制藥工程學(xué)能量衡算課件

1、制藥工程學(xué)能量衡算,1,第五章 能量衡算,第一節(jié) 概述 第二節(jié) 熱量衡算 第三節(jié) 過程的熱效應(yīng) 第四節(jié) 熱量衡算舉例 第五節(jié) 加熱劑、冷卻劑及其其他能量消耗的計算,制藥工程學(xué)能量衡算,2,5.1 概述,5.1.1能量衡算的目的和意義 計算過程能耗指標(biāo)進行方案比較，選定先進生產(chǎn)工藝。 能量衡算數(shù)據(jù)是設(shè)備選型和計算的依據(jù)； 是組織、管理、生產(chǎn)、經(jīng)濟核算和最優(yōu)化的基礎(chǔ) 5.1.2能量衡算的的依據(jù)及必要條件 依據(jù)為能量守恒定律 條件：物料衡算的數(shù)據(jù)，相關(guān)熱力學(xué)物性數(shù)據(jù)。 5.1.3能量守恒的基本方程 輸出能量+消耗能量+積累能量輸入能量+生成能量 5.1.4能量衡算的分類 單元設(shè)備的能量衡算和系統(tǒng)的能

2、量衡算,制藥工程學(xué)能量衡算,3,5.2 熱量衡算,5.2.1熱量平衡方程式 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；（注意符號規(guī)定） 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。,制藥工程學(xué)能量衡算,4,注意各Q的符號規(guī)定 Q2為設(shè)備的熱負荷。若Q2為正值，需要向設(shè)備及所處理的物料提供熱量；反之，表明需要從設(shè)備及所處理的物料移走熱量。 對間歇操作，按不同的時間段分別計算Q2的值，并取其最大值作為設(shè)備熱負荷的設(shè)計依據(jù)。,制藥工程學(xué)能量衡算,5,5.2.2 各項熱

3、量的計算,1、計算基準(zhǔn) 一般情況下，可以0和1.013105 Pa為計算基準(zhǔn) 有反應(yīng)的過程，也常以25和1.013105Pa為計算基準(zhǔn)。 2、Q1或Q4的計算 無相變時,式中T采用何種應(yīng)由經(jīng)驗式中T的溫標(biāo)而定。,制藥工程學(xué)能量衡算,6,物料的恒壓熱容與溫度的函數(shù)關(guān)系常用多項式來表示：,若知物料在所涉及溫度范圍內(nèi)的平均恒壓熱容，則：,CP可是T0和T2下恒壓熱容的算術(shù)平均值，也可取T0和T2平均溫度下的恒壓熱容。 恒壓下Q實質(zhì)為焓值或焓變（基準(zhǔn)態(tài)焓值為0）。,制藥工程學(xué)能量衡算,7,3、Q3的計算過程的熱效應(yīng)由物理變化熱QP和化學(xué)變化熱QC兩部分組成,物理變化熱是指物料的濃度或狀態(tài)發(fā)生改變時所產(chǎn)

4、生的熱效應(yīng)。若過程為純物理過程，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 QC0 。 化學(xué)變化熱是指組分之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時所產(chǎn)生的熱效應(yīng)，可根據(jù)物質(zhì)的反應(yīng)量和化學(xué)反應(yīng)熱計算。,制藥工程學(xué)能量衡算,8,4、Q5的計算,穩(wěn)態(tài)操作過程 Q50 非穩(wěn)態(tài)操作過程由下式求Q5 Q5=GCP（T2-T1) G設(shè)備各部件的質(zhì)量，kg； Cp設(shè)備各部件材料的平均恒壓熱容，kJkg-1-1； T1設(shè)備各部件的初始溫度，； T2設(shè)備各部件的最終溫度，。 與其他各項熱量相比，Q5的數(shù)值一般較小，因此，Q5?？珊雎圆挥嫛?制藥工程學(xué)能量衡算,9,5、Q6的計算,對有保溫層的設(shè)備或管道，T可用

