第五章热量衡算课件

第五章 热量衡算5.1热量衡算的意义5.2热量衡算的基本方法5.3热量衡算中的基本数据5.4一些物质的热力学性质图5.5常用热力学数据的估算5.6热量衡算举例5.7动力消耗综合表5.8系统能量的合理利用15.1热量衡算的意义能量衡算的基础是物料衡算。化工设计中的能量衡算主要是热量衡算热量衡算。在化工设计工作中，通过热量衡算可以得到下面各种情况下的设计参数。(1)换热设备的热负荷；换热设备的热负荷；(2)反应器的换热量；反应器的换热量；(3)吸收塔冷却装置的热负荷；吸收塔冷却装置的热负荷；(4)冷激式多段绝热固定床反应器的冷激剂用量冷激式多段绝热固定床反应器的冷激剂用量；(5)加热蒸汽、冷却水、冷冻盐水的用量；加热蒸汽、冷却水、冷冻盐水的用量；(6)有机高温热载体（如联苯、导热姆等）和熔盐的循环量：有机高温热载体（如联苯、导热姆等）和熔盐的循环量：(7）冷冻系统的制冷量和冷冻剂循环量：）冷冻系统的制冷量和冷冻剂循环量：(8)换热器冷、热支路的物流比例换热器冷、热支路的物流比例：(9)设备进、出口的各股物料中某股物料的温度：设备进、出口的各股物料中某股物料的温度：25.2热量衡算的基本方法一、热量衡算的基本关系式一、热量衡算的基本关系式 热量衡算是能量守恒定律能量守恒定律的应用。连续流动系统的总能量衡算式总能量衡算式:QW=HgZu2/2W单位质量流体所接受的外功或所作的外功，接受外功时W为正，向外界作功W为负；H单位质量流体的焓变；g Z单位质量流体的位能变化；u2/2单位质量流体的动能变化；Q单位质量流体所吸收的热或放出的热，吸收热量时为正，放出热量则为负。31.Q=H （1）2.Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6+Q7 （2）式中Q1物料带入热；Q2过程放出的热，包括反应放热、冷凝放热、溶解放热、混合放热、凝固放热等；Q3从加热介质获得的热；Q4物料带出热；Q5冷却介质带出的热；Q6过程吸收的热，包括反应吸热、气化吸热、溶解吸热、解吸吸热、熔融吸热等；Q7热损失。4二、热量的计算方法1.等等压压条件下，在没没有有化化学学反反应应和和聚聚集集状状态态变变化化时，物质温度从T1变化到T2时，过程放出或吸收的热：Q也可以用T1T2温度范围的平平均均摩摩尔尔热热容容计算出来，计算式为式中 温度T1T2 的平均定压摩尔热容，kJ/(kmolK);温度T1T2的平均定压比热容，kJ/(kgK).5(2)通过计算过程的焓变求过程放出或吸收的热根据Q=H,如果能求出过程的焓变，则Q可求得。计算过程的焓变可用状状态态函函数数法。因为焓是状态函数，过程焓变只与始态和终态有关，与过程无关，所以在计算时，应假设那些能够方便地计算出熔变的途径来获得焓变的值。6三、热量衡算的基准计算基准包括两方面，一指指数数量量上上的基准，一指相态的相态的基准（亦称为基准态基准态）。数量上的基准，指用哪个量出发来计算热量，与物料衡算相似。相相态态的的基准：在热量衡算中之所以要确定基准态，是因为在热衡算中广泛使用焓这个热力学函数，焓没有绝对值，只有相对于某一基准态基准态的相对值。基准态可以任意规定，不同物料可使用不同的基准，但对同一种物料，其进口和出口的基准态必须相同。75.3热量衡算中使用的基本数据一.热容1.热容与温度的关系(1)在图上描绘CPT关系曲线(2)CPT表(3)CPT 关系函数式温度对液液体体的Cp的影响不大，而且大部分液体热容在1.6742.092J/(gK)之间。液体常用的CPT 关系有如下的函数形式：Cpa+bT（1）Cp=a+bTCT2+dT3（2）气体热容与温度的函数关系式除上式外，还有其它。