天津大學(xué)工業(yè)化學(xué)基礎(chǔ)課件第一章-熱量衡算概

1、1,2.6 能量衡算,1.能量衡算的主要方法和步驟 （1）. 能量衡算式及常用的熱力學(xué)數(shù)據(jù) 根據(jù)能量守恒定律，我們可得下列能量衡算式： 即：Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6,2,其中： Q1所處理的物料帶入設(shè)備中的熱量(KJ) Q2由加熱劑（或制冷劑）傳給設(shè)備的熱量（KJ） Q3反應(yīng)過(guò)程的熱效應(yīng)（KJ） Q4反應(yīng)產(chǎn)物由設(shè)備中帶出的熱量（KJ） Q5消耗在加熱設(shè)備各個(gè)部件上的熱量（KJ) Q6設(shè)備向四周散失的熱量（KJ）,3,對(duì)一個(gè)穩(wěn)定的連續(xù)反應(yīng)過(guò)程來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)中能量的積累為零。在不討論能量轉(zhuǎn)換而只計(jì)算熱量的變化時(shí)，熱量衡算也就是計(jì)算在指定的條件下此反應(yīng)過(guò)程的焓變。根據(jù)熱力學(xué)第一定律，對(duì)于一個(gè)等

2、壓過(guò)程，在只做膨脹功的情況下，其焓變等于反應(yīng)所需吸收或放出的熱量，也就 是等于外界向反應(yīng)系統(tǒng)供給或取出的熱量。 -H=QP,4,有化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的焓變可通過(guò)下列途徑求取,5,6,用上式可計(jì)算反應(yīng)過(guò)程的焓變，其變化數(shù)值即為外界需向系統(tǒng)供給或取出的熱量。故上式可改寫為：,7,利用上面的幾種表達(dá)式作熱量衡算，可在物料衡算結(jié)果上直接進(jìn)行計(jì)算，比較方便。 注意： 1上列衡算式?jīng)]有包括反應(yīng)設(shè)備向周圍散失的熱量。在實(shí)際生產(chǎn)中，總有熱的損失，故在作熱量衡算時(shí)應(yīng)加上這一項(xiàng)熱損失。 2、對(duì)于在加壓下操作的反應(yīng)過(guò)程，由于物質(zhì)的焓值是隨壓力而變化的，故在計(jì)算H1、H2時(shí)，還應(yīng)包括物料在等溫變壓過(guò)程的焓變。,8,式中 H

3、1、H2分別為進(jìn)出反應(yīng)器物料在等溫變壓過(guò)程的焓變,9,從上列諸熱量衡算式可知，對(duì)反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行熱量衡算所需的基礎(chǔ)熱力學(xué)數(shù)據(jù)有等壓熱容、相變熱和標(biāo)準(zhǔn)生成熱等，這些熱力學(xué)數(shù)據(jù)的求取，在有關(guān)課程中已有詳細(xì)討論，這里只指出應(yīng)用上一些應(yīng)注意的問(wèn)題。,10,（1）等壓熱容,aCP和溫度的關(guān)系通常用經(jīng)驗(yàn)公式表示為 式中的a、b、c是物質(zhì)的特性常數(shù)，可在有關(guān)手冊(cè)中查到。如果找不到此溫度關(guān)系式，則利用巳繪制成的某物質(zhì)CP-T關(guān)系曲線圖上查取，不過(guò)此類圖形不可能繪得很大和分度不能很淵精細(xì)，因此在這種圖上查出的數(shù)據(jù)精確度較差。另一種方法是在數(shù)據(jù)表上直接查出CP；如果要查取的CP在表列兩個(gè)溫度之間，則用內(nèi)插法計(jì)算，如果

