车间设计流程——能量衡算在线视频

同学们 大家好

我们今天紧接上次课介绍的物料衡算

来学习一下能量衡算

我是本次课的主讲老师 周渭

在制药工程中 物料的转化或转移

往往伴随着的能量变化

部分单元操作需要对物料进行加热或冷却

因此 对制药过程能量进行衡算

核算能源消耗 提高能源的利用率

对提高生产效益具有重要的实际意义

制药过程单元操作存在多种形式的能量

如热能 动能 化学能 内能 势能等

由于不同类型的能量之间可能会发生转化

很难单独对某种能量进行衡算

因此 在实际应用过程中 我们通常着重考虑

主要的能量变化

尤其是涉及需要加热 冷却 或需要消耗电能的过程

在忽略动能 势能 内能和轴功的情况下

制药过程的能量衡算可以简化为热量衡算

通过对制药过程进行热量衡算

我们可以明确生产工艺流程的各环节的热负荷

计算加热剂和制冷剂的用量

明确换热设备的形式 数量和主要的工艺参数

还可以评估一台设备 或整条生产工艺流程的能耗

为优化工艺流程 改进能源利用效率提供依据

热力学第一定律 即能量守恒定律

决定制药过程中能量发生转移和转化

但是总能量是守恒的

根据能量守恒定律 热量的衡算公式可以这样表达

公式的含义是 输入系统的热量

包括物料带入的 加热剂或制冷剂的传热

过程的热效应

这三者的总和 等于物料带出设备的热量

设备吸收或释放的热量

以及设备向环境散失的热量之和

完成能量衡算 我们的主要目是为了计算Q2

即设备或单元操作的热负荷

从而确定加热剂和制冷剂的用量

若计算出Q2为正值

说明需要向设备和物料提供热量进行加热

若计算出Q2为负值

则说明需要将热量从设备和物料中移出

需要进行冷却

由于制药过程各单元按操作的温度和压力

可能发生变化

因此 在进行热量衡算时

需要确立计算时能量的基准态

一般情况下 基准态取零摄氏度

或二十五摄氏度 一个标准大气压

虽然热量的绝对数值无法计算

但是我们可以计算物料相对于基准态能量的变化

接下来我们将分别针对公式中的各项展开计算

首先 公式中的Q1和Q4分别代表投入的物料

和产出的物料相对于基准态所携带的热量

两者的计算原理和方法相同 可以利用如下公式

即每一个组分从基准态温度T0

到实际温度T所吸收的热量

若物料的定压比热容Cp等工艺参数未知

可从《化学化工物性数据手册》等工具手册中查阅

或估算 或通过实验测定

Q2为加热剂或制冷剂传递给设备及物料的热量

通常是需要通过能量衡算求出来的量

可以通过求出能量衡算等式中的其他项来求出Q2

过程热效应的热量Q3的计算较为复杂

通常包括物理过程的热效应和化学过程的热效应

物理过程的热效应Qp

是指物料的浓度或状态发生变化时产生的热效应

通常包含相变热和溶解混合热

汽化 冷凝 熔化 凝固 升华

和凝华等相变的相变热的计算

可以参考工具手册中的相变热数据

当相变的实际温度和压力

与工具手册中的基础温度不一致的时候

可以通过盖斯定律 完成不同的条件

即温度和压力下相变热的转化

由于在能量平衡等式中规定过程热效应Q3

包括物理和化学过程

放热为正值 吸热为负值

而对于过程的焓变

焓增加的过程为吸热反应 计作正值

焓减少的过程为放热反应 计作负值

因此 当用过程的焓变表示过程热效应Q3时

需要进行变号处理 即Q3等于负的焓变

除相变热外 物料在发生混合时 恒温恒压下

溶液浓度发生变化产生的热效应称为浓度变化热

实际过程中

除浓酸或浓碱浓度发生变化时的热效应比较明显外

大多数物料在浓度发生变化时

产生的热效应可以忽略不计

化学过程的热效应Qc

是指在一定的温度和压强下

发生化学反应时吸收或释放的热量

可以通过化学反应热来进行计算

若化学反应发生在标准状态下

即温度为298K 压强为标准大气压

则化学过程的热效应可以表示为

标准摩尔反应焓乘以反应发生的量

标准摩尔反应焓可以通过查阅工具手册

它的值若为负值 则表示反应放热

若为正值 则表示反应吸热

通常标准摩尔反应焓与热化学方程式有关

同一个反应 若热化学方程式的化学计量系数不同

则标准摩尔反应焓也不同

若反应发生在非标准状态下

如在温度T1标准大气压P0下进行

且从标准状态T0到T1反应的物料不发生相变

则需要对计算公式进行修正

化学过程的热效应Qc的计算

除了可以利用标准化学反应热进行计算外

还可以利用标准生成热或标准燃烧热进行计算

由盖斯定律可知

化学反应的热效应只与起始和终了状态有关

与变化途径无关

因此 标准摩尔反应焓

可以通过标准摩尔生成焓 或标准摩尔燃烧焓计算

Q5为加热或冷却设备消耗的热量

如果单元操作为连续式过程

在生产过程中可以认定为Q5等于零

如果单元操作为间歇式过程

生产设备需要开机或停机

Q5的计算可以通过设备的质量 设备的定压比热容

以及生产过程中与开机时的温差 来进行求解

Q6为设备向环境散失的热量

设备向环境散失的热量 与设备与环境的温差

设备的散热面积 以及散热时间等因素有关

在进行热量衡算时 为简化计算

通常Q5和Q6的总量占总热量的5%到10%计算

至此 我们了解了热量衡算公式中各项的求法

接下来我们来看一下热量衡算的基本步骤

首先 明确衡算的目的和对象

我们进行热量衡算

主要是为了计算生产工艺流程各环节的热负荷

进而明确加热剂和制冷剂的用量

换热器的类型和换热面积

因此需要重点关注蒸发 干燥等步骤

若衡算的主要目的是从整体上评估并优化

生产的工艺流程的能耗

降低单位产品的能耗

则需要进一步将用电设备的能耗考虑进来

进行衡算时 一般以单台设备或单元操作为衡算对象

第二步 明确衡算基准

一般与物料衡算式的基准一致

可以为每批次 单位产品

单位投料量 或单位时间

除物料基准之外 计算时还需要统一相态基准

第三步 画出能量平衡简图 列出热量平衡方程式

在物料衡算框图的基础上

标注进出的热量形式 列出热量平衡方程

此步骤非常关键

综合考虑 不遗漏任何一种形式的能量

尤其是机械功 压强变化时的体积功

电辅热和电制冷的电功

同时 对衡算影响非常小的项目

可以忽略不计 从而简化计算

第四步 收集基本数据

在正式开始计算之前

我们需要收集各衡算方程和约束等式内的参数

如物料量 状态和相变热 定压比热容等热力学参数

数据来源可以是生产工艺流程说明

物性参数手册或文献

也可以是实验实际测量 或通过合理推算

第五步 计算结果

按照热量衡算等式 计算各项热量的数值

从物性参数手册查阅的数据

在使用时需要注意数值的单位和正负号

第六步 列出能量衡算表

通过计算每一步单元操作 或每一类设备的能量衡算

从而明确整条生产工艺流程的能耗

并将数据编制成表

需要检查每段输入和输出的热量是否平衡

此外根据需要 还需要标注加热剂和制冷剂的用量

以及单位产品的能耗 单位时间最大用量等信息

以便从整体上进行能耗管理

我们可以通过课程附带的例子

熟悉能量衡算的基本原理和步骤

我们本次课的内容就到这里 谢谢大家的观看