1、熱量平衡計(jì)算一、綜述熱量衡算（heat balance）當(dāng)物料經(jīng)物理或化學(xué)變化時(shí)，如果其動(dòng)能、位能或?qū)ν饨缢髦?，?duì)于總能量的變化影響甚小可以忽略時(shí)，能量守恒定律可以簡(jiǎn)化為熱量衡算。它是建立過(guò)程數(shù)學(xué)模型的一個(gè)重要手段，是化工計(jì)算的重要組成部分。進(jìn)行熱量衡算，可以確定為達(dá)到一定的物理或化學(xué)變化須向設(shè)備傳入或從設(shè)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(shè)備的換熱面積，或可建立起進(jìn)入和離開(kāi)設(shè)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(guān)系，對(duì)于復(fù)雜過(guò)程，熱量衡算往往須與物料衡算聯(lián)立求解。物質(zhì)具有的熱能,是對(duì)照某一基準(zhǔn)狀態(tài)來(lái)計(jì)量的,相當(dāng)于物質(zhì)從基準(zhǔn)狀態(tài)加熱到所處狀態(tài)需要的熱量

2、。當(dāng)物質(zhì)發(fā)生相態(tài)變化時(shí),須計(jì)入相變時(shí)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(shí)，須計(jì)入由于濃度變化而產(chǎn)生的混合熱(或溶解熱)。工程上常用熱力學(xué)參數(shù)焓表示單位質(zhì)量物質(zhì)所具有的熱量。單位質(zhì)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(guò)熱量衡算，計(jì)算生產(chǎn)過(guò)程能耗定額指標(biāo)。應(yīng)用蒸汽的熱量消耗指標(biāo)，可以對(duì)工藝設(shè)計(jì)的多種方式進(jìn)行比較，以選定先進(jìn)的生產(chǎn)工藝，或?qū)σ淹懂a(chǎn)的生產(chǎn)系統(tǒng)提出改造或革新，分析生產(chǎn)過(guò)程的經(jīng)濟(jì)合理性、過(guò)程的先進(jìn)性，并找出生產(chǎn)上存在的問(wèn)題。（2 ）、熱量衡算的數(shù)據(jù)是設(shè)備類型的選擇及確定其尺寸、臺(tái)

3、數(shù)的依據(jù)。（3 ）、熱量衡算是組織和管理、生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)核算和最優(yōu)化的基礎(chǔ)。熱量衡算的結(jié)果有助于工藝流程和設(shè)備的改進(jìn)，達(dá)到節(jié)約能降低生產(chǎn)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(guò)程的或單元設(shè)備的熱量衡算。現(xiàn)以單元設(shè)備的熱量衡算為例加以說(shuō)明，具體的方法和步驟如下：1. 畫出單元設(shè)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：Q入=Q出+Q損 （1-1）式中 Q入 輸入的熱量總和（KJ) Q出 輸出的熱量總和（KJ) Q損 損失的熱量總和（KJ)通常， Q入=Q1+Q2+Q3 （1-2） Q出 =Q4+Q5+Q6+Q7 （1-3） Q損 =Q8 （1-4）Q1物料

4、帶入的熱量,kJ；Q2由加熱劑或冷卻劑傳給設(shè)備和物料的熱量，kJ；Q3括生物反應(yīng)熱、攪拌熱等，kJ；Q4物料離開(kāi)設(shè)備帶出的熱量，kJ；Q5消耗在加熱設(shè)備各個(gè)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(duì)具體的單元設(shè)備，上面的Q1Q8各項(xiàng)熱量不一定都存在，故進(jìn)行衡算的時(shí)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(jìn)行，計(jì)算結(jié)果要正確無(wú)誤和節(jié)約時(shí)間，首先要收集有關(guān)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(cè)查閱，或取自工廠實(shí)際生

5、產(chǎn)數(shù)據(jù)，或根據(jù)試驗(yàn)研究結(jié)果選定。4. 確定合適的計(jì)算基準(zhǔn) 在熱量衡算過(guò)程中，取不同的基準(zhǔn)溫度，算出（1-5）式中各項(xiàng)數(shù)據(jù)不同。所以必須選準(zhǔn)一個(gè)設(shè)計(jì)溫度，且每一物料的進(jìn)出口基準(zhǔn)態(tài)必須一致。通常，取273K為基準(zhǔn)溫度可以簡(jiǎn)化計(jì)算。5.熱量衡算的方法 熱量衡算時(shí)一般建議以273K為基準(zhǔn)溫度，以液態(tài)為基準(zhǔn)物態(tài)。（1）物料進(jìn)入設(shè)備帶人熱量Q1(或物料由設(shè)備帶出的熱量Q4)的計(jì)算 Ql(Q4)=Gct G-物料質(zhì)量，kg； C物料平均等壓比熱容，kJ(kg)； t 物料溫度，； 生產(chǎn)過(guò)程中有相變化時(shí)還要加上相變熱。（2）過(guò)程熱效應(yīng)(Q3) 過(guò)程熱效應(yīng)包括化學(xué)過(guò)程熱效應(yīng)(Qr)和物理過(guò)程熱效應(yīng)(Qp)。即：

