2011版化工设计第四章能量衡算

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一、无相变的变温变压过程的热量衡算
• 化工过程中的热量衡算主要是指物料温度变化所 需加入或取出的热量的计算,化工生产中常见的 加热或冷却过程就属于这种情况。可由下列热量 衡算式计算。Q=△U(间歇过程或封闭过程)或 Q=△H(连续稳定流动过程) • 所以要计算加热或冷却过程的过程热,应先求温 度变化过程的△U或△H • (1)恒容过程Qv或△U的计算 • Qv= △ U=n∫T2T1 v dT C (4-9) • 式中n—物质的摩尔数; • Cv—恒容摩尔热容;T1 、 T2—始温与终温,K。 式4-9对理想气体是正确的,对固体或液体很接近; 对真实气体只有在恒容时才符合。
(2)基础。
以能量守恒定律为基础,也即以热力学第一定律为基础。 进入系统的能量必然等于离开 系统的能量和损失的能量之和。
(3)应用。
1) 一种是在设计时,根据给定的进出物料量及已知温 度求另一股物料的未知物料量或温度,常用于计算换热设备 的蒸汽用量或冷却水用量。 2) 另一种是在原有的装置上,对某个设备,利用实际 测定(有时也要做一些相应的计算)的数据,计算出另一些 不能或很难直接测定的热量或能量,由此对设备做出能量上 的分析。如根据各股物料进出口量及温度,找出该设备的热 利用和热损失情况。
C p液 dt
H 4 =H1+
应为△H3
C p汽 C p液 dt
第三节化学反应过程的热量衡算
• 化学反应过程通常都伴随较大的热效应—吸收热量或放 出热量。像甲醇氧化制甲醛、乙烯液相氯化这些主要的 工业过程,就是放热反应,乙苯脱氢制苯乙烯就是吸热 反应。为了使反应温度得到控制,必须自反应体系排走 热量或向反应体系供给热量,即反应器必须有供热或冷 却用的换热设备,这种措施不但成为反应能否进行的关 键,也与能量的合理利用有密切关系。 • 这里主要讨论反应热的计算方法,反应热可用生成热或 燃烧热来计算,所以先要讨论燃烧热和生成热,及其用 于反应热的计算,然后将反应热结合到能量衡算中去。
• △ H3 = △H1十△H4- △H2
• 其中△H2是液体的焓变,忽略压力对焓的影响:
H 2 =
T2 T1
C p液 dt
• △H4 是温度、压力变化时的气体焓变,如将蒸汽 看作理想气体,可忽略压力的影响。则
H 4 =H1+
应为△H3
T2 T1 T2 T1
C p汽 dt

T2 T1
(二)注意事项
• 4 )传热剂用量的计算。化工生产中常用的的加 热剂有水蒸气、烟道气、电能、有机载热体等, 常见的冷却剂为水、空气、冷冻盐水等。 • ①加热剂用量的计算 • a.间接加热时水蒸气消耗量的计算:
m D=
Q I cpT
式中:I:水蒸气的热焓kJ/Kg; CP:水的比热容KJ/(Kg.k) T:冷凝水温度,取水蒸汽的温度 为其差值。
(二)注意事项
②: 冷却剂消耗量的计算 主要有水、空气、冷冻盐水等。 按照下列式子计算:
mw Q2 c p 0 ( t in t o u t )
式中符号解释。
第二节无化学反应过程的热量衡算
• 无化学反应过程的能量衡算,一般是通过计算过程中交换的 热量,进而计算出冷却或加热介质的用量或温差,或是计算 燃料的消耗量。过程中各物料的焓或内能可以从手册中查到 时,直接采用式(4-3)或式(4-4)进行计算比较简单。为 了计算一个过程的ΔH,可以用假想的、由始态到终态几个 阶段来代替原过程,这些阶段的焓变应该是可以计算的,所 需的数据也可以得到的。由于焓是状态函数,所以每一阶段 的△H之和即为全过程的△H • 途径中各个阶段的类型,主要有以下五种: • (1)恒温时压力的变化。 • (2)恒压时温度的变化。 • (3)恒压恒温时相态的变化。 • (4)两个或两个以上物质在恒温恒压时的混合和分离。 • (5)恒温恒压时的化学反应过程。
(2)恒压过程QP或△H的计算
• QP=ΔH=n∫T2CpdT
T1
• • • •
