5热量衡算解析

合集下载

热量衡算

1计算方法与原则

1.1热量衡算的目的及意义

热量衡算的主要目的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要求再选择传热面的形式、计算传热面积、确定设备的主要工艺尺寸。传热所需的加热剂或冷却剂的用量也是以热负荷的大小为依据而进行计算的。

1.2热量衡算的依据及必要条件

热量衡算的主要依据是能量守恒定律，其数学表达式为

Q1+ Q2+Q3=Q4+Q5+Q6 式1

其中：

Q1——物料带入到设备的热量，kJ

Q2——加热剂或冷却剂传给设备和所处理物料的热量，kJ

Q3——过程热效应，kJ

Q4——物料离开设备所消耗的热量，kJ

Q5——加热或冷却设备所消耗的热量，kJ

Q6——设备向环境散失的热量，kJ

Q1（Q4）=Σ mC P(t2- t0) kJ式2

m——输入或输出设备的物料质量，kg

C P——物料的平均比热容，kJ/(kg•℃)

t2——物料的温度，℃

t0——基准温度，℃

Q5=Σ C P M (t2-t1) kJ式3

M——设备各部件的质量，kg

C P——设备各部件的比热容，kJ/(kg•℃)

t1——设备各部件的初始温度，℃

——设备各部件的最终温度，℃

Q5+Q6=10%Q总式4

热量衡算是在车间物料衡算的结果基础上而进行的，因此，车间物料衡算表是进行车间热量衡算的首要条件。其次还必须收集有关物质的热力学数据，例如比热容，相变热，反应热等。本设计还将涉及到的所有物料的热力学数据汇总成表4，以便于后期的计算。

1.3热量衡算基准

因为物料衡算计算的是各个岗位的天处理量，所以热量衡算计算的也是某个设备天换热介质消耗量，同时温度基准采用的是0℃做基准。当然，进行传热面积校核时，是根据批处理量计算。

热量衡算——精选推荐

第二章能量衡算

2.1 能量衡算概述

物料衡算完成后，对于没有传热要求的设备，可以由物料处理量，物料的

性质及工艺要求进行设备的工艺设计，以确定设备的型式，台数，容积以及重要尺寸。对于有传热要求的设备则必须通过能量衡算，才能确定设备的主要工艺尺寸。无论进行物理过程的设备或是化学过程的设备，多数伴有能量传递过程，所以必须进行能量衡算。 2.2 能量衡算目的

对于新设计的生产车间，能量衡算的主要目的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要求在选择传热面的型式，计算传热面积，确定设备的主要尺寸。传热所需要的加热剂或冷却剂的用量也是以热负荷的大小为依据而进行计算的。对于有些伴有热效应的过程，其物料衡算也要通过与能量衡算的联合求解才能得出最后的结果。 2.3 能量衡算依据

能量衡算的主要依据是能量守恒定律。能量守恒定律是以车间物料衡算的结果为基础而进行的。 2.4 能量衡算过程 2.4.1 反应釜的热量衡算

反应工段的热量衡算主要体现在反应釜和夹套。

对于有传热要求的的设备，其热量衡算为：

654321Q Q Q Q Q Q ++=++；

式中 1Q —物料带入到设备的热量kJ ； 2Q —加热剂传给设备的热量kJ ； 3Q —物理变化及化学反应的热效应kJ ； 4Q —物料离开设备所带走的热量kJ ； 5Q —消耗于提高设备本身温度的热量kJ ； 6Q —设备向环境散失的热量kJ 。

物料热量衡算以天为单位。

1Q 与4Q 的计算

1Q 与4Q 均可按照下式计算：()tkJ mc Q Q p ∑=41 式中m —输入或输出设备的物料量，kg

第五章热量衡算.

