熱量平衡計(jì)算課程設(shè)計(jì)

1、熱量平衡計(jì)算一、綜述熱量衡算heatbalance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?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(jiǎn)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)算的重要組成局部.進(jìn)行熱量衡算,可以確定為到達(dá)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)加熱到所處狀態(tài)需要的熱量.當(dāng)物質(zhì)發(fā)

2、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)給表示單位質(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)下始值的差.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)行比擬,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)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

3、和治理、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)備的改良,到達(dá)節(jié)約能降低生產(chǎn)本錢的目的.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：EQ入=EQ出+Q損(1-1)式中EQ入輸入的熱量總和(KJ)Z2Q出輸出的熱量總和(KJ)Z2Q損損失的熱量總和(KJ)通常,ZjQ入=Qi+Q2+Q3(1-2)EQ出=Q4+Q5+Q6+Q7(1-3)Z2Q損=Q8(1-4)Q1物料帶入的熱量,kJ；Q2由加熱劑或冷卻劑傳

4、給設(shè)備和物料的熱量,kJ；Q3括生物反響熱、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7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 .確定適

5、宜的計(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(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Qi(Q4)=EGctG-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)過程中有相變化時(shí)還要加上相變熱.(2)過程熱效應(yīng)(Qs)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=1000xqr?xGA/MA

6、GA參與反響的A物質(zhì)量,kg;qr?標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)反響熱,kJ/mol;MAA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QsQ5=EGc(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；kJT2設(shè)備各部件終溫,C.(4)Q6加熱物料需要的熱量,Q6=EGc(T2T1)G物料質(zhì)量,kg;c物料比熱容,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,kJQy=EG(ct+r)G離開設(shè)備的氣態(tài)物料量,kg;c液態(tài)物料由0c升溫至蒸發(fā)溫度的平均比熱容,kJ/(kg

7、?Ct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=!2Aat(Tw2T0)tA設(shè)備散熱外表積,m2;認(rèn)t散熱外表向四周介質(zhì)的聯(lián)合給熱系數(shù),W/(m2?C)；Tw2四壁向四周散熱時(shí)的外表溫度,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,那么加熱劑(或冷卻劑)的用量為：w=Q2/cp?ATQ2=kA1?ATm傳熱系數(shù),kJ/(m2?h.C)；Al傳熱面積,m2;ATm對(duì)數(shù)平均溫差,C.ATm=(ATIAT2

8、)/ln(ATl/AT2)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、汽等消耗量確實(shí)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Q根據(jù)工藝,糖化鍋加水量為：G=456.43X3=1369.29kg自來水平均溫度取t1=20C糖化配料用水t2=50C所以Qi=GiCwHi)=1369.29X4.18X(50-20)=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力口熱到t

9、4=85C耗熱Q木Q木=G木C木.4t?)=456.43X2.17X(8560)=2.476X104kjC木一木薯的比熱容由于所有分子量用葡萄糖的算利用公式Cd=Enici/M得出C葡=2.17kj/kg-C糖化鍋內(nèi)由水t3=60C加熱到t4=85C耗熱Q木Q7K=G水C水(t413)=1369.29X4.18X(8560)=1.43X105kj2.2 .煮過程中蒸汽帶出的熱量Q汽設(shè)煮的過程一次為60C30min一次為85c100min蒸發(fā)熱量為每小時(shí)3%,那么蒸發(fā)水分為：Vi=(G木+G水)x3%xt=(456.43+1369.29)X3%X(30+100)+60=118.67kg、汽=丫1

10、><I=118.67X2257.2=2.68X105kj3 .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%(1.43X105+2.476X104+2.68X105)=6.54X104kjQ2=Q水+Q木+Q汽+Q損=1.43X105+2.476X104+2.68X105+6.54x104=5.0x105kj4 .用糖化酶糖化過程中60c30min帶出的蒸汽Q3Vi=(G木+G水)X3%xt=(456.43+1369.29)X3%X30+60=27.39kgQ3=ViXI=27.39X2257.2=6.18X104kj洗梢水耗熱量Q

11、4設(shè)洗梢水溫度80C,每100千克原料用水450kg那么用水量:G4=456.43X450+100=2053.9kgQ4=G4xCwx(80-20)=5.15X105kj糖化一次總耗熱量Q總Q總=Z2Qi=Q1+Q2+Q3+Q4=1.717X105+5.0X105+6.18X104+5.15X105=1.25X106kj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7302.8kg/次152kg/h3651.44kg/d1.10X106kg/a蒸汽MPa2X107MPa4.167X1051X1073

12、.0X109150t/a紅霉素廠生產(chǎn)車間發(fā)酪罐熱量衡算一、生產(chǎn)1000kg紅霉素發(fā)酵罐耗熱量計(jì)算表2生產(chǎn)車間生產(chǎn)1000kg紅霉素發(fā)酵罐耗熱量的物料參數(shù)表2名稱投入量kg比熱容kj/kg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硫酸錢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各物料的比熱容由于所有分子量有些不知道為簡(jiǎn)化用葡萄糖的算.利用公式Cd=Enici/M得出C葡=2.17kj/kgC1 .發(fā)酵1000kg紅霉素過程中總物料消耗熱量Q物1000kg紅霉素需物料218

