熱量衡算例子

2.1設(shè)備的熱量平衡方程式對(duì)于有傳熱要求的設(shè)備，其熱量平衡方程式為：Q+Q+Q=Q+Q+Q123456式中Q—物料帶入到設(shè)備的熱量kJ；Q—加熱劑或冷卻劑傳給設(shè)備和所處理物12料的熱量kJ；Q—過程熱效應(yīng)kJ；Q—物料離開設(shè)備所帶走的熱量kJ；Q—加熱345或冷卻設(shè)備所消耗的熱量kJ；Q—設(shè)備向環(huán)境散失的熱量kJ。6（1） Q與QQ與Q均可用下式計(jì)算：Q（Q）二刀mtCpkJ式中m一輸入（或輸141414出）設(shè)備的物料量kg；Cp—物料的平均比熱容kJ/kg?°C；t—物料的溫度。C。該式的計(jì)算基準(zhǔn)是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，即0°C及1.013X105Pa為計(jì)算基準(zhǔn)。因?yàn)槲锪系谋葻崛菔菧囟鹊暮瘮?shù)，上式中物料的比熱容是指進(jìn)、出口物料的定壓平均比熱容，對(duì)于進(jìn)口物料取基準(zhǔn)溫度與物料進(jìn)口溫度的平均溫度下的比熱容；對(duì)于出口物料取基準(zhǔn)溫度與物料出口溫度的平均溫度下的比熱容。對(duì)于不同物料的比熱容可查《化學(xué)工程手冊》（第1冊）或《化學(xué)工藝設(shè)計(jì)手冊》（下），若查不到，各種估算方法求出相應(yīng)溫度下的比熱容值。（2）過程熱效應(yīng)Q3化學(xué)過程的熱效應(yīng)包括化學(xué)反應(yīng)熱與狀態(tài)變化熱。純物理過程只產(chǎn)生狀態(tài)變化熱；而對(duì)于化學(xué)反應(yīng)過程，在產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的同時(shí)，往往還伴有狀態(tài)變化熱。在熱量衡算中，過程熱效應(yīng)Q的符號(hào)為：放熱為正；吸熱為負(fù)。3（3）Q與Q的確定根據(jù)工藝操作經(jīng)驗(yàn)，（Q+Q）一般為（Q+Q+Q）的5%?10%,5 6 5 6 4 5 6只要計(jì)算出Q，就可以確定（Q+Q），從而計(jì)算出Q。4）Q的計(jì)算4 5 6 2 2由以上計(jì)算過程得到Q、Q、Q、Q、Q后，根據(jù)熱量平衡方程式求出設(shè)備13456的熱負(fù)荷Q。Q正值表示需對(duì)設(shè)備加熱；負(fù)值表示需冷卻 4.3熱量衡算基礎(chǔ)22數(shù)據(jù)的計(jì)算和查取在熱量衡算中，大部分物料的物性常數(shù)可通過相關(guān)的物性常數(shù)手冊查取，如《化學(xué)工程手冊》（第1冊），《化工工藝設(shè)計(jì)手冊》（下）。當(dāng)遇到手冊中數(shù)據(jù)不全的情況時(shí)，就需通過一些公式來估算這些物性常數(shù)。在本設(shè)計(jì)中涉及的物性計(jì)算有比熱容、汽化熱、熔融熱、溶解熱、濃度變化熱效應(yīng)、燃燒熱等，以下介紹他們的計(jì)算方法。4.3.1比熱容的計(jì)算液體的比熱容的計(jì)算對(duì)于絕大多數(shù)有機(jī)化合物，其比熱容可依據(jù)《藥廠反應(yīng)設(shè)備及車間工藝設(shè)計(jì)》第208頁表6—4求得。先根據(jù)化合物的分子結(jié)構(gòu)，將各種基團(tuán)結(jié)構(gòu)的摩爾熱容數(shù)值加和，求出摩爾熱容，再由化合物的分子量換算成比熱容。另外，如果作為近似計(jì)算，液體的比熱容也可按照計(jì)算固體比熱容的科普定律求取，其具體計(jì)算過程見固體的比熱容計(jì)算。(3)固體的比熱容的計(jì)算固體的比熱容可應(yīng)用科普定律來計(jì)算 c^Can@j/kg?￡)M式中Ca一元素的原子比熱容kJ/kg?°C,其值見4一2n一固體分子中同種原子的個(gè)數(shù)M—化合物分子量。表4—1元素原子的比熱容元糸Ca (kcal/kg?C)元糸Ca(kcal/kg?C)液態(tài)固態(tài)液態(tài)固態(tài)碳C2.81.8硫S7.45.5氫H4.32.3磷P7.45.4硼B(yǎng)4.72.7氯CL8.06.2硅Si5.83.8氮N8.02.6氧O6.04.0其它兀素8.06.2氟F7.05.0注：1Kcal=4.187kJ上述公式計(jì)算出的是20C時(shí)的比熱容，不在20C時(shí)各化合物的比熱容將與算出的比熱容有出入。