1、高分子工程设计 Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,热量衡算是能量衡算的一种,是继物料衡算后又一重要的化工计算,二者都是设备工艺计算及其它工艺计算的基础。,4.1 热量衡算的定义、类型、作用及理论依据,定义,以能量守恒定律为基础,在稳定的条件下,对设备的操作过程中传入热量或传出热量的进行的平衡计算。,环境输入到系统的能量 由系统输出到环境的能量 系统内累积的能量，能量 一般包括热能，动能和电能 等，我们高分子工程设计主 要是以热能为主，其次还有 电能,高分子工程设计 Design of Polymer
2、Engineering, Shaanxi University of Technology,类型,热量衡算有单元设备热量衡算和整个过程热量衡算两种。当各个单元设备之间没有热量交换时只需对个别设备进行热量衡算;当各工序或设备之间有热量交换时必须对整个过程进行热量衡算。,作用, 为后续工艺设计提供依据,对于间歇操作过程,用高峰热负荷计算设备传热面积、传热介质流量、工艺管径等来满足最大操作负荷时的工艺要求;计算热负荷变化规律,为控制方案的选择提供依据。,高分子工程设计 Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,对于
3、连续操作过程, 主要计算正常操作时的传热速率，为设备传热面积、传热介质流量、工艺管径等计算及控制方案的选择提供依据。 对于完整工艺设计过程，还需计算连续装置开、停车时传热速率的变化情况，为辅助工艺控制过程的设计提供依据。, 热量消耗的计算及能源的综合利用,热量消耗的计算主要是为经济核算等提供依据，还需根据热量衡算的结果，解决能源合理应用问题。,高分子工程设计 Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,理论依据,热平衡方程:, 为其它专业的设计提供依据,提出传热介质的种类、相态、使用温度范围、使用压力范围、传热
4、介质流量及用量、设备是否需要保温等设计条件，为公用工程、自控仪表等的设计提供依据。,解决实际问题时,热平衡方程可写成: QT=Q1+Q2+Q3+Q4 或qT=q1+q2+q3+q4,高分子工程设计 Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,4.2 各种热量的计算方法,q1或 Q1的计算(显热), 恒容变化过程,高分子工程设计 Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology, 恒压变化过程, 液体或固体,高分子工程设计 Design
5、 of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology, 混合物料体系, 间歇操作过程,高分子工程设计 Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,q2或 Q2的计算(化学反应热、相变热、溶解热、混合热等), 物料发生化学反应,高分子工程设计 Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology, 物料发生其它物理变化,高分子工程设计 Design of Polymer Engi
6、neering, Shaanxi University of Technology,q3或 Q3的计算(设备温度变化),通常间歇操作过程中，物料起始时温度与终止时温度不同，设备的温度也随之变化,间歇操作q30; 连续操作过程中，物料温度与设备温度都不随时间而变化,q3 =0; 开停车或排除故障时q30;设备升温,q30，设备降温, q30,高分子工程设计 Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,q4或 Q4的计算(热损失),注:当设备表面与环境温度相差较大时,应在设备外面包上保温介质,此时保温层外部的温度与
7、设备裸露处温度是不同的,各部分热损失应分别计算。,高分子工程设计 Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,空气自然对流,设备表面温度Tw150条件下,平壁保温层外:,圆管或圆筒保温层外:,当设备操作温度高于环境温度时，q40，设备操作温度低于环境温度时，q40, 实际设计中，若设备有保温层时，常取热损失速率为总传热速率的10。,高分子工程设计 Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,搅拌热,搅拌设备中物料为低粘度流体时，
8、搅拌热可忽略不计。在自由基本体聚合、熔融缩聚、高浓度溶液聚合等反应中，当转化率较高时，反应液粘度较高，搅拌器与流体间摩擦和不同流速流体间内摩擦而产生的热量不容忽略。影响搅拌热的因素有反应器结构、搅拌器结构、搅拌器转速、流体流动性能等，搅拌热一般由现场操作测得。,高分子工程设计 Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,4.3 传热介质的用量,传热介质用量的计算,若传热介质相变温度介于其进出口温度之间,则需分段计算。,高分子工程设计 Design of Polymer Engineering, Shaanxi
9、University of Technology,燃料消耗量的计算,电能消耗量的计算,高分子工程设计 Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,4.4 单台设备的热量衡算,包括计算传入或传出热量,确定有效热负荷,从而确定加热剂(或冷却剂)的消耗量和设备必须满足的传热面积。,全面了解物料在各个设备中发生的化学变化及物理化学变化,确定计算对象、计算目的、计算内容及计算单位,根据计算对象（连续操作还是间歇操作、单台设备还是全系统）和计算目的（为操作过程的控制提供设计依据还是进行能量消耗及成本核算）确定计算内容。若计
10、算能量消耗或成本核算，则热平衡方程对传热量进行平衡计算，计算单位为kJ、kJ/B 、 kJ/kg等; 若计算传热面积(若为间歇操作应按高峰热负荷的传热速率计算)或传热介质流量等，则应对传热速率进行平衡计算，计算单位通常为kJ/h。,高分子工程设计 Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,收集数据资料,主要收集已知物料量、 工艺条件(温度、压力、反应程度)以及有关物性数据如比热容、 汽化潜热、 标准生成热等。,列出热量平衡关系式,逐项计算各种热量的数值,按照各种热量的传递方向确定其数值的正负号,求出与外界的传
11、热量、传热效率,确定传热方向,归纳整理计算结果,高分子工程设计 Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,4.5 反应器热量衡算示例,例1 间歇搅拌釜反应器恒温操作过程热量衡算,在一间歇操作的反应器进行二级恒温变容反应过程，反应动力学方程如下：,式中：rA(x)以反应物浓度变化表示的反应速率、rx(x)以反应物转化率变化表示的反应速率。,反应物初始浓度CA0=4kmolm-3、反应速率常数k=0.2080 m3kmol-1h-1、体积收缩系数=0.2、反应温度TR=80C。该反应为吸热反应，反应热HR=5.4
