第二节　热 量 衡 算

物料衡算之后便可以进行热量衡算，二者皆是设备计算和其他工艺计算的基础。热量衡算是能量衡算的一种，全面的能量衡算是包括热能、动能、电能等在内的能量衡算。

一、热量衡算的目的和任务

热量衡算以能量守恒定律为基础。当物料经物理或化学变化时，如果其动能、位能或对外界所做之功，对于总能量的变化影响很小甚至可以忽略时，能量守恒定律可以简化为热量衡算。它是建立过程数学模型的一个重要手段，是化工计算的重要组成部分。进行热量衡算，可以确定为达到一定的物理或化学变化须向设备传入或从设备传出的热量；根据热量衡算可确定加热剂或冷却剂的用量以及设备的换热面积，或可建立起进入和离开设备的物料的热状态（包括温度、压力、组成和相态）之间的关系。确定合理利用热量的方案可以提高热量综合利用的效率。

热量衡算有两种情况：一种是对单元设备做热量衡算，当各个单元设备之间没有热量交换时，只需对个别设备做计算；另一种是整个过程的热量衡算，当各工序或单元操作之间有热量交换时，必须做全过程的热量衡算。

热量衡算的基本过程是在物料衡算的基础上进行单元设备的热量衡算（在实际设计中常与设备计算结合进行），然后再进行整个系统的热量衡算，尽可能做到热量的综合利用。

二、单元设备的热量衡算

单元设备的热量衡算就是对一个设备根据能量守恒定律进行热量衡算。内容包括计算传入或传出的热量，以确定有效热负荷；根据热负荷确定加热剂（或冷却剂）的消耗量和设备的传热面积。

1.方法与步骤

（1）画出单元设备的物料流向及变化示意图。

（2）根据物料流向及变化，列出热量衡算方程式。

∑Q=∑H_出-∑H_进　　（2-11）

式中　∑Q——设备或系统与外界环境各种换热量之和，其中通常包括热损失，kJ；

　∑H_进——进入设备或系统各股物料的焓之和，kJ；

　∑H_出——离开设备或系统各股物料的焓之和，kJ。

此外，在解决实际问题时，热平衡方程式还可以用下式表示：

Q₁+Q₂+Q₃+…=Q_Ⅰ+Q_Ⅱ+Q_Ⅲ+…　　（2-12）

式中　Q₁——所处理的各股物料带入设备的热量，kJ；

　Q₂——由加热剂（或冷却剂）传给设备和物料的热量，kJ；

　Q₃——各种热效应如化学反应热、溶解热等，kJ；

　Q_Ⅰ——离开设备各股物料带走的热量，kJ；

　Q_Ⅱ——加热设备消耗的热量，kJ；

　Q_Ⅲ——设备的热损失，kJ。

（3）搜集有关数据。主要搜集已知物料量、工艺条件（温度、压力）以及有关物性数据和热力学数据，如比热容、汽化潜热、标准生成热等。

（4）确定计算基准温度。在进行热量衡算时，应确定一个合理的基准温度，一般以273K或295K为基准温度。其次，还要确定基准相态。

（5）各种热量的计算。

①各种物料带入（出）的热量Q₁和Q_Ⅰ的计算。

Q=∑m_ic_piΔt_i　　（2-13）

式中　m_i——物料的质量，kg；

　c_pi——物料的比热容，kJ/（kg·K）；

　Δt_i——物料进入或离开设备的温度与基准温度的差值，K。

②过程热效应Q₃的计算。过程的热效应可以分为两类：一类是化学反应热；另一类是状态热。这些数据可以从手册中查取或从实际生产数据中获取，也可按有关公式求得。

③加热设备消耗的热量Q_Ⅱ的计算。

Q_Ⅱ=∑m_Wc_pWΔt_W　　（2-14）

式中　m_W——设备各部分的质量，kg；

　c_pW——设备各部分的比热容，kJ/（kg·K）；

　Δt_W——设备各部分加热前后的平均温度，K。

计算时，m_W可估算，c_pW可在手册中查取。对于连续设备，Q_Ⅱ可忽略，间歇过程必须计算。

④设备热损失Q_Ⅲ的计算。

Q_Ⅲ=∑Aα_T（t_w-t₀）τ　　（2-15）

式中　A——设备散热表面积，m²；

　α_T——散热表面对周围介质的传热系数，kJ/（m²·h·K）；

　t_w——设备壁的表面温度，K；

　t₀——周围介质的温度，K；

　τ——过程的持续时间，h。

当周围介质为空气作自然对流时，而壁面温度t_w又在323～627K的范围内，可按下列经验公式求取α_T。

α_T=8+0.05t_w　　（2-16）

有时根据保温层的情况，热损失Q_Ⅲ可按所需热量的10%左右估算。如果整个过程为低温，则热平衡方程式的Q_Ⅲ为负值，表示损失的是冷量。

⑤由加热剂（或冷却剂）传给设备和物料的热量Q₂的计算。

Q₂在热量衡算中是待求取的数值。当Q₂求出以后，就可以进一步确定传热剂种类、用量及设备的传热面积。若Q₂为正值，则表示设备需要加热；若Q₂为负值，表示需要从设备内部取出热量。

