第五章 热量衡算.
热量衡算
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，kJQ2——加热剂或冷却剂传给设备和所处理物料的热量，kJQ3——过程热效应，kJQ4——物料离开设备所消耗的热量，kJQ5——加热或冷却设备所消耗的热量，kJQ6——设备向环境散失的热量，kJQ1（Q4）=Σ mC P(t2- t0) kJ式2m——输入或输出设备的物料质量，kgC 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3M——设备各部件的质量，kgC P——设备各部件的比热容，kJ/(kg•℃)t1——设备各部件的初始温度，℃t——设备各部件的最终温度，℃2Q5+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。
2全车间物料热力学数据的估算2.1所用纯化合物比热的推算0i i pMc n C ∑=式 5式中M ——化合物分子量；n i ——分子中同种元素原子数； c i ——元素的原子比热容，kJ/(kg•℃)查《制药工程工艺设计》P111，得到原子的摩尔热容相关数据，见表1表1 元素原子的摩尔热容单位：kcal/( kmol•℃)(当物质为固体时，各原子的C a 取值近似值）原子 C a 原子 C a 原子 C a 碳C 2.8 氧O 6.0 氮N 2.6 氢H4.3硫S7.4其他8.0(当物质为液体时，各原子的C a 取值近似值）而在实际生产的过程中遇到的物质大多是混合物，极少数的混合物有实验测定的热容数据，一般都是根据混合物内各种物质的热容和组成进行推算的，其中杂质的含量极少，热效应可以忽略不计。
热量衡算
硫酸铝制备技术一、硫酸铝制备方法：目前，国内制备硫酸铝两种方法：铝土矿法+硫酸、氢氧化铝+硫酸第一种：有铁硫酸铝制备方法：用硫酸直接处理铝土矿(或粘土)的方法而制得硫酸铝，其化学反应式为： H2Al(SiO4)2·H2O＋3H2SO4＝Al2(SO4)3＋2H4SiO4＋H2O特点：原材料铝土矿便宜，但铁含量高，且不易脱除，目前，山东等铝土矿资源丰富的地方大量生产。
第二种：无铁硫酸铝制备方法：氢氧化铝+硫酸制备2Al(OH)3＋3H2SO4 ＝ Al2（SO4）3 ＋ 6H2O + Q氢氧化铝粉出厂已脱铁，铁含量低，故硫酸铝铁含量低。
生产的硫酸铝有固体硫酸铝和液体硫酸铝。
固体硫酸铝的Al2O3含量15.8~17%,而氢氧化铝粉中Al2O3含量64~65%,运1吨氢氧化铝粉相当运4吨固体硫酸铝。
而本地浓硫酸价格相对便宜，所以，用氢氧化铝粉和浓硫酸反应生产成本低。
二、硫酸铝的反应形式- 1 -硫酸铝反应形式有两种：一种常压反应（老基地)，一种带压反应(新基地）常压反应所用设备一般用玻璃钢反应釜，通蒸汽一般有两种：一种通过故泡器通蒸汽（催化剂长岭分公司），故泡器起到搅拌的作用;另一种直接通蒸汽，用工业风搅拌(齐鲁）。
带压反应所有设备一般有三种：搪瓷反应釜、搪铅通过胶泥贴耐酸瓷砖、锆反应釜（国内第一家，存在风险）。
带压反应的理论基础热量衡算：（1）、2Al(OH)3＋3H2SO4 ＝ Al2（SO4）3 ＋ 6H2O + Q2 3 1 6 Q-1284kj/mol -194.5Kcal/mol -3435Kj/mol -285.83Kj/molQ=△RH=-285.83*6-3435+1284*2+3*194.5*4.18=-142.95kj/mol故此反应为放热反应整年反应的热量为Q反：Q反＝－142.95*25000*50*3.353*1000/342=-1751869000Kj/年（2）对产物Al2（SO4）3 （1年的产量）从0℃升至140℃所需要的热量Q Al2（SO4）3Q Al2（SO4）3=CM△T 其中C＝0.35Kcal/Kg.℃Q Al2（SO4）3=CM△T =0.35*4.2*25000*50*3.353*(140-0)=862559250kj/年对水的吸热（从0℃升至140℃）所需要的热量Qk100℃蒸汽r1=539Kcal/kg,H1=639.1Kcal/kg- 2 -140℃蒸汽r2=512.3Kcal/kg,H1=653Kcal/kgMH20=1324+10117=11441T故Q水＝CM△T+R1*M+(H2-H1)*M=M*(4.2*100+539*4.2+13.9*4.2)=11441*4.2*(100+539+13.9)*1000=3.137*1010KJ（4）、浓硫酸稀释所放出的热量Q稀Q稀＝(3677×103/98）*21021*4.2=3.313*1010KJ（5）对整个反应（时间为一年）需向反应釜提供的热量Q提Q提＝Q放－Q吸＝（3.313＋0.175－0.086－3.137）×1010＝0.265×1010KJ/年故反应无需向反应气补充蒸汽三、化工原材料性质及产品质量指标本项目原料主要有氢氧化铝粉浓硫酸，其规格及来源见下表。
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：Q1＋Q2＋Q3=Q4＋Q5＋Q6式中 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—物料离开设备所带走的热量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。
（1）Q1与Q4Q1与Q4均可用下式计算：Q1（Q4）=∑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Q3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Q3的符号为：放热为正；吸热为负。
（3）Q5与Q6的确定根据工艺操作经验，（Q5＋Q6）一般为（Q4＋Q5＋Q6）的5%～10%，只要计算出Q4，就可以确定（Q5＋Q6），从而计算出Q2。
4）Q2的计算由以上计算过程得到Q1、Q3、Q4、Q5、Q6后，根据热量平衡方程式求出设备的热负荷Q2。
Q2正值表示需对设备加热；负值表示需冷却 4.3热量衡算基础数据的计算和查取在热量衡算中，大部分物料的物性常数可通过相关的物性常数手册查取，如《化学工程手册》（第1册），《化工工艺设计手册》（下）。
当遇到手册中数据不全的情况时，就需通过一些公式来估算这些物性常数。
热量衡算
