第五章能量衡算习题解答
大学物理第五章 习题解答
第五章 习题解答5-1解：等压过程系统做功W ，根据等压过程做功的公式：W=p(V 2-V 1)=νR ΔT 可得ΔT=W/νR ，ν=1mol ，ΔT=W/RW W i T R i T T C Q p 272222)(12=+=∆+=-=υυp 5-2 J T R i E 65.124131.823102=⨯⨯⨯=∆=∆υ5-3 解：等容过程有W=0，Q=ΔE J T R i E 747930031.82322=⨯⨯⨯=∆=∆=υ 5-4解：等压过程系统做功W ，根据等压过程做功的公式：W=p(V 2-V 1)=νR ΔT=200JW i T R i T T C Q 2222)(12+=∆+=-=υυp 单原子分子 i =3，J Q 500200223=⨯+= 单原子分子 i =5，J Q 700200225=⨯+= 5-5. 一系统由如图所示的a 状态沿acb 到达b 状态，有334J 热量传入系统，系统做功J 126。
（1）经adb 过程，系统做功J 42，问有多少热量传入系统?（2）当系统由b 状态沿曲线ba 返回状态a 时，外界对系统做功为J 84，试问系统是吸热还是放热？热量传递了多少?解：由acb 过程可求出b 态和a 态的内能之差Q=ΔE+W ，ΔE=Q -W=334-126=208 Jadb 过程，系统作功W=42 J ， Q=ΔE+W=208+42=250J 系统吸收热量ba 过程，外界对系统作功A=-84 J ， Q=ΔE ＋W=-208-84=-292 J 系统放热 5-6解：ab 过程吸热，bc 过程吸热 cd 过程放热，da 过程放热取1atm=105Pa 根据等温、等压过程的吸热公式可得J V p V p i T T C Q a a b b ab 336)(2)(12=-=-=V υ J V p V p i Q b b c c bc 560)(22=-+= J V p V p i Q c c d d cd 504)(2-=-= J V p V p i Q d d a a da 280)(22-=-+= 整个过程总吸热J Q Q Q bc ab 8961=+=，总放热J Q Q Q da cd 7842=+=p净功J Q Q W 11221=-=，效率%5.128967841112=-=-=Q Q η 5-7 卡诺热机的效率为%4028011112=-=-=T T T 卡η，可得高温热源温度7.4661=T K 如果%50'28011112=-=-=T T T 卡η，可得560'1=T K ，温度提高了3.93'11=-T T K 5-8 %251068.11026.1117712=⨯⨯-=-=Q Q η。
化工原理(1-5)章复习题及答案
化工原理(1-5)章复习题及答案绪论1、单元操作的定义？答：艺过程中遵循相同的基本原理，只改变物料状态或物理性质，不改变物料化学性质的过程。
2、列举化工生产中常见的单元操作（至少3个），并说明各自的过程原理与目的？答：流体输送：输入机械能将一定量流体由一处送到另一处。
沉降：利用密度差，从气体或液体中分离悬浮的固体颗粒、液滴或气泡。
过滤：根据尺寸不同的截留，从气体或液体中分离悬浮的固体颗粒。
换热：利用温度差输入或移出热量，使物料升温、降温或改变相态。
蒸馏：利用各组分间挥发度不同，使液体或汽液混合物分离。
吸收：利用各组分在溶剂中的溶解度不同，分离气体混合物。
萃取：利用各组分在萃取剂中的溶解度不同，分离液体混合物。
干燥：加热湿固体物料，使之干燥。
3、研究单元操作的基本工具？（不考）答：①物料衡算：质量守恒定律—在一个单元过程中，进入的物料量等于排出的物料量与积累的物料量之和。
②能量衡算：能量守恒定律。
③物系的平衡关系—指物系的传热或传质过程进行的方向和达到的极限。
④过程速率—过程由不平衡状态向平衡状态进行的快慢。
⑤经济核算：化工过程进行的根本依据。
第一章流体流动一、填空及选择题1、某设备的真空表读数为200mmHg，则它的绝对压强为（560）mmHg。
当地大气压为101.3×103Pa。
2、孔板流量计均属于（节流）式流量计，是用（压差）来反映流量的。
转子流量计属于（定压）式流量计，是通过（环隙面积的变化）来反映流量的。
3、根据流体力学原理设计的流量（流速）计中，用于测量大直径气体管路上速度分布的是（C）；能量损失最大的是（A）；对流量变化反映最灵敏的是（A）。
A、孔板流量计；B、文丘里流量计；C、测速管；D、转子流量计4、测量管内流体流动参数（如流速、流量、压力等）时，测量点一般应选在管路的（A）。
A、稳定段长度之后；B、稳定段长度之前；C、流量调节阀之后；D、流量调节阀之前5、测流体流量时，随着流体流量的增大，转子流量计两端压差值（不变）；孔板流量计两端压差值（增大）。
能量衡算
能量衡算4.1热量衡算的目的热量衡算主要是为了确定设备的热负荷，根据设备热负荷的大小、所处理物料的性质及工艺确定设备的主要工艺尺寸。
4.2热量衡算依据热量衡算的主要依据是能量守恒定律，以车间物料衡算的结果为基础而进行的，所以，车间物料衡算表是进行车间热量衡算的首要条件。
4.3液化加热蒸汽量4.3.1加热蒸汽消耗量D可按下式计算:D＝GC(t2－t1)/(I－λ﹚式中：G——淀粉浆量(kg/h)C——淀粉浆比热容[kJ/(kg·K)]t1——浆料初温(10+273=293K)t2——液化温度(90+273=363K)I——加热蒸汽焓2738kJ/kg(0.3Mpa ，表压)λ——加热蒸汽凝结水的焓，在363K时为377kJ/kg4.3.2淀粉浆量G根据物料衡算,日投工业淀粉1543.84Kg，由于为连续化液化，1543.84/24=64.3(Kg/h) 。
加水量为1：2.5，粉浆量为G= 64.3× 3.5=225.14（kg/h）4.3.3 粉浆干物质浓度64.3× 86% × 100%÷225.14=24.6%4.3.4粉浆干物质C可按下式计算：C=C o*X+C水*(100-X)式中：C o——淀粉质比热容,取1.55kJ/(kg·K)X——粉浆干物质含量,24.6%C水——水的比热容4.18KJ/(kg·K)C=1.55×24.6/100＋4.18×(100-24.6)/100=3.53[kJ/kg·K]4.3.5蒸汽用量D=64.3×3.53×(363-283)/(2738-377)=7.68(kg/h)灭菌是将液化液由90℃加热至100℃，在100℃时的λ为419kJ/kg ，则灭菌所用蒸汽量：D灭=64.3×3.53×(100-90)/(2738-419)=9.8（kg/h )。
夏清《化工原理》(第2版)笔记和课后习题(含考研真题)详解.