7
• • • • • • • • • • •
5.3热量衡算中使用的基本数据
一.热容 1.热容与温度的关系 (1)在图上描绘CP~T关系曲线 (2) CP~T表 (3) CP~T 关系函数式温度对液体的 Cp 的影响不大，而且大部分液体热容在 1.674~2.092J/(g· K) 之间。液体常用的CP~T 关系有如下的函数形式： Cp＝a+bT（1） Cp =a+bT＋CT2+dT3（2）气体热容与温度的函数关系式除上式外，还有其它。在使用这些特性常数时要注意温度范围，此温度范围是实验测定时的温度范围。气体的 Cp~T 函数关系一般是指低压下的 Cp~T 关系，常用 Cp°来表示，也称为理想气体热容。
8
• 2.平均热容
• 在工程计算中，常使用物质的平均定压摩尔热容计算出Q的值而不必进行积分计算，但准确度比积分差。
• 假如物质在 T1 到T2 范围内的 Cp-T关系为一直线，此温度范围内的平均定压摩尔热容等于(T1+T2)／2温度下物质的热容，也等于T1和T2温度下物质热容的算术平均值. • 一般说来，物质的 Cp-T关系不是一条直线，但它的曲率并不大，只要计算时温度范围不大，常可把曲线关系当作直线关系来近似处理，所以上述求平均热容的办法是可行的。即： CP，m （CP1 CP2） / 2 CP（T1 T2） / 2） • 已知 0-t℃的平均热容数据，求任意温度范围内的平均热容数据。 • 根据焓变不随途径而变的特性计算出各种温度范围的平均热容以满足热量计算的需要。 • 例1：P176

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

热量衡算

热量衡算与热交换计算

一、热量衡算

传热计算根据总传热方程进行：Q=KA△tm

对于一个热交换器，传热计算的内容有两种，一为设计计算，即根据给定的传热量，确定热交换器的几何尺寸和结构参数；二为校核计算，即对某些热交换器，根据它的尺寸和结构进行校核，看其能否满足传热量的要求。这两种计算的关键都在于传热面积是否合适，计算的基本依据是总传热方程以及与之相关的热量衡算式，在第四节中，已对总传热方程进行了较为详细的讨论，下面介绍热交换中的热量衡算式。

当热损失为零时，对热交换器作热量衡算可得到单位时间的传热量，此传热量又叫热负荷，即式3-20中的传热速率Q。

热负荷分为两种，即工艺热负荷和设备热负荷，工艺热负荷是指工艺上要求的在单位时间内需要对物料加入或取出的热量，用QL表示，单位为W。设备热负荷是热交换器所具备的换热能力，所以设备热负荷也就是热交换器的传热速率Q。当热损失不可忽略时，为满足工艺要求，Q应大于QL。

由热量衡算得到的是工艺热负荷QL。如果流体不发生相变化，比热取平均温度下的比热，则有：

QL=whcph(T1-T2)=wccpc(t2-t1) ( 3-29)

式中w----流体的质量流量，kg/s；

cp----流体的平均定压比热，kJ/(kg•K);

T----热流体温度，K；

t----冷流体温度，K；

（下标h和c分别表示热流体和冷流体，下标1和2表示热交换器的进口和出口）式3-29是热交换器的热量衡算式，也称为热平衡方程。若流体在换热过程中有相变，例如饱和蒸汽冷凝成同温度冷凝液时，则有：

热量衡算

1计算方法与原则

1.1热量衡算的目的及意义

1.2热量衡算的依据及必要条件

热量衡算的主要依据是能量守恒定律，其数学表达式为

Q1+ Q2+Q3=Q4+Q5+Q6 式1

其中：

Q1——物料带入到设备的热量，kJ

Q2——加热剂或冷却剂传给设备和所处理物料的热量，kJ

Q3——过程热效应，kJ

Q4——物料离开设备所消耗的热量，kJ

Q5——加热或冷却设备所消耗的热量，kJ

Q6——设备向环境散失的热量，kJ

Q1（Q4）=Σ mC P(t2- t0) kJ式2

m——输入或输出设备的物料质量，kg

C P——物料的平均比热容，kJ/(kg•℃)

