【正文】 第六章 熱量衡算 概述 熱量衡算的基本原理 熱量衡算的方法 熱量衡算舉例 加熱劑、冷卻劑及其他能量消耗的計(jì)算 1 概述 當(dāng)物料衡算完成后 : 對(duì)沒(méi)有熱效應(yīng)的過(guò)程 ,可直接根據(jù)物料衡算結(jié)果和工藝要求進(jìn)行 設(shè)備的工藝設(shè)計(jì) ， 以確定設(shè)備的型式 、 數(shù)量和主要工藝尺寸 。 而 對(duì)伴有熱效應(yīng)的過(guò)程 ,則還必須進(jìn)行能量衡算 ,才能確定設(shè)備的主要工藝尺寸 。 ∵ 在藥品生產(chǎn)中 ， 無(wú)論是進(jìn)行物理過(guò)程的設(shè)備 ,還是進(jìn)行化學(xué)過(guò)程的設(shè)備 ,大多存在一定的 熱效應(yīng) , ∴ 通常要進(jìn)行能量衡算 。 2 通過(guò)熱量衡算確定如下 設(shè)計(jì)參數(shù) : ⑴設(shè)備的 熱負(fù)荷 Q 包括 :換熱器 、反應(yīng)器、塔設(shè)備等 進(jìn)一步確定 換熱面積 F ⑵ 加熱劑 、冷卻劑的用量 能量衡算的依據(jù) : ⑴ 物料衡算結(jié)果 ⑵ 物料的熱力學(xué)數(shù)據(jù) 如定壓比熱、相變熱、反應(yīng)熱等 3 熱量衡算的基本原理 能量衡算的基本關(guān)系式 能量衡算的理論基礎(chǔ) :熱力學(xué)第一定律，即 能量守恒定律 。能量有不同的表現(xiàn)形式，如 內(nèi)能、動(dòng)能、勢(shì)能、熱能和功 等。 連續(xù)流動(dòng)系統(tǒng)的總能量衡算式 22uQ W H g z ?? ? ? ? ? ?單位質(zhì)量流體所吸收的熱或放出的熱 單位質(zhì)量流體所接受的外功或所做的外功 單位質(zhì)量流體的焓變 位能變化 動(dòng)能變化 4 設(shè)備的能量衡算時(shí)， 位能變化，動(dòng)能變化，外功 等項(xiàng)相對(duì)較小， 多數(shù)情況下，能量衡算可簡(jiǎn)化為 熱量衡算 ?！?流動(dòng)系統(tǒng)總能量衡算式可簡(jiǎn)化為： QH?? 12Q Q Q?? 12H Q Q? ? ? ( ) ( )B D A CH H H H H? ? ? ? ?熱量衡算基本關(guān)系式 Q兩部分熱量之和 上式只限于 連續(xù)操作 過(guò)程使用，不適用于 間歇 過(guò)程， 且沒(méi)有包括化學(xué)反應(yīng)熱。 另一種形式：熱衡算方程 熱衡算示意圖 Q1— 載熱體取出的熱， Q2— 熱損失，負(fù)值。 5 當(dāng) 內(nèi)能、動(dòng)能、勢(shì)能 的變化量可以忽略且無(wú)軸功時(shí)，輸入系統(tǒng)的熱量與離開(kāi)系統(tǒng)的熱量應(yīng)平衡 ， 由此可得出傳熱設(shè)備的熱量平衡方程式為 式中 : Q1— 物料帶入設(shè)備的熱量， kJ或 kJ/h； Q2— 加熱劑或冷卻劑 傳給設(shè)備及所處理物料的熱量 ， kJ Q3— 過(guò)程的熱效應(yīng)， kJ或 kJ/h ； Q4— 物料帶出設(shè)備的熱量， kJ或 kJ/h ； Q5— 加熱或冷卻 設(shè)備 所消耗的熱量或冷量， kJ或 kJ/h ； Q6— 設(shè)備向環(huán)境散失的熱量， kJ或 kJ/h 。 654321 ?????(61) 6 在上式，應(yīng)注意除 Q1和 Q4外，其它 Q值都有正負(fù)兩種情況。