化工计算-能量衡算

KA T1 T2
qm,hc p,h
tm
120 70
120 T2 '
39.1 [(T '2 20) (120 t2 ')] / 2
t '2 67.6℃ T '2 60.5 ℃
强化传热过程的途径
根据总传热速率方程： Q KAtm
1、增大传热面积——翅片管或翅片壁面可有效增大传热面积。
热量衡算（energy balance）
热量衡算的方法和步骤
a 确定衡算体系 绘制热量衡算示意图 b 确定衡算基准 进行热量衡算之前，一般先进行物料衡算
c 根据具体计算要求进行收集有关数据
选用热力学数据时应注意物料手册上的数据的基准态与 选择的温度基准态一致，否则，进行换算
d 列出衡算式和热量衡算式进行求解 收集必要的数据，注意数据的适应范围和条件 e 校核检验 将衡算结果列表，
化工计算
一、教 材
绪论 第一章 化工常用基础数据 第二章 化工过程参数 第三章 物料衡算 第四章 能量衡算 第五章 物料和能量联算
2
热
能量衡算
本章要求：
掌握能量衡算的原理 掌握能量衡算的基本方法
主要内容：
能量衡算的理论依据 能量衡算的基本形式 几个与能量衡算有关的重要物理量 能量衡算的基本方法 无化学反应过程的能量衡算
第四节 能量衡算的基本方法
例：两股不同温度的水用作锅炉进水，它们流量及温度分别是 A：120 kg·min-1，30℃； B：175 kg·min-1，65℃，
锅炉压力为17×103kPa（绝压）。出口蒸汽通过内径为60mm的
管子离开锅炉。如产生的蒸汽是锅炉压力下的饱和蒸汽，计算每分 钟要供应锅炉多少千焦的热量，
解：①作水的物料衡算 可知产生的蒸汽流量为120+175=295kg·min-1。 ②确定各流股的比焓
由水蒸气表查得30℃、65℃液态水及17×103kPa 时的饱和水蒸气的焓。查得的数据已填入流程图中。
30℃、120kg•min-1 、H=125.7kJ•kg-1 65℃、175kg•min-1、H=271.9kJ•kg-1
第二，一定要有温度差或温度梯率，才会有热量的传递。
第三节 几个与能量衡算有关的
重要物理量
三、焓（H） 对于焓的定义在第二章化工常用基础数据的有关章节中已做
了介绍。
焓与内能一样，都是热力学函数中的状态函数，这种状态函 数与过程的途径无关，只与所处的状态有关。
既然焓是用来表达流动系统中能量的适当形式，为了解决问 题方便，科技工作者编制了许多形式的焓值表，并提出估算相 变热的方法，其中重要的有：
化学反应过程的能量衡算
第一节 概述
一、能量衡算的意义 选择最佳操作条件，制定既经济又合理的能量消耗方案。
二、能量衡算的理论依据 热力学第一定律 ：能量既不能产生，也不能消灭
第一节 概述
三、能量衡算的应用 了解工艺过程在加热、冷却和动力等诸方面的 能量平衡及其损耗情况，从而确定设备的尺寸、 载热体的用量、冷却和动力等诸方面
根据总传热方程Q=KAt，传热量相同时，逆流所需的传
热面积比并流小，设备尺寸随之可以减小。
例4 在某一以定尺寸的套管换热器中，热流体与冷流体 并流换热。热流体由120℃降到70 ℃，冷流体由20 ℃到 60 ℃。若换热器及有关条件（流体进口温度及流量等） 不变，将并流改为逆流，求冷流体排出温度。可设传热
水蒸气表
气体焓值表
相变焓
第四节 能量衡算的基本方法
热量衡算
对于没有功的传递（W=0），并且动能和位 能可以忽略不计的设备，如换热器，连续稳定 流动过程的能量衡算主要就体现在热量衡算， 且化工生产中热量消耗是能量消耗的主要部分，
例如一套年产25万吨乙烯的裂解装置，采用柴油作裂解原料时， 总能量消耗约为1.314×109 kJ·h-1，其中90%以上的能量消耗就是 体现在热量消耗上。因此，化工过程中的能量衡算主要是热量衡 算。
2、提高传热的温差——尽量选用逆流操作，只是在防止最终过 热或过冷（如防止因此而产生分解、结晶或沉积物等）时才采 用并流；另一方法是提高加热流体的温度或降低冷却流体的温
功可以无条件地全部转化为热量。
