4 能量衡算

4 能量衡算 4.1 能量衡算的基本概念 4.2 热量衡算的一般方法 4.3 常用物性数据的查取和计算 4.4 能量消耗计算 4.5 热量集成初步

4.1 能量衡算的基本概念 • 能量衡算的目的和步骤化工设计中物料衡算的目的： (1) 确定工艺过程总能量消耗的形式和规模，作为重要的技术经济指标用于过程可行性和先进性的分析； (2) 确定设备热负荷和动力需求，为设备设计或选型提供依据； (3) 分析系统运行的热效率，分析提高热效率的可能性并提出实施方案。

4.1 能量衡算的基本概念 • 能量衡算的目的和步骤能量衡算的一般步骤： (1) 画出流程示意图，确定衡算系统； (2) 选择计算基准和基准状态； (3) 热力学数据的查取和计算； (4) 列物料衡算方程和能量衡算方程； (5) 校核，将计算结果列入能量衡算表。 • 热量衡算热量衡算是能量衡算中的一种特例。在化工过程中，热量衡算占有较大比例，因此在多数情况下能量衡算以热量衡算为主。

4.2 热量衡算的一般方法 • 设备的热量衡算设备热量状况分析：加热或冷却介质携带热量Q2 设备热损失Q6 物料输入携带热量 Q1 物料输出携带热量 Q4 设备预热 Q5 过程热效应 Q3

4.2 热量衡算的一般方法 • 设备的热量衡算因此设备的热量平衡方程可表示为 Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6 其中设备预热或预冷热量Q5可用下式计算设备初温t1可选择环境温度，t2可选择设备操作温度；若设备为换热器，则t2可参考以下情况选择

4.2 热量衡算的一般方法 其中设备热损失Q6可用下式计算公式右侧参数分别为设备散热表面积、设备表面与环境介质给热系数、设备表面温度、环境温度、过程持续时间给热系数可按以下情况选取空气自然对流，壁温50-350oC 空气流速小于5m/s 空气流速大于5m/s

4.3 常用物性数据的查取和计算 • 物性数据的来源 (1) 实验测定 (2) 文献查取 (3) 经验公式或理论计算 • 常见物性数据文献《化学工程手册》第一篇，物性数据，化学工业出版社，1989 《化学工艺设计手册》，化学工业出版社，1989 《化工物性算图手册》，化学工业出版社，2002 《流体的热物理性质》，中国石化出版社，1996 《石油化工设计手册》第1卷，石油化工基础数据，化学工业出版社，2002 Engineering Chemistry Simulation System(ECSS)

4.3 常用物性数据的查取和计算 • 混合物物性数据算法 (1) 可采用加和法计算的物性参数平均分子量、液体密度、气体密度、比热、汽化潜热提示：计算时应注意分率基准和单位的统一 (2) 不能采用简单加和法计算的物性参数气体和液体粘度、气体和液体导热系数、表面张力、扩散系数

4.3 常用物性数据的查取和计算 • 混合气体粘度常压下气体混合物可通过各组分纯物质的粘度、摩尔质量及摩尔分率由下式求取 • 混合液体粘度液体混合物粘度与组成一般无线性关系，目前还难以用理论预测。通常用实验测定或经验公式计算。非缔合混合液体可采用下式计算。

4.3 常用物性数据的查取和计算 • 混合气体导热系数最为常用的混合气体导热系数计算式是 • 混合液体导热系数许多液体混合物已有较为可靠的导热系数关联式。其中电解质水溶液的导热系数计算式为

4.4 能量消耗计算 • 水蒸汽的消耗量热利用率对于保温设备可选0.97-0.98，非保温设备选0.93-0.95 • 燃料的消耗量燃烧炉的热效率通常取0.3-0.5

4.4 能量消耗计算 • 电的消耗量电能消耗量一般单位为KW·H，电热装置的热效率一般为0.85-0.95 • 冷却剂的消耗量

课堂练习 • 下图表示利用蒸发-分部冷凝法提纯甘油的工艺流程，试分析有那些热量传递过程。能否调整流程达到节能的目的，要想达成该目的需要考虑哪些问题。

E102 G：65220；O：320280 T102 G：160160； O：320280 E103 G：160135；W：2580 E104 G：13580；W：2550 E105 G/W：8040；W：2537

4.5 热量集成初步 • 问题的提出化工过程中往往存在大量的传热过程，绝大部分可直接通过引入导热油、蒸汽、冷却水或冷冻液等公共工程来完成。这种流程虽然简单，但是热力学效率较低。举例：甘油蒸馏浓缩系统消耗大量公共工程的热流和冷流为了提高热效率，可考虑换热系统中的余热回收，也就是充分利用系统内物流实施换热，从而减少外部热流或冷流，即公共工程的使用量。在保证各物流达到设定温度和状态的前提下，实施优化设计使换热网络的费用（操作费用和投资费用）最低，即获得最大能量回收和采用最少换热器台数，称为热交换网络的合成问题。

