制藥工程學(xué)第05章課件

1、CHAPTER 5 ENERGY BALANCE,當(dāng)物料衡算完成后,對(duì)于沒有熱效應(yīng)的過程,可直接根據(jù)物料衡算結(jié)果以及物料的性質(zhì)、處理量和工藝要求進(jìn)行設(shè)備的工藝設(shè)計(jì)，以確定設(shè)備的型式、數(shù)量和主要工藝尺寸。而對(duì)于伴有熱效應(yīng)的過程,則還必須進(jìn)行能量衡算,才能確定設(shè)備的主要工藝尺寸。在藥品生產(chǎn)中，無論是進(jìn)行物理過程的設(shè)備,還是進(jìn)行化學(xué)過程的設(shè)備,大多存在一定的熱效應(yīng),因此,通常要進(jìn)行能量衡算。,5.1 Introduction,對(duì)于新設(shè)計(jì)的設(shè)備或裝置，能量衡算的目的主要是為了確定設(shè)備或裝置的熱負(fù)荷。根據(jù)熱負(fù)荷的大小以及物料的性質(zhì)和工藝要求，可進(jìn)一步確定傳熱設(shè)備的型式、數(shù)量和主要工藝尺寸。 此外，熱負(fù)荷

2、也是確定加熱劑或冷卻劑用量的依據(jù)。,5.1 Introduction,目的:,在實(shí)際生產(chǎn)中,根據(jù)需要,也可對(duì)已經(jīng)投產(chǎn)的一臺(tái)設(shè)備、一套裝置、一個(gè)車間或整個(gè)工廠進(jìn)行能量衡算,以尋找能量利用的薄弱環(huán)節(jié),為完善能源管理、制定節(jié)能措施、降低單位能耗提供可靠的依據(jù)。,5.1 Introduction,能量衡算的依據(jù):物料衡算結(jié)果; 有關(guān)物料的熱力學(xué)數(shù)據(jù)，如定壓比熱、相變熱、反應(yīng)熱等。 能量衡算的理論基礎(chǔ):熱力學(xué)第一定律，即能量守恒定律。能量有不同的表現(xiàn)形式，如內(nèi)能、動(dòng)能、勢(shì)能、熱能和功等。在藥品生產(chǎn)中，熱能是最常見的能量表現(xiàn)形式，多數(shù)情況下，能量衡算可簡(jiǎn)化為熱量衡算。,5.1 Introduction,5

3、.2.1 Energy balance Equations,5.2.2 Calculations of various energy,5.2.3 Methods and Approaches,5.2 Energy Balance,當(dāng)內(nèi)能、動(dòng)能、勢(shì)能的變化量可以忽略且無軸功時(shí)，輸入系統(tǒng)的熱量與離開系統(tǒng)的熱量應(yīng)平衡，由此可得出傳熱設(shè)備的熱量平衡方程式為 (5-1) 式中Q1物料帶入設(shè)備的熱量，kJ； Q2加熱劑或冷卻劑傳給設(shè)備及所處理物料的熱量，kJ； Q3過程的熱效應(yīng)，kJ； Q4物料帶出設(shè)備的熱量，kJ； Q5加熱或冷卻設(shè)備所消耗的熱量或冷量，kJ； Q6設(shè)備向環(huán)境散失的熱量，kJ。,5.2.

4、1 Energy balance Equations,在上式中，應(yīng)注意Q值一般都有正負(fù)兩種情況。 例如，當(dāng)反應(yīng)放熱時(shí)，Q3取“+”號(hào)； 反之，當(dāng)反應(yīng)吸熱時(shí)，Q3取“”號(hào)，這與熱力學(xué)中的規(guī)定正好相反。,5.2.1 Energy balance Equations,式中Q2，即為設(shè)備的熱負(fù)荷。 若Q2為正值，表明需要向設(shè)備及所處理的物料提供熱量，即需要加熱； 若Q2為正值，則表明需要從設(shè)備及所處理的物料移走熱量，即需要冷卻。 此外，對(duì)于間歇操作，由于不同時(shí)間段內(nèi)的操作情況可能不同，因此，應(yīng)按不同的時(shí)間段分別計(jì)算Q2的值，并取其最大值作為設(shè)備熱負(fù)荷的設(shè)計(jì)依據(jù)。 為求出Q2，必須求出式(5-1)中其它