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，kJQ2——加热剂或冷却剂传给设备和所处理物料的热量，kJQ3——过程热效应，kJQ4——物料离开设备所消耗的热量，kJQ5——加热或冷却设备所消耗的热量，kJQ6——设备向环境散失的热量，kJQ1（Q4）=Σ mC P(t2- t0) kJ式2m——输入或输出设备的物料质量，kgC 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3M——设备各部件的质量，kgC P——设备各部件的比热容，kJ/(kg•℃)t1——设备各部件的初始温度，℃t——设备各部件的最终温度，℃2Q5+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。
2全车间物料热力学数据的估算2.1所用纯化合物比热的推算0i i pMc n C ∑=式 5式中M ——化合物分子量；n i ——分子中同种元素原子数； c i ——元素的原子比热容，kJ/(kg•℃)查《制药工程工艺设计》P111，得到原子的摩尔热容相关数据，见表1表1 元素原子的摩尔热容单位：kcal/( kmol•℃)(当物质为固体时，各原子的C a 取值近似值）原子 C a 原子 C a 原子 C a 碳C 2.8 氧O 6.0 氮N 2.6 氢H4.3硫S7.4其他8.0(当物质为液体时，各原子的C a 取值近似值）而在实际生产的过程中遇到的物质大多是混合物，极少数的混合物有实验测定的热容数据，一般都是根据混合物内各种物质的热容和组成进行推算的，其中杂质的含量极少，热效应可以忽略不计。
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
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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℃
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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。
化工原理第五章传热过程计算与换热器
5.4 传热效率和传热单元数
• 当传热系数K和比热cpc为常数时，积分上式可得
• 式中NTUc（Number of Transfer Unit）称为对冷流体而言的传热单 元数，Dtm为换热器的对数平均温差。
• 同理，以热流体为基准的传热单元数可表 示
• 在换热器中，传热单元数定义 为
5.4 传热效率和传热单元数
• 2．由选定的换热器型式计算传热系数K；
• 3．由规定的冷、热流体进出口温度计算参数e、CR； • 4．由计算的e、CR值确定NTU。由选定的流动排布型
式查取e—NTU算图。可能需由e—NTU关系反复计算 NTU；
• 5．计算所需的传热面积
。
5.5 换热器计算的设计型和操作型问题
• 例5-2 一列管式换热器中，苯在换热器的管内 流动，流量为1.25 kg/s，由80℃冷却至30℃； 冷却水在管间与苯呈逆流流动，冷却水进口温 度为20℃，出口温度不超过50℃。若已知换热 器的传热系数为470 W/（m2·℃），苯的平均 比热为1900 J/（kg·℃）。若忽略换热器的散 热损失，试分别采用对数平均温差法和传热效 率—传热单元数法计算所需要的传热面积。
• 如图5-4所示，按照冷、热流 体之间的相对流动方向，流体之 间作垂直交叉的流动，称为错流 ；如一流体只沿一个方向流动， 而另一流体反复地折流，使两侧 流体间并流和逆流交替出现，这
种情况称为简单折流。
•图 P2
•55
5.3 传热过程的平均温差计算
•通常采用图算法，分三步： •① 先按逆流计算对数平均温差Dtm逆； •② 求出平均温差校正系数φ；
•查图 φ
•③ 计算平均传热温差： • 平均温差校正系数 φ <1，这是由于在列管式换热器内增设了
化工原理讲稿2(第五章)(天大版)
干物料] ②干基含水量 X [kg水/kg干物料 水 干物料
湿物料中水分质量 X = 湿物料中绝干物料质量 Gw = G − Gw
湿 物 料 中 绝 干 物 料 质 量 ： G C = G − G w；
五、空气通过干燥器时的状态 一、等焓干燥过程 指绝热干燥过程或理想干燥过程； 指绝热干燥过程或理想干燥过程； —— 空气在进、出干燥器的焓值不变； 空气在进、出干燥器的焓值不变；
H ↑ I1 = (1.01 + 1.88 H1 ) t1 + 2490 H1 I1 = I 2 ；其中： t ↓ I 2 = (1.01 + 1.88 H 2 ) t2 + vH vH （ kg 水 k g 干 气 = kg 水 3 m 湿 气 k g干 气 m 3湿 气 ）
t1 I2 其中： ⇒ I1 = I 2 ⇒ ⇒ 查 H − I图 ⇒ H H 0 = H1 ϕ 2 ⇒ ∆H = H 2 − H1
2
习题7： 习题 ：
w1 X1 = 1 − w1 G = G（1 − w 2） W 2 1. ⇒ ⇒ L= （ a式 ） ； （ H 2 − H1 W = G X 1 − X 2） X = w2 2 1 − w2 ϕ 0 ps 0 a、 H 0 = H 1 = 0.622 （ t 0 → p s 0） p − ϕ 0 ps0 b、 干 燥 器 热 量 衡 算 ： L ( I 1 − I 2 ) = G C ( I 2 ' − I 1 ' ) + Q（ b 式 ） ； L
'' 3.V（风量） LvH ( m 3湿气 h ) =
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
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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。
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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)
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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
化工原理.传热过程的计算
管内对流:
dQ2 b dAm (Tw tw )
dQ3 2dA2(tw－t)
对于稳态传热 dQ dQ1 dQ2 dQ3
总推动 力
dQ T Tw Tw tw tw t
T t
1
b
1
1b 1