凡高于20C時(shí)的化合物，比熱容可根據(jù)上述公式計(jì)算所得結(jié)果再加大20?25%。4.3?2狀態(tài)熱的計(jì)算狀態(tài)熱一般也稱為潛熱。它包括汽化熱、熔融熱、熔解熱等，下面分別加以論述。(1)汽化熱任何溫度、壓強(qiáng)下，化合物的汽化熱均可按下式計(jì)算：q=(-28.5)lg{P?T?T/[0.62?(1-T)]}kj/kgv RRC R式中P—對(duì)比壓強(qiáng)(實(shí)際壓強(qiáng)與臨界壓強(qiáng)之比值)；T—對(duì)比溫度(實(shí)際溫度與RR臨界溫度之比值)；T—臨界溫度K。C液體在沸點(diǎn)下的汽化熱可按下式計(jì)算：q二Tb?(39.8lgTb—0.029Tb)/MkJ/kg式中Tb—液體的沸點(diǎn)K；vbM—液體的分子量。T——熔點(diǎn)K。F(3)溶解熱氣態(tài)溶質(zhì)的溶解熱可取蒸發(fā)潛熱的負(fù)值；固態(tài)溶質(zhì)的溶解熱則近似可取其熔融熱的值。4.3.3化學(xué)反應(yīng)熱的計(jì)算為計(jì)算各種溫度下的反應(yīng)熱，規(guī)定當(dāng)反應(yīng)溫度為298K及標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時(shí)反應(yīng)熱的數(shù)值為標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)熱，習(xí)慣上用AH°表示，負(fù)值表示放熱，正值表示吸熱。這與在熱量衡算中所規(guī)定的符號(hào)正好相反，為避免出錯(cuò)，現(xiàn)用符號(hào)q°表示標(biāo)r準(zhǔn)反應(yīng)熱，放熱為正，吸熱為負(fù)，則q。=—AH°or標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)熱的數(shù)據(jù)可以在《化學(xué)工程手冊》(第一冊)或《化學(xué)工藝設(shè)計(jì)手冊》(下)中查到；當(dāng)缺乏數(shù)據(jù)時(shí)用標(biāo)準(zhǔn)生成熱或標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱求得。用標(biāo)準(zhǔn)生成熱求q。，其公式為rq。二一刀vq。kj/molrf式中v—反應(yīng)方程中各物質(zhì)的化學(xué)計(jì)量數(shù)，反應(yīng)物為負(fù)、生成物為正；q。—標(biāo)準(zhǔn)生成熱kj/mol。f用標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱求q。，其公式為rq。二一刀vq。 kj/molrc式中v—反應(yīng)方程中各物質(zhì)的化學(xué)計(jì)量數(shù)，反應(yīng)物為正、生成物為負(fù)；q。一標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱 kj/mol。c標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱的計(jì)算 理查德認(rèn)為：有機(jī)化合物的燃燒熱與完全燃燒該有機(jī)化合物所需的氧原子數(shù)成直線關(guān)系。即q。=Ea+xEbkj/molc式中a、b—常數(shù)，與化合物結(jié)構(gòu)相關(guān)，其值見《藥廠反應(yīng)設(shè)備及車間工藝設(shè)計(jì)》(P表6—6和表6—7)； X—化合物完全燃燒時(shí)所需的氧原子數(shù)213?217q。與q。的換算，由蓋斯定律的其公式為 q。+q。二刀nq。kj/molfcfcce式中q。一標(biāo)準(zhǔn)生成熱 kj/mol q。一標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱 kj/moln一化合物中fc同種元素的原子數(shù)q。一元素標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱kj/(g?atom)其數(shù)值見表4一1。ce表4—2元素標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱一覽表元素的燃燒過程兀素燃燒熱kj/（g?atom）元素的燃燒過程兀素燃燒熱kj/（g?atom）CfCO（氣）2395.15Br—*HBr（溶液）119.32H—?1/2HO（液）2143.15I—(固)0

