制药工程工艺设计第05章课件

1、CHAPTER 5能量衡算 ENERGY BALANCE15.1 Introduction 工艺流程示意图物料衡算工艺设备选型与设计、车间布置设计、管道设计根据物料衡算结果，将工艺流程示意图进一步深化，绘制出物料流程图。无热效应5.1 Introduction5.1 Introduction 工艺流程示意图物料衡算能量衡算工艺设备选型与设计、车间布置设计、管道设计根据能量衡算结果，确定设备的主要工艺尺寸，将工艺流程示意图进一步深化。有热效应5.1 Introduction能量衡算目的：确定设备或装置的热负荷。5.1 Introduction 能量衡算意义：在能量衡算范围之内,寻找能量利用的薄弱

2、环节,为完善能源管理、制定节能措施、降低单位能耗提供可靠的依据。能量衡算依据：物料衡算结果，能量衡算收集的有关物料的热力学数据。 定压比热、相变热、反应热等能量衡算理论基础：热力学第一定律（能量守恒定律）。常见的能量表现形式：内能、动能、势能、热能和功等。在药品生产中，热能是最常见的能量表现形式， 能量衡算可简化为热量衡算。5.1 Introduction 热量平衡方程式 根据输入系统的热量与离开系统的热量应平衡：5.2.1 Energy balance Equations内能、动能、势能的变化量可以忽略Q1物料带入设备的热量，kJ；Q2加热剂或冷却剂传给设备及所处理物料的热量， kJ，即设备

3、的热负荷；Q3过程的热效应，kJ；Q4物料带出设备的热量，kJ；Q5加热或冷却设备所消耗的热量或冷量，kJ；Q6设备向环境散失的热量，kJ。 5.2.1 Energy balance Equations (1) 计算基准Criterion of Calculation(2) Q1或Q2的计算Calculations of Q1 or Q4 (3) Q3的计算Calculation of Q3 (4) Q5的计算Calculation of Q5 (5) Q6的计算Calculation Q6 5.2.2 Calculations of various energy 计算基准（1）0oC和1.0

4、13105 Pa（2）25oC和1.013105Pa（有反应的过程） (1) Criterion of Calculation Q1或Q4的计算 G输入或输出设备的物料量，kg； t0基准温度，0C； t2物料的实际温度，0C； Cp物料的定压比热，kJkg-1oC-1。 (2) Calculations of Q1 or Q4 无相变，物料含显热 若已知物料在所涉及温度范围内的平均定压比热，则式可简化为 式中Cp物料在(t0t2)oC范围内的平均定压比热，kJkg-1 oC-1。(2) Calculations of Q1 or Q4 Q3的计算过程的热效应：物理变化热和化学变化热 Qp物理

5、变化热，kJ； Qc化学变化热，kJ。 (3) Calculations of Q3 Q5的计算稳态操作： 非稳态操作，如开车、停车以及各种间歇操作过程：G设备各部件的质量，kg；Cp设备各部件材料的平均定压比热，kJkg-1oC-1；t1设备各部件的初始温度，oC；t2设备各部件的最终温度，oC。 Q5的数值一般较小，常可忽略不计。(4) Calculations of Q5 Q6的计算T对流-辐射联合传热系数,Wm-2oC-1；AW与周围介质直接接触的设备外表面积，m2；tW与周围介质直接接触的设备外表面温度，oC；t周围介质的温度，oC；散热过程持续的时间，s。(5) Calculati

6、ons of Q6 设备向环境散失的热量保温层的设备、管道，其外壁向周围介质散热的联合传热系数可用下列经验公式估算。 (1) 空气在保温层外作自然对流,且 在平壁保温层外，T可按下式估算 在圆筒壁保温层外，T可按下式估算 (5) Calculations of Q6 (2) 空气沿粗糙壁面作强制对流 当空气流速不大于5ms-1时，T可按下式估算式中 u空气流速，ms-1。 当空气速度大于5ms-1时，T可按下式估算 (3) 对于室内操作的釜式反应器，T的数值可近似取为10 Wm-2oC-1。(5) Calculations of Q6 衡算方法和步骤(1) 明确衡算目的，如通过热量衡算确定某设

