在環(huán)境工程過程中發(fā)生的化學或物理過程,往往伴隨著能量的變化,因此有必要進行能量衡算。又因為一般無軸功存在或軸功影響較小,能量衡算實際上主要是熱量衡算。

1.熱量衡算表達式

熱量衡算主要依據(jù)能量守恒定律,即在無軸功的條件下,進入系統(tǒng)的熱量與離開系統(tǒng)的熱量相等。

其表達式為

式中:Q1——物料進入設備所帶來的熱量；

　Q2——由加熱劑（冷卻劑）傳給設備和物料的熱量（加熱時取正值,冷卻時取負值）；

　Q3——過程的熱效應,它分為兩類,即化學反應熱效應和狀態(tài)變化熱效應；

　Q4——物料從設備離開所帶走的熱量；

　Q5——消耗于加熱（冷卻）設備和各個部件上的熱量；Q6——設備向四周散失的熱量。

2.計算過程

（1）所處理的物料帶到設備中的熱量（Q1）

Q1可用下式計算:

式中:G——物料的重量,kg；

　c——物料的比熱容,kJ/（kg·℃）；

　t——物料的溫度,℃。

G的數(shù)據(jù)根據(jù)物料衡算的結(jié)果確定；t的數(shù)值由生產(chǎn)工藝操作規(guī)程、中間試驗數(shù)據(jù)或其他搜集得來的資料而定；c可從各種手冊中查詢,缺乏數(shù)據(jù)的條件下也可根據(jù)經(jīng)驗式或做實驗求取。

（2）由加熱劑（冷卻劑）傳給設備和所處理的物料之熱量（Q2）

Q2在大多數(shù)情況下是未知數(shù),需利用熱量衡算來求取。再根據(jù)Q2確定傳熱面積的大小及加熱劑（冷卻劑）的用量。

（3）過程的熱效應Q3

Q3可分為兩類:一是發(fā)生化學反應,放出或吸入的熱量,常稱為化學反應熱；二是由于物理化學過程所引起的結(jié)果,被稱為狀態(tài)熱。

在某一過程中,有時只有化學反應熱,有時只有狀態(tài)熱,有時兩者兼有。

化學反應熱有聚合熱、硝化熱、磺化熱、氯化熱、氧化熱、氫化熱、中和熱等。這些數(shù)據(jù)可從手冊、工藝學書籍、工廠實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)、中間試驗數(shù)據(jù)及科學研究中獲得。如缺乏數(shù)據(jù),可根據(jù)元素的生成熱和化合物的燃燒熱求出。

狀態(tài)熱有汽化熱、熔融熱、溶解熱、升華熱、結(jié)晶熱等。這些數(shù)據(jù)同樣可從手冊、化工過程及化工計算書籍等資料中找到。

（4）反應產(chǎn)物由設備中帶出的熱量（Q4）

同Q1。

（5）消耗在加熱設備各個部件上的熱量（Q5）

對于連續(xù)操作的設備只需建立物料平衡和熱量平衡,不需建立時間平衡。但對于間歇操作的設備,還需建立時間平衡,因為在間歇操作中,條件會隨時間而改變。

根據(jù)計算結(jié)果,可得到設備傳熱面積、綜合能耗表。

3.四氟化硅吸收塔熱量平衡計算實例

含四氟化硅的廢氣進入吸收塔,經(jīng)水吸收的氟硅酸的液相溫度與吸收效率成反比,因此要對吸收塔的熱量關(guān)系進行核算。熱量平衡計算的依據(jù)之一是其物料平衡結(jié)果,見表1-8。

表1-8　吸收塔物料平衡

吸收塔熱量平衡方程式為

式中:Q1——氣體帶入熱量,kJ/h；

　Q2——水蒸氣帶入熱量,kJ/h；Q3——液體帶入熱量,kJ/h；Q4——反應熱,kJ/h；

　Q5——氣體帶出熱量,kJ/h；

　Q6——水蒸氣帶出熱量,kJ/h；Q7——液體帶出熱量,kJ/h；Q8——熱損失,kJ/h。

已知:進入吸收塔氣體溫度為80℃,此時空氣的比熱容為1暢01kJ/（kg·℃）。

Q1＝（10740.6＋118.5）×1.01×80＝877415（kJ/h）

已知:80℃時水蒸氣熱焓為2643kJ/kg。

Q2＝694.1×2643＝1834506（kJ/h）

已知:補充水溫度為20℃,水的比熱容為4.1868kJ/（kg·℃）。

Q3＝1054×4.1868×20＝88258（kJ/h）

由反應式:

已知生成熱:SiF4——1548kJ/mol；

H2O——286kJ/mol；

H2SiF4——2331kJ/mol；

SiO2——841kJ/mol。

得反應熱:

ΔHm＝（2×2331＋841）－（3×1548＋2×286）＝287（kJ/mol）

因此,每千克SiF4的反應熱為

（287×1000）/（3×104）＝920（kJ/kg）

Q4＝（118.5－3.6）×920＝105708（kJ/h）

已知:吸收塔出口氣體溫度為51℃,此時空氣的比熱容為1kJ/（kg·℃）。

Q5＝（10740.6＋3.6）×51×1＝547954（kJ/h）

已知:51℃時水蒸氣熱焓為2593.3kJ/kg。

Q6＝773.3×2593.3＝2005399（kJ/h）

設吸收塔出口液體溫度為t℃,熱損失為Q7,則

Q7＝（106.1＋28.7＋954.9）×4.1868×t＝4562t

設Q8為進入總熱量的2%,即

Q8＝（Q1＋Q2＋Q3＋Q4）×2%

　　?。剑?77415＋1834506＋88258＋105708）×2%＝58118（kJ/h）

將以上計算結(jié)果代入總熱量平衡式（1-9）:

877415＋1834506＋88258＋105708＝547954＋2005399＋4562t＋58118

　　　　　　　　　　　　　　　t＝64.5℃

因此,熱量衡算結(jié)果如下:

氣體進口溫度為80℃,氣體出口溫度為51℃,液體進口溫度為20℃,液體出口溫度為64.5℃。