1、熱量平衡計算一、綜述熱量衡算（heat balanee ）當物料經物理或化學變化時，如果其動能、位能或對外界所 作之功，對于總能量的變化影響甚小可以忽略時，能量守恒定律 可以簡化為熱量衡算。它是建立過程數(shù)學模型的一個重要手段， 是化工計算的重要組成部分。進行熱量衡算，可以確定為達到一 定的物理或化學變化須向設備傳入或從設備傳出的熱量；根據(jù)熱 量衡算可確定加熱劑或冷卻劑的用量以及設備的換熱面積，或可 建立起進入和離開設備的物料的熱狀態(tài)（包括溫度、壓力、組成 和相態(tài)）之間的關系，對于復雜過程，熱量衡算往往須與物料衡 算聯(lián)立求解。物質具有的熱能，是對照某一基準狀態(tài)來計量的，相當于物質從基準狀態(tài)加熱到

2、所處狀態(tài)需要的熱量。當物質發(fā)生相態(tài)變化 時,須計入相變時的潛熱，如汽化熱（或冷凝熱）、熔融熱（或凝固熱）等。不同液體混合時，須計入由于濃度變化而產生的混合熱（或 溶解熱）。工程上常用熱力學參數(shù)焓表示單位質量物質所具有的熱 量。單位質量物料狀態(tài)變化所需的熱量，等于兩種狀態(tài)下焓值的 差。熱量衡算的步驟，與物料衡算大致相同。一、熱量衡算的意義（1 ）、通過熱量衡算，計算生產過程能耗定額指標。應用蒸汽 的熱量消耗指標，可以對工藝設計的多種方式進行比較，以選定 先進的生產工藝，或對已投產的生產系統(tǒng)提出改造或革新，分析 生產過程的經濟合理性、過程的先進性，并找出生產上存在的問 題。（ 2 ）、熱量衡算的數(shù)

3、據(jù)是設備類型的選擇及確定其尺寸、臺數(shù) 的依據(jù)。（ 3 ）、熱量衡算是組織和管理、生產、經濟核算和最優(yōu)化的基 礎。熱量衡算的結果有助于工藝流程和設備的改進，達到節(jié)約能 降低生產成本的目的。二、熱量衡算的方法和步驟 熱量衡算可以作全過程的或單元設備的熱量衡算。 現(xiàn)以單元 設備的熱量衡算為例加以說明，具體的方法和步驟如下：1. 畫出單元設備的物理衡算流向及變化的示意圖2. 分析物料流向及變化，寫出熱量衡算式：刀Q入二刀Q出+刀Q損(1-1 )式中刀Q入-輸入的熱量總和（(KJ)刀Q出輸出的熱量總和(KJ)刀Q損損失的熱量總和（KJ）通常，刀 Q 入=Q i +Q2+Q 3（1-2 ）刀 Q 出=Q4

4、+Q5+Q6+Q7(1 -3 )刀 Q 損=Q 8(1 -4 )Q1 物料帶入的熱量 ,kJ；Q2 由加熱劑或冷卻劑傳給設備和物料的熱量， kJ；Q3括生物反應熱、攪拌熱等， kJ;Q4物料離開設備帶出的熱量， kJ;Q5消耗在加熱設備各個部件上的熱量， kJ;Q6加熱物料需要的熱量， kJ。Q7 氣體或蒸汽帶出的熱量，kJ由上些式子可以得到：Q1+Q2+Q3 =Q4+Q5+Q6+Q7+Q8 （1-5） 注意的是，對具體的單元設備，上面的 Q1Q8 各項熱量不一定 都存在，故進行衡算的時候，必須具體情況具體分析。3. 收集數(shù)據(jù)為了使熱量衡算順利進行，計算結果要正確無誤和節(jié)約時 間，首先要收集有

5、關的數(shù)據(jù)，如物料量、工藝條件以及必需的物 性數(shù)據(jù)等。這些有用的數(shù)據(jù)可以從專門手冊查閱，或取自工廠實 際生產數(shù)據(jù)，或根據(jù)試驗研究結果選定。4. 確定合適的計算基準在熱量衡算過程中，取不同的基準溫度，算出（1-5 ）式中各項數(shù)據(jù)不同。所以必須選準一個設計溫度，且每一物料的進出 口基準態(tài)必須一致。通常，取 273K 為基準溫度可以簡化計算。5. 熱量衡算的方法熱量衡算時一般建議以 273K 為基準溫度，以液態(tài)為基準物態(tài)。（1）物料進入設備帶人熱量 Qi（或物料由設備帶出的熱量 Q4）的計算Qi(Q4)=刀 GetG-物料質量， kg；C物料平均等壓比熱容，kJ/ (kg?C);t 物料溫度，C；生產

