第四章

工藝計算武漢生物工程學院生物科技系周念波TelQ：7389418第四章工藝計算武漢生物工程學院生物科技系周念波第二節熱量平衡計算一、熱量衡算的意義1、通過熱量衡算，計算生產過程能耗定額，進而計算加熱劑或冷卻劑的用量。2、計算由設備傳遞的熱量，為設備設計提供依據。3、通過熱量衡算分析研究工程設計和生產操作中熱量利用是否經濟合理，以提高熱量利用水平。P75第二節熱量平衡計算一、熱量衡算的意義1、通過熱量衡算，計算二、熱量衡算的依據1.依據：熱力學第一定律。2.熱量衡算方程∑Q入=∑Q出+∑Q損即：輸入=輸出+損失式中∑Q入——輸入的熱量總和(kJ)∑Q出——輸出的熱量總和(kJ)∑Q損——損失的熱量總和(kJ)熱能可以從一個物體傳遞給另一個物體，也可以與機械能或其他能量相互轉換，在傳遞和轉換過程中，能量的總值不變。二、熱量衡算的依據1.依據：熱力學第一定律。2.熱量衡算方程對于單元設備的熱量衡算，熱平衡方程可寫成如下形式：∑Q入=∑Q出+∑Q損Ql+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6+Q7+Q8式中Ql——各股物料帶入設備的熱量(kJ)Q2——由加熱劑(或冷卻劑)傳給設備和物料的熱量(kJ)Q3——過程的熱效應，包括生物反應熱、攪拌熱、狀態熱等(kJ)Q4——各股物料帶出設備的熱量(kJ)Q5——加熱或冷卻設備需要的熱量(kJ)Q6——加熱物料需要的熱量(kJ)Q7——氣體或蒸汽帶出的熱量(kJ)Q8——損失的熱量，如設備向環境散失的熱量(kJ)P76×對于單元設備的熱量衡算，熱平衡方程可寫成如下形式：∑Q入=∑Ql+Q2+Q3=Q4+Q5+Q7+Q8式中Q1——各股物料帶入設備的熱量(kJ)Q2——由加熱劑(或冷卻劑)傳給設備和物料的熱量(kJ)Q3——過程的熱效應，包括生物反應熱、攪拌熱、狀態熱等(kJ)Q4——各股物料帶出設備的熱量(kJ)Q5——加熱或冷卻設備需要的熱量(kJ)Q7——氣體或蒸汽帶出的熱量(kJ)Q8——損失的熱量，如設備向環境散失的熱量(kJ)注意：①對具體的單元設備，上述的Q1至Q8各項熱量不一定都存在，故進行熱量衡算時，必須根據具體情況進行具體分析。②計算時，對于一些量小，比率小的熱量可以略去不計，以簡化計算。P76Ql+Q2+Q3=Q4+Q5+Q7+Q8式中Q1——各三、熱量衡算的一般步驟1.繪制出物料流程圖三、熱量衡算的一般步驟1.繪制出物料流程圖2.確定熱量平衡范圍體系進入熱量之和離開熱量之和一種是對單元設備做熱量衡算；另一種是對整個過程的熱量衡算。2.確定熱量平衡范圍體系進入熱量之和離開熱量之和一種是對單元3.搜集數據（1）設計條件規定的有關工藝操作數據，如溫度、壓力等。（2）涉及熱量衡算的各股物料的量及組成。（3）有關的物化數據，如比熱容、焓變、汽化熱、冷凝熱等。3.搜集數據（1）設計條件規定的有關工藝操作數據，如溫度、壓4.選定計算基準（1）物料數量上的基準：與物料衡算所選定的基準量相一致。（2）溫度的基準：通常取0℃為基準溫度，可簡化計算。P764.選定計算基準（1）物料數量上的基準：與物料衡算所選定的基5.列出熱量衡算方程式，進行具體的熱量衡算Ql+Q2+Q3=Q4+Q5+Q7+Q8各項熱量的計算：①物料帶入的熱量Q1和帶出的熱量Q4

Q=∑mct

m——物料質量(kg)c——物料比熱容[kJ/(kg·K)]t——物料進入或離開設備的溫度(℃)P765.列出熱量衡算方程式，進行具體的熱量衡算Ql+Q2+Q3②由加熱劑或冷卻劑傳給設備和物料的熱量Q2Ql+Q2+Q3=Q4+Q5+Q7+Q8——待求量Q=m△Hm=Q（h-i）η△H—焓變h—蒸汽的焓，KJ/kgi—相應冷凝水的焓，KJ/kgη—蒸汽的熱效率②由加熱劑或冷卻劑傳給設備和物料的熱量Q2Ql+Q2+Q3③過程熱效應Q3Q3=Q生物熱+Q攪拌熱+Q狀態熱Q生物熱：可測Q狀態熱：可查閱手冊Q攪拌熱

=3600Pη（KJ）

P——攪拌功率(kW)，η——攪拌過程功熱轉化率，通常η=92％Ql+Q2+Q3=Q4+Q5+Q7+Q8③過程熱效應Q3Q3=Q生物熱+Q攪拌熱+Q狀態④加熱設備耗熱量Q5