t2——物料的温度，℃

t0——基准温度，℃

Q5=Σ C P M (t2-t1) kJ式3

M——设备各部件的质量，kg

C P——设备各部件的比热容，kJ/(kg•℃)

t1——设备各部件的初始温度，℃

——设备各部件的最终温度，℃

Q5+Q6=10%Q总式4

1.3热量衡算基准

第5章热量衡算

*
5.3.1 计算基准在计算Qi之前，要确定一个计算基准。（1）数量上基准（2）相态基准(基准态) 数量上基准: ①按1kmol或1kg物料为计算基准; ②用设备的小时工作量为计算基准。
9
*
相态基准(基准态): ∵热衡算中使用热力学函数焓，焓无绝对值，只有相对某一基准态的相对值 ∴热量衡算时需要规定基准态一般，把0℃和1.013105 Pa下的某一相态为计算基准。对反应过程，常以25℃和1.013105Pa为计算基准。基准态可以任意规定,不同物料可使用不同的基准态, 但对同一种物料其进口和出口只能使用相同基准态
效应称为积分溶解热，用符号Hs表示。
常见物质在水中的积分溶解热可从有关手册或资料中查
得。P69见表5-1。
在25℃下,1mol硫酸用水逐渐稀释,不断取出过程放出的
热量,保持温度25℃用来计算:
数据中可看出:加入的水量愈多,累计放出的热量愈多,
累计放出的热量与溶液的组成有关.
22
表5-1
H2O摩尔数n/mol
药品生产中，以物质在水溶液中的浓度变化热最为常见。
但除某些酸、碱水溶液的浓度变化热较大外，大多数物质在水溶液的浓度变化热并不大，不会影响整个过程的热效应。 ①溶解热固体、液体或气体溶质溶解于溶剂中吸收或放出的热量有积分溶解热与微分溶解热之分
21
1)积分溶解热

热量衡算

tm 1
KA
K——换热器的平均传热系数，w/m2·K 注意：其中K必须和所选择的传热面积相对应，选择的传热面积不同，总传热系数的数值不同。
传热基本方程可分别表示为：
Q Ki Ai tm K0 A0 tm Km Am tm
式中：
Ki、Ko、Km——分别为管内表面积、外表面积和内外侧
的平均表面积的传热系数，w/m2·K
1100
12000
tW 164℃
结果表明：管壁温度接近于热阻小的那一侧流体的流体温度即接近于α值大的那个流体的温度。
——错流和折流时的平均温度差
其中 t f P, R
P t2 t1 T1 t1
冷流体的温升两流体的最初温差
R T1 T2 t2 t1
热流体的温降冷流体的温升
计算P,R的值后,可查图得到φ△t的值
例：通过一单壳程双管程的列管式换热器，用冷却水冷却热流体。两流体进出口温度与上例相同，问此时的传热平均温差为多少?又为了节约用水，将水的出口温度提高到 35℃，平均温差又为多少? 解：
dQ o T Tw dAo
2) 通过管壁的热传导 dQ
Tw tw b
dAm
3) 管壁与流动中的冷流体的对流传热 dQ i tw t dAi
间壁换热器总传热速率为：dQ K T t dA0
dQ T t 1
KdA0

5热量衡算解析

H 2 H1 Cp T2 T1
Cp (T2 T1 ) CpdT
T2 T1
Cp
T2 T1
CpdT
T2 T1
如果已知 Cp 则焓变可由下式算得
H nCpT
www.themegallery.com Company Logo
③热容的估算：柯普（Koop）规则 1mol化合物的总热容近似地等于化合物以原子形式存在的元素热容的总和。
www.themegallery.com
Company Logo
热容的计算： ① 经验公式（多项式）
Cp a bT cT dT
2 3
或
Cp a bT cT 2
式中：
www.themegallery.com
a, b, c, d
为经验常数
Company Logo
②平均热容
www.themegallery.com
Company Logo
5、汽化热由已知的某一温度的汽化热求另一温度的汽化热，可用Waston公式：
△Hv——汽化热，kJ/kg或kJ/mol Tr——对比温度，K
www.themegallery.com
Company Logo
此式就是根据系统的状态函数的增量不随途径而变化的特性导出的，使我们可以由已知的T1、 p1条件下的汽化热△H1来计算T2、p2条件下的汽化热△H2