1dA1 dAm 2dA2 1dA1 dAm 2dA2
总热阻
dQ T t 1
KdA
第五节 传热过程的计算
Q KAtm
Q — 传热速率，W K — 总传热系数，W /(m20C) A — 传热面积，m2 tm — 两流体间的平均温度差，0 C
一、热量衡算
t2 , h2
热流体 qm1, c p1
T1, H1
T2 , H 2
冷流体 qm2, cp2,t1, h1
无热损失：Q qm1H1 H 2 qm2 h2 h1
变形：
dQ dT
qm1 c p1＝常数
dQ dt
qm2c p2＝常数
d (T t) dT dt 常数 dQ dQ dQ
斜率＝dt t1 t2
dQ
Q
由于dQ KtdA
d(t) t1 t2
KtdA
Q
分离变量并积分：
Q KA t1 t2 ln t1 t2
tm
t1 t2 ln t1
t2
讨论：（1）也适用于并流 （2）较大温差记为t1，较小温差记为t2 （3）当t1/t2<2，则可用算术平均值代替
tm (t1 t2 ) / 2
（4）当t1＝t2，tm t1＝t2
结论： (1) 就提高传热推动力而言，逆流优于并流。 当换热器的传热量Q及总传热系数K相同的条 件下，采用逆流操作，所需传热面积最小。
化工原理传热过程的计算
K 700～1800
300～800 200～500 50～300
100～350 50～250 10～60
两流体 气体－气体 蒸气冷凝－气体 液体沸腾－液体 液体沸腾－气体 水蒸气冷凝－水 有机物冷凝－有机物 水蒸气冷凝－水沸腾 水蒸气冷凝－有机物沸腾
K 10～40 20～250 100～800 10～60 1500～4700 40～350 1500～4700 500～1200
Q ─ 热流体放出或冷流体吸收的热量，W； qm1,qm2 ─ 热冷流体的质量流量，kg/s； h1,h2 ─ 冷流体的进出口焓，J/kg； H1,H2 ─ 热流体的进出口焓， J/kg 。
1.无相变，且Cp可视为常数
热量衡算式：
Q qm1c p1 T1 T2 qm2cp2 t2 t1
式中： cp1,cp2 ── 热冷流体的比热容， J/(kg·℃) ； t1,t2 ── 冷流体的进出口温度， ℃ ； T1,T2 ── 热流体的进出口温度， ℃ 。
1 K
1
1
Rd1
b
Rd 2
1
2
当传热壁热阻很小，可忽略，且流体清洁，污
垢热阻液可忽略时，则：
11 1
K 1 2
（7）换热器中总传热系数的经验值
两流体 水－水 有机物－水
有机物粘度μ<0.5mPa·s μ＝0.5~1.0mPa·s μ>1.0mPa·s
有机物－有机物 冷流体粘度μ<1.0mPa·s μ>1.0mPa·s
2.有相变时
2.1 饱和蒸汽冷凝：
Q qm1r qm2c p2 t2 t1
r ─热流体的汽化潜热，kJ/kg；
2.2 冷凝液出口温度T2低于饱和温度TS :
换热器传热计算
dQ Tw t w b
dS m
3) 管壁与流动中的冷流体的对流传热
dQ i tw t dSi
间壁换热器总传热速率为：
dQ K T tdS0
dQ T t T 1R
KdS0
T TW 1
t1 TW tW
R1
b
t2 R2
tw t 1
t3 R3
0 dS0
dSm
i dSi
t2）
T2 t2
②
若max(Δt1
1
2
d1 d2
1 0.58103 0.0025 25 0.5103 25 1 25
2500
45 22.5
20 50 20
0.0004 0.00058 0.000062 0.000625 0.025
0.0267 m2 K /W K 37.5W / m2 K
(2)α1增大一倍，即α1 =5000W/m2·K时的传热系数K’
六、传热的平均温度差
恒温差传热：传热温度差不随位置而变的传热 传热
变温差传热：传热温度差随位置而改变的传热
并流 ：两流体平行而同向的流动
逆流 ： 两流体平行而反向的流动 流动形式
错流 ： 两流体垂直交叉的流动 折流 ：一流体只沿一个方向流动，而另一
流体反复折流
1.恒温传热时的平均温度差
换热器中间壁两侧的流体均存在相变时，两 流体温度可以分别保持不变，这种传热称为恒温 传热。
idi
1 K0
do
idi
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总传热系数计算式
管壁内表面 污垢热阻
管壁外表面 污垢热阻提高总传热系数途径的分析 Nhomakorabea1 K0
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
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：Q1＋Q2＋Q3=Q4＋Q5＋Q6式中 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—物料离开设备所带走的热量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。
（1）Q1与Q4Q1与Q4均可用下式计算：Q1（Q4）=∑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Q3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Q3的符号为：放热为正；吸热为负。
（3）Q5与Q6的确定根据工艺操作经验，（Q5＋Q6）一般为（Q4＋Q5＋Q6）的5%～10%，只要计算出Q4，就可以确定（Q5＋Q6），从而计算出Q2。
4）Q2的计算由以上计算过程得到Q1、Q3、Q4、Q5、Q6后，根据热量平衡方程式求出设备的热负荷Q2。
Q2正值表示需对设备加热；负值表示需冷却 4.3热量衡算基础数据的计算和查取在热量衡算中，大部分物料的物性常数可通过相关的物性常数手册查取，如《化学工程手册》（第1册），《化工工艺设计手册》（下）。
当遇到手册中数据不全的情况时，就需通过一些公式来估算这些物性常数。
热量衡算
化工计算中的能量衡算是根据热力学第一定律，即能量守恒与转化定律，对化工过程进行能量计算。
化工生产中消耗的能量形式有机械能，电能和热能等等，其中以热能为主要形式，因此化工过程中的能量衡算重点是热量衡算。
