制药工程第六章热量衡算

1第六章热量衡算6.1概述6.2热量衡算的基本原理6.3热量衡算的方法6.4热量衡算举例6.5加热剂、冷却剂及其他能量消耗的计算26.1概述当物料衡算完成后:对没有热效应的过程,可直接根据物料衡算结果和工艺要求进行设备的工艺设计，以确定设备的型式、数量和主要工艺尺寸。而对伴有热效应的过程,则还必须进行能量衡算,才能确定设备的主要工艺尺寸。∵在药品生产中，无论是进行物理过程的设备,还是进行化学过程的设备,大多存在一定的热效应,∴通常要进行能量衡算。3通过热量衡算确定如下设计参数:⑴设备的热负荷Q包括:换热器、反应器、塔设备等进一步确定换热面积F⑵加热剂、冷却剂的用量能量衡算的依据:⑴物料衡算结果⑵物料的热力学数据如定压比热、相变热、反应热等46.2热量衡算的基本原理6.2.1能量衡算的基本关系式能量衡算的理论基础:热力学第一定律，即能量守恒定律。能量有不同的表现形式，如内能、动能、势能、热能和功等。连续流动系统的总能量衡算式22uQWHgz单位质量流体所吸收的热或放出的热单位质量流体所接受的外功或所做的外功单位质量流体的焓变位能变化动能变化5设备的能量衡算时，位能变化，动能变化，外功等项相对较小，多数情况下，能量衡算可简化为热量衡算。∴流动系统总能量衡算式可简化为：QH12QQQ12HQQ()()BDACHHHHH热量衡算基本关系式Q-两部分热量之和上式只限于连续操作过程使用，不适用于间歇过程，且没有包括化学反应热。另一种形式：热衡算方程热衡算示意图Q1—载热体取出的热，Q2—热损失，负值。6当内能、动能、势能的变化量可以忽略且无轴功时，输入系统的热量与离开系统的热量应平衡，由此可得出传热设备的热量平衡方程式为式中:Q1—物料带入设备的热量，kJ或kJ/h；Q2—加热剂或冷却剂传给设备及所处理物料的热量，kJQ3—过程的热效应，kJ或kJ/h；Q4—物料带出设备的热量，kJ或kJ/h；Q5—加热或冷却设备所消耗的热量或冷量，kJ或kJ/h；Q6—设备向环境散失的热量，kJ或kJ/h。654321QQQQQQ(6-1)7在上式，应注意除Q1和Q4外，其它Q值都有正负两种情况。例如，当反应放热时，Q3取“+”号；反之，当反应吸热时，Q3取“”号，这与热力学中的规定正好相反。由式(6-1)可求出Q2，即设备的热负荷。若Q2为正值，表明需要提供热量，即需要加热；反之，则表明需要移走热量，即需要冷却。此外，对间歇操作∵不同时间段内的操作情况可能不同∴应按不同的时间段分别计算Q2的值，并取其最大值作为设备热负荷的设计依据。为求出Q2，必须求出式(6-1)中其它各项热量的值。86.3热量衡算的方法6.3.1计算基准在计算Qi之前，要确定一个计算基准。①数量上基准②相态基准(基准态)数量上基准:①按1kmol或1kg物料为计算基准;②用设备的小时工作量为计算基准。相态基准(基准态):∵热衡算中使用热力学函数焓，焓无绝对值，只有相对某一基准态的相对值∴热量衡算时需要规定基准态一般，把0℃和1.013105Pa下的某一相态为计算基准。对反应过程，常以25℃和1.013105Pa为计算基准。基准态可以任意规定,不同物料可使用不同的基准态,但对同一种物料其进口和出口只能使用相同基准态96.3.2热容法⊿P=0、无化学反应、无相变时，过程吸收或放出的热量可用热容法计算—显热的计算即式中:G-输入或输出设备的物料量，kg或kg/h或kmol/ht0—基准温度，℃；t2—物料的实际温度，℃；Cp—物料的定压热容，kJkg-1℃-1或kJkmol-1℃-1若已知物料在所涉及温度范围内的平均定压热容，则式中:Cp—物料在(t0～t2)℃范围内的平均定压热容，kJkg-1℃-1或kJkmol-1℃-1(6-2))tt(GCQQ02p41或(6-3)10⑴Cp与T的关系:①查图法:烃类化合物的Cp-T图可在有关手册中查得;≤化工工艺设计手册≥第三版(上)②列表法:不同温度下的Cp列表卢焕章.