在使用这些特性常数时要注注意意温温度度范范围围，此温度范围是实验测定时的温度范围。气气体体的CpT函数关系一般是指低低压压下的CpT关系，常用Cp来表示，也称为理想气体热容。82.平均热容在工程计算中，常使用物质的平均定压摩尔热容计算出Q的值而不必进行积分计算，但准确度比积分差。假如物质在T1到T2范围内的Cp-T关系为一直直线线，此温度范围内的平均定压摩尔热容等于(T1+T2)2温度下物质的热容，也等于T1和T2温度下物质热容的算术平均值算术平均值.一般说来，物质的Cp-T关系不是一条直线，但它的曲率并不大，只要计算时温温度度范范围围不不大大，常可把曲线关系当作直线关系来近似处理，所以上述求平均热容的办法是可行的。即：已知0-t的平均热容数据，求任意温度范围内的平均热容数据。根据焓变不随途径而变的特性计算出各种温度范围的平均热容以满足热量计算的需要。例1：P17693.热容与压力的关系压力对固体热容的影响一般可不予考虑；对液体来说，也仅在临界点附近才较明显，一般条件下也是可以忽略的。压力对理想气体的热容理想气体的热容是没有影响的。压力仅仅对真实气体热容的影响比较明显。压力仅仅对真实气体热容的影响比较明显。各种真实气体在温度T和压力p时的热容Cp与同样温度条件下的理想气体热容Cp之差（Cp-Cp)的数值符合对应状态原理对应状态原理。P177图104.混合物的热容a.理想气体混合物理想气体混合物b.真实气体混合物真实气体混合物求真实气体混合物热容时，先求该混合气体在同样温度下处于理想气体时的热容CP，再根据混合气体的假假临临界界压压力力PC和假假临临界界温温度度TC，求得混合气体的对比压力和对比温度，在图上查出Cp-CP，最后求得Cp。c.液体混合物液体混合物极少数混合液体由实验测得其热容一般工程计算常用加加和和法法来估估算算混合液体的热容。估算用的公式与理想气体混合物热容的加和公式相同，即按组成加和。115.热容的单位摩尔热容，单位是kJ/(molK)，kJ/(kmolK)等；比热容，其单位是kJ/(kgK),J/(gK)等。这两种单位是可以互相换算的。例如，50液态苯的定压摩尔热容为137.9J（molK)，若用kJ/(kgK)作为比热容的单位，其数值为137.9X1000/781768J/(kgK）1.768kJ(kgK）12二.焓焓是热衡算中一个很重要的数据。焓变没有绝对值，任何物质的焓的绝对值是不知道的，只有相对于某一基准态的相对值，即于基准态的焓差。1.焓的数据的获取a.理想气体焓表b.某些理想气体焓的多项式c.热力学图表d.饱和蒸汽物性参数表2.普遍化焓差图：用于任何气体。由对应状态原理得到。P180图P181例5.413三.汽化热液体汽化所吸收的热量称为汽化热，也称为蒸发潜热。汽化热是物质的基本物性数据之一。1.各种物质在正正常常沸沸点点（即常压下的沸点）的汽化热，或25的汽化热查手册获得。2.气化压力（对应了某温度）下的汽化热数据 需要根据易于查到的正常沸点的汽化热，或25的气化热求算气化温度下的汽化热。（1）由已知的某一温度的汽化热求另一温度的汽化热 在工程计算中可用Waston公式式中HV汽化热，kJ/kg或kJ/mol；此公式比较简单而又相当准确，广泛采用。14（2）汽化热是焓差，因此也可以根据状态函数增量不随途径而变的特性，假设一些便利的途径，从已知的T1、p1条件下的汽化热数据求T2、p2条件下的汽化热。（3）对于有焓-温图、温-熵图或压-焓图的物质，可以查图求得。（4）对于缺少汽化热数据但知道该物质的蒸汽压时用克-克公式计算（5）混合物的汽化热用各组分汽化热按组成加权平均求得。