7、备或装置的热负荷、加热剂或冷却剂的消耗量等数据。(2) 明确衡算对象，划定衡算范围，并绘出热量衡算示意图。为了计算方便，常结合物料衡算结果，将进出衡算范围的各股物料的数量、组成和温度等数据标在热量衡算示意图中。5.2.3 Methods and Approaches (3) 收集与热量衡算有关的热力学数据，如定压比热、相变热、反应热等。 (4) 选定衡算基准。 (5) 列出热量平衡方程式，进行热量衡算。 (6) 编制热量平衡表。5.2.3 Methods and Approaches 物理变化热是指物料的状态或浓度发生变化时所产生的热效应，常见的有相变热和浓度变化热。1.相变热 Thermal

8、 of Phase transition 2.浓度变化热 Thermal of Concentration change 5.3.1 Thermal in Physical Changes 相变热 恒温恒压下相变过程产生的热效应。相变热是潜热吸热过程，相变热为负值；放热过程，相变热为正值各种纯化合物的相变热可从有关手册、文献中查得,但应注意相变热的单位及正负号。 5.3.1 Thermal in Physical Changes 某些物质在水溶液中的浓度变化热可直接从有关手册或资料中查得，也可根据溶解热或稀释热的数据来计算。(1) 积分溶解热 Integral heat of solution

9、 (2) 积分稀释热 Integral heat of Dilution2. Thermal of Concentration change 积分溶解热（溶解热Hs）定义：恒温恒压下，将1摩尔溶质溶解于n摩尔溶剂中，该过程所产生的热效应。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。(1) Integral heat of solution 表5-1 25 oC时，H2SO4水溶液的积分溶解热H2O摩尔数n/mol积分溶解热Hs/kJmol-1H2O摩尔数n/mol积分溶解热Hs/kJmol-10.515.745073.391.028.0910074.02241.9520074.9934

10、9.0350076.79454.09100078.63558.07500084.49660.791000087.13864.6410000093.701067.0750000095.382572.3596.25注：表中积分溶解热的符号规定为放热为正、吸热为负。(1) Integral heat of solution 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HsSO3溶于水形成硫酸的积分溶解热，kJ(kg H2O)-1；m以SO3计，硫酸的质量分率；t操作温度，0C。(1) Integral

11、 heat of solution 硝酸的积分溶解热可用下式估算 Hs硝酸的积分溶解热，kJ(mol HNO3)-1； n溶解1mol HNO3的H2O的摩尔数，mol。 (1) Integral heat of solution 盐酸的积分溶解热可用下式估算 Hs盐酸的积分溶解热，kJ(mol HCl)-1； n溶解1mol HCl的H2O的摩尔数，mol。(1) Integral heat of solution 积分稀释热（稀释热Qp）定义：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。稀释热与溶解热关系：当溶液由一种浓度稀释至另一种浓度时，Qp=

12、 Hs1- Hs2(2) Integral heat of dilution 例:向由1mol H2SO4和1mol H2O组成的溶液中加入5mol水进行稀释,计算该过程的积分稀释热。 解：由表5-1可知，1mol H2SO4和6mol H2O组成的H2SO4水溶液的积分溶解热为60.79 kJmol-1，1mol H2SO4和1mol H2O组成的H2SO4水溶液的积分溶解热为28.09 kJmol-1。上述稀释过程的浓度变化热或积分稀释热为：Qp(2) Integral heat of dilution 表5-1 25 oC时，H2SO4水溶液的积分溶解热H2O摩尔数n/mol积分溶解热H

13、s/kJmol-1H2O摩尔数n/mol积分溶解热Hs/kJmol-10.515.745073.391.028.0910074.02241.9520074.99349.0350076.79454.09100078.63558.07500084.49660.791000087.13864.6410000093.701067.0750000095.382572.3596.25注：表中积分溶解热的符号规定为放热为正、吸热为负。(1) Integral heat of solution 例5-1 在25 oC和1.013105Pa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

14、酸水溶液1000kg。试计算： 78%的硫酸溶液和水的用量； (2) 配制过程中H2SO4的积分溶解热。(3) 硫酸配制过程放出的热量Examples解：(1) 78%的硫酸溶液和水的用量 设GH2SO4为78%的硫酸溶液的用量，GH2O为水的用量，则 联解式(1)、(2)得Examples (2) 配制过程中H2SO4的浓度变化热 配制前后，H2SO4的摩尔数均为配制前H2O的摩尔数为Examples由表5-1查得 kJmol-1表5-1 25 oC时，H2SO4水溶液的积分溶解热H2O摩尔数n/mol积分溶解热Hs/kJmol-1H2O摩尔数n/mol积分溶解热Hs/kJmol-10.51

