单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,,,‹#›,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,,,‹#›,,,,第四章 能量衡算,Contents,,,,,,,,,,,,,概 述,,能量,衡算,常用热力学数据的计算,加热剂、冷却剂及其它能量消耗,4,1,2,3,第一节,概,述,,单元反应和单元操作都必须满足一定的工艺要求，如严格地控制温度、压力等条件因此，如何利用能量的传递和转化规律，以保证适宜的工艺条件，是工业生产中重要的问题,进行能量衡算，可以确定为达到一定的物理或化学变化需向设备传入或从设备传出的物料的热状态（温度、压力、组成和相态）之间的关系，对于复杂过程，热量衡算往往需与物料衡算联立求解,能量存在形式：势能、动能、电能、热能、机械能、化学能等，各种形式相互转化,第一节 概述,（,1,）在过程设计中，进行能量衡算，可以决定过程所需要的能量，从而计算出生产过程能耗指标，以便对工艺设计的多种方案进行比较，以选定先进的生产工艺,（,2,）能量衡算的数据是设备选择与计算的依据,（,3,）能量衡算是组织、管理、生产、经济核算和最优化的基础,,,目的和意义,1,第一节 概述,能量衡算,的理论基础是热力学第一定律，即,能量守恒定律,,能量衡算的依据是物料衡算结果以及为能量衡算而收集的有关物料的热力学数据，如定压比热、相变热、反应热,等,,,能量衡算的依据和必要条件,2,第一节 概述,进行热量衡算，首先必须根据需要划定一个衡算的空间范围，称为,控制体,控制,体可以是整个生产过程、生产过程的某一部分、单元操作、反应过程、设备的某一部分或设备的微分单元,,,能量衡算的基本方程,3,物料带入控制体的热量,+,控制体内产生的热量,-,物料带出控制体的热量,=,控制体内热量的累积,+,由控制体边界传出的热量,第二节 热量衡算,当内能、动能、势能的变化量可以忽略且无轴功时，输入系统的热量与离开系统的热量应平衡，由此可得出传热设备的,热量平衡方程式,为,,,式中,Q1—,物料带入设备的热量，,kJ,；,,Q2,—,加热剂或冷却剂传给设备及所处理物料的热量，,kJ,；,,,Q3,—,过程的热效应，,kJ,；,,,Q4,—,物料带出设备的热量，,kJ,；,,Q5,—,加热或冷却,设备,所消耗的热量或冷量，,kJ,；,,Q6,—,设备向环境散失的热量，,kJ,。
设备的热量平衡方程式,一,第二节 热量衡算,求解,Q,2,由,式,(1),可求出,Q,2,，即设备的热负荷若,Q,2,为正值，表明需要向设备及所处理的物料提供热量，即需要加热；反之，则表明需要从设备及所处理的物料移走热量，即需要冷却此外，对于间歇操作，由于不同时间段内的操作情况可能不同，因此，应按不同的时间段分别计算,Q,2,的值，并取其最大值作为设备热负荷的设计依据为,求出,Q,2,，必须求出式,(1,),中其它各项热量的值第二节 热量衡算,,,,式中：,m—,输入（或输出）设备的各种物料的质量，,kg,c,p,—,物料的比定压热容，,kJ/,(,kg.,℃),t,0,—,基准温度，℃,t,2,—,物料的实际温度,，,℃,,物料带入热量,Q,1,与,带走,Q,4,,,,,,,Q,1,(Q,4,)=,,第二节 热量衡算,当,c,p,-t,是直线关系时，上式简化为：,,=,,Q,1,(Q,4,)=,,当,c,p,为,t,0,~t,2,之间的平均比定压热容，可以是,t,0,和,t,2,下的比定压热容之和的一半，也可以是平均温度下的比压热容,第二节 热量衡算,例,4-1,：,萘的比热容：,p263,,=,,M—,化合物相对分子量,n,i,—,分子中,i,元素原子数,c,i,—,i,元素的原子数,,=,,J/(kg,,,,,=2.041,,J/(kg,,第二节 热量衡算,如是稳态操作过程，,,Q,5,=0,；,对于非稳态过程，如开车、停车以及各种间歇操作过程，,Q,5,可按下式：,,,式中：,m—,设备各部分的,质量，,kg,c,p,—,设备各部分材料的,比定压热容，,kJ/(kg.,℃),,t,1,—,设备各部分的初始温度,，℃,t,2,—,设备各部分的最终平均温度,，℃,,设备的热量耗损,Q,5,的计算,,,,,,,第二节 