热量平衡计算课程设计成品#精选.docx
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热量平衡计算课程设计成品#精选
热量平衡计算
一、综述
热量衡算（heatbalance）
当物料经物理或化学变化时，如果其动能、位能或对外界所作之功，对于总能量的变化影响甚小可以忽略时，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，对于复杂过程，热量衡算往往须与物料衡算联立求解。
物质具有的热能,是对照某一基准状态来计量的,相当于物质从基准状态加热到所处状态需要的热量。
当物质发生相态变化时,须计入相变时的潜热,如汽化热（或冷凝热）、熔融热（或凝固热）等。
不同液体混合时，须计入由于浓度变化而产生的混合热（或溶解热）。
工程上常用热力学参数焓表示单位质量物质所具有的热量。
单位质量物料状态变化所需的热量，等于两种状态下焓值的差。
热量衡算的步骤，与物料衡算大致相同。
一、热量衡算的意义
（1）、通过热量衡算，计算生产过程能耗定额指标。
应用蒸汽的热量消耗指标，可以对工艺设计的多种方式进行比较，以选定先进的生产工艺，或对已投产的生产系统提出改造或革新，分析生产过程的经济合理性、过程的先进性，并找出生产上存在的问题。
（2）、热量衡算的数据是设备类型的选择及确定其尺寸、台数的依据。
（3）、热量衡算是组织和管理、生产、经济核算和最优化的基础。
热量衡算的结果有助于工艺流程和设备的改进，达到节约能降低生产成本的目的。
二、热量衡算的方法和步骤
热量衡算可以作全过程的或单元设备的热量衡算。
现以单元设备的热量衡算为例加以说明，具体的方法和步骤如下：
1.画出单元设备的物理衡算流向及变化的示意图
2.分析物料流向及变化，写出热量衡算式：
∑Q入=∑Q出+∑Q损（1--1）
式中∑Q入————输入的热量总和（KJ）
∑Q出————输出的热量总和（KJ）
∑Q损————损失的热量总和（KJ）
通常，∑Q入=Q1+Q2+Q3（1--2）
∑Q出=Q4+Q5+Q6+Q7（1--3）
∑Q损=Q8（1--4）
Q1————物料带入的热量,kJ；
Q2————由加热剂或冷却剂传给设备和物料的热量，kJ；
Q3————括生物反应热、搅拌热等，kJ；
Q4————物料离开设备带出的热量，kJ；
Q5————消耗在加热设备各个部件上的热量，kJ；
Q6————加热物料需要的热量，kJ。
Q7————气体或蒸汽带出的热量，kJ
由上些式子可以得到：
Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6+Q7+Q8（1--5）
注意的是，对具体的单元设备，上面的Q1~Q8各项热量不一定都存在，故进行衡算的时候，必须具体情况具体分析。
3.收集数据
为了使热量衡算顺利进行，计算结果要正确无误和节约时间，首先要收集有关的数据，如物料量、工艺条件以及必需的物性数据等。
这些有用的数据可以从专门手册查阅，或取自工厂实际生产数据，或根据试验研究结果选定。
4.确定合适的计算基准
在热量衡算过程中，取不同的基准温度，算出（1--5）式中各项数据不同。
所以必须选准一个设计温度，且每一物料的进出口基准态必须一致。
通常，取273K为基准温度可以简化计算。
5.热量衡算的方法
热量衡算时一般建议以273K为基准温度，以液态为基准物态。
（1）物料进入设备带人热量Q1（或物料由设备带出的热量Q4）的计算
Ql（Q4）=∑Gct
G—--物料质量，kg；
C——物料平均等压比热容，kJ／（kg•℃）；
t——物料温度，℃；
生产过程中有相变化时还要加上相变热。
（2）过程热效应（Q3）
过程热效应包括化学过程热效应（Qr）和物理过程热效应（Qp）。
即：
Q3=Qr+Qp
Qr=1000×qr?
×GA／MA
GA——参与反应的A物质量，kg；
qr?