4、恰在表列溫度之外而又相距不遠(yuǎn)時(shí)，可以作圖外推。 對(duì)液體來(lái)說(shuō)，大多數(shù)液體熱容在1.72.1焦克K之間。,11,b平均熱容 按焓變關(guān)系式 積分后即可求得溫度自 T1變化到T2時(shí)的焓變。在工程計(jì)算上，為了避免積分計(jì)算的麻煩，常應(yīng)用物質(zhì)的平均熱容 。這時(shí) 在使用平均熱容 時(shí) ，要注意不同的溫度范圍 的值是不相同的，平均熱容等于（T1+T2）/2時(shí)的物質(zhì)的熱容，或等于T2 及T1時(shí)的Cp2和Cp1的算術(shù)平均值（Cp2+ Cp1）/2。,12,c. 混合物熱容 生產(chǎn)上遇到混合物的機(jī)會(huì)比遇到純物質(zhì)的機(jī)會(huì)多得多，而混合物的種類、組成又各不相同，除極少數(shù)混合物有實(shí)驗(yàn)測(cè)定的熱容數(shù)據(jù)外，一般都根據(jù)混合物內(nèi)各物質(zhì)的熱

5、容和組成進(jìn)行加和計(jì)算，即,13,d. 熱容與壓力的關(guān)系 壓力對(duì)固體熱容的影響一般不予考慮。對(duì)液體來(lái)說(shuō)，也僅在臨界點(diǎn)附近才較明顯，在一般條件下可以忽略。壓力對(duì)理想氣體的熱容沒(méi)有影響，但對(duì)真實(shí)氣體熱容的影響比較明顯，因此，求取較高壓力下真實(shí)氣體的熱容時(shí)，應(yīng)查閱有關(guān)圖表加以校正。,14,（2）相變熱,基礎(chǔ)有機(jī)化工生產(chǎn)中常遇到的相變有氣化和冷凝、溶解和凝固，而升華和凝華則較少。許多純物質(zhì)在正常沸點(diǎn)下的相變熱已有測(cè)定，可在手冊(cè)中查到。要注意不同的相變條件其相變熱是不同的。當(dāng)在所給條件下物質(zhì)的相變熱找不到時(shí)，可利用已知數(shù)據(jù)通過(guò)熱力學(xué)計(jì)算求取。例如已知T1、P1條件下某物質(zhì)1摩爾的汽化熱為H1，可用下述方法

6、求得在T2、P2條件下的汽化熱H2。,15,H3是液體焓變化，考慮到壓力對(duì)液體影響很小，故 H4為溫度、壓力變化時(shí)氣體焓變化，如果把蒸汽作理想氣處理，則壓力對(duì)氣體焓影響可以忽略，此時(shí) 所以，得出： 或者,16,工程上常用一些經(jīng)驗(yàn)方程式來(lái)計(jì)算汽化熱隨溫度的變化，下式(Waston式)常被采用： 上式比較簡(jiǎn)單和準(zhǔn)確，在高于臨界溫度10以外，平均誤差僅為1.8%。,17,熱量衡算的基本步驟,(1)建立以單位時(shí)間為基準(zhǔn)的物料平衡表（或平衡圖）。我們已指出，物料衡算是熱量衡算的基礎(chǔ)，物料衡算的最終結(jié)果物料平衡表即可作為進(jìn)行熱量衡算的依據(jù)，計(jì)算時(shí)以單位時(shí)間為基準(zhǔn)較方便。 有了物料平衡表，就可以建立熱量衡算