热量衡算,设传热器壁两侧流体的传热系数分别为,α,h,高温侧和,α,l,低温侧，传热终了时两侧流体的温度分别为,t,h,和,t,1,，则：,当,α,h,≈,,α,1,时，,,t,2,=(,t,h,+,,t,1,)/2,当,α,h,>>,α,1,时,，,t,2,=,t,h,当,α,h,<<,α,1,时,，,t,2,=,t,1,,第二节 热量衡算,,式中：,,Q,6,—,设备向环境散失的热量，,J,,,A,—,设备散热表面积，,m,2,,a,T,—,设备散热表面与周围介质之间的联合传热系数，,,W/(m,2,.,℃),,,t,w,—,散热表面的温度，,℃,,t,0,—,周围介质的温度,，,℃,,,τ,—,散热持续的,时间，,s,环境散失热,Q,6,的计算,,,,,,,Q,6,=,,第二节 热量衡算,设备散热表面与周围介质之间的联合传热系数可用经验公式,当隔热层外空气作自然对流，且,t,w,为,50~350,℃,时,,当空气作强对流，空气速度不大于,5m/s,,当空气作强对流，空气速度大于,5m/s,,,第二节 热量衡算,过程热效应,包括化学热效应和状态热效应,,,,式中,,：,Q,p,—,物理变化,热，,kJ,；,,Q,c,—,化学变化,热，,kJ,,,过程热效应,Q,3,的计算,,,,,,,第二节 热量衡算,进行化学反应所放出或吸收的热量称为,化学反应热,（,1,） 用标准反应热计算,通常规定当反应温度为,298K,及标准大气压时反应热的数值为,标准反应热,，用,,表示，查阅手册,规定：负值表示放热，正值表示吸热，这与热量衡算平衡方程中规定的符号相反,用,,表示标准反应热，且规定正值表示放热,,化学反应热的计算,,=-,,,第二节 热量衡算,（,2,）用标准生成热求,,,,—,反应方程式中各物质的化学计量系数，反应物为负、生成物为正,,—,各物质的标准生成热，,kJ/mol,（,3,）用标准燃烧热求,,,,—,反应方程式中各物质的化学计量系数，反应物为负、生成物为正,,—,各物质的,标准,燃烧,热,，,kJ/mol,第二节 热量衡算,（,4,）标准生成热与标准燃烧热的换算,,,—,元素的标准燃烧热，,kJ/mol,，,n—,化合物中同种元素的原子数,,，,,—,分别为同一化合物的标准生成热和燃烧热,第二节 热量衡算,例,4-2,：,固态萘标准标准燃烧热,,,,已知：标准生成热,,,,,,,,,,第二节 热量衡算,（,5,）不同温度下反应热,,① 反应温度恒定,t,下进行，而且反应物和生成物在,25℃~t,范围内无相变：,,,—,反应方程式中化学计量系数，反应物为负、生成物为正,t—,反应温度，,℃,,—,反应物或生成物在,25,℃,~t,温度范围内的平均比热容，,kJ/(mol.,,℃,),第二节 热量衡算,（,1,）相变热,在恒定的温度和压力下，单位质量或物质的量的物质发生相变时的焓变称为相变热，如汽化热、升华热、冷凝热等,查阅相关手册、参考文献,物理变化热,第二节 热量衡算,（,2,）溶解与混合热,当固体、气体溶于液体，或者两者液体混合时，由于分子间的相互作用与它们在纯态时不同，伴随这些过程就会有热量的放出或吸收，这两种过程的过程热分别称为,溶解热,或,混合热,某些物质的溶解、混合热可直接从相关手册或资料中查到，也可根据积分溶解热或稀释热求出,物理变化热,第二节 热量衡算,在进行热量衡算时，首先要对过程中的单元设备进行热量衡算，通过热量衡算，算出设备的有效热负量，有热负量确定加热剂或冷却剂的用量、设备的传热面积等,,,单元设备热量衡算的步骤,二,明确衡算对象,,,,,,,,,,列热量平衡表,计算各种形式热量的值,明确衡算对象，划定衡算范围，绘制设备的热平衡图,,,,,,,收集相关数据,,,,,,,选择计算基准,,,,,,,,,,,,,,,,,,,第二节 热量衡算,求出加热剂或冷却剂等载能介质的用量,,,,,,,求出动力消耗定额等,,,,,,,第二节 热量衡算,（,1,）确定热量衡算系统所涉及的所有热量和可能转化成热量的其他能量，不得遗漏。