目 录第0章 绪 论0.1 复习笔记0.2 课后习题详解0.3 名校考研真题详解第1章 流体流动1.1 复习笔记1.2 课后习题详解1.3 名校考研真题详解第2章 流体输送机械2.1 复习笔记2.2 课后习题详解2.3 名校考研真题详解第3章 非均相物系的分离和固体流态化3.1 复习笔记3.2 课后习题详解3.3 名校考研真题详解第4章 传 热4.1 复习笔记4.2 课后习题详解4.3 名校考研真题详解第5章 蒸 发5.1 复习笔记5.2 课后习题详解5.3 名校考研真题详解第6章 蒸 馏6.1 复习笔记6.2 课后习题详解6.3 名校考研真题详解第7章 吸 收7.1 复习笔记7.2 课后习题详解7.3 名校考研真题详解第8章 蒸馏和吸收塔设备8.1 复习笔记8.2 课后习题详解8.3 名校考研真题详解第9章 液-液萃取9.1 复习笔记9.2 课后习题详解9.3 名校考研真题详解第10章 干 燥10.1 复习笔记10.2 课后习题详解10.3 名校考研真题详解第11章 结晶和膜分离11.1 复习笔记11.2 名校考研真题详解第0章 绪 论0.1 复习笔记一、化工原理课程的性质和基本内容1．课程的基本内容（1）单元操作根据各单元操作所遵循的基本规律，将其划分为如下几种类型：①遵循流体动力学基本规律的单元操作，包括流体输送、沉降、过滤、物料混合（搅拌）等。
②遵循热量传递基本规律的单元操作，包括加热、冷却、冷凝、蒸发等。
③遵循质量传递基本规律的单元操作，包括蒸馏、吸收、萃取、吸附、膜分离等。
④同时遵循热质传递规律的单元操作，包括气体的增湿与减湿、结晶、干燥等。
从本质上讲，所有的单元操作都可分解为动量传递、热量传递、质量传递这3种传递过程或它们的结合。
（2）化工原理的基本内容化工原理的基本内容就是阐述各单元操作的基本原理、过程计算及典型设备。
2．课程的研究方法（1）实验研究方法（经验法）；（2）数学模型法（半经验半理论方法）。
化工计算 第五章能量衡算 第五节无化学反应过程的能量衡算
第五节 无化学反应过程的能量衡算
二、相变过程的热量衡算 气化和冷凝、熔化和凝固、升华和凝华这类相变过程
往往伴有显著的内能和相态变化，这种变化常成为过程热 量衡算的主体，不容忽略。相变过程的热量变化体现在物 系的相态发生变化而非温度的变化，进行热量衡算时需要 利用相变热的数据。
1．相变热 在恒定压力和温度下，1mol的物质发生相态变化时
H 4
C p(甲苯，液（）110.8－10）
H
＋
v(甲苯）
C dT 323
384 p (甲苯，气）
42780kJ kmol 1
高职高专“十一五”规划教材《化工计算》
第五节 无化学反应过程的能量衡算
将计算填入进出口焓表
物质 苯(液)
n 进/kmol H m,进, / (kJ·kmol-1)
0.5
高职高专“十一五”规划教材《化工计算》
第五节 无化学反应过程的能量衡算
将数据或表达式代入： H1 H 3 H 2 H 4 有： 2688000 0 784000 25116 (T4 30)
解得： T4=105.8℃
所以富吸收油的出口温度为 105.8℃
高职高专“十一五”规划教材《化工计算》
0
n 出/ kmol H m,出/ (kJ·kmol-1)
0.259
5338
甲苯(液)
0.5
0
0.389
6280
苯(气)
－
－
0.241
37600
甲苯(气)
－
－
0.111
42780
总能量衡算
Q=ΔH=Σn出H m,出-Σn进H m,进 =(0.259×5338)+(0.389×6280)+(0.241×37600)+(0.111×42780)－0 =17630 kJ·kmol-1
第五章能量衡算
第五章能量衡算第一节概述第二节热量衡算第三节过程的热效应第四节热量衡算举例第五节加热剂、冷却剂及其其他能量消耗的计算5.1 概述5.1.1 能量衡算的目的和意义计算过程能耗指标进行方案比较，选定先进生产工艺。
能量衡算数据是设备选型和计算的依据；是组织、管理、生产、经济核算和最优化的基础5.1.2 能量衡算的的依据及必要条件依据为能量守恒定律条件：物料衡算的数据，相关热力学物性数据。
5.1.3 能量守恒的基本方程输出能量+消耗能量+积累能量=输入能量+生成能量5.1.4 能量衡算的分类单元设备的能量衡算和系统的能量衡算5.2 热量衡算5.2.1 热量平衡方程式Q —物料带入设备的热量，kJ ;Q2—加热剂或冷却剂传给设备及所处理物料的热量，kJ ;Q3 —过程的热效应，kJ;（注意符号规定）Q4—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，kJ ；Q6 —设备向环境散失的热量，kJ。
注意各Q勺符号规定Q为设备的热负荷。
若Q为正值，需要向设备及所处理的物料提供热量; 反之，表明需要从设备及所处理的物料移走热量。
对间歇操作，按不同的时间段分别计算Q的值，并取其最大值作为设备热负荷的设计依据。
522 各项热量的计算1、计算基准一般情况下，可以0C和1.013 105Pa为计算基准有反应的过程，也常以25C和1.013 105Pa为计算基准。