13、86.2kg,1000kg紅霉素需淀粉5670kg淀粉有糖化鍋經(jīng)糖化后溫度為35C溫差不變,Q淀=0所以總物料為16216.2kg設(shè)進(jìn)罐前溫度為常溫t1=18C開始發(fā)酵為t2=35CQ=G物C物色一t1)=16216.2X2.17X(3518)=6.0X105kj2 .發(fā)酵1000kg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31c設(shè)蒸發(fā)熱量為每周期1%.那么蒸發(fā)水分為：丫1=6總><1%0=21886.2乂1%0=21.886kgQ汽=丫1XI=21.886X2257.2=4.9X104kj3 .Q熱發(fā)酵過程的熱效應(yīng)Q熱=Qb+QsQb=aQa+?Q$

14、Qa=15651kj/kgQ$=4953kj/kga和？分別為細(xì)胞呼吸和發(fā)酵的耗糖量aQa=27052kj/kg?=141.75kg/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=Qs+aQa+?Q$3600X0.92X2.8+27052+141.75X6804=1.0X106kj4 .每天設(shè)備向四周散失的熱量Q損的計(jì)算Q損=!2A%tTW2一T0tA設(shè)備散熱外表積,m2;認(rèn)t散熱外表向四周介質(zhì)的聯(lián)合給熱系數(shù),W/m2?C；Tw2四壁向四周散熱時(shí)的外表溫度,C；To周圍介質(zhì)溫度,C;t過程持續(xù)時(shí)間,So設(shè)四壁向四周散熱時(shí)的外表溫度Tw2=30C周圍

15、介質(zhì)溫度To=15C空氣做自然對(duì)流t=8+0.05Tw2=8+0.05X10=8.5CA=2X3.14X4X8+2X3.14X42=253,2m2每天有兩個(gè)發(fā)酵罐,由于1000kg紅霉素平均要發(fā)酵兩天Q損=?A%t(Tw2一T0)tX10-3=253,2X2X8,5X(3015)x24x10-3X2=3,1x103kj5,每天加熱設(shè)備消耗的熱量Q設(shè)備Q設(shè)備=2Gc(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)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,Co由于1000kg紅霉素平均要發(fā)酵兩天Q設(shè)備

16、=2Gc(T2T1)=100X2X0.46X(3515)x2=3680kj相對(duì)其他Q設(shè)備、Q損比擬小可忽略不計(jì)整個(gè)過程發(fā)酵罐所消耗熱量Q=Q+wQ?+Q熱+Q損+Q設(shè)備=6,0X105+4.9X104+1.0X106=1.65X106kj二、生產(chǎn)1000kg紅霉素一級(jí)種子罐耗熱量計(jì)算表3為生產(chǎn)1000kg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/kg投入前溫度c進(jìn)入后溫度C豆餅粉1702.171835葡萄糖204淀粉27235硫酸錢3418玉米漿13.6Caco340.8酵母里34蛋白月東34總和802.42.1735C各物料的比熱容由于所有分子量有些不知道為簡(jiǎn)化用葡萄糖的算.利用

17、公式Cd=Enici/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1000kg紅霉素需物料802.4kg,1000kg紅霉素需淀粉272kg淀粉有糖化鍋經(jīng)糖化后溫度為35C溫差不變,Q淀=0所以總物料為530.4kg設(shè)進(jìn)罐前溫度為常溫t1=18C開始發(fā)酵為t2=35CQ=g物C物.2t.=530.4X2.17X(3518)=1.96X104kj2 .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31c設(shè)蒸發(fā)熱量為每周期1%.那么蒸發(fā)水分為:Vi=G總乂1%o=802.4X1%o=0.8kg0汽=丫1><I=0.8X2257.2=0.1

18、8X104kj3 .Q熱發(fā)酵過程的熱效應(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?=141.75kg/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=Qs+aQa+?Q$3600X0.92X1.0+27052+141.75X204=5.928X104kj4 .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=、+物Q,+Q

19、熱+Q損+Q設(shè)備=1.96X104+0.18X104+5.928X104=8.068X104kj三、生產(chǎn)1000kg紅霉素二級(jí)種子罐耗熱量計(jì)算表4生產(chǎn)1000kg紅霉素二級(jí)種子罐物料參數(shù)表4名稱投入量kg比熱容kj/kg投入前溫度c進(jìn)入后溫度C豆餅粉997.922.171835葡萄糖1360.8淀粉1360.835硫酸錢45.3618玉米漿362.88Caco3272.16總和4399.922.1735C-各物料的比熱容由于所有分子量有些不知道為簡(jiǎn)化用葡萄糖的算.利用公式Cd=Enici/M得出C葡=2.17kj/kgC1.二級(jí)種子罐發(fā)酵過程中物料總耗熱量Q物1000kg紅霉素需物料4399.

20、92kg,1000kg紅霉素需淀粉1360.8kg淀粉有糖化鍋經(jīng)糖化后溫度為35C溫差不變,Q淀=0所以總物料為3039.12kg設(shè)進(jìn)罐前溫度為常溫t1=18C開始發(fā)酵為t2=35CQ物=6物C物.2t.=3039.12X2.17X(3518)=1.12Xl05kj2,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31c設(shè)蒸發(fā)熱量為每周期1%.那么蒸發(fā)水分為：丫1=6總><1%.=4399,92><1%0=4.40kgQBV1XI=4.40X2257.2=1,0X105kj3 .Q熱發(fā)酵過程的熱效應(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?=141.75kg/hQs=3600?P?-攪拌功率轉(zhuǎn)換系數(shù)0.92P-攪拌軸功率kw設(shè)P=1.0pwQvQs+aQa+?Q$3600X0.92X1.0+27052+141.75X1360.8=2.23X105kj4 .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