12、1104kJkmol-1、反应物相对分子质量M=60、反应液混合密度0=970kgm-3、每批投料量W0=3880kg、反应终点转化率x=0.8。用TS=130C的水蒸气加热，反应器的总传热系数K=500Wm-2-1，忽略设备升温需要的热量及热损失，计算反应器的传热面积。,高分子工程设计 Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,计算过程分析,（1）该反应过程为间歇操作，属于非稳定操作过程。对(2)式进行积分可得到转化率与反应时间关系：,（2）用热平衡方程(qT = q1 + q2 + q3 + q4 kJh
13、-1)进行计算, 因为是恒温反应，所以q1 = 0。按题意q3 = 0、q4 = 0，因此有：,（3）上式中反应速率用(1)式计算，变容反应过程反应液的体积为：,高分子工程设计 Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,MathCAD解题方法,（4）反应器的换热面积（A）可由传热速率方程计算：,（1）直接用定积分符号计算(3)式，模拟计算转化率与时间关系曲线； （2）用(1)式模拟计算反应速率与时间关系曲线； （3）用(5)式模拟计算总传热速率与时间关系曲线； （4）用(6)式模拟计算所需传热面积与时间关系曲
14、线。,计算结果,（1）反应起始时，反应速率最快、传热速率及所需传热面积最大； （2）反应器的换热面积需要8.00m2。,高分子工程设计 Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,MathCAD程序,高分子工程设计 Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,高分子工程设计 Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,例2 间歇搅拌釜反应器变温操
15、作过程热量衡算,在例1题中的反应体系中采用升温的方法控制反应的进行，升温曲线如本题中附图。反应液混合比热CPm=2.09kJkg-1-1、反应频率因子A=5.66107m3kmol-1h-1、反应活化能E=57kJmol-1、其它有关数据取自例1。计算： 1. 饱和水蒸气加热，水蒸气与反应液温度差恒定为50 ，计算反应器的传热面积； 2. 用130 饱和水蒸气加热，计算反应器的传热面积； 3. 用130 饱和水蒸气加热，计算水蒸气的流量及每批反应水蒸气的总用量。,问题1:,计算过程分析,（1）通过对该反应过程动力学模型的模拟计算可得到转化率与时间关系，该计算过程具体方法见例11-2。,高分子工
16、程设计 Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,（2）用热平衡方程(qT = q1 + q2 + q3 + q4 kJh-1)对每批反应过程的传热速率进行平衡计算，按题意q3 = 0、q4 = 0，得到以下关系式：,（3）由,得:,（4）按温度控制曲线，升温速率随时间的关系为：,高分子工程设计 Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,MathCAD解题方法,由例1中(5)式有：,（1）在MathCAD中用if函数定义反应
17、过程中温度T(t)及升温速率dT(t)的计算 T(t):=if(t3,60+10t,90) dT(t)=if(t3,10,0) 计算结果为：时间t3h，反应温度为60+10t ，升温速率为10 h-1； 时间t3h，反应温度为90 ，升温速率为0 h-1。,（2）用rkfixed函数求解动力学方程，具体方法见例11-2。计算结果得到X矩阵，其中第0列为反应时间，第1列为转化率。计算结果可直接用于反应速率、传热速率的计算。,高分子工程设计 Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,（3）利用X矩阵中的结果，用(
18、2)、(4)、(1)式分别计算q1、q2、qT；,计算结果,（1）反应时间在0.62h时，总传热速率达到最大值为3.163105 kJh-1。 （2）由于水蒸气与反应温度差恒定为50 ，所以反应器所需的最大传热面积用高峰热负荷计算：,高分子工程设计 Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,MathCAD程序,高分子工程设计 Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,高分子工程设计 Design of Polymer Eng
19、ineering, Shaanxi University of Technology,问题2:,计算过程分析,用130 饱和水蒸气加热，计算反应器的传热面积。由于水蒸气温度不变，反应温度升高，所以传热介质与物料的温差随反应延长时间而降低。所需传热面积随反应时间的变化由下式计算：,MathCAD解题方法,将问题1中的计算结果X矩阵及qT代到(5)式中，进行模拟计算得到St曲线。,高分子工程设计 Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,计算结果,反应时间为1.84h，所需传热面积最大，为3.0m2。,问题3:,
20、计算过程分析,用130 饱和水蒸气加热，模拟计算水蒸气的流量随时间的变化及每批反应水蒸气总用量 查手册，130 饱和水蒸气冷凝热HS =2177.6kJkg-1，密度S =1.494kgm-3，用(5-18)式计算反应过程中用水蒸气的质量流量（gs，kgh-1）并转换成体积流量（vs，m3h-1）。,高分子工程设计 Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,MathCAD解题方法,将问题1计算结果X矩阵及qT代到上述二式中，模拟计算得到gst、vst曲线。,计算结果,（1）反应时间在0.62h，水蒸气最大质量流量为145.24kgh-1，水蒸气最大体积流量为97.22m3h-1。 （2）用用热平衡方程(QT = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 kJ)对每批反应过程进行换热量的平衡计算：,高分子工程设计 Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,由,得:,由,得:,每批反应所需总换热量：,（3）每批反应水蒸气的总用量：,高分子工程设计 Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,MathCAD程序,
