第四章工艺计算(热量衡算)

第四章工艺计算武汉生物工程学院生物科技系周念波Tel：18986164735QQ：7389418第二节热量平衡计算一、热量衡算的意义•1、通过热量衡算，计算生产过程能耗定额，进而计算加热剂或冷却剂的用量。•2、计算由设备传递的热量，为设备设计提供依据。•3、通过热量衡算分析研究工程设计和生产操作中热量利用是否经济合理，以提高热量利用水平。P75二、热量衡算的依据1.依据：热力学第一定律。2.热量衡算方程∑Q入=∑Q出+∑Q损即：输入=输出+损失式中∑Q入——输入的热量总和(kJ)∑Q出——输出的热量总和(kJ)∑Q损——损失的热量总和(kJ)热能可以从一个物体传递给另一个物体，也可以与机械能或其他能量相互转换，在传递和转换过程中，能量的总值不变。对于单元设备的热量衡算，热平衡方程可写成如下形式：∑Q入=∑Q出+∑Q损Ql+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6+Q7+Q8式中Ql——各股物料带入设备的热量(kJ)Q2——由加热剂(或冷却剂)传给设备和物料的热量(kJ)Q3——过程的热效应，包括生物反应热、搅拌热、状态热等(kJ)Q4——各股物料带出设备的热量(kJ)Q5——加热或冷却设备需要的热量(kJ)Q6——加热物料需要的热量(kJ)Q7——气体或蒸汽带出的热量(kJ)Q8——损失的热量，如设备向环境散失的热量(kJ)P76×Ql+Q2+Q3=Q4+Q5+Q7+Q8式中Q1——各股物料带入设备的热量(kJ)Q2——由加热剂(或冷却剂)传给设备和物料的热量(kJ)Q3——过程的热效应，包括生物反应热、搅拌热、状态热等(kJ)Q4——各股物料带出设备的热量(kJ)Q5——加热或冷却设备需要的热量(kJ)Q7——气体或蒸汽带出的热量(kJ)Q8——损失的热量，如设备向环境散失的热量(kJ)注意：①对具体的单元设备，上述的Q1至Q8各项热量不一定都存在，故进行热量衡算时，必须根据具体情况进行具体分析。②计算时，对于一些量小，比率小的热量可以略去不计，以简化计算。P76三、热量衡算的一般步骤•1.绘制出物料流程图•2.确定热量平衡范围体系进入热量之和离开热量之和一种是对单元设备做热量衡算；另一种是对整个过程的热量衡算。•3.搜集数据（1）设计条件规定的有关工艺操作数据，如温度、压力等。（2）涉及热量衡算的各股物料的量及组成。（3）有关的物化数据，如比热容、焓变、汽化热、冷凝热等。•4.选定计算基准（1）物料数量上的基准：与物料衡算所选定的基准量相一致。（2）温度的基准：通常取0℃为基准温度，可简化计算。P76•5.列出热量衡算方程式，进行具体的热量衡算Ql+Q2+Q3=Q4+Q5+Q7+Q8各项热量的计算：①物料带入的热量Q1和带出的热量Q4Q=∑mctm——物料质量(kg)c——物料比热容[kJ/(kg·K)]t——物料进入或离开设备的温度(℃)P76②由加热剂或冷却剂传给设备和物料的热量Q2Ql+Q2+Q3=Q4+Q5+Q7+Q8——待求量Q=m△Hm=Q（h-i）η△H—焓变h—蒸汽的焓，KJ/kgi—相应冷凝水的焓，KJ/kgη—蒸汽的热效率③过程热效应Q3Q3=Q生物热+Q搅拌热+Q状态热Q生物热：可测Q状态热：可查阅手册Q搅拌热=3600Pη（KJ）P——搅拌功率(kW)，η——搅拌过程功热转化率，通常η=92％Ql+Q2+Q3=Q4+Q5+Q7+Q8④加热设备耗热量Q5Q5=mc（t2-t1）式中m——设备总质量(kg)c——设备材料比热容，kJ／(kg·K)t1、t2——设备加热前后的平均温(℃)Ql+Q2+Q3=Q4+Q5+Q7+Q8P76⑤气体或蒸汽带出的热量Q7Q7=∑(mct+mr)式中m——离开设备的气态物料量(如空气、CO2等)(kg)c——液态物料由0℃升温至蒸发温度的平均比热容，kJ/(kg·K)t——气态物料温度(℃)r——蒸发潜热(kJ/kg)Ql+Q2+Q3=Q4+Q5+Q7+Q8⑥设备向环境散热的热量Q8Q8=AaT(tw-ta)τ式中A——设备总表面积(m2)aT——壁面对空气的联合给热系数W/(m2·℃)tw——壁面温度(℃)ta——环境空气温度(℃)τ——操作过程时间(s)Ql+Q2+Q3=Q4+Q5+Q7+Q8aT的计算：①空气作自然对流，aT=8+0.05tW②强制对流时(空气流速w=5m/s):aT=5.3+3.6w或aT=6.7w0.78(w5m/s)对于单元设备的热量衡算，热平衡方程可写成如下形式：Ql+Q2+Q3=Q4+Q5+Q7+Q8式中Ql——各股物料带入设备的热量(kJ)Q2——由加热剂(或冷却剂)传给设备和物料的热量(kJ)Q3——过程的热效应，包括生物反应热、搅拌热、状态热等(kJ)Q4——各股物料带出设备的热量(kJ)Q5——加热或冷却设备需要的热量(kJ)Q7——气体或蒸汽带出的热量(kJ)Q8——损失的热量，如设备向环境散失的热量(kJ)年产6000吨大豆分离蛋白车间热量衡算•①热水罐内热水•②灭菌用蒸汽•③闪蒸•④喷雾干燥需要进行热量平衡计算的操作单元：闪蒸喷雾干燥成品包装中和灌灭菌离心机水、碱液萃取灌原料豆粕粉酸沉灌离心机碱液碱性蛋白溶液25℃40℃年产6000吨大豆分离蛋白车间总热量衡算140℃140℃65℃1、热水热量计算（以1吨蛋白粉为基准）水温取平均值25℃，浸提温度30～70℃。