5、各項(xiàng)熱量的值。,5.2.1 Energy balance Equations,(1) Criterion of Calculation,(2) Calculations of Q1 or Q4,(3) Calculation of Q3,(4) Calculation of Q5,(5) Calculation Q6,5.2.2 Calculations of various energy,在計(jì)算各項(xiàng)熱量之前，首先要確定一個(gè)計(jì)算基準(zhǔn): 以0oC和1.013105 Pa為計(jì)算基準(zhǔn)(一般情況下). 以25oC和1.013105Pa為計(jì)算基準(zhǔn)(對(duì)于有反應(yīng)的過程)。,(1) Criterion of

6、Calculation,若物料在基準(zhǔn)溫度和實(shí)際溫度之間沒有相變化，則可利用定壓比熱計(jì)算物料所含有的顯熱，即: (5-2) 式中G輸入或輸出設(shè)備的物料量，kg； t0基準(zhǔn)溫度，0C； t2物料的實(shí)際溫度，0C； Cp物料的定壓比熱，kJkg-1oC-1。,(2) Calculations of Q1 or Q4,物料的定壓比熱與溫度之間的函數(shù)關(guān)系常用多項(xiàng)式來表示，即: (5-3) 或 (5-4) 式中a、b、c、d物質(zhì)的特性常數(shù)，可從有關(guān)手冊(cè)查得。,(2) Calculations of Q1 or Q4,若已知物料在所涉及溫度范圍內(nèi)的平均定壓比熱，則式(5-2)可簡(jiǎn)化為: (5-5) 式中Cp

7、物料在(t0t2)oC范圍內(nèi)的平均定壓比熱，kJkg-1 oC-1。,(2) Calculations of Q1 or Q4,過程的熱效應(yīng)由物理變化熱和化學(xué)變化熱兩部分組成，即 (5-6) 式中 Qp物理變化熱，kJ； Qc化學(xué)變化熱，kJ。,(3) Calculations of Q3,物理變化熱:指物料的濃度或狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)所產(chǎn)生的熱效應(yīng)。如蒸發(fā)熱、冷凝熱、結(jié)晶熱、熔融熱、升華熱、凝華熱、溶解熱、稀釋熱等。 如果所進(jìn)行的過程為純物理過程，無化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，如固體的溶解、硝化混酸的配制、液體混合物的精餾等，則Qc=0。 化學(xué)變化熱:指組分之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)所產(chǎn)生的熱效應(yīng)，可根據(jù)物質(zhì)的反應(yīng)量和

8、化學(xué)反應(yīng)熱計(jì)算。,(3) Calculations of Q3,對(duì)于穩(wěn)態(tài)操作過程，Q5=0；對(duì)于非穩(wěn)態(tài)操作過程，如開車、停車以及各種間歇操作過程，Q5可按下式計(jì)算： (5-7) 式中G設(shè)備各部件的質(zhì)量，kg； Cp設(shè)備各部件材料的平均定壓比熱，kJkg-1oC-1； t1設(shè)備各部件的初始溫度，oC； t2設(shè)備各部件的最終溫度，oC。 與其他各項(xiàng)熱量相比，Q5的數(shù)值一般較小，因此，Q5?？珊雎圆挥?jì)。,(4) Calculations of Q5,設(shè)備向環(huán)境散失的熱量Q6可用下式計(jì)算: (5-8) 式中 T對(duì)流-輻射聯(lián)合傳熱系數(shù),Wm-2oC-1； AW與周圍介質(zhì)直接接觸的設(shè)備外表面積，m2； t

9、W與周圍介質(zhì)直接接觸的設(shè)備外表面溫度，oC； t周圍介質(zhì)的溫度，oC； 散熱過程持續(xù)的時(shí)間，s。,(5) Calculations of Q6,對(duì)于有保溫層的設(shè)備或管道，其外壁向周圍介質(zhì)散熱的聯(lián)合傳熱系數(shù)可用下列經(jīng)驗(yàn)公式估算。 (1) 空氣在保溫層外作自然對(duì)流,且tw 150oC: 在平壁保溫層外，T可按下式估算: (5-9) 在圓筒壁保溫層外，T可按下式估算: (5-10),(5) Calculations of Q6,(2) 空氣沿粗糙壁面作強(qiáng)制對(duì)流: 當(dāng)空氣流速不大于5ms-1時(shí)，T可按下式估算: (5-11) 式中 u空氣流速，ms-1。 當(dāng)空氣速度大于5ms-1時(shí)，T可按下式估算 (

