5热量衡算解析
化工原理物料衡算和热量衡算
化工原理物料衡算和热量衡算引言化工工程涉及许多物料的处理和转化过程，同时也需要考虑热量的平衡。
物料衡算和热量衡算是化工原理的重要内容，对于工程实践和过程优化具有重要的意义。
本文将介绍化工原理中的物料衡算和热量衡算的基本原理和计算方法。
物料衡算物料衡算是指对于化工工程中物料流动和转化过程的计算和分析。
在化工工程中，物料的流动和转化是实现各种反应和分离操作的基础，因此正确的物料衡算是保证工程设计和操作的关键。
在物料衡算中，我们通常需要考虑以下几个方面： 1. 物料的质量衡算：即对物料的质量输入和输出进行计算和分析。
对于物料的质量衡算，我们需要注意物料流动的平衡原则，即质量的输入必须等于输出。
2. 物料的能量衡算：即对物料的能量输入和输出进行计算和分析。
能量的输入和输出会影响物料的温度和相变过程，因此在能量衡算中需要考虑物料的热力学性质。
3. 物料的流动速度衡算：即对物料流动速度进行计算和分析。
物料的流动速度决定了反应和分离操作的效率，因此在物料衡算中需要合理地确定流量和速度的关系。
4. 物料的浓度衡算：即对物料中组分浓度的计算和分析。
物料的浓度会影响其反应和分离的速率和效果，因此在物料衡算中需要考虑不同组分浓度的变化规律。
物料衡算通常使用质量守恒和能量守恒等基本原理进行计算。
同时，还可以利用化学反应平衡的原理和质量流动的平衡原则进行衡算过程中的参数确定。
热量衡算热量衡算是化工工程中热力学过程的计算和分析。
在化工工程中，热量的平衡是保证反应和分离操作能够正常进行的基础。
热量衡算需要考虑以下几个方面： 1. 热量的输入和输出：即对于热量的输入和输出进行计算和分析。
在化工工程中，我们通常需要对热量的输入和输出进行平衡，以保证工程操作的稳定性。
2. 热量的传递和转化：即对于热量的传递和转化过程进行计算和分析。
热量的传递可以通过传导、对流和辐射等方式进行，因此在热量衡算中需要考虑传热方式的影响。
3. 热平衡的计算：即对于反应和分离过程中热量平衡的计算和分析。
热量衡算
热量衡算主要依据是能量平衡方程ΣQ in=ΣQ out +ΣQ其中ΣQ in输入设备流量ΣQ out +输出设备流量ΣQ为损失流量对于连续系统：Q+W=ΣH out +ΣH其中。
Q为设备热负荷W为输入系统的机械能ΣH out 离开设备的各物料焓之和ΣH进入设备的各物料焓之和在进入全厂能量横算时，是以单位设备为基本单位，考虑由机械能转换、化学反应释放和单纯的物理变化带来的能量变化，最终对全工艺段进行系统级的能量平衡计算，进而用于指导节能降耗设计工作。
热量衡算任务1、确定加热剂和冷却剂的用量2、计算有设备传递的热量，为设备设计提供依据3、提高热量应用水平4、最终确定总需求能量和能量费用各工段其热量衡算如下萃取精馏段：第一萃取精馏塔物流焓变一览表流股名反应前物流反应后物流温度（℃）60/6044/110压力（Kg/sqcm）7.767/6.118 5.099/6.099质量流量（Kg/hr）41600/2710017320/295280焓值（KW）-2575.31068.09热负荷一览表Q热负荷（Kw）—8296.9热量平衡一览表Q IN OUT Error -8296.9 -2575.3 1068.09 -1.241汽提塔物流焓变一览表流股名反应前物流反应后物流温度（℃）118.1/110.1/135.0108.4/134.4压力（Kg/sqcm）7.000/6.099/5.166 5.166/5.167质量流量（Kg/hr）37970.026/295280.000/7.04087E+623999.999/7.35012E+6焓值（KW）14050311412557热负荷一览表Q热负荷（Kw）—9789.0065热量平衡一览表Q IN OUT Error -9789.0065 1405031 1412557 -0.00533闪蒸塔物流焓变一览表流股名反应前物流反应后物流压力（Kg/sqcm） 5.167 5.166/5.166质量流量（Kg/hr）7.35012E+6202622.872/7.04087E+6焓值（KW）1407162.091435001.24热负荷一览表Q热负荷（Kw）46985.4228热量平衡一览表Q IN OUT Error 46985.4228 1407162.09 1435001.24 -0.0194第二萃取精馏塔物流焓变一览表流股名反应前物流反应后物流压力（Kg/sqcm） 5.000/5.160 