热量衡算
化工计算中的能量衡算是根据热力学第一定律，即能量守恒与转化定律，对化工过程进行能量计算。化工生产中消耗的能量形式有机械能，电能和热能等等，其中以热能为主要形式，因此化工过程中的能量衡算重点是热量衡算。本章具体对苯酐氧化反应器进行能量衡算如下：
热量衡算方程式： Q
1+Q
2
+Q
3
=Q
4
+Q
5
其中式中： Q
1
——初始物料带入设备中的热量，kJ
Q
2
——加热剂或冷却剂与设备和物料传递的热量，kJ
Q
3
——物理变化及化学变化的热效应，kJ
Q
4
——离开设备物料带走的热量，kJ
Q
5
——反应器系统热量损失，kJ
反应过程的能量方框图
图4-1 反应工段能量衡算图
反应器能量横算过程
根据图4-1及能量守恒可知：Q
2=Q
4
+Q
5
-Q
1
-Q
3
Q
1和Q
4
的计算
Q=∑M
i
×C
i
（t
1
-t
2
）（Q
1
和Q
4
的计算都适用）
式中：M
i
——反应物体系中组分的质量，kg；
C i ——组分i 在0-T℃时的平均比热容，KJ/； t 1，t 2——反应物系在反应前后的温度，℃。
物料进入设备时的温度为145℃，热量衡算的基准为145℃，△T=0,则： Q 1=0
查得各物项平均比热容数据： （kJ/kg.℃）
表4-1 各物相平均比热容
所以： ()21i i 4t C M Q t -=∑
=××(370-145)+××225+××225+××225+××225+×
×225+××225+××225+××225+××225+××225
=.4kJ 过程Q 3的计算
过程热效率可以分为两类：一类是化学过程的热效率即化学反应速率；另一类是物理过程热效率。物料化学变化过程，除化学反应外，往往伴随着物料状态变化热效率，但本工艺流程中物理过程热效率较低，可以忽略不计，该过程皆为放热反应，则过程热效率可以由下式计算：
主反应：C 8H 10+3O 2→C 8H 4O 3+3H 2O + Q 3-1=×103
×
=×103kJ/h
副反应：CH 3C 6H 4CH 3+→C 4H 2O 3（顺酐）+4CO 2+4H 2O + Q 3-2=×103×
=×103kJ/h
CH 3C 6H 4CH 3+3O 2→C 6H 5COOH （苯甲酸）+CO 2+2H 2O +
Q
3-3
=×103×
=×103kJ/h
CH
3C
6
H
4
CH
3
+2O
2
→C
8
H
6
O
2
（苯酞）+2H
2
O +
Q
3-4
=×103×
=×103kJ/h
CH
3C
6
H
4
CH
3
+→C
5
H
5
O
3
（柠槺酐）+3CO+3H
2
O +
Q
3-5
=×103×
=×103kJ/h
CH
3C
6
H
4
CH
3
+→8CO+5H
2
O +
Q
3-6
=×103×
=×103kJ/h
CH
3C
6
H
4
CH
3
+→8CO
2
+5H
2
O +
Q
3-7
=×103×
=×103kJ/h 继而得到：
Q 3 = Q
3-1
+Q
3-2
+Q
3-3
+Q
3-4
+Q
3-5
+Q
3-6
+Q
3-7 =×103kJ/h
Q
5
的计算
该反应中的热损失按5%计算，即：
Q 5=5%×（Q
1
+Q
3
）
=5%×（0+×103）=×103kJ/h
Q
2
的计算
Q
2
为熔岩移出反应器的热量，由反应器热量守恒可知：
Q 2=Q
4
+Q
5
-Q
1
-Q
3
=.8kJ/h
反应器能量衡算表
根据以上计算列出氧化反应工段能量衡算表格如下：
表4-2 反应工段能量衡算表
（吸收热量为“+”，释放热量为“-”）
热量衡算
热量衡算 1计算方法与原则 1.1热量衡算的目的及意义 热量衡算的主要目的是为了确定设备的热负荷。根据设备热负荷的大小、所处理物料的性质及工艺要求再选择传热面的形式、计算传热面积、确定设备的主要工艺尺寸。传热所需的加热剂或冷却剂的用量也是以热负荷的大小为依据而进行计算的。 1.2热量衡算的依据及必要条件 热量衡算的主要依据是能量守恒定律，其数学表达式为 Q1+ Q2+Q3=Q4+Q5+Q6 式1 其中： Q1——物料带入到设备的热量，kJ Q2——加热剂或冷却剂传给设备和所处理物料的热量，kJ Q3——过程热效应，kJ Q4——物料离开设备所消耗的热量，kJ Q5——加热或冷却设备所消耗的热量，kJ Q6——设备向环境散失的热量，kJ Q1（Q4）=ΣmC P(t2- t0)kJ式2 m——输入或输出设备的物料质量，kg C P——物料的平均比热容，kJ/(kg?℃) t2——物料的温度，℃ t0——基准温度，℃ Q5=ΣC P M(t2-t1)kJ式3 M——设备各部件的质量，kg C P——设备各部件的比热容，kJ/(kg?℃)
t1——设备各部件的初始温度，℃ t ——设备各部件的最终温度，℃ 2 Q5+Q6=10%Q总式4 热量衡算是在车间物料衡算的结果基础上而进行的，因此，车间物料衡算表是进行车间热量衡算的首要条件。其次还必须收集有关物质的热力学数据，例如比热容，相变热，反应热等。本设计还将涉及到的所有物料的热力学数据汇总成表4，以便于后期的计算。 1.3热量衡算基准 因为物料衡算计算的是各个岗位的天处理量，所以热量衡算计算的也是某个设备天换热介质消耗量，同时温度基准采用的是0℃做基准。当然，进行传热面积校核时，是根据批处理量计算。
