化工计算 教学课件 作者 张桂军 薛雪 主编 薛叙明 主审第五章能量衡算.ppt

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1、第五章能量衡算本章要求：掌握能量衡算的原理掌握能量衡算的基本方法主要内容：能量衡算的理论依据能量衡算的基本形式几个与能量衡算有关的重要物理量能量衡算的基本方法无化学反应过程的能量衡算化学反应过程的能量衡算第一节概述一、能量衡算的意义选择最佳操作条件，制定既经济又合理的能量消耗方案。二、能量衡算的理论依据热力学第一定律：能量既不能产生，也不能消灭三、能量衡算的应用主要应用在两种类型的问题上：一类是对使用中的装置或设备；另一类是在设计新装置或设备时。能量衡算的基础是物料衡算。只有在进行物料衡算后才能做出能量衡算。四、能量平衡图第二节能量的基本形式能量衡算和

2、物料衡算类似，要用到守恒的概念，即要计算进入和离开特定体系的能量值，因此必须分清不同形式的能量形式及表示的方法。由于能量存在有多种形式，因此能量衡算要比物料衡算复杂。一、位能（Ep）位能又称势能，是物体由于在高度上的位移而具有的能量。其值的大小与物体所在的力场有关，物体在重力场中所具有的位能可用下式表示：第二节能量的基本形式分析：位能的大小和基准面有关，因此物体距基准面的高度差决定了位能的大小，当物体处于基准面上时其位能为零。由于多数化工生产过程基本上是在地表或接近地表的高度进行的，位能对整个能量衡算的影响一般不大，除在计算物料的输送功率时物料的位能变

3、化是不可忽略的外，在能量衡算中位能皆可忽略。第二节能量的基本形式二、动能（Ek）由于物体运动所具有的能量，称为动能，其值表示为：物体的动能与物体运动速度的平方成正比，因此物体的运动速度对动能的影响较大，但在化工生产过程中物料的流动速度一般都不大，与其他能量相比较可以忽略，只有当物料经过喷嘴或锐孔形成高速的喷射流时，在能量衡算中动能的影响才比较明显其值不可以忽略。第二节能量的基本形式三、内能（U）内能表示除了宏观的动能和位能外物质所具有的能量，其大小与分子运动有关。对于纯组分物质，内能可表示成与温度和摩尔体积间的函数关系：我们只能计算内能的差，或计算相对

4、于某个参考态的内能，而无法计算内能的绝对值。第三节几个与能量衡算有关的重要物理量一、功（W）功是能量传递的一种形式，功是力与位移的乘积。可表示为：说明：环境对系统作功取为正值，系统对环境作功取为负值。热量的单位为焦耳（J）在化工生产过程中常见的有体积功、流动功及旋轴功的机械功等。功只是指被传递的热量，从热力学第二定律可知，功可以无条件地全部转化为热量。第三节几个与能量衡算有关的重要物理量二、热量（Q）当温度不同的两物体进行接触时，能量总是从热（温度高）的物体向冷（温度低）的物体流动，这种由于温度差而引起传递的能量称为热量。环境对系统加的热为正，从系统中

5、取出的热为负。热量的单位为焦耳（J）注意两点:第一，热量是一种能量的形式，是传递过程中的能量形式；第二，一定要有温度差或温度梯率，才会有热量的传递。第三节几个与能量衡算有关的重要物理量三、焓（H）对于焓的定义在第二章化工常用基础数据的有关章节中已做了介绍。焓与内能一样，都是热力学函数中的状态函数，这种状态函数与过程的途径无关，只与所处的状态有关。既然焓是用来表达流动系统中能量的适当形式，为了解决问题方便，科技工作者编制了许多形式的焓值表，并提出估算相变热的方法，其中重要的有：水蒸气表气体焓值表相变焓第四节能量衡算的基本方法一、能量衡算方程1.能量衡算方

6、程式的一般形式根据热力学第一定律，能量衡算方程式可写为：式中:2.对不同的体系能量衡算式又有不同的简化形式：⑴封闭体系⑵连续稳态流动过程的总能量衡算第四节能量衡算的基本方法二、机械能衡算有关Σhf的计算方法，在化工原理课程中已作详细讨论，此处不再叙述。第四节能量衡算的基本方法三、热量衡算对于没有功的传递（W=0），并且动能和位能可以忽略不计的设备，如换热器，连续稳定流动过程的能量衡算主要就体现在热量衡算，且化工生产中热量消耗是能量消耗的主要部分，例如一套年产25万吨乙烯的裂解装置，采用柴油作裂解原料时，总能量消耗约为1.314×109kJ·h-1，其中

7、90%以上的能量消耗就是体现在热量消耗上。因此，化工过程中的能量衡算主要是热量衡算。第四节能量衡算的基本方法1．热量衡算式以热量传递为主的设备，在连续稳态流动的情况下其热量衡算可采用下式表示：在间歇操作情况下其热量衡算可采用下式表示：从上两式可以看出，热量衡算就是计算在指定的条件下体系中进出物料的焓差或内能差，从而确定过程传递的热量。第四节能量衡算的基本方法2．热量衡算的基本方法及步骤⑴热量衡算有两种情况一种是在设计时，根据给定的进出物料量及已知温度求另一股物料的未知物料量或温度，常用于计算换热设备的热物料（如蒸汽等）用量或冷物料（如冷却水等）用量。另

8、一种是在原有过程或装置上，对某个设备，利用实际测定（有时也需要作一些相应的计算）的数据，计算出