【正文】 能量衡算 167。 熱量衡算中的幾個(gè)問題 A. 有效平均溫差 （ 4）反應(yīng)爐間歇加熱過程： 如圖所示（無相變情況），反應(yīng)爐中熱流體的溫度由 t1升到 t2，加熱劑進(jìn)口溫度不變?yōu)?T1，而出口溫度從 T2′升溫至 T2，這時(shí)可用一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式求得較為合理的有效平均溫度： M T1 T2′— T2 t1— t2 AlnA1A)tT()tT(ln)tt(t211112,m???????有效加熱劑的平均最終溫度： t2cp＝ T1－ △ tm,有效 lnA 22211211tTtTtTtTA ?????? 98/106 167。 能量衡算 167。 能量衡算 167。 熱量衡算中的幾個(gè)問題 A. 有效平均溫差 （ 3）其他流向時(shí)，如圖所示二管程換熱器，有效平均溫差為： )tT()tT(ln)tT()tT(tt22112211m,m?????????? ??有效T1 t2 t1 T2 96/106 167。 能量衡算 167。 （ 1）列管式換熱器兩換熱介質(zhì)純逆流流向時(shí)，有效平均溫差等于對(duì)數(shù)平均溫差。 能量衡算 167。 加熱劑與冷卻劑 D. 熱量衡算結(jié)果整理 序號(hào) 動(dòng)力 名稱 單位 規(guī)格 成品消耗（單耗 /t） 每小時(shí)消耗量 每年消耗量 使用情況 1 蒸汽 t 采暖（ 1500d/a） 2 蒸汽 t ≥ 6840 連續(xù) 3 電 kWh 380V 690 940 106 連續(xù) 4 電 kWh 6000V 580 420 106 連續(xù) 5 循環(huán)水 m3 5℃ 溫差 677 104 連續(xù) 6 軟水 m3 工業(yè)級(jí) 5 15600 連續(xù) 7 空氣 m3 1536(m3/d) 105 連續(xù) （三聚氰氨生產(chǎn)裝置） 94/106 167。 能量衡算 167。 加熱劑與冷卻劑 D. 熱量衡算結(jié)果整理 通過熱量衡算，以及加熱劑、冷卻劑等用量計(jì)算，再結(jié)合設(shè)備計(jì)算與操作時(shí)間安排等工作，即可求出生產(chǎn)某產(chǎn)品的整個(gè)裝置的動(dòng)力消耗及每噸產(chǎn)品的動(dòng)力消耗定額，由此可得動(dòng)力消耗的每小時(shí)最大用量，每晝夜用量和年消耗量，并列表匯總計(jì)算結(jié)果。 能量衡算 167。 能量衡算 167?！?） tK— 放出的冷卻劑的平均溫度 tH— 冷卻劑的最初溫度 91/106 167。 能量衡算 167。 加熱劑與冷卻劑 C. 加熱劑和冷卻劑的用量計(jì)算 （ 3）燃料消耗量 M＝ Q2 / hTQP M— 燃料消耗量（ kg） Q2— 由加熱劑傳給設(shè)備或物料加熱所需的熱量（ kJ） hT— 爐子的熱效率 QP— 燃料的熱值（ kJ/kg） 90/106 167。 能量衡算 167。 加熱劑與冷卻劑 C. 加熱劑和冷卻劑的用量計(jì)算 （ 2）間接蒸汽加熱時(shí)的蒸汽用量 G＝ Q2 /（ ?H－ CPtn） G— 蒸汽消耗量（ kg） Q2— 由加熱劑傳給設(shè)備或物料的熱量（ kJ） ?H— 蒸汽熱焓量（ kJ/kg） tn— 冷卻水的最終溫度 CP— 被加熱液體的比熱容（ kJ/kg 能量衡算 167。 加熱劑與冷卻劑 C. 加熱劑和冷卻劑的用量計(jì)算 （ 1）直接蒸汽加熱時(shí)的蒸汽用量 G＝ Q2 /（ ?H－ CPtK） G— 蒸汽消耗量（ kg） Q2— 由加熱劑傳給設(shè)備或物料加熱所需的熱量（ kJ） ?H— 蒸汽熱焓量（ kJ/kg） tK— 被加熱液體的最終溫度 CP— 被加熱液體的比熱容（ kJ/kg 能量衡算 167。 12 冷凍鹽水 1530 使用方便，冷卻效果好，需冷卻系統(tǒng)，投資大，一般用于冷卻水無法達(dá)到的低溫冷卻。 ℃ ) 優(yōu)缺點(diǎn)及使用場(chǎng)合 1 熱水 40100 501400 對(duì)熱敏性物料用熱水比較保險(xiǎn)，傳熱情況不如蒸汽，易冷卻，溫度不易調(diào)節(jié) 2 飽和蒸汽 100180 3003200 冷凝潛熱大，熱利用率高，溫度易于調(diào)節(jié)， 3 過熱蒸汽 180300 用于較高溫度場(chǎng)合，但傳熱效率較低，不易調(diào)節(jié) 4 導(dǎo)熱油 180250 58175 溫度較高，使用方便，加熱均勻 5 道生液 180250 110450 C6H5C6H5 %與 C6H5OC6H5 %的混合物，加熱均勻，溫度范圍廣，易于調(diào)節(jié)，蒸汽冷凝潛熱，熱效率較高，需道生爐和循環(huán)裝置 6 道生蒸汽 250350 340680 7 煙道氣 5001000 1250 可以獲得較高溫度，特別適用于直接加熱空氣 8 電加熱 500 設(shè)備簡(jiǎn)單、干凈、加熱快，溫度高，易于調(diào)節(jié)，但成本高，適用于用量不大，要求高的場(chǎng)合。 