第五章能量衡算

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
Q1—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的符号规定
Q2为设备的热负荷。

若Q2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Q2的值，并取其最大值作为设备热负荷的设计依据。

5.2.2 各项热量的计算
1、计算基准
一般情况下，可以0℃和1.013?105 Pa为计算基准
有反应的过程，也常以25℃和1.013?105Pa为计算基准。

2、Q1或Q4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，则：
3、Q3的计算
过程的热效应由物理变化热Q P和化学变化热Q C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、Q5的计算
稳态操作过程 Q5＝0
非稳态操作过程由下式求Q5
Q5=∑GC P（T2-T1)
G—设备各部件的质量，kg；
C p—设备各部件材料的平均恒压热容，kJ?kg-1?℃-1；
T1—设备各部件的初始温度，℃；
T2—设备各部件的最终温度，℃。

与其他各项热量相比，Q5的数值一般较小，因此，Q5常可忽略不计。

5、Q6的计算
对有保温层的设备或管道，αT可用下列公式估算。

（1）空气在保温层外作自然对流，且T W<150℃
在平壁保温层外，αT＝9.8+0.07（TＷ－Ｔ）
在圆筒壁保温层外，αT＝9.４+0.0５２（TＷ－Ｔ）
(2)空气沿粗糙壁面作强制对流
当空气流速u不大于5m?s-1时，αT可按下式估算
αT＝6.2+4.2u
当空气速度大于5m?s-1时，αT可按下式估算
αT＝7.8u0.78
(3) 对于室内操作的釜式反应器，αT的数值可近似取为10 W?m-2?℃-1。

5.2.3 衡算方法和步骤
1、衡算方法和步骤
(1) 明确衡算目的，如通过热量衡算确定某设备或装臵的热负荷、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，并绘出热量衡算示意图
(3) 搜集有关数据
由手册、书籍、数据库查取，由工厂实际生产数据获取，通过估算或实验获得。

(4) 选定衡算基准
同一计算要选取同一基准，且使计算尽量简单方便。

(5)列出热量平衡方程式，计算各种形式的热量。

(6)编制热量平衡表
并检查热量是否平衡
（7)求出加热剂或冷却剂等载能介质的用量
（8）求出单位产品的能量消耗定额、每小时、每天及每年的消耗量。

2、热量衡算中注意的问题
（1）确定系统所涉及的所有热量和可能转化成热量的其他能量，不得遗漏。

（2）确定计算的基准，有相变时必须确定相态基准，不要忽略相
变热。

（3）Q2>0表示需要加热，Q2<0表示需要冷却。

间歇过程，各段时间操作情况不同，应分段进行衡算，求出不同阶段的Q2。

（4）计算时，尤其由手册查得数据时，要使数据正负号与公式规定一致。

有时须将物能衡算联合进行方可求解。

5.3 过程的热效应
5.3.1物理变化热
常见的有相变热和浓度变化热。

1、相变热
相变在恒温恒压下进行，所产生的热效应称为相变热。

各种纯化合物相变热可从有关手册、文献中查得,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热以吸热为正,放热为负。

也可由经验式计算
（1）汽化热
1）由已知温度的汽化热求另一温度的汽化热
3）根据盖斯定律由已知T1、P1下的汽化热求T2、P2下的汽化热
（2）熔融热
K1、K2值可由下表查取
2、浓度变化热
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。

以物质在水溶液中的浓度变化热最为常见。

（1）积分溶解热
恒温恒压下，将1摩尔溶质溶解于n摩尔溶剂中，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?H s表示。

若溶质溶解时不发生解离作用溶剂和溶质间无化学作用（包括形成络合物）可按下述原则求溶解热
溶质是气态，则溶解热为冷凝热。

溶质是固态，则溶解热为熔融热。

溶质是液态，形成理想溶液，溶解热为零；非理想溶液
表5-1 25℃时，H2SO4水溶液的积分溶解热
注：表中积分溶解热的符号规定为放热为正、吸热为负。

硝酸的积分溶解热可用下式估算
盐酸的积分溶解热可用下式估算
(2)积分稀释热
恒温恒压下，将一定量的溶剂加入到含1摩尔溶质的溶液中，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。