n—物质的摩尔数,mol; CP—恒压摩尔热容,J/(mol· K); T1、T2 —始态和终态温度,Ka 式(4-10)对于理想气体、液体和固体都是适用 的,对于真实气体如果在恒压条件也可使用。 • 为了简化计算,工程计算中经常使用平均热容。 平均热容是取一定温度范围内热容的平均值。
= 4 .5 7 1 0 T + 1 9 .0 5 T - 3 7 6 8 8
-2 2
∵dHP=ΔQP=dcpdt,∴Hp=∫Cpdt
t1
t2
二、相变过程的热量衡算
• 汽化和冷凝、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焓的变 化,这种变化常成为过程热量的主体,不 容忽视。在恒定的温度和压力下,单位质 量或摩尔的物质发生相的变化时的焓变称 为相变热。
(一)热量衡算的基本方法及步骤
• 4)根据物料流向及变化列热量衡算式,然后用数学方 法求解未知量。 • 6 )计算传热剂用量和传热面积。 • 7 )校核。根据平衡式进行校核,即进入设备或系统各 股物料的焓或内能之和应等于离开设备或系统各股物料 的焓或内能之和。 • 此外对于热力学物性数据,必须校核其正确性,尤其是 要核对其应用范围和基准及热流的正负号
ΔQ=ΔU-WV: 因对外作功,Wv<0,H=U+PV
(一)热量衡算的基本方法及步骤
• 热量衡算也需要确定基准,画出流程图,列出热量衡 算表等。基本步骤为: • 1 )收集整理数据资料。主要收集已知物料量、工艺 条件以及有关物性数据和有关热力学数据,如比热容、 汽化潜热、标准生成热等。 • 2 )画出单元设备的物料流向及变化示意图,并在物 料流程图上标明已知温度、压力、相态等条件。 • 3 )确定基准。以单位时间为基准,也可以l00mol或 100kmol原料为基准,但前者更常用;确定基准温度, 一般以273K 和298K 或其他温度为基准温度,由于 手册、文献上查到的热力学数据大多是298K时的数 据,故选298K为基准温度。

• • • • •
代入能量衡算式 0. 2×(49460-1507)+(4.57X10-2T2+19. 05T-37688=0 即4.57X10-2T2+19. 05T-28097=0 减号合适吗?,理解其含义! 解得T1=602K=329 ℃,T2=-1019K 显然只有329℃才有意义,故CH3 OH(气)的出口温度应为329℃
废热锅炉
1molCH3OH(气)4.5atm 450℃
1molCH3OH(气)4.5atm T=?
0.2molH2O(汽)4.5atm (饱和)
• 由相关手册查得,CH3OH(气)在450-300℃的热容可按下式计算:Cp =19.05+9.15 X 10-2t kJ/(kmol· K) • 由 水 蒸 气 表 查 得 20℃ 时 水 ( 液 ) 的 焓 : H 水 ,20℃ =83. 74kJ/kg=1507kJ/kmol • 4. 5atm饱和蒸汽的焓:H水气,4.5atm=2747. 8kJ/kg=49460kJ/kmol • 能量衡算:Q=ΔH=0(由于废热锅炉绝热操作)n水(H出一H进 )水=n 醇(H出一H进)醇 T -2 (H 醇 ) = (1 9 .0 5 + 9 .1 5 1 0 T ) d T • H水,进=1507kJ/kmol 出 723 • H水,出=49460kJ/kmol -2 9 .1 5 1 0 2 2 = 1 9 .0 5 (T -7 2 3 ) + ( T - 723 ) • H醇,进=0(基准) 2
第二节无பைடு நூலகம்学反应过程的热量衡算
• 例如计算-10℃ , 101. 3kPa的冰加热成为 250 ℃ , 303. 9kPa的水蒸气的焓变,可以 设计成如图4-1所示的假想途径。
• 图4-1所示的假想途径由六个阶段组成,其 中△H1, △ H3, △ H5为变温过程的焓变, △ H2 , △ H4,为相变过程的烩变, △ H6为 压力变化过程的焓变,这六个过程的焓变 数据都是不难获取的,整个过程的总焓变 应为△H=Σ △ H
第四章 热量衡算
• • • • • 教学内容 第一节 热量衡算的基本方法 第二节 无化学反应过程的热量衡算 第三节 化学反应过程的物料衡算 第四节 典型设备的工艺选型与设计