加熱劑與冷卻劑 由于化工生產(chǎn)中的主要能量計(jì)算是熱量計(jì)算 ， 所以加熱過程的能源選擇主要是熱源的選擇 ， 冷卻或移走熱量過程主要為冷源的選擇 。 能量衡算 167。 以組成反應(yīng)物及產(chǎn)物的元素，在 25℃ ， 1atm 時(shí)的焓為零，非反應(yīng)分子以任意適當(dāng)?shù)臏囟葹榛鶞?zhǔn)，也要畫一張?zhí)钣兴辛鞴山M分 ni 和 Hi 的表，只是在這張表中反應(yīng)物或產(chǎn)物的 Hi，是各物質(zhì) 25℃ 的生成熱與物質(zhì)由 25℃ 變到它進(jìn)口狀態(tài)或出口狀態(tài)所需顯熱和潛熱之和。 能量衡算的基本原理 化學(xué)反應(yīng)過程的能量衡算 （ 2）第二種基準(zhǔn) 如果一個(gè)過程的反應(yīng)很復(fù)雜，難以寫出平行反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)式，或難以確定一種原料參加不同反應(yīng)的量的比例，標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)熱也無法知道。 能量衡算 167。對(duì)非反應(yīng)物質(zhì)另選適當(dāng)?shù)臏囟葹榛鶞?zhǔn)（如反應(yīng)器的進(jìn)口溫度，或平均熱容表示的參考溫度）。 能量衡算 167。 （ 1）由標(biāo)準(zhǔn)生成熱 ?Hfo計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)熱 ?Hro ?Hro＝ Σ生成熱 μi(?Hfo)i－ Σ反應(yīng)熱 μi(?Hfo)i （ 2）由標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱 ?Hco計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)熱 ?Hro ?Hro＝ Σ反應(yīng)物 μi(?Hco)i－ Σ產(chǎn)物 μi(?Hco)i 83/106 167。 能量衡算的基本原理 F. 化學(xué)反應(yīng)過程的能量衡算 反應(yīng)熱的計(jì)算 反應(yīng)熱可以用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定，也可以用已有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。 能量衡算 167。 能量衡算的基本原理 F. 化學(xué)反應(yīng)過程的能量衡算 這里主要討論反應(yīng)熱的計(jì)算方法 ， 反應(yīng)熱可用生成熱或燃燒熱來計(jì)算 ，所以先要討論燃燒熱和生成熱 ， 及其用于反應(yīng)熱的計(jì)算 ， 然后將反應(yīng)熱結(jié)合到能量衡算中去 。 能量衡算 167。 為了使反應(yīng)溫度得到控制 ， 必須自反應(yīng)體系排走熱量或向反應(yīng)體系供給熱量 ， 即反應(yīng)器必須有供熱或冷卻用的換熱設(shè)備 ， 這種措施不但成為反應(yīng)能否進(jìn)行的關(guān)鍵 ， 也與能量的合理利用有密切關(guān)系 。 能量衡算的基本原理 F. 化學(xué)反應(yīng)過程的能量衡算 化學(xué)反應(yīng)過程通常都伴隨較大的熱效應(yīng) —— 吸收熱量或放出熱量 。 能量衡算 167。 能量衡算 167。 《 化學(xué)工程手冊(cè) 》 第一分冊(cè) 《 Properties of Gases and Liquids》 (Ried, Prausnitz,Sherwood) 《 Chemical Engineers Handbook》 6th ed. 1984 (Perry, Chiton) 79/106 167。 許多純物質(zhì)在正常沸點(diǎn) （ 或熔點(diǎn) ） 下的相變熱數(shù)據(jù) ， 可在手冊(cè)中查到 。 