5、下列公式估算。 （1）空氣在保溫層外作自然對流，且TW150 在平壁保溫層外， T9.8+0.07（T） 在圓筒壁保溫層外， T9.+0.0（T） (2)空氣沿粗糙壁面作強制對流 當(dāng)空氣流速u不大于5ms-1時，T可按下式估算 T6.2+4.2u 當(dāng)空氣速度大于5ms-1時，T可按下式估算 T7.8u0.78 (3) 對于室內(nèi)操作的釜式反應(yīng)器，T的數(shù)值可近似取為10 Wm-2 -1。,制藥工程學(xué)能量衡算,10,5.2.3 衡算方法和步驟,1、衡算方法和步驟 (1) 明確衡算目的，如通過熱量衡算確定某設(shè)備或裝置的熱負荷、加熱劑或冷卻劑的消耗量等數(shù)據(jù)。 (2) 明確衡算對象，劃定衡算范圍，并繪出熱

6、量衡算示意圖 (3) 搜集有關(guān)數(shù)據(jù) 由手冊、書籍、數(shù)據(jù)庫查取，由工廠實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)獲取，通過估算或?qū)嶒灚@得。,制藥工程學(xué)能量衡算,11,(4) 選定衡算基準(zhǔn) 同一計算要選取同一基準(zhǔn)，且使計算盡量簡單方便。 (5)列出熱量平衡方程式，計算各種形式的熱量。 (6)編制熱量平衡表 并檢查熱量是否平衡 （7)求出加熱劑或冷卻劑等載能介質(zhì)的用量 （8）求出單位產(chǎn)品的能量消耗定額、每小時、每天及每年的消耗量。,制藥工程學(xué)能量衡算,12,2、熱量衡算中注意的問題,（1）確定系統(tǒng)所涉及的所有熱量和可能轉(zhuǎn)化成熱量的其他能量，不得遺漏。 （2）確定計算的基準(zhǔn)，有相變時必須確定相態(tài)基準(zhǔn)，不要忽略相變熱。 （3）Q20

7、表示需要加熱，Q20表示需要冷卻。間歇過程，各段時間操作情況不同，應(yīng)分段進行衡算，求出不同階段的Q2。 （4）計算時，尤其由手冊查得數(shù)據(jù)時，要使數(shù)據(jù)正負號與公式規(guī)定一致。 有時須將物能衡算聯(lián)合進行方可求解。,制藥工程學(xué)能量衡算,13,5.3 過程的熱效應(yīng),5.3.1物理變化熱 常見的有相變熱和濃度變化熱。 1、相變熱 相變在恒溫恒壓下進行，所產(chǎn)生的熱效應(yīng)稱為相變熱。 各種純化合物相變熱可從有關(guān)手冊、文獻中查得,但應(yīng)注意相變熱的單位及正負號。一般熱力學(xué)數(shù)據(jù)中的相變熱以吸熱為正,放熱為負。也可由經(jīng)驗式計算,制藥工程學(xué)能量衡算,14,（1）汽化熱,1）由已知溫度的汽化熱求另一溫度的汽化熱,2）液體在

8、沸點下的汽化熱,制藥工程學(xué)能量衡算,15,3）根據(jù)蓋斯定律由已知T1、P1下的汽化熱求T2、P2下的汽化熱,制藥工程學(xué)能量衡算,16,（2）熔融熱,K1、K2值可由下表查取,（3）升華熱,制藥工程學(xué)能量衡算,17,2、濃度變化熱,恒溫恒壓下，溶液因濃度發(fā)生改變而產(chǎn)生的熱效應(yīng)，稱為濃度變化熱。以物質(zhì)在水溶液中的濃度變化熱最為常見。 （1）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)稱為積分溶解熱，簡稱溶解熱，用符號Hs表示。,制藥工程學(xué)能量衡算,18,若溶質(zhì)溶解時不發(fā)生解離作用溶劑和溶質(zhì)間無化學(xué)作用（包括形成絡(luò)合物）可按下述原則求溶解熱 溶質(zhì)是氣態(tài)，則溶解熱為冷凝

