熱量平衡計(jì)算課程設(shè)計(jì)成品#精選.

1、熱量平衡計(jì)算一、綜述熱量衡算（heat balanee ）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?作之功，對(duì)于總能量的變化影響甚小可以忽略時(shí)，能量守恒定律 可以簡化為熱量衡算。它是建立過程數(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)來計(jì)量的，相當(dāng)于物質(zhì)從基準(zhǔn)狀態(tài)加熱到

2、所處狀態(tài)需要的熱量。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 ）、通過熱量衡算，計(jì)算生產(chǎn)過程能耗定額指標(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)過程的經(jīng)濟(jì)合理性、過程的先進(jìn)性，并找出生產(chǎn)上存在的問 題。（ 2 ）、熱量衡算的數(shù)

3、據(jù)是設(shè)備類型的選擇及確定其尺寸、臺(tái)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：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(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)果要正確無誤和節(jié)約時(shí) 間，首先要收集有

5、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 Qi（或物料由設(shè)備帶出的熱量 Q4）的計(jì)算Qi(Q4)=刀 GetG-物料質(zhì)量， kg；C物料平均等壓比熱容，kJ/ (kg?C);t 物料溫度，C；生產(chǎn)

6、過程中有相變化時(shí)還要加上相變熱。(2) 過程熱效應(yīng) (Q3)過程熱效應(yīng)包括化學(xué)過程熱效應(yīng)(Qr)和物理過程熱效應(yīng)(Qp)。即:Q3=Qr+QpQr=1000x qr?x GA/ MAG 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，kJ/ mol;MA A物質(zhì)的分子量。Qp 可通過蓋斯定律來計(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 5二刀 Gc (T2T1)G設(shè)備總質(zhì)量， kg；c設(shè)備材料熱容，kJ/(kg?C)T1-設(shè)備各部件初溫，c；T2設(shè)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(zhì)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(shè)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(shè)備向四周散失的熱量(Q8)的計(jì)算Q8=刀 A at(Tw2 一 T0)tA設(shè)備散熱表面積，m2;a t散熱表面向四周介質(zhì)的聯(lián)合給熱系數(shù)，W/(m2?C);Tw2四壁向四周散熱時(shí)的表面溫度，C；To周圍介質(zhì)溫度，C;t 過程持續(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

8、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=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(duì)數(shù)平均溫差，C。 T m=( T1 T2)/ln( Tl/ T2)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

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(nèi)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?yàn)樗蟹肿恿坑闷咸烟堑乃憷霉紺d=刀nici/M得出 C 葡=2.17kj/ kgC糖化鍋內(nèi)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(shè)煮的過程一次為 60C 30min 一次為 85C100min 蒸發(fā)熱量為每小 時(shí) 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(shè)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(shè)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(chǎn)品消耗定每小時(shí)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(chǎn)車間發(fā)酵罐熱量衡算一、生產(chǎn)1000 kk紅霉素發(fā)酵罐耗熱量計(jì)算表2生產(chǎn)車間生產(chǎn)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(jìn)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?yàn)樗蟹肿恿坑行┎恢罏楹喕闷咸烟堑睦霉紺d=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(jīng)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(shè)進(jìn)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(shí)35C,60小時(shí)后31 C設(shè)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(yīng)Q 熱 =Qb+QsQb=aQa+?Q$Qa=15651kj/kgQ$=4953kj/ kga和？分別為細(xì)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(zhuǎn)換系數(shù) 0.92P攪拌軸功率 kw 設(shè) P=2.8kw/m3Q 熱=Qs+aQa+?Q$3600X 0.92X 2.8+27052+141.75X 6804=1.0X 106 kj4. 每天設(shè)備向四周散失的熱量 (Q 損)的計(jì)算Q 損=刀 A a t(T w2 一 T0)tA 設(shè)備散熱表面積，m2;a t散熱表面向四周介質(zhì)的聯(lián)合給熱系數(shù)，W/(m2?C )；Tw2 四壁向四周

16、散熱時(shí)的表面溫度，C；To 周圍介質(zhì)溫度，C;t 過程持續(xù)時(shí)間， s。設(shè)四壁向四周散熱時(shí)的表面溫度 Tw2=30C周圍介質(zhì)溫度T°=15C空氣做自然對(duì)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(gè)發(fā)酵罐，因?yàn)?000kg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(shè)備消耗的熱量Q設(shè)備Q 設(shè)備=刀 Gc (T2 T1)G設(shè)備總質(zhì)量，kg;發(fā)酵罐用A3

17、鋼100kg每天用2個(gè)發(fā)酵罐c設(shè)備材料熱容，kJ/(kg?C)C=0.46kJ/(kg?C )T1設(shè)備各部件初溫15,C;T2設(shè)備各部件終溫35,C。因?yàn)?000kg紅霉素平均要發(fā)酵兩天Q 設(shè)備=刀 Gc (T2 T1)=100X2X 0.46X( 35- 15)X 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=6.0X 105 + 4.9X 104+ 1.0X 106 =1.65X 106 kj二、生產(chǎn)1000您紅霉素一級(jí)種子罐耗熱量計(jì)算表3為生產(chǎn)1000您紅霉素一級(jí)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(jìn)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?yàn)樗蟹肿恿坑行┎恢罏楹喕闷咸烟堑睦霉紺d=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(jīng)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(shè)進(jìn)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(shí)35C,60小時(shí)后31 C設(shè)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(yīng)Q 熱=Qb+QsQb=aQa+?Q$Qa=15651kj/kQ$=4953kj/ka和？分別為細(xì)胞呼吸和發(fā)酵的耗糖量aQa=27052kj？=141.75k /hQs=3600？P？ 攪拌功率轉(zhuǎn)換系數(shù) 0.92P攪拌軸功率 kw 設(shè) P=1.0pwQ 熱=Qs+aQa+

20、?Q$3600X 0.92X 1.0+27052+141.75X 204=5.928X 104 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)酵過程中總耗熱量 Q 總Q總=Q+物 Q汽+Q熱+Q損+Q設(shè)備=1.96X 104 + 0.18X 104+ 5.928X 104 =8.068X 104 kj三、生產(chǎn)1000 kg紅霉素二級(jí)種子罐耗熱量計(jì)算表4生產(chǎn)1000 kk紅霉素二級(jí)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(jìn)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?yàn)樗蟹肿恿坑行┎恢罏楹喕闷咸烟堑睦霉紺d=刀nici/M得出 C 葡=2.17kj/ kkC1. 二級(jí)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(jīng)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(shè)進(jìn)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(shí)35C,60小時(shí)后31 C設(shè)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(yīng)Q 熱=Qb+QsQb=aQa+?Q$Qa=15651kj/kQ$=4953kj/ka和？分別為細(xì)胞呼吸和發(fā)酵的耗糖量aQa=27052kj？=141.75k /hQs=3600？P？ 攪拌功率轉(zhuǎn)換系數(shù) 0.92P攪拌軸功率 kw 設(shè) P=1.0pwQ 熱=Qs+aQa+?Q$3600X 0.92X1.0+27052+141.75X 1360.8=2.23X 105 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