第五章能量衡算

1、第五章 能量衡算第一節(jié) 概述第二節(jié) 熱量衡算第三節(jié) 過(guò)程的熱效應(yīng)第四節(jié) 熱量衡算舉例第五節(jié) 加熱劑、冷卻劑及其其他能量消耗的計(jì)算5.1 概述v 5.1.1能量衡算的目的和意義v 計(jì)算過(guò)程能耗指標(biāo)進(jìn)行方案比較，選定先進(jìn)生產(chǎn)工藝。v 能量衡算數(shù)據(jù)是設(shè)備選型和計(jì)算的依據(jù)；v 是組織、管理、生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)核算和最優(yōu)化的基礎(chǔ)v 5.1.2能量衡算的的依據(jù)及必要條件v 依據(jù)為能量守恒定律v 條件：物料衡算的數(shù)據(jù)，相關(guān)熱力學(xué)物性數(shù)據(jù)。v 5.1.3能量守恒的基本方程v 輸出能量+消耗能量+積累能量輸入能量+生成能量v 5.1.4能量衡算的分類(lèi)v 單元設(shè)備的能量衡算和系統(tǒng)的能量衡算5.2 熱量衡算v 5.2.1熱

2、量平衡方程式v Q1物料帶入設(shè)備的熱量，kJ；v Q2加熱劑或冷卻劑傳給設(shè)備及所處理物料的熱量，kJ；v Q3過(guò)程的熱效應(yīng)，kJ；（注意符號(hào)規(guī)定）v Q4物料帶出設(shè)備的熱量，kJ；v Q5加熱或冷卻設(shè)備所消耗的熱量或冷量，kJ；v Q6設(shè)備向環(huán)境散失的熱量，kJ。 v 注意各Q的符號(hào)規(guī)定v Q2為設(shè)備的熱負(fù)荷。若Q2為正值，需要向設(shè)備及所處理的物料提供熱量；反之，表明需要從設(shè)備及所處理的物料移走熱量。v 對(duì)間歇操作，按不同的時(shí)間段分別計(jì)算Q2的值，并取其最大值作為設(shè)備熱負(fù)荷的設(shè)計(jì)依據(jù)。 5.2.2 各項(xiàng)熱量的計(jì)算v 1、計(jì)算基準(zhǔn)v 一般情況下，可以0和1.013´105 Pa為計(jì)算基

3、準(zhǔn)v 有反應(yīng)的過(guò)程，也常以25和1.013´105Pa為計(jì)算基準(zhǔn)。v 2、Q1或Q4的計(jì)算v 無(wú)相變時(shí) 物料的恒壓熱容與溫度的函數(shù)關(guān)系常用多項(xiàng)式來(lái)表示：v 若知物料在所涉及溫度范圍內(nèi)的平均恒壓熱容，則：3、Q3的計(jì)算過(guò)程的熱效應(yīng)由物理變化熱QP和化學(xué)變化熱QC兩部分組成v 物理變化熱是指物料的濃度或狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)所產(chǎn)生的熱效應(yīng)。若過(guò)程為純物理過(guò)程，無(wú)化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，如固體的溶解、硝化混酸的配制、液體混合物的精餾等，則 QC0 。v 化學(xué)變化熱是指組分之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)所產(chǎn)生的熱效應(yīng)，可根據(jù)物質(zhì)的反應(yīng)量和化學(xué)反應(yīng)熱計(jì)算。4、Q5的計(jì)算v 穩(wěn)態(tài)操作過(guò)程 Q50v 非穩(wěn)態(tài)操作過(guò)程由下式求Q5

