制藥工程第六章熱量衡算(編輯修改稿)
2025-01-19 07:05 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ? ???? i0fii0fior )H( )H( HofH?(612) ofH?由蓋斯定律得 由生成熱計(jì)算 : 31 由燃燒熱計(jì)算 :由蓋斯定律得 反應(yīng)物 產(chǎn)物 式中 — 反應(yīng)物或產(chǎn)質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱， kJ/mol。 物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱也可從有關(guān)手冊(cè)中查得。 化學(xué)反應(yīng)熱與反應(yīng)物和產(chǎn)物的溫度有關(guān)。 若反應(yīng)在 標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài) (25℃ 和 ?105Pa)下進(jìn)行， 則化學(xué)反應(yīng)熱又稱為 標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)反應(yīng)熱。 ? ???? ???? i0cii0cior )H( )H( HocH? (513) 32 任意溫度 t℃ 下化學(xué)反應(yīng)熱的計(jì)算 : 若反應(yīng)在 t℃ 下進(jìn)行 ， 且反應(yīng)物和產(chǎn)物在 (25t)℃ 之間均無(wú)相變化 ， 則可設(shè)計(jì)如下熱力學(xué)途徑 : 反應(yīng)物 t℃ 反應(yīng)物 25℃ 產(chǎn)物 25℃ 產(chǎn)物 t℃ 0rH? trH?(25t)??iCpi (t25)??iCpi 由蓋斯定律得 : 反應(yīng)物 產(chǎn)物 式中 :t— 反應(yīng)溫度， ℃ ； Cpi— 反應(yīng)物或產(chǎn)物在 (25～ t) ℃ 之間的 平均定壓比熱 ， kJ?mol1? ℃ 1。 + (25t)??iCpi +(t25)??iCpi 0rH? trH?= (614) 33 若某反應(yīng)物或產(chǎn)物在 (25～ t)℃ 之間存在相變，例如，若反應(yīng)物中的 j組分在溫度 t ?(25 t?t)時(shí)發(fā)生相變，則可設(shè)計(jì)如下熱力學(xué)途徑 : 反應(yīng)物首先從 25 ℃ 相變溫度 t? 相變溫度 t? 反應(yīng)溫度 t (25t ?)??iCpi ?jrj (t ?t)??iCpi trH? 0rH?= + (t25)??iCpi +(25t ?)??iCpi + ?jrj + (t ? t)??iCpi (615) cp3 Q ??過程的熱效應(yīng) 由物理變化熱 和 化學(xué)變化熱 兩部分組成 ,即 34 加熱或冷卻設(shè)備所消耗的熱量或冷量 Q5 對(duì)穩(wěn)態(tài)操作過程， ； 對(duì)非穩(wěn)態(tài)操作過程，如 開車 、 停車 以及各種 間歇操作過程 ， Q5可按下式計(jì)算 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?℃ 1； t1— 設(shè)備各部件的初始溫度 ,℃ ； t2— 設(shè)備各部件的最終溫度， ℃ 。 ∵ 與其他各項(xiàng)熱量相比， Q5的數(shù)值一般較小 ∴ Q5?？珊雎圆挥?jì)。 0Q 5 ? ? ?? )tt(GCQ12p5(616) 35 熱散失 — Q6 設(shè)備向環(huán)境散失的熱量 Q6可用下式計(jì)算 (617) 式中 : ?T— 對(duì)流 輻射聯(lián)合傳熱系數(shù) ,W?m2?℃ 1； AW— 與周圍介質(zhì)直接接觸的設(shè)備外表面積， m2； tW— 與周圍介質(zhì)直接接觸的設(shè)備外表面溫度， ℃ ； t— 周圍介質(zhì)的溫度， ℃ ； ?— 散熱過程持續(xù)的時(shí)間， s. 工程設(shè)計(jì)中 ,取 Q6 = Q1 3wwT6 10)tt(A ?????? ?36 熱量衡算的步驟 (1)明確衡算目的 ，如通過熱量衡算確定 某設(shè)備或裝置的 Q、加熱劑或冷卻劑的消耗量等數(shù)據(jù)。 (2)明確衡算對(duì)象，劃定衡算范圍 ， 并繪出熱量衡算示意圖。 