蒸汽热量衡算

热量衡算

热量衡算1计算方法与原则1.1热量衡算的目的及意义热量衡算的主要目的是为了确定设备的热负荷。

根据设备热负荷的大小、所处理物料的性质及工艺要求再选择传热面的形式、计算传热面积、确定设备的主要工艺尺寸。

传热所需的加热剂或冷却剂的用量也是以热负荷的大小为依据而进行计算的。

1.2热量衡算的依据及必要条件热量衡算的主要依据是能量守恒定律，其数学表达式为Q1+ Q2+Q3=Q4+Q5+Q6 式1其中：Q1——物料带入到设备的热量，kJQ2——加热剂或冷却剂传给设备和所处理物料的热量，kJQ3——过程热效应，kJQ4——物料离开设备所消耗的热量，kJQ5——加热或冷却设备所消耗的热量，kJQ6——设备向环境散失的热量，kJQ1（Q4）=Σ mC P(t2- t0) kJ式2m——输入或输出设备的物料质量，kgC P——物料的平均比热容，kJ/(kg•℃)t2——物料的温度，℃t0——基准温度，℃Q5=Σ C P M (t2-t1) kJ式3M——设备各部件的质量，kgC P——设备各部件的比热容，kJ/(kg•℃)t1——设备各部件的初始温度，℃t——设备各部件的最终温度，℃2Q5+Q6=10%Q总式4热量衡算是在车间物料衡算的结果基础上而进行的，因此，车间物料衡算表是进行车间热量衡算的首要条件。

其次还必须收集有关物质的热力学数据，例如比热容，相变热，反应热等。

本设计还将涉及到的所有物料的热力学数据汇总成表4，以便于后期的计算。

1.3热量衡算基准因为物料衡算计算的是各个岗位的天处理量，所以热量衡算计算的也是某个设备天换热介质消耗量，同时温度基准采用的是0℃做基准。

当然，进行传热面积校核时，是根据批处理量计算。

2全车间物料热力学数据的估算2.1所用纯化合物比热的推算0i i pMc n C ∑=式 5式中M ——化合物分子量；n i ——分子中同种元素原子数； c i ——元素的原子比热容，kJ/(kg•℃)查《制药工程工艺设计》P111，得到原子的摩尔热容相关数据，见表1表1 元素原子的摩尔热容单位：kcal/( kmol•℃)(当物质为固体时，各原子的C a 取值近似值）原子 C a 原子 C a 原子 C a 碳C 2.8 氧O 6.0 氮N 2.6 氢H4.3硫S7.4其他8.0(当物质为液体时，各原子的C a 取值近似值）而在实际生产的过程中遇到的物质大多是混合物，极少数的混合物有实验测定的热容数据，一般都是根据混合物内各种物质的热容和组成进行推算的，其中杂质的含量极少，热效应可以忽略不计。

2010热量衡算数据

TR—对比温度（实际温度与临界温度之比值）； TC—临界温度 K。液体在沸点下的汽化热可按下式计算：
（1—12）
qvb =Tb·（39.8lgTb－0.029Tb）/M kJ/kg 式中 Tb—液体的沸点 K；
M—液体的分子量。
（1—13）
3、熔融热的计算
不同物质的熔融热可根据以下公式求出：
元
素
qF =（8.4～12.6）TF
热量衡算中，过程热效应 Q3 的符号为：放热为正；吸热为负。（1）、学反应热 QR 为计算各种温度下的反应热，规定当反应温度为 298K 及标准大气压时反应热的数值
为标准反应热，习惯上用 ΔH°表示，负值表示放热，正值表示吸热。这与在热量衡算中所规定的符号正好相反，为避免出错，现用符号 q○r 表示标准反应热，放热为正，吸热为负，则 q。r =－ΔH°。
2）、燃烧需氧原子数法标准燃烧热
里查德认为：有机化合物的燃烧热与完全燃烧该有机化合物所需的氧原子数成直线
关系。即：
q°c =∑a＋x∑b kJ/mol
（1—19）
式中 a、b—常数，与化合物结构相关，其值见《药厂反应设备及车间工艺设计》（P213～217
表 6—6 和表 6—7）；
X—化合物完全燃烧时所需的氧原子数。
无机化合物
qF =（20.9～29.3）TF
有机化合物
qF =（37.7～46.0）TF
其中：qF —— 熔融热 J/mol；
TF —— 熔点 K。
（1—14）（1—15）（1—16）
5
4、溶解热的计算
气态溶质的溶解热可取蒸发潜热的负值；固态溶质的溶解热则近似可取其熔融热的值。
5、浓度变化热效应的计算
由无限稀释热可以求出浓度变化的热效应。本设计涉及到氢氧化钠、盐酸的水溶液浓