本章具体对苯酐氧化反应器进行能量衡算如下：热量衡算方程式：Q1+Q2+Q3=Q4+Q5其中式中：Q1——初始物料带入设备中的热量，kJQ2——加热剂或冷却剂与设备和物料传递的热量，kJQ3——物理变化及化学变化的热效应，kJQ4——离开设备物料带走的热量，kJQ5——反应器系统热量损失，kJ反应过程的能量方框图图4-1 反应工段能量衡算图反应器能量横算过程根据图4-1及能量守恒可知：Q2=Q4+Q5-Q1-Q3Q1和Q4的计算Q=∑M i×C i（t1-t2）（Q1和Q4的计算都适用）式中：M i ——反应物体系中组分的质量，kg ； C i ——组分i 在0-T ℃时的平均比热容，KJ/； t 1，t 2——反应物系在反应前后的温度，℃。
物料进入设备时的温度为145℃，热量衡算的基准为145℃，△T=0,则： Q 1=0查得各物项平均比热容数据： （kJ/kg.℃）表4-1 各物相平均比热容所以： ()21i i 4t C M Q t -=∑=××(370-145)+××225+××225+××225+××225+××225+××225+××225+××225+××225+××225= 过程Q 3的计算过程热效率可以分为两类：一类是化学过程的热效率即化学反应速率；另一类是物理过程热效率。
物料化学变化过程，除化学反应外，往往伴随着物料状态变化热效率，但本工艺流程中物理过程热效率较低，可以忽略不计，该过程皆为放热反应，则过程热效率可以由下式计算：主反应：C 8H 10+3O 2→C 8H 4O 3+3H 2O + Q 3-1=×103×=×103kJ/h副反应：CH 3C 6H 4CH 3+→C 4H 2O 3（顺酐）+4CO 2+4H 2O + Q 3-2=×103×=×103kJ/hCH3C6H4CH3+3O2→C6H5COOH（苯甲酸）+CO2+2H2O +Q3-3=×103×=×103kJ/hCH3C6H4CH3+2O2→C8H6O2（苯酞）+2H2O +Q3-4=×103×=×103kJ/hCH3C6H4CH3+→C5H5O3（柠槺酐）+3CO+3H2O +Q3-5=×103×=×103kJ/hCH3C6H4CH3+→8CO+5H2O +Q3-6=×103×=×103kJ/hCH3C6H4CH3+→8CO2+5H2O +Q3-7=×103×=×103kJ/h继而得到：Q3 = Q3-1+Q3-2+Q3-3+Q3-4+Q3-5+Q3-6+Q3-7=×103kJ/hQ5的计算该反应中的热损失按5%计算，即：Q5=5%×（Q1+Q3）=5%×（0+×103）=×103kJ/hQ2的计算Q2为熔岩移出反应器的热量，由反应器热量守恒可知：Q2=Q4+Q5-Q1-Q3=h反应器能量衡算表根据以上计算列出氧化反应工段能量衡算表格如下：表4-2 反应工段能量衡算表（吸收热量为“+”，释放热量为“-”）。
第5章 能量衡算
第五章 能量衡算第一节 概述当物料衡算完成后，对于没有热效应的过程，可直接根据物料衡算结果以及物料的性 质、处理量和工艺要求进行设备的工艺设计，以确定设备的型式、数量和主要工艺尺寸。
而对于伴有热效应的过程，则还必须进行能量衡算，才能确定设备的主要工艺尺寸。
在药 品生产中，无论是进行物理过程的设备，还是进行化学过程的设备，大多存在一定的热效 应，因此，通常要进行能量衡算。
对于新设计的设备或装置，能量衡算的目的主要是为了确定设备或装置的热负荷。
根 据热负荷的大小以及物料的性质和工艺要求，可进一步确定传热设备的型式、数量和主要 工艺尺寸。
此外，热负荷也是确定加热剂或冷却剂用量的依据。
在实际生产中，根据需要，也可对已经投产的一台设备、一套装置、一个车间或整个 工厂进行能量衡算，以寻找能量利用的薄弱环节，为完善能源管理、制定节能措施、降低 单位能耗提供可靠的依据。
能量衡算的依据是物料衡算结果以及为能量衡算而收集的有关物料的热力学数据，如 定压比热、相变热、反应热等。
能量衡算的理论基础是热力学第一定律，即能量守恒定律。
能量有不同的表现形式， 如内能、动能、势能、热能和功等。
在药品生产中，热能是最常见的能量表现形式，多数 情况下，能量衡算可简化为热量衡算。
第二节 热量衡算一、热量平衡方程式当内能、动能、势能的变化量可以忽略且无轴功时，输入系统的热量与离开系统的热 量应平衡，由此可得出传热设备的热量平衡方程式为65 4 3 2 1 Q Q Q Q Q Q + + = + + (51)式中 Q 1——物料带入设备的热量，kJ ；Q 2——加热剂或冷却剂传给设备及所处理物料的热量，kJ ； Q 3——过程的热效应，kJ ； Q 4——物料带出设备的热量，kJ ；Q 5——加热或冷却设备所消耗的热量或冷量，kJ ； Q 6——设备向环境散失的热量，kJ 。
在应用式(51)时，应注意除Q 1 和Q 4 外，其它Q 值都有正负两种情况。
热量衡算
§ 4.4 热量衡算C,H DDB, H WW热量衡算说明：①泡点进料，泡点回流；②以20℃常温下液态混合物状态为基准。
H F + Q B = Q C + H D + H WH F ：进料焓H D ：塔顶产品焓H W：塔底产品焓Q C：全凝器冷凝负荷Q B ：再沸器热负荷1. 进料焓的计算H FT F=380.1019K=106.9519℃所以进料液体的定性温度（T F + 20℃）/2=63.47595℃查石油化工基础数据手册并由插值法得定性温度下的比热：C FPCT=42.59 cal/mol•℃C FOCT=42.55 cal/mol•℃则进料液体的平均比热：C Fm= C FOCT×Z F + C FPCT×(1-Z F)=42.55cal/mol•℃×40%(mol)+42.59cal/mol•℃×(1-40%)(mol)=42.574 cal/mol•℃则进料液体焓：H F= F ×C Fm×(T F ―20℃)=0.9875kmol/h×42.574 cal/mol•℃×(106.9519℃―20℃)=3655.62kcal/h=15295.48kJ/h2. 塔顶产品焓的计算H DT D=99.5252℃定性温度=（T D + 20℃）/2=59.7626℃查石油化工基础数据手册并由插值法得定性温度下的比热：C DPCT=42.32 cal/mol•℃C DOCT=42.28 cal/mol•℃则塔顶产品的平均比热：C Dm= C DOCT×XD + C DPCT×(1-X D)=42.28 cal/mol•℃×80%(mol)+ 42.32 cal/mol•℃×(1-80%)(mol) =42.288 cal/mol•℃则H D= D ×C Dm×(T D―20℃)=0.329167kmol/h×42.288 cal/mol•℃×(99.5252℃―20℃)=1106.976kcal/h=4631.70kJ/h3. 