第二章 能量衡算2.1 能量衡算概述物料衡算完成后，对于没有传热要求的设备，可以由物料处理量，物料的性质及工艺要求进行设备的工艺设计，以确定设备的型式，台数，容积以及重要尺寸。

对于有传热要求的设备则必须通过能量衡算，才能确定设备的主要工艺尺寸。

无论进行物理过程的设备或是化学过程的设备，多数伴有能量传递过程，所以必须进行能量衡算。

2.2 能量衡算目的对于新设计的生产车间，能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在选择传热面的型式，计算传热面积，确定设备的主要尺寸。

传热所需要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。

对于有些伴有热效应的过程，其物料衡算也要通过与能量衡算的联合求解才能得出最后的结果。

2.3 能量衡算依据能量衡算的主要依据是能量守恒定律。

能量守恒定律是以车间物料衡算的结果为基础而进行的。

2.4 能量衡算过程 2.4.1 反应釜的热量衡算反应工段的热量衡算主要体现在反应釜和夹套。

对于有传热要求的的设备，其热量衡算为：654321Q Q Q Q Q Q ++=++；式中 1Q —物料带入到设备的热量kJ ； 2Q —加热剂传给设备的热量kJ ； 3Q —物理变化及化学反应的热效应kJ ； 4Q —物料离开设备所带走的热量kJ ； 5Q —消耗于提高设备本身温度的热量kJ ； 6Q —设备向环境散失的热量kJ 。

物料热量衡算以天为单位。

1Q 与4Q 的计算1Q 与4Q 均可按照下式计算：()tkJ mc Q Q p ∑=41式中m —输入或输出设备的物料量，kgp c —物料的平均比热容，()C kg kJ ︒⋅/t —物料的温度，℃。

该式的计算标准是标准状态，即Pa C 3101013.10⨯︒及为计算标准。

固体和液体的比热容可以采用下式计算：Mn c c p∑⋅=α184.4； []1式中：αc —元素的原子比热容，()C kg kJ ︒⋅/ ；n —分子中同一原子的原子数；M —化合物的分子量，kmol kg /。

相关元素的原子比热容值： []1 碳C )/(8.21C kg kJ c ︒⋅=α； 氢H C kg kJ c ︒⋅=/3.42α； 氧O C kg kJ c ︒⋅=/0.63α 计算比热容得到：丙烯酸正丁酯 C kg kJ c p ︒⋅=⨯+⨯+⨯⨯=/720.2128.623.4128.27184.41甲基丙烯酸甲酯 C kg kJ c p ︒⋅=⨯+⨯+⨯⨯=/527.2100.623.488.25184.42醋酸乙烯酯 C kg kJ c p ︒⋅=⨯+⨯+⨯⨯=/384.286.623.468.24184.43丙烯酸 C kg kJ c p ︒⋅=⨯+⨯+⨯⨯=/185.272.623.448.23184.44同理计算出水的比热容 C kg kJ c p ︒⋅=/394.35。

有前面物料平衡计算可知kg m 6.146301=，kg m 7.147022=，kg m 40003=，kg m 7.6664=，kg m 500005=。

反应前的温度为C T ︒=251，反应后的温度为C T ︒=402。

1551441331221111T c m T c m T c m T c m T c m Q p p p p p ++++=)394.350000185.27.666384.2400025527.27.14702720.26.14630(⨯+⨯+⨯+⨯⨯+⨯=kJ 710528.1⨯=同理：kJ Q 7410139.440394.350000403.33333595.2⨯=⨯⨯+⨯⨯=。

过程热效应的计算聚合反应的聚合热可按聚合过程中双键的断裂和单键的形成，即π键的断裂和σ键的形成。

π键的键能为mol kJ E /2.608=π，σ键的键能为mol kJ E /352=σ。

故π键断裂后形成喷雾干燥阶段热量衡算σ键后释放的能量为：mol kJ E E H /8.952.60835222=-⨯=-=∆-πσ []2参与聚合反应的反应物的物质的量为：丙烯酸正丁酯 kmol n BA n 1141286.14630==-； 甲基丙烯酸甲酯 kmol n MMA 1471007.14702==；醋酸乙烯酯 kmol n 47864000==醋；丙烯酸 kmol n p 3.9727.666==；该反应是以上单体进行的无规共聚反应，单体本身都含有一个双键，反应后都形成了单键。

()()kJ H n Q 731004.38.953.947147114⨯=⨯+++=∆-=∑ 消耗在加热或冷却设备上的热量5Q ，对于间歇反应可忽略。

设备向环境散失的热量6Q 可按下式计算：()t T T A Q W ∑-=α6 []1式中A —表示散热面积，2m ；α—表示散热系数，()C h m kJ ︒⋅⋅2/； W T —表示设备表温，C ︒； T —表示环境温度，C ︒； t —表示反应时间，h 。