石油化工基础数据手册.化学工业出版社，1978③函数表达式(气体数据较全):式中:a、b、c、d-物质的特性常数，可从有关手册查得。Cp-理想气体的热容;≤化工设计≥.黄璐:P40132pdtctbtaC2pctbtaC(6-4)(6-5)0001112工程项目建设基本程序(7步)1314（2）平均热容假如物质在T1～T2范围之内Cp–T成直线关系,则Cp=[(Cp)T1+(Cp)T2]/2⑶Cp与P的关系:①固体热容与P无关②Cp液体在临界点附近P的影响明显，一般条件下可忽略③P对理想气体的热容无影响④P对真实气体热容影响不大，在临界点附近影响明显(见≤化工设计≥.黄璐:P177图5.4和例5.2)15①理想气体混合物:Cpo—混合气体的理想气体定压摩尔热容；Cpio—混合气体中i组分的理想气体定压摩尔热容；Ni—i组分的摩尔分数。②真实气体混合物:离临界状态远时按上式近似计算临界状态附近校正(见≤化工设计≥.黄璐P178例题)③液体混合物:工程计算中常用加合法估算液体混合物热容,公式与理想气体混合物计算公式相同.⑷混合物热容生产上遇到的大部分是混合物，根据混合物内各物质的热容和组成进行推算(6-6)opiiopCNC16⑸热容的单位①摩尔热容:每1mol或每1kmol物质温度升高1℃所需要的热量.单位:kJ/(mol·K)，kJ/(kmol·K)……等②比热容每1g或每1kg物质温度升高1℃所需要的热量单位:kJ/(kg·K)，J/(g·K)……等③单位换算比热容=摩尔热容/M摩尔热容=比热容×MM—相对分子质量176.3.3物理变化热Qp(相变热和浓度变化热)指物料的浓度或状态发生改变时所产生的热效应⑴相变热物质从一相转变至另一相的过程，称为相变过程如蒸发、冷凝、熔融、结晶、升华、凝华等。相变过程常在恒温恒压下进行，所产生的热效应称为相变热。∵相变过程中，体系T不改变，故相变热常称为潜热。∵蒸发、熔融、升华过程要克服液体或固体分子间的相互吸引力∴这些过程均为吸热过程，按式(6-1)中的符号规定，其相变热为负值；反之，冷凝、结晶、凝华过程的相变热为正值。18各种纯化合物的相变热可从有关手册、文献中查得。⑵浓度变化热恒温恒压下，溶液因浓度发生改变而产生的热效应，称为浓度变化热。药品生产中，以物质在水溶液中的浓度变化热最为常见。但除某些酸、碱水溶液的浓度变化热较大外，大多数物质在水溶液的浓度变化热并不大，不会影响整个过程的热效应。①溶解热固体、液体或气体溶质溶解于溶剂中吸收或放出的热量有积分溶解热与微分溶解热之分191)积分溶解热恒温恒压下，将1摩尔溶质溶解于n摩尔溶剂中形成组成为x的溶液时的总热效应称为积分溶解热，用符号Hs表示。常见物质在水中的积分溶解热可从有关手册或资料中查得。P69见表5-1.在25℃下,1mol硫酸用水逐渐稀释,不断取出过程放出的热量,保持温度25℃用来计算:数据中可看出:加入的水量愈多,累计放出的热量愈多,累计放出的热量与溶液的组成有关.20表6-125℃时，H2SO4水溶液的积分溶解热H2O摩尔数n/mol积分溶解热Hs/kJmol-1H2O摩尔数n/mol积分溶解热Hs/kJmol-10.515.745073.391.028.0910074.02241.9520074.99349.0350076.79454.09100078.63558.07500084.49660.791000087.13864.6410000093.701067.0750000095.382572.3596.2521用来计算::积分溶解热，浓度的函数，温度的函数。#把溶质溶于溶剂中形成某一含量溶液时的热效应。#把溶液自某一含量冲淡（或浓缩）到另一含量的热效应。22对于一些常用的酸、碱水溶液，也可将溶液的积分溶解热数据回归成相应的经验公式，以便于应用。