【正文】 算的目的主要是為了確定設(shè)備或裝置的熱負(fù)荷 。CHAPTER 5 ENERGY BALANCE 1 制作人 :王志祥等 Pharmaceutical Engineering 當(dāng)物料衡算完成后 ,對(duì)于沒(méi)有熱效應(yīng)的過(guò)程 ,可直接根據(jù)物料衡算結(jié)果以及物料的性質(zhì) 、 處理量和工藝要求進(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 。 根據(jù)熱負(fù)荷的大小以及物料的性質(zhì)和工藝要求 ， 可進(jìn)一步確定傳熱設(shè)備的型式 、 數(shù)量和主要工藝尺寸 。 能量衡算的理論基礎(chǔ)是熱力學(xué)第一定律 ， 即能量守恒定律 。 654321 ????? Energy balance Equations 制作人 :王志祥等 Pharmaceutical Engineering 在上式時(shí) ， 應(yīng)注意除 Q1和 Q4外 ， 其它 Q值都有正負(fù)兩種情況 。 此外 ， 對(duì)于間歇操作 ， 由于不同時(shí)間段內(nèi)的操作情況可能不同 ， 因此 ， 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) 。 對(duì)于有反應(yīng)的過(guò)程 ， 也常以25oC和 ?105Pa為計(jì)算基準(zhǔn) 。 ? ?? )tt(GC 02p41 或(2) Calculations of Q1 or Q4 制作人 :王志祥等 Pharmaceutical Engineering 過(guò)程的熱效應(yīng)由物理變化熱和化學(xué)變化熱兩部分組成 ， 即 (56) 式中 Qp—— 物理變化熱 ， kJ； Qc—— 化學(xué)變化熱 ， kJ。 0Q c ?(3) Calculations of Q3 制作人 :王志祥等 Pharmaceutical Engineering 對(duì)于穩(wěn)態(tài)操作過(guò)程 ， ；對(duì)于非穩(wěn)態(tài)操作過(guò)程 ， 如開(kāi)車 、 停車以及各種間歇操作過(guò)程 ， Q5可按下式計(jì)算 (57) 式中 G— 設(shè)備各部件的質(zhì)量 ， kg； Cp— 設(shè)備各部件材料的平均定壓比熱 ， kJ?kg1?oC1； t1— 設(shè)備各部件的初始溫度 ， oC； t2— 設(shè)備各部件的最終溫度 ， oC。 (1) 空氣在保溫層外作自然對(duì)流 ,且 在平壁保溫層外 ， ?T可按下式估算 (59) 在圓筒壁保溫層外 ， ?T可按下式估算 (510) C150t 0W ? )tt(WT ???? )tt( WT ????(5) Calculations of Q6 制作人 :王志祥等 Pharmaceutical Engineering (2) 空氣沿粗糙壁面作強(qiáng)制對(duì)流 當(dāng)空氣流速不大于 5m?s1時(shí) ， ?T可按下式估算 (511) 式中 u—— 空氣流速 ， m?s1。 為了計(jì)算方便 ， 常結(jié)合物料衡算結(jié)果 ， 將進(jìn)出衡算范圍的各股物料的數(shù)量 、 組成和溫度等數(shù)據(jù)標(biāo)在熱量衡算示意圖中 。 (6) 編制熱量平衡表 。 由于相變過(guò)程中 ， 體系的溫度不發(fā)生改變 ， 故相變熱常稱為潛熱 。 1. Thermal of Phase transition 制作人 :王志祥等 Pharmaceutical Engineering 恒溫恒壓下 ， 溶液因濃度發(fā)生改變而產(chǎn)生的熱效應(yīng) ， 稱為濃度變化熱 。 (1) Integral heat of solution (2) Integral heat of Dilution 2. Thermal of Concentration change 制作人 :王志祥等 Pharmaceutical Engineering 恒溫恒壓下 ， 將 1摩爾溶質(zhì)溶解于 n摩爾溶劑中 ， 該過(guò)程所產(chǎn)生的熱效應(yīng)稱為積分溶解熱 ，簡(jiǎn)稱溶解熱 ， 用符號(hào) ?Hs表示 。 例如：硫酸的積分溶解熱可按 SO3溶于水的熱效應(yīng)用下式估算 (513) 式中 ?Hs— SO3溶于水形成硫酸的積分溶解熱 ，kJ?(kg H2O)1； m— 以 SO3計(jì) ， 硫酸的質(zhì)量分率； t— 操作溫度 ， 0C。 顯然 ， 兩種不同濃度下的積分溶解熱之差就是溶液由一種濃度稀釋至另一種濃度的積分稀釋熱 。 trc HQ ???trH? Thermal in Chemical Changes 制作人 :王志祥等 Pharmaceutical Engineering 以反應(yīng)物 A表示的反應(yīng)進(jìn)度為 (517) 式中 nA0— 反應(yīng)開(kāi)始時(shí)反應(yīng)物 A的摩爾數(shù) ,mol。 