3.071/3.059质量流量（Kg/hr）36000.000/23999.99937970.026/22030.029焓值（KW）3895.678174103.97348热负荷一览表Q热负荷（Kw）-4281.0457热量平衡一览表Q IN OUT Error -4281.0457 3895.67817 4103.97348 -0.0507545第一精馏塔物流焓变一览表流股名反应前物流反应后物流温度（℃）92.241.6/55.8压力（Kg/ sqcm） 3.059 5.099/5.099质量流量（Kg/hr）22030.029990.029/21040.000焓值（KW）12503.739251.09429热负荷一览表Q热负荷（Kw）-516.35568热量平衡一览表Q IN OUT Error -516.35568 12503.73 9251.09429 0.26013323第二精馏塔物流焓变一览表流股名反应前物流反应后物流(顶/釜)温度（℃）70.143.1/55.4压力（atm） 5.92 4.74/5.42质量流量（Kg/hr）19758.483419087.1667/671.3167焓值（KW）11111.0668 8876.86583热负荷一览表（KW）Q热负荷-9642.5248热量平衡一览表（KW）Q IN OUT Error -9642.524811111.06688876.86583-0.201079。
5章干燥2第二节干燥过程的物料衡算与热量衡算
L , I0 H0 Qp
L , I1 H1
QL QD L, I2 H2 G, X1, I1’
LI0+QP=LI1 (5-29) 或 QP=L(I1-I0) (5-30) 2. 干燥器的热量衡算： 干燥器的热量衡算：
G, X2, I2’
LI1+GI1'+QD=LI2+GI2'+QL 或 QD=L(I2-I1)+G (I2'-I1')+QL (5-31)
连续操作逆流干燥器作关于水分的物料衡算 逆流干燥器作关于水分的物料衡算， 对连续操作逆流干燥器作关于水分的物料衡算， 1s为衡算基准 设干燥器内无物料损失。 为衡算基准， 以1s为衡算基准，设干燥器内无物料损失。则： LH1+GX1=LH2+GX2 或 L(H2-H1)=G (X1-X2)=W [kg水/s] 水 (5-24)
(5-28)
G2 = G(1+ X2 ) = G W 1
G— 单位时间内绝干物料流量，绝干料 kg / s 单位时间内绝干物料流量 绝干物料流量，
5-3-3 干燥系统的热量衡算 一、基本方程 基本方程
中 基准：
1. 预热器的热量衡算： 预热器的热量衡算：
c.等t (b.的特例 t1 的特例) 等 的特例
t0
QD > G(I2 I1 ) + QL
c1
H0 H2
p261 例5-6： ： 已知数据如图示， 已知数据如图示，求L0及QP(QL预=0)。 。
循环比=(废气 混气 质量比=0.8 循环比 废气/混气 质量比 废气 混气)质量比 t0=25℃ ℃ H中 干气 0=0.005kg/kg干气 国
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 3CH 4CCl 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〕Cl2：CH4：循环气=1：原料组成含: Cl2 96%，CH495%。
由CH2Cl2：CHCl3=1：〔质量比〕可得CHCl3每小时产量为：×=h由(CHCl3+CCl4)/CH2Cl2=〔摩尔比〕可得CCl4的量为×－=h用元素守衡法则：Cl 元素守衡=Y+×2+×3+×4+Z ①H 元素守衡4X=3Y+×2++Z ②C 元素守衡X=Y+++ ③解方程①①③得X=hY=hZ=h （1）所以反响器进口原料中各组分的流量：Cl2: ×=h=h 〔纯〕=h=h 〔含杂质〕CH4: h=h 〔纯〕=h=h 〔含杂质〕循环气流量：3×= kmol/h= Nm3/h其中：CH3Cl：kmol/hN2：×4%＋×3%= kmol/hCO2：×2%= kmol/h可知：= 得进口Cl2为kmol/h3 CH 4：－－－= kmol/h进口气体总量： ＋＋= kmol/h（2） 反响器出口中各组分流量：CH 3Cl ： kmol/h CH 2Cl 2： kmol/h CHCl 3 ： kmol/h CCl 4： kmol/h HCl ： kmol/h 循环气： kmol/h出口气体总量：＋＋＋＋= kmol/h（3） 出口气体中各组分的含量：CH 3Cl ： ×100%=%CH 2Cl 2：×100%=%CHCl ： ×100%=% CCl 4： ×100%=% HCl ： ×100%=% N 2：×100%=%CO 2： ×100%=% CH 4： ×100%=%表 3—1 反响器物料平衡组分kmol/h反响器进口组成%〔mol 〕 kg/h反响器出口kmol/h组成%〔mol 〕 kg/hCH 4 Cl 2 CH 3Cl CH 2Cl 22 2CHCl 3 CCl 4 HClN 2 CO 2 总计100 100〔三〕 热量衡算以 25℃为基准温度由《氯碱工业理化常数手册》查得如下数据：420℃时，由《氯碱工业理化常数手册》查得如下数据：物质n(kmol)CH 3ClCH 2Cl 2CHCl 3CCl 4HClN COΔt = 420－25=395℃输入焓：∑输入H = 0表 3—2 反响物料标准摩尔生成焓Δf/〔kJ/mol 〕 物质输入 输出CH 4Cl 2CO 2CH 3Cl CH 2Cl 2 CHCl 3 CCl 4HCln(kmol) Δf0 -100Δ f =∑ 生成物 n Δ H θ－∑ f m 反响物n Δ H θ=－×106 kJ f m 表 3—3 生成物的标准摩尔定压热容/(J ﹒K -1﹒mol -1)输出焓：∑ 输出 H = ∑nΔt = ×106 kJ℃时，由《氯碱工业理化常数手册》查得如下数据：物质n(kmol) CH4CH3Cl N2CO2考虑4%热损失，则×106×〔1-4%〕=则Q = Q放出带出循环气能带走的热量恰好为反响气放出的热量，是反响温度保持在420℃左右可以维持反响顺当进展。
第二节热量平衡计算.
Q6=15%(Q6+Q6) 4．把上述结果代码（5-17）式可得出麦汁煮沸
总耗热
Q6=115%(Q6+Q6) =12537830(kJ)
（七）糖化一次6 总耗热量Q总
Q总 Qi 21043661 (kJ) i1
=3.67〔kJ/(kg·K)〕
（4）故Q4=26.7%G混合C混合（100-70） =559860（kJ）
2．二次煮沸过程蒸汽带走的热量Q4 煮沸时间为10min，蒸发强度5%，则蒸发水分 量为：
V2=26.7%G混合5%1060 =42.4(kg)
故Q4=IV2=2257.242.4 =95705.3(kJ)
4．确定合适的计算基准
在热量衡算中，取不同的基准温度，算出的 （5-8）式中各项数据就不同。所以必须选准 一个设计温度，且每一物料的进出口基准态必 须一致。通常，取0℃为基准温度可简化计算。
此外，为使计算方便、准确，可灵活选取 适当的基准，如按100kg原料或成品、每小时 或每批次处理量等作基准进行计算。
5．进行具体的热量计算 （1）物量带入的热量Q1和带出热量Q4可按下式
计算，即： Q=ΣGct
式中 G——物料质量（kg） c——物料比热容〔kJ/(kg·K)〕 t——物料进入或离开设备的温度（℃）
（2）过程热效应Q3 过程的热效应主要有生物合 成热QB、搅拌热QS和状态热（例如汽化热、溶 解热、结晶热等）：
=4680041(kJ)
（六）麦汁煮沸过程耗热量Q6 Q6=Q6+Q6+Q3
1．麦汁升温至沸点耗热量Q6 2．煮沸过程蒸发耗热量Q6 3．热损失 Q3
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，kgp 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：Mn c c p∑⋅=α184.4； []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 /。
物料衡算和热量衡算
化学反应过程中，物质的量和组分的质量都发生变化，只有 各物料流的质量m守恒（衡算联系物的质量和摩尔数仍守 恒）。
反应过程的物料衡算式
m入 m出
m反 m产
水 ％（质量）其它 水 乙苯 （0.0217） 苯乙烯 （0.04） 焦油 （60） ∑
热量衡算是利用能量守恒的原理，通过计算传入和 传出的热量以确定：加热(或冷却)剂用量、设备需要 传递的热量多少等，为工程设计、设备设计提供设 计依据，以保证热量利用方案的合理性，提高热量 的综合利用效果。热量衡算是能量计算的一种，全 面的能量计算应包化算括工。热生产能中、的动能能量和衡电算主能要等是。热量衡
（1） 计算范围 全装置。见图16-5。
（2） 主副反应 反应式见计算过程。甲醇发生五个反应的分 配率为主氧化51.2%，脱氢39.2%，加氢0.6%，深度氧化 0.8%，完全氧化8.2%。
（3） 计算任务 甲醇消耗量，干尾气摩尔组成。
（4） 基准 年工作时为7200 h。以1 h为基准。 8000×1000 kg÷7200 h = 1111.11 kg/h