例如， 當(dāng)反應(yīng)放熱時(shí)， Q3取“ +” 號(hào)；反之，當(dāng)反應(yīng)吸熱時(shí)， Q3取“ ?” 號(hào) ，這與熱力學(xué)中的規(guī)定正好相反。 由式 (61)可求出 Q2，即 設(shè)備的熱負(fù)荷 。 若 Q2為正值 ，表明需要 提供熱量 ，即需要 加熱 ； 反之，則表明需要移走熱量，即需要 冷卻 。 此外， 對(duì)間歇操作 ∵ 不同時(shí)間段內(nèi)的操作情況可能不同∴ 應(yīng)按 不同的時(shí)間段 分別計(jì)算 Q2的值 ，并取其 最大值作為設(shè)備熱負(fù)荷的設(shè)計(jì)依據(jù)。 為求出 Q2，必須求出式 (61)中其它各項(xiàng)熱量的值。 7 熱量衡算的方法 計(jì)算基準(zhǔn) 在計(jì)算 Qi之前 ， 要確定一個(gè)計(jì)算基準(zhǔn) 。 ① 數(shù)量上基準(zhǔn) ② 相態(tài)基準(zhǔn) (基準(zhǔn)態(tài) ) 數(shù)量上基準(zhǔn) : ① 按 1kmol或 1kg物料為計(jì)算基準(zhǔn) 。 ② 用設(shè)備的小時(shí)工作量為計(jì)算基準(zhǔn) 。 相態(tài)基準(zhǔn) (基準(zhǔn)態(tài) ): ∵ 熱衡算中使用熱力學(xué)函數(shù)焓，焓 無(wú)絕對(duì)值，只有相對(duì)某一基準(zhǔn)態(tài)的相對(duì)值 ∴ 熱量衡算時(shí)需要規(guī)定基準(zhǔn)態(tài) 一般 ， 把 0℃ 和 ?105 Pa下的某一相態(tài)為計(jì)算基準(zhǔn) 。 對(duì)反應(yīng)過(guò)程 ， 常以 25℃ 和 ?105Pa為計(jì)算基準(zhǔn) 。 基準(zhǔn)態(tài)可以任意規(guī)定 ,不同物料可使用不同的基準(zhǔn)態(tài) , 但 對(duì)同一種物料其進(jìn)口和出口只能使用相同基準(zhǔn)態(tài) 8 熱容法 ⊿ P=0 、無(wú)化學(xué)反應(yīng)、無(wú)相變時(shí)，過(guò)程吸收或放出的 熱量可用 熱容法 計(jì)算 — 顯熱的計(jì)算 即 式中 :G輸入或輸出設(shè)備的物料量， kg或 kg/h或 kmol/h t0— 基準(zhǔn)溫度， ℃ ； t2— 物料的實(shí)際溫度， ℃ ； Cp— 物料的定壓熱容， kJ?kg1?℃ 1或 kJ?kmol1?℃ 1 若已知物料在所涉及溫度范圍內(nèi)的 平均 定壓熱容 ， 則 式中 :Cp— 物料在 (t0～ t2) ℃ 范圍 內(nèi)的平均定壓 熱容 ， kJ?kg1?℃ 1或 kJ?kmol1?℃ 1 (62) ? ?? )tt(GC02p41 或 (63) 9 ⑴ Cp與 T的關(guān)系 : ① 查圖法 : 烴類(lèi)化合物的 CpT圖可在有關(guān)手冊(cè)中查得 。 ≤化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè) ≥第三版 (上 ) ② 列表法 : 不同溫度下的 Cp列表 盧煥章 .石油化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)手冊(cè) . 化學(xué)工業(yè)出版社， 1978 ③ 函數(shù)表達(dá)式 (氣體數(shù)據(jù)較全 ): 式中 :a、 b、 c、 d物質(zhì)的特性常數(shù) ， 可從有關(guān)手冊(cè)查得 。 Cp理想氣體的熱容 。 ≤化工設(shè)計(jì) ≥ .