F—?HF(溶液)316.52N一*1/2N(氣)20CL1/2Cl(氣)20N—?HNO(溶液)3205.57CL+HCl(溶液)165.80S—?SO(氣)2290.15BL1/2Br(液)20S—?HSO(溶液)2 4886.8BL1/2Br(氣)2—15.37P-?PO(固)2 5765.8不同溫度下的反應(yīng)熱qt的計(jì)算r因反應(yīng)恒定在t°C溫度下進(jìn)行，而且反應(yīng)物及生成物在(25?t)°C范圍內(nèi)均無相變化，則qt的計(jì)算公式為rqt二q。一(t-25)(刀vCp)kj/molrr式中q。一標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)熱kj/mol；v—反應(yīng)方程中各物質(zhì)的化學(xué)計(jì)量數(shù)，反應(yīng)r物為負(fù)、生成物為正；Cp—反應(yīng)物或生成物在(25?t)C范圍內(nèi)的平均比熱容kj/kg?°C；t—反應(yīng)溫度°C。4.4縮合工段的熱量衡算4.4.1縮合反應(yīng)釜：(25°C)(4)4.4.1縮合反應(yīng)釜：(25°C)(4)1)(2)(3)(25C) (25°C)(25C)+*縮合反應(yīng)釜(25C)(6)5)(25C)片堿：536.65kg①純品：515.18kg ②水：21.47kg對(duì)硝基氯苯：383.32kg①純品：377.57kg②水：5.75k苯乙腈：306.66kg①純品：300.53kg②水：6.13kg乙醇：2207.92kg①純品：2097.52kg ②水：110.40kg水:1500.00kg(6)異噁唑:495.15kg苯乙腈：20.05k水：1708.36kg氰化鈉片堿：419.29kg乙醇：2097.52k雜質(zhì)：76.49kg計(jì)算過程⑴Q的計(jì)算： Q=EmtCp(以0°C為基準(zhǔn))11①Cp的求?。海矗篛°c?25°C之間的平均比熱容）A對(duì)硝基氯苯、片堿的Cp可根據(jù)“科普法則”估算而得；B苯乙腈的Cp可根據(jù)“Missenard”法估算而得；C水的Cp可查閱《化工工藝設(shè)計(jì)手冊》第647頁；D95%乙醇的Cp可查閱《化工工藝設(shè)計(jì)手冊》第647頁；則所得各物質(zhì)的Cp值見下表：表4-3物質(zhì)的Cp值一覽表物質(zhì)ABCDE溫度、對(duì)硝基氯苯苯乙腈片堿95%乙醇水25C0.97831.72911.30842.67974.1828②各物質(zhì)的Q:1Q=377.57X0.9783X25=9234.4183KJQ=300.53X1.7291X1-A 1-B25=12991.1606KQ=515.18X1.3084X25=16851.5378KQ=2207.92X1-C 1-D2.6797X25=147914.0806KJQ=（苯乙腈含水量+對(duì)硝基氯苯含水量+添加水量）X4.1828X251-E=158097.2916KJ所以Q=Q+Q+Q+Q+Q注：雜質(zhì)的Q忽略1 1-A 1-B 1-C 1-D 1-E 1（1）Q的計(jì)算：Q=EmtCp（以0C為基準(zhǔn)）44①Cp的求?。海矗?C?25C之間的平均比熱容）A異噁唑、氫氧化鈉、氰化鈉的可根據(jù)“科普法則”估算而得；B苯乙腈的Cp可根據(jù)“Missenard”法估算而得；C乙醇的Cp可查閱《化工工藝設(shè)計(jì)手冊》第647頁則所得各物質(zhì)的Cp值見下表：表4-4物質(zhì)的Cp值一覽表物質(zhì)ABCDEF溫度\異噁唑氫氧化鈉苯乙腈乙醇氰化鈉水25C0.99611.91561.72912.42851.60644.1828②各物質(zhì)的Q：Q=495.15X0.9961X25=12330.4729KJQ=419.29XTOC\o"1-5"\h\z4 4-A 4-B1.9156X25=20079.7981KJQ=20.05X1.7291X25=866.7114KJQ=2097.52X4-C 4-D2.4285X25=127345.6830KJ Q=117.47X1.6064X4-E25=4717.5952KJQ=1708.36X4.1828X25=178643.2052KJ所以：Q=Q+Q+4-F 4 4-A 4-B