2、Q或Q的计算无相变时物料的恒压热容与温度的函数关系常用多项式来表示：若知物料在所涉及温度范围内的平均恒压热容，贝心3、Q的计算过程的热效应由物理变化热Q和化学变化热Q两部分组成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。
若过程为纯物理过程，无化学反应发生，如固体的溶解、硝化混酸的配制、液体混合物的精馏等，则Q C= 0 。
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。
4、Q的计算稳态操作过程Q 5= 0非稳态操作过程由下式求QQ=' GC (T2-T1)G-设备各部件的质量，kg;G—设备各部件材料的平均恒压热容，kJ kg-1「C-1;T1—设备各部件的初始温度，C；T2—设备各部件的最终温度，C。
制药工程学各章习题
第一章制药工程设计概述一、名词解释1. 项目建议书2. 可行性研究报告3. 设计任务书4. 两阶段设计5. 试车二、简答题1. 简述工程项目从计划建设到交付生产所经历的基本工作程序。
2. 简述可行性研究的任务和意义。
3. 简述可行性研究的阶段划分及深度。
4. 简述可行性研究的审批程序。
5. 简述设计任务书的审批及变更。
6. 简述设计阶段的划分。
7. 简述初步设计阶段的主要成果。
8. 简述初步设计的深度。
9. 简述初步设计的审批及变更。
10. 简述施工图设计阶段的主要设计文件。
11. 简述施工图设计阶段的深度。
12. 简述制药工程项目试车的总原则。
第二章厂址选择和总平面设计一、名词解释1. 等高线2. 风向频率3. 主导风向4. 风玫瑰图5. 建筑系数6. 厂区利用系数7. 绿地率8. 生产车间9. 辅助车间10. 公用系统10. 地理测量坐标系11. 建筑施工坐标系12. 空气洁净度13. 洁净厂房二、简答题1. 简述厂址选择的基本原则。
2. 简述厂址选择程序。
3. 简述厂址选择报告的主要内容。
4. 简述总平面设计的依据。
5. 简述总平面设计的原则。
6. 简述总平面设计的内容和成果。
7. 简述GMP对厂房洁净等级的要求。
8. 简述洁净厂房总平面设计的目的和意义。
9. 简述洁净厂房总平面设计原则。
第三章工艺流程设计一、名词解释1. 报警装置2. 事故贮槽3. 安全水封4. 爆破片5. 安全阀6. 溢流管7. 阻火器8. 载能介质9. 设备位号10. 仪表位号10. 就地仪表11. 集中仪表二、简答题1. 简述工艺流程设计的作用。
2. 简述工艺流程设计的任务。
3. 简述工艺流程设计的基本程序。
4. 简述连续生产方式、间歇生产方法和联合生产方式的特点。
5. 简述工艺流程设计的成果。
三、设计题1. 离心泵是最常用的液体输送设备，常通过改变出口阀门的开度来调节其输出流量，试确定该方案带控制点的工艺流程图。
能量衡算及热数据的估算(习题解答)
计算题（P106）4－1、物料衡算数据如下图所示。
主反应式如下。
已知加入甲苯和浓硫酸的温度均为30℃，脱水器的排水温度为65 ℃，磺化液的出料温度为140 ℃，甲苯和硫酸的标准化学反应热为117.2kJ·mol -1 (放热) ，设备（包括磺化釜、回流冷凝器和脱水器，下同）升温所需的热量为1.3×105kJ ，设备表面向周围环境的散热量为6.2 ×104kJ, 回流冷凝器中冷却水移走的热量共9.8 ×105kJ 。
试对甲苯磺化过程进行热量衡算。
有关热力学数据：原料甲苯的定压比热为1.71kJ ·kg -1 ·℃-1 ; 98%硫酸的定压比热为1.47kJ ·kg -1 ·℃-1 ;磺化液的平均定压比热为1.59kJ ·kg -1 ·℃-1 ;水定压比热为4.18kJ ·kg -1 ·℃-1象。
此时，量来考虑（1）（2）磺化过程热效应反应中共加入98%浓硫酸的质量为1100kg ，其中含水22kg 。
若以SO 3计，98%硫酸的质量分率为80%。
由式(4-44)得反应结束后,磺化液含硫酸35.2kg,水21.4kg 。
以SO 3计,硫酸的质量分率为50.8%。
则所以有反应消耗的甲苯量为979 kg ，则（3）反应产物（磺化液、脱水器排出的水）带走的热量Q 4 Q 4=1906.9 x 1.59 x （140-25）+193.1 x 4.18 x （65-25）=3.77 x 105 KJ141000 1.71(3025)1100 1.47(3025)1.6610Q kJ=⨯⨯-+⨯⨯-=⨯3p cQ Q Q =+（4）由题意知Q5=1.3 x 105KJQ6=6.2 x 104KJQ7=9.8 x 105 KJ所以Q2=Q4+Q5+Q6+Q7-Q1-Q3=2.12 x 105 KJ量。
第五章物料衡算,能量衡算及设备工艺计算与选择
补充说明1: 生化反应器工艺设计的要点 （a）反应器选型
确定反应器的结构类型、操作方式、 传递和流动方式等。
一般可根据酶或细胞中生化反应的动力学 特性来选择合适的反应器形式； 结合动力学和反应器两方面特性来确定操 作方式和优化的操作设计等。
反应器工艺设计的要点
（b）设计反应器的结构、确定各种结构参数。
由于分子在不停地做着无规则热运动而具有的内动能．它 与物体的温度有关（温度是分子平均动能的标志）． 分子间存在相互作用力，分子间具有由它们的相对位置决 定的势能，这就是分子内势能．它和物体的体积有关．