两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。

例如，向由1mol H2SO4和1mol H2O组成的溶液中加入5mol 水进行稀释的过程可表示为
由表5-1可知，1mol H2SO4和6mol H2O组成的H2SO4水溶液的积分溶解热为60.79 kJ?mol-1，1mol H2SO4和1mol H2O组成的H2SO4水溶液的积分溶解热为28.09 kJ?mol-1，则上述稀释过程的浓度变化热或积分稀释热为
例5-1 在25o C和1.013?105Pa下，用水稀释78%的硫酸水溶液以配制25%的硫酸水溶液。

拟配制25%的硫酸水溶液1000kg，试计算：(1) 78%的硫
酸溶液和水的用量；(2) 配制过程中H2SO4的浓度变化热。

解：(1) 78%的硫酸溶液和水的用量.画出流程示意图，划定体系，取1000kg25％混酸为基准,设G H2SO4为78%的硫酸溶液的用量，
G H2O为水的用量
(2) 配制过程中H2SO4的浓度变化热
配制前后，H2SO4的摩尔数均为
配制后H2O的摩尔数变为
同前由表5-1得
根据盖斯定律
5.3.2化学变化热
如，氢与氧的反应
热化学方程式为
则反应进度变为1mol，过程的化学变化热为
可见，反应进度与反应方程式的写法有关，但过程的化学变化热不变。

1、由标准生成热计算标准反应热
2、由标准燃烧热计算标准反应热
3、非标准条件下的反应热
若反应在T℃下进行，且反应物和产物在(25～T)℃之间均无相变化，则可设计如下途径完成该过程
若某反应物或产物在(25～t)o C之间存在相变，
应注意物质的相态不同，其C p值也不同
5.4热量衡算举例
例5-2 物料衡算数据如表4-3所示。

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℃，甲苯与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。

表4-3 甲苯磺化过程的物料平衡表
解：热量衡算的目的是为了确定磺化过程中的补充加热量。

可取甲苯磺
化装臵(包括磺化釜、回流冷凝器和脱水器等)作为衡算对象。

此时，进、出磺化装臵的物料还应包括进、出回流冷凝器的冷却水(参见图3-11)，其带出和带入热量之差即为回流冷凝器移走的热量。

若将过程的热效应作为输入热量来考虑，则可绘出如图5-1所示的热量衡算示意图
有关热力学数据为：原料甲苯的定压热容为1.71 kJ?kg-1?℃-1；98%硫酸的定压热容为1.47kJ?kg-1?℃-1；磺化液的平均定压热容为1.59 kJ?kg-1?℃-1；水的定压热容为4.18kJ?kg-1?℃-1。

图3-11 连续脱水方案
则热量平衡方程式可表示为
取热量衡算的基准温度为25℃
反应中共加入98%浓硫酸的质量为1100kg，其中含水22kg。

若以SO3计，98%硫酸的质量分率为80%。

由式(5-13)得
反应结束后,磺化液含硫酸35.2kg,水21.4kg。

以SO3计,硫酸的质量分率为50.8%。

则
反应消耗的甲苯量为979kg，则
磺化过程需补充热量2.16?105kJ。

列出甲苯磺化过程热量平衡表：
例5-3 物料衡算数据如表4-4所示。

已知乙醇的进料温度为300℃，反应产物的温度为265℃，乙醇脱氢制乙醛反应的标准化学反应热为-69.11kJ?mol-1(吸热)，乙醇脱氢生成副产物乙酸乙酯的标准化学反应热为-21.91kJ?mol-1(吸热)，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热量衡算。

有关热力学数据为：
乙醇的定压热容为0.110kJ?mol-1?℃-1；
乙醛的定压热容为0.080kJ?mol-1?℃-1；
乙酸乙酯的定压热容为0.169kJ?mol-1?℃-1；氢气的定压热容为0.029kJ?mol-1?℃-1。

表4-4 乙醇催化脱氢过程物料平衡表
解：由例4-7可知，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加热速率。