旁路分流和混合并流都是物理过程。由于没有化学变化，因此可以对总物料及 其中某组分进行衡算。如图16-1所示。
结点A V0=V1+V2 结点B Vl+V3=V4
V2
V3
不合格产品
V0
V1
A
V4 合格产品 B
图 16.1.1 以结点做衡算的示意图
【例16.1.2】 某工厂用烃类气体制合成气生产甲醇。 合化符除H气2成 后 合 装 ，89气的要置以.75体气求，便％量 体 。置 达，为 摩 将换 到气尔 部2脱 工体32组 分艺C1体O成转要m积2后3为化求／减，：气。h小，气送C求2O摩体％去转4尔摩。C化3.O比尔1用气2变为组％此、换C成，变变O反为H换换:H应2：气气52器=4调C各.12和:O％2节为.C48，转。多O.7不62化转少脱％？，
化工设计-热量衡算
CP,正己烷(l) 215.5J/(mol K) CP,H2O(l) 75.4J/(mol K)
CP,正己烷(g) 1.657 13.19 10 2 T 6.844 10 5 T 2 13.78 10-9 T 3 cal/(mol K)
例3 浓度为0.50（摩尔分数，下同）的苯、甲苯混 合液，温度为10℃，连续送入汽化室内，在汽化室内 混合物被加热至50℃，压力为4.6kPa。液相中苯的浓 度为0.40，汽相中苯的浓度为0.684。问1kmol进料要 多少热量？
查得各组分的摩尔热容： 单位 J/(mol·K)
C p,C6H5CH3 g 34.40 55.92 10 2 T 34.45 10 5 T 2
输出：
353
323
H m,C6H6 g 283 CP,C6H6 l dT HV ,C6H6 353 CP,C6H6 g dT 37602 .17kJ/kmol
384
323
H m,C6H5CH3 g C dT 283 P,C6H5CH3 l HV ,C6H5CH3 C dT 384 P,C6H5CH3 g 42780 kJ/kmol
1
S2
S1
Q ni Hmi 出 ni Hmi 入
1
1
若第 i股物流中 组j 分的摩尔焓为 H，mij共 个N组分，则
N
U mi U mij xij
1
N
H mi H mij xij
1
3.3.1 热量衡算基本方法和步骤
3.热量衡算的方法和步骤
① 画出物料衡算简图，选取计算基准，进行物料衡算。 ② 在物料衡算简图上标明状态、相态。 ③ 选取基准态（指热力学函数的基准态）,列热平衡式。 ④ 列焓方程式，计算各流股中各组分的焓值，并代入热 平衡式中求解。 ⑤ 列热量衡算表。
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二、化工过程综合 1、过程综合要求:提出几个方案。 2、过程分析和优化:使设备费和操作费最低。 3、过程选择:对比方案,选择最好方案。 三、化工过程参数 1、温度 2、压力 3、流量 4、组成
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设:x=苯的输入量;y= 95％乙醇输入量;z= 5％乙醇输 出量。 三个组分,三个未知数,可列出三个方程求解。 1)苯的衡算 x = 0 2)乙醇的衡算 0.95y = 0.999(100) + 0.05z 3)总的物料衡算 x + y = 100 + z 上三式联立求解得: x=0 y=105.44(吨) z=5.44(吨) 答:应向塔A加入95％的乙醇水溶液105.44吨;苯为零。
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例5-1 用恒沸蒸馏法,将含有95％的乙醇水溶液制成 浓度达99.9％乙醇水溶液,以苯作溶剂。其流程及各 物流的组成如图5-2所示。试计算每生产100吨99.9 ％乙醇水溶液,应向塔A加入的: (1)95％的乙醇水溶液量;(2)苯量。
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输入 95﹪乙醇 ----------------------------------
输出
合计
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输入 95﹪乙醇 苯 99﹪乙醇 5﹪乙醇 合计 105.44
输出
105.44
Q1(物料)+Q2(反应)+Q3(介质)=Q4(物料)+Q5(介质)+Q6(反 应)+Q7(损失)