补充说明：能量的形式和概念
4.热量（Q） 温度不同的两物体相接触或靠近，热量从热（温 度高）的物体向冷（温度低）的物体流动，这种 由于温度差而引起交换的能量，称为热量。
2.任务
参见P104 主要是确定车间内所有工艺设备的台数、型式和主 要尺寸。
（二）设备设计与选型的原则
物料衡算是设备选型的根据，而设备选型则要符 合工艺的要求。 设备选型是保证产品质量的关键和体现生产水平 的标准，又是工艺布置的基础，并且为动力配电， 水、汽用量计算提供依据。
选型原则 如下（P104书上为8点）：
注意： 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度，才会有热量 的传递。
补充说明：能量的形式和概念
5.功（W） 功是力与位移的乘积。 在化工中常见的有体积功（体系体积变化 时，由于反抗外力作用而与环境交换的 功）、流动功（物系在流动过程中为推动 流体流动所需的功）以及旋转轴的机械功 等。
如：混合物分离过程(超滤)
说明
对于连续不稳定过程，由于该过程内物料 量及组成等随时间而变化，因此，物料衡 算式须写成以时间为自变量的微分方程， 表示体系内在某一瞬时的平衡。
化工计算 第五章能量衡算 第六节化学反应过程的热量衡算
0 0 0
3.50
出料/（kmol∙h-1 ）
0.25 1.50 0.5 0.25 2.50
5.00
高职高专“十一五”规划教材《化工计算》
第六节 化学反应过程的热量衡算
解：分析反应过程，反应过程为复杂反应，所以选择 第二种基准进行能量衡算。
基准：计算时间基准为1h，温度基准 25℃各元素稳 定单质。 由已知物料流量表，画出流程示意图
求反应器出口产物的温度。
高职高专“十一五”规划教材《化工计算》
第六节 化学反应过程的热量衡算
解：由题意进行简单的物料衡算后将得到的结果示于流程示意图
100mol C2H5OH(g) 300℃
反应器
70mol C2H5OH(g) 30mol CH3CHO(g) 30mol H2(g) T=？℃
基准: 物料基准 100mol乙醇进料 温度基准 第一种基准 25℃，C2H5OH(g)，CH3CHO(g)，H2(g)
高职高专“十一五”规划教材《化工计算》
第六节 化学反应过程的热量衡算
1.换热式反应器的热量恒算 例5-15：甲烷和水蒸汽在反应器中反应，生成H2、
CO和CO2。物料衡算结果列于下表中。设进料和出料均 为500℃。求为保持反应器恒温所需的加热量。
组分
CH4 H2O(气)
CO CO2 H2 共计
进料/（kmol∙h-1）
＝－96260kJ kmol 1
CO2：查 （Hθf）CO2 (g)＝－393.7kJ kmol1
－
C p,m(500℃）＝45.11kJ kmol 1 K1
H(CO2 )
(H )θ f CO2 (g)
C p,m(500℃) (773
能量衡算习题解答
5-1 压力为1.5MPa ，温度为320℃的水蒸气通过一根内径为75㎜的管子，以-13m s ⋅的速度进入透平机。
由透平机出来的乏气用内径为25㎜的管子引出，其压力为35kPa ，温度为80℃。
假定过程无热损失，试问透平机输出的功率为多少？【解】：查593K 和353K 过热水蒸气焓值，-113255.8kJ kg h =⋅，-122645.6kJ kg h =⋅ 由 3-13-11176.5cm g 0.1765m kg V =⋅=⋅313-124625 4.625m kg V cm g -=⋅=⋅进口截面积 ()22210.0750.00442m 44A D ππ==⨯=-11130.004420.0751kg s 0.1756u A m V ⨯===⋅、 m V A u V A u ==111222-122220.0751 4.6257.08m s 0.254m V u A π⋅⨯===⋅⨯-1212645.63255.8610.2kJ kg h h h ∆=-=-=-⋅ 忽略位能变化，则 0z ∆=()2223-1117.0831020.563kJ kg 22u -∆=-⨯=⋅212s q w m h u ⎛⎫+=∆+∆ ⎪⎝⎭()-10.0751610.220.56347.37kJ s 47.37kW s w =-+=-⋅=-5-2 有一水泵每小时从水井抽出1892kg 的水并泵入储水槽中，水井深61m ，储水槽的水位离地面18.3m ，水泵用功率为3.7KW 的电机驱动，在泵送水过程中，只耗用该电机功率的45％。
储水槽的进、出水位的质量流量完全相等，水槽内的水位维持不变，从而确保水作稳态流动。
在冬天，井水温度为4.5℃,为防止水槽输出管路发生冻结现象，在水的输入管路上安设一台加热器对水进行加热，使水温保持在7.2℃，试计算此加热器所需净输入的热量。
【解】：流动体系由水井、管路、泵、加热器和储水槽组成。
第五章 物料衡算与能量衡算
0.0295F2 0.99F4 0.05F5 1200 0.01F4 0.95F5 0.9705F2 F3
但这 4个方程式只有3个是独立，因此需1个设计变量。
33
10.整理计算结果（整理成原材料消耗表和 物料衡算表）
34
11.绘制物料流程图
第五章
化工工艺计算
一. 设计计算前的准备工作 二. 物料衡算
三.
