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1、4.2 化工设计中热平衡的分析与计算在化工设计中热量衡算可以分为无化学反应过程的热量衡算，如吸收过程、分离过程等的热量平 衡计算和有化学反应过程的热量平衡计算。多数情况是计算反应过程中需要供给或移出多少热量，使反应 能在规定温度下进行。1热量计算的步骤 热量计算和物料计算一样，必须在计算前明确已知条件并确定基准。基准要确定基准温度和基准 时间。对连续过程进行的计算基准时间通常是每小时；对间歇操作，基准时间通常是间歇操作中某一段时 间(即要加热或需要冷却量最大的一段时间) 。热量计算可按以下步骤进行： 正确绘制系统示意图，并标明已知条件和物料状态。 确定各组分的热力学数据。 选择计算基准和热力学
2、函数的基准态。 列出热量平衡方程式。 进行正确运算。2物理过程系统或设备的热量平衡分析(1) 混合及溶解过程热量计算例5 现有100HCl(g)和25的H2O，生产 1000kg/h 含25%(质量分数) HCl水溶液，配制的 HCl溶液 温度为 25。求配制过程中的热效应。(2) 换热器的热量计算例 6 某化工厂计划利用废气的废热。进入废热锅炉的废气温度为450，出口废气的温度为 260，进入锅炉的水温为 25，产生的饱和水蒸气温度为233.7， 30 MPa(绝压)废气的平均摩尔热容为 32.5kJ/kmol ·。计算每 100 kmol 的废气可产生的蒸气量。解：取基准为 10
3、0 kmol 的废气。 锅炉的热量平衡为：废气损失的热量即为用来产生水蒸气的热量。先计算废气损失的热量。废气进口为450，而出口温度为 260，则 100 kmol 废气损失的热量为Q损 =100× 32.5 ×(450-260)=617500kJ查得 25水的焓为 104.6kJ/kg ，233.7 水蒸气的焓为 2798.9 kJ/kg 。设产生的蒸汽量为 Wkg,则Q损=W(2798.9-104.6)所以 W=229kg100 kmol 的废气可产生的蒸气 229kg(3) 溶液稀释过程热量计算 稀释过程热一般称浓度变化热，可用上面的积分溶解热进行计算。(4) 增温过
4、程热量计算例 7 25的干空气以 2500m3（标准） h 的流量通过一个填料常压热水塔。从塔顶喷淋91热水，喷淋量为 33500 kgh，塔顶出口气体温度为 84，其中含有大量水蒸气， 饱和度为 90%，热损失为 350000 kJ/h. 试求塔底热水出口温度。解：本题解题思路： 根据质量守恒，进入填料塔的 91的热水量应该等于变成蒸汽从塔顶出来的量和塔底出来的热 水量之和。此题先根据给定的条件首先求出蒸发量。 根据热量平衡，进入塔的热量即是热水和空气带人的热量。消耗的热量有：热水出口带出的热 量、将水从基准温度 0升至 84需要的热量、将水从 84液态汽化为 84蒸汽的热量及热损失。选择计
5、算基准为 0。查到 84 水的饱和蒸汽的蒸汽压为 55.57 kPa ，总压为 101.3 kPa 。 根据分压定律，计算塔顶气体中水蒸气的摩尔分数：(5) 连续蒸馏热量计算 在连续蒸馏热量计算中，一般情况是求塔顶冷凝器和再沸器的负荷。 例 8 用常压精馏塔分离二硫化碳和四氯化碳。见图2。图2 例 8示意图已知条件：进料 F1为 6000kg/h ，温度为 62，含 CS230%(摩尔分数，下同) 。塔顶产品 F2=1095 kg/h ， 含 CS295%，温度 40，塔顶蒸汽温度 47。塔底产品 F3=4905 kg/h ，含 CS22.5%，温度 75，回流比 R=3。 塔顶冷凝器用水作冷
6、却剂，进口温度 18，出口温度 25。再沸器用 0.152 MPa 的蒸汽加热。求： (1) 再沸器热负荷和加热蒸汽用量；(2) 塔顶冷凝器热负荷和冷却水用量。 解：本题物料之间关系及输入输出各股物料流量条件已定。现在主要分析和计算热量关系，并按热量 平衡计算出所求的冷凝器和再沸器的热负荷。对冷凝器来说，有 3 部分热量进入冷凝器：需要冷凝的蒸汽带进的热量、从冷凝器出来的回流到塔 中回流液带出的热量和成品 F2 带出的热量。对再沸器来说， 再沸器负荷中， F1和回流带人热量之和应等于蒸汽和塔底液带出的热量之和(假设无 热损失) 利用前边讲过的关于混合物比热容的近似求法，用组分加合法求进料、出料、回流料的平均比热容。第 1 步：为计算平均比热容，首先计算 CS2、CCl4在进料处、塔顶和塔底的质量分数。设CS2 在进料处、塔顶和塔底的质量分数分别为如 XF1、 XF2、XF3