能量衡算

第七章 能量衡算

7.1 能量衡算经验式

如下的能量平衡经验式是在不输入轴功并且内能和机械能不变时总结出的。这个经验式说明了进入到系统的能量等于流出系统的热量。它的表达式如下：

Q1?Q2?Q3?Q4?Q5?Q6 （7-1）

经验式里： Q1是能量改变中由物料进入设备引起的那一部分，单位是千焦; Q2是能量改变中由加热物质和冷却物质引起的那一部分，单位是千焦； Q3热量变化中由反应过程引起的那一部分，单位是千焦；

Q4是能量改变中由物料离开引起的那部分，单位是千焦； Q5是设备加热和冷却时引起的那部分能量变化，单位是千焦；

Q6是由设备能量流失而引起的那部分热量变化，单位是千焦。

这个经验式运用时，其他的有可能是正值。还有可能是负值。要记在心里只有Q1和Q4一直为正值。例如Q3的规定不同于热力学的。一定要注意。如果操作过程有热量放出，Q3的符号是正的，同理如果单元操作要吸收热量，Q3符号是负的，

Q2又叫热负荷，能根据经验式来计算。要是算出的Q2是正的，说明操作过程设备和被处理的物料的温度会下降，需要外界提供热量才能平衡。如果Q2是负的值，则说明操作过程中需设备和物料温度会降低，得需要外界带走热量才能使系统平衡。还有，间歇操作情况比较特殊，通常情况下时间段不一样则操作也不一样的，这样一来，Q2应该分不同的操作段来计算，根据各个段的计算结果，找出绝对值最大的作为热负荷。

想要得出反应容器的热负荷，必须从热量平衡经验式入手。求出经验式中其他各项值以后就可以算出Q2了。

7.2 反应能量衡算示意图

对环化脱水过程进行热量衡算的目的是确定环化脱水过程中需要转移

的热量。依题意可将苯嗪草酮环化脱水的反应装置作为衡算对象。若将过程的热效应作为输入热量来考虑，则可绘出如下图所示的衡算示意图。

反应原料带入的热量Q1 反应后物料带出的热量Q4 苯嗪草酮 合成过程转移的热量Q2 设备升温所需热量Q5 合成装置 过程的热效应Q3 设备向环境散失的热量Q6

7.3 加热剂或冷却剂的类型

由热量衡算可确定设备的热负荷，根据热负荷的大小和工艺要求，可选择适宜的加热剂或冷却剂，以向设备提供或从设备移除热量。

7.3.1加热剂的选择

由于整个工艺的的温度需要的温度上限在65?5?C，因此采用低压饱和水蒸

34?2?1汽（表压?6000，其传热系数为1.7?10~1.2?10W?m??C，其优点kpa）

为蒸汽的冷凝潜热大，传热系数高，调节温度方便。

7.3.2冷却剂的选择

由于整个工艺进行冷却时并不需要达到很低的温度，因此本工艺不需要采用冷冻盐水充当冷却剂，也避免了高额投资。本工艺只需采用冷却水做冷却剂即可，其使用温度在15~30?C，采用冷却水的优点在于设备简单，控制方便，价格低廉等。

7.4 换热器的类型 7.4.1换热器分类

（1）按照使用目的分类：冷却器、加热器、再沸器、冷凝器等； （2）按照结构分类：管壳式、板式、管式等。

7.4.2换热器的选型

换热器的类型有很多种，每种型式的应用范围都不同。在某种场合下性能不错的换热器，如果换到另一种场合则可能会改变原先的传热效果和性能，甚至会有很大的改变。

所以，针对具体情况正确地选择合适的换热器，是格外重要的。在换热器选型时需要考虑多方面的的因素，主要有: 1) 工作流体的性质 2) 是否利于清洗、维修 3) 热负荷及流量大小

4) 设备结构、尺寸、重量及材料 5)压力、温度、允许压降的范围

在选择换热器时，除了要考虑上述因素外，还必须对材料来源、制造条件、结构强度、安全性、密封性等因素加以考虑。这些因素通常是相互制约、相互影响的，可以通过优化设计来解决。对于不同的操作状况和工艺条件，有时可以使用特殊型式的换热器及特殊的换热管，以降低成本。所以，必须综合考虑工艺条件以及机械设计的要求，正确地选择合适的换热器来有效地减少工艺过程能量的损耗。对与专业的工程技术人员而言，设计换热器时，应给与型式的合理选择、经济运行和降低成本等方面足够的重视，有必要时，还得通过计算来进行分析投资和操作费用对比、技术经济指标分析，从而确保该设计为该具体条件下的最优设计。

7.4.3本工艺选择的换热器类型

管壳式换热器又名列管式换热器。是间壁式换热器的一种。管壳式换热器以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面。此类换热器结构简单，操作可靠，可用各种结构材料制造，但以金属材料为主，可在高温、高压下应用用，到目前为止是应用最广的类型之一。所以我们选择应用较为成熟的管壳式换热器。