若以kJ/g，kJ/kg为单位，按质量分数加权，若以kJ/mol，kJ/kmol为单位，按摩尔分数加权。15四.反应热（1）从有关资料中直接查到反应热数据。（2）利用物质的标准生成热和燃烧热数据来计算反应热用标准生成热计算用标准燃烧热计算 -组成该化合物的各元素标准燃烧热,kJ/mol原子ni-化合物中同种元素的个数16(3)反应温度下的反应热*可以利用焓变与始态、终态有关而与途径无关的特性，假设便利的热力学途径，从25的反应热求算其它温度的反应热。(4)使用反应热数据的注意事项：a.反应物和生成物的聚集态不同，反应热的数值也不同，所以使用时要注意对应物质的聚集态。b.反应热与温度和压力有关，在压力不高时，可不考虑压力对反应热 的影响，但必须注意反应热随温度改变的特性。高压下，反应热随压力的改变也不能忽略。17五.溶解热固体、液体或气体溶质溶解于溶剂中吸收或放出的热量称为溶解热。手册给出的溶解热数据中，有积分溶解热与微分溶解热之分。1.积分溶解热每lmol溶质溶解于一定量溶剂形成组成为x的溶液时的总热效应（即累计的热量）称为积分溶解热积分溶解热，其单位为kJ/mol溶质。若溶解时吸热则积分溶解热取正值，若溶解时放热，则积分溶解热取负值。应用应用用来计算把溶质溶于溶剂中形成某一含量溶液时的热效应；用来计算把溶液自某一含量冲淡（或浓缩）到另一含量的热效应。积分溶解热数据来源积分溶解热数据来源有时用图给出，有时列表，有时给出数学式子。是浓度和温度的函数。182.微分溶解热微分溶解热系指lkmol（有时用lkg)溶质溶解于含量为x的无限多溶液中（即溶解后溶液的含量仍可视为x)时所放出的热量，以kJ/mol、kJ/kmol，kJ/kg.等单位表示。微分溶解热是浓度浓度的函数，也是温度温度的函数。如果吸收时吸收剂的用用量量很很大大，在吸收时溶液变化很小，则吸收所放出的热量等于该含量的微分溶解热乘以被吸收的吸收质的数量。一定量溶质溶解于一定量含量为x1的溶液中，使溶液含量变为x2，溶液含量变化不大，可取两个含量之下的微分溶解热的平均值乘以被吸收的吸收质的量而求得这一过程的热效应的近似值。在水溶液中的积分溶解热S和微分溶解热，使用时要注意横坐标和纵坐标上标示的各个量的单位。气体的溶解热数据可查阅关手册或资料。气体的溶解热数据最常用于气体非等温吸收的热量衡算中。19203.常用物质的溶解热数据a.某些物质溶于水的溶解热可查表b.三酸（硝酸、硫酸和盐酸）的溶解热计算公式 100%硫酸溶于水的溶解热1kmolHCl溶于nkmol水的溶解热 1kmolHNO3溶于nkmol水的溶解热形成混酸时的溶解热可查图。21用各种酸的无限稀释热计算硫酸硝酸混酸利用盖斯定律计算22c.溶解热数据的预计法溶质溶解时不不发发生生离离解解作用，溶剂与溶质间无无化化学学作作用用（包括形成络合物等）的情况下对于气态溶质，溶解热数值可取其等于冷凝热；对于固态溶质可取其等于熔融热；对于液态溶质，当形成的溶液为理想溶液时取溶解热为零（即混合热为零），当形成非理想溶液时，可按下式计算溶解热：式中i在该含量时溶质的活度系数；M溶质的相对分子质量。含量不太大的溶液，可用克一克方程式计算溶解热23第四节一些物质的热力学性质图在工程计算中，为了简便和迅速，经常使用热力学图表。人们不必通过繁复的计算，便可以得到需要的数据。不足之处是并非所有的物质都有热力学图，另外，其精度有时还受图的大小限制。热衡算中常用到的热力学图有以下几种。(1)焓温图即H-T图或写作i-T图(2)温熵图即T-S图(3)蒸汽的焓熵图即H-S图，或写作i一S图(4)溶液的焓浓图24第五节常用热力学数据的估算一、比热容1.气体的比热容对于压力低于5105pa，温度不太高的气体或蒸汽可作理想气体处理，定容比热为：定压比热为n为原子个数，M为分子量。