比热、相变热、反应热等。定压比热、相变热、反应热等。(4)选定衡算基准。选定衡算基准。(5)列出热量平衡方程式，进行热量衡算。列出热量平衡方程式，进行热量衡算。(6)编制热量平衡表。编制热量平衡表。5.2.3 Methods and Approaches5.3.1 Thermal in Physical changes 5.3.2 Thermal in Chemical changes5.3 Thermal Effects 物理变化热是指物料的状态或浓度发生变化时所物理变化热是指物料的状态或浓度发生变化时所产生的热效应，常见的有相变热和浓度变化热。产生的热效应，常见的有相变热和浓
18、度变化热。1.Thermal of Phase transition 2.Thermal of Concentration change 5.3.1 Thermal in Physical Changes 物质从一相转变至另一相的过程，称为相变过程，物质从一相转变至另一相的过程，称为相变过程，如蒸发、冷凝、熔融、结晶、升华、凝华都是常见的如蒸发、冷凝、熔融、结晶、升华、凝华都是常见的相变过程。相变过程常在恒温恒压下进行，所产生的相变过程。相变过程常在恒温恒压下进行，所产生的热效应称为相变热。由于相变过程中，体系的温度不热效应称为相变热。由于相变过程中，体系的温度不发生改变，故相变热常称为潜热。
19、蒸发、熔融、升华发生改变，故相变热常称为潜热。蒸发、熔融、升华过程要克服液体或固体分子间的相互吸引力，因此，过程要克服液体或固体分子间的相互吸引力，因此，这些过程均为吸热过程，按式这些过程均为吸热过程，按式(5-1)中的符号规定，其中的符号规定，其相变热为负值；反之，冷凝、结晶、凝华过程的相变相变热为负值；反之，冷凝、结晶、凝华过程的相变热为正值。热为正值。5.3.1 Thermal in Physical Changes 各种纯化合物的相变热可从有关手册、文各种纯化合物的相变热可从有关手册、文献中查得献中查得,但应注意相变热的单位及正负号。但应注意相变热的单位及正负号。一般热力学数据中的相变
20、热以吸热为正一般热力学数据中的相变热以吸热为正,放热放热为负为负,与式与式(5-1)中的符号规定正好相反中的符号规定正好相反。1.Thermal of Phase transition 恒温恒压下，溶液因浓度发生改变而产生的恒温恒压下，溶液因浓度发生改变而产生的热效应，称为浓度变化热。在药品生产中，以物热效应，称为浓度变化热。在药品生产中，以物质在水溶液中的浓度变化热最为常见。但除了某质在水溶液中的浓度变化热最为常见。但除了某些酸、碱水溶液的浓度变化热较大外，大多数物些酸、碱水溶液的浓度变化热较大外，大多数物质在水溶液的浓度变化热并不大，不会影响整个质在水溶液的浓度变化热并不大，不会影响整个过
21、程的热效应，因此，一般可不予考虑。过程的热效应，因此，一般可不予考虑。2.Thermal of Concentration change 某些物质在水溶液中的浓度变化热可直接从有关某些物质在水溶液中的浓度变化热可直接从有关手册或资料中查得，也可根据溶解热或稀释热的数手册或资料中查得，也可根据溶解热或稀释热的数据来计算。据来计算。(1)Integral heat of solution (2)Integral heat of Dilution2.Thermal of Concentration change 恒温恒压下，将恒温恒压下，将1摩尔溶质溶解于摩尔溶质溶解于n摩尔溶剂摩尔溶剂中，该过程所
22、产生的热效应称为积分溶解热，中，该过程所产生的热效应称为积分溶解热，简称溶解热，用符号简称溶解热，用符号 Hs表示。常见物质在水表示。常见物质在水中的积分溶解热可从有关手册或资料中查得。中的积分溶解热可从有关手册或资料中查得。(1)Integral heat of solution 表表5-1 25 oC时，时，H2SO4水溶液的积分溶解热水溶液的积分溶解热H2O摩尔数摩尔数n/mol积分溶解热积分溶解热 Hs/kJ mol-1H2O摩尔数摩尔数n/mol积分溶解热积分溶解热 Hs/kJ mol-10.515.745073.391.028.0910074.02241.9520074.99349