Q+Q+Q+Q=343983.4658KJ (1)Q的計(jì)算：①狀態(tài)變化熱：A熔解熱4-C 4-D 4-E 4- 3a對(duì)硝基氯苯的熔解熱可查閱《化工工藝設(shè)計(jì)手冊》第761可得：131.9324KJ/kb片堿的熔解熱可查閱《化工工藝設(shè)計(jì)手冊》第734可得：42.6237KJ/k所以：Qs=131.9324X377.57+42.6237X515.18 注：各液體的熔解熱可忽略不B40稀釋熱：忽略不計(jì)②化學(xué)反應(yīng)熱：1872222NaCN1872222NaCN＋2H2OX=19.5根據(jù)“理查德法”，則有：q。=Ea+xEb(kJ/mol)c表4-5a、b值一覽表基團(tuán)ab基數(shù)23.86218.05腈38.94-0.04苯-42.290.29Ea=20.51"218.30所以：q°=20.51+19.50X218.30=4378.60KJ/molc1元素燃燒熱： 刀q°=8X395.15+7X143.15=4163.25KJ/molnce???q=4163.25-4378.60=-215.35KJ/molf1b氫氧化鈉（查閱《化工工藝設(shè)計(jì)手冊》可得：q=427.0320KJ/molf2xc對(duì)硝基氯苯：CHNOCl+±0-6C0+1.5H0+0.5N+HCl64 2 22 2 2 2X=11.5 根據(jù)“理查德法”，則有：q。=Ea+xEb(kJ/moc4-6a、b值一覽表基團(tuán)ab基數(shù)23.86218.05硝基芳香族388.95-1.68氯-47.730.59Ea=365.08Eb=216.96所以：q°=365.08+11.50X216.96=2860.12KJ/molc3元素燃燒熱： Eq°=6X395.15+4X143.15+165.80=3109.30KJ/molnce???q=Eq°-q°=3109.30-2860.12=249.18KJ/molf1ncec3d氰化鈉(查閱《蘭氏化學(xué)手冊》)可得：q=87.50KJ/molf4xe水(查閱可得：q=286.0450KJ/molf異噁唑：CHN0C1+—0-f5 138 2 213C0+3.5HO+0.5N+HCX=28.5222根據(jù)“理查德法”，則有：q°=Ea+xEb(kJ/mol)c表4-7a、b值一覽表基團(tuán)ab基數(shù)23.86218.05氯-47.730.59苯-69.08X21.88咲喃146.54-4.90亞胺49.40-0.08-正烯烴59.45-0.04Ea=-25.54Eb=215.58所以：q°=-25.54+28.5X215.58=6118.49KJ/molc6元素燃燒熱：Eq°=13X395.15+8X143.15+165.80=6447.95KJ/molnce?q=Eq°-q°=6447.95-6118.49=329.46KJ/molf6ncec6B標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的反應(yīng)熱的求取q=Evq

rf=[-(q+q+q)+(q+q+q)]f1f2f3 f4f5f6=[-(-215.35+427.0320+249.18)+(87.50+2X286.0450+329.46)]=528.1879KJ/molC求反應(yīng)溫度（25°c?33°C）下的化學(xué)反應(yīng)熱：取反應(yīng)溫度為30°C則：qt二q。一（t-25）（EvCp）kj/molrraCp的求?。海矗?C?25C之間的平均比熱容）i對(duì)硝基氯苯、片堿、異噁唑、、氰化鈉的Cp值可根據(jù)“科普法則”估算而得；ii苯乙腈的Cp可根據(jù)“Missenard”法估算而得；iii水的Cp可查閱《化工工藝設(shè)計(jì)手冊》第724頁；表4-8物質(zhì)的Cp值一覽表\物質(zhì)溫度\異噁唑?qū)ο趸缺奖揭译嫫瑝A氰化鈉水30C0.22860.1