依题意，取反应器为衡算对象,绘出热量衡算示意图
则热量平衡方程式可表示为
由于是连续过程，则Q5=0；依题意知Q6=0。

取热量衡算的基准温度为25℃，则
过程的热效应Q3主要为化学变化热，即
由乙醇脱氢制乙醛的化学变化热为
乙醇脱氢生成副产物乙酸乙酯的化学变化热为
Q4由四部分组成,其中未反应乙醇带走热量为
乙醛带走热量为
氢气带走热量为
故反应过程所需的补充加热速率为1.148?106kJ?h-1。

编制乙醇催化脱氢过程热量平衡表
5.5加热剂、冷却剂及其他能量消耗的计算
5.5.1常用加热剂和冷却剂
常用加热剂有热水、饱和水蒸汽(低压、高压)、导热油、道生液、烟道气和熔盐等；
常用冷却剂有空气、冷却水、冰和冷冻盐水等。

1、加热剂和冷却剂的选用原则
①在较低压力下可达到较高温度；
②化学稳定性高；
2、常用加热剂和冷却剂的性能特点和物性参数
见表5-4
③无腐蚀；
④热容量大；
⑤冷凝热大；
⑥无火灾和爆炸危险；
⑦无毒性；
⑧温度易于调节；
⑨价格低廉；
⑩传热能力强。

5.5.2加热剂和冷却剂消耗量的计算
1、水蒸气的消耗量
(1) 间接蒸汽加热时的蒸汽消耗量
若以0 ℃为基准温度
(2) 直接蒸汽加热时水蒸汽的消耗量
若以0 ℃为基准温度
2、冷却剂的消耗量
水、冷冻盐水和空气均为常用的冷却剂，其消耗量可用下式计算表5-5 氯化钠水溶液的定压比热
5.5.3燃料消耗量的计算
式中:
G—燃料的消耗量,kg或kg?h-1;
η—燃烧炉的热效率,一般燃烧炉的η值可取0.3～0.5,锅炉的η值可取0.6～0.92; Qp—燃料发热量,kJ?kg-1。

5.5.4电能的消耗量的计算
式中
E—电能的消耗量,kWh(1kWh=3600kJ)；
η—电热装臵的热效率,一般可取0.85～0.95。

5.5.5压缩空气的消耗量的计算
一般压缩空气的消耗量折算成常压(1.013?105Pa)下的空气体积或体积流量。

1、压送液体物料时压缩空气的消耗量
（1）压送液体时，压缩空气在设备内所需压强
(2)每次操作均将设备中的液体全部压完时的压缩空气消耗量
以常压(1.013?105Pa)下的空气体积计，一次操作所需的压缩空气消耗量为
若每天压送物料的次数为n，则每天操作所需的压缩空气体积
式中V d—每天操作所需压缩空气体积,m3?d-1。

每小时操作所需的压缩空气体积为
(2) 每次操作仅将设备中的部分液体压出时的压缩空气消耗量
式中——设备的装料系数；
V1——每次压送的液体体积，m3。

每天或每小时操作所需的压缩空气体积与前同。

2、搅拌液体时压缩空气的消耗量
压缩空气的最低压强 P＝1.2ρgh+P0
管路阻力按液柱高度的20％计。

压缩空气消耗量为
5.5.6真空抽气量的计算
1、抽吸液体物料
一次抽吸操作所需的抽气量为
3、真空蒸发
（1）间壁式冷凝器
(2) 直接混合式冷凝器
以标准状态下的空气体积计，每小时应从冷凝器抽走的空气体积为
4、建立真空时每小时需抽走的空气体积
5、维持真空所需抽气量
真空系统中常见连接件的气体泄漏量如下表
计算应考虑输送过程中的损失。

通常的做法是将所求得的能量消耗再乘上适当的能耗系数。

能耗系数
计算，可确定每吨产品的各种能量消耗定额、每小时的最大用量、日消耗量和年消耗量，最后可编制出能耗一览表，
作业问题
步骤不全或不规范
1、未画流程示意图
2、示意图不规范，如物流数不对，条件标注不对，表示方法不对。

3、未选定计算基准
4、若考试物料平衡表可不要。

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例5-3。