4、v Q5=åGCP（T2-T1)v G設(shè)備各部件的質(zhì)量，kg；v Cp設(shè)備各部件材料的平均恒壓熱容，kJ×kg-1×-1；v T1設(shè)備各部件的初始溫度，；v T2設(shè)備各部件的最終溫度，。v 與其他各項(xiàng)熱量相比，Q5的數(shù)值一般較小，因此，Q5常可忽略不計(jì)。5、Q6的計(jì)算v 對(duì)有保溫層的設(shè)備或管道，aT可用下列公式估算。（1）空氣在保溫層外作自然對(duì)流，且TW<150v 在平壁保溫層外， aT9.8+0.07（T）v 在圓筒壁保溫層外， aT9.+0.0（T）v (2)空氣沿粗糙壁面作強(qiáng)制對(duì)流v 當(dāng)空氣流速u(mài)不大于5m×s-1時(shí)，aT可按下式估算v aT

5、6.2+4.2u v 當(dāng)空氣速度大于5m×s-1時(shí)，aT可按下式估算v aT7.8u0.78v (3) 對(duì)于室內(nèi)操作的釜式反應(yīng)器，aT的數(shù)值可近似取為10 W×m-2× -1。5.2.3 衡算方法和步驟v 1、衡算方法和步驟v (1) 明確衡算目的，如通過(guò)熱量衡算確定某設(shè)備或裝置的熱負(fù)荷、加熱劑或冷卻劑的消耗量等數(shù)據(jù)。 v (2) 明確衡算對(duì)象，劃定衡算范圍，并繪出熱量衡算示意圖v (3) 搜集有關(guān)數(shù)據(jù)v 由手冊(cè)、書(shū)籍、數(shù)據(jù)庫(kù)查取，由工廠實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)獲取，通過(guò)估算或?qū)嶒?yàn)獲得。v (4) 選定衡算基準(zhǔn)v 同一計(jì)算要選取同一基準(zhǔn)，且使計(jì)算盡量簡(jiǎn)單方便。v (5)列出熱

6、量平衡方程式，計(jì)算各種形式的熱量。v (6)編制熱量平衡表v 并檢查熱量是否平衡v （7)求出加熱劑或冷卻劑等載能介質(zhì)的用量v （8）求出單位產(chǎn)品的能量消耗定額、每小時(shí)、每天及每年的消耗量。2、熱量衡算中注意的問(wèn)題v （1）確定系統(tǒng)所涉及的所有熱量和可能轉(zhuǎn)化成熱量的其他能量，不得遺漏。v （2）確定計(jì)算的基準(zhǔn)，有相變時(shí)必須確定相態(tài)基準(zhǔn)，不要忽略相變熱。v （3）Q2>0表示需要加熱，Q2<0表示需要冷卻。間歇過(guò)程，各段時(shí)間操作情況不同，應(yīng)分段進(jìn)行衡算，求出不同階段的Q2。v （4）計(jì)算時(shí)，尤其由手冊(cè)查得數(shù)據(jù)時(shí)，要使數(shù)據(jù)正負(fù)號(hào)與公式規(guī)定一致。v 有時(shí)須將物能衡算聯(lián)合進(jìn)行方可求解。5.

7、3 過(guò)程的熱效應(yīng)v 5.3.1物理變化熱v 常見(jiàn)的有相變熱和濃度變化熱。v 1、相變熱v 相變?cè)诤銣睾銐合逻M(jìn)行，所產(chǎn)生的熱效應(yīng)稱(chēng)為相變熱。v 各種純化合物相變熱可從有關(guān)手冊(cè)、文獻(xiàn)中查得,但應(yīng)注意相變熱的單位及正負(fù)號(hào)。一般熱力學(xué)數(shù)據(jù)中的相變熱以吸熱為正,放熱為負(fù)。也可由經(jīng)驗(yàn)式計(jì)算（1）汽化熱v 1）由已知溫度的汽化熱求另一溫度的汽化熱3）根據(jù)蓋斯定律由已知T1、P1下的汽化熱求T2、P2下的汽化熱（2）熔融熱v K1、K2值可由下表查取2、濃度變化熱v 恒溫恒壓下，溶液因濃度發(fā)生改變而產(chǎn)生的熱效應(yīng)，稱(chēng)為濃度變化熱。以物質(zhì)在水溶液中的濃度變化熱最為常見(jiàn)。v （1）積分溶解熱v 恒溫恒壓下，將1摩爾