6、過程中有相變化時還要加上相變熱。(2) 過程熱效應 (Q3)過程熱效應包括化學過程熱效應(Qr)和物理過程熱效應(Qp)。即:Q3=Qr+QpQr=1000x qr?x GA/ MAG A參與反應的A物質量，kg;qr? 標準化學反應熱，kJ/ mol;MA A物質的分子量。Qp 可通過蓋斯定律來計算。消耗在加熱設備各個部件上的熱量(Qs)的計算(3) 加熱設備耗熱量 Q5Q 5二刀 Gc (T2T1)G設備總質量， kg；c設備材料熱容，kJ/(kg?C)T1-設備各部件初溫，c；T2設備各部件終溫，c。(4)Q6加熱物料需要的熱量，kJ。Q6=刀 Gc (T2T1)G物料質量，kg;c物料

7、比熱容，kJ/(kg?C) T1 物料前溫度，C;T2 物料后溫度，C。(5) Q7 氣體或蒸汽帶出的熱量，kJQ7=刀 G(ct+r)G離開設備的氣態(tài)物料量，kg;c液態(tài)物料由0 C升溫至蒸發(fā)溫度的平均比熱容，kJ/(kg?C) t 氣態(tài)物料溫度，Cr蒸發(fā)潛熱，kJ/ kg(6) 設備向四周散失的熱量(Q8)的計算Q8=刀 A at(Tw2 一 T0)tA設備散熱表面積，m2;a t散熱表面向四周介質的聯(lián)合給熱系數(shù)，W/(m2?C);Tw2四壁向四周散熱時的表面溫度，C；To周圍介質溫度，C;t 過程持續(xù)時間， s。由加熱劑或冷卻劑傳給設備和物料的熱量的計算Q2=Q4+Q5+Q6-Q1-Q3

8、選定加熱劑(或冷卻劑)，即可從有關手冊查出該物質 cp,再確定其 進出口溫差 T,則加熱劑(或冷卻劑)的用量為：w=Q2/cp?A TQ2=k A1?A T mk 傳熱系數(shù)，kJ/(m2?h.C );Al 傳熱面積， m2； T m對數(shù)平均溫差，C。 T m=( T1 T2)/ln( Tl/ T2)從上式即可計算所需的傳熱面積。 對不需加熱或冷卻的設備可 不必進行熱量計算， 此時水、 汽等消耗量的確定可從同類型的生產車 間取得。熱量衡算結束應列成動力消耗定額及消耗量表。下面是 150t/a 紅霉素生產中熱量衡算150t/a 紅霉素廠糖化車間熱量衡算1. 木薯用 a- 淀粉酶水解成糊精用水熱量

9、Q1 根據(jù)工藝，糖化鍋加水量為：G=456.43 X 3=1369.29 kg自來水平均溫度取t1=20C 糖化配料用水t2=50C所以Q1= G1CW(t2-t1)=1369.29X 4.18X (5020)=1.717X1052. 木薯用 a- 淀粉酶水解成糊精煮沸耗熱量 Q22.1糖化鍋內由木薯t3=60C加熱到t4=85C耗熱Q木Q木=G木C木仇一七彳)=456.43X 2.17X(8560)=2.476X104 kjC 木 木薯的比熱容因為所有分子量用葡萄糖的算利用公式Cd=刀nici/M得出 C 葡=2.17kj/ kgC糖化鍋內由水t3=60C加熱到t4=85C耗熱Q木Q 水=G

10、 水 C 水(t4 一 t3)=1369.29X 4.18X( 85- 60) =1.43X 105 kj2.2.煮過程中蒸汽帶出的熱量 Q汽設煮的過程一次為 60C 30min 一次為 85C100min 蒸發(fā)熱量為每小 時 3%，則蒸發(fā)水分為：Vi= (G 木+G 水)x 3%x t=(456.43+1369.29)X 3%x( 30+100)+ 60=118.67 kkQ 汽二V1 x I=118.67x 2257.2=2.68x 105 kj3. 熱損失 Q 損設煮沸過程熱量損失 Q 損為前兩次的好熱量的 15%Q 損=15% (Q 水+Q 木+Q 汽)=15%(1.43x 105+2

11、.476x 104+2.68x 105) =6.54x104kjQ2=Q 水+ Q 木 + Q 汽 + Q 損=1.43x 105 + 2.476x 104 + 2.68x 105 + 6.54x 104=5.0x 105kj4. 用糖化酶糖化過程中 60C 30min 帶出的蒸汽 Q3V1= (G 木+G 水)x 3%x t=(456.43+1369.29)x 3%x 30+60=27.39kQ3=V1x I=27.39x2257.2=6.18x 104kj洗槽水耗熱量 Q4設洗槽水溫度80C,每100千克原料用水450 kg則用水量:G4=456.43X 450- 100=2053.9 k