15、5.745073.391.028.0910074.02241.9520074.99349.0350076.79454.09100078.63558.07500084.49660.791000087.13864.6410000093.701067.0750000095.382572.3596.25注：表中积分溶解热的符号规定为放热为正、吸热为负。(1) Integral heat of solution 配制后H2O的摩尔数变为由表5-1查得 kJmol-1Examples（3）硫酸配制过程放出的热量 设计如下途径完成配制过程 ExamplesH2SO4，H2O25,1.013105Pa25，1

16、.013105PaH2SO4=2550.9molH2O=3917.2mol25，1.013105PaH2SO4=2550.9molH2O=41666.7molQpnH2SO4 Hs1nH2SO4 Hs2nH2SO4 Hs1 + Qp =nH2SO4 Hs2Qp= nH2SO4（Hs2-Hs1 ） =2550.9（69.30-35.57）=8.604104KJExamplesH2SO4，H2O25，1.013105Pa25，1.013105PaH2SO4=2550.9molH2O=3917.2mol25，1.013105PaH2SO4=2550.9molH2O=41666.7molQpnH2SO

17、4 Hs1nH2SO4 Hs2盖斯定律 化学变化热 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 反应进度，mol； 化学反应热(放热为正，吸热为负)，kJmol-1。 5.3.2 Thermal in Chemical Changes 以反应物A表示的反应进度为 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在反应方程式中的系数。 5.3.2 Thermal in Chemical Changes对于同一化学反应而言，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 kJmol-1(

18、放热) 当反应进度为2mol时，过程的化学变化热为 5.3.2 Thermal in Chemical Changes 若将氢与氧的热化学方程式改写为 kJmol-1(放热) 而其它条件均不变，则反应进度变为1mol，过程的化学变化热为 可见，反应进度与反应方程式的写法有关，但过程的化学变化热不变。 5.3.2 Thermal in Chemical Changes化学反应热：反应产物回复到反应物的温度时，反应过程放出或吸收的热量，与反应物和产物的温度有关。标准化学反应热 ：反应在标准状态(25和1.013105Pa)下进行。 5.3.2 Thermal in Chemical Changes

19、 化学反应热可从文献、科研或工厂实测数据中获得。当缺少数据时，也可由生成热或燃烧热数据经计算而得。 1. 标准生产热计算方式According to Standard Heats of Formation 2. 标准燃烧热计算方式According to Standard Heats of Combustion 3. 非标准条件下的化学反应热 Offstandard conditions 5.3.2 Thermal in Chemical Changes由标准生产热计算标准化学反应热由盖斯定律得 产物 反应物 反应物或产物在反应方程式中的系数； 反应物或产物的标准生成热，kJmol-1。 1.

20、According to Standard Heats of Formation由标准燃烧热的计算标准化学反应热由盖斯定律得 反应物 产物 反应物或产物的标准燃烧热，kJmol-1 物质的标准燃烧热也可从有关手册中查得。同样,在查手册时应在 前加一“” 号,以使 的符号与热量衡算式中热量的符号规定相一致。 2. According to Standard Heats of Combustion非标准条件下的化学反应热无相变 由盖斯定律得 t反应温度，oC；Cpi反应物或产物在(25t) oC之间的平均定压比热，kJmol-1 oC-1。反应物 t oC产物 t oC反应物25oC(t-25)i

21、Cpi-(t-25)iCpi产物 25 oC 3. Off standard conditions 非标准条件下的化学反应热有相变：某物质i在t发生相变由盖斯定律得 i反应物j在化学反应方程式中的系数； ri反应物j在t oC时的相变热，kJmol-1。 应注意物质的相态不同，其Cp值也不同 3. Off standard conditions 例5-2 物料衡算数据如表4-3所示。已知加入甲苯和浓硫酸的温度均为30oC，脱水器的排水温度为65oC，磺化液的出料温度为140oC，甲苯与硫酸的标准化学反应热为117.2kJmol-1(放热)，设备(包括磺化釜、回流冷凝器和脱水器，下同)升温所需的