（6）列出热量平衡表。

（7）传热剂用量的计算。化工生产过程中，传递的热量往往是通过传热剂按一定方式来传递的。因此，对传热剂的选择及用量的计算是热量计算中必不可少的内容。

①加热剂用量的计算。常用的加热剂有水蒸气、烟道气、电能，有时也用联苯醚等有机载热体。

a.间接加热时水蒸气消耗量

　　（2-17）

式中　I——水蒸气热焓，kJ/kg；

　c_p——水的比热容，kJ/（kg·K）；

　t——冷凝水温度（常取水蒸气温度），K。

b.燃料消耗量

　　（2-18）

式中　η_T——燃烧炉的热效率；

　Q_T——燃料的发热值，kJ/kg。

c.电能消耗量

　　（2-19）

式中，η为电热设备的电功效率（一般取0.85～0.95）。

②冷却剂消耗量的计算。常见的冷却剂为水、空气、冷冻盐水等，可按下式计算：

　　（2-20）

式中　c_p0——冷却剂比热容，kJ/（kg·K）；

　t_in——冷却剂进口温度，K；

　t_out——冷却剂出口温度，K。

（8）传热面积的计算。为了及时地控制过程中的物料温度，使整个生产过程在适宜的温度下进行，就必须使所用的换热设备有足够的传热面积，通常由热量衡算式算出所传递的热量Q₂，先求出传热速率q=Q₂/τ，再根据传热速率方程求取传热面积。

q=KAΔt_m　　（2-21）

得：

　　（2-22）

式中　K——传热系数，kJ/（m²·h·K）；

Δt_m——传热剂与物料之间的平均温度差，K；

　A——传热面积，m²。

间歇过程传热量往往随时间而变化，在计算传热面积时，要考虑到反应过程吸热（或放热）强度不均匀的特点，应以整个过程中单位时间传热量最大的阶段为依据，先计算整个过程多个阶段的热量，通过比较确定热负荷最大的阶段，据此确定传热面积的大小。

2.注意事项

①根据物料走向及变化，具体分析热量之间的关系，然后根据能量守恒定律列出热量关系式。式（2-9）适用于一般情况。由于热效应有吸热和放热，有热量损失和冷量损失，所以式中的热量将有正、负两种情况，故在使用时须根据具体情况进行分析。另外，计算过程中对那些热量值很小的可以忽略不计。

②弄清过程中存在的热量形式，确定需要收集的数据。化工过程中的热效应数据（包括反应热、溶解热、结晶热等）可以直接从有关资料、手册中查取。

③间歇操作设备常用kJ/台为计算基准。因热负荷随时间而变化，所以可用不均衡系数换算成kJ/h，不均衡系数则应根据具体情况取经验值。

三、系统的热量衡算

系统热量平衡是对一个换热系统、一个车间（工段）和全厂（或联合企业）的热量平衡。其依据的基本原理仍然是能量守恒定律，即进入系统的热量等于离开系统的热量和损失热量之和。

1.系统热量平衡的作用

通过对整个系统能量平衡的计算求出能量的综合利用率。由此来检验流程设计时提出的能量回收方案是否合理，按工艺流程图检查重要的能量损失是否都考虑到了回收利用，有无不必要的交叉换热，以及核对原设计的能量回收装置是否符合工艺过程的要求等。

通过各设备加热（冷却）利用量计算，把各设备的水、电、汽、燃料的用量进行汇总。求出每吨产品的动力消耗定额（如表2-7所示），每小时、每昼夜的最大用量以及年消耗量等。

动力消耗包括自来水（一次水）、循环水（二次水）、冷冻盐水、蒸汽、电、石油气、重油、氯气、压缩空气等。动力规格指蒸汽的压力，冷冻盐水的进、出口温度等。

2.系统热量平衡计算步骤

系统热量平衡计算步骤与单元设备的计算步骤基本相同。