热量衡算
热量衡算与热交换计算 热量衡算与热交换计算 一、热量衡算 传热计算根据总传热方程进行：Q=KA△tm 对于一个热交换器，传热计算的内容有两种，一为设计计算，即根据给定的传热量，确定热交换器的几何尺寸和结构参数；二为校核计算，即对某些热交换器，根据它的尺寸和结构进行校核，看其能否满足传热量的要求。这两种计算的关键都在于传热面积是否合适，计算的基本依据是总传热方程以及与之相关的热量衡算式，在第四节中，已对总传热方程进行了较为详细的讨论，下面介绍热交换中的热量衡算式。 当热损失为零时，对热交换器作热量衡算可得到单位时间的传热量，此传热量又叫热负荷，即式3-20中的传热速率Q。 热负荷分为两种，即工艺热负荷和设备热负荷，工艺热负荷是指工艺上要求的在单位时间内需要对物料加入或取出的热量，用QL表示，单位为W。设备热负荷是热交换器所具备的换热能力，所以设备热负荷也就是热交换器的传热速率Q。当热损失不可忽略时，为满足工艺要求，Q应大于QL。 由热量衡算得到的是工艺热负荷QL。如果流体不发生相变化，比热取平均温度下的比热，则有： QL=whcph(T1-T2)=wccpc(t2-t1) ( 3-29) 式中w----流体的质量流量，kg/s； cp----流体的平均定压比热，kJ/(kg?K); T----热流体温度，K； t----冷流体温度，K； （下标h和c分别表示热流体和冷流体，下标1和2表示热交换器的进口和出口）式3-29是热交换器的热量衡算式，也称为热平衡方程。若流体在换热过程中有相变，例如饱和蒸汽冷凝成同温度冷凝液时，则有： QL=whr=wccpc(t2-t1) (3-30) 式中wh----饱和蒸汽的冷凝速率，kg/s； r----饱和蒸汽的冷凝潜热，kJ/kg； 当饱和蒸汽在热交换器中冷凝后，冷凝液液温度继续下降到T2,两部分热量（即潜热和显热）要加起来计算，这时： QL=wh[r+cph(Ts-T2)]=wccpc(t2-t1) 式中cph-----冷凝液的比热，kJ/kg?K； Ts------冷凝液饱和温度，K。 为满足工艺要求，应该使热交换器的传热速率等于或略大于工艺热负荷， 即： Q≥QL (3-31)
热量衡算
第二章 能量衡算 2.1 能量衡算概述 物料衡算完成后，对于没有传热要求的设备，可以由物料处理量，物料的性质及工艺要求进行设备的工艺设计，以确定设备的型式，台数，容积以及重要尺寸。对于有传热要求的设备则必须通过能量衡算，才能确定设备的主要工艺尺寸。无论进行物理过程的设备或是化学过程的设备，多数伴有能量传递过程，所以必须进行能量衡算。 2.2 能量衡算目的 对于新设计的生产车间，能量衡算的主要目的是为了确定设备的热负荷。根据设备热负荷的大小，所处理物料的性质及工艺要求在选择传热面的型式，计算传热面积，确定设备的主要尺寸。传热所需要的加热剂或冷却剂的用量也是以热负荷的大小为依据而进行计算的。对于有些伴有热效应的过程，其物料衡算也要通过与能量衡算的联合求解才能得出最后的结果。 2.3 能量衡算依据 能量衡算的主要依据是能量守恒定律。能量守恒定律是以车间物料衡算的结果为基础而进行的。 2.4 能量衡算过程 2.4.1 反应釜的热量衡算 反应工段的热量衡算主要体现在反应釜和夹套。 对于有传热要求的的设备，其热量衡算为： 654321Q Q Q Q Q Q ++=++； 式中 1Q —物料带入到设备的热量kJ ； 2Q —加热剂传给设备的热量kJ ； 3Q —物理变化及化学反应的热效应kJ ； 4Q —物料离开设备所带走的热量kJ ； 5Q —消耗于提高设备本身温度的热量kJ ； 6Q —设备向环境散失的热量kJ 。
物料热量衡算以天为单位。 1Q 与4Q 的计算 1Q 与4Q 均可按照下式计算：()tkJ mc Q Q p ∑= 41 式中m —输入或输出设备的物料量，kg p c —物料的平均比热容，()C kg kJ ??/ t —物料的温度，℃。 该式的计算标准是标准状态，即Pa C 3101013.10??及为计算标准。 固体和液体的比热容可以采用下式计算： M n c c p ∑?=α 184 .4； []1 式中：αc —元素的原子比热容，()C kg kJ ??/ ； n —分子中同一原子的原子数； M —化合物的分子量，kmol kg /。 相关元素的原子比热容值： []1 碳C )/(8.21C kg kJ c ??=α； 氢H C kg kJ c ??=/3.42α； 氧O C kg kJ c ??=/0.63α 计算比热容得到： 丙烯酸正丁酯 C kg kJ c p ??=?+?+??=/720.2128 0.623.4128.27184.41 甲基丙烯酸甲酯 C kg kJ c p ??=?+?+??=/527.2100 0.623.488.25184.42 醋酸乙烯酯 C kg kJ c p ??=?+?+??=/384.286 0.623.468.24184.43 丙烯酸 C kg kJ c p ??=?+?+?? =/185.272 .623.448.23184.44 同理计算出水的比热容 C kg kJ c p ??=/394.35。 有前面物料平衡计算可知