7.5 能量衡算

7.5.1 计算Q1 与Q4 的数值

根据以下式经验式可以计算出Q1 与Q4:

Q1 (Q4)=

经验方程里T是反应装置中物质的冷热程度。单位是度； Cp代表热容，单位是千焦每摩尔每度 m代表设备的物料出入的量，单位是公斤;

温度能显著影响物质的比热容，上述经验式中物料的查定压比热容时的温度

5

要取进出口物质和基准温度的平均温度。这个式子的应用非在0℃和1×10pa不可。也就是俗称的标准态。万一查不到那只能根据手册提供的估算方法估算了。各种各样物质的比热容可以在各种化工手册上查到。 7.5.2 计算过程热效应Q3的方法

衡算热量Q3的时候，根据规定：正号为放热，符号则代表吸热.如果操作过程物质发生了状态变化，就一定会产生状态变化热。如果操作过程还发生了化学反应（反应热与状态变化热都属于过程热效应的范围）。则还会有热量放出或者

吸收。状态变化往往随着化学变化。一般来说化学反应过程都或多或少的带着状态热。

① 计算状态热的方法

凡是由于发生了相变产生的热量都是状态热，熔融热、汽化热、液化热等都属于状态热的范畴。状态热往往较小，所以他又叫又潜热，详见下文的讨论。 溶解放出的热量

固态溶质的溶解过程类似于熔融。固态溶解过程放出热量可以认为和熔融热相等。气体溶解热数值与汽化热的相等，符号相反； 熔融过程放出的热量

物质熔融热可以根据以下公式求出，（见《化工工艺手册》上册P887）： ΔΗm=TmK/M

式中：ΔΗm —熔融热，kJ/kg M—相对分子质量 Tm —熔点K

有机物取值范围最大为10—16，取13比较合适。

无机物取值的范围较大是5—7，通常估算时取6较合适 元素取值范围为2—3，一般情况下取2.5。 以上是K的取值范围。 2、 计算反应热的方法

25度下和一个大气压是计算反应热比较方便，标准反应热被规定为标准状态下的反应的热效应，通常ΔHθ可以用来代表他，即右式所示qr0 = -ΔHθ 。标准反应热数据可在《化学工艺手册》或《化学工程手册》中查到；如查不到则可借助其他热力学数据换算出。

⑴ 根据物质标准生成热计算qr0，以下是经验方法

qr0=qf0

经验式子中qf0 为物质的标准生成热 单位是千焦每摩尔。 ν是反应方程中物质前面的系数

⑵ 依据物质标准燃烧热求算qr0，如下是经验方法

qr0=qc0

qf0 为物质的标准生成热 单位是千焦每摩尔。 经验式子中ν是反应方程中物质前面的系数。 ⑶ 计算标准燃烧热的经验方法

勒夏特列和盖斯得到结论：物质的燃烧热大小取决于与燃烧该物质消耗的氧原子量，它们是成线性关系的。所以得出如下经验式

qc0 =

+x

经验式里，a和b是关于物质结构的常数，从《化学工艺手册》能查取他的值 X—有机化合物完全燃烧时需要的氧原子个数。 ⑷ qf0 与qc0 的换算，由盖斯定律可知：

qc0 + qf0 =qce0

式中：qf0—标准生成热kJ/mol; qc0—标准燃烧热kJ/mol;

n —化合物中同种元素的原子数；

qce0—元素的标准燃烧热 kJ/(g.atm) 。 ⑷ 不同温度下反应热qrt 值的计算

因反应恒定在t℃下进行，而且反应物及生成物在25℃-t℃ 围内均无相变化，则qrt 计算公式为

qrt = qr0 –(t-25)

)

经验式子里T表示反应在什么温度下进行的。

经验式里Cp代表经验式中物质的的热容单位是千焦每摩尔每度； ν代表反应中物质的系数。

经验式qr0表示标准反应热单位是千焦每摩尔; 7.5.3 Q5 的确定

加热设备需要的热量： Q5=cmΔT；c 为设备比热容

Q5的值可以根据Q4的值计算出 。因为由经验得出的，Q5 的值通常是Q4 的二十分之一到十分之一。 7.5.4 Q6的计算

为了使计算简化，假设设备壁面的温度处处相同，则有: Q6 =Fαt(tω-te)

式中F—设备总表面;

αt—壁面对空气的给热系数； tω-壁面温度；

te—环境空气温度； 7.5.5 Q2的计算

在应用热量衡算方程式时，Q值都有正负两种情况（Q1和Q4除外）。如：当过程放热时，Q3取正号。当过程吸热时，Q3取负号。

根据热量衡算方程式，只要知道其他Q值，由式子可求出Q2，也就是设备的热负荷。如果Q2为负值，说明需要从设备和物料移走热量，即需要冷却。如果Q2为正值，说明需要给设备物料提供热量，即需要加热。

7.6计算和查取热量衡算的基础数据

衡算能量的时候，从这些手册主要有《纯物质的热化学数据手册》，《化学工

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