8、溶質(zhì)溶解于n摩爾溶劑中，該過(guò)程所產(chǎn)生的熱效應(yīng)稱(chēng)為積分溶解熱，簡(jiǎn)稱(chēng)溶解熱，用符號(hào)DHs表示。v 若溶質(zhì)溶解時(shí)不發(fā)生解離作用溶劑和溶質(zhì)間無(wú)化學(xué)作用（包括形成絡(luò)合物）可按下述原則求溶解熱v 溶質(zhì)是氣態(tài)，則溶解熱為冷凝熱。v 溶質(zhì)是固態(tài)，則溶解熱為熔融熱。v 溶質(zhì)是液態(tài)，形成理想溶液，溶解熱為零；非理想溶液表5-1 25時(shí)，H2SO4水溶液的積分溶解熱注：表中積分溶解熱的符號(hào)規(guī)定為放熱為正、吸熱為負(fù)。硝酸的積分溶解熱可用下式估算v 鹽酸的積分溶解熱可用下式估算(2)積分稀釋熱v 恒溫恒壓下，將一定量的溶劑加入到含1摩爾溶質(zhì)的溶液中，形成較稀的溶液時(shí)所產(chǎn)生的熱效應(yīng)稱(chēng)為積分稀釋熱，簡(jiǎn)稱(chēng)稀釋熱。v 兩種不同

9、濃度下的積分溶解熱之差就是溶液由一種濃度稀釋至另一種濃度的積分稀釋熱。例如，向由1mol H2SO4和1mol H2O組成的溶液中加入5mol水進(jìn)行稀釋的過(guò)程可表示為v 由表5-1可知，1mol H2SO4和6mol H2O組成的H2SO4水溶液的積分溶解熱為60.79 kJ×mol-1，1mol H2SO4和1mol H2O組成的H2SO4水溶液的積分溶解熱為28.09 kJ×mol-1，則上述稀釋過(guò)程的濃度變化熱或積分稀釋熱為 例5-1 在25 oC和1.013´105Pa下，用水稀釋78%的硫酸水溶液以配制25%的硫酸水溶液。擬配制25%的硫酸水溶液1000

10、kg，試計(jì)算：(1) 78%的硫酸溶液和水的用量；(2) 配制過(guò)程中H2SO4的濃度變化熱。v 解：(1) 78%的硫酸溶液和水的用量.畫(huà)出流程示意圖， 劃定體系，取1000kg25混酸為基準(zhǔn),設(shè) GH2SO4為78%的硫酸溶液的用量，GH2O 為水的用量v (2) 配制過(guò)程中H2SO4的濃度變化熱v 配制前后，H2SO4的摩爾數(shù)均為配制后H2O的摩爾數(shù)變?yōu)橥坝杀?-1得根據(jù)蓋斯定律5.3.2化學(xué)變化熱如，氫與氧的反應(yīng)熱化學(xué)方程式為則反應(yīng)進(jìn)度變?yōu)?mol，過(guò)程的化學(xué)變化熱為 v 可見(jiàn)，反應(yīng)進(jìn)度與反應(yīng)方程式的寫(xiě)法有關(guān)，但過(guò)程的化學(xué)變化熱不變。1、由標(biāo)準(zhǔn)生成熱計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)熱v 2、由標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱計(jì)

11、算標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)熱3、非標(biāo)準(zhǔn)條件下的反應(yīng)熱v 若反應(yīng)在T下進(jìn)行，且反應(yīng)物和產(chǎn)物在(25T)之間均無(wú)相變化，則可設(shè)計(jì)如下途徑完成該過(guò)程若某反應(yīng)物或產(chǎn)物在(25t)oC之間存在相變，v 應(yīng)注意物質(zhì)的相態(tài)不同，其Cp值也不同5.4熱量衡算舉例v 例5-2 物料衡算數(shù)據(jù)如表4-3所示。已知加入甲苯和濃硫酸的溫度均為30，脫水器的排水溫度為65，磺化液的出料溫度為140，甲苯與硫酸的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)反應(yīng)熱為117.2kJ×mol-1(放熱)，設(shè)備(包括磺化釜、回流冷凝器和脫水器，下同)升溫所需的熱量為1.3×105kJ，設(shè)備表面向周?chē)h(huán)境的散熱量為6.2×104kJ，回流冷凝器中冷卻水移