热量衡算

•
键来自百度文库变化
2
H
C
C
C
C
C
H
H
KJ/mol KJ/mol KJ/mol KJ/mol
•
键能：
C H C H
C
C
347.52 414.51 615.49
C H
435.45
H
0
a
e
KJ/mol
•
（反应物—生成物）
H
2
2C
H C C
414.51 + 347.52
C C
H H
615.49 + 435.45
*
元素比热容见书Ｐ123 表６－５１：估算氢氧化钙的比热容？２：估算苯胺的比热容？
二、汽化热 1.克劳齐乌斯－克莱普郎式
p2 19.5lg p1 qv (1/ T1 1/ T2 ) M
KJ/Kg
Ｐi：液体在Ｔi（Ｋ氏下的）下蒸汽压 M：液体分子量
• 2.特鲁顿法则
T qvb 8.79 M
KJ
式中 A——设备散热表面积 m² ； αT——设备散热表面与周围介质之间的联合给热系数 W/（m²•℃）； tT——与周围介质直接接触的设备表面温度 ℃； t0——周围介质的温度 ℃； τ——过程持续时间 s。以上分别介绍了Q1、Q4、Q5、Q6的计算，再能求出过程热效应Q3的数值，就可求出设备的热负荷Q2。Q2正值表示需对设备加热；负值表示需冷却。

热量衡算

§6.3 热量衡算

设定：T Q —系统内物料与外界交换热量之和（传入热量为正，传出热量为负），KJ ；

1Q —由于物料温度变化，系统与外界交换的热量（升温为正，降温为负），KJ ；

2Q —由于物料发生化学变化，系统与外界交换的热量（吸热为正，放热为负）KJ ；

根据热量守恒定律，得：

21Q Q Q T +=

其中 T Wc Q P ∆∑=1; H W Q ∆=2

物性参数表

名称

相对分子质量

密度3/m kg

比热容)/(C kg kJ ︒⋅

汽化热

kg kJ /

5℃

10℃ 丁二烯 54 635 2.271 2.296 苯乙烯 104 910 1.735 1.752 水 18 1000 4.199 4.196 催化剂 -- -- 2.112 2.137 液氨 17 631.7 -- -- 1663.25

胶乳液

10×104

950

1.97

丁苯橡胶的聚合热为：9588 kg kJ / 搅拌热为：h kJ H /167280=

降温时，只需第一釜从10℃降到5℃，因此按第一釜进出料计算热量。 100%丁二烯出料：

h kg /167.4057%)82.101(414.4549=-⨯

100%苯乙烯出料：

h kg /064.1753%)82.101(760.1965=-⨯

总杂质为：

h kg /5.36%)5.991(414.4549%)3.991(760.1965=-⨯+-⨯

引发剂除终止剂以外的其他助剂之和为：

293.183＋9.773＋5.212＋3.258＋11.576＋2.280＋5.212+97.727=428.221kg/h 丁苯胶乳的量为：704.943kg 根据以上结果，整理如表