7、式。 （2）選定計(jì)算基準(zhǔn)溫度 這是一個(gè)比較基準(zhǔn)，就是說(shuō)輸入系統(tǒng)的熱量和自系統(tǒng)輸出的熱量應(yīng)該有同一的比較基準(zhǔn)，這比較基準(zhǔn)是人為設(shè)定的，可以選0（273K）,也可以選25（298K），或者選其它溫度。因?yàn)槲墨I(xiàn)上查到的熱力學(xué)數(shù)據(jù)大多數(shù)是298K時(shí)的數(shù)據(jù)，故選298K為基準(zhǔn)溫度在計(jì)算時(shí)比較方便。其次，計(jì)算還要確定基準(zhǔn)相態(tài)。,18,2.6.2加熱劑與冷卻劑的選擇及用量計(jì)算,由于化工生產(chǎn)中的主要能量計(jì)算都是熱量計(jì)算，所以加熱過(guò)程的能源選擇主要為熱源的選擇，冷卻或移走熱量的過(guò)程主要為冷原的選擇。由于化工生產(chǎn)中的不同溫度等級(jí)，而加熱劑與冷卻劑又有不同的使用溫度，所以要根據(jù)不同工藝要求，選擇不同加熱劑或冷卻劑，

8、同時(shí)在考慮中還要考慮加熱劑或冷卻劑的安全性，可靠性及價(jià)格等因素。,19,A） 加熱劑要求,（1） 在較低壓力下可達(dá)到較高溫度； （2） 化學(xué)穩(wěn)定性高； （3） 沒(méi)有腐蝕性； （4） 熱容量大； （5） 冷凝熱大； （6） 無(wú)火災(zāi)或爆炸危險(xiǎn)性； （7） 無(wú)毒性； （8） 價(jià)廉； （9） 溫度易于調(diào)解； 對(duì)于一種加熱劑很難同時(shí)滿足以上要求，這時(shí)應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行分析，選取合適的加熱劑。,20,B）常用的加熱劑和冷卻劑,常用加熱劑與冷卻劑及其性能如下表所示，由此可以選擇工藝過(guò)程所需的加熱劑和冷卻劑。,21,22,C 加熱劑和冷卻劑的用量計(jì)算,熱量衡算的結(jié)果，可以確定輸入或者移走的熱量，從而求出加熱劑

9、或冷卻劑的消耗量。并可以求出傳熱面積的大小。熱量衡算可以確定傳入設(shè)備或者從設(shè)備中移走的熱量Q2，并在不同情況下對(duì)Q2的計(jì)算說(shuō)明如下。,23,（1）、直接蒸汽加入時(shí)的蒸汽用量：,式中：G蒸汽消耗量（Kg） Q2由加熱劑傳給設(shè)備或物料加熱所需的熱量（KJ） 蒸汽熱焓量（KJ/Kg） Tk被加熱液體的最終溫度（） Cp被加熱液體的比熱容（KJ/Kg ） 為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，通常蒸汽加熱時(shí)的蒸汽用量計(jì)算僅考慮蒸汽放出的冷凝熱。,24,（2）、間接蒸汽加熱時(shí)蒸汽的用量：,式中：G蒸汽消耗量（kg） Q2由加熱劑傳給設(shè)備或物料的熱量（KJ） 蒸汽熱焓量（KJ/Kg） Tn冷凝水的最終溫度（） Cp被加熱液體的比熱

10、容（KJ/Kg ）,25,（3）、燃料消耗量：,MQ2/TQp 式中：M燃料消耗量（Kg） Q2由加熱劑傳給設(shè)備或物料的熱量（KJ） T爐子的熱效率 Qp燃料的熱值（KJ/Kg）,26,例：生產(chǎn)中常以煤或油為燃料，在鍋爐中產(chǎn)生蒸氣。 1.計(jì)算燃燒每噸煤產(chǎn)生蒸氣量？ 2.計(jì)算燃燒每噸油產(chǎn)生蒸氣量？ 已知：煤的平均燃燒熱為23012Kj/kg 油的平均燃燒熱為33472Kj/kg 1.3Mpa水蒸汽氣化熱為1976.7 Kj/kg，鍋爐效率按60/100計(jì)算。,27,（4）、冷卻劑消耗量：,WQ2/Cp（tKtH） 式中：W冷卻劑消耗量（Kg） Q2由冷卻劑從設(shè)備或物料移走的熱量（KJ） Cp冷卻

