第四章 工艺计算(热量衡算)

1、第四章 工艺计算武汉生物工程学院生物科技系 周念波TelQQ：7389418第二节 热量平衡计算一、热量衡算的意义一、热量衡算的意义1 1、通过热量衡算，计算生产过程能耗定额，进而通过热量衡算，计算生产过程能耗定额，进而计算加热剂或冷却剂的用量。计算加热剂或冷却剂的用量。2 2、计算由设备传递的热量，为设备设计提供依据。计算由设备传递的热量，为设备设计提供依据。3 3、通过热量衡算分析研究工程设计和生产操作中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。热量利用是否经济合理，以提高热量利用水平。P75二、热量衡算的依据二、热量衡算的

2、依据n1.1.依据：依据：热力学第一定律热力学第一定律。n2.2.热量衡算方程热量衡算方程Q入入=Q出出+Q损损即：输入即：输入= =输出输出+ +损失损失式中式中 Q入入输入的热量总和输入的热量总和(kJ) Q出出输出的热量总和输出的热量总和(kJ) Q损损损失的热量总和损失的热量总和(kJ) 热能可以从一个物体传热能可以从一个物体传递给另一个物体，也可以与递给另一个物体，也可以与机械能或其他能量相互转换，机械能或其他能量相互转换，在传递和转换过程中，能量在传递和转换过程中，能量的总值不变。的总值不变。n对于单元设备的热量衡算，热平衡方程可写成如对于单元设备的热量衡算，热平衡方程可写成如下形

3、式：下形式：Q入入=Q出出+Q损损Ql+Q2+Q3 = Q4+Q5+Q6+Q7+Q8式中式中 Ql各股物料带入设备的热量各股物料带入设备的热量(kJ) Q2由加热剂由加热剂(或冷却剂或冷却剂)传给设备和物料的传给设备和物料的 热量热量(kJ) Q3过程的热效应，包括生物反应热、搅过程的热效应，包括生物反应热、搅 拌热、状态热等拌热、状态热等(kJ) Q4各股物料带出设备的热量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加热或冷却设备需要的热量(kJ) Q6加热物料需要的热量加热物料需要的热量(kJ) Q7气体或蒸汽带出的热量气体或蒸汽带出的热量(kJ) Q8损失的热量，如设备向

4、环境散失的热量损失的热量，如设备向环境散失的热量(kJ)P76Ql+Q2+Q3 = Q4+Q5+Q7+Q8式中式中 Q1各股物料带入设备的热量各股物料带入设备的热量(kJ) Q2由加热剂由加热剂(或冷却剂或冷却剂)传给设备和物料的传给设备和物料的 热量热量(kJ) Q3过程的热效应，包括生物反应热、搅过程的热效应，包括生物反应热、搅 拌热、状态热等拌热、状态热等(kJ) Q4各股物料带出设备的热量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加热或冷却设备需要的热量(kJ) Q7气体或蒸汽带出的热量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损失的热量，如

5、设备向环境散失的热量(kJ)n注意：注意： 对具体的单元设备，上述的对具体的单元设备，上述的Q1至至Q8各项热量各项热量不一定都存不一定都存在在，故进行热量衡算时，必须根据具体情况进行具体分析。，故进行热量衡算时，必须根据具体情况进行具体分析。 计算时，对于一些计算时，对于一些量小量小，比率小比率小的热量可以的热量可以略去不计略去不计，以简化计算。以简化计算。P76三、热量衡算的一般步骤三、热量衡算的一般步骤1.1.绘制出物料流程图绘制出物料流程图2.2.确定热量平衡范围确定热量平衡范围体系体系进入热量之和进入热量之和离开热量之和离开热量之和一种是对单元设备做热量衡算；一种是对单元设备做热量衡

6、算；另一种是对整个过程的热量衡算。另一种是对整个过程的热量衡算。3.3.搜集数据搜集数据（1 1）设计条件规定的有关工艺操作数据，如）设计条件规定的有关工艺操作数据，如温度温度、压力压力等。等。（2 2）涉及热量衡算的各股物料的）涉及热量衡算的各股物料的量及组成量及组成。（3 3）有关的物化数据，如）有关的物化数据，如比热容比热容、焓变焓变、汽汽化热化热、冷凝热冷凝热等。等。4.4.选定计算基准选定计算基准（1 1）物料数量上的基准物料数量上的基准：与物料衡算所选：与物料衡算所选定的基准量相一致。定的基准量相一致。（2 2）温度的基准温度的基准：通常取：通常取00为基准温度，为基准温度，可简化

