注册化学工程师伴有化学反应过程系统或设备的热量平衡分析.docx

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注册化学工程师伴有化学反应过程系统或设备的热量平衡分析

第5节能量衡算

5.1伴有化学反应过程系统或设备的热量平衡分析

一般的化工生产过程多数都有化学反应，同时伴随着热效应的产生，有些反应是放热的，有些反应是吸热的。

因此，为了控制操作在规定的条件下进行，就需要移出或向系统补充一定的热量。

在进行化学反应过程的热量计算时，反应热是一个关键数据。

关于反应热的求法，一部分化学反应过程的反应热可以通过手册查到，但有一些反应过程反应热是通过计算得到的。

计算方法前面已经介绍了。

面已经介绍了。

（1）间歇过程热量计算

例1已知苯乙烯的比热容20℃时为1.742kJ/kg•K，145℃时为2.479kJ/kg•K；聚苯乙烯的比热容200C时为1.457kJ/kg•K，145℃时为3.119kJ/kg•K.以原料苯乙烯1吨为计算基准，对第一级聚合釜进行热量衡算。

聚合过程相关数据如下：

第一聚合釜，进料50℃，出料145℃，聚合度48%，聚合反应时间为2h。

试计算第一聚合釜的热损失。

解：

聚合反应方程式为

在间歇操作中，整个操作周期内，各阶段的温度不同，所用的时间也不相同，所需要传出或传入的热量也不相同。

所以，各阶段所需要的传热面积也自然不同，因此，在间歇操作时，要分析最大传出和传入阶段的热量，以便核实传热面积。

例2萘磺化过程反应器面积的计算。

图1例2示意图

萘磺化生成萘磺酸过程，各阶段时间与温度关系如图1所示。

磺化反应器容积为3000L，夹套传热面积为8.3m2。

熔融萘升温时，总传热系数为1255.2kJ/m2•h•℃。

加热磺化物料时，总传热系数为200×4.184=836.8kJ/m2•h•℃。

加热用0.8MPa（表压）的饱和蒸汽。

计算并校核反应器的传热面积是否满足生产要求。

该化工过程的物料的衡算结果如下表1所示

表1萘磺化生成萘磺酸物料平衡表

解：

从图1中看到，第1和第5阶段不用加热。

在第3阶段，反应过程热效应使物料升温，也不需要加热，所以只需要计算第2、4阶段的加热和所需要的加热面积。

（1）计算第2阶段所需要的传热面积

液萘在110~140℃的平均比热容为1.86kJ/kg·℃，萘量为l540kg，加热所需的热量为（Q2）2，即

（Q2）2=1540×1.86×（140-110）=85932kJ

加热用0.8MPa（表压）水蒸气，查得水蒸气温度为175℃。

则平均温差

为

由图1知，第2阶段所需的时间为0.25h，则第2阶段所需的传热面积由

（2）计算第4阶段所需传热面积

本题在物料计算的基础上，通过热量计算已知，整个过程需要加热量为2.469×l05kJ即Q2（计算过程略）

第4阶段所需要的加热量为

计算结果表明3000L的容器的传热面积8.3m2能满足本化工过程传热要求。

（2）连续操作过程热量衡算

例3甲醇氧化生产甲醛在列管式固定床催化反应器中进行，原料气是甲醇与空气的混合气体，混合气中空气与甲醇的摩尔比为13.28：

1，原料气预热到210℃后进入列管式固定床催化反应器的管内，在催化剂作用下发生的反应及相应的反应热为

已知CH3OH的转化率为100%，甲醛的收率为88.9%，其余进行副反应

（2）和（3），副反应

（2）和（3）按3:

1（mol比）消耗甲醇，反应器列管管间用道生作为热载体，道生在管间汽化吸收反应放出的热量，使反应温度维持在300℃左右，反应后的混合气体离开反应器的温度为300℃，反应器的热损失是反应器向外界放出的总热量的5%。

已知各有关气体物质的平均热容数据如下，表中热容的单位是

道生的比热容为3.477kJ/（kg•K），道生进入反应器的温度为180℃，于290℃汽化，在290℃下的汽化热为269.9kJ/kg，试作反应器的热衡算，求道生循环量。