——标准化学反应热，kJ／mol；
MA——A物质的分子量。
Qp可通过盖斯定律来计算。
消耗在加热设备各个部件上的热量（Qs）的计算
（3）加热设备耗热量Q5
Q5=∑Gc（T2—T1）
G——设备总质量，kg；
c——设备材料热容，kJ／（kg•℃）
T1——设备各部件初温，℃；
T2——设备各部件终温，℃。
（4）Q6加热物料需要的热量，kJ。
Q6=∑Gc（T2—T1）
G——物料质量，kg；
c——物料比热容，kJ／（kg•℃）
T1——物料前温度，℃；
T2——物料后温度，℃。
（5）Q7气体或蒸汽带出的热量，kJ
Q7=∑G（ct+r）
G——离开设备的气态物料量，kg；
c——液态物料由0℃升温至蒸发温度的平均比热容，kJ／（kg•℃）
t——气态物料温度，℃
r——蒸发潜热，kJ／kg
（6）设备向四周散失的热量（Q8）的计算
Q8=∑Aαt（TW2一T0）t
A——设备散热表面积，m2；
αt——散热表面向四周介质的联合给热系数，W／（m2•℃）；
Tw2——四壁向四周散热时的表面温度，℃；
To——周围介质温度，℃；
t——过程持续时间，s。
由加热剂或冷却剂传给设备和物料的热量的计算
Q2=Q4+Q5+Q6-Q1-Q3
选定加热剂（或冷却剂），即可从有关手册查出该物质cp，再确定其进出口温差ΔT，则加热剂（或冷却剂）的用量为：
w=Q2／cp•ΔT
Q2=κA1•ΔTm
κ——传热系数，kJ／（m2•h．℃）；
Al——传热面积，m2；
ΔTm——对数平均温差，℃。
ΔTm=（ΔT1—ΔT2）/ln（ΔTl／ΔT2）
从上式即可计算所需的传热面积。
对不需加热或冷却的设备可不必进行热量计算，此时水、汽等消耗量的确定可从同类型的生产车间取得。
热量衡算结束应列成动力消耗定额及消耗量表。
下面是150t/a红霉素生产中热量衡算
150t/a红霉素厂糖化车间热量衡算
1.木薯用a-淀粉酶水解成糊精用水热量Q1
根据工艺，糖化锅加水量为：
G1=456.43×3=1369.29㎏
自来水平均温度取t1=20℃糖化配料用水t2=50℃
所以Q1=G1CW（t2-t1）
=1369.29×4.18×（50－20）=1.717×105
2.木薯用a-淀粉酶水解成糊精煮沸耗热量Q2
2.1糖化锅内由木薯t3=60℃加热到t4=85℃耗热Q木
Q木=G木C木（t4－t3）
=456.43×2.17×（85－60）=2.476×104kj
C木——木薯的比热容因为所有分子量用葡萄糖的算
利用公式CD=∑nici/M
得出C葡=2.17kj/㎏·℃
糖化锅内由水t3=60℃加热到t4=85℃耗热Q木
Q水=G水C水（t4－t3）
=1369.29×4.18×（85－60）=1.43×105kj
2.2.煮过程中蒸汽带出的热量Q汽
设煮的过程一次为60℃30min一次为85℃100min蒸发热量为每小时3%，则蒸发水分为：
V1=（G木+G水）×3%×t
=（456.43+1369.29）×3%×（30+100）÷60=118.67㎏
Q汽=V1×I=118.67×2257.2=2.68×105kj
3.热损失Q损
设煮沸过程热量损失Q损为前两次的好热量的15%
Q损=15%（Q水+Q木+Q汽）
=15%（1.43×105+2.476×104+2.68×105）=6.54×104kj
Q2=Q水＋Q木＋Q汽＋Q损=1.43×105＋2.476×104＋2.68×105＋6.54×104=5.0×105kj
4.用糖化酶糖化过程中60℃30min带出的蒸汽Q3
V1=（G木+G水）×3%×t
=（456.43+1369.29）×3%×30÷60=27.39㎏
Q3=V1×I=27.39×2257.2=6.18×104kj
洗槽水耗热量Q4
设洗槽水温度80℃，每100千克原料用水450㎏则用水量：
G4=456.43×450÷100=2053.9㎏
Q4=G4×CW×（80-20）=5.15×105kj
糖化一次总耗热量Q总
Q总=∑Qi=Q1＋Q2＋Q3＋Q4
=1.717×105＋5.0×105＋6.18×104＋5.15×105
=1.25×106kj
表1为150t/a红霉素厂糖化车间热量衡算表
150t/a红霉素厂糖化车间热量衡算表（表1）
名称
每吨产品消耗定额
每小时平均用量
每天消耗量
年消耗量
木薯
7302.8㎏/次
152㎏/h
3651.44㎏/d
1.10×106㎏/a
蒸汽MPa
2×107MPa
4.167×105
1×107
3.0×109
150t/a红霉素厂生产车间发酵罐热量衡算