第三节 几个与能量衡算有关的 重要物理量
二、热量（Q） 当温度不同的两物体进行接触时，能量总是从热（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传 递的能量称为热量。
环境对系统加的热为正，从系统中取出的热为负。热量的单位 为焦耳（J） 注意两点:
第一，热量是一种能量的形式，是传递过程中的能量形式；
第三节 几个与能量衡算有关的重
一、功（W） 要物理量
功是能量传递的一种形式，功是力与位移的
乘积。可表示为： W
L
0
Fdx
说明：
环境对系统作功取为正值，系统对环境作功取为
负值。热量的单位为焦耳（J） 在化工生产过程中常见的有体积功、流动功及旋
轴功的机械功等。
功只是指被传递的热量，从热力学第二定律可知，
热量衡算（energy balance）
热量衡算计算 例题: 两种组成不同的煤气在预热器中混合，并从25℃加热到 127℃，以供燃烧炉使用，两种煤气的流量分别为 0.4kmol/s和0.1kmol/s，预热器中的热损失为150kJ/s.试计 算预热器应提供的热量？ 25℃时，第一种煤气的焓值为765kJ/kmol;第二种煤气的 焓值为846kJ/kmol. 127℃时，混合煤气的焓值为3640kJ/kmol
能量衡算的基础是物料衡算。只有在进行物料 衡算后才能做出能量衡算。
第二节 能量的基本形式
能量衡算和物料衡算类似，要用到守恒 的概念，即要计算进入和离开特定体系的 能量值，因此必须分清不同形式的能量形 式及表示的方法。由于能量存在有多种形 式，因此能量衡算要比物料衡算复杂。
第二节 能量的基本形式
一、位能（Ep） 位能又称势能，是物体由于在高度上的位移而具有的能量。其
第五节 无化学反应过程的能量 衡算
例：某锅炉每分钟产生800kPa的饱和水蒸气，现有两股不同 温度的水作为锅炉进水，其中20℃的水为80 kg·min-1，60℃ 的水为50 kg·min-1。试求锅炉每分钟的供热量。
解：根据题意画出流程示意图
20℃、80kg•min-1 60℃、50kg·min-1
热
能量衡算
本章要求：
掌握能量衡算的原理 掌握能量衡算的基本方法
主要内容：
化学反应过程的能量衡算
传热温差
传热温差
管壳式热交换器
分程隔板
管壳式换热器
单程列管式换热器
单程列管式换热器 1 —外壳 2—管束 3、4—接管 5—封头 6—管板 7—挡板
双程列管式换热器
双程列管式换热器 1—壳体 2—管束 3—挡板 4—隔板
值的大小与物体所在的力场有关，物体在重力场中所具有的位能 可用下式表示：
Ep mgZ
第二节 能量的基本形式
分析： 位能的大小和基准面有关，因此物体距基准
面的高度差决定了位能的大小，当物体处于基准 面上时其位能为零。由于多数化工生产过程基本 上是在地表或接近地表的高度进行的，位能对整 个能量衡算的影响一般不大，除在计算物料的输 送功率时物料的位能变化是不可忽略的外，在能 量衡算中位能皆可忽略。
295kg•min-1 、H=2793kJ•kg-1 1.7×103kPa饱和水蒸气(204℃)
第四节 能量衡算的基本方法
30℃、120kg•min-1 、H=125.7kJ•kg-1 65℃、175kg•min-1、H=271.9kJ•kg-1
295kg•min-1 、H=2793kJ•kg-1 1.7×103kPa饱和水蒸气(204℃)
系数、物料的比容及设备的热损失不变。
t1=20 ℃ T1=120 ℃
t2=60 ℃ T2=70 ℃
t1=20 ℃ T’2=？
t’2=？ T1=120 ℃
解： qm,hcp,h (T1 T2 ) qm,ccp,c (t2 t1) KAtm
qm,hcp,h t2 t1 60 20 t2 '20 qm,ccp,c T1 T2 120 70 120 T2 '
两种流体均无相变：
Q qm,hcp,h (T1 T2 ) qm,ccp,c (t2 t1) KAtm
一种流体有相变：
Q qm,ccp,c (t2 t1) qm,hL潜热 KAtm