23、.0350076.79454.09100078.63558.07500084.49660.791000087.13864.6410000093.701067.0750000095.382572.35 96.25注：表中积分溶解热的符号规定为放热为正、吸热为负。注：表中积分溶解热的符号规定为放热为正、吸热为负。(1)Integral heat of solution 对于一些常用的酸、碱水溶液，也可将溶液的积分对于一些常用的酸、碱水溶液，也可将溶液的积分溶解热数据回归成相应的经验公式，以便于应用。例溶解热数据回归成相应的经验公式，以便于应用。例如：硫酸的积分溶解热可按如：硫酸的积分溶解热可按SO
24、3溶于水的热效应用下溶于水的热效应用下式估算式估算 (5-13)式中式中 HsSO3溶于水形成硫酸的积分溶解热，溶于水形成硫酸的积分溶解热，kJ(kg H2O)-1；m以以SO3计，硫酸的质量分率；计，硫酸的质量分率；t操作温度，操作温度，0C。062.0mm1)15t(989.22013.0mm12111Hs(1)Integral heat of solution 又如，硝酸的积分溶解热可用下式估算又如，硝酸的积分溶解热可用下式估算 (5-14)式中式中 Hs硝酸的积分溶解热，硝酸的积分溶解热，kJ(mol HNO3)-1；n溶解溶解1mol HNO3的的H2O的摩尔数，的摩尔数，mol。7
25、57.1nn57.37Hs(1)Integral heat of solution 再如，盐酸的积分溶解热可用下式估算再如，盐酸的积分溶解热可用下式估算 (5-15)式中式中 Hs盐酸的积分溶解热，盐酸的积分溶解热，kJ(mol HCl)-1；n溶解溶解1mol HCl的的H2O的摩尔数，的摩尔数，mol。5.22n1n158.50Hs(1)Integral heat of solution 恒温恒压下，将一定量的溶剂加入到含恒温恒压下，将一定量的溶剂加入到含1摩尔摩尔溶质的溶液中，形成较稀的溶液时所产生的热溶质的溶液中，形成较稀的溶液时所产生的热效应称为积分稀释热，简称稀释热。显然，两效应称
26、为积分稀释热，简称稀释热。显然，两种不同浓度下的积分溶解热之差就是溶液由一种不同浓度下的积分溶解热之差就是溶液由一种浓度稀释至另一种浓度的积分稀释热。种浓度稀释至另一种浓度的积分稀释热。(2)Integral heat of dilution 例如，向由例如，向由1mol H2SO4和和1mol H2O组成的溶液中组成的溶液中加入加入5mol水进行稀释的过程可表示为水进行稀释的过程可表示为 由表由表5-1可知，可知，1mol H2SO4和和6mol H2O组成的组成的H2SO4水溶液的积分溶解热为水溶液的积分溶解热为60.79 kJ mol-1，1mol H2SO4和和1mol H2O组成的组
27、成的H2SO4水溶液的积分溶解热水溶液的积分溶解热为为28.09 kJ mol-1，则上述稀释过程的浓度变化热或积，则上述稀释过程的浓度变化热或积分稀释热为分稀释热为kJ70.3209.2879.60QpQpH2SO4(1mol H2O)+5H2OH2SO4(6mol H2O)(2)Integral heat of dilution 例例5-1 在在25 oC和和1.013 105Pa下，用水稀下，用水稀释释78%的硫酸水溶液以配制的硫酸水溶液以配制25%的硫酸水的硫酸水溶液。拟配制溶液。拟配制25%的硫酸水溶液的硫酸水溶液1000kg，试计算：试计算：(1)78%的硫酸溶液和水的用量；的硫酸