例如：硫酸的积分溶解热可按SO3溶于水的热效应用下式估算(6-7)式中:Hs—SO3溶于水形成硫酸的积分溶解热kJ/(kgH2O)m—以SO3计，硫酸的质量分率；t—操作温度，℃。062.0mm1)15t(989.22013.0mm12111Hs23又如，硝酸的积分溶解热可用下式估算(6-8)式中:Hs—硝酸的积分溶解热，kJ/molHNO3；n—溶解1molHNO3的H2O的摩尔数，mol。再如，盐酸的积分溶解热可用下式估算(6-9)式中:Hs—盐酸的积分溶解热，kJ/molHCl；n—溶解1molHCl的H2O的摩尔数，mol。757.1nn57.37Hs5.22n1n158.50Hs242)微分溶解热恒温恒压下，1kmol（或1kg）溶质溶解于含量为x的无限多溶液中（即溶解后溶液的含量仍可视为x）时所放出的热量。单位：kJ/kmol，kJ/kg……等用来计算：如果吸收时吸收剂的用量很大，在吸收时溶液含量变化很小，则吸收所放出的热量等于该含量的微分溶解热乘以被吸收的吸收质的数量。25②积分稀释热恒温恒压下，将一定量的溶剂加入到含1摩尔溶质的溶液中，形成较稀的溶液时所产生的热效应称为积分稀释热，简称稀释热。显然，两种不同浓度下的积分溶解热之差就是溶液由一种浓度稀释至另一种浓度的积分稀释热。26例如，向由1molH2SO4和1molH2O组成的溶液中加入5mol水进行稀释的过程可表示为由表6-1可知:1molH2SO4和6molH2O组成的H2SO4水溶液的积分溶解热为60.79kJmol-1，1molH2SO4和1molH2O组成的H2SO4水溶液的积分溶解热为28.09kJmol-1，则上述稀释过程的浓度变化热或积分稀释热为H2SO4(1molH2O)+5H2OH2SO4(6molH2O)kJ70.3209.2879.60Qp27例6-1在25℃和1.013105Pa下，用水稀释78%的硫酸水溶液以配制25%的硫酸水溶液。拟配制25%的硫酸水溶液1000kg，试计算：(1)78%的硫酸溶液和水的用量；(2)配制过程中H2SO4的浓度变化热。解：(1)78%的硫酸溶液量和水的用量设为78%的硫酸溶液的用量，为水的用量，则联解式(a)、(b)得=320.5kg，=679.5kg42SOHGOH2G%251000%78G42SOH1000GGOHSOH24242SOHGOH2G(a)(b)硫酸平衡总物料平衡28(2)配制过程中H2SO4的浓度变化热配制前，H2SO4的mol均为配制前H2O的摩尔数为则由表6-1用内插法查得kJmol-1配制后H2O的摩尔数变为则由表6-1查得kJmol-1Qp=(-)=(-)=8.604104kJmol9.25509878.0105.320n3SOH42mol2.39171822.0105.320n3OH254.19.25502.3917n157.35H1smol7.416661875.0101000n3OH233.169.25507.41666n230.69H2s×296.3.4化学变化热(反应热)过程的化学变化热可根据反应进度和化学反应热来计算，即式中:—反应进度，mol；—化学反应热，kJmol-1。以反应物A表示的反应进度为式中:nA0—反应开始时反应物A的摩尔数,mol;nA—某时刻反应物A的摩尔数，mol；A—反应物A在反应方程式中的计量系数。trcHQtrHAA0Ann(6-10)(6-11)30对同一化学反应而言，以参与反应的任一组分计算的反应进度都相同。但反应进度与反应方程式的写法有关。例如，氢与氧的热化学方程式为当反应进度为2mol时，化学变化热为若将氢与氧的热化学方程式改写为而其它条件均不变，则变为1mol，化学变化热为可见,与反应方程式的写法有关，但化学变化热不变8.285HorkJ6.5718.2852HQtrc