热量平衡计算设计方案成品

热量平衡计算

一、综述

热量衡算（heat balance）

当物料经物理或化学变化时，如果其动能、位能或对外界所作之功，对于总能量的变化影响甚小可以忽略时，能量守恒定律可以简化为热量衡算。它是建立过程数学模型的一个重要手段，是化工计算的重要组成部分。进行热量衡算，可以确定为达到一定的物理或化学变化须向设备传入或从设备传出的热量；根据热量衡算可确定加热剂或冷却剂的用量以及设备的换热面积，或可建立起进入和离开设备的物料的热状态（包括温度、压力、组成和相态）之间的关系，对于复杂过程，热量衡算往往须与物料衡算联立求解。

物质具有的热能,是对照某一基准状态来计量的,相当于物质从基准状态加热到所处状态需要的热量。当物质发生相态变化时,须计入相变时的潜热,如汽化热（或冷凝热）、熔融热(或凝固热)等。不同液体混合时，须计入由于浓度变化而产生的混合热(或溶解热)。工程上常用热力学参数焓表示单位质量物质所具有的热量。单位质量物料状态变化所需的热量，等于两种状态下焓值的差。热量衡算的步骤，与物料衡算大致相同。

一、热量衡算的意义

（1 ）、通过热量衡算，计算生产过程能耗定额指标。应用蒸汽的热量消耗指标，可以对工艺设计的多种方式进行比较，以选定

先进的生产工艺，或对已投产的生产系统提出改造或革新，分析生产过程的经济合理性、过程的先进性，并找出生产上存在的问题。

（2 ）、热量衡算的数据是设备类型的选择及确定其尺寸、台数的依据。

（3 ）、热量衡算是组织和管理、生产、经济核算和最优化的基础。热量衡算的结果有助于工艺流程和设备的改进，达到节约能降低生产成本的目的。

二、热量衡算的方法和步骤

热量衡算可以作全过程的或单元设备的热量衡算。现以单元设备的热量衡算为例加以说明，具体的方法和步骤如下：

1.画出单元设备的物理衡算流向及变化的示意图

2.分析物料流向及变化，写出热量衡算式：

∑Q入=∑Q出+∑Q损（1--1）

式中∑Q入————输入的热量总和（KJ)

∑Q出————输出的热量总和（KJ)

∑Q损————损失的热量总和（KJ)

通常，∑Q入=Q1+Q2+Q3 （1--2）

∑Q出=Q4+Q5+Q6+Q7 （1--3）

∑Q损=Q8 （1--4）

Q1————物料带入的热量,kJ；

Q2————由加热剂或冷却剂传给设备和物料的热量，kJ；

Q3————括生物反应热、搅拌热等，kJ；

Q4————物料离开设备带出的热量，kJ；

Q5————消耗在加热设备各个部件上的热量，kJ；

Q6————加热物料需要的热量，kJ。

Q7————气体或蒸汽带出的热量，kJ

由上些式子可以得到：

Q1+Q2+Q3 =Q4+Q5+Q6+Q7+Q8 （1--5)

注意的是，对具体的单元设备，上面的Q1~Q8各项热量不一定都存在，故进行衡算的时候，必须具体情况具体分析。

3.收集数据

为了使热量衡算顺利进行，计算结果要正确无误和节约时间，首先要收集有关的数据，如物料量、工艺条件以及必需的物性数据等。这些有用的数据可以从专门手册查阅，或取自工厂实际生产数据，或根据试验研究结果选定。

4.确定合适的计算基准

在热量衡算过程中，取不同的基准温度，算出（1--5）式中各项数据不同。所以必须选准一个设计温度，且每一物料的进出口基准态必须一致。通常，取273K为基准温度可以简化计算。

5.热量衡算的方法

热量衡算时一般建议以273K为基准温度，以液态为基准物态。（1）物料进入设备带人热量Q1(或物料由设备带出的热量Q4)的计算

Q l(Q4)=∑Gct

G—--物料质量，kg；

C——物料平均等压比热容，kJ／(kg•℃)；

t ——物料温度，℃；

生产过程中有相变化时还要加上相变热。

（2）过程热效应(Q3)

过程热效应包括化学过程热效应(Qr)和物理过程热效应(Qp)。即：Q3=Qr+Qp

Qr=1000×qr?×GA／MA

G A——参与反应的A物质量，kg；

qr?——标准化学反应热，kJ／mol；

MA——A物质的分子量。

Qp可通过盖斯定律来计算。

消耗在加热设备各个部件上的热量(Qs)的计算

(3）加热设备耗热量Q5

Q 5=∑Gc（T2—T1)

G——设备总质量，kg；

c——设备材料热容，kJ／(kg•℃)

T1——设备各部件初温，℃；

T2——设备各部件终温，℃。

(4)Q6加热物料需要的热量，kJ。

Q 6=∑Gc（T2—T1)

G——物料质量，kg；

c——物料比热容，kJ／(kg•℃)

T1——物料前温度，℃；

T2——物料后温度，℃。

（5）Q7气体或蒸汽带出的热量，kJ

Q7=∑G(ct+r）

G——离开设备的气态物料量，kg；

c——液态物料由0℃升温至蒸发温度的平均比热容，kJ／(kg•℃) t——气态物料温度，℃

r——蒸发潜热，kJ／kg

(6)设备向四周散失的热量(Q8)的计算

Q8=∑Aαt(T W2一T0)t

A——设备散热表面积，m2；

αt——散热表面向四周介质的联合给热系数，W／(m2•℃)；

T w2——四壁向四周散热时的表面温度，℃；

T o——周围介质温度，℃；

t ——过程持续时间，s。

由加热剂或冷却剂传给设备和物料的热量的计算

Q2=Q4+Q5+Q6-Q1-Q3

选定加热剂(或冷却剂)，即可从有关手册查出该物质cp，再确定其进出口温差ΔT，则加热剂(或冷却剂)的用量为：

w=Q2／cp•ΔT