第二节热量平衡计算

3．热损失米醪升温和第一次煮沸过程的热损失约为前二次耗热量的15%，即： Q Q Q 2 =15%（ 2 + 2 ） 4．由上述结果得： Q2=1.15( Q 2 +Q 2) =2088898(kJ)
（三）第二次煮沸前混合醪升温至70℃的耗热量Q3 按糖化工艺，来自糊化锅的煮沸的米醪与糖化锅中的麦醪混合后温度应为 63℃，故混合前米醪先从100℃冷却到中间温度t。
=3.63„kJ/(kg· K)‟
混合醪比热容：
c混合 G 麦醪 c麦醪 G 米醪 c米醪 G 混合
=3.67„kJ/(kg· K)‟
（4）故Q4=26.7%G混合C混合（100-70） =559860（kJ）
2．二次煮沸过程蒸汽带走的热量Q4 煮沸时间为10min，蒸发强度5%，则蒸发水分量为： V2=26.7%G混合5%1060 =42.4(kg) 故Q4=IV2=2257.242.4 =95705.3(kJ) 式中，I为煮沸温度下饱和蒸汽的焓（kJ/kg）。
（ 5）设备向环境散热Q8为了简化计算，假定设备壁面的温度是相同的，则： Q8=FT（tw-ta）式中 F——设备总表面积（m2） T——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（℃） ——操作过程时间（s） T的计算： ① 空气作自然对流，T=8+0.05tw ② 强制对流时，T=5.3+3.6W（空气流速W=5m/s）或T=6.7W0.78（W>5m/s）
二、计算实例（3000t/a啤酒厂糖化车间热量衡算）
二次煮出糖化法是啤酒生产常用的糖化工艺，下面就以此工艺为基准进行糖化车间的热量衡算。工艺流程示意图如图5-6所示，其中的投料量为糖化一次的用量（计算参考本章第一节表5-7）。

热量衡算

热量衡算与热交换计算热量衡算与热交换计算一、热量衡算传热计算根据总传热方程进行：Q=KA△tm对于一个热交换器，传热计算的内容有两种，一为设计计算，即根据给定的传热量，确定热交换器的几何尺寸和结构参数；二为校核计算，即对某些热交换器，根据它的尺寸和结构进行校核，看其能否满足传热量的要求。

这两种计算的关键都在于传热面积是否合适，计算的基本依据是总传热方程以及与之相关的热量衡算式，在第四节中，已对总传热方程进行了较为详细的讨论，下面介绍热交换中的热量衡算式。

当热损失为零时，对热交换器作热量衡算可得到单位时间的传热量，此传热量又叫热负荷，即式3-20中的传热速率Q。

热负荷分为两种，即工艺热负荷和设备热负荷，工艺热负荷是指工艺上要求的在单位时间内需要对物料加入或取出的热量，用QL表示，单位为W。

设备热负荷是热交换器所具备的换热能力，所以设备热负荷也就是热交换器的传热速率Q。

当热损失不可忽略时，为满足工艺要求，Q应大于QL。

由热量衡算得到的是工艺热负荷QL。

如果流体不发生相变化，比热取平均温度下的比热，则有：QL=whcph(T1-T2)=wccpc(t2-t1) ( 3-29)式中w----流体的质量流量，kg/s；cp----流体的平均定压比热，kJ/(kg•K);T----热流体温度，K；t----冷流体温度，K；（下标h和c分别表示热流体和冷流体，下标1和2表示热交换器的进口和出口）式3-29是热交换器的热量衡算式，也称为热平衡方程。