28、溶液和水的用量；(2)配制过程中配制过程中H2SO4的浓度变化热。的浓度变化热。Examples解：解：(1)78%的硫酸溶液和水的用量的硫酸溶液和水的用量 设设为为78%的硫酸溶液的用量，的硫酸溶液的用量，为水的用量，则为水的用量，则 (a)(b)联解式联解式(a)、(b)得得 =320.5kg，=679.5kg 42SOHGOH2G%251000%78G42SOH1000GGOHSOH24242SOHGOH2GExamples(2)配制过程中配制过程中H2SO4的浓度变化热的浓度变化热 配制前后，配制前后，H2SO4的摩尔数均为的摩尔数均为配制前配制前H2O的摩尔数为的摩尔数为则则由表由表
29、5-1用内插法查得用内插法查得 kJ mol-1mol9.25509878.0105.320n3SOH42mol2.39171822.0105.320n3OH254.19.25502.3917n157.35H1sExamples配制后配制后H2O的摩尔数变为的摩尔数变为则则由表由表5-1查得查得 kJ mol-1 mol7.416661875.0101000n3OH233.169.25507.41666n230.69H2sExamplesH2SO425oC，1.013 105Pamol2.3917nOH2 mol9.2550n42SOH mol9.2550n42SOH mol7.41666nO
30、H2 1sSOHHn42 2sSOHHn42 pQ)HH(nQ1s2sSOHp42 过程的化学变化热可根据反应进度和化学反应热来过程的化学变化热可根据反应进度和化学反应热来计算，即计算，即 (5-16)式中式中 反应进度，反应进度，mol；化学反应热化学反应热(放热为正，吸热为负放热为正，吸热为负)，kJ mol-1。trcHQtrH 5.3.2 Thermal in Chemical Changes 以反应物以反应物A表示的反应进度为表示的反应进度为 (5-17)式中式中nA0反应开始时反应物反应开始时反应物A的摩尔数的摩尔数,mol;nA某时刻反应物某时刻反应物A的摩尔数，的摩尔数，mol
31、；A反应物反应物A在反应方程式中的系数在反应方程式中的系数。AA0Ann 5.3.2 Thermal in Chemical Changes 显然，对于同一化学反应而言，以参与反应的任一显然，对于同一化学反应而言，以参与反应的任一组分计算的反应进度都相同。但反应进度与反应方程组分计算的反应进度都相同。但反应进度与反应方程式的写法有关。例如，氢与氧的热化学方程式为式的写法有关。例如，氢与氧的热化学方程式为 kJ mol-1(放热放热)当反应进度为当反应进度为2mol时，过程的化学变化热为时，过程的化学变化热为 8.285HorkJ6.5718.2852HQtrcH2(g)+O2(g)12H2O(
32、l)5.3.2 Thermal in Chemical Changes 若将氢与氧的热化学方程式改写为若将氢与氧的热化学方程式改写为 kJ mol-1(放热放热)而其它条件均不变，则反应进度变为而其它条件均不变，则反应进度变为1mol，过程，过程的化学变化热为的化学变化热为 可见，反应进度与反应方程式的写法有关，但过可见，反应进度与反应方程式的写法有关，但过程的化学变化热不变。程的化学变化热不变。2H2(g)+O2(g)2H2O(l)6.571HorkJ6.5716.5711HQtrc 5.3.2 Thermal in Chemical Changes 化学反应热与反应物和产物的温度有关。热力
33、学化学反应热与反应物和产物的温度有关。热力学中规定化学反应热是反应产物回复到反应物的温度中规定化学反应热是反应产物回复到反应物的温度时，反应过程放出或吸收的热量。若反应在标准状时，反应过程放出或吸收的热量。若反应在标准状态态(250C和和1.013 105Pa)下进行，则化学反应热又称下进行，则化学反应热又称为标准化学反应热，用符号为标准化学反应热，用符号 表示。表示。0rH 5.3.2 Thermal in Chemical Changes 化学反应热可从文献、科研或工厂实测数据化学反应热可从文献、科研或工厂实测数据中获得。当缺少数据时，也可由生成热或燃烧中获得。当缺少数据时，也可由生成热或
