聚合物生产工艺设计-课件chap4heat cal cxn m

1、1第四章 热量衡算 第一节 概 述 化工过程中的每个工序都有确定的温度控制条件，为了平稳地控制温度，必须进行加热或冷却，这就需进行热量衡算。热量衡算的内容或目的(1) 确定传入或传出的热量, 包括保温计算、向环境热辐射计算(2) 确定加热剂或冷却剂的消耗量或电能(3) 计算传热面积(4) 确定换热设备的尺寸和参数热量衡算的基础是物料衡算，原则是能量守恒定律和热力学第二定律2第四章 热量衡算 第二节 热量衡算在化工过程中热量衡算可用热平衡方程表示：一、热平衡方程式设备或系统与外界环境进行各种换热量的总和，kcal离开设备或系统各股物料的焓的总和， kcal进入设备或系统各股物料的焓的总和， kc

2、al注意：包括热损失，低温时是传入的热量在实际计算中，常用如下热平衡方程Q1 + Q2 + Q3 = Q4 + Q5 + Q6 3Q1所处理的各股物料带入设备的热量， kcalQ2由加热剂(或冷却剂)传给设备和物料的热量， kcalQ3各种热效应，如化学反应热、溶解热等， kcalQ4离开设备各股物料带走的热量， kcalQ5消耗在加热设备上的热量， kcalQ6设备向外界环境散失的热量， kcal使用Q1 + Q2 + Q3 = Q4 + Q5 + Q6 时，应注意： 1. 正确建立各个热量之间的平衡关系根据物料走向及变化确定热量间的正负关系，即： (1) 向后为正，还是向前为正？ (2)

3、除Q1和Q4外，其他均有正负的情况 (3) 通常连续过程，Q5可以省略第四章 热量衡算 第二节 热量衡算42. 必须弄清过程中的热量存在形式，从而确定收集那些必要的物性数据相变热？ 溶解热？ 传导热？ 电热？3. 合理划定计算范围对于单元设备的热量衡算，相对简单而对于多个工序的计算，必须确定适宜的进料口和出料口4. 合理确定计算基准基准是指数量的基准(kg/h, kmol/s)和基准态(标准状态或0)进出口的基准态必须一致5. 间歇操作设备的热负荷的计算计算设备热负荷一般用千卡/小时为单位，间歇操作为千卡/釜，热负荷随时间而变化，因此如折算成千卡/小时，需进行如下变换： Q (kcal/h)

4、= (Q2 不均衡系数)/(时/釜) 第四章 热量衡算 第二节 热量衡算间歇操作还应计算加热(冷却)设备的热量Q5以确定热媒或冷剂的量5二、单元设备的热量衡算 以30000吨/年镍系顺丁橡胶的二釜串连连续反应器的热量衡算为例，简述单元的热量衡算方法和步骤.1. 首先画出物料流程图，分析物料的走向和温度变化，列出热平衡方程第四章 热量衡算 第二节 热量衡算冷却水 胶液 丁二烯溶剂油 催化剂 冷却水 20C 80C 60C 60C 6对聚合过程分析可知： (1) 此反应为连续过程，因此Q5可忽略不计 (2) 计算数量基准宜选取kcal/h, 聚合时放出的热量Q3为正值 (3) 釜外有夹套通冷却水移

5、走聚合热，则Q6可不计 (4) 搅拌热H(H)属于热量输入，应放置在方程式的左边于是热平衡方程式为：Q1 + Q3 + H = Q2 + Q4Q2Q1 + Q3 + H Q42. 收集相应的数据对聚合釜进行热量衡算的目的，就是求出冷剂需带走多少热，以便确定冷剂状态, 计算出冷剂的流量每股物料的流量或处理量，kg/h各物料的比热、相变热、聚合热、焓第四章 热量衡算 第二节 热量衡算7 依据第三章第三节的物料衡算，及聚合物在I釜和II釜的生成比例为 60：40则以1小时为基准, 聚合物生成量为：第I釜聚合物的生成量为：3856602314kg第II釜聚合物的生成量为： 3856401542kg经整

6、理得I、II两釜得进、出料量为：第四章 热量衡算 第二节 热量衡算3975(1-0.03)=3856kg若平行的生产线数量为n，则每条线的PBd生成量为：3856/n 本例中为简化起见，以n1列举计算过程8组 成I 釜II 釜进料，kg/h出料，kg/h进料，kg/h出料，kg/h丁二烯 4760 2446 2446 904丁 烯 48 48 48 48溶剂油 19340* 19340 19340 19340催化剂 15.673 15.673 15.673 15.673聚丁二烯 2314 2314 3856温 度, 20 60 60 80每股物料的总量为24164kg/h聚合釜物料平衡表第四章

7、 热量衡算 第二节 热量衡算*不含终止剂和防老剂溶液 9通过对过程存在的热量形式可确定收集有关物性数据丁二烯与溶剂油或胶液的比热，kcal/kg200.54聚合热：330kcal/kg搅拌热H：kcal/hI釜：30000600.58II釜：40000800.623.计算Qi 以0C为基准 Q1=WCpt241640.54(20 0) 2.60105 kcal/hQ3=G聚合热23143307.64105 kcal/hQ4=WCpt241640.58(60 0) 8.12105 kcal/hQ2=Q1+Q3+HIQ4(2.60+7.64+0.38.12)1052.42105 kcal/hI釜