但未简化计算可对衡算影响很小的项目忽略不计,（,2,）确定计算的基准有相变时，还必须确定相态的基准，不要忽略相变热,（,3,）,Q,2,等于正值表示需要加热，,Q,2,等于负值表示需要冷却；对于间歇操作，各段时间操作情况不一样，则应分段进行热量平衡计算,（,4,）在计算时，特别是当利用物化手册中查的数据计算时，要注意使数值的正负号与规定的一致,（,5,）在有相关条件约束，物料量和能量参数有直接关系时，需将物料平衡和热量平衡计算联合进行，才能求解,,热量衡算应注意的问题,第三节 热力学数据计算,新化合物；,手册中的物化数据，其测定条件与生产或工程条件不符；,工程实践中常遇到的为多组分的混合物,解决方法：,物化数据相互关联法：由较易的物化常数或较易查的物化性质（沸点、熔点、临界常数等）推算其他物化数据,用组成化合物的原子物化数据或官能团结构因数加和推测化合物的物化数据,用已经测过的物化数据制成线图，通过内插与外推法，得出化合物的未知物化数据,,第三节 热力学数据计算,比热容,汽化热,溶解热,熔融,热,燃烧热,第四节 加热剂、冷却剂,加热过程的能量选择主要为热源的选择，冷却或移走热量过程的能源选择为冷源的原则,热源：蒸汽、热水、导热油、电、熔盐、烟道气等,冷,源：冷却水、冰、冷冻盐水、液氨等,,,常用加热剂和冷却剂,1,第四节 加热剂、冷却剂,在较低压力下可到达较高温度,化学稳定性高,没有腐蚀作用,热容量大,冷凝热大,无火灾或爆炸危险性,无毒性,温度易于调节,价格低廉,加热剂,、,冷却剂的选用原则,,,,,,,第四节 加热剂、冷却剂,常用的加热剂和冷却剂的性能特点和物性参数,,,,,,,第四节 加热剂、冷却剂,常用的加热剂和冷却剂的性能特点和物性参数,,,,,,,第四节 加热剂、冷却剂,常用的加热剂和冷却剂的性能特点和物性参数,,,,,,,第四节 加热剂、冷却剂,主要供热是蒸汽的相变热，为简化可只考虑蒸汽放出的冷凝热,,D,为加热蒸汽消耗量，,kg,,为由加热蒸汽传给所处理物料及设备的热量，,kJ,H,为水蒸气的热焓，,kJ/kg,,被加热液体的最终温度，,K,,为热利用率，保温设备为,0.97~0.98,，不保温设备为,0.93~0.95,直接蒸汽加热时的蒸汽量,,,,,,,,,加热剂和冷却剂的用量计算,2,第四节 加热剂、冷却剂,,,D,为加热蒸汽消耗量，,kg,,为由加热蒸汽传给所处理物料及设备的热量，,kJ,H,为水蒸气的热焓，,kJ/kg,T,为冷凝水的最终温度，,K,间接蒸汽加热时的蒸汽量,,,,,,,第四节 加热剂、冷却剂,,,D,为加热蒸汽消耗量，,kg,,为发酵罐全容积，,m3,为发酵罐灭菌时罐压下蒸汽的密度，,kg/m3,发酵罐空罐灭菌时蒸汽消耗量估算,,,,,,,较难估算，一般来讲，保温时间内的蒸汽消耗量可按发酵罐实罐灭菌直接蒸汽加热升温时蒸汽消耗量的,30~50%,进行估算,发酵罐实罐灭菌保温时的蒸汽消耗量估算,,,,,,,第四节 加热剂、冷却剂,不发生相变时，冷却剂,,W,为冷却剂的用量，,kg,,为由冷却剂从所处理物料及设备中移走的热量，,kJ,C,为冷凝胶的平均比热容，,kJ/,(,kg,.,K),,为冷却剂的最终温度，,K,,为冷却剂的,最,初,温度,，,K,冷却剂的用量,,,,,,,第四节 加热剂、冷却剂,发生相变时，冷却剂,,W,为冷却剂的用量，,kg,,为由冷却剂从所处理物料及设备中移走的热量，,kJ,C,为冷凝胶在,T1,和,T2,之间的平均定压比热容，,kJ/,(,kg,.,K),,为冷却剂蒸汽的出口温度，,K,,为液体冷却剂的,入口,温度,，,K,,为冷却剂在,T2,下的汽化热，,kJ/kg,冷却剂的用量,,,,,,,第四节 加热剂、冷却剂,,,E,为电能消耗量，,kW.h,,为热负量，,kJ,,为电热装置的热效率，一般为,0.85~0.95,电能,的用量,,,,,,,第四节 加热剂、冷却剂,,,B,为,燃料,消耗量，,kg,,为燃烧炉灶的热效率，一般为,0.3~0.5,,为热负量，,kJ,,为燃料的发热值，褐煤,8400~14600kJ/kg,，烟煤,14600~33500kJ/kg,，无烟煤,14600~29300kJ/kg,，燃料油,40600~43100kJ/kg,，天然气,33500~37700kJ/kg,燃料,的用量,,,,,,,,Thank You!,。