塔底产品焓的计算H WT W=384.3198K=111.1698℃定性温度=（T W + 20℃）/2=65.5849℃查石油化工基础数据手册并由插值法得定性温度下的比热：C WPCT=42.74 cal/mol•℃C WOCT=42.70 cal/mol•℃则进料液体的平均比热：C Wm= C WOCT×X W + C WPCT×(1-X W)=42.70 cal/mol•℃×20%(mol)+ 42.74 cal/mol•℃×(1-20%)(mol) =42.732 cal/mol•℃则塔底产品焓：H W= W ×C Wm×(T W ―20℃)=0.658333kmol/h×42.732 cal/mol•℃×(111.1698℃―20℃)=2564.78kcal/h=10731.30kJ/h4. 全凝器冷凝负荷的计算Q CQ 1 = V ×r m = (R+1)D ×r mr m =r OCT × X D +r PCT × (1-X D )Q 2 = V × C pm × (T 顶 – 20)①算Q 1 :由Ct B A p +-=log 得 2)(10ln 1*log C t B p dt dp dt p d +== 22)15.273(10ln *Ct t RB p RT dt dp r v ++== mol J C t t RB r T T OCT /10*1568.4)486.2195252.9915.2735252.99(*10ln *990.1590*3143.8)15.273(10ln 42200=++=+=+ m o l J C t t RB r pT T PCT /10*2123.4)519.2185252.9915.2735252.99(*10ln *490.1602*3143.8)15.273(10ln 4220=++=++= 混合汽化潜热：molJ x r x r r PCT D OCT m /10*1679.42.0*10*2123.48.0*10*1568.4)1(4440=+=-+= hkJ r D R r V Q mm /10*5228.2610*1679.4*)13324.18(*329167.0*)1(*441=+=+==②算Q 2 :t 顶=99.5252℃由内插法得C p OCT(99.5252℃)=45.0672 Cal/(mol·℃)C p OCT(20℃) =39.34Cal/(mol·℃)同理由内插法得C p PCT(99.5252℃)=45.1168 Cal/(mol·℃)C p PCT(20℃) =39.38Cal/(mol·℃) 平均比热：C m =XD (C p OCT(99.5252℃)+ C p OCT(20℃))/2+(1-X D )(C p PCT(99.5252℃)+C p PCT(20℃))/2 =80%×(45.0672+39.34)/2+(1-80%)(45.1168+39.38)/2 = 42.2126Cal/(mol·℃)Q2=V×C m （t 顶-20）=6.363588×42.2126×（99.5252-20）=21362.3455kcal/h=8.9382×104kJ/hQ C =Q 1+Q 2=26.5228×104+8.9382×104=35.461×104kJ/h ③ 冷却水用量：取进口水温为30℃，出口水温为40℃，则△t 水=10℃ 水的定性温度为：（30+40）/2=35℃查《化工原理》附录水的比热容为：C p 水(35℃)=4.174kJ/(kg ·K)W=Q C /C p 水 △t 水=10174.410461.354⨯⨯=8495.69 kg/h5. 再沸器热负荷的计算 Q BH L’ + Q B = H V’ + H WQ B= H V’ + H W - H L’H L’= L’ × C m L’ × (T底– 20)H V’= V’ ×r m V’ + V’ × C m V’×(T V’-20)H W = W × C m W × (T W - 20)⑴计算倒数第二块板的焓H L’由Aspen plus 计算结果：t L’=110.9493℃x L’=0.21561268 L’=7.04494355kmol/h定性温度t m =( t L’+20℃)/2=65.4747℃由插值法：C p PCT,65.4747℃=42.7287 Cal/(mol·℃)C p OCT,65.4747℃=42.6887 Cal/(mol·℃)C m = C p PCT (1- x L’)+ C p OCT x L’=42.7287*(1-0.2156)+42.6887*0.2156= 42.7201Cal/(mol·℃)=178.7451J/(mol·℃)H L’=L’C m(t L’-20)=7.0449*178.7451*(110.9493-20)=11.4527*104kJ/h⑵计算离开再沸器的相焓H V’P底=170.00148mmHgx W =0.2 y V’=0.21722207 V’=6.38661055kmol/ht V’=t W =111.1698℃t m =( t V’+20)/2=65.5849℃由插值法：C p PCT, 65.5849℃ =42.7365 Cal/(mol·℃) C p OCT, 65.5849℃ =42.6965 Cal/(mol·℃) C m = C p PCT (1- x W )+ C p OCT x W=42.7365*（1-0.2）+42.6965*0.2=42.7822 Cal/(mol·℃)=179.005J/(mol·℃) Q 1=V’C m (t v’-20)=6.3866*179.005*(111.1698-20) =10.4261*104kJ/h2)15.273(10ln Ct t RB r V ++= mol J r OCT /10*1147.4)486.219111.169815.273111.1698(*10ln *99.1590*3143.842=++=mol J r PCT /10*1644.4)592.218111.169815.273111.1698(*10ln *49.1601*3143.842=++=r m =r OCT y V’+r PCT (1-y V’)=4.1147*104*0.2172+4.1664*104*(1-0.2172) =4.1552*104 J/molQ 2=V’r m =6.3866*4.1552*104=26.5376*104 kJ/h H V’ = Q 1 + Q 2 =36.9637* 104 kJ/h ⑶塔底产品的焓H WH W = 10731.30kJ/h(前已述及) ⑷Q BQ B =H V’+H W -H L’=36.9637*104+1.0731*104-11.4527*104 =26.5841* 104 kJ/h在0.3Mpa时，r水蒸汽=2168kJ/kg蒸汽用量W汽=Q B /r水蒸汽=122.62 kg/h热量衡算方程为：H F + Q B = Q C + H D + H W等式左边=H F + Q B =15295.48+26.5841* 104=28.1136kJ/h等式右边=Q C+H D + H W=35.461×104+4631.70+10731.30=36.9973kJ/h。