热量衡算
热量衡算 三、衡算方法和步骤 1，明确衡算目的 确定热负荷、加热剂或冷却剂的消耗量 2，明确衡算对象 划定衡算范围，绘出热量衡算示意图 3，收集与热量衡算有关的计算数据 定压比热、相变热、反应热 4，选定衡算基准 5，列出热量衡算方程式 6，根据热量衡算结果，编制物料平衡表 过程热效应 物理变化热 1，相变热 蒸发、冷凝、熔融、结晶、升华、凝华 恒温恒压 潜热 蒸发、熔融、升华 吸热过程 (相变热为负) 冷凝、结晶、凝华 放热过程 （相变热为正） 相变热可从手册文献中查出，要注意正负号和单位 物理变化热 2，浓度变化热 恒温恒压 浓度改变产生热效应 积分溶解热：恒温恒压下，将1mol 溶质溶解在nmol 溶剂中，该过程所产生的热效应即为积分溶解热。 123456 Q Q Q Q Q Q ++=++123456 Q Q Q Q Q Q ++=++
可从手册文献中查出 通过回归经验方程计算 硫酸积分溶解热计算经验式： m 为硫酸质量分率；T 为操作温度 硝酸积分溶解热计算经验式： n 为溶解1mol 硝酸的水的摩尔数；T 为操作温度 盐酸积分溶解热计算经验式： n 为溶解1mol 盐酸的水的摩尔数；T 为操作温度 积分稀释热 恒温恒压下，将一定量的溶剂加入到含1mol 溶质的溶液中，形成较稀的溶液时，所产生的热效应即积分稀释热。 两种不同浓度下的积分溶解热之差 四．热量衡算举例 例7-1 根据物料衡算数据表(书P110) ，已知加入甲苯和浓硫酸的温度均为30℃，脱水器的排水温度为65 ℃，磺化液的出料温度为140 ℃，甲苯与硫酸的标准化学反应热为117.2kJ/mol （放热），设备 2111 2.989(15) 110.20130.062s T H m m m m -?=+ --++37.571.757 s n H n ?= +50.15822.5 1s n H n ?=++
化工中物料衡算和热量衡算公式
物料衡算和热量衡算 物料衡算 根据质量守恒定律，以生产过程或生产单元设备为研究对象，对其进出口处进行定量计算，称为物料衡算。通过物料衡算可以计算原料与产品间的定量转变关系，以及计算各种原料的消耗量，各种中间产品、副产品的产量、损耗量及组成。 物料衡算的基础 物料衡算的基础是物质的质量守恒定律，即进入一个系统的全部物料量必等于离开系统的全部物料量，再加上过程中的损失量和在系统中的积累量。 ∑G1=∑G2+∑G3+∑G4 ∑G2：——输人物料量总和； ∑G3：——输出物料量总和； ∑G4：——物料损失量总和； ∑G5：——物料积累量总和。 当系统内物料积累量为零时，上式可以写成： ∑G1=∑G2+∑G3 物料衡算是所有工艺计算的基础，通过物料衡算可确定设备容积、台数、主要尺寸，同时可进行热量衡算、管路尺寸计算等。 物料衡算的基准 (1)对于间歇式操作的过程，常采用一批原料为基准进行计算。 (2)对于连续式操作的过程，可以采用单位时间产品数量或原料量为基准进行计算。物料衡算的结果应列成原材料消耗定额及消耗量表。 消耗定额是指每吨产品或以一定量的产品(如每千克针剂、每万片药片等)所消耗的原材料量；而消耗量是指以每年或每日等时间所消耗的原材料量。 制剂车间的消耗定额及消耗量计算时应把原料、辅料及主要包装材料一起算入。 热量衡算 制药生产过程中包含有化学过程和物理过程，往往伴随着能量变化，因此必须进行能量衡算。又因生产中一般无轴功存在或轴功相对来讲影响较小，因此能量衡算实质上是热量衡算。生产过程中产生的热量或冷量会使物料温度上升或下降，为了保证生产过程在一定温度下进行，则外界须对生产系统有热量的加入或排除。通过热量衡算，对需加热或冷却设备进行热量计算，可以确定加热或冷却介质的用量，以及设备所需传递的热量。
热量衡算2.0
5 热量衡算 5.1 合成塔热量衡算相关计算式 全塔热平衡方程式为：∑Q 1 +∑Qr = ∑ Q 2 + ∑Q 3 +Q 4 （式5.1） 式中： Q 1——入塔气各气体组分热量，kJ/h Qr ——合成反应和副反应的反应热，kJ/h Q 2 —— 出塔气各气体组分热量，kJ/h Q 3 ——合成塔热损失，kJ/h Q 4——蒸汽吸收的热量，kJ/h ∑Q 1=∑（G 1×Cp 1×T 1） （式5.2） 式中： G 1——入塔气各组分流量，kmol/h ； Cp 1 ——入塔各组分的比热容，kJ/（m 3.k ）； T 1——入塔气体温度，k ； ∑Q 2=∑（G 2×Cp 2×T 2） （式5.3） 式中： G 2——出塔气各组分流量kmol/h ； Cp 2 ——出塔各组分的热容，kJ/（m 3.k ）； T 2—— 出塔气体温度，k ； ∑Qr= Qr 1 +Qr 2 +Qr 3+ Qr 4+ Qr 5 +Qr 6 + Qr 7 （式5.4） 式中： Qr 1、Qr 2 、Qr 3、 Qr 4、 Qr 5 、Qr 6、Qr 7——分别为甲醇、甲烷、二甲醚、异丁醇、水、辛烷的生成热，kJ/h ； 式中： Gr ——各组分生成量，kmol/h ； △H ——生成反应的热量变化，kJ/mol 5.1.1 合成塔入塔热量计算 查《化学化工物性数据手册》[17]得在498.15K 、5.2MPa 下各组分气体的定压热容如下表所示： 表5.1 组分气体定压热容 气体 CH 3OH H 2 CO CO 2 N 2 Ar CH 4 热容kJ/（kmol ·k ） 65.83 29.12 30.57 47.69 30.23 21.54 47.61 由pi i i Q C G =? 得入塔气中各组分的热量： 表5.2 各组分带进合成塔的热量