10、5-12) (3) 對(duì)于室內(nèi)操作的釜式反應(yīng)器，T的數(shù)值可近似取為10 Wm-2oC-1。,(5) Calculations of Q6,(1) 明確衡算目的，如通過熱量衡算確定某設(shè)備或裝置的熱負(fù)荷、加熱劑或冷卻劑的消耗量等數(shù)據(jù)。 (2) 明確衡算對(duì)象，劃定衡算范圍，并繪出熱量衡算示意圖。為了計(jì)算方便，常結(jié)合物料衡算結(jié)果，將進(jìn)出衡算范圍的各股物料的數(shù)量、組成和溫度等數(shù)據(jù)標(biāo)在熱量衡算示意圖中。,5.2.3 Methods and Approaches,(3) 選定衡算基準(zhǔn)。 (4) 收集與熱量衡算有關(guān)的熱力學(xué)數(shù)據(jù)，如定壓比熱、相變熱、反應(yīng)熱等。 (5) 列出熱量平衡方程式，進(jìn)行熱量衡算。 (6)

11、編制熱量平衡表。,5.2.3 Methods and Approaches,5.3.1 Thermal in Physical changes,5.3.2 Thermal in Chemical changes,5.3 Thermal Effects,物理變化熱是指物料的狀態(tài)或濃度發(fā)生變化時(shí)所產(chǎn)生的熱效應(yīng)，常見的有相變熱和濃度變化熱。,1.Thermal of Phase transition,2.Thermal of Concentration change,5.3.1 Thermal in Physical Changes,相變過程:物質(zhì)從一相轉(zhuǎn)變至另一相的過程。如蒸發(fā)、冷凝、熔融、結(jié)晶、

12、升華、凝華。 相變熱：恒溫恒壓下的相變過程所產(chǎn)生的熱效應(yīng)稱為相變熱。 由于相變過程中，體系的溫度不發(fā)生改變，故相變熱常稱為潛熱。 蒸發(fā)、熔融、升華過程要克服液體或固體分子間的相互吸引力，因此，這些過程均為吸熱過程，其相變熱為負(fù)值； 反之，冷凝、結(jié)晶、凝華過程的相變熱為正值。,5.3.1 Thermal in Physical Changes,相變熱數(shù)值的獲?。?各種純化合物的相變熱可從有關(guān)手冊(cè)、文獻(xiàn)中查得,但應(yīng)注意相變熱的單位及正負(fù)號(hào)。 一般熱力學(xué)數(shù)據(jù)中的相變熱以吸熱為正,放熱為負(fù),與式(5-1)中的符號(hào)規(guī)定正好相反。,1. Thermal of Phase transition,濃度變化熱：

13、恒溫恒壓下，溶液因濃度發(fā)生改變而產(chǎn)生的熱效應(yīng)。 在藥品生產(chǎn)中，以物質(zhì)在水溶液中的濃度變化熱最為常見。但除了某些酸、堿水溶液的濃度變化熱較大外，大多數(shù)物質(zhì)在水溶液的濃度變化熱并不大，不會(huì)影響整個(gè)過程的熱效應(yīng)，因此，一般可不予考慮。,2. Thermal of Concentration change,某些物質(zhì)在水溶液中的濃度變化熱可直接從有關(guān)手冊(cè)或資料中查得，也可根據(jù)積分溶解熱或積分稀釋熱的數(shù)據(jù)來計(jì)算。,(1) Integral heat of solution,(2) Integral heat of Dilution,2. Thermal of Concentration change,濃度