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。 (3)收集與熱量衡算有關(guān)的熱力學(xué)數(shù)據(jù)， 如 定壓比熱、相變熱、反應(yīng)熱 等。 (4)選定衡算基準(zhǔn)。 (5)列出熱量平衡方程式，進(jìn)行熱量衡算。 (6)編制熱量平衡表。 37 熱量衡算舉例 (1)反應(yīng)過程 例 62 物料衡算數(shù)據(jù)如表 43所示 。 已知加入甲苯和濃硫酸的溫度 t進(jìn) 均為 30℃ ， 脫水 器的排水溫度為 65℃ ， 磺化液的出料溫度為 140℃ ，甲苯與硫酸的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)反應(yīng)熱為 ?mol1 (放熱 )， 設(shè)備 (包括磺化釜 、 回流冷凝器和脫水器 ,下同 )升溫所需的熱量為 105kJ， 設(shè)備表面 向周圍環(huán)境的散熱量為 104kJ， 回流冷凝器 中冷卻水移走的熱量共 105kJ。 試 對(duì)甲苯磺 化 過程進(jìn)行熱量衡算 。 38 熱力學(xué)數(shù)據(jù)為： 原 料 甲 苯 的 定 壓 比 熱 為 ?kg1?℃ 1 ； 98%硫酸的定壓比熱為 ?kg1?℃ 1 ； 磺化液的平均定壓比熱為 kJ?kg1?℃ 1 ； 水的定壓比熱為 ?kg1?℃ 1 。 39 解： 熱量衡算的目的 :確定磺化過程中的補(bǔ)充加熱量 。 衡算對(duì)象 :甲苯磺化裝置 (包括磺化釜 、 回流冷凝器和脫水器等 ) 。 若將 過程的熱效應(yīng) 作為輸入熱量來(lái)考慮 ， 則可繪出如圖 51所示的熱量衡算示意圖 。 反應(yīng)原料帶入熱量Q 1磺化過程補(bǔ)充加熱量Q 2過程的熱效應(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回流冷凝器移走熱量Q 7甲苯磺化裝置圖 61 甲苯磺化裝置熱量衡算示意 40 P61 輸 入 物料名稱 質(zhì)量 /kg 質(zhì)量組成 /% 純品量 /kg 原料甲苯 1000 甲苯 999 水 1 濃硫酸 1100 硫酸 1078 水 22 總計(jì) 2100 2100 輸 出 磺化液 對(duì)甲苯磺酸 鄰甲苯磺酸 間甲苯磺酸 甲苯 硫酸 水 脫水器排水 水 100 總計(jì) 2100 2100 表 43 甲苯磺化過程的物料平衡表 41 則熱量平衡方程式可表示為 7654321 Q ?????? )2530( 0)2530( 0Q41??????????cp3 Q ??取熱量衡算的 基準(zhǔn)溫度 為 25℃ ，則 121s)OH kg(kJ mm1)15t(mm12111H??????????反應(yīng)中共加入 98%濃硫酸的質(zhì)量為 1100kg，其中含水 22kg。若以 SO3計(jì)， 98%硫酸的質(zhì)量分率為 80%。由式 (67)得 42 反應(yīng)結(jié)束后 ,磺化液含硫酸 ,水 。以 SO3計(jì) ,硫酸的質(zhì)量分率為 %。則 122s)O Hkg(kJ .61833 )1525(2111H??????????? 4p ?????? 9210979Q63c????? 所以 Q664cp3????????反應(yīng)消耗的甲苯量為 979kg，則 43 Q4= (14025)+ (6525) = 105 kJ Q5= 105kJ Q6= 104kJ Q7= 105kJ ∴ Q2=Q4 + Q5 + Q6+ Q7 Q1 Q3 = 105kJ 熱量衡算結(jié)果見表 62. 44 表 62 甲苯磺化過程熱量平衡表 項(xiàng)目名稱 熱量 / kJ 項(xiàng)目名稱 熱量 / kJ甲 苯： 1000 kg 磺 化 液： 1906 . 9 k g濃硫酸： 1 1 0 0 kg1 . 6 6 ? 104脫水器排水： 1 9 3 . 1 k g3 . 81 ? 105過程熱效應(yīng) 1 . 3 2 ? 106設(shè)備升溫 1 . 3 ? 105補(bǔ)充加熱 2 . 1 6 ? 105設(shè)備表面散熱 6 . 2 ? 104冷卻水帶走熱量 9. 8 ? 105輸入合 計(jì) 1 . 5 5 ? 106輸出合 計(jì) 1 . 5 5 ? 10645 熱
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