化工设计-热量衡算
一、 配置混酸过程的热量衡算 工作8小时，温度不超过35℃ 取0℃为基准温度 所以，Q 1=WC p Δt=0 物理变化热： Q 3=Q s 98% H 2SO 4 3034.08kg 56% H 2SO 4 98% HNO 3 4028.88kg 14791.44 27% HNO 3 废酸 28236.56kg 17%水 其中，98%的H 2SO 的微分溶解热为q s1= 711.28 kJ/kg 98% HNO 3的微分溶解热为q s2= 443.504kJ/kg 废酸的微分溶解热为q s3= 242.67 kJ/kg 混酸的微分溶解热：q s = 359.824 kJ/kg Qs=qs q q q s s s ?-?+?+?44.1479128236.5688.402808.3034321 = 5474755.7kJ 出料温度：35℃ 取0℃为基准温度 Q 4=WC p Δt=35983.114791.44??=1026599.89kJ 由Q 1+Q 2+Q 3=Q 4+Q 5+Q 6，其中Q 5≈0，Q 6≈0 所以，Q 2=Q 4-Q 3-Q 1=1026599.89-5474755.7=-4448155.81kJ 二、1#硝化釜的热量计算 进料情况： 混酸：14791.44 kg 循环废酸：28236.56kg 工业甲苯：5892.16kg 硝化釜温度：45℃ 取40℃为基准温度 所以，Q 1=WC p Δt =)4045()707.256.28236983.144.14791740.116.5892(-??+?+? =580100.76kJ
Q 4=J k 50.5224778)4045(133.274.6123=?-?? Q r =kj 02.8216685885.1551371000 86.902=??? Q s : 1. 混酸 + 废酸 新混酸 + Q s1 56%H 2SO 4 68.3H 2SO 4 64.3% H 2SO 4 27%HNO 3 q s1 0.6%HNO 3 q s2 9.7%HNO 3 q s3 17%H 2O 31.1%水 26.2%H 2O 14791.44kg 28236.56kg 43028kg q s1=359.824kj/kg q s2=242.67 kJ/kg q s3=278.236kj/kg Q s1=8)23.2784302867.24256.28236824.35944.14791(??-?+? =202800.68KJ 2. 新混酸 主反应反应的硝酸 + 剩余混酸 +Q s2 64.1%H 2SO 4 67.9%H 2SO 4 9.7%HNO 3 q s1 %8.7918.2121.49919.415=+ q s2 1.7% HNO 3 q s3 26.2%H 2O 30.4H 2O 43028kg 40783.52kg q s1=278.236kj/kg q s2=368.192kj/kg q s3=249.792/kg Q s2=792.24952.40783192.36852.3321236.27843028?-?-? =561584.49KJ 3. 水 + 剩余混酸 1#硝化釜废酸 + Q s3 0 67.9%H 2SO 4 68.4%H 2SO 4 1.7HNO 3 q s2 0.6%HNO 3 q S3 30.4% H 2O 31%H 2O 40783.52kg 28236.56kg q s1=0 q s2=249.792/kg q s3=242.67 kJ/kg Q s3=32.23956.28236792.24952.40783?-?=3429823.49KJ Q s =Q s1+Q s2+Q s3=202800.68+561584.49+3429823.49=4194208.66kJ 则，Q 3=Q s +Q r =4194208.66+02.8216685 =12410893.68kJ 由Q 1+Q 2+Q 3=Q 4+Q 5+Q 6，其中Q 5=0，Q 6≈0 所以，Q 2=Q 4-Q 3-Q 1=50.522477-580100.76-12410893.68=-12468516.94KJ
热量衡算
7.1热量估算 果汁酶处理热量衡算 根据工艺，每天生产13KL菠萝果酒需合格原料28570kg，经过榨汁工序后，得到浑浊果汁量为； 28570×0.75×0.7÷1056×1000 =14203.8L 式中 0.75——去皮工序果肉所得率
