第四章 能量衡算

例如显热就需要查寻 热容值。相变热就需要查取相应的热数值 （如汽化热或冷凝热），同时要注意数据的 可靠性。
③ 合理划定衡算范围，确定适宜的进料和出 料部位，一般和设备的进出口一致，或者与 物料衡算一致。
④ 计算时对于一些量小、比率小的热量可以 略去不计，以简化计算。其误差可归于热损 失中。
3） 收集数据
能量衡算的数据包括：
① 设计条件规定的有关工艺操作数据，如温度、压力等；
② 涉及能量衡算的各股物料的量及其组成标在物料流程 图上；
③ 有关的物化数据，如汽化热或冷凝热、热容、焓、反 应热、溶解热等；
以上这些数据，有的来自设计任务书，有的来自物料 衡算的结果，有的来自有关的资料和手册，有的可以从 工厂的实际生产的数据、中试数据、研发数据中合理选 取。这样，把计算涉及的数据资料预先收集好，可以节
6）绘制能量衡算图和编写能量衡算表 把整个过程衡算的结果经反复核对无误后列 表，具体要求如下：
① 表格可与物料衡算结果同时列入；
② 按计算所选定的物料基准列表；
③ 换算以单位产品为基准的数据，为产品成 本估算提供依据；
④ 换算为时间基准，即单位时间产品量对应 的数据，为设备选型、物料输送、仓贮配置 以及其它经济指标提供条件。
① 显热：如Q1和Q4，是由于温度变化引起的热量； ② 潜热：或相变热，如Q5，温度不变； ③ 化学反应热：如Q3，放热或吸热； ④ 外加有用热：如Q2，外界提供的热量； ⑤ 热损失：如Q6，此项往往是其他项总收支的差值。
上面（4-2）式亦为通用公式，遇到具体问题 时，要注意下面几个方面：
① 建立各个热量之间热平衡关系，根据物料走 向及变化具体分析热量间关系，要注意各热量的 正负号。上式中除了Q1，Q4是正值以外，其他 各项都有正、负两种情况，因此要根据具体情况 进行具体分析，判断清楚再进行计算。
3）没有运动部件或产生电流，则W=0。
(一) 无相变体系的能量衡算
间歇过程或封闭过程 Q=△U
连续稳定流动过程 Q=△H
利用热容计算△U或△H
① 恒容过程 ② 恒压过程
QV
U

n
C dT T2
T1 v
Qp

H

n
C dT T2
T1 p
③ 压力对焓的影响
对理想气体U和H是T的函数，与压力无关；对 S或L体时，恒T变P时，△U≈0， △H=△U+△(pv)≈V△P。对真空气体，可忽略 压力对焓的影响。
1） 绘制物料流程图
因为能量衡算是在物料衡算的基础上进行的， 因此其能量平衡范围和物料衡算是相似的。在 物料流程图上标明已知温度、压力等条件，并
将已查出的有关能量计算数据列上。
2） 选定计算基准
与物料衡算一样，能量衡算时也要确定计算的 基准，它包括基准数量、基准温度和基准相态。
① 物料数量上的基准：能量衡算是在物料衡算的基础上 进行的，基准尽量和物料衡算所选定的基准量相一致， 如100kg，100mol，100m3（STP）等，或按每小时进料 量计算。这样可以直接利用物料衡算的结果。
② 温度及相态的基准：基准温度和基准相态是可以任意 选定的，以计算方便为原则。采用平均热容法计算时， 取25℃作为热量衡算的基准（亦有取0℃作为热量衡算 的基准温度。采用基准焓法计算时，因焓的数据中已规 定了基准温度和状态，衡算时，就不需要再去选择。
相态基准，只有在物料的组成中有相态变化（如含有 水而出现汽化或水蒸气凝结）时才需要规定。由于基准 温度和基准相态不同，热量衡算方程式中各项的值是不 同的，在同一设计计算中，要选定一个基准温度和基准 相态。
第四章化工过程的能量衡算
第一节 能量衡算的基本方法和基本程序
能量衡算的依据是热力学第一定律，根据能量守 恒原理，其衡算的通式可写为：
（输入能量 输出能量）（生成能量 消耗能量）累积能量
（4-1）
某一具体单元设备，能量衡算式可写成如下形式：
Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 （4-2）
省计算时间，并可提高计算的准确性。
4） 列出热量衡算方程式
能量衡算大多以单元设备为衡算对象，可以 按物料走向依次列出热量衡算方程式，首先分析 热效应的项目，切勿漏项，特别应注意反应热和 相变热；项目确定后，即可按前述能量守恒定律 列出总的热平衡方程式。
5） 计算和核算
根据所列方程进行求解。在求解过程中，要 分析所列方程的复杂程度，分成独立求解和联立 求解，解出的结果要反复核对。如不平衡，要分 析原因，必要时应重新计算。
⑤ 正确选定计算基准。
二、能量衡算的基本方法和基本程序：
能量衡算的基本方法和基本程序与物料衡算 相同，亦包括绘制流程简图、划定衡算范围、 给物流及组分编号、列写方程式与约束式、求 解方程组及结果整理等若干步骤。
由于能量衡算是以物料衡算为基础的，故 其方程式与约束式包括物料衡算所需的全部方 程式与约束式，再加上能量平衡方程（每个过 程单元一个）与质量焓值方程（每股过程物流 一个）。在一些衡算中，某些物流具有相同的 温度与压力，亦属一种设备约束条件。
输入速率－输出速率 = 积累速率
应用封闭体系进行能量衡算时应注意：
1）体系的内能几乎完全取决于化学组成、聚集态、 体系物料的温度等。理想气体的U 与压力无关， 液体与固体的U与压力无关。在一个过程中，没 有T、相、化学组成的变化，且物料全部是固体、 液体或理想气体，则△U=0
2）假设体系及其环境的温度相同，则Q=0（绝热）
式中：Q1——各股物料带入设备的热量； Q2——由加热剂传递给设备和物料的热量； Q3——过程的各种热效应，如反应热、溶解热等；
Q4——各股物料带出设备的热量； Q5——消耗在加热设备上的热量；或可能是气体 产物冷凝传出的热量；
Q6——设备向外界环境散失的热量。 上述各项热量可以分成如下5种类型：
第二节 非反应过程的能量衡算
一、能量平衡方程式 输出 ＝ 输入 ＋生成 －消耗－积累 △E =Q + W
Q---体系从环境中吸收的能量； W---环境对体 系所作的功。 a. 封闭体系：△U=Q+W
体系中没有物质流动，动势能变化不存在， △U=0，只有能量交换而无物质传递的体系。
b. 稳态流动体系：