黃璐 :P401 32p dtctbtaC ???? 2p ctbta ???(64) (65) 0 0 0 10 11 工程項(xiàng)目建設(shè)基本程序 (7步 ) 12 13 （ 2）平均熱容 假如物質(zhì)在 T1～ T2范圍 之內(nèi) Cp – T成直線(xiàn) 關(guān)系 ,則 Cp= [(Cp)T1+(Cp)T2]/2 ⑶ Cp與 P的關(guān)系 : ① 固體熱容與 P無(wú)關(guān) ② Cp液體 在臨界點(diǎn)附近 P的影響明顯，一般條件下可忽略 ③ P對(duì)理想氣體的熱容無(wú)影響 ④ P對(duì)真實(shí)氣體熱容影響不大，在臨界點(diǎn)附近影響明顯 (見(jiàn) ≤化工設(shè)計(jì) ≥ .黃璐 : P177圖 ) 14 ① 理想氣體混合物 : Cpo — 混合氣體的理想氣體定壓摩爾熱容； Cpio — 混合氣體中 i組分的理想氣體定壓摩爾熱容； Ni — i組分的摩爾分?jǐn)?shù)。 ② 真實(shí)氣體混合物 :離臨界狀態(tài)遠(yuǎn)時(shí)按上式近似計(jì)算 臨界狀態(tài)附近校正 (見(jiàn) ≤化工設(shè)計(jì) ≥ .黃璐 P178例題 ) ③ 液體混合物 :工程計(jì)算中常用 加合法 估算液體混合物熱容 ,公式與理想氣體混合物計(jì)算公式相同 . ⑷ 混合物熱容 生產(chǎn)上遇到的大部分是混合物，根據(jù)混合物內(nèi)各物質(zhì)的熱容和組成 進(jìn)行推算 (66) opiiop CNC ??15 ⑸熱容的單位 ①摩爾熱容 : 每 1mol或每 1kmol物質(zhì)溫度升高 1℃ 所需要的熱量 . 單位 :kJ/(molK) ， kJ/(kmolK)…… 等 ②比熱容 每 1g或每 1kg物質(zhì)溫度升高 1℃ 所需要的熱量 單位 :kJ/(kgK) ， J/(gK)…… 等 ③ 單位換算 比熱容 =摩爾熱容 /M 摩爾熱容 =比熱容 M M— 相對(duì)分子質(zhì)量 16 物理變化熱 Qp(相變熱和濃度變化熱 ) 指物料的濃度或狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)所產(chǎn)生的熱效應(yīng) ⑴相變熱 物質(zhì)從一相轉(zhuǎn)變至另一相的過(guò)程 ， 稱(chēng)為相變過(guò)程 如蒸發(fā) 、 冷凝 、 熔融 、 結(jié)晶 、 升華 、 凝華等 。 相變過(guò)程常在恒溫恒壓下進(jìn)行 ， 所產(chǎn)生的熱效應(yīng)稱(chēng)為 相變熱 。 ∵ 相變過(guò)程中 ， 體系 T不改變 ， 故 相變熱 常稱(chēng)為 潛熱 。 ∵ 蒸發(fā) 、 熔融 、 升華 過(guò)程要克服液體或固體 分子間的相互吸引力 ∴ 這些過(guò)程均為 吸熱過(guò)程 ， 按式 (61)中的符號(hào)規(guī)定 ， 其相變熱為 負(fù)值 ； 反之 ， 冷凝 、 結(jié)晶 、 凝華 過(guò)程的相變熱為 正值 。 17 各種純化合物的相變熱可從有關(guān)手冊(cè)、文獻(xiàn)中查得。 ⑵ 濃度變化熱 恒溫恒壓下，溶液因 濃度發(fā)生改變 而產(chǎn)生的熱效應(yīng)， 稱(chēng)為 濃度變化熱 。 藥品生產(chǎn)中，以物質(zhì)在 水溶液中的濃度變化熱 最為常見(jiàn)。 但除某些 酸、堿水溶液 的濃度變化熱較大外 ，大多數(shù)物質(zhì)在水溶液的濃度變化熱并不大，不會(huì)影響整個(gè)過(guò)程的熱效應(yīng)。