能量衡算
物料衡算与能量衡算的概念 物料衡算：运用质量守恒定律，对生产过程或 设备的物料平衡进行定量的计算，计算出各股 物流输入或输出的量及组分等，称之为物料衡 算。
能量衡算：以热力学第一定律为依据，对生产 过程或设备的能量平衡进行定量的计算，计算 过程中要供给或移走的能量，称之为能量衡算。 能量是热能、电能、化学能、动能、辐射能的 总称。化工生产中最常用的能量形式为热能， 故化工设计中经常把能量计算称为热量计算。
27
完整描述一股物流的总变量数： 设物流含有Nc个组分，则描述该物流的总变 量为Fi、Xij j=（1，2，…，Nc），共有Nc+1个。 设系统有Nc个组分，进料有I股物流，出料 有K股，有：
i k F F i 1 I k 1 k F X F ij X kj , j 1, 2,..., Nc i i 1 k 1 K I K
21
b）系统内无化学反应：
( Fi Fo ) W
c）系统内无化学反应的稳定操作过程：
( Fi Fo ) 0
• 例：一个苯--甲苯混合器，苯的流量为 3kmol/min，甲苯的流量为1kmol/min，求混 合器的物料的出口流量及组成？
甲苯 1kmol/min 混和物料 Q kmol/min 甲苯含量 X%
质量衡算与能量衡算习题及答案
质量衡算与能量衡算习题及答案1、 某室内空气中O 3的浓度是0.08×10-6（体积分数），求：（1）在1.013×105Pa 、25℃下，用μg/m 3表示该浓度； （2）在大气压力为0.83×105Pa 和15℃下，O 3的物质的量浓度为多少？解：理想气体的体积分数与摩尔分数值相等由题，在所给条件下，1mol 空气混合物的体积为V 1＝V 0·P 0T 1/ P 1T 0＝22.4L×298K/273K＝24.45L所以O 3浓度可以表示为0.08×10－6mol×48g/mol×（24.45L ）－1＝157.05μg/m 3（2）由题，在所给条件下，1mol 空气的体积为V 1＝V 0·P 0T 1/ P 1T 0=22.4L×1.013×105Pa×288K/(0.83×105Pa×273K ）＝28.82L所以O 3的物质的量浓度为0.08×10－6mol/28.82L ＝2.78×10－9mol/L2、 假设在25℃和1.013×105Pa 的条件下，SO 2的平均测量浓度为400μg/m 3，若允许值为0.14×10-6，问是否符合要求？解：由题，在所给条件下，将测量的SO 2质量浓度换算成体积分数，即33965108.31429810400100.15101.0131064A A RT pM ρ--⨯⨯⨯=⨯⨯=⨯⨯⨯ 大于允许浓度，故不符合要求3、 试将下列物理量换算为SI 制单位：质量：1.5kgf·s 2/m= kg密度：13.6g/cm 3= kg/ m 3压力：35kgf/cm2= Pa4.7atm= Pa670mmHg= Pa功率：10马力＝kW比热容：2Btu/(lb·℉)= J/（kg·K）3kcal/（kg·℃）= J/（kg·K）流量：2.5L/s= m3/h表面张力：70dyn/cm= N/m5 kgf/m= N/m解：质量：1.5kgf·s2/m=14.709975kg密度：13.6g/cm3=13.6×103kg/ m3压力：35kg/cm2=3.43245×106Pa4.7atm=4.762275×105Pa670mmHg=8.93244×104Pa功率：10马力＝7.4569kW比热容：2Btu/(lb·℉)= 8.3736×103J/（kg·K）3kcal/（kg·℃）=1.25604×104J/（kg·K）流量：2.5L/s=9m3/h表面张力：70dyn/cm=0.07N/m5 kgf/m=49.03325N/m4、密度有时可以表示成温度的线性函数，如ρ＝ρ0+At式中：ρ——温度为t时的密度，lb/ft3；ρ0——温度为t0时的密度，lb/ft3。
第五章物料衡算和能量衡算
（3） 冷麦汁量为： 584.92×（1－0.075）=541.05L
（4） 发酵成品液量： 541.05×（1－0.016）=532.39L
（5） 清酒量（过滤）为：532.39×（1－0.015）=524.41L
（6） 成品啤酒量为： 524.41×（1－0.02）=计算方法
（三） 用气量的衡算 （一）“单位产品耗气量定额”估算法
（二）用气量的计算法
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2020/11/5
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图中用简单的方框表示过程中的设备，用线条和箭头表示每个流股的途径和流向。并标 出每个流股的已知变量（如流量、组成）及单位。对一些未知的变量，可用符号表示。
（四）计算步骤
③ 选定计算基准，一般以吨/日或kg/h为单位。 ④ 列出物料衡算式，然后用数学方法求解。
在食品生产过程中，一些只有物理变化、未发生化学反应的单元操作，如混合、 蒸馏、干燥、吸收、结晶、萃取等，这些过程可以根据物料衡算式，列出总物料 和各组分的衡算式，再用代数法求解。 对于有化学反应的单元操作，可以采用化学反应式进行衡算。
第二节 能量衡算
在食品工厂生产中，能量的消耗是一项重要的技术经济指标，它是衡量工艺过 程、设备设计、操作制度是否先进合理的主要指标之一。
能量衡算的基础是物料衡算，只有在进行完物料衡算后才能做能量衡算。
（一）热量衡算 （1）热量衡算的依据
（2）热量衡算的依据
（3）热量衡算的方法和步骤
热量衡算实例— 棉籽油热量计算实例
由上述可得100kg混合原料可制得的热麦汁量为：
（73.16÷12）×100=609.66（kg）
又知汁在20℃时的相对密度为1.084，而100℃热麦汁比20℃时的麦汁 体积增加
物料衡算和能量衡算(热量)
H
298
)
表示，常用物质的
(
H
T
H
298
)
大都被计算出来，这些数据
可以查“常用物质标准焓差数据表”。
•
在使用时把两个不同温度Tl和T2下
(
H
T
H
298
)
的相减，所
得差值是此物质在Tl和T2的理想气体状态的焓差，并不需
要也不可能知道绝对数值。
• b．某些理想气体焓的多项式 • c．热力学图表
Q提供 1579 .4kJ
四. 热量的计算方法
(1)等压条件下 在没有化学反应和聚集状态变化时，物质温度从Tl变化到T2时， 过程放出或吸收的热按下式计算：
∫ Q = n
T2 T1
C
p,m
dT
∫ Q = m
T2 T1
c
pdT
Q也可以用T1－T2温度范围的平均摩尔热容计算出来，计算式为：
Q nC p,m (T2 T1 )
解： 以1s为计算基准。根据公式：
( ) ∑ ∑( ) ∑ Q = niHi out - njH j in
Q Q提供＋Q损 Q提供 150kJ
Hout＝(0.4 0.1) 3640kJ 1820kJ
Hin (0.4 765 0.1846)kJ 390.6kJ
Q提供 150 kJ 1820 kJ 390 .6kJ
p1 p2
4 反应热
• 在很多情况下是查不到反应热数据的 • 可通过物质的标准生成热数据和燃烧热数据来计算
反应热 • 因为标准生成热和燃烧热数据可在一般手册上查到 • 特别是对有机反应，使用燃烧热求算反应热是一个
普遍使用的方法。
• 用下面的公式从标准生成热求算反应热：
化工计算 第五章能量衡算 第四节能量衡算的基本方法
高职高专“十一五”规划教材《化工计算》
⑵热量衡算的基本步骤有 a.画物料流程图 b.选择基准 c.数学方法求解 d.列表并校核
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第四节 能量衡算的基本方法
例5-5：两股不同温度的水用作锅炉进水，它们的流量 及温度分别是A：120 kg·min-1，30℃；B：175 kg·min-1，
65℃，锅炉压力为17×103kPa（绝压）。出口蒸汽通过内
60 2
Q H Ek 1.27 10 4 50.45 1.275 10 4 kJ s1
EK Q
50.45 1.275 10
4
0.0040
0.4%
可见动能的变化约占过程所需总热量的0.4%，对于带有相变、 化学反应或较大温度变化的过程，动能和位能的变化相对于焓变 来说，常常是可忽略的（至少在作估算时可以这样）。
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
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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：
径为60mm的管子离开锅炉。如产生的蒸汽是锅炉压力下的 饱和蒸汽，计算每分钟要供应锅炉多少千焦的热量，忽略 进口的动能。
解：①作水的物料衡算 可知产生的蒸汽流量为120+175=295kg·min-1。 ②确定各流股的比焓
由水蒸气表查得30℃、65℃液态水及17×103kPa时的
饱和水蒸气的焓。查得的数据已填入流程图中。
能量衡算
设定进入锅炉的H2O为0.4kg，则进入锅炉的CH3OH为1kg. 查表可得各物料在进出口状态下的热物理参数，见下表
H2O 压力 进口 4.5atm 温度 20℃ 焓值 365kj/kg 温度 450 ℃ CH3OH 焓值 6615kj/kg
出口
4.5atm饱 和
2715kj/kg
T=?