8、第四章 热量衡算 第二节 热量衡算II釜Q1= Q4= 8.12105 kcal/hQ3=G聚合热15423305.09105 kcal/hQ4=WCpt241640.62(80-0)11.60105 kcal/hQ2=Q1+Q3+HIIQ4(8.12+5.09+0.411.60)1052.01105 kcal/h104. 计算设备热负荷和冷却水的消耗量设备的热负荷就是冷却水需带走的热量，也就是Q2冷却水的消耗量为：W = Q2/(Cpt) m3/h, kg/h, （计算过程略）第四章 热量衡算 第二节 热量衡算5.列出热量平衡表项 目I 釜II 釜Q入105 kcal/hQ出105 kcal

9、/hQ入105 kcal/hQ出105 kcal/hQ1：物料带入的热2.608.12Q3：聚合热7.645.09H：搅拌热0.300.40Q4：物料带出的热8.1211.60Q2：冷却水应带走的热2.42 2.01合计10.5410.5413.6113.6111作业: 在本节课所举的PBd生产装置中(年产PBd 3万吨), 若采用同等产能的两条并列生产线, 每线为双釜串联, 第一釜的搅拌功率为20KW, 第二釜的搅拌功率为30KW, 其余条件与所举例子相同. 试进行热量衡算(及必要的物料衡算), 写出计算过程并将计算结果列表. 第四章 热量衡算 第二节 热量衡算12第四章 热量衡算 第三节

10、系统的能量平衡系统能量平衡包括车间(工段)的能量平衡和全厂(联合企业)的能量平衡。依据的原理：仍是能量守恒定律(进 = 出 + 热损失) 本节主要以流动体系为例介绍如何进行系统或装置的能量平衡: 系统能量平衡示意图U + PV = H13或物系内能的变化物系动能的变化，w为流速物系位能的变化，Z为流体在规定截面处距基准面的相对高度流动功物系与外界的热交换，吸热Q为正，放热Q为负轴功，物系通过输送机械或其它动力设备与外界交换的功物系的焓差 进行装置或设备能量平衡时，须选定合适的范围I-I-II-II； 一般计算基准为m kg流体，按热力学第一定律可导出如下计算公式：第四章 热量衡算 第三节 系统

11、的能量平衡14 有时焓H在实际计算中比内能U更为方便，而且焓差H可直接代表流体的能量变化(1)在有相变化和化学变化时，动能和位能的变化比焓的变化小得多，此时可忽略位能和动能，有：(2)当物系在绝热情况下，只进行轴功交换时，如流体通过泵、压缩机等，Q0，有：(3)当物系与外界无轴功交换时，如流体通过管道、阀门、换热器、吸收塔、混合器、无搅拌的反应器等，As0，有：第四章 热量衡算 第三节 系统的能量平衡一、系统能量平衡的方法 15(4)当物系与外界无轴功又无热交换时，如高压流体节流阀、在绝热下通过混合器等，As0，Q0，有：(5)在研究和计算某些无化学变化和相变化的体系，使用焓H反而不方便，而是

12、直接将P、V、T的关系代替H，如计算泵的轴功等，这时采用机械能守恒定理，即柏努利方程。若考虑到流体在管道、管件中的摩擦力,则有：第四章 热量衡算 第三节 系统的能量平衡(可用于计算温变) 16二、系统能量平衡的作用1. 检查能量的利用是否合理2. 列出动力消耗综合表三、系统能量的合理应用1. 发展耗能少的工艺2. 提高燃料的效率3. 废热回收利用4. 废热回收和再利用设备的研究5. 节能理论的研究第四章 热量衡算 第三节 系统的能量平衡动力消耗: 水, 冷冻盐水, 蒸汽, 电, 燃气(油), 氮气, 压缩空气等动力规格: 冷冻盐水的温度, 蒸汽的压力等消耗系数: 最大消耗量与平均消耗量的比值,

13、 须据实际情况确定. 用于由平均消耗量估计最大消耗量. 171. 显热 (热容, cal/g, kcal/kg, kcal/mol)2. 潜热 (冷凝, 汽化, 结晶, 熔化相变热)3. 反应热数据来源: 手册, 书刊, 实测, 估算反应热的估算主链为C-C键的聚合物: 聚合热可由生成热HF计算 HF = -10.41 4.926 n (kcal/mol) n 为直链烃的炭原子数 如PE的聚合热计算 -CH2-CH2X- + H2C=CH2 -CH2-CH2X+1 - -CH2-CH2X- 的生成热HF = -10.41 4.926 (2X) -CH2-CH2X+1 -的生成热HF ,= -10.41 4.926 (2X+2) H2C=CH2的HFC=C = 12.56 (kcal/mol)PE的聚合热 = HF , -HF - HFC=C = -10.41 4.926 (2X+2)