11、劑的比熱容（KJ/Kg ） tK由換熱設(shè)備流出冷卻劑的平均溫度（） tH冷卻劑的最初溫度（）,28,（5）、電能消耗量,EQ2/860 式中：E電能消耗量（KWh） Q2由加熱劑傳給設(shè)備或物料的熱量（KJ） 電熱裝置的電工效率，一般取0.850.95,29,D熱量衡算中注意的幾個(gè)問(wèn)題,（1）有效平均溫差 列管式換熱器流向的影響 逆流 順流 其它流向 間歇反應(yīng)釜冷卻和加熱平均溫差 冷卻平均溫差 加熱平均溫差 （2） 壁溫的確定,30,2.6.3 熱量衡算示例,物理變化過(guò)程焓變的計(jì)算舉例 例1 有一苯汽化器，每小時(shí)把100千克20液體苯加熱為80的氣體苯，壓力為1大氣壓，求所需能量。,31,解：由

12、于H計(jì)算只由初終狀態(tài)決定而與過(guò)程無(wú)關(guān)，計(jì)算方法有下列幾種。從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，差異不大，但使用哪一種方法，主要看手頭那種數(shù)據(jù)得到的方便，并盡可能簡(jiǎn)化計(jì)算而定。 查出的相關(guān)熱力學(xué)數(shù)據(jù)： 從苯的H-T圖上查得，80、1大氣壓的氣體苯的焓是H=1314.1868 = 548.3 kJ/kg , 20液體苯的焓是H=84.1868 = 33.5 kJ/kg。 在20下苯的汽化熱焓變?yōu)镠汽化=8.13 kcal/mol = 437 kJ/kg；Cp= 0.409 + 0.077621 T0.2642910-4 T2 我們查得苯氣體在下列三個(gè)溫度的 的值。,32,千卡,33,（1）利用苯的H-T圖 從苯的H-

13、T圖上查得80、1大氣壓的氣體苯的焓是H=1314.1868 = 548.3 kJ/kg , 20液體苯的焓是H=84.1868 = 33.5 kJ/kg。每千克苯的焓變?yōu)椋?H = H出H入 = 548.333.5 = 514.8 kJ/kg 100千克苯焓變 (即需熱) 514.8 100 =51,480 kJ/h,34,(2)用熱容計(jì)算 把焓變分為二步。第一步在20下把苯汽化，焓變?yōu)镠1；第二步把20苯蒸汽加熱到80，焓變?yōu)镠2， 而H2= 在手冊(cè)中查到，H1=8.13 kcal/mol = 437 kJ/kg; Cp= 0.409 + 0.077621 T0.2642910-4 T2

14、則H2 = =13164.187 = 5510 J/mol = 70.7 kJ/kg 所以，H=100（H1+H2）= 100（437+70.7） =50770 kJ/h,35,(3) 利用苯氣體的 表 這個(gè)方法基本上與上述方法相似，不過(guò)第二步是直接從 表上查得H2。 我們查得苯氣體在下列三個(gè)溫度的 的值。,千卡,36,因?yàn)闆](méi)有293K數(shù)據(jù)，用外推法求之。 （300-298）/（0.04-0） =（298-293）/ x1 x1=0.1 所以 再內(nèi)插353K(80)的 ，其值為0.04+ x2。 x2=1.235,37,所以 H2 = =1.275 -(-0.1)=1.375 kcal/mol

15、=73.85 kJ/kg H=100（H1+H2）= 100（437+73.85） =51085 kJ/h,38,例2 有一水汽空氣飽和器，空氣進(jìn)入流量為2500標(biāo)米3/時(shí)，溫度為25，直接與流量為33500千克/時(shí)的91熱水接觸，空氣得到增濕帶出水蒸氣2010千克，出口溫度84，熱損失為83760千焦/時(shí)。問(wèn)熱水出口溫度是多少？水的熱容取4.1868千焦/千克K，空氣平均熱容1.006千焦/千克K。（空氣以理想氣體處理，平均分子量為28.8，水在84、1大氣壓的相變熱為2300千焦/千克）,39,解題思路： 1按題意畫出流程示意圖。（見(jiàn)下） 2選擇基準(zhǔn)，以方便計(jì)算為基準(zhǔn)。（分別以0、25為基