6、Q3=Qr+Qp Qr=1000qr?GAMA G A參與反應(yīng)的A物質(zhì)量，kg； qr?標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)反應(yīng)熱，kJmol； MAA物質(zhì)的分子量。 Qp可通過(guò)蓋斯定律來(lái)計(jì)算。 消耗在加熱設(shè)備各個(gè)部件上的熱量(Qs)的計(jì)算(3）加熱設(shè)備耗熱量Q5Q 5=Gc（T2T1) G設(shè)備總質(zhì)量，kg； c設(shè)備材料熱容，kJ(kg) T1設(shè)備各部件初溫，； T2設(shè)備各部件終溫，。(4) Q6加熱物料需要的熱量，kJ。 Q 6=Gc（T2T1) G物料質(zhì)量，kg； c物料比熱容，kJ(kg) T1物料前溫度，； T2物料后溫度，。（5） Q7氣體或蒸汽帶出的熱量，kJ Q7=G(ct+r） G離開(kāi)設(shè)備的氣態(tài)物料量，k

7、g； c液態(tài)物料由0升溫至蒸發(fā)溫度的平均比熱容，kJ(kg) t氣態(tài)物料溫度， r蒸發(fā)潛熱，kJkg(6)設(shè)備向四周散失的熱量(Q8)的計(jì)算Q8=At(TW2一T0)t A設(shè)備散熱表面積，m2； t散熱表面向四周介質(zhì)的聯(lián)合給熱系數(shù)，W(m2)； Tw2四壁向四周散熱時(shí)的表面溫度，； To周圍介質(zhì)溫度，； t 過(guò)程持續(xù)時(shí)間，s。由加熱劑或冷卻劑傳給設(shè)備和物料的熱量的計(jì)算 Q2=Q4+Q5+Q6-Q1-Q3 選定加熱劑(或冷卻劑)，即可從有關(guān)手冊(cè)查出該物質(zhì)cp，再確定其進(jìn)出口溫差T，則加熱劑(或冷卻劑)的用量為： w=Q2cpT Q2=A1T m 傳熱系數(shù)，kJ(m2h)； Al傳熱面積，m2；

8、T m 對(duì)數(shù)平均溫差，。 T m=(T1T2)/ln(TlT2) 從上式即可計(jì)算所需的傳熱面積。對(duì)不需加熱或冷卻的設(shè)備可不必進(jìn)行熱量計(jì)算，此時(shí)水、汽等消耗量的確定可從同類型的生產(chǎn)車間取得。熱量衡算結(jié)束應(yīng)列成動(dòng)力消耗定額及消耗量表。下面是150t/a紅霉素生產(chǎn)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Q1根據(jù)工藝，糖化鍋加水量為：G1=456.433=1369.29 自來(lái)水平均溫度取t1=20 糖化配料用水t2=50所以 Q1= G1CW(t2-t1) =1369.294.18(5020)=1.7171052.木薯用a-淀粉酶水解成糊精煮沸耗熱量Q22.

9、1糖化鍋內(nèi)由木薯t3=60加熱到t4=85耗熱Q木 Q木=G木C木(t4t3) =456.432.17（8560）=2.476104 kj C木 木薯的比熱容因?yàn)樗蟹肿恿坑闷咸烟堑乃?利用公式CD= nici/M 得出C葡=2.17kj/糖化鍋內(nèi)由水t3=60加熱到t4=85耗熱Q木Q水=G水C水（t4t3） =1369.294.18（8560）=1.43105 kj2.2.煮過(guò)程中蒸汽帶出的熱量Q汽設(shè)煮的過(guò)程一次為60 30min一次為85100min 蒸發(fā)熱量為每小時(shí)3%，則蒸發(fā)水分為：V1=（G木+G水）3%t =（456.43+1369.29）3%（30+100）60=118.67