一、生产1000㎏红霉素发酵罐耗热量计算
表2生产车间生产1000㎏红霉素发酵罐耗热量的物料参数
表2
名称
投入量㎏
比热容kj/㎏·℃
投入前温度℃
进入后温度℃
豆饼粉
5443.2
2.17
18
35
葡萄糖
6804
淀粉
5670
35
硫酸铵
226.8
18
玉米浆
680.4
Caco3
1360.8
发酵豆油
340.2
发酵丙酸
1360.8
总和
21886.2
2.17
35
C—各物料的比热容因为所有分子量有些不知道为简化用葡萄糖的算。
利用公式CD=∑nici/M
得出C葡=2.17kj/㎏·℃
1.发酵1000㎏红霉素过程中总物料消耗热量Q物
1000㎏红霉素需物料21886.2㎏，1000㎏红霉素需淀粉5670㎏
淀粉有糖化锅经糖化后温度为35℃温差不变，
Q淀=0所以总物料为16216.2㎏
设进罐前温度为常温t1=18℃开始发酵为t2=35℃
Q物=G物C物（t2－t1）
=16216.2×2.17×（35－18）=6.0×105kj
2.发酵1000㎏红霉素过程中蒸汽带出的热量Q汽
Q汽发酵过程前60小时35℃，60小时后31℃设蒸发热量为每周期1‰则蒸发水分为：
V1=G总×1‰=21886.2×1‰=21.886㎏
Q汽=V1×I=21.886×2257.2=4.9×104kj
3.Q热发酵过程的热效应
Q热=Qb+Qs
Qb=aQa+ßQ$
Qa=15651kj/㎏
Q$=4953kj/㎏
a和ß分别为细胞呼吸和发酵的耗糖量
aQa=27052kj/㎏
ß=141.75㎏/h
Qs=3600ŊP
Ŋ-----搅拌功率转换系数0.92
P-----搅拌轴功率kw设P=2.8kw/m3
Q热=Qs+aQa+ßQ$
3600×0.92×2.8+27052+141.75×6804=1.0×106kj
4.每天设备向四周散失的热量（Q损）的计算
Q损=∑Aαt（TW2一T0）t
A——设备散热表面积，m2；
αt——散热表面向四周介质的联合给热系数，W／（m2•℃）；
Tw2——四壁向四周散热时的表面温度，℃；
To——周围介质温度，℃；
t——过程持续时间，s。
设四壁向四周散热时的表面温度Tw2=30℃
周围介质温度To=15℃
空气做自然对流αt=8+0.05Tw2
=8+0.05×10=8.5℃
A=2×3.14×4×8+2×3.14×42=253.2㎡
每天有两个发酵罐，因为1000kg红霉素平均要发酵两天
Q损=∑Aαt（TW2一T0）t×10-3
=253.2×2×8.5×（30－15）×24×10-3×2=3.1×103kj
5.每天加热设备消耗的热量Q设备
Q设备=∑Gc（T2—T1）
G——设备总质量，kg；发酵罐用A3钢100kg每天用2个发酵罐
c——设备材料热容，kJ／（kg•℃）C=0.46kJ／（kg•℃）
T1——设备各部件初温15，℃；
T2——设备各部件终温35，℃。
因为1000kg红霉素平均要发酵两天
Q设备=∑Gc（T2—T1）
=100×2×0.46×（35－15）×2=3680kj
相对其他Q设备、Q损比较小可忽略不计
整个过程发酵罐所消耗热量
Q总=Q+物Q汽+Q热+Q损+Q设备
=6.0×105＋4.9×104＋1.0×106=1.65×106kj
2、生产1000㎏红霉素一级种子罐耗热量计算
表3为生产1000㎏红霉素一级种子罐物料参数
表3
名称
投入量㎏
比热容kj/㎏·℃
投入前温度℃
进入后温度℃
豆饼粉
170
2.17
18
35
葡萄糖
204
淀粉
272
35
硫酸铵
34
18
玉米浆
13.6
Caco3
40.8
酵母量
34
蛋白胨
34
总和
802.4
2.17
35
C—各物料的比热容因为所有分子量有些不知道为简化用葡萄糖的算。
利用公式CD=∑nici/M
得出C葡=2.17kj/㎏·℃
1.种子罐发酵过程中物料总耗热量Q物
1000㎏红霉素需物料802.4㎏，1000㎏红霉素需淀粉272㎏
淀粉有糖化锅经糖化后温度为35℃温差不变，
Q淀=0所以总物料为530.4㎏
设进罐前温度为常温t1=18℃开始发酵为t2=35℃
Q物=G物C物（t2－t1）
=530.4×2.17×（35－18）=1.96×104kj
2.发酵过程中蒸汽带出的热量Q汽
Q汽发酵过程前60小时35℃，60小时后31℃设蒸发热量为每周期1‰则蒸发水分为：
V1=G总×1‰=802.4×1‰=0.8㎏
Q汽=V1×I=0.8×2257.2=0.18×104kj
3.Q热发酵过程的热效应
Q热=Qb+Qs
Qb=aQa+ßQ$