9、熱。 溶質(zhì)是固態(tài)，則溶解熱為熔融熱。 溶質(zhì)是液態(tài)，形成理想溶液，溶解熱為零；非理想溶液,制藥工程學(xué)能量衡算,19,表5-1 25時，H2SO4水溶液的積分溶解熱,注：表中積分溶解熱的符號規(guī)定為放熱為正、吸熱為負。,制藥工程學(xué)能量衡算,20,制藥工程學(xué)能量衡算,21,硝酸的積分溶解熱可用下式估算,鹽酸的積分溶解熱可用下式估算,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)驗公式。硫酸的積分溶解熱可按SO3溶于水的熱效應(yīng)用下式估算(m為以SO3計硫酸的質(zhì)量分率）,制藥工程學(xué)能量衡算,22,(2)積分稀釋熱,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，形成較稀的溶液時所產(chǎn)生的

10、熱效應(yīng)稱為積分稀釋熱，簡稱稀釋熱。 兩種不同濃度下的積分溶解熱之差就是溶液由一種濃度稀釋至另一種濃度的積分稀釋熱。,制藥工程學(xué)能量衡算,23,例如，向由1mol H2SO4和1mol H2O組成的溶液中加入5mol水進行稀釋的過程可表示為,由表5-1可知，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,制藥工程學(xué)能量衡算,24,例5-1 在25 oC和1.013105Pa下，用水稀釋78%的硫

11、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。,解：(1) 78%的硫酸溶液和水的用量.畫出流程示意圖， 劃定體系，取1000kg25混酸為基準(zhǔn),設(shè) GH2SO4為78%的硫酸溶液的用量，GH2O 為水的用量,制藥工程學(xué)能量衡算,25,(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,聯(lián)立上述兩式得GH2SO4320.5kg， GH2O679.5kg,制藥工程學(xué)能量衡算,26,配制前H2O的摩爾數(shù)為,由表5-1內(nèi)插法得積分溶解熱,制藥工程學(xué)能量衡算,27,配

12、制后H2O的摩爾數(shù)變?yōu)?同前由表5-1得,設(shè)計如下途徑完成配制過程,制藥工程學(xué)能量衡算,28,根據(jù)蓋斯定律,制藥工程學(xué)能量衡算,29,5.3.2化學(xué)變化熱,反應(yīng)物A的反應(yīng)進度為,式中： 反應(yīng)進度，mol； 化學(xué)反應(yīng)熱(放熱為正，吸熱為負)，kJmol-1,對于同一化學(xué)反應(yīng)而言，以參與反應(yīng)的任一組分計算的反應(yīng)進度都相同。反應(yīng)進度與反應(yīng)方程式的寫法有關(guān)。但過程的化學(xué)變化熱不變。,制藥工程學(xué)能量衡算,30,如，氫與氧的反應(yīng),熱化學(xué)方程式為,kJmol-1(放熱),當(dāng)反應(yīng)進度為2mol時，,將氫與氧的熱化學(xué)方程式改寫為,制藥工程學(xué)能量衡算,31,則反應(yīng)進度變?yōu)?mol，過程的化學(xué)變化熱為,可見，反應(yīng)進

13、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。,kJmol-1(放熱),制藥工程學(xué)能量衡算,32,1、由標(biāo)準(zhǔn)生成熱計算標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)熱,2、由標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱計算標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)熱,為使求得的 和 的符號與式(5-1)中的符號規(guī)定相一致，在查手冊時可在 和 前加一“”號。,制藥工程學(xué)能量衡算,33,3、非標(biāo)準(zhǔn)條件下的反應(yīng)熱,若反應(yīng)在T下進行，且反應(yīng)物和產(chǎn)物在(25T)之間均無相變化，則可設(shè)計如下途徑完成該過程,計算中所用溫標(biāo)應(yīng)與CP中的溫標(biāo)一致。,制藥工程學(xué)能量衡算,34,若某反應(yīng)物或產(chǎn)物在(25t)oC之間存在相變，,應(yīng)注意物質(zhì)的相態(tài)不同，其Cp值也不同,制藥工程學(xué)能量衡算,35,5.4熱量衡算舉例,例5-