工艺设计第5章热量衡算

温度等参数，为优化制冷系统运行提供依据。
制冷系统的热量衡算
公式
E = Qin / qr
VS
说明
E代表制冷量，Qin代表输入制冷系统的热量，qr代表制冷剂的质量流量。
谢谢观看
在热量衡算中，需要将工艺过程中的各种物料和能量进行分类和量化，并建立相应的平衡方程进行计算。
热量衡算还需要考虑热力学第二定律，即能量传递和转换过程中不可避免地存在损失，因此需要对损失的能量进行分析和利用。
02
热量衡算的计算方法
热量平衡的计算
热量平衡的计算是工艺设计中热量衡算的基础，它涉及到输入和输出热量的计算，以及物料焓变的计算。
输入热量包括燃料、蒸汽、电能等，输出热量包括产品、副产品、废弃物等。
计算热量平衡时，需要详细记录各种物料的流量、温度和焓值，以便准确计算出输入和输出热量。
热量传递的计算
1
热量传递的计算是热量衡算的重要部分，它涉及到热传导、热对流和热辐射三种方式的计算。
2
热传导主要应用于固体内部，热对流主要应用于液体和气体，热辐射主要应用于高温气体和火焰。
热力系统的故障诊断
通过热量衡算，可以检测热力系统的故障，如泄漏、堵塞等，并及时进行修复。
热力设备的设计与优化
01
热力设备的选型
通过热量衡算，可以确定热力设备的型号和规格，以满足生产过程的需求。

第五章能量衡算

U2
EK=u22/2 EP2=gZ2 P2V2
Q（体系获得能量为正） W（对体系做功为正）
F PV Au Fu A
由能量守恒关系
u U1 gZ1 PV1 Q WS 1 2 2 u2 U 2 gZ2 P2V2 2
U EK EP PV Q WS
二、功W
——力与在力的方向上位移的乘积
体积功
化工中常见功注意：流动功
轴功
（1）W也是能量的传递形式，不是体系的性质，仅在过程中体现出来，所以不能说体系有多少功。（2）环境向体系做功，W>0，反之，W<0。功和热是能量传递的两种不同的形式。
三、焓H
定义式：H=U+PV 纯物质： H=H（T，P）对H全微分 dH H dT H dP T P P T
解：根据题意画出流程示意图
20℃、80kg•min-1
800kPa水蒸气，130kg· -1 min
60℃、50kg· -1 min
根据题意可知锅炉每分钟产生130kg的水蒸气，由饱和水蒸气表知当压力为800kPa时，其温度为 170.4℃，比焓为2773 kJ· -1。20℃的水比焓为 kg 83.74kJ· kg-1，60℃的水比焓为251.21 kJ· -1，代入 kg 式 Q=H2－H1，可求每分钟需供热量： Q=130×2773－（80×83.74+50×251.21） =360490－19260=341230 kJ· -1 min

热量衡算例子

2.1设备的热量平衡方程式

对于有传热要求的设备，其热量平衡方程式为：Q

1＋Q

＋Q

式中 Q

1—物料带入到设备的热量kJ；Q

—加热剂或冷却剂传给设备和所处理物

料的热量kJ；Q

3—过程热效应kJ；Q

—物料离开设备所带走的热量kJ；Q

—加热

或冷却设备所消耗的热量kJ；Q

—设备向环境散失的热量kJ。

（1）Q

1与Q

与Q

均可用下式计算：Q

（Q

）=∑mtCp kJ 式中 m—输入（或输

出）设备的物料量kg；Cp—物料的平均比热容kJ/kg·℃；t—物料的温度℃。

该式的计算基准是标准状态，即0℃及1.013×105Pa为计算基准。因为物料的比热容是温度的函数，上式中物料的比热容是指进、出口物料的定压平均比热容，对于进口物料取基准温度与物料进口温度的平均温度下的比热容；对于出口物料取基准温度与物料出口温度的平均温度下的比热容。对于不同物料的比热容可查《化学工程手册》（第1册）或《化学工艺设计手册》（下），若查不到，各种估算方法求出相应温度下的比热容值。（2）过程热效应Q