第四章 热量衡算 概述该项内容在物料衡算后进行,是设备计算 及其他工艺计算的基础。全面的能量衡算包括 热能、动能、电能等的衡算,能量衡算包括热 能、动能、电能等。温度不同的两物体相接触 或靠近,热量从热(温度高)的物体向冷(温 度低)的物体流动,这种由于温度差而引起交 换的能量,称为热量。热量衡算只是能量衡算 的一种。本章主要介绍热量衡算 。
水蒸气冷凝成水后的保有热量
(二)注意事项
b:燃料消耗量的计算:
mB
Q2
T QT
式中:ηT:燃烧炉的热效率; QT:燃料的发热值KJ/Kg
(二)注意事项
c:电能消耗量的计算:
E
Q2 8 6 .4 0
式中:η:电热设备的电功效率 ,单位J/S; 86000≈24*3600=86400 Q:KJ
第四章 热量衡算 第一节 热量衡算的基本方法
一、热量衡算的目的和任务 (1)目的和任务 通过计算传入或者传出的热量,确定加热剂或者冷却 剂的消耗量以及其他能量的消耗;
计算传热面积以决定换热设备的工艺尺寸;
确定合理利用热量的方案以提高热量的综合利用效率, 尽可能做到热量的综合利用; 改进原有的设备或者工艺流程的不足。
• 5 )当生产过程及物料组成较复杂时,列出热量平衡表。
(二)注意事项
• 1)根据物料走向及变化分析热量之间的关系,由于热效 应有吸热和放热,有热量损失和冷量损失,所以式中的 热量有正负两种情况,故在使用时须根据具体情况进行 分析。 • 2 )各组分的热力学数据如比热容、相变热等可以由手 册查阅或估算法确定。 • 3 )热量衡算的基准有数量基准、温度基准和相态基准。 • 数量基准是指选哪个量作基准来衡算热量。对于连续操 作一般以单位时间进料量(即进料速率)为基准。 • 确定温度和相态基准后,才能从有关手册中查得相关的 热力学数据以便用于热量衡算。
二、热量衡算的基本方法
• 化工生产中热量消耗是能量消耗的主要部分。 • 一套年产25万t乙烯的裂解装置,采用柴油作裂解原料时,总 能量消耗约为1. 314 X 109kJ/h,其中90%以上的能量消耗就 注意:是:非体积功没有,体积功可能有 是体现在热量消耗上。 • 对于没有功的传递(Wr=0),并且动能和位能可以忽略不计的 设备,其热量衡算式为Q=ΔH=H2-H1 (4-1)(连续过程) • Q = ΔU=U2-U1(间歇过程) (4-2) • 热力学第一定律:dU=ΔQ + ΔW ; Wv=∫PVdV w=wv+wr • 热量衡算就是计算在指定的条件下进出物料的焓差,从而确定 过程传递的热量。在实际计算时,由于进出设备的物料不止一 个,因此可改写为 • ΣQ=ΣH2-ΣH1 (4-3) • 或ΣQ=ΣU2-ΣU1 (4-4)
例题 • 例4-1甲醇蒸汽离开合成设备时的温度为450℃, 经废热锅炉冷却,废热锅炉产生4. 5atm饱和 蒸 汽 。 已 知 进 水 温 度 20℃ , 压 力 4.5atm (1atm=1.013X105Pa),进料水与甲醇的摩尔 比为0.2。假如锅炉是绝热操作,求甲醇的出 口温度。
0.2molH2O(液)4.5atm 20℃
• 100℃,latm时液体水转变成水气的焓变△H等于40. 6kJ/mol, 称为在该温度和压力下水的汽化潜热。 • 三种相变的相变热定义如下: • (1)汽化潜热( △Hv):当T和p不变,单位数量的液体汽化 所需的热量。 • (2)熔化潜热( △Hm):当T和p不变,单位数量的固体熔 化所需的热量。 • (3)升华潜热( △HT):当T和p不变,单位数量的固体气 化所需的热量。 • 相变热随相变温度变化会有显著的不同,但随相变压力变化很 微小。 • 许多纯物质在正常沸点(或熔点)下的相变热数据,可在手册 中查到。如果查到的数据,其条件不符合要求时,可设计一定 的计算途径来求算。例如,已知T1,P1条件下某物质1 mol的 汽化潜热为△H1,可用图4-3所示的方法求得在T2, p2条件下 的汽化潜热△H3:
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