34、燃烧热数据经计算而得。热数据经计算而得。1.According to Standard Heats of Formation 2.According to Standard Heats of Combustion 3.Offstandard conditions 5.3.2 Thermal in Chemical Changes 由盖斯定律得由盖斯定律得 (5-18)产物产物 反应物反应物式中式中 反应物或产物在反应方程式中的反应物或产物在反应方程式中的系数；系数；反应物或产物的标准生成热，反应物或产物的标准生成热，kJ mol-1。i0fii0fior)H()H(HofH 1.Accordi
35、ng to Standard Heats of Formation 物质的标准生成热数据可从有关手册中查物质的标准生成热数据可从有关手册中查得。但应注意，一般手册中标准生成热的数得。但应注意，一般手册中标准生成热的数据常用焓差，即据常用焓差，即 表示，并规定吸热为正，表示，并规定吸热为正，放热为负，这与式放热为负，这与式(5-1)中的符号规定正好相中的符号规定正好相反。为使求得的反。为使求得的 的符号与式的符号与式(5-1)中的符中的符号规定相一致，在查手册时可在号规定相一致，在查手册时可在 前加一前加一“”号。号。orHofHofH 1.According to Standard Heats
36、 of Formation 由盖斯定律得由盖斯定律得 (5-19)反应物反应物 产物产物 式中式中 反应物或产质的标准燃烧热，反应物或产质的标准燃烧热，kJ mol-1。物质的标准燃烧热也可从有关手册中查得。同样物质的标准燃烧热也可从有关手册中查得。同样,在查手册时应在在查手册时应在 前加一前加一“”号号,以使以使 的符的符号与式号与式(5-1)中的符号规定相一致。中的符号规定相一致。i0cii0cior)H()H(HocHocHorH 2.According to Standard Heats of Combustion 若反应在若反应在toC下进行，且反应物和产物在下进行，且反应物和产物在
37、(25t)oC之之间均无相变化，则可设计如下途径完成该过程间均无相变化，则可设计如下途径完成该过程 由盖斯定律得由盖斯定律得 (5-20)反应物反应物 产物产物 式中式中t反应温度，反应温度，oC；Cpi反应物或产物在反应物或产物在(25t)oC之间的平均定压比热，之间的平均定压比热，kJ mol-1 oC-1。piipiiortrC)25t(C)25t(HH反应物反应物 t oC产物产物 t oC反应物反应物25oC(t-25)iCpi-(t-25)iCpitrH0rH产物产物 25 oC 3.Off standard conditions 例例5-2 物料衡算数据如表物料衡算数据如表4-3
38、所示。已知加入甲苯所示。已知加入甲苯和浓硫酸的温度均为和浓硫酸的温度均为30oC，脱水器的排水温度为，脱水器的排水温度为65oC，磺化液的出料温度为，磺化液的出料温度为140oC，甲苯与硫酸的，甲苯与硫酸的标准化学反应热为标准化学反应热为117.2kJ mol-1(放热放热)，设备，设备(包括包括磺化釜、回流冷凝器和脱水器，下同磺化釜、回流冷凝器和脱水器，下同)升温所需的热升温所需的热量为量为1.3105kJ，设备表面向周围环境的散热量为，设备表面向周围环境的散热量为6.2104kJ，回流冷凝器中冷却水移走的热量共，回流冷凝器中冷却水移走的热量共9.8105kJ。试对甲苯磺化过程进行热量衡算。
39、试对甲苯磺化过程进行热量衡算。5.4 Examples of Energy Balance 有关热力学数据为：原料甲苯的定压比热为有关热力学数据为：原料甲苯的定压比热为1.71 kJ kg-1 oC-1；98%硫酸的定压比热为硫酸的定压比热为1.47kJ kg-1 oC-1；磺化液的平均定压比热为；磺化液的平均定压比热为1.59 kJ kg-1 oC-1；水的定压比热为；水的定压比热为4.18kJ kg-1 oC-1。5.4 Examples of Energy Balance 解：对甲苯磺化过程进行热量衡算的目的是为了确解：对甲苯磺化过程进行热量衡算的目的是为了确定磺化过程中的补充加热量。依