对于压力高于5105pa，任意温度下的定压比热按下式校正。查图252.液体的比热容利用misseneard法计算液体定压比热容。基团结构数据求和。基团结构数据查表可得。水溶液的比热容的近似值为C=CSa+（1-a）C水CS-无水固体的比热容KJ/kga-溶液中固体溶质的含量%C水的比热容，4.187 KJ/kg263.固体的比热容（1）杜隆定律计算固体元素的比热容C=Ca/ACa元素原子的比热容KJ/kgA元素的原子量（2）柯普定律计算化合物的热容n-固体分子中同种原子的个数M 化合物的分子量上述计算为20时的数据，不在20时各化合物的比热容有出入。高于20时的比热容按上述计算后加上20%25%。27二、标准燃烧热卡拉奇法（Khrasch）-HC=109.07n+Kn-化合物燃烧时的电子转移数=燃烧氧原子系数2-取代基和键的校正值K-分子中同样取代基的数目-HC标准燃烧热KJ/mol。28第六节热量衡算举例用乙苯混酸硝化物料衡算数据作乙苯混酸硝化过程之热量衡算，并计算热负荷、冷冻盐水消耗量、传热面积。硝化反应器为搪玻璃夹套式反应锅，间歇生产，每天生产三批，每 批 反 应 时 间 为 5小 时，夹 套 传 热 系 数 K 156 kcal/(m2h），物料进口温度25，终了温度35，夹套中氯化钙冷冻盐水进口温度为-10，出口温度-5。解（1）乙苯混酸硝化物料衡算数据（kg/day为基准）如下293031323334353637383940第七节动力消耗综合表动力消耗综合表是初步设计说明书中的一部分内容，在热量衡算和设备选型、设备工艺计算完成后，就可以列出动力消耗表。动力捎托综合表的一般形式：p217在汇总各个设备所需要的冷却水、加热蒸汽、冷冻盐水、压缩空气、燃料、电等须考虑一定的裕量，建议采用1.21.3的系数。41第八节系统能量的合理利用提高能源的利用率，大力节约能源，降低能耗是化工生产和设计的一项重要指导原则。在工厂设计中，降低能量消耗是一项必须高度重视的基本原则。能量的消耗指标是设计的技术经济指标之一，它影响到工厂的产品成本以及燃料和动力的总供应量；因而在一定程度上反映了所设计的工厂在技术上的先进性和经济上的合理性如何。一个好的设计必须采取各种措施来降低能量的消耗。降低能量消耗的重要措施：综合利用能量、回收利用废热综合利用能量、回收利用废热能综合利用的典型例子是现代大型化工企业的动力工艺装置动力工艺装置。动力工艺装置就是把动力系统与工艺系统密切结合起来。目前，对大型化工厂，不仅要求它能做到“热量自给”，甚至还要求做到“能量自给”以及“动力自给”。有效能分析有效能分析 421.在化工设计中的能量衡算为什么通常只进行热量衡算？2.某气体在常压下0300和0700 的平均摩尔热熔分别为45.52kJ/kmol.K和53.31kJ/kmol.K，求该物质常压下300700 温度范围内平均摩尔热熔，并计算25mol该物质在常压下由300700 降温至300 所放出的热量。3.将480Kg98%硫酸、505Kg97%的硝酸和15Kg水配制成组成为49%硫酸，47%硝酸的混酸1000Kg。计算其过程的热效应。4.98%硫酸240.39Kg，98%硝酸334.20Kg，组成为含硫酸69.13%，含硝酸0.63%的废酸663.00Kg配成1237.59Kg混酸。若进料皆为20，出料为35，忽略其他热损失，求应从该体系中移出多少热？已知CP：98%硫酸0.338Kcal（Kg）-1，98%硝酸0.423 Kcal（Kg）-1，废 酸 0.647 Kcal（Kg）-1，混 酸 0.474 Kcal（Kg）-1。43