熱量衡算系統(tǒng)能量的合理利用

提高能源的利用率，大力節(jié)約能源，降低能耗是化工生產(chǎn)和設(shè)計的一項重要指導(dǎo)原則。在工廠設(shè)計中，降低能量消耗是一項必須高度重視的基本原則。能量的消耗指標(biāo)是設(shè)計的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)之一，它影響到工廠的產(chǎn)品成本以及燃料和動力的總供應(yīng)量；因而在一定程度上反映了所設(shè)計的工廠在技術(shù)上的先進性和經(jīng)濟上的合理性如何。一個好的設(shè)計必須采取各種措施來降低能量的消耗。

降低能量消耗的重要措施：綜合利用能量、回收利用廢熱能綜合利用的典型例子是現(xiàn)代大型化工企業(yè)的動力工藝裝置。動力工藝裝置就是把動力系統(tǒng)與工藝系統(tǒng)密切結(jié)合起來。2015年，對大型化工廠，不僅要求它能做到“熱量自給”，甚至還要求做到“能量自給”以及“動力自給” 。2100433B

計算基準(zhǔn)包括兩方面，一指數(shù)量上的基準(zhǔn)，一指相態(tài)的基準(zhǔn)（亦稱為基準(zhǔn)態(tài)）。數(shù)量上的基準(zhǔn)，指用哪個量出發(fā)來計算熱量，與物料衡算相似。相態(tài)的基準(zhǔn)指在熱量衡算中之所以要確定基準(zhǔn)態(tài)，是因為在熱衡算中廣泛使用焓這個熱力學(xué)函數(shù)，焓沒有絕對值，只有相對于某一基準(zhǔn)態(tài)的相對值?；鶞?zhǔn)態(tài)可以任意規(guī)定，不同物料可使用不同的基準(zhǔn)，但對同一種物料，其進口和出口的基準(zhǔn)態(tài)必須相同。

能量衡算和物料衡算類似，要用到守恒的概念，即要計算進入和離開特定體系的能量值，因此必須分清不同形式的能量形式及表示的方法。由于能量存在有多種形式，因此能量衡算要比物料衡算復(fù)雜。

熱量衡算位能（Ep）

位能又稱勢能，是物體由于在高度上的位移而具有的能量。其值的大小與物體所在的力場有關(guān)，物體在重力場中所具有的位能可用下式表示：

位能的大小和基準(zhǔn)面有關(guān)，因此物體距基準(zhǔn)面的高度差決定了位能的大小，當(dāng)物體處于基準(zhǔn)面上時其位能為零。由于多數(shù)化工生產(chǎn)過程基本上是在地表或接近地表的高度進行的，位能對整個能量衡算的影響一般不大，除在計算物料的輸送功率時物料的位能變化是不可忽略的外，在能量衡算中位能皆可忽略。

熱量衡算動能（Ek）

由于物體運動所具有的能量，稱為動能，其值表示為：

物體的動能與物體運動速度的平方成正比，因此物體的運動速度對動能的影響較大，但在化工生產(chǎn)過程中物料的流動速度一般都不大，與其他能量相比較可以忽略，只有當(dāng)物料經(jīng)過噴嘴或銳孔形成高速的噴射流時，在能量衡算中動能的影響才比較明顯其值不可以忽略。

熱量衡算內(nèi)能（U）

內(nèi)能表示除了宏觀的動能和位能外物質(zhì)所具有的能量，其大小與分子運動有關(guān)。對于純組分物質(zhì)，內(nèi)能可表示成與溫度和摩爾體積間的函數(shù)關(guān)系 ：

熱量衡算的主要依據(jù)是能量守恒定律，其數(shù)學(xué)表達式為

Q₁ Q₂ Q₃=Q₄ Q₅ Q₆

其中：

Q₁——物料帶入到設(shè)備的熱量，kJ

Q₂——加熱劑或冷卻劑傳給設(shè)備和所處理物料的熱量，kJ

Q₃——過程熱效應(yīng)，kJ

Q₄——物料離開設(shè)備所消耗的熱量，kJ

Q₅——加熱或冷卻設(shè)備所消耗的熱量，kJ

Q₆——設(shè)備向環(huán)境散失的熱量，kJ

Q₁（Q₄）=Σ mC_P(t₂- t₀) kJ

m ——輸入或輸出設(shè)備的物料質(zhì)量，kg

C_P——物料的平均比熱容，kJ/(kg·℃)

t₂——物料的溫度，℃

t₀——基準(zhǔn)溫度，℃

Q₅=Σ C_PM (t_2-t₁) kJ

M——設(shè)備各部件的質(zhì)量，kg

C_P——設(shè)備各部件的比熱容，kJ/(kg·℃)

t₁——設(shè)備各部件的初始溫度，℃

t₂——設(shè)備各部件的最終溫度，℃

Q₅ Q₆=10%Q_總

熱量衡算是在物料衡算的結(jié)果基礎(chǔ)上而進行的，因此，物料衡算表是進行熱量衡算的首要條件。其次還必須收集有關(guān)物質(zhì)的熱力學(xué)數(shù)據(jù)，例如比熱容，相變熱，反應(yīng)熱等 。