12、走的熱量共9.8×105kJ。試對(duì)甲苯磺化過(guò)程進(jìn)行熱量衡算。表4-3 甲苯磺化過(guò)程的物料平衡表解：熱量衡算的目的是為了確定磺化過(guò)程中的補(bǔ)充加熱量?？扇〖妆交腔b置(包括磺化釜、回流冷凝器和脫水器等)作為衡算對(duì)象。此時(shí)，進(jìn)、出磺化裝置的物料還應(yīng)包括進(jìn)、出回流冷凝器的冷卻水(參見(jiàn)圖3-11)，其帶出和帶入熱量之差即為回流冷凝器移走的熱量。若將過(guò)程的熱效應(yīng)作為輸入熱量來(lái)考慮，則可繪出如圖5-1所示的熱量衡算示意圖v 有關(guān)熱力學(xué)數(shù)據(jù)為：原料甲苯的定壓熱容為1.71 kJ×kg-1×-1；98%硫酸的定壓熱容為1.47kJ×kg-1×-1；磺化液的平均定

13、壓熱容為1.59 kJ×kg-1×-1；水的定壓熱容為4.18kJ×kg-1×-1。圖3-11 連續(xù)脫水方案則熱量平衡方程式可表示為v 取熱量衡算的基準(zhǔn)溫度為25 反應(yīng)中共加入98%濃硫酸的質(zhì)量為1100kg，其中含水22kg。若以SO3計(jì)，98%硫酸的質(zhì)量分率為80%。由式(5-13)得 反應(yīng)結(jié)束后,磺化液含硫酸35.2kg,水21.4kg。以SO3計(jì),硫酸的質(zhì)量分率為50.8%。則v 反應(yīng)消耗的甲苯量為979kg，則v 磺化過(guò)程需補(bǔ)充熱量2.16´105kJ。v 列出甲苯磺化過(guò)程熱量平衡表：例5-3 物料衡算數(shù)據(jù)如表4-4所示。已知乙醇的進(jìn)

14、料溫度為300，反應(yīng)產(chǎn)物的溫度為265，乙醇脫氫制乙醛反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)反應(yīng)熱為-69.11kJ×mol-1(吸熱)，乙醇脫氫生成副產(chǎn)物乙酸乙酯的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)反應(yīng)熱為-21.91kJ×mol-1(吸熱)，設(shè)備表面向周?chē)h(huán)境的散熱量可忽略不計(jì)。試對(duì)乙醇脫氫制乙醛過(guò)程進(jìn)行熱量衡算。v 有關(guān)熱力學(xué)數(shù)據(jù)為： v 乙醇的定壓熱容為0.110kJ×mol-1×-1； v 乙醛的定壓熱容為0.080kJ×mol-1×-1； v 乙酸乙酯的定壓熱容為0.169kJ×mol-1×-1； 氫氣的定壓熱容為0.029kJ×mol-1&

15、#215;-1。v 表4-4 乙醇催化脫氫過(guò)程物料平衡表解：由例4-7可知，過(guò)程為連續(xù)過(guò)程，對(duì)該過(guò)程進(jìn)行熱量衡算的目的是為了確定反應(yīng)過(guò)程中的補(bǔ)充加熱速率。依題意，取反應(yīng)器為衡算對(duì)象,繪出熱量衡算示意圖v 則熱量平衡方程式可表示為由于是連續(xù)過(guò)程，則Q5=0；依題意知Q6=0。 取熱量衡算的基準(zhǔn)溫度為25，則 v 過(guò)程的熱效應(yīng)Q3主要為化學(xué)變化熱，即由乙醇脫氫制乙醛的化學(xué)變化熱為v 乙醇脫氫生成副產(chǎn)物乙酸乙酯的化學(xué)變化熱為Q4由四部分組成,其中未反應(yīng)乙醇帶走熱量為v 乙醛帶走熱量為氫氣帶走熱量為故反應(yīng)過(guò)程所需的補(bǔ)充加熱速率為1.148´106kJ×h-1。編制乙醇催化脫氫過(guò)程熱

