1、熱量平衡計算一、綜述熱量衡算（heat balance）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（包括溫度、壓力、組成和相態）之間的關系，對于復雜過程，熱量衡算往往須與物料衡算聯立求解。物質具有的熱能,是對照某一基準狀態來計量的,相當于物質從基準狀態加熱到所處狀態需要的熱量

2、。當物質發生相態變化時,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焓表示單位質量物質所具有的熱量。單位質量物料狀態變化所需的熱量，等于兩種狀態下焓值的差。熱量衡算的步驟，與物料衡算大致相同。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 ）、熱量衡算的數據是設備類型的選擇及確定其尺寸、臺數的依

3、據。（3 ）、熱量衡算是組織和管理、生產、經濟核算和最優化的基礎。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?，F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：畫出單元設備的物理衡算流向及變化的示意圖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物料帶入的熱量,kJ；

4、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。收集數據為了使熱量衡算順利進行，計算結果要正確無誤和節約時間，首先要收集有關的數據，如物料量、工藝條件以及必需的物性數據等。這些有用的數據可以從專門手冊查閱，或取自工廠實際生產數據，或根據試驗研究結

5、果選定。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）式中各項數據不同。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，以液態為基準物態。（1）物料進入設備帶人熱量Q1(或物料由設備帶出的熱量Q4)的計算 Ql(Q4)=Gct G-物料質量，kg； C物料平均等壓比熱容，kJ(kg)； t 物料溫度，； 生產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+Qp Qr=100

6、0×qr?×GAMA G A參與反應的A物質量，kg； qr?標準化學反應熱，kJmol； MAA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=Gc（T2T1) G設備總質量，kg； c設備材料熱容，kJ(kg) T1設備各部件初溫，； T2設備各部件終溫，。Q6加熱物料需要的熱量，kJ。 Q 6=Gc（T2T1) G物料質量，kg； c物料比熱容，kJ(kg) T1物料前溫度，； T2物料后溫度，。Q7氣體或蒸汽帶出的熱量，kJ Q7=G(ct+r） G離開設備的氣態物料量，kg； c液態物料由0升

7、溫至蒸發溫度的平均比熱容，kJ(kg) t氣態物料溫度， r蒸發潛熱，kJkg(6)設備向四周散失的熱量(Q8)的計算Q8=At(TW2一T0)t A設備散熱表面積，m2； t散熱表面向四周介質的聯合給熱系數，W(m2)； Tw2四壁向四周散熱時的表面溫度，； To周圍介質溫度，； t 過程持續時間，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 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=Q2cpT Q2=A1T m 傳熱系數，kJ(m2h)； Al傳熱面積，m2； T m 對數平均溫差，

8、。 T m=(T1T2)/ln(TlT2) 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Q1根據工藝，糖化鍋加水量為：G1=456.43×3=1369.29 自來水平均溫度取t1=20 糖化配料用水t2=50所以 Q1= G1CW(t2-t1) =1369.29×4.18×(5020)=1.717×1052.木薯用a-淀粉酶水

9、解成糊精煮沸耗熱量Q22.1糖化鍋內由木薯t3=60加熱到t4=85耗熱Q木 Q木=G木C木(t4t3) =456.43×2.17×（8560）=2.476×104 kj C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= nici/M 得出C葡=2.17kj/·糖化鍋內由水t3=60加熱到t4=85耗熱Q木Q水=G水C水（t4t3） =1369.29×4.18×（8560）=1.43×105 kj2.2.煮過程中蒸汽帶出的熱量Q汽設煮的過程一次為60 30min一次為85100min 蒸發熱量為每小時3%，則蒸發

10、水分為：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=2.68×105 kj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%（1.43×105+2.476×104+2.68×105）=6.54×104kjQ2=Q水Q木Q汽Q損=1.43×105 2.476×1042.68×1056.54&#

11、215;104=5.0×105kj用糖化酶糖化過程中60 30min帶出的蒸汽Q3V1=（G木+G水）×3%×t =（456.43+1369.29）×3%×30÷60=27.39Q3=V1×I=27.39×2257.2=6.18×104kj洗槽水耗熱量Q4設洗槽水溫度80，每100千克原料用水450則用水量： G4=456.43×450÷100=2053.9 Q4=G4×CW×(80-20)=5.15×105kj糖化一次總耗熱量Q總Q總=Qi=Q1Q2Q3

12、Q4 =1.717×1055.0×1056.18×1045.15×105 =1.25×106kj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額每小時平均用量每天消耗量年消耗量木薯7302.8/次152/h3651.44/d1.10×106/a蒸汽MPa2×107MPa4.167×1051×1073.0×109150t/a紅霉素廠生產車間發酵罐熱量衡算一、生產1000紅霉素發酵罐耗熱量計算表2生產車間生產1000紅霉素發酵罐耗熱量的物

13、料參數表2名稱投入量比熱容kj/·投入前溫度進入后溫度豆餅粉5443.22.171835葡萄糖6804淀粉567035硫酸銨226.818玉米漿680.4Caco31360.8發酵豆油340.2發酵丙酸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算。 利用公式CD= nici/M 得出C葡=2.17kj/·1.發酵1000紅霉素過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淀粉有糖化鍋經糖化后溫度為35溫差不變，Q淀=0所以總物料為16216.2設進罐前溫度為常溫t1=18開始