4.5 热量集成初步 • 问题的提出针对热交换网络的合成，应考虑以下3个方面的基本问题： (1) 保证各物流达到工艺要求的温度和状态提供足够的传热推动力和足够的传热量 (2) 热交换网络的最小能耗(最低操作费用) 确定热交换网络优化的极限，并提出如何接近该极限 (3) 热交换网络的最少换热器台数(最低投资费用) 根据能耗与设备投资费用的消长关系，确定冷热物流的搭配关系

4.5 热量集成初步 • 换热系统表示方法I：T-H图用T-H图表示物流焓值随温度的变化过程。通常将换热过程考虑为恒热容过程(可采用过程的平均比热容)。对于物流从T1上升到T2的过程可表示为图线A 对于物流从T2降温到T1的过程可表示为图线B 对于物流在T2发生冷凝的过程可表示为图线C 图线在X轴上投影为焓变，在Y轴上投影为温变，斜率表示？斜率表示物流热容流率的倒数，即1/qmCp T T T T2 T2 T2 A B C T1 T1 T1 H H H

4.5 热量集成初步 • 换热系统表示方法I： T-H图右图表示冷流体C1分别与热流体h1、h2和蒸汽换热而被加热的过程。该过程可在T-H图上表示出来，如左图所示 T ST h2 h1 h2 T2 h1 C1 c1 T1 H

4.5 热量集成初步 • 换热系统表示方法II：栅格图每一水平线代表一种物流，上面为热物流，下面为冷物流圆圈表示换热器，圆圈所连的两线表示进行换热的物流 C表示外冷源，H表示外热源 h1 h2 400 40 1 3 C C1 h1 1 35 350 2 h2 C2 3 2 H 200 20 1 C1 C 300 25 H 2 3 C2

4.5 热量集成初步 • 物流的复合曲线对于有多股物流的情况，可画T-H图复合曲线：通过平移使两股物流(同为热物流或冷物流)首尾连接，在两物流重叠部分做两条水平线，连接四边形的对角线，即为两物流的复合曲线 T T T A A B B H H H

4.5 热量集成初步 • 物流的复合曲线采用类似方法，可分别将换热系统的所有热物流和冷物流复合，并在同一张T-H图上表示出来。夹点下方夹点上方平移冷、热两条复合曲线，使之相互靠拢，当两线的最小垂直距离等于某设定值△Tm时，该处即为夹点(A,B) 夹点将换热网络系统分为2个部分，其一为夹点上方，称为热端，只需要公共工程加热；其二为夹点下方，称为冷端，只需要公共工程冷却。 T A △Tm B H

4.5 热量集成初步 • 物流的复合曲线系统最小公共工程用量的确定夹点确定后可得到以下信息： (1) 系统最小公共工程热负荷QH,Min，系统最小公共工程冷负荷QC,Min； (2) 系统最大热回收量QR,Max。说明：显然，夹点位置及热负荷极限值均受△Tm影响。当△Tm增大时，热负荷极限值如何变化？ T A △Tm B QR,Max QH,Min H QC,Min

4.5 热量集成初步 • △Tm的意义及确定当冷热物流之间的温差△T缩小时，公共工程用量减小，但传热推动力也减小，则所需的传热面积增加，导致固定投资上升。因此△T应有一个减小的限度，即△Tm。 △Tm是与费用密切相关的决策参数，需要经多次试差确定。总费用 Cost T 设备费用 △Tm 公共工程费用 QC,Min QH,Min H QR,Max △Tm

4.5 热量集成初步 • T-H图的作用在设定△Tm的条件下，若已知热物流和冷物流的数量及换热要求，可通过T-H图确定夹点位置及公共工程最小用量。根据夹点理论可知，换热网络的设计原则是在夹点上方，即热端不得引入冷却公共工程；而在夹点下方，即冷端不得引入加热公共工程。否则系统的冷热公共工程用量均将增加，导致操作费用的上升。但采用作图法确定公共工程最小用量是较为粗略的，通常需要采用栅格图和问题表格法进一步确定合成的实施方法。

4.5 热量集成初步 • 能耗与设备投资的消长关系通常换热面积与换热器台数均影响设备投资。 Q=A·K·△T，其中总传热系数K主要受物性和操作条件影响，温差△T主要由工艺要求确定，因此换热面积A主要由总热负荷Q确定。经验证实，当Q恒定时，采用不同的换热网络设计方案，A的变化率仅在3%左右。换热网络的设备投资主要取决于换热器的台数。因此应尽可能减少换热器台数，才能满足降低生产费用的总目标。为了减少换热器台数，就是需要减少冷热流体的搭配数。

对于下图的甘油蒸发过程可考虑： (1) 将E102和T102的换热系统合并至E102，并采用适当的回流方法； (2) 将E103、E104、E105冷却水改用串联进水，可降低冷却水用量。

课堂练习 试将下表中四股物流分别绘制在T-H图上，并完成复合曲线。提示：可粗略绘制网格线后绘制，完成复合后将复合线描粗。若此题提供△Tm数据，则可将复合线平移，并利用直尺量出各热负荷极限值

4 能量衡算

4 能量衡算

Presentation Transcript