14、變化熱的獲?。?積分溶解熱：恒溫恒壓下，將1摩爾溶質(zhì)溶解于n摩爾溶劑中，該過程所產(chǎn)生的熱效應(yīng)，又稱為溶解熱，用符號(hào)Hs表示。 常見物質(zhì)在水中的積分溶解熱可從有關(guān)手冊(cè)或資料中查得。,(1) Integral heat of solution,表5-1 25 oC時(shí)，H2SO4水溶液的積分溶解熱,注：表中積分溶解熱的符號(hào)規(guī)定為放熱為正、吸熱為負(fù)。,(1) Integral heat of solution,對(duì)于一些常用的酸、堿水溶液，也可將溶液的積分溶解熱數(shù)據(jù)回歸成相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式，以便于應(yīng)用。例如：硫酸的積分溶解熱可按SO3溶于水的熱效應(yīng)用下式估算： (5-13) 式中HsSO3溶于水形成硫酸的積

15、分溶解熱，kJ(kgH2O)-1； m以SO3計(jì)，硫酸的質(zhì)量分率； t操作溫度，0C。,(1) Integral heat of solution,又如，硝酸的積分溶解熱可用下式估算： (5-14) 式中Hs硝酸的積分溶解熱，kJ(mol HNO3)-1； n溶解1mol HNO3的H2O的摩爾數(shù)，mol。,(1) Integral heat of solution,再如，鹽酸的積分溶解熱可用下式估算 (5-15) 式中 Hs鹽酸的積分溶解熱，kJ(mol HCl)-1； n溶解1mol HCl的H2O的摩爾數(shù)，mol。,(1) Integral heat of solution,積分稀釋熱：

16、恒溫恒壓下，將一定量的溶劑加入到含1摩爾溶質(zhì)的溶液中，形成較稀的溶液時(shí)所產(chǎn)生的熱效應(yīng)，又稱為稀釋熱。 積分稀釋熱在數(shù)值上等于兩種不同濃度下的積分溶解熱之差。,(2) Integral heat of dilution,例如，向由1mol H2SO4和1mol H2O組成的溶液中加入5mol水進(jìn)行稀釋的過程可表示為 已知，1mol H2SO4和6mol H2O組成的H2SO4水溶液的積分溶解熱為60.79 kJmol-1； 1mol H2SO4和1mol H2O組成的H2SO4水溶液的積分溶解熱為28.09 kJmol-1，則上述稀釋過程的濃度變化熱或積分稀釋熱為,Qp,(2) Integral

17、 heat of dilution,例5-1 在25 oC和1.013105Pa下，用水稀釋78%的硫酸水溶液以配制25%的硫酸水溶液。擬配制25%的硫酸水溶液1000kg，試計(jì)算：(1) 78%的硫酸溶液和水的用量；(2) 配制過程中H2SO4的濃度變化熱。,Examples,解：(1) 78%的硫酸溶液和水的用量 設(shè)G硫酸為78%的硫酸溶液的用量； G水為水的用量，則 (a) (b) 聯(lián)解式(a)、(b)得 G硫酸=320.5kg， G水=679.5kg,Examples,(2) 配制過程中H2SO4的濃度變化熱 配制前后，H2SO4的摩爾數(shù)均為： 配制前H2O的摩爾數(shù)為： 則對(duì)應(yīng)1Mol

18、 的H2SO4水的Mol數(shù)為： 查得積分熔解熱Hs1=35.57kJmol-1,Examples,配制后H2O的摩爾數(shù)變?yōu)?則 由表5-1查得 kJmol-1,Examples,過程的化學(xué)變化熱可根據(jù)反應(yīng)進(jìn)度和化學(xué)反應(yīng)熱來計(jì)算，即 (5-16) 式中 反應(yīng)進(jìn)度，mol； 化學(xué)反應(yīng)熱(放熱為正，吸熱為負(fù))，kJmol-1。,5.3.2 Thermal in Chemical Changes,以反應(yīng)物A表示的反應(yīng)進(jìn)度為 (5-17) 式中nA0反應(yīng)開始時(shí)反應(yīng)物A的摩爾數(shù),mol; nA某時(shí)刻反應(yīng)物A的摩爾數(shù)，mol； A反應(yīng)物A在反應(yīng)方程式中的系數(shù)。,5.3.2 Thermal in Chemic