h=？
因为是绝热过程，则有∑（h*u）进= ∑（h*u）出，则
Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6
物料带 进体系 的热量
加热剂（或冷却 剂）与设备交换 的热量
过程 反应热
物料从体 设备自身 系带走的 消耗的 散热损失 热量 热量
9
• 在有轴功率的情况下，需要考虑物料的机械功，下面通过 下边典型的化工工艺物料流动的简图，说明一下有轴功率情况 下的能量衡算公式：
能量衡算
•能量衡算的定义 •能源的几种主要形式 •能量衡算的主要任务 •能量衡算式 •热量衡算 •过程的物料及能量衡算
1
能量衡算的定义
以热力学第一定律为依据，对生产过程或设备的 能量平衡进行定量的计算，计算过程中要供给或移 走的能量，称之为能量衡算。能量是热能、电能、 化学能、动能、辐射能的总称。化工生产中最常用 的能量形式为热能，故化工设计中经常把能量计算 称为热量计算。
•
H v
8.319Tb (3.978Tb / Tc 3.938 1.555ln Pc ) 1.07 Tb / Tc
J/mol
• 3、反应热
• 恒压反应热(焓) 在恒温恒压下，反应物按照化学计量式完全反应，物料 在反应前后的焓差被称为恒压反应热或反应焓，以ΔHr表示 。 恒容反应热 在恒温恒容下，反应物在温度T时按照化学计量式完全 反应，物料在反应前后的内能的变化被称为恒容反应热， 以ΔUr(T)表示。
【免费下载】第五章能量衡算习题解答
5-1 压力为，温度为的水蒸气通过一根内径为75㎜的管子，以的速度进1.5MPa 320℃-13m s ⋅入透平机。
由透平机出来的乏气用内径为25㎜的管子引出，其压力为，温度为℃。
假定35kPa 80过程无热损失，试问透平机输出的功率为多少？【解】：查593K 和353K 过热水蒸气焓值，，-113255.8kJ kg h =⋅-122645.6kJ kgh =⋅ 由 3-13-11176.5cm g 0.1765m kg V =⋅=⋅313-124625 4.625m kg V cm g -=⋅=⋅ 进口截面积 ()22210.0750.00442m 44A D ππ==⨯=、 -11130.004420.0751kg s 0.1756u A m V ⨯===⋅m V A u V A u ==111222-122220.0751 4.6257.08m s 0.254m V u A π⋅⨯===⋅⨯-1212645.63255.8610.2kJ kg h h h ∆=-=-=-⋅ 忽略位能变化，则 0z ∆= ()2223-1117.0831020.563kJ kg 22u -∆=-⨯=⋅ 212s q w m h u ⎛⎫+=∆+∆ ⎪⎝⎭()-10.0751610.220.56347.37kJ s 47.37kWs w =-+=-⋅=-5-2 有一水泵每小时从水井抽出的水并泵入储水槽中，水井深，储水槽的水位离地1892kg 61m 面，水泵用功率为的电机驱动，在泵送水过程中，只耗用该电机功率的45％。
储水18.3m 3.7KW 槽的进、出水位的质量流量完全相等，水槽内的水位维持不变，从而确保水作稳态流动。
在冬天，井水温度为℃,为防止水槽输出管路发生冻结现象，在水的输入管路上安设一台加热器对水进4.5行加热，使水温保持在℃，试计算此加热器所需净输入的热量。
7.2【解】：流动体系由水井、管路、泵、加热器和储水槽组成。
第5章_化工过程的能量分析习题
第5章_化工过程的能量分析习题第5章化工过程的能量分析一、是否题1．系统熵增加的过程必为不可逆过程。
错2．绝热过程必是定熵过程。
错 3. 热温熵QT即过程的熵变。
错。
过程熵变的定义为Q S T=可逆，即可逆过程的热温商才是熵变。
4．对一个绝热不可逆过程，是否可以设计一个绝热可逆过程来计算其熵变化？否。
绝热不可逆过程是自发过程，而绝热可逆过程是平衡过程，两者不能替代。
但是对一个不可逆过程的熵变，可以设计一系列可逆过程来计算有相同初、终态的过程熵变。
5. 不可逆过程一定是自发的，自发过程一定是不可逆的。
否。
自发过程一定是不可逆的，但不可逆过程不一定是自发的。
例如：理想气体的等外压压缩就不是自发过程，但是不可逆过程。
6. 功可以全部转变成热，但热一定不能全部转化为功。
否。
功可以自发地全部变为热，热也可以全部转化为功，但一定会引起其他变化。
例如，理想气体等温膨胀是ΔT=0；ΔU=0，Q=W ，热全部转化为功，但系统的体积变大了，压力变小了。
7. 无论流体的温度高于或低于环境温度，其有效能均为正对。
根据热力学原理，一切不平衡状态均走向平衡，可以作功。
因此所有偏离环境温度的状态应具有正的有效能。
二、选择题1．理想气体流过节流阀，其参数变化为。
A ⊿T ＝0, ⊿S ＝ 0B ⊿T ＝0, ⊿S ＞ 0C ⊿T ≠ 0, ⊿S ＞ 0D ⊿T ＝0, ⊿S ＜ 0(B)。
系统工质经历一个可逆定温过程，由于温度没有变化，故该系统不能与外界交换能量。
2．（1）孤立体系的熵永远增加。
（2）在绝热的条件下，趋向平衡的过程中，体系的熵增加。
（3）孤立体系的熵永不减少。
（4）可用体系的熵函数的增加或不变来判断过程是否可逆。
上述表述中全部错误的是A (1) (4)B (2) (4)C (2) (3)D (1) (2)A 。
(1) 孤立体系的自发过程向着熵值增大的方向进行，直到体系的熵具有极大值（dS = 0）时达到平衡态。
化工计算 第五章能量衡算 第二节能量的基本形式
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
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第二节 能量的基本形式
能量衡算和物料衡算类似，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）
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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：