10、Q汽=V1I=118.672257.2=2.68105 kj3. 熱損失Q損設(shè)煮沸過(guò)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%（1.43105+2.476104+2.68105）=6.54104kjQ2=Q水Q木Q汽Q損=1.43105 2.4761042.681056.54104=5.0105kj4. 用糖化酶糖化過(guò)程中60 30min帶出的蒸汽Q3V1=（G木+G水）3%t =（456.43+1369.29）3%3060=27.39Q3=V1I=27.392257.2=6.18104kj洗槽水耗熱量Q4設(shè)洗槽水溫度80，每100千克原料用水450則用水量

11、： G4=456.43450100=2053.9 Q4=G4CW(80-20)=5.15105kj糖化一次總耗熱量Q總Q總=Qi=Q1Q2Q3Q4 =1.7171055.01056.181045.15105 =1.25106kj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(chǎn)品消耗定額每小時(shí)平均用量每天消耗量年消耗量木薯7302.8/次152/h3651.44/d1.10106/a蒸汽MPa2107MPa4.16710511073.0109150t/a紅霉素廠生產(chǎn)車間發(fā)酵罐熱量衡算一、生產(chǎn)1000紅霉素發(fā)酵罐耗熱量計(jì)算表2生產(chǎn)車間生產(chǎn)1000

12、紅霉素發(fā)酵罐耗熱量的物料參數(shù)表2名稱投入量比熱容kj/投入前溫度進(jìn)入后溫度豆餅粉5443.22.171835葡萄糖6804淀粉567035硫酸銨226.818玉米漿680.4Caco31360.8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?yàn)樗蟹肿恿坑行┎恢罏楹?jiǎn)化用葡萄糖的算。 利用公式CD= nici/M 得出C葡=2.17kj/1.發(fā)酵1000紅霉素過(guò)程中總物料消耗熱量Q物1000紅霉素需物料21886.2，1000紅霉素需淀粉5670淀粉有糖化鍋經(jīng)糖化后溫度為35溫差不變，Q淀=0所以總物料為16216.2設(shè)進(jìn)罐前溫度為常溫t1=18開(kāi)始發(fā)

13、酵為t2=35Q物=G物C物(t2t1) =16216.22.17（3518）=6.0105 kj2.發(fā)酵1000紅霉素過(guò)程中蒸汽帶出的熱量Q汽Q汽發(fā)酵過(guò)程前60小時(shí)35，60小時(shí)后31設(shè)蒸發(fā)熱量為每周期1則蒸發(fā)水分為：V1=G總1=21886.21=21.886Q汽=V1I=21.8862257.2=4.9104kj3. Q熱發(fā)酵過(guò)程的熱效應(yīng)Q熱=Qb+QsQb=aQa+Q$Qa=15651kj/Q$=4953kj/a和分別為細(xì)胞呼吸和發(fā)酵的耗糖量aQa=27052kj/=141.75/hQs=3600P-攪拌功率轉(zhuǎn)換系數(shù)0.92P-攪拌軸功率kw設(shè)P=2.8kw/m3Q熱=Qs+aQa+Q

14、$ 36000.922.8+27052+141.756804=1.0106 kj4.每天設(shè)備向四周散失的熱量(Q損)的計(jì)算Q損=At(TW2一T0)t A設(shè)備散熱表面積，m2； t散熱表面向四周介質(zhì)的聯(lián)合給熱系數(shù)，W(m2)； Tw2四壁向四周散熱時(shí)的表面溫度，；To周圍介質(zhì)溫度，；t 過(guò)程持續(xù)時(shí)間，s。設(shè)四壁向四周散熱時(shí)的表面溫度Tw2=30周圍介質(zhì)溫度To=15空氣做自然對(duì)流 t=8+0.05Tw2 =8+0.0510=8.5A=23.1448+23.1442=253.2每天有兩個(gè)發(fā)酵罐，因?yàn)?000kg紅霉素平均要發(fā)酵兩天Q損=At(TW2一T0)t 10-3 =253.228.5（30

15、15）24 10-32=3.1103kj5.每天加熱設(shè)備消耗的熱量Q設(shè)備Q設(shè)備=Gc（T2T1)G設(shè)備總質(zhì)量，kg；發(fā)酵罐用A3鋼100kg 每天用2個(gè)發(fā)酵罐c設(shè)備材料熱容，kJ(kg) C=0.46kJ(kg)T1設(shè)備各部件初溫15，；T2設(shè)備各部件終溫35，。因?yàn)?000kg紅霉素平均要發(fā)酵兩天Q設(shè)備=Gc（T2T1) =10020.46（3515）2=3680kj相對(duì)其他Q設(shè)備、Q損比較小可忽略不計(jì)整個(gè)過(guò)程發(fā)酵罐所消耗熱量Q總=Q+物Q汽+Q熱+Q損+Q設(shè)備 =6.0105 4.91041.0106 =1.65106 kj2、 生產(chǎn)1000紅霉素一級(jí)種子罐耗熱量計(jì)算表3為生產(chǎn)1000紅霉