12、gQ4=G4 x Cw x (80-20)=5.15 x 105kj糖化一次總耗熱量Q總Q 總=刀 Qi=Q i + Q2 + Q3 + Q4= 1.717x 105 + 5.0x 105+ 6.18X 104 + 5.15X 105=1.25 x 106kj表1為150t/a紅霉素廠糖化車間熱量衡算表150t/a紅霉素廠糖化車間熱量衡算表（表 1）名稱每噸產品消耗定每小時平均用量每天消耗量年消耗量額木薯7302.8 kk / 次152 kk /h3651.44 kk /d1.10 x106 kk/a蒸汽MPa2x107MPa4.167 x1051 x1073.0 x109150t/a紅霉素廠

13、生產車間發(fā)酵罐熱量衡算一、生產1000 kk紅霉素發(fā)酵罐耗熱量計算表2生產車間生產1000 kk紅霉素發(fā)酵罐耗熱量的物料參數(shù)表2名稱投入量kk比熱容kj/ kk C投入前溫度c進入后溫度c豆餅粉5443.22.171835葡萄糖6804淀粉567035硫酸銨226.818玉米漿680.4Caco 31360.8發(fā)酵豆油340.2發(fā)酵丙酸1360.8總和21886.22.1735C-各物料的比熱容因為所有分子量有些不知道為簡化用葡萄糖的利用公式Cd=刀nici/M得出 C 葡=2.17kj/ kgC1. 發(fā)酵1000 kk紅霉素過程中總物料消耗熱量Q物1000 kk紅霉素需物料21886.2 k

14、k, 1000 kk紅霉素需淀粉5670 kk淀粉有糖化鍋經糖化后溫度為 35 C溫差不變，Q淀=0所以總物料為16216.2 kk設進罐前溫度為常溫t仁18C開始發(fā)酵為t2=35CQ 物=G 物 C 物(t2一 t1)=16216.2X 2.17X( 35- 18) =6.0X 105 kj2. 發(fā)酵1000 kk紅霉素過程中蒸汽帶出的熱量 Q汽Q汽發(fā)酵過程前60小時35C,60小時后31 C設蒸發(fā)熱量為每周期1%。 則蒸發(fā)水分為：V1=G 總 X 1% =21886.2 X 1% =21.886 kkQ 汽二V1 X 1=21.886 X 2257.2=4.9X 104kj3. Q 熱發(fā)酵

15、過程的熱效應Q 熱 =Qb+QsQb=aQa+?Q$Qa=15651kj/kgQ$=4953kj/ kga和？分別為細胞呼吸和發(fā)酵的耗糖量aQa=27052kj/k？=141.75 k /hQs=3600？P？ 攪拌功率轉換系數(shù) 0.92P攪拌軸功率 kw 設 P=2.8kw/m3Q 熱=Qs+aQa+?Q$3600X 0.92X 2.8+27052+141.75X 6804=1.0X 106 kj4. 每天設備向四周散失的熱量 (Q 損)的計算Q 損=刀 A a t(T w2 一 T0)tA 設備散熱表面積，m2;a t散熱表面向四周介質的聯(lián)合給熱系數(shù)，W/(m2?C )；Tw2 四壁向四周

16、散熱時的表面溫度，C；To 周圍介質溫度，C;t 過程持續(xù)時間， s。設四壁向四周散熱時的表面溫度 Tw2=30C周圍介質溫度T°=15C空氣做自然對流a t=8+0.05Tw2=8+0.05X 10=85CA=2 X 3.14X 4X 8+2X 3.14X 42=253.2 m2每天有兩個發(fā)酵罐，因為1000kg紅霉素平均要發(fā)酵兩天Q 損=刀 A a t(Tw2 一 T0)t X 10-3=253.2X2X 8.5X( 30- 15)X 24 X 10-3X2=3.1 X 103kj5. 每天加熱設備消耗的熱量Q設備Q 設備=刀 Gc (T2 T1)G設備總質量，kg;發(fā)酵罐用A3

17、鋼100kg每天用2個發(fā)酵罐c設備材料熱容，kJ/(kg?C)C=0.46kJ/(kg?C )T1設備各部件初溫15,C;T2設備各部件終溫35,C。因為1000kg紅霉素平均要發(fā)酵兩天Q 設備=刀 Gc (T2 T1)=100X2X 0.46X( 35- 15)X 2=3680kj相對其他Q設備、Q損比較小可忽略不計整個過程發(fā)酵罐所消耗熱量Q總=Q+物Q汽+Q熱+Q損+Q設備=6.0X 105 + 4.9X 104+ 1.0X 106 =1.65X 106 kj二、生產1000您紅霉素一級種子罐耗熱量計算表3為生產1000您紅霉素一級種子罐物料參數(shù)表3名稱投入量kg比熱容kj/ kC投入前溫