40、题意可将甲苯磺化装定磺化过程中的补充加热量。依题意可将甲苯磺化装置置(包括磺化釜、回流冷凝器和脱水器等包括磺化釜、回流冷凝器和脱水器等)作为衡算对作为衡算对象。此时，输入及输出磺化装置的物料还应包括进、象。此时，输入及输出磺化装置的物料还应包括进、出回流冷凝器的冷却水出回流冷凝器的冷却水(参见图参见图3-11)，其带出和带入，其带出和带入热量之差即为回流冷凝器移走的热量。若将过程的热热量之差即为回流冷凝器移走的热量。若将过程的热效应作为输入热量来考虑，则可绘出如图效应作为输入热量来考虑，则可绘出如图5-1所示的所示的热量衡算示意图。热量衡算示意图。5.4 Examples of Energy
41、Balance 图图5-1 甲苯磺化装置热量衡算示意图甲苯磺化装置热量衡算示意图反反应应原原料料带带入入热热量量Q Q1 1磺磺化化过过程程补补充充加加热热量量Q Q2 2过过程程的的热热效效应应Q Q3 3反反应应产产物物带带出出热热量量Q Q4 4设设备备升升温温所所需需热热量量Q Q5 5设设备备表表面面向向环环境境的的散散热热量量Q Q6 6回回流流冷冷凝凝器器移移走走热热量量Q Q7 7甲甲苯苯磺磺化化装装置置5.4 Examples of Energy Balance 则热量平衡方程式可表示为则热量平衡方程式可表示为 取热量衡算的基准温度为取热量衡算的基准温度为25oC，则，则 7
42、654321QQQQQQQkJ1066.1 )2530(47.11100)2530(71.11000Q415.4 Examples of Energy Balance 反应中共加入反应中共加入98%浓硫酸的质量为浓硫酸的质量为1100kg，其中，其中含水含水22kg。若以。若以SO3计，计，98%硫酸的质量分率为硫酸的质量分率为80%。由式。由式(5-13)得得cp3QQQ1-21s)OH kg(kJ 4773.4 062.0mm1)15t(989.22013.0mm12111H5.4 Examples of Energy Balance 反应结束后反应结束后,磺化液含硫酸磺化液含硫酸35.2
43、kg,水水21.4kg。以。以SO3计计,硫酸的质量分率为硫酸的质量分率为50.8%。则。则 所以所以1-22s)O Hkg(kJ.61833 062.0508.0508.01)1525(989.22013.0508.0508.012111HkJ106.66.18334.214.477322Q4p5.4 Examples of Energy Balance 反应消耗的甲苯量为反应消耗的甲苯量为979kg，则，则kJ1025.1 2.1179210979Q63ckJ1032.1 1025.1106.6 QQQ664cp35.4 Examples of Energy Balance 表表5-2 甲
44、苯磺化过程热量平衡表甲苯磺化过程热量平衡表项目名称热量/kJ项目名称热量/kJ甲 苯：1000kg磺 化 液：1906.9kg浓硫酸：1100kg1.66104脱水器排水：193.1kg3.81105过程热效应1.32106设备升温1.3105补充加热2.16105设备表面散热6.2104冷却水带走热量9.8105输入合 计1.55106输出合 计1.551065.4 Examples of Energy Balance 例例5-3 物料衡算数据如表物料衡算数据如表4-4所示。已知乙醇的进所示。已知乙醇的进料温度为料温度为300oC，反应产物的温度为，反应产物的温度为265oC，乙醇脱，乙醇脱