若流体在换热过程中有相变，例如饱和蒸汽冷凝成同温度冷凝液时，则有：QL=whr=wccpc(t2-t1) (3-30)式中wh----饱和蒸汽的冷凝速率，kg/s；r----饱和蒸汽的冷凝潜热，kJ/kg；当饱和蒸汽在热交换器中冷凝后，冷凝液液温度继续下降到T2,两部分热量（即潜热和显热）要加起来计算，这时：QL=wh[r+cph(Ts-T2)]=wccpc(t2-t1)式中cph-----冷凝液的比热，kJ/kg•K；Ts------冷凝液饱和温度，K。

热量计算

热量计算二、热量衡算1.热量示意图（略）2.加热介质的选择常用的加热剂有饱和水蒸气和烟道气，饱和水蒸汽是一种应用最广的加热剂。

由于饱和水蒸汽冷凝时传热系数很高，可以通过改变蒸汽压力准确的控制加热温度。

燃料燃烧所排放的烟道气温度可达100~1000℃，使用与高温加热。

烟道气的缺点是热容和传热系数很低，加热温度控制困难。

本设计选用300KPa 温度为13.3℃的饱和水蒸汽做加热介质，水蒸气易获得，清洁，不易腐蚀加热管不但成本会相应降低，塔结构也不复杂。

3.冷却剂选择常用的冷却剂是水和空气，应因地制宜的加以选用。

4.热量衡算（1）冷凝器热负荷 (1)()C VD LD Q R D I I =+-式中VD I --------塔顶上升蒸汽的焓 LDI ---------塔底馏出液的焓+1- DV D V VD LD I I HH χχ⎛⎫-=∆∆ ⎪⎝⎭乙水式中V H∆乙---------乙醇的蒸发潜热V H∆水---------水的蒸发潜热蒸发潜热计算蒸发潜热与温度的关系210.38r21-T 1-1V V H H T r ⎛⎫ ⎪⎪∆=∆ ⎪⎪⎝⎭式中rT---------对比温度沸点下蒸发潜热列表78.4℃时乙醇 2r2rT 273.1578.17T 0.6805516.25T+===1r1rT 273.1578.4T 0.6809516.25T+===20.381-0.6805853.97854.3771-0.6809V H ⎛⎫∆=⨯= ⎪⎝⎭同理对于水2r2rT 273.1578.17T 0.542648.15T+===1r1rT 273.15100T 0.576648.15T+===0.381-0.54222572324.1351-0.576V H ⎛⎫∆=⨯= ⎪⎝⎭水项目沸点/ △Hv(Kj/Kg) 分子量临界温度Tc/K 乙醇A 78.4 853.97 46.07 516.25 水B100225718.02648.15所以 +1- DV D V VD LD I I HH χχ⎛⎫-=∆∆ ⎪⎝⎭乙水 =0.8814×854.377+（1-0.8814）×2324.135=1028.69/kJ kg7(1) =(5.31)1028.69 =2.410/C VD LD Q R D I I kJ h=+-+⨯⨯‘（）（2）冷却水消耗量21()CC pc Q W c t t =-式中CW --------冷却水消耗量C Q ---------冷却介质在平均温度下的热容1t 2t ---------冷却介质在冷凝器进出口处的温度此温度下冷却水的热容4.25/pc c kJ kg C =⋅º所以 7521 2.6310 5.6510/() 4.25(13551)C C pc Q W kg h c t t ⨯===⨯-⨯-（3）加热器热负荷及全塔热量衡算列表计算乙醇、水在不同温度下混合物的热容Cp塔顶流出液的热容1p c =3.203×0.95＋4.207×0.05＝3.253kj／﹙kg ·℃﹚塔釜流出液的热容2p c =3.049×0.05＋4.147×0.95＝4.140kj ／﹙kg ·℃﹚进行转化 D=3626.1/kg hW=13733.40/kg h()1dt=3626.1 3.25378.17-87.41108992.30/DD p Ft Q D c kg ht =⎰⨯⨯=-()15dt=13733.40 4.14099.82-87.417.0610/W p W Ft Q W c kg h t =⎰⨯⨯=⨯对精馏塔的进口进行热量衡算Q F + Q S = Q D + Q W + Q CQ F = 0Q S =72.410/kJ h⨯+ 57.0610/kg h ⨯ -108992.30/kg h=2.47710/kJ h⨯η=0.9 Q S 1 = Q S /η=2.74710/kJ h ⨯Q S 1 ---------加热器实际热负荷 Q S ---------加热器理想热负荷 Q D ---------塔顶馏出液带出热量 Q W ---------塔底馏出液带出热量查的 △Hv 水蒸气 = 21681.1 Kj/Kg 加热蒸汽消耗量 Wh =Q S 1 / △Hv水蒸气 =2.74710⨯ /21681.1 =12637.8 /kg h冷凝器设计本设计采用冷凝器中立回流直立或管壳式冷凝器原理，对于蒸馏塔的冷凝器，一般选用列管式、空冷凝螺旋板式换热器。