22、热量为1.3105kJ，设备表面向周围环境的散热量为6.2104kJ，回流冷凝器中冷却水移走的热量共9.8105kJ。试对甲苯磺化过程进行热量衡算。5.4 Examples of Energy Balance 表4-3 甲苯磺化过程的物料平衡表输入物料名称质量/kg质量组成/%纯品量/kg原料甲苯1000甲苯99.9999水0.11浓硫酸1100硫酸98.01078水2.022总计21002100输出磺化液1906.9对甲苯磺酸78.71500.8邻甲苯磺酸8.83168.4间甲苯磺酸8.45161.1甲苯1.0520.0硫酸1.8535.2水1.1221.4脱水器排水193.1水100193

23、.1总计21002100(2) Batch Operated Process解：热量衡算目的:确定磺化过程中的补充加热量。 衡算范围:甲苯磺化装置(包括磺化釜、回流冷凝器和脱水器等) 。5.4 Examples of Energy Balance 有关热力学数据为：原料甲苯的定压比热为1.71 kJkg-1oC-1；98%硫酸的定压比热为1.47kJkg-1oC-1；磺化液的平均定压比热为1.59 kJkg-1oC-1；水的定压比热为4.18kJkg-1oC-1。 热量平衡方程式可表示为 取热量衡算的基准温度为25oC，则5.4 Examples of Energy Balance 图5-1

24、甲苯磺化装置热量衡算示意图 反应中共加入98%浓硫酸的质量为1100kg，其中含水22kg。若以SO3计，98%硫酸的质量分率为80%。5.4 Examples of Energy Balance m=0.8 反应结束后,磺化液含硫酸35.2kg,水21.4kg。以SO3计,硫酸的质量分率为50.8%。则 所以5.4 Examples of Energy Balance 反应消耗的甲苯量为979kg，则5.4 Examples of Energy Balance 表5-2 甲苯磺化过程热量平衡表5.4 Examples of Energy Balance 例5-3 物料衡算数据如表4-4所示。

25、已知乙醇的进料温度为300oC，反应产物的温度为265oC，乙醇脱氢制乙醛反应的标准化学反应热为-69.11kJmol-1(吸热)，乙醇脱氢生成副产物乙酸乙酯的标准化学反应热为-21.91kJmol-1(吸热)，设备表面向周围环境的散热量可忽略不计。试对乙醇脱氢制乙醛过程进行热量衡算。5.4 Examples of Energy Balance 表4-4 乙醇催化脱氢过程物料平衡表输入物料名称流量/kgh-1输出物料名称流量/kgh-1质量组成/%乙醇1000100乙醇50.05.0乙醛727.072.7乙酸乙酯181.718.2氢气41.34.1总计1000100总计1000100.0质量组

26、成/%(3) Continuous Operated Process 有关热力学数据为： 乙醇的定压比热为0.110kJmol-1oC-1； 乙醛的定压比热为0.080kJmol-1oC-1； 乙酸乙酯的定压比热为0.169kJmol-1oC-1； 氢气的定压比热为0.029kJmol-1oC-1。 5.4 Examples of Energy Balance 解：乙醇脱氢制乙醛过程为连续过程。衡算目的：确定反应过程中的补充加热速率。衡算对象：反应器图5-2 乙醇脱氢制乙醛过程热量衡算示意图5.4 Examples of Energy Balance 热量平衡方程式可表示为 连续过程，Q5=0

27、；依题意知Q6=0。 取热量衡算的基准温度为25oC，则5.4 Examples of Energy Balance 过程的热效应Q3主要为化学变化热，即Qc由两部分组成：乙醇脱氢制乙醛的化学变化热 kJh-15.4 Examples of Energy Balance 乙醇脱氢生成副产物乙酸乙酯的化学变化热 kJh-1 5.4 Examples of Energy Balance Q4由四部分组成：未反应乙醇带走热量乙醛带走热量乙酸乙酯带走热量5.4 Examples of Energy Balance 氢气带走热量为 故反应过程所需的补充加热速率为1.148106kJh-1。5.4 Exa

28、mples of Energy Balance 表5-3 乙醇催化脱氢过程热量平衡表5.4 Examples of Energy Balance 5.5.1 常用加热剂和冷却剂Coolant and Heating source frequently-used 5.5.2 加热剂和冷却剂消耗量的计算Consumption of Coolant and Heating source5.5.3 燃料消耗量的计算Consumption of fuel 5.5.4 电能消耗量的计算 Consumption of Electric Energy5.5.5 压缩空气消耗量的计算Consumption of