16、量平衡表5.5加熱劑、冷卻劑及其他能量消耗的計(jì)算v 5.5.1常用加熱劑和冷卻劑v 常用加熱劑有熱水、飽和水蒸汽(低壓、高壓)、導(dǎo)熱油、道生液、煙道氣和熔鹽等；v 常用冷卻劑有空氣、冷卻水、冰和冷凍鹽水等。v 1、加熱劑和冷卻劑的選用原則v 在較低壓力下可達(dá)到較高溫度；v 化學(xué)穩(wěn)定性高；2、常用加熱劑和冷卻劑的性能特點(diǎn)和物性參數(shù)見(jiàn)表5-4v 無(wú)腐蝕；v 熱容量大；v 冷凝熱大；v 無(wú)火災(zāi)和爆炸危險(xiǎn)；v 無(wú)毒性；v 溫度易于調(diào)節(jié)；v 價(jià)格低廉；v 傳熱能力強(qiáng)。5.5.2加熱劑和冷卻劑消耗量的計(jì)算v 1、水蒸氣的消耗量v (1) 間接蒸汽加熱時(shí)的蒸汽消耗量v 若以0 為基準(zhǔn)溫度(2) 直接蒸汽加熱

17、時(shí)水蒸汽的消耗量v 若以0 為基準(zhǔn)溫度2、冷卻劑的消耗量v 水、冷凍鹽水和空氣均為常用的冷卻劑，其消耗量可用下式計(jì)算 表5-5 氯化鈉水溶液的定壓比熱5.5.3燃料消耗量的計(jì)算v 式中:v G燃料的消耗量,kg或kg×h-1;v h燃燒爐的熱效率,一般燃燒爐的h值可取0.30.5,鍋爐的h值可取0.60.92;v Qp燃料發(fā)熱量,kJ×kg-1。5.5.4電能的消耗量的計(jì)算v 式中v E電能的消耗量,kWh(1kWh=3600kJ)；v h電熱裝置的熱效率,一般可取0.850.95。5.5.5壓縮空氣的消耗量的計(jì)算v 一般壓縮空氣的消耗量折算成常壓(1.013´1

18、05Pa)下的空氣體積或體積流量。v 1、壓送液體物料時(shí)壓縮空氣的消耗量v （1）壓送液體時(shí)，壓縮空氣在設(shè)備內(nèi)所需壓強(qiáng) (2)每次操作均將設(shè)備中的液體全部壓完時(shí)的壓縮空氣消耗量以常壓(1.013´105Pa)下的空氣體積計(jì)，一次操作所需的壓縮空氣消耗量為 若每天壓送物料的次數(shù)為n，則每天操作所需的壓縮空氣體積v 式中Vd每天操作所需壓縮空氣體積,m3×d-1。v 每小時(shí)操作所需的壓縮空氣體積為(2) 每次操作僅將設(shè)備中的部分液體壓出時(shí)的壓縮空氣消耗量v 式中 j設(shè)備的裝料系數(shù)；v V1每次壓送的液體體積，m3。v 每天或每小時(shí)操作所需的壓縮空氣體積與前同。2、攪拌液體時(shí)壓縮空氣的消耗量v 壓縮空氣的最低壓強(qiáng) P1.2gh+P0v 管路阻力按液柱高度的20計(jì)。v 壓縮空氣消耗量為5.5.6真空抽氣量的計(jì)算v 1、抽吸液體物料v 一次抽吸操作所需的抽氣量為3、真空蒸發(fā)v （1）間壁式冷凝器 (2) 直接混合式冷凝器 以標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的空氣體積計(jì)，每小時(shí)應(yīng)從冷凝器抽走的空