热量衡算
热量衡算主要依据是能量平衡方程ΣQ in=ΣQ out +ΣQ其中ΣQ in输入设备流量ΣQ out +输出设备流量ΣQ为损失流量对于连续系统：Q+W=ΣH out+ΣH其中。
Q为设备热负荷W为输入系统的机械能ΣH out离开设备的各物料焓之和ΣH进入设备的各物料焓之和在进入全厂能量横算时，是以单位设备为基本单位，考虑由机械能转换、化学反应释放和单纯的物理变化带来的能量变化，最终对全工艺段进行系统级的能量平衡计算，进而用于指导节能降耗设计工作。
热量衡算任务1、确定加热剂和冷却剂的用量2、计算有设备传递的热量，为设备设计提供依据3、提高热量应用水平4、最终确定总需求能量和能量费用各工段其热量衡算如下萃取精馏段：第一萃取精馏塔物流焓变一览表流股名反应前物流反应后物流温度（℃）60/60 44/110压力（Kg/sqcm）7.767/6.118 5.099/6.099 质量流量（Kg/hr）41600/27100 17320/295280 焓值（KW）-2575.3 1068.09热负荷一览表热量平衡一览表汽提塔物流焓变一览表流股名反应前物流反应后物流温度（℃）118.1/110.1/135.0 108.4/134.4压力（Kg/sqcm）7.000/6.099/5.166 5.166/5.167质量流量（Kg/hr）37970.026/295280.000/7.04087E+6 23999.999/7.35012E+6 焓值（KW）1405031 1412557热负荷一览表热量平衡一览表闪蒸塔物流焓变一览表温度（℃）134.4 135.0/135.0压力（Kg/sqcm） 5.167 5.166/5.166质量流量（Kg/hr）7.35012E+6 202622.872/7.04087E+6 焓值（KW）1407162.09 1435001.24热负荷一览表热量平衡一览表第二萃取精馏塔物流焓变一览表温度（℃）70.0/108.4 125.8/92.2压力（Kg/sqcm） 5.000/5.160 3.071/3.059质量流量（Kg/hr）36000.000/23999.999 37970.026/22030.029 焓值（KW）3895.67817 4103.97348热负荷一览表热量平衡一览表第一精馏塔物流焓变一览表流股名反应前物流反应后物流温度（℃）92.2 41.6/55.8压力（Kg/ sqcm） 3.059 5.099/5.099质量流量（Kg/hr）22030.029 990.029/21040.000 焓值（KW）12503.73 9251.09429热负荷一览表热量平衡一览表第二精馏塔物流焓变一览表流股名反应前物流反应后物流(顶/釜) 温度（℃）70.1 43.1/55.4压力（atm） 5.92 4.74/5.42质量流量（Kg/hr）19758.483419087.1667/671.3167 焓值（KW）11111.0668 8876.86583热负荷一览表（KW）热量平衡一览表（KW）。
热量衡算(谢斐、杨光星)
能量衡算书——谢斐、杨光星1. 计算过程 (1)2.计算结果汇总表 (3)3.附注 (4)1. 计算过程1.1 初馏塔塔底加热器<1>（1）塔底出料 100℃饱和液体 250.1Kmol/h（2）加热器出料 100℃饱和气体 250.1Kmol/h（3）热负荷Q=10162188kJ/h (考虑5%的热损)（4）加热蒸汽[2]消耗量 G=1.38Kg/s1.2初馏塔塔塔顶全凝器<2>（1）塔顶出料 66℃饱和气体 250.1Kmol/h（2）冷凝器出料 66℃饱和液体 250.1Kmol/h（3）热负荷Q=9225163.2kJ/h (考虑5%的热损)（4）冷却水消耗量 G=40.87Kg/s1.3醋酸乙烯脱水塔塔底加热器<3>（1）塔底出料 72.5℃饱和液体 7.88Kmol/h（2）加热器出料 72.5℃饱和气体 7.88Kmol/h（3）热负荷Q=270993.2 kJ/h (考虑5%的热损)（4）加热蒸汽[2]消耗量 G=0.0367Kg/s1.4醋酸乙烯脱水塔塔顶全凝器<4>（1）塔顶出料 66℃饱和气体 7.88Kmol/h（2）冷凝器出料 66℃饱和液体 7.88Kmol/h（3）热负荷Q=274618 kJ/h (考虑5%的热损)（4）冷却水消耗量 G=1.22Kg/s1.5轻组分塔塔顶全凝器<5>（1）塔顶出料 57.1℃饱和气体 510.23Kmol/h（2）冷凝器出料 57.1℃饱和液体 510.23Kmol/h（3）热负荷Q=12791466.1 kJ/h (考虑5%的热损)（4）冷却水消耗量 G=34.00Kg/s1.6轻组分塔塔底加热器<6>（1）塔底出料 72.5℃饱和液体 510.23Kmol/h（2）加热器出料 72.5℃饱和气体 510.23Kmol/h（3）热负荷Q=17546809.7 kJ/h（4）加热蒸汽[2]消耗量 G=2.38Kg/s1.7初馏塔进料加热器<7>（1）进料 25.6℃不饱和液体 250.1Kmol/h（2）出料 92.8℃饱和液体 250.1Kmol/h（3）热负荷Q=42586764 kJ（4）用反应器出口出料加热 G=48.12Kg/s1.8重组分塔塔顶全凝器<8>（1）塔顶出料 72.5℃饱和气体 1229Kmol/h（2）冷凝器出料 72.5℃饱和液体 1229Kmol/h（3）热负荷 Q=42265310kJ/h（4）冷却水消耗量 G=112.3Kg/s1.9重组分塔产品冷凝器<1>（1）塔顶出料 72.5℃饱和液体 1229Kmol/h（2）冷凝器出料 30℃不饱和液体 1229Kmol/h（3）热负荷 Q=8012465.5kJ/h（4）冷却水消耗量 G=53.24Kg/s1.10重组分塔塔底再沸器<10>（1）塔底出料 72℃饱和液体 1229Kmol/h（2）加热器出料 72℃饱和气体 1229Kmol/h（3）热负荷Q=41872030kJ/h（4）加热蒸汽[3]消耗量 G=5.77Kg/s1.11醋酸蒸发器进料加热器<11>（1）进料 25℃液体 1189.29Kmol/h（2）出料 165℃液体 1189.29Kmol/h（3）热负荷 