例如 ， 氫與氧的熱化學(xué)方程式為 kJ?mol1(放熱 ) 當(dāng)反應(yīng)進(jìn)度為 2mol時(shí) ， 過(guò)程的化學(xué)變化熱為 or ??? trc ??????H 2 ( g ) + O 2 ( g )12 H 2 O ( l ) Thermal in Chemical Changes 制作人 :王志祥等 Pharmaceutical Engineering 若將氫與氧的熱化學(xué)方程式改寫為 kJ?mol1(放熱 ) 而其它條件均不變 ， 則反應(yīng)進(jìn)度變?yōu)?1mol， 過(guò)程的化學(xué)變化熱為 可見(jiàn) ， 反應(yīng)進(jìn)度與反應(yīng)方程式的寫法有關(guān) ， 但過(guò)程的化學(xué)變化熱不變 。 0rH? Thermal in Chemical Changes 制作人 :王志祥等 Pharmaceutical Engineering 化學(xué)反應(yīng)熱可從文獻(xiàn) 、 科研或工廠實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中獲得 。 但應(yīng)注意 ， 一般手冊(cè)中標(biāo)準(zhǔn)生成熱的數(shù)據(jù)常用焓差 ， 即 表示 ， 并規(guī)定吸熱為正 ，放熱為負(fù) ， 這與式 (51)中的符號(hào)規(guī)定正好相反 。 同樣 ,在查手冊(cè)時(shí)應(yīng)在 前加一 “ ?” 號(hào) ,以使 的符號(hào)與式 (51)中的符號(hào)規(guī)定相一致 。(25 t?t)時(shí)發(fā)生相變 ，則可設(shè)計(jì)如下途徑完成該過(guò)程 3. Off standard conditions 制作人 :王志祥等 Pharmaceutical Engineering 式中 ?j— 反應(yīng)物 j在化學(xué)反應(yīng)方程式中的系數(shù)； rj— 反應(yīng)物 j在 t39。 試對(duì)甲苯磺化過(guò)程進(jìn)行熱量衡算 。 此時(shí) ， 輸入及輸出磺化裝置的物料還應(yīng)包括進(jìn) 、出回流冷凝器的冷卻水 (參見(jiàn)圖 311)， 其帶出和帶入熱量之差即為回流冷凝器移走的熱量 。 由式 (513)得 cp3 Q ??121s)OH kg(kJ mm1)15t(mm12111H?????????? Examples of Energy Balance 制作人 :王志祥等 Pharmaceutical Engineering 反應(yīng)結(jié)束后 ,磺化液含硫酸 ,水 。 試對(duì)乙醇脫氫制乙醛過(guò)程進(jìn)行熱量衡算 。 反應(yīng)原料帶入熱量Q 1反應(yīng)過(guò)程補(bǔ)充加熱量Q 2過(guò)程的熱效應(yīng)Q 3反應(yīng)產(chǎn)物帶出熱量Q 4設(shè)備升溫所需熱量Q 5設(shè)備表面向環(huán)境的散熱量Q 6乙醇催化脫氫制乙醛反應(yīng)器 圖 52 乙醇脫氫制乙醛過(guò)程熱量衡算示意圖 Examples of Energy Balance 制作人 :王志祥等 Pharmaceutical Engineering 則熱量平衡方程式可表示為 由于是連續(xù)過(guò)程 ， 則 Q5=0；依題意知 Q6=0。 Coolant and Heating source frequentlyused 制作人 :王志祥等 Pharmaceutical Engineering of Steam of Coolant Consumption of Coolant and Heating source 制作人 :王志祥等 Pharmaceutical Engineering (1) 間接蒸汽加熱時(shí)的蒸汽消耗量 若以 0 oC為基準(zhǔn)溫度 ， 間接蒸汽加熱時(shí)水蒸汽的消耗量可用下式計(jì)算 (522) 式中 W— 蒸汽消耗量 ,kg或 kg?h1。t— 冷凝水的溫度 ,0C。 ???)tCH(QWp2 1. Consumption of Steam 制作人 :王志祥等 Pharmaceutical Engineering (2) 直接蒸汽加熱時(shí)水蒸汽的消耗量 若以 0 oC為基準(zhǔn)溫度 ， 直接蒸汽加熱時(shí)水蒸汽的消耗量可用下式計(jì)算 (523) 式中 tk—— 被加熱液體的最終溫度， oC。 氯化鈉水溶液的定壓比熱與溫度和濃度有關(guān) ， 如表 55所示 。 表 56 幾種燃料的發(fā)熱量 p2G?? 燃料名稱 褐煤 煙煤 無(wú)煙煤 燃料油 天然氣發(fā)熱量/ k J ? kg 18400~1 4 6 0 01 4 6 0 0 ~3 3 5 0 01 4 6 0 0 ~2 9 3 0 04 0 6 0 0 ~4 3 1 0 03 3 5 0 0 ~3 7 7 0 0 Consumption of fuel 制作人 :王志祥等 Pharmaceutical Engineering 電能的消耗量可用下式計(jì)算 (526) 式中 E— 電能的消耗量 ,kWh(1kWh=3600kJ)； ?— 電熱裝置的熱效率 ,一般可取 ~。 5Tb PVV?? Consumption of Compressed air — Liquid material 制作人 :王志祥等 Pharmaceutical Engineering 若每天壓送物料的次數(shù)為 n， 則每天操作所需的壓縮空氣體積為