U nf (T ,Vm )
我们只能计算内能的差，或计算相对于某个参考 态的内能，而无法计算内能的绝对值。
U 2
U1
n
T2 T1
Cv,m
dT
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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：
Ep mgZ
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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化是不可忽略的外，在能 量衡算中位能皆可忽略。
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5-1 压力为1.5MPa ，温度为320℃的水蒸气通过一根内径为75㎜的管子，以-13m s ⋅的速度进入透平机。
由透平机出来的乏气用内径为25㎜的管子引出，其压力为35kPa ，温度为80℃。
假定过程无热损失，试问透平机输出的功率为多少？【解】：查593K 和353K 过热水蒸气焓值，-113255.8kJ kg h =⋅，-122645.6kJ kg h =⋅ 由 3-13-11176.5cm g 0.1765m kg V =⋅=⋅313-124625 4.625m kg V cm g -=⋅=⋅进口截面积 ()22210.0750.00442m 44A D ππ==⨯=-11130.004420.0751kg s 0.1756u A m V ⨯===⋅、 m V A u V A u ==111222-122220.0751 4.6257.08m s 0.254m V u A π⋅⨯===⋅⨯ -1212645.63255.8610.2kJ kg h h h ∆=-=-=-⋅ 忽略位能变化，则 0z ∆=()2223-1117.0831020.563kJ kg 22u -∆=-⨯=⋅212s q w m h u ⎛⎫+=∆+∆ ⎪⎝⎭()-10.0751610.220.56347.37kJ s 47.37kW s w =-+=-⋅=-5-2 有一水泵每小时从水井抽出1892kg 的水并泵入储水槽中，水井深61m ，储水槽的水位离地面18.3m ，水泵用功率为3.7KW 的电机驱动，在泵送水过程中，只耗用该电机功率的45％。
储水槽的进、出水位的质量流量完全相等，水槽内的水位维持不变，从而确保水作稳态流动。
在冬天，井水温度为4.5℃,为防止水槽输出管路发生冻结现象，在水的输入管路上安设一台加热器对水进行加热，使水温保持在7.2℃，试计算此加热器所需净输入的热量。
【解】：流动体系由水井、管路、泵、加热器和储水槽组成。
计算基准：以一小时操作记，稳流过程：212s s Q W m h g z u ⎛⎫+=∆+∆+⎪⎝⎭-19.8179.3777.933kJ kg g z ⋅∆=⨯=⋅0212=∆u 3-1-13.7100.453168.08J kg 3.168kJ kg 189213600s N W Q ⨯⨯===⋅=⋅⨯水热容：3-1-14.18410J kg K P C =⨯⋅⋅()3-14.184107.2 4.511296.8kJ kg P h C T ∆=∆=⨯⨯-=⋅s Q mw =-+212m h g z u ⎛⎫∆+∆+ ⎪⎝⎭()-1-1-11892 3.16811.2970.77816851.7kJ h 8.906kJ kg 4.68kJ s=-++=⋅=⋅=⋅5-3 水蒸气在透平机中等熵膨胀，其状态由6MPa 、600℃变为10kPa 。
如果水蒸气的质量流量为-12kJ s ⋅，试计算透平机的输出功率。
【解】：水蒸气在透平中为等熵膨胀，查水蒸气表知6MPa 、600℃过热水蒸气熵和焓值分别为：-1-117.1677kJ kg K s =⋅⋅,-113658.4kJ kg h =⋅出口处为湿蒸汽，查10kPa 的饱和水蒸气和饱和水的熵和焓值为：-1-10.6493kJ kg K l s =⋅⋅，-1191.83kJ kg l h =⋅-1-18.1482kJ kg K g s =⋅⋅，-12583.8kJ kg g h =⋅由以上数据可确定出口处水蒸气的干度 1227.16770.64938.1482s s x ===+ 20.80x = 出口处水蒸气的焓值为：-122191.832583.80.802258.87191.83kJ kg l g l h h h x h =+=+⨯==⋅ 等熵膨胀为绝热可逆过程，忽略动、位能变化，由能量平衡方程知： ()()2122258.873658.42799.06kW S W H m h h =∆=-=-=-5-11 设有一股温度为90℃，流量为20kg/s 的热水与另一股温度为50℃，流量为30kg.s -1的温水绝热混合。
试求此过程产生的熵。
此绝热混合过程是否可逆？解：90℃ 20kg.s -1 和 50℃ 30 kg.s -1在绝热条件下混合成温度为T 3的水，求：?=∆S混合过程：()()()232131221132312211321S S m S S m S m S m S m S m S m S m S m m S -+-=--+=--=∆＋焓换算 C t t t C t t C h m h m h m m p p660)()()323132211321==-+-=+=+（或设水的热容相等：Ct Km m t m t m T t m t m t m t m t t C m t t C m p p 66339302032330363200)()(3212211322321131232131==+⨯+⨯=++=+-=-=-+- 2211321232131)()()(S m S m S m m S S m S S m S --+=-+-=∆或 3446.0ln ln 23213*1=+=∆T T C m T T C m S pm p g -1-14.184J kg K p C =⋅⋅查附表 C 90水 1925.11=S C 50 7038.02=S C66 905.03=S所以 -1-1(2030)0.90520 1.195300.70380.286k J kg s g S ∆=+⨯-⨯-⨯=⋅⋅5-12 140℃饱和水蒸气以4 kg.s -1的流率进入换热器，加热20℃的空气，水蒸气与空气逆向流动。