0.7——带式榨汁机果汁所得率 1056——浑浊果汁的相对密度 经测得浑浊果汁平均的糖含量为120g/L，则 浑浊果汁的质量为 14203.8÷1056=13450.6kg 浑浊果汁的初始温度为20℃，终温为40℃，维持时间为2h，则耗热量为Q Q=mc（t 终-t 始 ） =13450.6*（3.927*40-3.718*20） =1.122*106kj 式中 m——物料质量(kg) c——物料分别在40℃、20℃时的比热容[kj/(kg*K)] t 终 ——物料终温(℃) t 始 ——物料初温(℃) 罐体升温所需热量： （由设备选型决定） 总耗热量： 1.122*106+罐体升温所需热量= 所需的 巴氏灭菌热量衡算： 根据工艺，每天生产13KL菠萝果酒，经过冷冻过滤后的到13130L过滤酒，过滤酒在经过巴氏灭菌后装瓶。 过滤酒质量为 13130÷983.52×1000=13350kg 式中
983.52——11%果酒在20℃时的相对密度 冷冻过滤后的果酒的初温是20℃，经巴氏灭菌后温度为75℃，耗热量为Q. Q=mc（t 终-t 始 ） =m（c t 终-c 始 ） =3.177*106kj 式中 m——过滤酒质量（kg） c——11%果酒在75℃时的比热容，其数值为4.313[kj/(kg*K)] ——11%果酒在20℃时的比热容，其数值为4.275[kj/(kg*K)] t 终 ——巴氏灭菌后果酒的温度，℃ t 始 ——巴氏灭菌前果酒的温度，℃ 酒母制备的热量衡算 根据工艺，生产13KL成品菠萝果酒，需要14060L澄清果汁，经成分调整后，得到含糖量为200g/L的14250L发酵液，从发酵液中量取600L发酵液做酒母培养液，得到的酒母液质量为 600÷1081×1000=555kg 式中 1081——20℃时含糖量为200g/L的糖液的相对密度 酒母在耗糖量为50%时停止培养，培养温度为30℃，培养时间为24h。酒母液初始温度为20℃，终温为30℃ 600L酒母发酵液进入设备带入的热量为Q 1 600L成熟酒母发酵液输出设备时所带的热量为Q 4 Q 1 =mct =555*3.726*20 =4.136*104kj 式中 m——酒母液质量（kg）
热量衡算
§ 4.4 热量衡算 C ,H D D B , H W W 热量衡算说明： ①泡点进料，泡点回流； ②以20℃常温下液态混合物状态为基准。 H F + Q B = Q C + H D + H W H F ：进料焓H D ：塔顶产品焓H W：塔底产品焓Q C：全凝器冷凝负荷Q B ：再沸器热负荷 1. 进料焓的计算H F T F=380.1019K=106.9519℃
所以进料液体的定性温度（T F + 20℃）/2=63.47595℃ 查石油化工基础数据手册并由插值法得定性温度下的比热： C FPCT=42.59 cal/mol•℃C FOCT=42.55 cal/mol•℃ 则进料液体的平均比热： C Fm= C FOCT×Z F + C FPCT×(1-Z F) =42.55cal/mol•℃×40%(mol)+42.59cal/mol•℃×(1-40%)(mol) =42.574 cal/mol•℃ 则进料液体焓：H F= F ×C Fm×(T F ―20℃) =0.9875kmol/h×42.574 cal/mol•℃×(106.9519℃―20℃) =3655.62kcal/h=15295.48kJ/h 2. 塔顶产品焓的计算H D T D=99.5252℃ 定性温度=（T D + 20℃）/2=59.7626℃ 查石油化工基础数据手册并由插值法得定性温度下的比热： C DPCT=42.32 cal/mol•℃C DOCT=42.28 cal/mol•℃ 则塔顶产品的平均比热： C Dm= C DOCT×X D + C DPCT×(1-X D) =42.28 cal/mol•℃×80%(mol)+ 42.32 cal/mol•℃×(1-80%)(mol) =42.288 cal/mol•℃ 则H D= D ×C Dm×(T D―20℃) =0.329167kmol/h×42.288 cal/mol•℃×(99.5252℃―20℃)
干燥过程的物料衡算和热量衡算
第三节 干燥过程的物料衡算和热量衡算 对干燥流程的设计中,物料衡算解决的问题： 1物料气化的水分量W 或称为空气带走的水分量； 2空气的消耗量包括绝干气消耗量L 和新鲜空气消耗量L 0; 而热量衡算的目的,是计算干燥流程的热能耗用量及各项热量分配即预热器换热量 p Q ,干燥器供热量D Q 及干燥器热损失L Q ; 一、湿物料中含水率表示法 湿物料＝水分＋绝干物料 一湿基含水量w %100⨯= 总质量 水 m m w ８－１２ 工业上常用这种方法表示湿物料的含水量; 二干基含水量X X ＝湿物料中水分质量／湿物料中绝干料质量 ８－１３ 式中 X ――湿物料的干基含水量,kg 水分.kg 绝干料-1; 两者关系： X X w += 1 ８－１４ 或 w w X -= 1 ８－１５
二、干燥器的物料衡算 图８－７ 各流股进、出逆流干燥器的示意图 图８－７中,G ――绝干物料流量,kg 绝干料.s -1； L ――绝干空气消耗量,kg 绝干气.s -1； H 1 ,H 2――分别为湿空气进、出干燥器时的湿度,kg.kg 绝干气-1； G 1 ,G 2――分别为湿物料进、出干燥器时的流量,kg 湿物料.s -1； X 1 ,X 2――分别为湿物料进、出干燥器时的干基含水量,kg 水分.kg 绝干料-1; 一水分蒸发量W )()(122121H H L G G X X G W -=-=-= ８－１６ 其中 )1()1(2211w G w G G -=-= ８－１７ 二空气消耗量L 对干燥器作水分物料衡算：2211GX LH GX LH +=+ 则： ()121221H H W H H X X G L -= --= ８－１８ 若设： 121 H H W L l -= = ８－１９ 式中 l ――每蒸发１kg 水分消耗的绝干空气量,称为单位空气消耗量,kg 绝干气.kg 水分-1； L ――单位时间内消耗的绝干空气量,kg 绝干气.s -1;