能量衡算的基礎(chǔ)是物料衡算。 化工設(shè)計中的能量衡算主要是熱量衡算。在化工設(shè)計工作中，通過熱量衡算可以得到下面各種情況下的設(shè)計參數(shù)。

(1)換熱設(shè)備的熱負(fù)荷；

(2)反應(yīng)器的換熱量；

(3)吸收塔冷卻裝置的熱負(fù)荷；

(4)冷激式多段絕熱固定床反應(yīng)器的冷激劑用量；

(5)加熱蒸汽、冷卻水、冷凍鹽水的用量；

(6)有機高溫?zé)彷d體（如聯(lián)苯、導(dǎo)熱姆等）和熔鹽的循環(huán)量；

(7)冷凍系統(tǒng)的制冷量和冷凍劑循環(huán)量；

(8)換熱器冷、熱支路的物流比例 ；

(9)設(shè)備進、出口的各股物料中某股物料的溫度 。

物料衡算（無014）

概述

第一章 物料衡算的基本關(guān)系式及方法

第一節(jié) 物料衡算基本關(guān)系式

第二節(jié) 物料衡算的方法和步驟

第三節(jié) 物料衡算基準(zhǔn)的選擇

習(xí)題

第二章 不含化學(xué)反應(yīng)的物料衡算

第一節(jié) 不含化學(xué)反應(yīng)的物料衡算的計算步驟

第二節(jié) 應(yīng)用舉例

習(xí)題

第三章 化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算

第一節(jié) 轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)率、收率的計算

第二節(jié) 化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算

第三節(jié) 循環(huán)過程的物料衡算

習(xí)題

第四章 組成和流量數(shù)據(jù)不全的物料衡算

習(xí)題

附錄

參考文獻

熱量衡算（無042）

概述

第一章 氣體的p、v、t性質(zhì)

第一節(jié) 理想氣體

第二節(jié) 分壓定律及分體積定律

習(xí)題

第二章 熱力學(xué)第一定律

第一節(jié) 基本概念及術(shù)語

第二節(jié) 熱力學(xué)第一定律

第三節(jié) 恒容熱、恒壓熱及焓

第四節(jié) 熱容

第五節(jié) 相變熱、溶解熱與沖淡熱及化學(xué)反應(yīng)熱

習(xí)題

第三章 熱力學(xué)第二定律

第一節(jié) 熱力學(xué)第二定律

第二節(jié) 卡諾循環(huán)及熱機效率

第三節(jié) 熵和熵差計算

習(xí)題

第四章 熱量計算

第一節(jié) 顯熱和潛熱的計算

第二節(jié) 熱量衡算步驟與計算實例

附錄

一、換算系數(shù)

二、部分氣體的臨界常數(shù)

三、部分氣體的比熱容

四、飽和水蒸氣表

五、某些物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)生成由焓，標(biāo)準(zhǔn)熵及比熱容（25c）2100433B

能量衡算工藝流程

與物料衡算相同，根據(jù)幾個主要的操作單元，也將能量衡算分為三個工段， 即原料混合工段、烷基化反應(yīng)工段、粗產(chǎn)品處理工段。能量衡算數(shù)據(jù)以總流程模擬為準(zhǔn)。

能量衡算任務(wù)

對于本廠，工藝采取年開工300天的連續(xù)操作，物料衡算的主要任務(wù)在于：確定工藝單元中物料輸送機械（如泵）和其他操作機械所需要的功率， 以便于進行設(shè)備的設(shè)計和選型； 確定精餾等各個單元操作中所需要的熱量或冷量以及傳遞速率，計算換熱設(shè)備的尺寸，確定加熱劑和冷卻劑的消耗量，為后續(xù)設(shè)計中比如供汽、供冷、供水等專業(yè)提供設(shè)備條件；確定為保持一定反應(yīng)溫度所需移除或者加入的熱傳遞速率，指導(dǎo)反應(yīng)器的設(shè)計和選型； 提高熱量內(nèi)部集成度，充分利用余熱，提高能量利用率，降低能耗； 最終計算出總需求能量和能量的費用，并由此確定工藝過程在經(jīng)濟上的可行性。2100433B

本書為《化工工人技術(shù)理論培訓(xùn)教材》之一。書中有大量的計算實例以幫助讀者加深理解。