第五章 能量衡算
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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置的热负荷、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