19、al Changes,顯然，對(duì)于同一化學(xué)反應(yīng)而言，以參與反應(yīng)的任一組分計(jì)算的反應(yīng)進(jìn)度都相同。但反應(yīng)進(jìn)度與反應(yīng)方程式的寫法有關(guān)。 例如，氫與氧的熱化學(xué)方程式為: kJmol-1(放熱) 當(dāng)反應(yīng)進(jìn)度為2mol時(shí)，過程的化學(xué)變化熱為,5.3.2 Thermal in Chemical Changes,若將氫與氧的熱化學(xué)方程式改寫為 kJmol-1(放熱) 而其它條件均不變，則反應(yīng)進(jìn)度變?yōu)?mol，過程的化學(xué)變化熱為： 反應(yīng)進(jìn)度與反應(yīng)方程式的寫法有關(guān)，但過程的化學(xué)變化熱不變。,5.3.2 Thermal in Chemical Changes,化學(xué)反應(yīng)熱可從文獻(xiàn)、科研或工廠實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中獲得。當(dāng)缺少數(shù)據(jù)時(shí)

20、，也可由生成熱或燃燒熱數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算而得。,1.According to Standard Heats of Formation,2.According to Standard Heats of Combustion,3.Offstandard conditions,5.3.2 Thermal in Chemical Changes,化學(xué)反應(yīng)熱數(shù)值的獲?。?由標(biāo)準(zhǔn)生成熱計(jì)算：根據(jù)蓋斯定律: (5-18) 產(chǎn)物 反應(yīng)物 式中 反應(yīng)物或產(chǎn)物在反應(yīng)方程式中的系數(shù)； 反應(yīng)物或產(chǎn)物的標(biāo)準(zhǔn)生成熱,kJmol-1。,1.According to Standard Heats of Formation,物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)

21、生成熱數(shù)據(jù)可從有關(guān)手冊(cè)中查得。 但應(yīng)注意，一般手冊(cè)中標(biāo)準(zhǔn)生成熱的數(shù)據(jù)常用焓差，即 表示，并規(guī)定吸熱為正，放熱為負(fù). 在查手冊(cè)時(shí)可在 前加一“”號(hào)。,1.According to Standard Heats of Formation,由標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱計(jì)算：根據(jù)蓋斯定律 (5-19) 反應(yīng)物 產(chǎn)物 式中HCo反應(yīng)物或產(chǎn)質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱，kJmol-1。 物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱也可從有關(guān)手冊(cè)中查得。同樣,在查手冊(cè)時(shí)應(yīng)在HCo前加一“” 號(hào),以使 Hro的符號(hào)與式(5-1)中的符號(hào)規(guī)定相一致。,2. According to Standard Heats of Combustion,若反應(yīng)在toC下進(jìn)行，且反應(yīng)

22、物和產(chǎn)物在(25t)oC之間均無相變化，則可設(shè)計(jì)如下途徑完成該過程 由蓋斯定律得 (5-20) 反應(yīng)物 產(chǎn)物 式中t反應(yīng)溫度，oC； Cpi反應(yīng)物或產(chǎn)物在(25t) oC之間的平均定壓比熱， kJmol-1 oC-1。,反應(yīng)物 t oC,產(chǎn)物 t oC,反應(yīng)物25oC,(t-25)iCpi,-(t-25)iCpi,產(chǎn)物 25 oC,3. Off standard conditions,若某反應(yīng)物或產(chǎn)物在(25t)oC之間存在相變，則式(5-20)等號(hào)右面的加和項(xiàng)應(yīng)作修正。例如，若反應(yīng)物中的j組分在溫度t(25tt)時(shí)發(fā)生相變，則可設(shè)計(jì)如下途徑完成該過程。,3. Off standard con

23、ditions,3. Off standard conditions,反應(yīng)物ToC,反應(yīng)物T oC,反應(yīng)物T oC,產(chǎn)物ToC,反應(yīng)物25oC,產(chǎn)物25oC,式中j反應(yīng)物j在化學(xué)反應(yīng)方程式中的系數(shù)； rj反應(yīng)物j在t oC時(shí)的相變熱，kJmol-1。 應(yīng)注意物質(zhì)的相態(tài)不同，其Cp值也不同,(T-T)iCpi,j rj,(T-25)iCpi,(25-T)iCpi,表4-3 甲苯磺化過程的物料平衡表,例5-2 甲苯磺化物料衡算數(shù)據(jù)如表4-3所示。,已知加入甲苯和濃硫酸的溫度均為30oC； 脫水器的排水溫度為65oC； 磺化液的出料溫度為140oC； 甲苯與硫酸的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)反應(yīng)熱為117.2kJmol