Q=15028015kJ/h（4）用反应器出口物料加热 G=48.12Kg/s1.12醋酸吸收塔进料冷凝器<12>（本冷凝器在气温低于20摄氏度的时候关闭）（1）进料 25.6℃液体 1189.29Kmol/h（2）出料 20℃液体 1189.29Kmol/h（3）热负荷 Q=89320.33kJ/h（4）冷却水消耗量 G=1.75Kg/s1.13醋酸蒸发器的再沸器<13>（1）塔底出料 112℃饱和液体 1623.7Kmol/h（2）加热器出料 116℃饱和气体 1623.7Kmol/h（3）热负荷Q=42586764kJ/h（4）加热蒸汽[3]消耗量 G=5.87Kg/s1.14反应器进料预热器<14>（1）进料 116℃气体 1623.7Kmol/h（2）出料 169℃气体 1623.7Kmol/h（3）热负荷 Q=13116960kJ/h（4）加热蒸汽消耗量 G=1.78Kg/s1.15反应器出口冷凝器<15>（1）进料 71.5℃气体 1189.29Kmol/h（2）出料 25.6℃液体 1189.29Kmol/h（3）热负荷 Q=1074626.6kJ/h（4）冷却水消耗量 G=1.75Kg/s2.计算结果汇总表供热蒸汽量(蒸汽[2])= 2.38Kg/s+0.0367Kg/s+1.38Kg/s+1.78Kg/s =5.58 Kg/s冷却水量（25℃）=34.00Kg/s+1.22Kg/s+40.87Kg/s+112.3Kg/s+53.24Kg/s+1.75Kg/s=243.38 Kg/s冷却水量（10℃）=0.41Kg/s3.附注[1]根据中国石化出版社2003年出版的《冷换设备工艺设计手册》选择型号，选自P60-P73[2]所选蒸汽规格0.748Mpa 170℃的饱和蒸汽蒸汽是反应中放出的热进行交换所产生的(使用率接近97%)[3]所选蒸汽规格 1MPa 179.9℃的饱和蒸汽该蒸汽由公用工程提供[4]冷水为10℃由制冷设备提供。
保温热量计算
第五节热量衡算与热交换计算日期:2008-4-5 3:20:36 来源:来自网络查看:[大中小] 作者：不详热度： 2522一、热量衡算传热计算根据总传热方程进行：Q=KA△t m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Q L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Q L。
由热量衡算得到的是工艺热负荷Q L。
如果流体不发生相变化，比热取平均温度下的比热，则有：Q L=w h c ph(T1-T2)=w c c pc(t2-t1) ( 3-29 )式中 w----流体的质量流量，kg/s；c p----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：Q L=w h r=w c c pc(t2-t1) (3-30)式中 w h----饱和蒸汽的冷凝速率，kg/s；r----饱和蒸汽的冷凝潜热，kJ/kg；当饱和蒸汽在热交换器中冷凝后，冷凝液液温度继续下降到T2,两部分热量（即潜热和显热）要加起来计算，这时：Q L=w h[r+c ph(T s-T2)]=w c c pc(t2-t1)式中 c ph-----冷凝液的比热，kJ/kg·K；T s------冷凝液饱和温度，K。
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• （1）由已知的某一温度的汽化热求另一温度的汽化热
在工程计算中可用Waston公式
H V2 H V1
[ ]0.38 1 Tr1
1 Tr2
• 式中△HV—汽化热，kJ/kg或kJ/mol；
• 此公式比较简单而又相当准确，广泛采用。
14
• （ 2）汽化热是焓差，因此也可以根据状态函数增量不随 途径而变的特性，假设一些便利的途径，从已知的T1、p1 条件下的汽化热数据求T2、 p2条件下的汽化热。 • （3）对于有焓- 温图、温- 熵图或压- 焓图的物质，可以查 图求得。 • （4）对于缺少汽化热数据但知道该物质的蒸汽压时用克 克公式计算
• 用标准燃烧热计算
0 H0 与 H f C之间的换算
0 H • a -组成该化合物的各元素标准燃烧热,kJ/mol原子
H ni H H
0 f 0 ai
0 c
• n(3) 反应温度下的反应热*
• 可以利用焓变与始态、终态有关而与途径无关的 特性，假设便利的热力学途径，从 25℃的反应热 求算其它温度的反应热。 • (4)使用反应热数据的注意事项：
18
2.微分溶解热
• 微分溶解热系指lkmol（有时用lkg)溶质溶解于含量为x的无限多 溶液中（即溶解后溶液的含量仍可视为 x) 时所放出的热量，以 kJ/mol、kJ/kmol，kJ/kg...…等单位表示。 • 微分溶解热是浓度的函数，也是温度的函数。 • 如果吸收时吸收剂的用量很大，在吸收时溶液变化很小，则吸 收所放出的热量等于该含量的微分溶解热乘以被吸收的吸收质 的数量。 • 一定量溶质溶解于一定量含量为 x1 的溶液中，使溶液含量变为 x2，溶液含量变化不大，可取两个含量之下的微分溶解热的平均 值乘以被吸收的吸收质的量而求得这一过程的热效应的近似值。 • 在水溶液中的积分溶解热S和微分溶解热φ，使用时要注意横坐 标和纵坐标上标示的各个量的单位。 • 气体的溶解热数据可查阅关手册或资料。 • 气体的溶解热数据最常用于气体非等温吸收的热量衡算中。
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• 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
3
• 1. Q= △H
（1）
• 2.Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6+Q7 （2） • 式中Q1—物料带入热； • Q2—过程放出的热，包括反应放热、冷凝放热、溶解放热、 混合放热、凝固放热等； • Q3—从加热介质获得的热； • Q4—物料带出热； • Q5—冷却介质带出的热； • Q6—过程吸收的热，包括反应吸热、气化吸热、溶解吸热、 解吸吸热、熔融吸热等； • Q7—热损失。
• 化工设计中的能量衡算主要是热量衡算。 • 在化工设计工作中，通过热量衡算可以得到下面各种情况下 的设计参数。
• (1)换热设备的热负荷；(2)反应器的换热量； • (3)吸收塔冷却装置的热负荷； • (4)冷激式多段绝热固定床反应器的冷激剂用量； • (5)加热蒸汽、冷却水、冷冻盐水的用量；
• (6)有机高温热载体（如联苯、导热姆等）和熔盐的循环量：