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2、热量衡算的方法和步骤 1)分析各股物料之间热平衡关系 2)收集计算数据 3)标绘热量衡算示意图 4)确定衡算范围 5)选定计算基准:100kg kg/h。 6)列出输入--输出热平衡表
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例5-1
18.5%乙醇 74.1%苯 7.4%水
40.5%乙醇 59.5%苯
14.5%乙醇 84.5%苯 1%水
95%乙醇 5%水
53%乙醇 11%苯 36%水
99.9%乙醇 0.1%水 100吨
5%乙醇 95%水
100 5.44 105.44
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工厂基本建设过程
1、项目建议书 2、可行性研究 3、初步设计 4、施工图设计 5、施工、试车、 验收
｝ ｛
1、厂址选择 2、总平面设计 3、工艺设计
1、工艺流程设计 2、化工计算 3、设备的选型与设计 4、车间布置设计 5、管道设计 6、公用工程 7、工程概预算 8、技术经济分析 9、安全生产与环境保护
U EK EP Q W
H EK EP Q W
可简化为 U Q W 3、机械能平衡方程式 伯努利方程式
1 2 p u g Z h f W 2
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三、热量衡算 在能量衡算中,不讨论能量转换,只考虑热量变化的 衡算称为热量衡算。 1、热平衡方程式 1) 连续稳态流动的热量衡算式为：Q H △H=∑H出－∑H入＝∑Q 2)非流动体系,忽略动能和势能(如间歇过程)： Q U △U=∑U出－∑U入＝∑Q 3)普遍应用的平衡式：
Company 集计算数据: 原料,辅料,中间产物,产品的规格。单位时间 流量。消耗定额。转化率,选择性,收率。物 理化学常数。 2、画物料流程图:物料衡算方框图。 3、确定衡算范围:假设一独立体系。 4、选定计算基准:100kg kg/h。 5、列出输入--输出物料平衡表：
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热量衡算
第五章
化工计算
第一节 化工过程 一、化工过程分类 1、化学反应:有新物质生成的变化类型。 2、分离或提纯:利用相变如 蒸馏,结晶,萃取。 3、混合:利于加速传热传质,溶液,乳浊液,悬 浮液。 4、输送:液体输送,机械输送,风力输送。 5、温度、压力和相变:温度可使物质产生相变如冷凝, 蒸发,熔化。温度可改变粘度,溶解度, 表面张力。压力对气体在液体中的溶解度有 很大影响。
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第二节
物料衡算
一、物料衡算的意义和作用 物料衡算是化工计算中最基本、最重要的内容 之一，是进行化工计算的基础。对工厂技术经济指 标有举足轻重的影响。 二、物料平衡方程式 1、普遍应用的平衡式 输入量+产生量-输出量-消耗量=累积量 2、连续稳定过程的平衡式 输入量+产生量=输出量+消耗量 3、间歇过程的平衡式 初始输入量+产生量=最终输出量+消耗量
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第五章
热量衡算
能量衡算应用在如下几方面 1、确定功率: 流体输送,搅拌,过滤,粉碎等单元操作所需 功率。 2、确定热量和冷量: 如蒸发,蒸馏,冷凝,冷却所需热量和冷量。 3、确定供热速率及放热速率: 化学反应热效应。 4、确定节能措施: 充分利用余热,降低能耗。
4、热（Q） 物体与环境之间由于温差而引起传递的能 量。 5、功（W） 物体与环境之间由于矢量位移而引起传递 的能量。 6、焓（H） 用来表达流动系统中能量的适当形式，是 状态函数。
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二、能量平衡方程式 1、连续稳定流动过程的总能量衡算 输入的能量-输出的能量=累积的能量 2、间歇过程的总能量平衡方程式
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一、能量的形式和概念 1、动能（EK） 表示物体作相对于环境运动所具有的能量。 2、位能（EP） 表示物体在重力场中受重力作用而具有的能 量。 3、内能（U） 表示物体内分子、原子能量的宏观尺度。
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