18、度C進入后溫度C豆餅粉1702.171835葡萄糖204淀粉27235硫酸銨3418玉米漿13.6Caco 340.8酵母量34蛋白胨34總和802.42.1735C-各物料的比熱容因為所有分子量有些不知道為簡化用葡萄糖的利用公式Cd=刀nici/M得出 C 葡=2.17kj/ kgC1. 種子罐發(fā)酵過程中物料總耗熱量 Q物1000 kk紅霉素需物料802.4 kk, 1000 kk紅霉素需淀粉272 kk淀粉有糖化鍋經糖化后溫度為 35 C溫差不變，Q淀=0所以總物料為530.4 kk設進罐前溫度為常溫t仁18C開始發(fā)酵為t2=35CQ物=G物C物 (t2 - tl)=530.4X 2.17

19、X( 35 -18) =1.96X 104kj2. 發(fā)酵過程中蒸汽帶出的熱量Q汽Q汽發(fā)酵過程前60小時35C,60小時后31 C設蒸發(fā)熱量為每周期1%。則蒸發(fā)水分為：Vi=G 總 X 1%o =802.4 X 1%o=0.8 kgQ 汽二Vi X I=0.8 X 2257.2=0.18X 104kj3. Q 熱發(fā)酵過程的熱效應Q 熱=Qb+QsQb=aQa+?Q$Qa=15651kj/kQ$=4953kj/ka和？分別為細胞呼吸和發(fā)酵的耗糖量aQa=27052kj？=141.75k /hQs=3600？P？ 攪拌功率轉換系數(shù) 0.92P攪拌軸功率 kw 設 P=1.0pwQ 熱=Qs+aQa+

20、?Q$3600X 0.92X 1.0+27052+141.75X 204=5.928X 104 kj4. 設備向四周散失的熱量 （Q 損）的計算由發(fā)酵罐可知種子罐的散失熱更少可以忽略不計5. 加熱設備消耗的熱量 Q設備由發(fā)酵罐可知種子罐的設備消耗熱更少可以忽略不計所以種子罐發(fā)酵過程中總耗熱量 Q 總Q總=Q+物 Q汽+Q熱+Q損+Q設備=1.96X 104 + 0.18X 104+ 5.928X 104 =8.068X 104 kj三、生產1000 kg紅霉素二級種子罐耗熱量計算表4生產1000 kk紅霉素二級種子罐物料參數(shù)表4名稱投入量kk比熱容kj/ kkC投入前溫度C進入后溫度C豆餅粉9

21、97.922.171835葡萄糖1360.8淀粉1360.835硫酸銨45.3618玉米漿362.88Caco 3272.16總和4399.922.1735C-各物料的比熱容因為所有分子量有些不知道為簡化用葡萄糖的利用公式Cd=刀nici/M得出 C 葡=2.17kj/ kkC1. 二級種子罐發(fā)酵過程中物料總耗熱量Q物 1000 kk紅霉素需物料4399.92 kk, 1000 kg紅霉素需淀粉1360.8 kk淀粉有糖化鍋經糖化后溫度為 35 C溫差不變，Q淀=0所以總物料為3039.12 kk設進罐前溫度為常溫t仁18C開始發(fā)酵為t2=35CQ物=G物C物 (t2 - t1)=3039.1

22、2X 2.17X( 35- 18) =1.12X 105kj2. 發(fā)酵過程中蒸汽帶出的熱量 Q 汽Q汽發(fā)酵過程前60小時35C,60小時后31 C設蒸發(fā)熱量為每周期1%。 則蒸發(fā)水分為：Vi=G 總 X 1 % =4399.92 X 1 % =4.40 kgQ 汽二V1 X 1=4.40 X 2257.2=1.0X 105kj3. Q 熱發(fā)酵過程的熱效應Q 熱=Qb+QsQb=aQa+?Q$Qa=15651kj/kQ$=4953kj/ka和？分別為細胞呼吸和發(fā)酵的耗糖量aQa=27052kj？=141.75k /hQs=3600？P？ 攪拌功率轉換系數(shù) 0.92P攪拌軸功率 kw 設 P=1.0pwQ 熱=Qs+aQa+?Q$3600X 0.92X1.0+27052+141.75X 1360.8=2.23X 105 kj4. 設備向四周散失的熱量 （Q 損）的計算由發(fā)酵罐可知種子罐的散失熱更少可以忽略不計5. 加熱設備消耗的熱量 Q設備由發(fā)酵罐可知種子罐的設備消耗熱更少可以忽