14、2 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30，脫水器的排水溫度為65，磺化液的出料溫度為140，甲苯與硫酸的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)反應(yīng)熱為117.2kJmol-1(放熱)，設(shè)備(包括磺化釜、回流冷凝器和脫水器，下同)升溫所需的熱量為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。試對甲苯磺化過程進行熱量衡算。,制藥工程學(xué)能量衡算,36,表4-3 甲苯磺化過程的物料平衡表,制藥工程學(xué)能量衡算,37,解：熱量衡算的目的是為了確定磺化過程中的補充加熱量?？扇〖妆交腔b置(包括磺化釜、回流冷凝器和脫水器等)作為衡算對象。此時，進、

15、出磺化裝置的物料還應(yīng)包括進、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,有關(guān)熱力學(xué)數(shù)據(jù)為：原料甲苯的定壓熱容為1.71 kJkg-1-1；98%硫酸的定壓熱容為1.47kJkg-1-1；磺化液的平均定壓熱容為1.59 kJkg-1-1；水的定壓熱容為4.18kJkg-1-1。,制藥工程學(xué)能量衡算,38,圖3-11 連續(xù)脫水方案,制藥工程學(xué)能量衡算,39,則熱量平衡方程式可表示為,取熱量衡算的基準(zhǔn)溫度為25,制藥工程學(xué)能量衡算,40,反應(yīng)中共加入98%濃硫酸的質(zhì)量為1100kg，

16、其中含水22kg。若以SO3計，98%硫酸的質(zhì)量分率為80%。由式(5-13)得,反應(yīng)結(jié)束后,磺化液含硫酸35.2kg,水21.4kg。以SO3計,硫酸的質(zhì)量分率為50.8%。則,制藥工程學(xué)能量衡算,41,反應(yīng)消耗的甲苯量為979kg，則,制藥工程學(xué)能量衡算,42,產(chǎn)物帶出熱量,制藥工程學(xué)能量衡算,43,磺化過程需補充熱量2.16105kJ。 列出甲苯磺化過程熱量平衡表：,制藥工程學(xué)能量衡算,44,制藥工程學(xué)能量衡算,45,例5-3 物料衡算數(shù)據(jù)如表4-4所示。已知乙醇的進料溫度為300，反應(yīng)產(chǎn)物的溫度為265，乙醇脫氫制乙醛反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)反應(yīng)熱為-69.11kJmol-1(吸熱)，乙醇脫氫生

17、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。試對乙醇脫氫制乙醛過程進行熱量衡算。,有關(guān)熱力學(xué)數(shù)據(jù)為： 乙醇的定壓熱容為0.110kJmol-1-1； 乙醛的定壓熱容為0.080kJmol-1-1； 乙酸乙酯的定壓熱容為0.169kJmol-1-1； 氫氣的定壓熱容為0.029kJmol-1-1。,制藥工程學(xué)能量衡算,46,表4-4 乙醇催化脫氫過程物料平衡表,制藥工程學(xué)能量衡算,47,解：由例4-7可知，過程為連續(xù)過程，對該過程進行熱量衡算的目的是為了確定反應(yīng)過程中的補充加熱速率。依題意，取反應(yīng)器為衡算對象,繪出熱量衡算示意圖,則

18、熱量平衡方程式可表示為,制藥工程學(xué)能量衡算,48,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25，則,過程的熱效應(yīng)Q3主要為化學(xué)變化熱，即,制藥工程學(xué)能量衡算,49,由乙醇脫氫制乙醛的化學(xué)變化熱為,乙醇脫氫生成副產(chǎn)物乙酸乙酯的化學(xué)變化熱為,制藥工程學(xué)能量衡算,50,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,制藥工程學(xué)能量衡算,51,氫氣帶走熱量為,故反應(yīng)過程所需的補充加熱速率為1.148106kJh-1。,制藥工程學(xué)能量衡算,52,編制乙醇催化脫氫過程熱量平衡表,制藥工程學(xué)能量衡算,53,5.5加熱劑、冷卻劑及其他能量消耗的計算