物料衡算和热量衡算
需要加入过量对叔丁基甲苯做 C 11H 14O 2 178.23 6054.8 3物料衡算 依据原理：输入的物料量=输出的物料量+损失的物料量 3.1衡算基准 年生产能力：2000吨/年 年开工时间：7200小时 产品含量：99% 3.2物料衡算 反应过程涉及一个氧化反应过程，每批生产的产品相同，虽然有原料对叔丁 基甲苯和溶剂甲苯的循环，第一批以后循环的物料再次进入反应， 但每批加料相 同。在此基础上，只要计算第一个批次的投料量，以后加料一样。 反应釜内加热时间2h 、正常的反应时间18h 、冷却时间1h 。加上进料和出 料各半个小时，这个生产周期一共 2+18+1+仁22h 。所以在正常的生产后，每22 小时可以生产出一批产品。每年按 300天生产来计算，共开工7200小时，可以 生产327个批次。要求每年生产2000吨对叔丁基苯甲酸，则每批生产 2000七27 =6.116吨。产品纯度99 %( wt %) 实际过程中为了达到高转化率和高反应速率, 溶剂，反应剩余的原料经分离后循环使用。 3.2.1各段物料 (1) 原料对叔丁基甲苯的投料量 设投料中纯的对叔丁基甲苯为X kg ，则由 C 11H 16 M 148.24 m x 得 x=6054.8 >148.24 478.23=5036.0 kg 折合成工业原料的对叔丁基甲苯质量为 5036.0 -0.99=5086.9kg 实际在第一批生产过程加入的对叔丁基甲苯为 6950.3kg (2) 氧气的通入量
生产过程中连续通入氧气，维持釜内压力为表压0.01MPa进行氧化反应。实 际生产过程中，现场采集数据结果表明，通入的氧气量为1556.8 kg,设反应消耗的 氧气量为x kg 3/2O2 C11H14O2 M 31.99 178.23 m x 6054.8 得x= 3/2 >6054.8 >1.99 -78.23=1630.1kg 此时采用的空气分离氧气纯度可达99%，因此折合成通入的氧气为 1630.1 ^.99=1646.6 kg即在反应过程中，需再连续通入1646.6kg氧气。 (3)催化剂 催化剂采用乙酰丙酮钻(川)，每批加入量10.4 kg (4)水的移出量 设反应生产的水为x kg H2O C11H14O2 M 18.016 178.23 m x 6054.8 得x=6054.8 >18.016 #78.23=612 kg 产生的水以蒸汽的形式从反应釜上方经过水分离器移出。 322设备物料计算 (1)计量槽 对叔丁基甲苯计量槽： 一个反应釜每次需加入的对叔丁基甲苯质量为3475.1 -2=3475.15 kg 对叔丁基甲苯回收计量槽：每批反应结束后产生母液1834.8kg 甲苯计量槽：每批需加入甲苯做溶剂，加入量为396.1 kg (2)反应釜：反应结束后，经过冷却、离心分离后，分离出水612kg，剩余的对叔丁基甲苯1834.8kg循环进入下一批产品的生产。分离出来的固体质量为： 6950.3+10.4+1646.6-612-1834.8=6160.5 kg。
热量衡算例子
2.1设备的热量平衡方程式 对于有传热要求的设备，其热量平衡方程式为：Q 1＋Q 2 ＋Q 3 =Q 4 ＋Q 5 ＋Q 6 式中 Q 1—物料带入到设备的热量kJ；Q 2 —加热剂或冷却剂传给设备和所处理物 料的热量kJ；Q 3—过程热效应kJ；Q 4 —物料离开设备所带走的热量kJ；Q 5 —加热 或冷却设备所消耗的热量kJ；Q 6 —设备向环境散失的热量kJ。 （1）Q 1与Q 4 Q 1 与Q 4 均可用下式计算：Q 1 （Q 4 ）=∑mtCp kJ 式中 m—输入（或输 出）设备的物料量kg；Cp—物料的平均比热容kJ/kg·℃；t—物料的温度℃。 该式的计算基准是标准状态，即0℃及1.013×105Pa为计算基准。因为物料的比热容是温度的函数，上式中物料的比热容是指进、出口物料的定压平均比热容，对于进口物料取基准温度与物料进口温度的平均温度下的比热容；对于出口物料取基准温度与物料出口温度的平均温度下的比热容。对于不同物料的比热容可查《化学工程手册》（第1册）或《化学工艺设计手册》（下），若查不到，各种估算方法求出相应温度下的比热容值。（2）过程热效应Q 3 化学过程的热效应包括化学反应热与状态变化热。纯物理过程只产生状态变化热；而对于化学反应过程，在产生化学反应的同时，往往还伴有状态变化热。 在热量衡算中，过程热效应Q 3 的符号为：放热为正；吸热为负。 （3）Q 5与Q 6 的确定根据工艺操作经验，（Q 5 ＋Q 6 ）一般为（Q 4 ＋Q 5 ＋Q 6 ）的5%～10%， 只要计算出Q 4，就可以确定（Q 5 ＋Q 6 ），从而计算出Q 2 。4）Q 2 的计算 由以上计算过程得到Q 1、Q 3 、Q 4 、Q 5 、Q 6 后，根据热量平衡方程式求出设备 的热负荷Q 2。Q 2 正值表示需对设备加热；负值表示需冷却 4.3热量衡算基础 数据的计算和查取在热量衡算中，大部分物料的物性常数可通过相关的物性常数手册查取，如《化学工程手册》（第1册），《化工工艺设计手册》（下）。当遇到手册中数据不全的情况时，就需通过一些公式来估算这些物性常数。在本设计中涉及的物性计算有比热容、汽化热、熔融热、溶解热、浓度变化热效应、燃烧热等，以下介绍他们的计算方法。