24、-1(放熱)； 設(shè)備升溫(包括磺化釜、回流冷凝器和脫水器，下同)所需的熱量為1.3105kJ； 設(shè)備表面向周圍環(huán)境的散熱量為6.2104kJ； 回流冷凝器中冷卻水移走的熱量共9.8105kJ。 試對(duì)甲苯磺化過程進(jìn)行熱量衡算。,5.4 Examples of Energy Balance,有關(guān)熱力學(xué)數(shù)據(jù)為： 原料甲苯的Cp: 1.71 kJkg-1oC-1； 98%硫酸的Cp: 1.47kJkg-1oC-1； 磺化液的平均Cp: 1.59 kJkg-1oC-1； 水的Cp: 4.18kJkg-1oC-1。,5.4 Examples of Energy Balance,解：熱量衡算的目的:是為了確

25、定磺化過程中的補(bǔ)充加熱量。 衡算對(duì)象:甲苯磺化裝置(包括磺化釜、回流冷凝器和脫水器等)。 此時(shí)，輸入及輸出磺化裝置的能量還應(yīng)包括進(jìn)、出回流冷凝器的冷卻水(參見圖3-11)，其帶出和帶入熱量之差即為回流冷凝器移走的熱量。 若將過程的熱效應(yīng)作為輸入熱量來考慮，則可繪出如圖5-1所示的熱量衡算示意圖。,5.4 Examples of Energy Balance,圖5-1 甲苯磺化裝置熱量衡算示意圖,則熱量平衡方程式可表示為 取熱量衡算的基準(zhǔn)溫度為25oC，則,5.4 Examples of Energy Balance,反應(yīng)中共加入98%濃硫酸的質(zhì)量為1100kg，其中含水22kg。若以SO3計(jì)，

26、98%硫酸的質(zhì)量分率為80%。由式(5-13)得,5.4 Examples of Energy Balance,反應(yīng)結(jié)束后,磺化液含硫酸35.2kg,水21.4kg。以SO3計(jì),硫酸的質(zhì)量分率為50.8%。則 所以,5.4 Examples of Energy Balance,反應(yīng)消耗的甲苯量為979kg，則,5.4 Examples of Energy Balance,表5-2 甲苯磺化過程熱量平衡表,5.4 Examples of Energy Balance,例5-3 物料衡算數(shù)據(jù)如表4-4所示。已知乙醇的進(jìn)料溫度為300oC，反應(yīng)產(chǎn)物的溫度為265oC，乙醇脫氫制乙醛反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)反應(yīng)

27、熱為-69.11kJmol-1(吸熱)，乙醇脫氫生成副產(chǎn)物乙酸乙酯的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)反應(yīng)熱為-21.91kJmol-1(吸熱)，設(shè)備表面向周圍環(huán)境的散熱量可忽略不計(jì)。試對(duì)乙醇脫氫制乙醛過程進(jìn)行熱量衡算。,5.4 Examples of Energy Balance,有關(guān)熱力學(xué)數(shù)據(jù)為： 乙醇的定壓比熱為0.110kJmol-1oC-1； 乙醛的定壓比熱為0.080kJmol-1oC-1； 乙酸乙酯的定壓比熱為0.169kJmol-1oC-1； 氫氣的定壓比熱為0.029kJmol-1oC-1。,5.4 Examples of Energy Balance,解：由例4-7可知，乙醇脫氫制乙醛過程為連續(xù)過程