7、计算。可简化计算。P765.5.列出热量衡算方程式，进行具体的热量衡算列出热量衡算方程式，进行具体的热量衡算Ql+Q2+Q3 = Q4+Q5+Q7+Q8n各项热量的计算：各项热量的计算：物料带入的热量物料带入的热量Q1和带出的热量和带出的热量Q4 Q = mct mm物料质量物料质量(kg)(kg)cc物料比热容物料比热容kJ/(kgK)kJ/(kgK)tt物料进入或离开设备的温度物料进入或离开设备的温度( )( )P76由加热剂或冷却剂传给设备和物料的热量由加热剂或冷却剂传给设备和物料的热量Q Q2 2Ql+Q2+Q3 = Q4+Q5+Q7+Q8待求量待求量Q = m Hm = Q （h-i

8、） H焓变焓变h蒸汽的焓，蒸汽的焓，KJ/kgi相应冷凝水的焓，相应冷凝水的焓，KJ/kg蒸汽的热效率蒸汽的热效率过程热效应过程热效应Q3Q3 = Q生物热生物热 + Q搅拌热搅拌热 + Q状态热状态热Q生物热生物热：可测：可测Q状态热状态热：可查阅手册：可查阅手册Q搅拌热搅拌热 = 3600 P（KJ） P搅拌功率搅拌功率(kW)，搅拌过程功热转化率，通常搅拌过程功热转化率，通常=92Ql+Q2+Q3 = Q4+Q5+Q7+Q8加热设备耗热量加热设备耗热量Q5 Q5 = mc（t2-t1） 式中式中 m设备总质量设备总质量(kg) c设备材料比热容，设备材料比热容，kJ(kgK) t1 、t

9、2设备加热前后的平均温设备加热前后的平均温 ()Ql+Q2+Q3 = Q4+Q5+Q7+Q8P76 气体或蒸汽带出的热量气体或蒸汽带出的热量Q7 Q7 =(mct + mr)式中式中 m离开设备的气态物料量离开设备的气态物料量 (如空气、如空气、CO2等等) (kg) c液态物料由液态物料由0升温至蒸发温升温至蒸发温 度的平均比热容，度的平均比热容， kJ/(kgK) t气态物料温度气态物料温度() r蒸发潜热蒸发潜热(kJ/kg)Ql+Q2+Q3 = Q4+Q5+Q7+Q8设备向环境散热的热量设备向环境散热的热量Q8 Q8 = Aa aT(tw-ta) 式中式中 A设备总表面积设备总表面积(

10、m2) aT壁面对空气的联合给热系数壁面对空气的联合给热系数 W/(m2) tw壁面温度壁面温度() ta环境空气温度环境空气温度() 操作过程时间操作过程时间(s)Ql+Q2+Q3 = Q4+Q5+Q7+Q8 aT 的计算：的计算： 空气作自然对流，空气作自然对流， a aT T =8+0.05 =8+0.05t tW W 强制对流时强制对流时( (空气流速空气流速w w=5m/s): =5m/s): a aT T =5.3+3.6 =5.3+3.6w w 或或a aT T =6.7 =6.7w w0.78 0.78 ( (w w5m/s)5m/s)对于单元设备的热量衡算，热平衡方程可写成如

11、下形式：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式中式中 Ql各股物料带入设备的热量各股物料带入设备的热量(kJ) Q2由加热剂由加热剂(或冷却剂或冷却剂)传给设备和物料的传给设备和物料的 热量热量(kJ) Q3过程的热效应，包括生物反应热、搅过程的热效应，包括生物反应热、搅 拌热、状态热等拌热、状态热等(kJ) Q4各股物料带出设备的热量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加热或冷却设备需要的热量(kJ) Q7气体或蒸汽带出的热量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损失的热量，如设备

12、向环境散失的热量(kJ)年产年产6000吨大豆分离蛋白车间热量衡算吨大豆分离蛋白车间热量衡算 热水罐内热水热水罐内热水 灭菌用蒸汽灭菌用蒸汽 闪蒸闪蒸 喷雾干燥喷雾干燥需要进行热量平衡计算的操作单元：需要进行热量平衡计算的操作单元：闪蒸闪蒸喷雾干燥喷雾干燥成品成品包装包装中和灌中和灌灭菌灭菌离心机离心机水、碱液萃取灌萃取灌原料豆原料豆粕粕粉粉酸沉灌酸沉灌离心机离心机碱液碱性蛋碱性蛋白溶液白溶液2540年产年产6000吨大豆分离蛋白车间总热量衡算吨大豆分离蛋白车间总热量衡算 140140651、热水、热水 n热量计算（热量计算（以以1吨蛋白粉为基准吨蛋白粉为基准） 水温取平均值水温取平均值25，

13、浸提温度，浸提温度3070。计算时取。计算时取40，比热容取比热容取4.2kJ/kg。所需热量由所需热量由Q=mct得：得： Q=23.71034.2（40-25）=1.5106（kJ）故消耗蒸汽量为：故消耗蒸汽量为：使用表压为使用表压为0.21MPa的饱和蒸汽的饱和蒸汽m=1.5106/（2725.5 -563.44）95% =770.9（kg） =0.77（t）闪蒸闪蒸喷雾干燥喷雾干燥成品成品包装包装中和灌中和灌灭菌灭菌离心机离心机水、碱液萃取灌萃取灌原料豆原料豆粕粕粉粉酸沉灌酸沉灌离心机离心机碱液碱性蛋碱性蛋白溶液白溶液254014014065项目项目1 1吨吨1 1批（批（0.70.7