热量衡算
化工计算中的能量衡算是根据热力学第一定律，即能量守恒与转化定律，对化工过程进行能量计算。化工生产中消耗的能量形式有机械能，电能和热能等等，其中以热能为主要形式，因此化工过程中的能量衡算重点是热量衡算。本章具体对苯酐氧化反应器进行能量衡算如下： 热量衡算方程式： Q 1+Q 2+Q 3=Q 4+Q 5 其中式中： Q 1——初始物料带入设备中的热量，kJ Q 2——加热剂或冷却剂与设备和物料传递的热量，kJ Q 3——物理变化及化学变化的热效应，kJ Q 4——离开设备物料带走的热量，kJ Q 5——反应器系统热量损失，kJ 4.1 反应过程的能量方框图 图4-1 反应工段能量衡算图 4.2 反应器能量横算过程 根据图4-1及能量守恒可知：Q 2=Q 4+Q 5-Q 1-Q 3 4.2.1 Q 1和Q 4的计算 Q=∑M i ×C i （t 1-t 2） （Q 1和Q 4的计算都适用） 式中：M i ——反应物体系中组分的质量，kg ； C i ——组分i 在0-T℃时的平均比热容，KJ/kg.K ； t 1，t 2——反应物系在反应前后的温度，℃。 物料进入设备时的温度为145℃，热量衡算的基准为145℃，△T=0,则： Q 1=0 查得各物项平均比热容数据： （kJ/kg.℃）
所以： ()21i i 4t C M Q t -=∑ =9.4000×6.96×(370-145)+8124.3234×1.15×225+70547.000×1.06×225+9990.0000×5.23×225+796.1912×4 .52×225+162.0164×4.52×225+273.9496×4.91×225+574.4248×5.18×225+4972.6368×4.18×225+411.8582×1.11×225+2830.2066×1.45×225 =38347694.4kJ 4.2.2 过程Q 3的计算 过程热效率可以分为两类：一类是化学过程的热效率即化学反应速率；另一类是物理过程热效率。物料化学变化过程，除化学反应外，往往伴随着物料状态变化热效率，但本工艺流程中物理过程热效率较低，可以忽略不计，该过程皆为放热反应，则过程热效率可以由下式计算： 主反应：C 8H 10+3O 2→C 8H 4O 3+3H 2O +1302.2kJ Q 3-1=67.5000×103×1302.2 =87898.5×103kJ/h 副反应：CH 3C 6H 4CH 3+7.5O 2→C 4H 2O 3（顺酐）+4CO 2+4H 2O +3177.9kJ Q 3-2=8.1244×103×3177.9 =25818.5308×103kJ/h CH 3C 6H 4CH 3+3O 2→C 6H 5COOH （苯甲酸）+CO 2+2H 2O +1339.8kJ Q 3-3=4.7084×103×1339.8 =6308.3143×103kJ/h CH 3C 6H 4CH 3+2O 2→C 8H 6O 2（苯酞）+2H 2O +837.4kJ Q 3-4=2.0444×103×837.4 =1711.9806×103kJ/h CH 3C 6H 4CH 3+4.5O 2→C 5H 5O 3（柠槺酐）+3CO+3H 2O +1674.8kJ Q 3-5=1.4338×103×1674.8 =2401.3282×103kJ/h CH 3C 6H 4CH 3+6.5O 2→8CO+5H 2O +2177.2kJ Q 3-6=1.28×103×2177.2 =2786.8×103kJ/h CH 3C 6H 4CH 3+10.5O 2→8CO 2+5H 2O +4576.4kJ Q 3-7=3.38×103×4576.4 =15468.2×103kJ/h 继而得到： Q 3 = Q 3-1+Q 3-2+Q 3-3+Q 3-4+Q 3-5+Q 3-6+Q 3-7 =142387.6539×103kJ/h
化工中物料衡算和热量衡算公式
化工中物料衡算和热量衡算公式 一、物料衡算公式 1.物料总量计算公式 物料总量计算公式可以根据物质的密度（ρ）和体积（V）来计算。 公式如下： 物料总量=密度×体积 2.物料质量计算公式 物料质量计算公式可以根据物质的密度（ρ）、体积（V）和物质的 质量（m）之间的关系得出。公式如下： 质量=密度×体积 3.物料浓度计算公式 物料浓度计算公式可以根据溶质的质量（m）和溶液的体积（V）来计算。公式如下： 浓度=质量/体积 4.溶液的重量和体积之间的关系 溶液的重量可以根据溶液的密度（ρ）和溶液的体积（V）相乘得到。公式如下： 重量=密度×体积 1.热量传递计算公式