28、，對(duì)該過程進(jìn)行熱量衡算的目的是為了確定反應(yīng)過程中的補(bǔ)充加熱速率。依題意，可以反應(yīng)器為衡算對(duì)象,繪出熱量衡算示意圖,如圖5-2所示。,圖5-2 乙醇脫氫制乙醛過程熱量衡算示意圖,5.4 Examples of Energy Balance,則熱量平衡方程式可表示為 由于是連續(xù)過程，則Q5=0；依題意知Q6=0。 取熱量衡算的基準(zhǔn)溫度為25oC，則,5.4 Examples of Energy Balance,過程的熱效應(yīng)Q3主要為化學(xué)變化熱，即,Qc由兩部分組成，其中乙醇脫氫制乙醛的化學(xué)變化熱為 kJh-1,5.4 Examples of Energy Balance,乙醇脫氫生成副產(chǎn)物乙酸乙酯

29、的化學(xué)變化熱為 則 kJh-1,5.4 Examples of Energy Balance,Q4由四部分組成,其中未反應(yīng)乙醇帶走熱量為 乙醛帶走熱量為 乙酸乙酯帶走熱量為,5.4 Examples of Energy Balance,氫氣帶走熱量為 則 所以 故反應(yīng)過程所需的補(bǔ)充加熱速率為1.148106kJh-1。,5.4 Examples of Energy Balance,表5-3 乙醇催化脫氫過程熱量平衡表,5.4 Examples of Energy Balance,2學(xué)時(shí),5.5.1 Coolant and Heating source frequently-used,5.5.2

30、 Consumption of Coolant and Heating source,5.5.3 Consumption of fuel,5.5.4 Consumption of Electric Energy,5.5.5 Consumption of Compressed air,5.5.6 Calculation of Sucking rate Vacuumed,5.5 Calculation of Consumption of Coolant, heating source and other energy,由熱量衡算可確定設(shè)備的熱負(fù)荷，根據(jù)工藝要求和熱負(fù)荷的大小，可選擇適當(dāng)?shù)募訜峄蚶鋮s

31、介質(zhì). 常用的加熱劑有熱水、飽和水蒸汽(低壓、高壓)、導(dǎo)熱油、道生液(聯(lián)苯及聯(lián)苯醚)、煙道氣和熔鹽等； 常用的冷卻劑有空氣、冷卻水、冰和冷凍鹽水等。,5.5.1 Coolant and Heating source frequently-used,1.Consumption of Steam,2.Consumption of Coolant,5.5.2 Consumption of Coolant and Heating source,(1) 間接蒸汽加熱時(shí)的蒸汽消耗量 若以0 oC為基準(zhǔn)溫度，間接蒸汽加熱時(shí)水蒸汽的消耗量可用下式計(jì)算： (5-22) 式中W蒸汽消耗量,kg或kgh-1; Q2

32、由蒸汽傳遞給物料及設(shè)備的熱量，kJ或kJh-1; H蒸汽的焓,kJkg-1; Cp冷凝水的定壓比熱,取4.18kJkg-1oC-1; t冷凝水的溫度,0C; 熱效率。保溫設(shè)備取0.970.98; 不保溫設(shè)備取0.930.95。,1. Consumption of Steam,(2) 直接蒸汽加熱時(shí)水蒸汽的消耗量 若以0 oC為基準(zhǔn)溫度，直接蒸汽加熱時(shí)水蒸汽的消耗量可用下式計(jì)算 (5-23) 式中 tk被加熱液體的最終溫度，oC。,1. Consumption of Steam,在藥品生產(chǎn)中，水、冷凍鹽水和空氣均為常用的冷卻劑，其消耗量可用下式計(jì)算 (5-24) 式中W冷卻劑的消耗量，kg或kg

33、h-1； Cp冷卻劑的平均定壓比熱，kJkg-1oC-1； t1冷卻劑的初溫，oC； t2冷卻劑的終溫，oC。,2. Consumption of Coolant,水和空氣的定壓比熱均隨溫度而變化，但變化并不顯著。 一般情況下，水的定壓比熱可取4.18kJkg-1oC-1; 空氣的定壓比熱可取1.01kJkg-1oC-1。 氯化鈉水溶液的定壓比熱與溫度和濃度有關(guān)，如表5-5所示。,2. Consumption of Coolant,表5-5 氯化鈉水溶液的定壓比熱,2. Consumption of Coolant,燃料的消耗量可用下式計(jì)算: (5-25) 式中G燃料的消耗量,kg或kgh-1

