热量衡算.docx
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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）=ΣmCP（t2-t0）kJ式2
m——输入或输出设备的物料质量，kg
CP——物料的平均比热容，kJ/（kg•℃）
t2——物料的温度，℃
t0——基准温度，℃
Q5=ΣCPM（t2-t1）kJ式3
M——设备各部件的质量，kg
CP——设备各部件的比热容，kJ/（kg•℃）
t1——设备各部件的初始温度，℃
t2——设备各部件的最终温度，℃
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。
2全车间物料热力学数据的估算
2.1所用纯化合物比热的推算
式5
式中M——化合物分子量；
ni——分子中同种元素原子数；
ci——元素的原子比热容，kJ/（kg•℃）
原子
Ca
原子
Ca
原子
Ca
碳C
1.8
氧O
4.0
氮N
2.6
氢H
2.3
硫S
5.5
其他
6.2
查《制药工程工艺设计》P111，得到原子的摩尔热容相关数据，见表1
表1元素原子的摩尔热容单位：
kcal/（kmol•℃）
（当物质为固体时，各原子的Ca取值近似值）
原子
Ca
原子
Ca
原子
Ca
碳C
2.8
氧O
6.0
氮N
2.6
氢H
4.3
硫S
7.4
其他
8.0
（当物质为液体时，各原子的Ca取值近似值）
而在实际生产的过程中遇到的物质大多是混合物，极少数的混合物有实验测定的热容数据，一般都是根据混合物内各种物质的热容和组成进行推算的，其中杂质的含量极少，热效应可以忽略不计。
在本次设计中所涉及到得液体混合物的热容可以采用类似理想气混合物的热容的按分子组成加和的规律进行计算。
即
CP=ΣXiCPi0式6
式中CP——液体混合物的定压摩尔热容，kJ/（kmol•℃）
Xi——液体混合物中ｉ组分的摩尔分数；
CPi0——液体混合物中纯ｉ组分的定压摩尔热容
对于2（C13H20N3O2ClM=285.77）
C0P
（2）=4.187x91.4/285.77=1.34kj/kg.℃
对于联硼酸频哪醇酯（C12H24B2O4M=231.18）
CP（C12H24B2O4）=4.187*105.2/231.18=1.91kj/kg.℃
对于醋酸甲（C2H3O2KM=98.14）
CP（C2H3O2K）=4.187*38.8/98.14=1.66kj/kg.℃
对于二甲亚砜（C2H6SOM=83.95）
CP（C2H6SO）=4.187*45.4/83.95=2.26kj/kg.℃
对于（PdCl2M=175.84）
CP（PdCl2）=4.187*48/175.84=1.14kj/kg.℃
对于3（C19H32O4N3BM=377.29）
CP（C19H32O4N3B）=4.187*1377.8/377.29=1.53kj/kg.℃
对5（C18H19O3N2Cl2BrFM=480.10）
CP（C18H19O3N2Cl2BrF）=4.187*118.1/480.10=1.03kj/kg.℃
对于碳酸钠（Na2CO3M=105.99）
CP（Na2CO3）=4.187*26.2/105.99=1.03kj/kg.℃
对于4（C31H39N5O3Cl2FM=650.57）
CP（C31H39N5O3Cl2F）=4.187*189.1/650.57=1.22kj/kg.℃
查《化工工艺设计手册》（第四版上册）P1189得到下列物质比热容数据
对于水（H2OM=18.01）
对于二氧化碳（CO2M=44.01）
对于二氧化硫（SO2M=64.06）
对于氯化氢（HClM=36.46）
对于乙酸乙酯（C4H8O2M=88.11）
2.2各物质燃烧热的估算
有机物燃烧热的估算可采用卡拉奇法。
主要是适用于液体有机物，固体相差熔化热即相变热。
如果设想碳原子与氢原子之间的键是有一对电子形成的，那么在有机物燃烧时所放出的热，就可以看作是这些电子从碳原子和氢原子转移到氧原子上的结果。
根据对大多数化合物分子的结果表明，每个电子的转移会释放109.07kJ的热量。
式7
式中QC——物质的燃烧热，kJ/mol
C——化合物中C原子数
H——化合物中H原子数
P——C,H已和O结合的电子书
n——化合物燃烧时，C,H向氧转移的电子数
查《化工工艺设计手册》（第四版上册）P1225表21-122摘录如表2基团结构燃烧热的相关数据。
表2部分基团结构燃烧热参数数据表
取代基和键的性质
结构式
热量校正值Δ/（kJ/mol）
脂肪伯胺
R-NH2
54.4
脂肪仲胺
R-NH-R
81.6
脂肪酮
R-CO-
27.2
取代酰胺
R-NH-COR
27.2
羧酸
-COOH
41.2
脂肪化合物中的溴
R-Br
69.1
脂肪化合物中的氯
R-Cl
-32.2
对于2（C13H20N3O2ClM=285.77）
其充分燃烧所需的氧原子数n=2*13+20/2-2=34
对其结构分析：
包括结构有基值1，羧酸1，脂肪化合物中的氯1。
△H=-QC=-1528.21KJ/mol