45、氢制乙醛反应的标准化学反应热为氢制乙醛反应的标准化学反应热为-69.11kJ mol-1(吸吸热热)，乙醇脱氢生成副产物乙酸乙酯的标准化学反应，乙醇脱氢生成副产物乙酸乙酯的标准化学反应热为热为-21.91kJ mol-1(吸热吸热)，设备表面向周围环境的，设备表面向周围环境的散热量可忽略不计。试对乙醇脱氢制乙醛过程进行散热量可忽略不计。试对乙醇脱氢制乙醛过程进行热量衡算。热量衡算。5.4 Examples of Energy Balance 有关热力学数据为：有关热力学数据为：乙醇的定压比热为乙醇的定压比热为0.110kJ mol-1 oC-1；乙醛的定压比热为乙醛的定压比热为0.080kJ
46、mol-1 oC-1；乙酸乙酯的定压比热为乙酸乙酯的定压比热为0.169kJ mol-1 oC-1；氢气的定压比热为氢气的定压比热为0.029kJ mol-1 oC-1。5.4 Examples of Energy Balance 解：由例解：由例4-7可知，乙醇脱氢制乙醛过程为连续过程，对可知，乙醇脱氢制乙醛过程为连续过程，对该过程进行热量衡算的目的是为了确定反应过程中的补充该过程进行热量衡算的目的是为了确定反应过程中的补充加热速率。依题意，可以反应器为衡算对象加热速率。依题意，可以反应器为衡算对象,绘出热量衡绘出热量衡算示意图算示意图,如图如图5-2所示。所示。反反应应原原料料带带入入热热
47、量量Q Q1 1反反应应过过程程补补充充加加热热量量Q Q2 2过过程程的的热热效效应应Q Q3 3反反应应产产物物带带出出热热量量Q Q4 4设设备备升升温温所所需需热热量量Q Q5 5设设备备表表面面向向环环境境的的散散热热量量Q Q6 6乙乙醇醇催催化化脱脱氢氢制制乙乙醛醛反反应应器器 图图5-2 乙醇脱氢制乙醛过程热量衡算示意图乙醇脱氢制乙醛过程热量衡算示意图5.4 Examples of Energy Balance 则热量平衡方程式可表示为则热量平衡方程式可表示为 由于是连续过程，则由于是连续过程，则Q5=0；依题意知；依题意知Q6=0。取热量衡算的基准温度为取热量衡算的基准温度为
48、25oC，则，则 654321QQQQQQ1531hkJ1058.6 )25300(110.046101000Q5.4 Examples of Energy Balance 过程的热效应过程的热效应Q3主要为化学变化热，即主要为化学变化热，即ccp3QQQQQc由两部分组成，其中乙醇脱氢制乙醛的化学变化热由两部分组成，其中乙醇脱氢制乙醛的化学变化热为为 kJ h-1631c10142.1)11.69(468.095.0101000Q5.4 Examples of Energy Balance 乙醇脱氢生成副产物乙酸乙酯的化学变化热为乙醇脱氢生成副产物乙酸乙酯的化学变化热为 则则kJ h-1 4
49、32c1005.9 )91.21(462.095.0101000Q6462c1cc310233.1)1005.9(10142.1QQQQ5.4 Examples of Energy Balance Q4由四部分组成由四部分组成,其中未反应乙醇带走热量为其中未反应乙醇带走热量为乙醛带走热量为乙醛带走热量为乙酸乙酯带走热量为乙酸乙酯带走热量为14341hkJ1087.2)25265(110.0461050Q15342hkJ1017.3)25265(080.04410727Q14343hkJ1037.8)25265(169.088107.181Q5.4 Examples of Energy Bala
50、nce 氢气带走热量为氢气带走热量为则则所以所以 故反应过程所需的补充加热速率为故反应过程所需的补充加热速率为1.148 106kJ h-1。15344hkJ1044.1)25265(029.02103.41Q15444342414hkJ105.73 QQQQQ316542QQQQQQ16hkJ10.1481 5.4 Examples of Energy Balance 表表5-3 乙醇催化脱氢过程热量平衡表乙醇催化脱氢过程热量平衡表 项目名称热量/kJh-1项目名称热量/kJh-1乙醇：1000 kgh-16.58105 乙醇：50.0kgh-12.87104过程热效应1.233106 乙醛