计算时取40℃，比热容取4.2kJ/kg·℃。所需热量由Q=mc△t得：Q=23.7×103×4.2×（40-25）=1.5×106（kJ）故消耗蒸汽量为：使用表压为0.21MPa的饱和蒸汽m=1.5×106/（2725.5-563.44）×95%=770.9（kg）=0.77（t）闪蒸喷雾干燥成品包装中和灌灭菌离心机水、碱液萃取灌原料豆粕粉酸沉灌离心机碱液碱性蛋白溶液25℃40℃140℃140℃65℃项目1吨1批（0.7吨）6000吨原料豆粕量质量（t）2.371.6614220体积（m3）3.162.2118960原料豆粕加水量（t）23.716.60142200鲜豆渣质量（t）2.962.0817760碱性蛋白溶液质量（t）23.1116.18138660体积（m3）22.715.90136200乳清水量质量（t）21.4915.04128940体积（m3）21.4915.04128940调浆中和加水量（t）4.583.2127480中性蛋白溶液质量（t）6.254.3837500体积（m3）5.874.1135196总耗水量（t）28.2819.81169680烧碱消耗量（kg）29.3320.53175980盐酸消耗量（L）44.531.15267000消泡剂耗量（kg）0.340.242040闪蒸喷雾干燥成品包装中和灌灭菌离心机水、碱液萃取灌原料豆粕粉酸沉灌离心机碱液碱性蛋白溶液25℃40℃140℃140℃65℃2、灭菌过程2、灭菌过程灭菌过程温度控制在140℃左右，在10~15S内瞬时灭菌，中性蛋白质溶液浓度为16％。此时比热取牛乳比热为近似比热，牛乳比热为3.8～4.02kJ/kg℃，查《乳品工业手册》取4.0kJ/kg℃。Q2=6.25×103×4.0×(140-25)=2.875×106（kJ）加热蒸汽表压取0.9MPa，对应饱和蒸汽温度为179℃，饱和蒸汽热焓为=2776.57kJ/kg，140℃冷凝水焓为589.81kJ/kg(以上数据查自《化工原理》上册和《乳品工业手册》)。m=2.875×106/[(2776.57-589.81)×95%]=1383.93（kg）=1.38（t）故蒸汽消耗量为：闪蒸喷雾干燥成品包装中和灌灭菌离心机水、碱液萃取灌原料豆粕粉酸沉灌离心机碱液碱性蛋白溶液25℃40℃140℃140℃65℃3、闪蒸3、闪蒸①闪蒸罐内二次蒸汽产生量进入闪蒸罐的液体质量：m=6.25+1.38=7.63（t）真空冷却前后，蛋白质溶液温度分别为140℃和65℃，蛋白溶液比热如前，取4.0kJ/kg·℃。水蒸汽65℃时热焓为2615.6kJ/kg·℃故二次蒸汽产生量：故进入干燥塔溶液质量为：m=7.63-0.9717=6.66tm=7.63×103×4.0×（140-65）2615.6-4.0×65=971.7(kg)4、喷雾干燥蒸汽消耗量为：10.5t年产100000t/a啤酒厂糖化车间热量衡算本章小结：第四章工艺计算（定性→定量）物料衡算热量衡算目的和意义理论依据衡算方程计算基准衡算过程物料消耗定额热量消耗定额质量守恒定律热力学第一定律m=mp+mt∑Q入=∑Q出+∑Q损3类基准物料基准、温度基准（1）工艺流程示意图（物料流程图）（2）搜集数据（3）确定衡算范围（4）选定计算基准（5）计算（6）列出平衡表、校对作业：1、某工厂计划利用废气的废热。进入锅炉的废气温度为450℃，出口废气的温度为260℃，进入锅炉的水温为25℃，产生的饱和水蒸气温度为233℃，废气的平均摩尔热容为32.5kJ/（kmol·℃），试计算每100kmol的废气可产生的水蒸汽量？（233℃水蒸汽焓为2798.9kJ/kg，25℃水的焓为104.6kJ/kg，废气热损失为5%）2.某中试车间经常为其他企业提供500L发酵罐的中试服务，为了保证蒸汽的正常供应，打算为其专门配套电加热蒸汽锅炉一台，满足培养基实罐灭菌需要，请计算当发酵罐填装系数为70%时，电蒸汽锅炉应具备多大的蒸发量？（培养基从10℃升温到121℃，培养基密度为1040kg/m3，比热容为4.02kJ/(kg℃)，蒸汽压力为0.4MPa（表压），升温过程中的热损失占蒸汽供热的20%）