14、吨）吨）60006000吨吨原料豆粕量原料豆粕量质量（质量（t t）2.372.371.661.661422014220体积（体积（m m3 3）3.163.162.212.211896018960原料豆粕加水量（原料豆粕加水量（t t）23.723.716.6016.60142200142200鲜豆渣质量（鲜豆渣质量（t t）2.962.962.082.081776017760碱性蛋白溶液碱性蛋白溶液质量（质量（t t）23.1123.1116.1816.18138660138660体积（体积（m m3 3）22.722.715.9015.90136200136200乳清水量乳清水量质量（质

15、量（t t）21.4921.4915.0415.04128940128940体积（体积（m m3 3）21.4921.4915.0415.04128940128940调浆中和加水量（调浆中和加水量（t t）4.584.583.213.212748027480中性蛋白溶液中性蛋白溶液质量（质量（t t）6.256.254.384.383750037500体积（体积（m m3 3）5.875.874.114.113519635196总耗水量（总耗水量（t t）28.2828.2819.8119.81169680169680烧碱消耗量（烧碱消耗量（kgkg）29.3329.3320.5320.531

16、75980175980盐酸消耗量（盐酸消耗量（L L）44.544.531.1531.15267000267000消泡剂耗量（消泡剂耗量（kgkg）0.340.340.240.2420402040闪蒸闪蒸喷雾干燥喷雾干燥成品成品包装包装中和灌中和灌灭菌灭菌离心机离心机水、碱液萃取灌萃取灌原料豆原料豆粕粕粉粉酸沉灌酸沉灌离心机离心机碱液碱性蛋碱性蛋白溶液白溶液2540140140652、灭菌过程、灭菌过程 2、灭菌过程、灭菌过程 灭菌过程温度控制在灭菌过程温度控制在140左右，在左右，在1015S内瞬时灭菌，内瞬时灭菌，中性蛋白质溶液浓度为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，

17、。此时比热取牛乳比热为近似比热，牛乳比热为牛乳比热为3.84.02kJ/kg，查，查乳品工业手册乳品工业手册取取4.0 kJ/kg。 Q2=6.25 103 4.0 (140-25)=2.875106（kJ） 加热蒸汽表压取加热蒸汽表压取0.9MPa，对应饱和蒸汽温度为，对应饱和蒸汽温度为179，饱和，饱和蒸汽热焓为蒸汽热焓为=2776.57kJ/kg， 140冷凝水焓为冷凝水焓为589.81kJ/kg (以上以上数据查自数据查自化工原理化工原理上册和上册和乳品工业手册乳品工业手册)。m=2.875106/(2776.57-589.81) 95%=1383.93（kg）=1.38（t）故蒸汽消

18、耗量为：故蒸汽消耗量为：闪蒸闪蒸喷雾干燥喷雾干燥成品成品包装包装中和灌中和灌灭菌灭菌离心机离心机水、碱液萃取灌萃取灌原料豆原料豆粕粕粉粉酸沉灌酸沉灌离心机离心机碱液碱性蛋碱性蛋白溶液白溶液2540140140653、闪蒸、闪蒸 3、闪蒸、闪蒸 闪蒸罐内二次蒸汽产生量闪蒸罐内二次蒸汽产生量进入闪蒸罐的液体质量：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真空冷却前后，蛋白质溶液温度分别为140和和65，蛋白，蛋白溶液比热如前，取溶液比热如前，取4.0kJ/kg 。 水蒸汽水蒸汽65时热焓为时热焓为2615.6kJ/kg故二次蒸汽产生量：故二次蒸

19、汽产生量：故进入干燥塔溶液质量为：故进入干燥塔溶液质量为：m=7.63-0.9717=6.66 tm =7.631034.0（140-65）2615.6 - 4.0 65= 971.7(kg)4、喷雾干燥、喷雾干燥 蒸汽消耗量为：蒸汽消耗量为：10.5 t年产年产100 000t/a啤酒厂糖化车间热量衡算啤酒厂糖化车间热量衡算 本章小结：本章小结：第四章第四章 工艺计算工艺计算（定性（定性定量）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物料消耗定额热量消耗定额热量消耗定额质量守恒定律质量守恒定律热力学第一定律热力学第一定律m=mp+mtQ入入=Q出出+Q损损3类基准类基准物料基准、温度基准物料基准、温度基准（1）工艺流程示意图（物料流程图）工艺流程示意图（物料流程图）（2）搜集数据）搜集数据（3）确定衡算范围）确定衡算范围