热量衡算

热量衡算1计算方法与原则1.1热量衡算的目的及意义热量衡算的主要目的是为了确定设备的热负荷。

根据设备热负荷的大小、所处理物料的性质及工艺要求再选择传热面的形式、计算传热面积、确定设备的主要工艺尺寸。

传热所需的加热剂或冷却剂的用量也是以热负荷的大小为依据而进行计算的。

1.2热量衡算的依据及必要条件热量衡算的主要依据是能量守恒定律，其数学表达式为Q1+ Q2+Q3=Q4+Q5+Q6 式1其中：Q1——物料带入到设备的热量，kJQ2——加热剂或冷却剂传给设备和所处理物料的热量，kJQ3——过程热效应，kJQ4——物料离开设备所消耗的热量，kJQ5——加热或冷却设备所消耗的热量，kJQ6——设备向环境散失的热量，kJQ1（Q4）=Σ mC P(t2- t0) kJ式2m——输入或输出设备的物料质量，kgC P——物料的平均比热容，kJ/(kg•℃)t2——物料的温度，℃t0——基准温度，℃Q5=Σ C P M (t2-t1) kJ式3M——设备各部件的质量，kgC P——设备各部件的比热容，kJ/(kg•℃)t1——设备各部件的初始温度，℃t——设备各部件的最终温度，℃2Q5+Q6=10%Q总式4热量衡算是在车间物料衡算的结果基础上而进行的，因此，车间物料衡算表是进行车间热量衡算的首要条件。

其次还必须收集有关物质的热力学数据，例如比热容，相变热，反应热等。

本设计还将涉及到的所有物料的热力学数据汇总成表4，以便于后期的计算。

1.3热量衡算基准因为物料衡算计算的是各个岗位的天处理量，所以热量衡算计算的也是某个设备天换热介质消耗量，同时温度基准采用的是0℃做基准。

当然，进行传热面积校核时，是根据批处理量计算。

2全车间物料热力学数据的估算2.1所用纯化合物比热的推算0i i pMc n C ∑=式 5式中M ——化合物分子量；n i ——分子中同种元素原子数； c i ——元素的原子比热容，kJ/(kg•℃)查《制药工程工艺设计》P111，得到原子的摩尔热容相关数据，见表1表1 元素原子的摩尔热容单位：kcal/( kmol•℃)(当物质为固体时，各原子的C a 取值近似值）原子 C a 原子 C a 原子 C a 碳C 2.8 氧O 6.0 氮N 2.6 氢H4.3硫S7.4其他8.0(当物质为液体时，各原子的C a 取值近似值）而在实际生产的过程中遇到的物质大多是混合物，极少数的混合物有实验测定的热容数据，一般都是根据混合物内各种物质的热容和组成进行推算的，其中杂质的含量极少，热效应可以忽略不计。

第二节热量平衡计算.