Qa=15651kj/㎏
Q$=4953kj/㎏
a和ß分别为细胞呼吸和发酵的耗糖量
aQa=27052kj
ß=141.75㎏/h
Qs=3600ŊP
Ŋ-----搅拌功率转换系数0.92
P-----搅拌轴功率kw设P=1.0pw
Q热=Qs+aQa+ßQ$
3600×0.92×1.0+27052+141.75×204=5.928×104kj
4.设备向四周散失的热量（Q损）的计算
由发酵罐可知种子罐的散失热更少可以忽略不计
5.加热设备消耗的热量Q设备
由发酵罐可知种子罐的设备消耗热更少可以忽略不计
所以种子罐发酵过程中总耗热量Q总
Q总=Q+物Q汽+Q热+Q损+Q设备
=1.96×104＋0.18×104＋5.928×104=8.068×104kj
3、生产1000㎏红霉素二级种子罐耗热量计算
表4生产1000㎏红霉素二级种子罐物料参数
表4
名称
投入量㎏
比热容kj/㎏·℃
投入前温度℃
进入后温度℃
豆饼粉
997.92
2.17
18
35
葡萄糖
1360.8
淀粉
1360.8
35
硫酸铵
45.36
18
玉米浆
362.88
Caco3
272.16
总和
4399.92
2.17
35
C—各物料的比热容因为所有分子量有些不知道为简化用葡萄糖的算。
利用公式CD=∑nici/M
得出C葡=2.17kj/㎏·℃
1.二级种子罐发酵过程中物料总耗热量Q物
1000㎏红霉素需物料4399.92㎏，1000㎏红霉素需淀粉1360.8㎏
淀粉有糖化锅经糖化后温度为35℃温差不变，
Q淀=0所以总物料为3039.12㎏
设进罐前温度为常温t1=18℃开始发酵为t2=35℃
Q物=G物C物（t2－t1）
=3039.12×2.17×（35－18）=1.12×105kj
2.发酵过程中蒸汽带出的热量Q汽
Q汽发酵过程前60小时35℃，60小时后31℃设蒸发热量为每周期1‰则蒸发水分为：
V1=G总×1‰=4399.92×1‰=4.40㎏
Q汽=V1×I=4.40×2257.2=1.0×105kj
3.Q热发酵过程的热效应
Q热=Qb+Qs
Qb=aQa+ßQ$
Qa=15651kj/㎏
Q$=4953kj/㎏
a和ß分别为细胞呼吸和发酵的耗糖量
aQa=27052kj
ß=141.75㎏/h
Qs=3600ŊP
Ŋ-----搅拌功率转换系数0.92
P-----搅拌轴功率kw设P=1.0pw
Q热=Qs+aQa+ßQ$
3600×0.92×1.0+27052+141.75×1360.8=2.23×105kj
4.设备向四周散失的热量（Q损）的计算
由发酵罐可知种子罐的散失热更少可以忽略不计
5.加热设备消耗的热量Q设备
由发酵罐可知种子罐的设备消耗热更少可以忽略不计
所以种子罐发酵过程中总耗热量Q总
Q总=Q+物+Q汽+Q热+Q损+Q设备
=1.12×105+1.0×105+2.23×105=4.35kj
总结生产车间发酵罐热量总汇
生产150t/a红霉素生产车间发酵罐热量衡算表（表5）
表5
名称
Q物kj
Q汽kj
Q热kj
Q损kj
Q设备kj
Q总
生产1000㎏消耗的热量
6.0×106
4.9×104
1.0×106
3.1×103
3680
1.65×106
每天消耗的热量
3×106
2.45×104
5×105
1.6×103
1840
8.25×105
150t/a红霉素消耗热量
9×107
7.35×107
1.5×108
4.65×106
5.5×105
3.2×108
生产150t/a红霉素一级种子耗热量表6
表6
名称
Q物kj
Q汽kj
Q热kj
Q损kj
Q设备kj
Q总
生产1000㎏消耗的热量
1.9×104
0.18×104
5.928×104
忽略
忽略
8.068×104
每天消耗的热量
9.5×103
0.9×103
2.964×104
4.034×104
150t/a红霉素消耗热量
2.85×106
0.27×106
8.89×106
1.201×107
生产150t/a红霉素一级种子耗热量表7
表7
名称
Q物kj
Q汽kj
Q热kj
Q损kj
Q设备kj
Q总
生产1000㎏消耗的热量
1.12×105
1.0×105
2.23×105
忽略
忽略
4.35×105
每天消耗的热量
0.56×105
0.5×105
1.12×105
2.18×105
150t/a红霉素消耗热量
1.68×107
1.5×107
3.35×107
6.53×107
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