化学过程的热效应包括化学反应热与状态变化热。纯物理过程只产生状态变化热；而对于化学反应过程，在产生化学反应的同时，往往还伴有状态变化热。

在热量衡算中，过程热效应Q

的符号为：放热为正；吸热为负。

（3）Q

5与Q

的确定根据工艺操作经验，（Q

＋Q

）一般为（Q

＋Q

）的5%～10%，

只要计算出Q

4，就可以确定（Q

＋Q

），从而计算出Q

。4）Q

的计算

由以上计算过程得到Q

1、Q

、Q

第五章物料衡算和能量衡算

（二）用水量的计算用水量的计算方法
（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
谢谢观赏！
2020/11/5
59
物料平衡表
物料衡算实例
大米加工工艺的物料衡算（一）大米加工工艺流程框图物料平衡图
物料平衡表
全脂奶粉的物料衡算( 二) 奶粉生产工艺流程框图
乳脂肪 20%
产品成分
水分 3%
非脂乳固体 77%
需要添加脱脂乳或稀奶油 ?
全脂奶粉的物料衡算
乳脂肪 20%
产品成分
水分 3%
非脂乳固体 77%
上是相等的原理来绘制的，平衡图的内容包括：物料名称、质量、成品质量、物料的流向、投料
顺序等项。绘制物料平衡图时，实线箭头表示物料主流向，必要时用细实线表示物料支流向，见
下图。
图6-2 班产12.5 吨原汁猪肉物料平衡图
（2）物料平衡表
▪
物料平衡表是物料平衡计算的另一种表示形式，其内容与平衡图相同，其格式如下：
生产100L啤酒的物料衡算
根据上述衡算结果知，100kg混合原料可生产12°成品啤酒513.92L，故可得出下述结果：（1）生产100L啤酒需耗混合原料量为：
（100÷513.92）×100=19.46kg （2）麦芽耗用量： 19.46×60%=11.68kg （3）大米耗用量： 19.46－11.68=7.78kg （4）酒花用量为对淡色啤酒，热麦汁中加入的酒花量为0.2%，故酒花耗用量为：

5 能量衡算

A --设备散热表面积（m2）；
α T---散热表面向周围介质的联合给热系数W/(m2·℃)； tw ---器壁向四周散热的表面温度（℃）； to ---周围介质温度（℃）； τ ---过程连续时间（s）。
4）过程热效应Q3
过程热效应பைடு நூலகம்
化学反应热效应物理过程热效应
（溶解、结晶、蒸发、冷凝、熔融、升华及浓度变化）
式中
Q3＝Qr＋Qp Qr----化学反应热效应（kJ）； Qp----物理过程热效应（kJ）。
（）
化学反应热的计算
1、用标准反应热计算 2、用标准生成热计算 3、用标准燃烧热计算
焓（kJ· mol-1，可以根据相关手册查询）
物理过程热效应相变热：在恒定的温度和压力下单位质量或摩尔物质发生相的变化时的焓变
三、能量衡算基本方程
在制药工程工艺计算中，根据能量守恒原理：能量积累率＝能量进入率－能量流出率＋反应热生成率－反应热消耗率 1、当过程没有化学反应时：能量积累率＝能量进入率－能量流出率 2、当过程没有化学反应，并处于稳态时：
能量进入率＝能量流出率
四、能量衡算分类
能量有多种形式，势能、动能、电能、热能、化学能等等。热量是一种最主要的能量形式，能量衡算实际上是热量衡算，因此，在本节中主要讨论热量衡算。
消耗在加热或冷却设备上的热量
（2）Q5计算 Q5＝∑MCP(t2－t1) M---设备各部件的质量（kg） CP---设备各部件的比热容kJ/(kg·℃) t1----设备各部件的初温度（℃） t2----设备各部件的终温度（℃）

5热量衡算解析

热量衡算

热量衡算——精选推荐

第五章 热量衡算.

第五章能量衡算

热量衡算

热量衡算

第5章 热量衡算

热量衡算

5热量衡算解析

热量衡算

热量衡算

工艺设计第5章热量衡算

第五章能量衡算

热量衡算例子

第五章物料衡算和能量衡算

5 能量衡算

第五章热量衡算.

第5章热量衡算