29、 Compressed air5.5.6 真空抽气量的计算Calculation of Sucking rate Vacuumed 5.5 Calculation of Consumption of Coolant, heating source and other energy热量衡算 设备的热负荷 加热剂或冷却剂。常用的加热剂热水、饱和水蒸汽、导热油、道生液、烟道气和熔盐等；常用的冷却剂空气、冷却水、冰和冷冻盐水等。 5.5.1 Coolant and Heating source frequently-used 工艺要求和热负荷的大小1.水蒸气的消耗量Consumption of Ste

30、am2.直接蒸汽加热时水蒸气的消耗量Consumption of Coolant 5.5.2 Consumption of Coolant and Heating source(1) 间接蒸汽加热时的蒸汽消耗量 若以0 oC为基准温度，间接蒸汽加热时水蒸汽的消耗量 W蒸汽消耗量,kg或kgh-1;Q2由蒸汽传递给物料及设备的热量，kJ或kJh-1;H蒸汽的焓,kJkg-1;Cp冷凝水的定压比热,取4.18kJkg-1oC-1;t冷凝水的温度,0C;热效率。保温设备取0.970.98;不保温设备取0.930.95。 1. Consumption of Steam (2) 直接蒸汽加热时水蒸汽的消

31、耗量 若以0 oC为基准温度，直接蒸汽加热时水蒸汽的消耗量 tk被加热液体的最终温度，oC。 1. Consumption of Steam 在药品生产中，水、冷冻盐水和空气均为常用的冷却剂，其消耗量可用下式计算 W冷却剂的消耗量，kg或kgh-1； Cp冷却剂的平均定压比热，kJkg-1oC-1； t1冷却剂的初温，oC； t2冷却剂的终温，oC。2. Consumption of Coolant 表5-5 氯化钠水溶液的定压比热2. Consumption of Coolant 一般情况下，水的定压比热可取4.18kJkg-1oC-1，空气的定压比热可取1.01kJkg-1oC-1。燃料的

32、消耗量的计算 G燃料的消耗量,kg或kgh-1;燃烧炉的热效率,一般燃烧炉的值可取0.30.5,锅炉的值可取0.60.92;Qp燃料发热量,kJkg-1。表5-6 几种燃料的发热量5.5.3 Consumption of fuel 电能的消耗量的计算 E电能的消耗量,kWh(1kWh=3600kJ)；电热装置的热效率,一般可取0.850.95。 5.5.4 Consumption of Electric Energy (1) 每次操作均将设备中的液体全部压完时的压缩空气消耗量 以常压(1.013105Pa)下的空气体积计，一次操作所需的压缩空气消耗量为 Vb一次操作所需的压缩空气体积，m3次-

33、1；VT设备容积，m3； P压缩空气在设备内建立的压强，Pa。 5.5.5 Consumption of Compressed airLiquidmaterial 若每天压送物料的次数为n，则每天操作所需的压缩空气体积为Vd每天操作所需压缩空气体积,m3d-1。 每小时操作所需的压缩空气体积为 Vh每小时操作所需压缩空气体积,m3h-1。每次压送液体所持续的时间，h。5.5.5 Consumption of Compressed airLiquidmaterial (2) 每次操作仅将设备中的部分液体压出时的压缩空气消耗量 以常压(1.013105Pa)下的空气体积计，一次操作所需的压缩空气消

34、耗量为 设备的装料系数；V1每次压送的液体体积，m3。5.5.5 Consumption of Compressed airLiquidmaterial 以常压(1.013105Pa)下的空气体积计，一次操作所需的压缩空气消耗量为 K系数，缓和搅拌取24，中等强度搅拌取48，强烈搅拌取60；A被搅拌液体的横截面积，m2； 一次搅拌操作持续的时间，h。 5.5.5 Consumption of Compressed airAgitating Liquid material经验公式一次抽滤操作所需的抽气量为C经验常数，可取1518；A真空过滤器的过滤面积，m2；一次抽滤操作持续的时间，h。 5.5.5 Consumption of Compressed airVacuum Filtration 一次抽吸操作所需的抽气量为 Pk设备中的剩余压强，Pa。 在真空蒸发操作中，由设备、管道等的连接处漏入的空气以及溶液中的不凝性气体会在冷凝器内积聚，这不仅会使被冷凝蒸汽的分压下降，而且