同理，对于联硼酸频哪醇酯（C12H24B2O4M=231.18）
△H=-QC=-1482.01KJ/mol
对于3（C19H32O4N3BM=377.29
△H=-QC=-2727.71KJ/mol
5（C18H19O3N2Cl2BrFM=480.10）
△H=-QC=--6109.84KJ/mol
对于4（C31H39N5O3Cl2FM=650.57）
△H=-QC=--3162.99KJ/mol
2.4某些工况下物质汽化热的估算方法
液体汽化所吸收的热量成为汽化热，亦称为蒸发潜热。
在一些化工手册中能查到一些物质在常压沸点下的汽化热，有时也能找出一些物质在25℃的汽化热，但很少有其他操作条件下的数据，本次设计根据对比压强、对比温度求汽化热能很好地解决上述问题。
任何温度、压强下，化合物的汽化热均可按下列公式计算：
式8
式中ΔHv——汽化热，kJ/kg；
Tc——临界温度，K；
Tr——对比温度（实际温度与临界温度之比）；
Pr——对比压强（实际压强与临界压强之比）。
3部分岗位热量衡算
3.1取代反应岗位
（1）Q3的计算
反应热的计算公式如下：
式中δi——化学计量系数，反应物为负，生成物为正；
ΔHciθ——各物质的标准燃烧热，kJ/mol；
（2）Q1的计算
各物料带入的能量如下：
2带入的热量：
Q2=C2*M2*（t进-t出）=34232.47kj
同理，联硼酸频哪醇酯带入的热量：
Q酯=C2*M2*（t进-t出）=35563.33kj
物料带入总热量:
Q1=Q2+Q酯=69795.80kj
（2）Q4的计算
各物料带出的能量如下：
3带出的热量出来80℃
Q3=C3*M3*（t出—t进）=195859.30kj
同理，二甲亚砜带出的热量
Q二甲亚砜=43803.10kj
其他物质带出热量
Q杂质=14185.44kj
物料带出的热量：
Q4=Q3+Q二甲亚砜+Q杂质=253847.84kj
（4）Q2的计算
通常Q5+Q6=（Q1+Q2+Q3）
10%
∴Q2=Q4/（1-10%）-（Q1+Q3）=
/（1-10%）-（69795.80-1786576.99）
=1998834.35kJ
（5）换热介质批用量的计算
方便估算全车间蒸汽消耗量，从而确定锅炉房大小，本岗位计算的是蒸汽消耗量，但实际上，在工艺操作中考虑到环合反应温度控制比较低，我们不用蒸汽加热，不好精准控温，容易过热甚至有可能导致环合反应釜出现危险，所以工艺中实际是用水蒸气和冷水混合后生成的热水加热。
本次设计的加热介质采用133.5℃三个大气压下饱和水蒸气间接加热，查表的该状态下饱和水蒸气的热焓H=2725.5kJ/kg，计算公式如下：
式9
式中D——加热蒸汽的用量，kg;
Q2——由加热剂所提供的热量，kJ;
H——水蒸气的热焓，kJ/kg;
C——冷凝水的比热容，可取4.18kJ/（kg•℃）
T——冷凝水的最终温度，K；
η——为热利用率，保温设备为0.97-0.98（取0.975），
不保温设备为0.93-0.95
则此岗位水蒸气的用量为
氯化反应岗位热量衡算结果如表5-3所示：
表3取代反应岗位热量平衡及介质消耗表
热类型
值/kJ
热类型
值/kJ（kg）
Q1
Q4
Q2
1998834.35
Q5+6
28205.31
Q3
D蒸汽（3atm）
3.2缩合反应岗位（计算跟第一工段一样）
（1）Q3的计算
反应热的计算公式如下：
式中δi——化学计量系数，反应物为负，生成物为正；
ΔHciθ——各物质的标准燃烧热，kJ/mol；
（2）Q1的计算
各物料带入的能量如下：
3带入的热量：
Q3=36627.12KJ
5带入的热量：
Q5=36955.28KJ
PdCl2带入的热量：
QPdCl2=1801889kj
物料带入总热量:
Q1=∑Qn=1801889kj
（3）Q4的计算
各物料带出的能量如下：
4带出的热量：
Q4=-10323.52KJ
其它物质带出的热量：
Q其=-1606.883kj
水带出的热量：
Q水=-103113.50kj
副产物带出的热量：
Q副=-3359039kj
PdCl2带出的热量：
QPdcl2=-2204.84kj
物料带出的热量：
Q4=∑Q=-479032.09KJ
（4）Q2的计算
通常Q5+Q6=（Q1+Q2+Q3）
10%
∴Q2=Q4/（1-10%）-（Q1+Q3）=-479032.09/（1-10%）-（2383061.34-1778858.75）
=-1136460.468kJ
（5）换热介质批用量的计算
在换热过程中，冷却介质不发生相变，冷却剂的用量可由下式计算
式中W——冷却剂的用量，kg；
Q2——从冷却剂中移走的热量，kJ；
C——冷却剂的平均比热容，kJ/（kg•℃）；
TK——冷却剂的最终温度，℃；
TH——冷却剂的最初温度，℃；
则此岗位冷冻盐水的用量为：
缩合反应岗位热量衡算结果如表5-4所示：
表4缩合反应岗位热量平衡及介质消耗表
热类型
值/kJ
热类型
值/kJ（kg）
Q1
Q4
Q2
-1136460.47
Q5+6
-53225.79
Q3
D冷冻盐水（3atm）
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