热量传递计算公式可以用于计算传热功率（Q）和传热面积（A）之间的关系。公式如下： Q=h×A×ΔT 其中，h为传热系数，ΔT为温差。 2.物料的热量计算公式 物料的热量计算公式可以根据物料的质量（m）、比热容（Cp）和温度变化（ΔT）来计算。公式如下： 热量=质量×比热容×温度变化 3.水的蒸发热计算公式 水的蒸发热计算公式可以根据水的质量（m）和蒸发热（ΔHvap）来计算。 热量=质量×蒸发热 三、补充说明 1. 密度（ρ）是物质单位体积的质量，常用的单位有千克/立方米（kg/m^3）或克/立方厘米（g/cm^3）。 2. 比热容（Cp）是物质单位质量的热容量，表示单位质量物质温度升高1℃所需的热量，常用的单位是千焦/千克·℃（kJ/kg·°C）或焦/克·℃（J/g·°C）。 3.传热系数（h）是衡量热传导性能的参数，表示单位面积上的热量流入或流出的速率，常用的单位是瓦特/平方米·℃（W/m^2·°C）。
蒸汽热量衡算
蒸汽热量衡算 日产3tMnSO4.H2O 蒸发水所需的热量 Q C m t =∆ 水的比热容：34.210/=4.2/J kg kJ kg ⨯℃℃ ① 从40℃升至100℃所需的热量： =4.2/k /Q C m t kJ kg g kJ =∆⨯⨯⨯⨯⨯3336℃(110m 7m )(100-40)℃=1.76410 ② 100℃水汽化所需的热量 2260/k /Q kJ kg g kJ =⨯⨯⨯⨯3337(110m 7m )=1.58210 ③ 出来时为水： 0.50MPa 时，饱和蒸汽温度：151.86KJ/kg 180℃时，过热水蒸汽焓值：2812.5KJ/kg 进入的蒸汽变水的热量：(1kg) 0.5MPa 开始：180℃时，Q=2812.5KJ 151.86℃时，Q=2748.1KJ(汽态) 640.09(液态) 0.5MPa ，151.86℃的水汽化热： 2748.1-640.09=2108.01KJ 则进入反应斧的每kg 蒸汽放热为：2812.5-640.09=2171.6KJ 生产日需蒸汽量为：71.5810/2171.6/7.26kJ kJ kg t ⨯= ④ 出来时为蒸汽 蒸汽温度为：151.86℃ 0.5MPa ，151.86℃饱和蒸汽的焓值：2748.1KJ/kg 那么，蒸汽从180℃降至151.86℃时的焓值变化为： 2812.5KJ/kg-2748.1KJ/kg=64.4KJ/kg 此即为进入斧的每kg 蒸汽放热：64.4KJ 则生产日需蒸汽量为：71.5810/64.4/245.34kJ kJ kg t ⨯= ⑤ 蒸汽降温所需水量：
初始蒸汽：0.5MPa，温度：370℃，过热水蒸汽焓值：3210.75KJ/kg 降温后蒸汽：0.5MPa，温度：180℃，过热水蒸汽焓值：2812.5KJ/kg 假定水温从30℃升至100℃，吸收热量为(/kg) =∆⨯⨯ ℃170℃= Q C m t kJ kg g kJ =4.2/k294 每kg蒸汽从370℃降温至180℃所需水量为： (3210.75-2812.5)/294=1.35kg
物料衡算和热量衡算
3 物料衡算和热量衡算计算基准 年产 4500 吨的二氯甲烷氯化吸取，年工作日 330 天，每天工作 24 小时，每 小时产二氯甲烷： 物料衡算和热量衡算 反响器的物料衡算和热量衡算 本反响为强放热反响，如不把握反响热并移走，温度会急剧上升，产生猛烈的燃烧反响， 是氯化物发生裂解反响。由此可以通过参与过量的甲烷得到循环气，以之作为稀释剂移走反 应热。 〔一〕 计算依据 〔1〕 二氯甲烷产量为： kg/h ，即： kmol/h ； 〔2〕 原料组成含: Cl 2 96%，CH 495%； （3） 进反响器的原料配比〔摩尔比〕: Cl 2：CH 4：循环气=1： （4） 出反响器的比例: CH 2Cl 2：CHCl 3=1：〔质量比〕 (CHCl 3+CCl 4)/CH 2Cl 2=〔摩尔比〕； （5） 操作压力: 〔表压〕； （6） 反响器进口气体温度 25o C ，出口温度 420o C 。 〔二〕 物料衡算 反 Cl 2 应 CH 3Cl CH 2Cl 2 CHCl 3 CH 4 CCl 4 HCl 假设循环气不参与反响，只起到带走热量的作用。则设进口甲烷为 X kmol/h ， =h
出反响器的一氯甲烷Y kmol/h，氯化氢Z kmol/h。 由进反响器的原料配比〔摩尔比〕Cl 2：CH 4 ：循环气=1： 原料组成含: Cl 2 96%，CH 4 95%。 由CH 2Cl 2 ：CHCl 3 =1：〔质量比〕 可得CHCl 3 每小时产量为：×=h 由(CHCl 3+CCl 4 )/CH 2 Cl 2 =〔摩尔比〕 可得CCl 4 的量为×－=h 用元素守衡法 则：Cl 元素守衡=Y+×2+×3+×4+Z ① H 元素守衡4X=3Y+×2++Z ② C 元素守衡X=Y+++ ③解方程①①③得 X=h Y=h Z=h （1）所以反响器进口原料中各组分的流量： Cl 2 : ×=h=h 〔纯〕 =h=h 〔含杂质〕 CH 4 : h=h 〔纯〕 =h=h 〔含杂质〕 循环气流量：3×= kmol/h= Nm3/h 其中：CH 3 Cl：kmol/h N 2 ：×4%＋×3%= kmol/h CO 2：×2%= kmol/h 可知：= 得进口Cl 2 为kmol/h