V3=2401010%1.5=3601.5(kg) 故Q6=2257.23601.5=8129306(kJ) 3．热损失为
Q6=15%(Q6+Q6) 4．把上述结果代码（5-17）式可得出麦汁煮沸
总耗热
Q6=115%(Q6+Q6) =12537830(kJ)
（七）糖化一次6 总耗热量Q总
Q总 Qi 21043661 (kJ) i1
=3.67〔kJ/(kg·K)〕
（4）故Q4=26.7%G混合C混合（100-70） =559860（kJ）
2．二次煮沸过程蒸汽带走的热量Q4 煮沸时间为10min，蒸发强度5%，则蒸发水分量为：
V2=26.7%G混合5%1060 =42.4(kg)
故Q4=IV2=2257.242.4 =95705.3(kJ)
4．确定合适的计算基准
在热量衡算中，取不同的基准温度，算出的（5-8）式中各项数据就不同。所以必须选准一个设计温度，且每一物料的进出口基准态必须一致。通常，取0℃为基准温度可简化计算。
此外，为使计算方便、准确，可灵活选取适当的基准，如按100kg原料或成品、每小时或每批次处理量等作基准进行计算。
5．进行具体的热量计算（1）物量带入的热量Q1和带出热量Q4可按下式
计算，即： Q=ΣGct
式中 G——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（℃）
（2）过程热效应Q3 过程的热效应主要有生物合成热QB、搅拌热QS和状态热（例如汽化热、溶解热、结晶热等）：
=4680041(kJ)
（六）麦汁煮沸过程耗热量Q6 Q6=Q6+Q6+Q3
1．麦汁升温至沸点耗热量Q6 2．煮沸过程蒸发耗热量Q6 3．热损失 Q3

蒸汽热量衡算日产3tMnSO4.H2O 蒸发水所需的热量Q C m t =∆水的比热容：34.210/=4.2/J kg kJ kg ⨯℃℃① 从40℃升至100℃所需的热量：=4.2/k /Q C m t kJ kg g kJ =∆⨯⨯⨯⨯⨯3336℃(110m 7m )(100-40)℃=1.76410 ② 100℃水汽化所需的热量2260/k /Q kJ kg g kJ =⨯⨯⨯⨯3337(110m 7m )=1.58210③ 出来时为水：0.50MPa 时，饱和蒸汽温度：151.86KJ/kg180℃时，过热水蒸汽焓值：2812.5KJ/kg进入的蒸汽变水的热量：(1kg) 0.5MPa开始：180℃时，Q=2812.5KJ151.86℃时，Q=2748.1KJ(汽态)640.09(液态)0.5MPa ，151.86℃的水汽化热：2748.1-640.09=2108.01KJ则进入反应斧的每kg 蒸汽放热为：2812.5-640.09=2171.6KJ 生产日需蒸汽量为：71.5810/2171.6/7.26kJ kJ kg t ⨯=④ 出来时为蒸汽蒸汽温度为：151.86℃0.5MPa ，151.86℃饱和蒸汽的焓值：2748.1KJ/kg那么，蒸汽从180℃降至151.86℃时的焓值变化为：2812.5KJ/kg -2748.1KJ/kg=64.4KJ/kg此即为进入斧的每kg 蒸汽放热：64.4KJ则生产日需蒸汽量为：71.5810/64.4/245.34kJ kJ kg t ⨯=⑤ 蒸汽降温所需水量：初始蒸汽：0.5MPa，温度：370℃，过热水蒸汽焓值：3210.75KJ/kg 降温后蒸汽：0.5MPa，温度：180℃，过热水蒸汽焓值：2812.5KJ/kg 假定水温从30℃升至100℃，吸收热量为(/kg)=∆⨯⨯℃170℃=Q C m t kJ kg g kJ=4.2/k294每kg蒸汽从370℃降温至180℃所需水量为：(3210.75-2812.5)/294=1.35kg。

蒸汽热量衡算

热量衡算

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第二节 热量平衡计算

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