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• 4.混合物的热容
• a.理想气体混合物
C Ni C
0 P
0 Pi
• b.真实气体混合物 • 求真实气体混合物热容时，先求该混合气体在同样温度下处于 理想气体时的热容 CP° ，再根据混合气体的假临界压力 PC’ 和 假临界温度 TC’ ，求得混合气体的对比压力和对比温度，在图 上查出Cp- CP° ，最后求得Cp。 • c.液体混合物 • 极少数混合液体由实验测得其热容 • 一般工程计算常用加和法来估算混合液体的热容。估算用的公 式与理想气体混合物热容的加和公式相同，即按组成加和。
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三.汽化热
• 液体汽化所吸收的热量称为汽化热，也称为蒸发潜热。
• 汽化热是物质的基本物性数据之一。 • 1. 各种物质在正常沸点（即常压下的沸点）的汽化热，或25℃的汽化 热查手册获得。 • 2.气化压力（对应了某温度）下的汽化热数据 需要根据易于查到的正常沸点的汽化热，或25℃的气化热求算气化温 度下的汽化热。
• (7）冷冻系统的制冷量和冷冻剂循环量： • (8)换热器冷、热支路的物流比例 ：
• (9)设备进、出口的各股物料中某股物料的温度：
2
5.2热量衡算的基本方法 • 一、热量衡算的基本关系式 •
•
• 热量衡算是能量守恒定律的应用。
连续流动系统的总能量衡算式:
Q＋W=△H＋g△Z＋△u2/2
• W—单位质量流体所接受的外功或所作的外功，接受外功时 W为正，向外界作功W为负； • △ H—单位质量流体的焓变； • g△ Z—单位质量流体的位能变化； • △u2/2—单位质量流体的动能变化； • Q— 单位质量流体所吸收的热或放出的热，吸收热量时为 正，放出热量则为负。
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三、热量衡算的基准
• 计算基准包括两方面，一指数量上的基准，一指 相态的基准（亦称为基准态）。 • 数量上的基准，指用哪个量出发来计算热量，与 物料衡算相似。
• 相态的基准：在热量衡算中之所以要确定基准态， 是因为在热衡算中广泛使用焓这个热力学函数， 焓没有绝对值，只有相对于某一基准态的相对值。 • 基准态可以任意规定，不同物料可使用不同的基 准，但对同一种物料，其进口和出口的基准态必 须相同。
19
20
3.常用物质的溶解热数据
• a.某些物质溶于水的溶解热可查表 • b.三酸（硝酸、硫酸和盐酸）的溶解热计算公式 • ① 100%硫酸溶于水的溶解热
H S 272 kcal / kgH 2 SO 4 n 49
• ②1kmolHCl溶于nkmol水的溶解热
H S 11.98(n 1) 5.375 kcal / kmolHCl n
4.5T1T2 P1 H V lg kcal / kg M (T1T2 ) P2
• （5）混合物的汽化热 • 用各组分汽化热按组成加权平均求得。 • 若以kJ/g，kJ/kg为单位，按质量分数加权，若以kJ/mol， kJ/kmol为单位，按摩尔分数加权。
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四.反应热 • （1）从有关资料中直接查到反应热数据。 • （2）利用物质的标准生成热和燃烧热数据来计算反 应热 • 用标准生成热计算
0 0 0 H 298 ( n H ) p ( n H i 298, f rod i 298, f ) reac tan t , REAC
0 0 0 H 298 ( n H ) ( n H i 298,c reac tan t i 298,c ) prod , REAC
• 式中C p，m —温度T1~T2 的平均定压摩尔热容，kJ/ (kmol· K); •
cp
—温度T1~T2的平均定压比热容，kJ/(kg· K).
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• (2)通过计算过程的焓变求过程放出或吸收的 热 • 根据 Q=ΔH, 如果能求出过程的焓变，则 Q 可 求得。 • 计算过程的焓变可用状态函数法。因为焓是 状态函数，过程焓变只与始态和终态有关， 与过程无关，所以在计算时，应假设那些能 够方便地计算出熔变的途径来获得焓变的值。
• a.反应物和生成物的聚集态不同，反应热的数值 也不同，所以使用时要注意对应物质的聚集态。
• b.反应热与温度和压力有关，在压力不高时，可 不考虑压力对反应热 的影响，但必须注意反应热 随温度改变的特性。高压下，反应热随压力的改 变也不能忽略。
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五.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称为溶 解热。 • 手册给出的溶解热数据中，有积分溶解热与微分溶解热之分。 • 1.积分溶解热 • 每lmol溶质溶解于一定量溶剂形成组成为 x的溶液时的总热效应 （即累计的热量）称为积分溶解热，其单位为kJ/mol溶质。 • 若溶解时吸热则积分溶解热取正值，若溶解时放热，则积分溶 解热取负值。 • 应用 • 用来计算把溶质溶于溶剂中形成某一含量溶液时的热效应；用 来计算把溶液自某一含量冲淡（或浓缩）到另一含量的热效应。 • 积分溶解热数据来源 • 有时用图给出，有时列表，有时给出数学式子。 • 是浓度和温度的函数。
第五章 热量衡算
• • • • • • • • 5.1热量衡算的意义 5.2热量衡算的基本方法 5.3热量衡算中的基本数据 5.4一些物质的热力学性质图 5.5常用热力学数据的估算 5.6热量衡算举例 5.7动力消耗综合表 5.8系统能量的合理利用
1
5.1热量衡算的意义
• 能量衡算的基础是物料衡算。
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• 5.热容的单位
• 摩尔热容，单位是kJ/(mol· K)，kJ/(kmol· K) 等；
• 比热容，其单位是kJ/(kg· K), J/(g· K) 等。 • 这两种单位是可以互相换算的。 • 例如，50℃液态苯的定压摩尔热容为137. 9J／（ mol· K)， 若用kJ/(kg· K)作为比热容的单位，其数值为
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。