能量衡算167。 能量衡算 167。 ③ 升華潛熱 (?Ht） 當(dāng) T和 P不變 ， 單位數(shù)量的固體氣化所需的熱量 。 ① 汽化潛熱 (?Hv） 當(dāng) T和 P不變 ， 單位數(shù)量的液休汽化所需的熱量 。 能量衡算的基本原理 E. 無化學(xué)反應(yīng)過程的能量衡算 相變過程的能量衡算 在恒定的溫度和壓力下 ， 單位質(zhì)量或摩爾的物質(zhì)發(fā)生相的變化時(shí)的焓變稱為相變熱 。 能量衡算 167。 能量衡算 167。 76/106 167。 由于焓是狀態(tài)函數(shù) ， 所以每一階段的 ?H之和即為全過程的 ?H。 能量衡算的基本原理 E. 無化學(xué)反應(yīng)過程的能量衡算 無化學(xué)反應(yīng)過程的能量衡算 ， 一般應(yīng)用于計(jì)算指定條件下進(jìn)出過程物料的焓差 ， 用來確定過程的熱量 。 能量衡算 167。 或在這些設(shè)備之間流動(dòng) 。 但在另一類操作中 ， 情況剛好相反 ， 即傳熱量 、 內(nèi)能的變化與動(dòng)能變化 、 位能變化 、 功相比 ， 卻是次要的了 。 能量衡算的基本原理 D. 機(jī)械能衡算 在反應(yīng)器 、 蒸餾塔 、 蒸發(fā)器 、 換熱器等化工設(shè)備中 ， 功 、 動(dòng)能 、位能的變化 ， 較之傳熱量 、 內(nèi)能和燴的變化 ， 是可以忽略的 。 能量衡算 167。 3. 選擇基準(zhǔn) 4. 列出熱量衡算式，利用數(shù)學(xué)方法求解未知值。 能量衡算的基本原理 C. 熱量衡算的基本方法及步驟 熱量衡算的基本步驟： 1. 建立以單位時(shí)間為基準(zhǔn)的物料流程圖（或平衡表），也可以 100mol或 100kmol原料為基準(zhǔn)，但前者更常用。 能量衡算 167。 能量衡算的基本原理 B. 熱量計(jì)算中各種熱量的說明 （ 6）設(shè)備向四周散失的熱量 Q6可由下式算得： Q6 ＝ ∑FaT(twt)t 103 F— 設(shè)備散熱表面積（ m3） aT— 散熱表面向四周介質(zhì)的聯(lián)合給熱系數(shù)（ W/ 能量衡算 167。 能量衡算的基本原理 B. 熱量計(jì)算中各種熱量的說明 （ 5）設(shè)備加熱所需熱量 Q5在穩(wěn)定操作過程中不出現(xiàn)；但在開停工以及間歇操作的升溫降溫階段也有設(shè)備的升溫降溫?zé)岙a(chǎn)生： Q5 ＝ ∑GCp(t2t1) G— 設(shè)備各部件的重量（ kg） Cp— 設(shè)備各部件比熱容（ kJ/kg 能量衡算 167。 （ 4） Q3為化工過程的熱效應(yīng)，包括過程的狀態(tài)熱（相變化產(chǎn)生的 熱）和化學(xué)反應(yīng)熱。 能量衡算 167。 ℃ )， Cp＝ a＋ bT ＋ cT2 ＋ dT3 ＋ eT4 T— 溫度（ ℃ ）， T2為物料溫度； T1為基準(zhǔn)溫度 ???? 21TT ppdTCnHQ 70/106 167。 能量衡算 167。輸入（加熱）為正；輸出（冷卻）為負(fù) Q3 — 過程的熱效應(yīng)；放熱為負(fù)；吸熱為正 Q4 — 反應(yīng)產(chǎn)物由設(shè)備中帶出的熱量 Q5 — 消耗在加熱設(shè)備各個(gè)部件上的熱量 Q6 — 設(shè)備向四周散失的熱量 69/106 167。 能量衡算 167。 能量衡算的基本原理 A、能量衡算的基本方程式 根據(jù)能量守恒原理，能量衡算的基本方法可表示為： 輸入的能量 — 輸出的能量 ＝ 積累的能量 根據(jù)熱力學(xué)第一定律，能量衡算方程式的一般形式為： △ E ＝ Q＋ W △ E— 體系總能量變化 Q— 體系從環(huán)境中吸收的能量 W— 環(huán)境對(duì)體系所作的功 68/106 167。 能量衡算 167。 能量衡算 167。 能量衡算 167。 功和熱量的單位在 SI制中為焦耳 ， 除此以外 ， 公制中的卡或千卡 、 英制中的英熱單位 (Btu)還常有使用 ， 應(yīng)注意它們之間的換算關(guān)系 。 以環(huán)境向體系作功為正 、 反之為負(fù) 。 能量衡算的基本概念 二 、 幾個(gè)與能量衡算有關(guān)的重要物理量 功 （ W） 功是力與位移的乘積 。 能量衡算 167。 第一，熱量是一種能量的形式，是傳遞過程中的能量形式； 第二，一定要有溫度差或溫度梯度，才會(huì)有熱量的傳遞。 能量衡算 167。 63/106 167。 靜壓能（ Ez） : 流體由于一定的靜壓強(qiáng)