热交换的计算
例套管换热器中,用一定量的热流体将另一定量的冷流 体加热。热流体温度由120℃将到70℃，冷流体由 20℃升到60℃。比较并流与逆流的传热温差。
U型管式
特点：结构较浮头简单；但管程不易清洗。
板式换热器的构造
板式换热器的构造
冷水塔
冷水塔ຫໍສະໝຸດ Baidu构
传热温差
定态变温传热：传热壁面各点温度不随时间而变化， 但随传热面位置不同而不同。
冷 热
并流
逆流
错流
简单折流
传热温差
并流和逆流
特点：并流 t2 T2 逆流 t1 T1 可能t1 T2
在相同的条件下(如相同的换热时间或换热面积)，逆流比并 流换热更完全；并流传热温度差的前后变化比逆流剧烈。
传热温差
对数平均温差:
tm
t1 t2 ln t1
t2
当t1 2t2或t2 2t1
tm
t1
t2 2
Q KAtm
热量衡算
换热器中冷、热两种流体进行热交换，若忽略热损失， 热流体放出的热量等于冷流体吸收的热量。
Ek
mu 2 2
第二节 能量的基本形式
二、动能（Ek）
由于物体运动所具有的能量，称为动能，其值表示为：
Ek
mu 2 2
物体的动能与物体运动速度的平方成正比，因此物体的
运动速度对动能的影响较大，但在化工生产过程中物料的流 动速度一般都不大，与其他能量相比较可以忽略，只有当物 料经过喷嘴或锐孔形成高速的喷射流时，在能量衡算中动能 的影响才比较明显 其值不可以忽略。
第二节 能量的基本形式
三、内能（U） 内能表示除了宏观的动能和位能外物质所具
有的能量，其大小与分子运动有关。 对于纯组分物质，内能可表示成与温度和摩尔体 积间的函数关系：
U nf (T ,Vm )
我们只能计算内能的差，或计算相对于某个参考
态的内能，而无U法2 计U算1 内n能TT12 的Cv,绝mdT对值。
Q=130×2773－（80×83.74+50×251.21） =360490－19260=341230 kJ·min-1
因为焓是一个状态函数，其变化值与过程无关，所以 为了计算一个实际过程的焓变，由始态到终态可以用假想 的几个阶段来代替原过程，而假想的各个阶段的焓变应该 是可以计算的，所需的数据也是可得到的。
T1=120℃
T2=70℃
t1=20℃
t1=60℃
解：并流
t1 120 20 100 ℃
t2 70 60 10℃ tm 39.1 ℃
T2=70℃
T1=120℃
t1=20℃
t2=60℃
逆流
t1 120 60 60 ℃ t2 70 20 50 ℃ tm 54.9 ℃ t'm 55 ℃
800kPa水蒸气，130kg·min-1
第五节 无化学反应过程的能量 衡算
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·kg-1。20℃的水比焓为83.74kJ·kg-1，60℃的水比焓为251.21 kJ·kg-1，代入式 Q=H2－H1，可求每分钟需供热量：
H (mi Hi )2 (mi Hi )1 (295 2793) (120125.7 175 271.9)
=7.61×105 kJ·min-1=1.27×104 kJ·s-1
第五节 无化学反应过程的能量 衡算
无化学反应过程的能量衡算，一般应用 于计算指定条件下进出过程物料的焓差或 内能差，用来确定过程的热量，进而计算 出冷却或加热介质的用量或温差，因此当 过到程时Q 中，U各直2 物接 料采U1 的 用焓 式或内能可或以式从Q手 册H2 中H查1 进行计算比较简单。
第四节 能量衡算的基本方法
1．热量衡算的基本方法及步骤
⑴热量衡算有两种情况 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热物料（如蒸汽等）用量或 冷物料（如冷却水等）用量。
另一种是在原有过程或装置上，对某个设备， 利用实际测定（有时也需要作一些相应的计算） 的数据，计算出另一些不能或很难直接得到的数 据（主要是热量或能量），由此对设备作出能量 利用上的评价。