14、發酵為t2=35Q物=G物C物(t2t1) =16216.2×2.17×（3518）=6.0×105 kj2.發酵1000紅霉素過程中蒸汽帶出的熱量Q汽Q汽發酵過程前60小時35，60小時后31設蒸發熱量為每周期1則蒸發水分為：V1=G總×1=21886.2×1=21.886Q汽=V1×I=21.886×2257.2=4.9×104kjQ熱發酵過程的熱效應Q熱=Qb+QsQb=aQa+ßQ$Qa=15651kj/Q$=4953kj/a和ß分別為細胞呼吸和發酵的耗糖量aQa=27052kj/

15、23;=141.75/hQs=3600P-攪拌功率轉換系數0.92P-攪拌軸功率kw設P=2.8kw/m3Q熱=Qs+aQa+ßQ$ 3600×0.92×2.8+27052+141.75×6804=1.0×106 kj4.每天設備向四周散失的熱量(Q損)的計算Q損=At(TW2一T0)t A設備散熱表面積，m2； t散熱表面向四周介質的聯合給熱系數，W(m2)； Tw2四壁向四周散熱時的表面溫度，；To周圍介質溫度，；t 過程持續時間，s。設四壁向四周散熱時的表面溫度Tw2=30周圍介質溫度To=15空氣做自然對流 t=8+0.05Tw2 =8

16、+0.05×10=8.5A=2×3.14×4×8+2×3.14×42=253.2每天有兩個發酵罐，因為1000kg紅霉素平均要發酵兩天Q損=At(TW2一T0)t ×10-3 =253.2×2×8.5×（3015）×24 ×10-3×2=3.1×103kj5.每天加熱設備消耗的熱量Q設備Q設備=Gc（T2T1)G設備總質量，kg；發酵罐用A3鋼100kg 每天用2個發酵罐c設備材料熱容，kJ(kg) C=0.46kJ(kg)T1設備各部件初溫15，；T2設

17、備各部件終溫35，。因為1000kg紅霉素平均要發酵兩天Q設備=Gc（T2T1) =100×2×0.46×（3515）×2=3680kj相對其他Q設備、Q損比較小可忽略不計整個過程發酵罐所消耗熱量Q總=Q+物Q汽+Q熱+Q損+Q設備 =6.0×105 4.9×1041.0×106 =1.65×106 kj生產1000紅霉素一級種子罐耗熱量計算表3為生產1000紅霉素一級種子罐物料參數 表3名稱投入量比熱容kj/·投入前溫度進入后溫度豆餅粉1702.171835葡萄糖204淀粉27235硫酸銨3418玉米漿

18、13.6Caco340.8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算。 利用公式CD= nici/M 得出C葡=2.17kj/·1.種子罐發酵過程中物料總耗熱量Q物1000紅霉素需物料802.4，1000紅霉素需淀粉272淀粉有糖化鍋經糖化后溫度為35溫差不變，Q淀=0所以總物料為530.4設進罐前溫度為常溫t1=18開始發酵為t2=35Q物=G物C物(t2t1) =530.4×2.17×（3518）=1.96×104kj2.發酵過程中蒸汽帶出的熱量Q汽Q汽發酵過程前60小時35，60小時后

19、31設蒸發熱量為每周期1則蒸發水分為：V1=G總×1=802.4×1=0.8Q汽=V1×I=0.8×2257.2=0.18×104kj3.Q熱發酵過程的熱效應Q熱=Qb+QsQb=aQa+ßQ$Qa=15651kj/Q$=4953kj/a和ß分別為細胞呼吸和發酵的耗糖量aQa=27052kjß=141.75/hQs=3600P-攪拌功率轉換系數0.92P-攪拌軸功率kw設P=1.0pw Q熱=Qs+aQa+ßQ$ 3600×0.92×1.0+27052+141.75×204=

20、5.928×104 kj4.設備向四周散失的熱量(Q損)的計算由發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酵過程中總耗熱量Q總Q總=Q+物Q汽+Q熱+Q損+Q設備 =1.96×1040.18×1045.928×104 =8.068×104 kj生產1000紅霉素二級種子罐耗熱量計算表4生產1000紅霉素二級種子罐物料參數表4名稱投入量比熱容kj/·投入前溫度進入后溫度豆餅粉997.922.171835葡萄糖1360.8淀粉1360.835硫酸銨45.3

21、618玉米漿362.88Caco3272.16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算。 利用公式CD= nici/M 得出C葡=2.17kj/·1.二級種子罐發酵過程中物料總耗熱量Q物1000紅霉素需物料4399.92，1000紅霉素需淀粉1360.8淀粉有糖化鍋經糖化后溫度為35溫差不變，Q淀=0所以總物料為3039.12設進罐前溫度為常溫t1=18開始發酵為t2=35Q物=G物C物(t2t1) =3039.12×2.17×（3518）=1.12×105kj2.發酵過程中蒸汽帶出的熱量Q汽Q汽發酵過程

22、前60小時35，60小時后31設蒸發熱量為每周期1則蒸發水分為：V1=G總×1=4399.92×1=4.40Q汽=V1×I=4.40×2257.2=1.0×105kj3.Q熱發酵過程的熱效應Q熱=Qb+QsQb=aQa+ßQ$Qa=15651kj/Q$=4953kj/a和ß分別為細胞呼吸和發酵的耗糖量aQa=27052kjß=141.75/hQs=3600P-攪拌功率轉換系數0.92P-攪拌軸功率kw設P=1.0pw Q熱=Qs+aQa+ßQ$ 3600×0.92×1.0+27052+141.75×1360.8=2.23×105 kj4.設備向四周散失的熱量(Q損)的計算由發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酵過程中總耗熱量Q總Q總=Q+物+Q汽+Q熱+Q損+Q設備 =1.12×105+1.0×105+2.23×105=4.35kj總結生產車間發酵罐熱量總匯生產150t/a