16、素一級(jí)種子罐物料參數(shù) 表3名稱投入量比熱容kj/投入前溫度進(jìn)入后溫度豆餅粉1702.171835葡萄糖204淀粉27235硫酸銨3418玉米漿13.6Caco340.8酵母量34蛋白胨34總和802.42.1735C 各物料的比熱容因?yàn)樗蟹肿恿坑行┎恢罏楹?jiǎn)化用葡萄糖的算。 利用公式CD= nici/M 得出C葡=2.17kj/1.種子罐發(fā)酵過(guò)程中物料總耗熱量Q物1000紅霉素需物料802.4，1000紅霉素需淀粉272淀粉有糖化鍋經(jīng)糖化后溫度為35溫差不變，Q淀=0所以總物料為530.4設(shè)進(jìn)罐前溫度為常溫t1=18開(kāi)始發(fā)酵為t2=35Q物=G物C物(t2t1) =530.42.17（351

17、8）=1.96104kj2.發(fā)酵過(guò)程中蒸汽帶出的熱量Q汽Q汽發(fā)酵過(guò)程前60小時(shí)35，60小時(shí)后31設(shè)蒸發(fā)熱量為每周期1則蒸發(fā)水分為：V1=G總1=802.41=0.8Q汽=V1I=0.82257.2=0.18104kj3.Q熱發(fā)酵過(guò)程的熱效應(yīng)Q熱=Qb+QsQb=aQa+Q$Qa=15651kj/Q$=4953kj/a和分別為細(xì)胞呼吸和發(fā)酵的耗糖量aQa=27052kj=141.75/hQs=3600P-攪拌功率轉(zhuǎn)換系數(shù)0.92P-攪拌軸功率kw設(shè)P=1.0pw Q熱=Qs+aQa+Q$ 36000.921.0+27052+141.75204=5.928104 kj4.設(shè)備向四周散失的熱量(Q

18、損)的計(jì)算由發(fā)酵罐可知種子罐的散失熱更少可以忽略不計(jì)5.加熱設(shè)備消耗的熱量Q設(shè)備由發(fā)酵罐可知種子罐的設(shè)備消耗熱更少可以忽略不計(jì)所以種子罐發(fā)酵過(guò)程中總耗熱量Q總Q總=Q+物Q汽+Q熱+Q損+Q設(shè)備 =1.961040.181045.928104 =8.068104 kj3、 生產(chǎn)1000紅霉素二級(jí)種子罐耗熱量計(jì)算表4生產(chǎn)1000紅霉素二級(jí)種子罐物料參數(shù)表4名稱投入量比熱容kj/投入前溫度進(jìn)入后溫度豆餅粉997.922.171835葡萄糖1360.8淀粉1360.835硫酸銨45.3618玉米漿362.88Caco3272.16總和4399.922.1735C 各物料的比熱容因?yàn)樗蟹肿恿坑行┎恢?/p>

19、道為簡(jiǎn)化用葡萄糖的算。 利用公式CD= nici/M 得出C葡=2.17kj/1.二級(jí)種子罐發(fā)酵過(guò)程中物料總耗熱量Q物1000紅霉素需物料4399.92，1000紅霉素需淀粉1360.8淀粉有糖化鍋經(jīng)糖化后溫度為35溫差不變，Q淀=0所以總物料為3039.12設(shè)進(jìn)罐前溫度為常溫t1=18開(kāi)始發(fā)酵為t2=35Q物=G物C物(t2t1) =3039.122.17（3518）=1.12105kj2.發(fā)酵過(guò)程中蒸汽帶出的熱量Q汽Q汽發(fā)酵過(guò)程前60小時(shí)35，60小時(shí)后31設(shè)蒸發(fā)熱量為每周期1則蒸發(fā)水分為：V1=G總1=4399.921=4.40Q汽=V1I=4.402257.2=1.0105kj3.Q熱發(fā)酵過(guò)程的熱效應(yīng)Q熱=Qb+QsQb=aQa+Q$Qa=15651kj/Q$=4953kj/a和分別為細(xì)胞呼吸和發(fā)酵的耗糖量aQa=27052kj=141.75/hQs=3600P-攪拌功率轉(zhuǎn)換系數(shù)0.92P-攪拌軸功率kw設(shè)P=1.0pw Q熱=Qs+aQa+Q$ 36000.921.0+27052+141.751360.8=2.23105 kj4.設(shè)備向四周散失的熱量(Q損)的計(jì)算由發(fā)酵罐可知種