16、準(zhǔn)） 3.列衡算關(guān)系式，進(jìn)行計(jì)算。,40,解：按題意作流程圖。,41,空氣進(jìn)出重量相同， 千克/時(shí) 熱水流出量為 33500 2010 = 31490千克/時(shí) 設(shè)H1、H2、H3、H4分別代表空氣進(jìn)口、混合氣出口、熱水進(jìn)口及熱水出口對(duì)基準(zhǔn)溫度的焓差。,42,（1） 以0為基準(zhǔn)溫度 H1=32101.006(25-0)=80900千焦 H2=32101.006(84-0)+20102300+20104.1868(84-0) =5.6106千焦 上式中2300千焦/千克是水在84、1大氣壓的相變熱。 H3=335004.1868(91-0)=12.78106千焦 H4=314904.1868t=0

17、.132106 t 按熱量衡算式 H1 + H3 = H2 + H4 + 熱損失 80900+12.78106=5.6106+0.132106 t+83760 t=54.3,43,(2) 以25為基準(zhǔn)溫度 H1=32101.006(25-25)= 0千焦 H2=32101.006(84-25)+20102300+20104.1868(84-25) =5.3125106千焦 上式中2300千焦/千克是水在84、1大氣壓的相變熱。 H3=335004.1868(91-25)=9.26106千焦 H4=314904.1868(t-25)=( 0.132106 t -3. 3106)千焦 按熱量衡算式

18、 H1 + H3 = H2 + H4 + 熱損失 0+9.26106=5.3125106+0.132106 t-3.3106+83760 t=54.3,44,氣相連續(xù)反應(yīng)過(guò)程的熱量衡算,(1) 具有熱交換的反應(yīng)過(guò)程的熱量衡算 對(duì)于一個(gè)連續(xù)反應(yīng)系統(tǒng)，通過(guò)與載熱體的熱交換，不斷向系統(tǒng)取走或供給熱量，使反應(yīng)維持在一合適的溫度條件，這時(shí)進(jìn)出反應(yīng)器物料的焓，可以相等，也可以不相等。在連續(xù)穩(wěn)定的操作條件下，通過(guò)熱量衡算，可以計(jì)算出與外界交換的熱量和載熱體的用量。,45,例3 萘用空氣氧化制苯酐，尾氣組成（干基）為O2：12.6、N2: 83.2、CO2: 4.2 (體)，假設(shè)萘的轉(zhuǎn)化率為100，作物料衡算。,46,物料衡算表（進(jìn)料基準(zhǔn)：以進(jìn)料1摩爾萘為基準(zhǔn)）,47,萘是液態(tài)進(jìn)料，溫度為200，空氣進(jìn)料溫度為40，如反應(yīng)在450下進(jìn)行，問(wèn)需向反應(yīng)器取出多少熱量？計(jì)算時(shí)應(yīng)注意進(jìn)出物料的相態(tài)。 按其相態(tài)，查各物料的生成熱（或通過(guò)熱力學(xué)計(jì)算求得），從而計(jì)算反應(yīng)熱。,48,49,50,(2)絕熱反應(yīng)過(guò)程的熱量衡算,絕熱反應(yīng)過(guò)程是反應(yīng)物系不向外界輸出熱量，也不從外界輸入熱量，此時(shí) H=0，即H入（T1,P）=H出（T2,P） 從式中可以看出，進(jìn)出焓相等并不是進(jìn)出物料的溫度相同。當(dāng)化學(xué)反應(yīng)是吸熱時(shí)（HoR0），出料溫度下降；當(dāng)化學(xué)反應(yīng)是放熱時(shí)（HoR0），出料溫度上升。,51,例