22268.256.26.29.214.3297.0297.0m D D H A =⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯+=⎪⎭⎫ ⎝⎛+=π；()C h m kJ T W ︒⋅⋅=⨯+=+=2/364018.08.2805.08α()kJ Q 561092.8820403668.256⨯=⨯-⨯⨯⨯=；加热剂传给设备的热量，2Q 值为正表示需要对设备进行加热，负值为冷却。

kJQ Q Q Q Q 67757316421040.31004.310528.11092.810139.4⨯-=⨯-⨯-⨯+⨯=--+=即 需要冷却。

利用夹套通冷凝水冷却。

冷却水常温进水C T ︒=20'1，出水温度C T ︒=40'2； 水的比热容 C kg kJ c p ︒⋅=/394.35； 所需冷却水的量 ()kg T T c Q p 3'1'252101.50⨯=--=； 即每天需要的冷却水量为kg 3101.50⨯。

表2-1 反应釜工段能量衡算一览表2.4.2 喷雾干燥工段能量衡算喷雾干燥阶段的热量衡算，主要是体现在喷雾干燥塔和空气加热器上。

1 喷雾干燥塔的热量衡算。

以小时为计量单位。

取湿物料进口温度 401=θ℃，物料出口温度=2θ90℃； 空气进加热器前温度0t =25℃，热空气进口温度3001=t ℃； 热空气出口温度1002=t ℃。

产品进料量 h kg GG /1047.32431⨯==，设空气需要量为L 。

由物料热量衡算得 损补Q Q Q Q Q +++=321 []2 式中 补Q —需补充能量； 1Q —汽化水分耗热 2Q —物料升温耗热 3Q —废气带走热量 损Q —热量损失 需补充能量补Q 的计算()()011t t H c c L Q pv pg -+=补 []2；式中 pg c —干气比热容，空气为()C kg kJ ︒⋅/01.1； pv c —水蒸气比热容，水汽为)/(88.1C kg kJ ︒⋅； 1H —空气进口处的湿含量干气kg O kgH /2；()()()()L H L t t H c c L Q pv pg .32932030088.101.11011=-+=-+=补汽化水分耗热1Q 的0计算1Q =)())((1201202θθpl pv pl pv c t c r W c t c r H H L -+=-+-式中 W —水分蒸发量h kg /；0r —0℃水的汽化热，取()C kg kJ ︒⋅/2500； pv c —水蒸气比热容，水汽为)/(88.1C kg kJ ︒⋅； pl c —水的比热容，取()C kg kJ ︒⋅/18.41Q =)4018.410088.12500(1008.23⨯-⨯+⨯⨯=5.24W 610⨯；物料升温耗热2Q 的计算 2Q =)(1221θθ-pm c G ;其中2pm c 为物料的比热容 22X c c c pl ps pm +==2.595kJ/kg;2Q =595.2)4090(1047.33⨯-⨯⨯=W 51050.4⨯；废气带走热量3Q 的计算))((1213t t H c c L Q pv pg -+==L ×（1.01+1.88×0.02）×（100-25）=83.8L ； 热损失损Q 的计算按预热器热量的10%计算 1.10Q Q ⨯=损=W 51024.5⨯；损补Q Q Q Q Q +++=321；得 L L 8.831024.51050.41024.53.293556+⨯+⨯+⨯=； 空气消耗量 h kg L /1096.24干气⨯=； 出口空气湿含量 干气kg O kgH H LWH /091.0212=+=。

空气加热热量衡算 2 翅片式加热器 []3利用翅片式加3热器将干空气由C t ︒=251加热到C t ︒=1302所需的热量为()()h kJ c H L Q pl /102.3105009.102.12960025130160'1⨯=⨯⨯⨯⨯=-+==kW 889；耗能为kW 889燃气加热器 []4用燃气加热器将空气由C t ︒=1302加热到C t ︒=3003所需的热量()()kWh kJ c H L Q p 3620'21047.1/1029.517003.102.1296001303001⨯=⨯=⨯⨯⨯=-+=即燃气消耗功率为kW 31047.1⨯[]1 杨基和,蒋培华主编.化工工程设计概论.北京：中国石化出版社.2005.8 []2潘祖仁主编.高分子化学.北京：化学工业出版社.2007.4 []3 王喜忠，余才渊主编.喷雾干燥.北京：化学工业出版社.2004,3[]4匡国柱，史启才主编.化工单元过程及设备课程设计.北京：化学工业出版.2005.1。