热量衡算

化工计算中的能量衡算是根据热力学第一定律，即能量守恒与转化定律，对化工过程进行能量计算。化工生产中消耗的能量形式有机械能，电能和热能等等，其中以热能为主要形式，因此化工过程中的能量衡算重点是热量衡算。本章具体对苯酐氧化反应器进行能量衡算如下：

热量衡算方程式： Q1+Q2+Q3=Q4+Q5

其中式中： Q1——初始物料带入设备中的热量，kJ

Q2——加热剂或冷却剂与设备和物料传递的热量，kJ

Q3——物理变化及化学变化的热效应，kJ Q4——离开设备物料带走的热量，kJ Q5——反应器系统热量损失，kJ 4.1 反应过程的能量方框图

145℃ Q2

Q 邻二甲苯 工艺空气 苯酐 邻二甲苯 固 定 床 顺酐 苯甲酸 苯酞 反 应 器 柠槺酐 水 二氧化碳 一氧化碳 370℃

图4-1 反应工段能量衡算图

4.2 反应器能量横算过程

根据图4-1及能量守恒可知：Q2=Q4+Q5-Q1-Q3 4.2.1 Q1和Q4的计算

Q=∑Mi×Ci（t1-t2） （Q1和Q4的计算都适用）

式中：Mi——反应物体系中组分的质量，kg； Ci——组分i在0-T℃时的平均比热容，KJ/kg.K； t1，t2——反应物系在反应前后的温度，℃。 物料进入设备时的温度为145℃，热量衡算的基准为145℃，△T=0,则： Q1=0

查得各物项平均比热容数据： （kJ/kg.℃）

表4-1 各物相平均比热容

组分 OX O2 N2 苯酐 顺酐 柠康酐 苯酞 苯甲酸 水 CO CO2 比热容 5.96 1.15 1.06 5.23 4.93 4.52 4.91 5.18 4.18 1.11 1.45 所以： Q4??MiCi?t1?t2?

=9.4000×6.96×(370-145)+8124.3234×1.15×225+70547.000

×1.06×225+9990.0000×5.23×225+796.1912×4.52×225+162.0164×4.52×225+273.9496×4.91×225+574.4248×5.18×225+4972.6368×4.18×225+411.8582×1.11×225+2830.2066×1.45×225

=38347694.4kJ 4.2.2 过程Q3的计算

过程热效率可以分为两类：一类是化学过程的热效率即化学反应速率；另一类是物理过程热效率。物料化学变化过程，除化学反应外，往往伴随着物料状态变化热效率，但本工艺流程中物理过程热效率较低，可以忽略不计，该过程皆为放热反应，则过程热效率可以由下式计算：

主反应：C8H10+3O2→C8H4O3+3H2O +1302.2kJ Q3-1=67.5000×103×1302.2

3

=87898.5×10kJ/h

副反应：CH3C6H4CH3+7.5O2→C4H2O3（顺酐）+4CO2+4H2O +3177.9kJ Q3-2=8.1244×103×3177.9

=25818.5308×103kJ/h

CH3C6H4CH3+3O2→C6H5COOH（苯甲酸）+CO2+2H2O +1339.8kJ Q3-3=4.7084×103×1339.8

=6308.3143×103kJ/h

CH3C6H4CH3+2O2→C8H6O2（苯酞）+2H2O +837.4kJ Q3-4=2.0444×103×837.4

=1711.9806×103kJ/h

CH3C6H4CH3+4.5O2→C5H5O3（柠槺酐）+3CO+3H2O +1674.8kJ Q3-5=1.4338×103×1674.8

=2401.3282×103kJ/h

CH3C6H4CH3+6.5O2→8CO+5H2O +2177.2kJ Q3-6=1.28×103×2177.2

=2786.8×103kJ/h

CH3C6H4CH3+10.5O2→8CO2+5H2O +4576.4kJ Q3-7=3.38×103×4576.4

=15468.2×103kJ/h

继而得到：

Q3 = Q3-1+Q3-2+Q3-3+Q3-4+Q3-5+Q3-6+Q3-7 =142387.6539×103kJ/h 4.2.3 Q5的计算

该反应中的热损失按5%计算，即：

Q5=5%×（Q1+Q3） =5%×（0+142387.6539×103） =7119.3827×103kJ/h

4.2.4 Q2的计算

Q2为熔岩移出反应器的热量，由反应器热量守恒可知： Q2=Q4+Q5-Q1-Q3

=96920576.8kJ/h 4.3 反应器能量衡算表

根据以上计算列出氧化反应工段能量衡算表格如下：

表4-2 反应工段能量衡算表 （吸收热量为“+”，释放热量为“-”）

名称 输入物料焓（Q1） 热交换量（Q2） 过程热效率（Q3） 输出热料焓（Q4） 总的热损失（Q5）

热量（kJ/h） 0 96920576.8 -142387653.9 38347694.4 -7119382.7