解：

计算基准取100kmol反应器进口混合气/h

（1）物料衡算

①首先计算进入反应器的物料

100原料气kmol/h中，含有CH3OH和空气的量分别为

空气100-7=93kmol/h

取常温下空气中平均水蒸气含量为2.02%（mol），因此，空气组成为

②计算主、副反应消耗的O2量

进入反应器的7kmol甲醇/h参与主、副反应，其量分配如下：

由此分别计算主、副反应所消耗的

量。

主反应消耗O2量为

副反应

（2）消耗O2量为0.585kmol/h

副反应（3）消耗O2量为

共消耗O2量为3.111+0.585+0.293=3.988kmol/h

所以反应器出口气体中含有的O2量为

19.04-3.988=15.05kmol/h

③反应生成的主、副产物的量

生成甲醛6.223kmol/h

生成CO0.585kmol/h

生成O20.195kmol/h

生成H2O6.223+2×0.585+2×0.195=7.78kmol/h

④计算反应器出口气体混合物中含H2O量

反应器出口混合物中的H2O量是进口气体带人H2O与反应生成的H2O量之和，其值为1.88+7.78=9.66kmol/h

所以，反应器的物料平衡（以100kmol反应器进口混合气/h为基准）见表1.2-4

（2）热量衡算

因为已知25℃的反应热数据，所以假设如下热力学途径：

依题意，热损失为反应器向外界放出的总热量的5%，即

说明需要由热载体取出热量，其值为

③计算热载体（道生）循环量

对100kmol反应器进口混合气/h来说的热载体循环量为

5.2过程的物料及能量平衡分析

在过程设计和生产过程分析时，往往需要对稳定的化工过程的物料及能量进行综合计算。

1．物料平衡方程

将质量守恒定律应用于稳态下无化学反应的过程单元时，物料平衡方程为

（39）

式中：

Fi为物流i的质量流量或摩尔流量（进入系统为正、离开的为负）；Ns为过程中物流的总数；xij可为物流i中j组分的质量分数或摩尔分数。

对每一个组分j都应服从式（39）。

对于有化学反应的方程式（39），物料平衡方程为

（40）

mjk为组分j中元素k的原子数

2．能量平衡方程式

将能量守恒定律应用于定态的过程时，能量平衡方程式为

（41）

式中：

Fi为摩尔流量或质量流量，mol/s，kg/s；

为组分i的焓，kJ/mol,kJ/kg;ddQ为通过过程边界的热量传递速率，

等为以功的形式通过边界的传递速率，kJ/s。

在应用式（41）时，流入过程单元的能量为正，而流出过程单元的为负号。

因此，

正值表示向单元中传人流量；而

负值时表示单元向外输出能量。

正值的

表示外界对系统作功。

热以辐射和传导的方式通过过程单元的边界，而功则可能以电功或机械功给予系统。

5.3热量计算及化工设计中的几个问题

1．关于有效平均温差

有效平均温差是传热的平均推动力，它是换热器计算中的一个重要参数。

应注意有效平均温差不一定等于对数平均温差，只是在一个特定的条件下才等于对数平均温差。

（1）列管式换热器逆流

列管式换热器两换热介质逆流流向时，有效平均温差等于对数平均温差（如图1.2-7（a）所示），即

（2）列管式换热器并流

列管式换热器两换热介质并流流向时，有效平均温差等于对数平均温差（如图1.2-7（b）所示），即

（3）其他流向图1.2-7单壳程换热器流体流向

其他流向，如图1.2-8所示的二管程换热器，有效平均温差为

（4）反应釜间歇冷却过程

如图1.2-9所示，反应釜中热流体经过一段时间后，温度由Ti降低至T2，冷却剂进口温度不变，始终为tl，而冷却剂出口温度却从tl升温至t2。

这种间歇过程的有效平均温差和冷却剂的最终温度从过程开始到结束在不断变化，因此，既不能用起始状态的有效平均温差，也不能用终止状态的有效平均温差来代表整个过程的有效平均温差。

这时可用一个经验公式求得较为合理的有效平均温差，即

冷却剂的平均最终温度：

（5）反应釜间歇加热过程

如图1.2-10所示（无相变情况），反应釜中冷流体经过一段时间后，温度由tl升温至t2，加热剂进口温度不变始终为Ti，而加热剂出口温度却从T1降低至T2。

这种间歇过程的有效平均温差和加热剂的最终温度从过程开始到结束在不断变化，因此，既不能用起始状态的有效平均温差，又不能用终止状态的有效平均温差来代表整个过程的有效平均温差。

这时可用一个经验公式求得较为合理的有效平均温差，即

2．壁温的确定

在换热设备的设计计算时，壁温的确定是很重要的。

在计算总传热系数和计算散热时需要确定壁温。

在高温设备中计算壁温有助于选用较适宜的材料。

有时壳体或管子壁温差较大