如果饱和水蒸气离开换热器时冷凝为140℃的饱和水。
求热流体传热过程的熵产生量。
【解】：选择水蒸汽未研究体系，因为是稳流过程，作功为零，且忽略动、位能变化。
则能量平衡方程：212∆+∆+∆=+S H mg z m u Q W 简化为： H m h Q ∆=∆=由稳流系统的熵平衡式得熵产生得表达式()()f inii i outjj j g S s m s m S ∆--=∆∑∑()21g Q S m s s T∆=--由水蒸气表查得：140℃下的饱和蒸汽 -112733.8k J kg h =⋅，-1-11 6.9302kJ kg K s =⋅⋅ 140℃下的饱和水 -12589.24k J kg h =⋅，-1-12 1.73936kJ kg K s =⋅⋅得：()()-1214589.242733.88578.24kJ s Q m h h =-=-=-⋅()()-1-1218578.2441.73936 6.93028.5kJ K s 293.15g Q S m s s T ∆=--=-+=⋅⋅5-14 1mol 理想气体在400K 由0.1013MPa 经等温不可逆压缩到1.013MPa ，压缩过程的热被移到300K 的贮热器，实际压缩功比同样的可逆压缩功多20％，计算气体与贮热器的熵变及总熵变。
【解】：理想气体等温过程的可逆轴功为： -121 1.013ln8.314400ln 7657.48J mol 0.1013R p w RT p ==⨯=⋅ 不可逆轴功为可逆轴功的1.2倍-11.2 1.27657.489188.976J mol s R w w ==⨯=⋅由热力学第一定律知：0s h q w ∆=+=-19188.976J mol s q w =-=⋅气体熵变 -1-121p 1.013ln8.314ln 19.14J mol K p 0.1013s R ∆⋅⋅气＝－＝－＝－ 设储热器温度不变则：-1-19188.976s 30.63J mol K 300q T -∆==⋅⋅贮－＝总熵变 -1-1s 19.1430.6311.49J mol K s s ∆=∆+∆=-+=⋅⋅贮气5-16 12MPa 、700℃的水蒸气供给一个透平机，排出的水蒸气的压力为0.6MPa 。
（a ）在透平机中进行绝热可逆膨胀，求过程理想功和损失功。
（b ）如果等熵效率为0.88，求过程的理想功、损失功和热力学效率。
【解】：（a ）入口水蒸气性质可由水蒸气h-s 图查得：-1-117.0757kJ kg k s =⋅⋅ ， -113858.4kJ kg h =⋅ 绝热可逆膨胀为等熵过程 -1-1217.0757kJ kg k s s ==⋅⋅出口为过热蒸汽，由压力和熵值由h-s 图查得出口焓值-122904.1kJ kg h =⋅ 由热力学第一定律 -1212904.13858.4954.3kJ kg s w h h h =∆=-=-=-⋅ 理想功 -10954.3kJ kg id W H T S H =∆-∆=∆=-⋅绝热可逆膨胀的损失功 0L id S W W W =-=（b ）等熵效率为0.88时()-10.8954.3839.8kJ kg s w =⨯-=-⋅对于该绝热过程-1213858.4839.83081.6kJ kg s h h w =-=-=⋅由h-s 图查得不可逆绝热过程的出口熵值-1-127.2946kJ kg k s =⋅⋅ 设环境温度为298K ，()()-10212987.29467.0757905kJ kg id W H T S h h =∆-∆=---=-⋅损失功-1839.890565.2kJ kg L S id W W W =-=-+=⋅热力学效率 839.80.928905S a id W W η===5-23有一温度为90℃、流量为-172000kg h ⋅的热水和另一股温度为50℃、流量为-1108000kg h ⋅的水绝热混合。
试分别用熵分析和有效能分析计算混合过程的有效能损失。
大气温度为25℃。
问此过程用哪个分析方法求有效能损失较简便？为什么？解：131231()()p p m c t t m c t t -=-- 求得366C t = Q ＝0 W 3＝0 ΔH ＝0 熵分析法123112313231123()g S m m S m S m S m S m S m S m S ∆=+---=+--131232()()m S S m S S =-+-331212lnln p p T T m c m c T T =+ -133933972000 4.184ln 108000ln 1240.8kJ h 363323p c =⨯+=⋅0X L g E W T S -∆==∆5-13.710kJ kg =⨯⋅有效能分析法312X X X X E E E E ∆=--1230030110010220020()[()()][()()[()()m m H H T S S m H H T S S m H H T S S =+----------- 3121230011002200000()[()ln][()ln )][()ln )]p p p T T T m m c H H T m c T T T m c T T T T T T =+-------- 363363=(72000+108000) 4.184[(66-25)-298ln 72000 4.184(9025298ln )298298⨯-⨯-- 323108000 4.184[(5025)298ln]298-⨯-- 6655-11.94710 1.86810 4.48910 3.710kJ h =⨯-⨯-⨯=⨯⋅5-24 某厂因生产需要，设有过热蒸汽降温装置，将120℃的热水5-1210kg h ⨯⋅和0.7MPa 、300℃的蒸汽5-1510kg h ⨯⋅等压绝热混合。