19、,5.5.1常用加熱劑和冷卻劑 常用加熱劑有熱水、飽和水蒸汽(低壓、高壓)、導(dǎo)熱油、道生液、煙道氣和熔鹽等； 常用冷卻劑有空氣、冷卻水、冰和冷凍鹽水等。 1、加熱劑和冷卻劑的選用原則 在較低壓力下可達到較高溫度； 化學(xué)穩(wěn)定性高；,制藥工程學(xué)能量衡算,54,2、常用加熱劑和冷卻劑的性能特點和物性參數(shù)見表5-4,無腐蝕； 熱容量大； 冷凝熱大； 無火災(zāi)和爆炸危險； 無毒性； 溫度易于調(diào)節(jié)； 價格低廉； 傳熱能力強。,制藥工程學(xué)能量衡算,55,制藥工程學(xué)能量衡算,56,5.5.2加熱劑和冷卻劑消耗量的計算,1、水蒸氣的消耗量 (1) 間接蒸汽加熱時的蒸汽消耗量 若以0 為基準(zhǔn)溫度,式中： Q2由蒸汽

20、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-1-1; T冷凝水的溫度,; 熱效率。保溫設(shè)備取0.970.98;不保溫設(shè)備取0.930.95。,制藥工程學(xué)能量衡算,57,(2) 直接蒸汽加熱時水蒸汽的消耗量,若以0 為基準(zhǔn)溫度,式中 Tk被加熱液體的最終溫度，。,制藥工程學(xué)能量衡算,58,2、冷卻劑的消耗量,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算,式中： W冷卻劑的消耗量，kg或kgh-1； Cp冷卻劑的平均定壓比熱，kJkg-1 -1； T1冷卻劑的初溫，； T2冷卻劑的終溫，。 一般水的定壓比熱可取4.1

21、8kJkg-1-1，空氣的定壓比熱可取1.01kJkg-1-1,制藥工程學(xué)能量衡算,59,表5-5 氯化鈉水溶液的定壓比熱,制藥工程學(xué)能量衡算,60,5.5.3燃料消耗量的計算,式中: G燃料的消耗量,kg或kgh-1; 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,制藥工程學(xué)能量衡算,61,5.5.4電能的消耗量的計算,式中 E電能的消耗量,kWh(1kWh=3600kJ)； 電熱裝置的熱效率,一般可取0.850.95。,制藥工程學(xué)能量衡算,62,5.5.5壓縮空氣的消耗量的計算,一般壓縮空氣的消耗量

22、折算成常壓(1.013105Pa)下的空氣體積或體積流量。,制藥工程學(xué)能量衡算,63,1、壓送液體物料時壓縮空氣的消耗量 （1）壓送液體時，壓縮空氣在設(shè)備內(nèi)所需壓強,le管路系統(tǒng)全部管件、閥門以及進、出口等的當(dāng)量之和,制藥工程學(xué)能量衡算,64,(2)每次操作均將設(shè)備中的液體全部壓完時的壓縮空氣消耗量以常壓(1.013105Pa)下的空氣體積計，一次操作所需的壓縮空氣消耗量為,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)的壓強，Pa。,制藥工程學(xué)能量衡算,65,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,式中Vd每天操作所需壓縮空氣體積

23、,m3d-1。 每小時操作所需的壓縮空氣體積為,式中Vh每小時操作所需壓縮空氣體積,m3h-1。 每次壓送液體所持續(xù)的時間，h。,制藥工程學(xué)能量衡算,66,(2) 每次操作僅將設(shè)備中的部分液體壓出時的壓縮空氣消耗量,式中 設(shè)備的裝料系數(shù)； V1每次壓送的液體體積，m3。 每天或每小時操作所需的壓縮空氣體積與前同。,制藥工程學(xué)能量衡算,67,2、攪拌液體時壓縮空氣的消耗量,壓縮空氣的最低壓強 P1.2gh+P0 管路阻力按液柱高度的20計。 壓縮空氣消耗量為,式中 K系數(shù)，緩和攪拌取24，中等強度攪拌取48，強 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)的時間，h。,制藥工程學(xué)能量衡算,68,5.5.6真空抽氣量的計算,1、抽吸液體物