34、; 燃燒爐的熱效率,一般燃燒爐的值可取0.30.5, 鍋爐的值可取0.60.92; Qp燃料發(fā)熱量,kJkg-1。 表5-6 幾種燃料的發(fā)熱量,5.5.3 Consumption of fuel,電能的消耗量可用下式計(jì)算: (5-26) 式中E電能的消耗量,KW.h(1kW.h=3600kJ)； 電熱裝置的熱效率,一般可取0.850.95。,5.5.4 Consumption of Electric Energy,一般情況下，壓縮空氣的消耗量均要折算成常壓(1.013105Pa)下的空氣體積或體積流量。因此，首先要計(jì)算出壓縮空氣的壓強(qiáng)以及操作狀態(tài)下的空氣體積或體積流量。,5.5.5 Consu

35、mption of Compressed air,(1) 每次操作均將設(shè)備中的液體全部壓完時(shí)的壓縮空氣消耗量 以常壓(1.013105Pa)下的空氣體積計(jì)，一次操作所需的壓縮空氣消耗量為: (5-28) 式中 Vb一次操作所需的壓縮空氣體積，m3次-1； VT設(shè)備容積，m3； P壓縮空氣在設(shè)備內(nèi)建立的壓強(qiáng)，Pa。,5.5.5 Consumption of Compressed air Liquidmaterial,若每天壓送物料的次數(shù)為n，則每天操作所需的壓縮空氣體積為: (5-29) 式中Vd每天操作所需壓縮空氣體積,m3d-1。 每小時(shí)操作所需的壓縮空氣體積為 (5-30) 式中Vh每小時(shí)

36、操作所需壓縮空氣體積,m3h-1。 每次壓送液體所持續(xù)的時(shí)間，h。,5.5.5 Consumption of Compressed air Liquidmaterial,(2) 每次操作僅將設(shè)備中的部分液體壓出時(shí)的壓縮空氣消耗量 以常壓(1.013105Pa)下的空氣體積計(jì)，一次操作所需的壓縮空氣消耗量為: (5-31) 式中 設(shè)備的裝料系數(shù)； V1每次壓送的液體體積，m3。 每天或每小時(shí)操作所需的壓縮空氣體積可分別按式(5-29)或(5-30)計(jì)算。,5.5.5 Consumption of Compressed air Liquidmaterial,以常壓(1.013105Pa)下的空氣體

37、積計(jì)，一次攪拌操作所需的壓縮空氣消耗量為: (5-33) 式中 K系數(shù)，緩和攪拌取24，中等強(qiáng)度攪拌取48，強(qiáng)烈攪拌取60； A被攪拌液體的橫截面積，m2； 一次攪拌操作持續(xù)的時(shí)間，h。 每天或每小時(shí)操作所需的壓縮空氣體積可分別按式(5-29)或(5-30)計(jì)算。,5.5.5 Consumption of Compressed air Agitating Liquid material,一次抽吸操作所需的抽氣量為: (5-34) 式中 Pk設(shè)備中的剩余壓強(qiáng)，Pa。 每天或每小時(shí)操作所需的抽氣量可分別按式(5-29)或(5-30)計(jì)算。,5.5.5 Consumption of Compress

38、ed air Sucking Liquid material,一次抽濾操作所需的抽氣量為 (5-35) 式中 C經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，可取1518； A真空過濾器的過濾面積，m2； 一次抽濾操作持續(xù)的時(shí)間，h。 每天或每小時(shí)操作所需的抽氣量可分別按式(5-29)或(5-30)計(jì)算。,5.5.5 Consumption of Compressed air Vacuum Filtration,在真空蒸發(fā)操作中，由設(shè)備、管道等的連接處漏入的空氣以及溶液中的不凝性氣體會(huì)在冷凝器內(nèi)積聚，這不僅會(huì)使被冷凝蒸汽的分壓下降，而且會(huì)導(dǎo)致冷凝器的傳熱系數(shù)顯著減小。因此，必須從冷凝器中連續(xù)抽走空氣和不凝性氣體。 在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)(P0=1.013105Pa，T0=273.15K)下，1kg水蒸汽中約含2.510-5kg的空氣。