Q5=mc（t2-t1）式中m——設備總質量(kg)c——設備材料比熱容，kJ／(kg·K)t1

、t2——設備加熱前后的平均溫(℃)Ql+Q2+Q3=Q4+Q5+Q7+Q8P76④加熱設備耗熱量Q5Q5=mc（t2-t1）式中⑤氣體或蒸汽帶出的熱量Q7

Q7=∑(mct+mr)式中m——離開設備的氣態物料量

(如空氣、CO2等)(kg)c——液態物料由0℃升溫至蒸發溫度的平均比熱容，kJ/(kg·K)t——氣態物料溫度(℃)r——蒸發潛熱(kJ/kg)Ql+Q2+Q3=Q4+Q5+Q7+Q8⑤氣體或蒸汽帶出的熱量Q7Q7=∑(mct+mr)⑥設備向環境散熱的熱量Q8

Q8=AaT(tw-ta)τ式中A——設備總表面積(m2)aT——壁面對空氣的聯合給熱系數

W/(m2·℃)tw——壁面溫度(℃)ta——環境空氣溫度(℃)τ——操作過程時間(s)Ql+Q2+Q3=Q4+Q5+Q7+Q8⑥設備向環境散熱的熱量Q8Q8=AaT(tw-ta)

aT

的計算：①空氣作自然對流，aT=8+0.05tW②強制對流時(空氣流速w=5m/s):

aT=5.3+3.6w

或aT=6.7w0.78

(w>5m/s)aT的計算：對于單元設備的熱量衡算，熱平衡方程可寫成如下形式：Ql+Q2+Q3=Q4+Q5+Q7+Q8式中Ql——各股物料帶入設備的熱量(kJ)Q2——由加熱劑(或冷卻劑)傳給設備和物料的熱量(kJ)Q3——過程的熱效應，包括生物反應熱、攪拌熱、狀態熱等(kJ)Q4——各股物料帶出設備的熱量(kJ)Q5——加熱或冷卻設備需要的熱量(kJ)Q7——氣體或蒸汽帶出的熱量(kJ)Q8——損失的熱量，如設備向環境散失的熱量(kJ)對于單元設備的熱量衡算，熱平衡方程可寫成如下形式：Ql+Q2年產6000噸大豆分離蛋白車間熱量衡算①熱水罐內熱水②滅菌用蒸汽③閃蒸④噴霧干燥需要進行熱量平衡計算的操作單元：年產6000噸大豆分離蛋白車間熱量衡算①熱水罐內熱水需要閃蒸噴霧干燥成品包裝中和灌滅菌離心機水、堿液萃取灌原料豆粕粉酸沉灌離心機堿液堿性蛋白溶液25℃40℃年產6000噸大豆分離蛋白車間總熱量衡算140℃140℃65℃閃蒸噴霧干燥成品包裝中和灌滅菌離心機水、堿液萃取灌原料豆粕粉1、熱水熱量計算（以1噸蛋白粉為基準）水溫取平均值25℃，浸提溫度30～70℃。計算時取40℃，比熱容取4.2kJ/kg·℃。所需熱量由Q=mc△t得：Q=23.7×103×4.2×（40-25）=1.5×106（kJ）故消耗蒸汽量為：使用表壓為0.21MPa的飽和蒸汽m=1.5×106/（2725.5-563.44）×95%=770.9（kg）

=0.77（t）閃蒸噴霧干燥成品包裝中和灌滅菌離心機水、堿液萃取灌原料豆粕粉酸沉灌離心機堿液堿性蛋白溶液25℃40℃140℃140℃65℃項目1噸1批（0.7噸）6000噸原料豆粕量質量（t）2.371.6614220體積（m3）3.162.2118960原料豆粕加水量（t）23.716.60142200鮮豆渣質量（t）2.962.0817760堿性蛋白溶液質量（t）23.1116.18138660體積（m3）22.715.90136200乳清水量質量（t）21.4915.04128940體積（m3）21.4915.04128940調漿中和加水量（t）4.583.2127480中性蛋白溶液質量（t）6.254.3837500體積（m3）5.874.1135196總耗水量（t）28.2819.81169680燒堿消耗量（kg）29.3320.53175980鹽酸消耗量（L）44.531.15267000消泡劑耗量（kg）0.340.2420401、熱水熱量計算（以1噸蛋白粉為基準）水溫取閃蒸噴霧干燥成品包裝中和灌滅菌離心機水、堿液萃取灌原料豆粕粉酸沉灌離心機堿液堿性蛋白溶液25℃40℃140℃140℃65℃2、滅菌過程閃蒸噴霧干燥成品包裝中和灌滅菌離心機水、堿液萃取灌原料豆粕粉2、滅菌過程滅菌過程溫度控制在140℃左右，在10~15S內瞬時滅菌，中性蛋白質溶液濃度為16％。此時比熱取牛乳比熱為近似比熱，牛乳比熱為3.8～4.02kJ/kg℃，查《乳品工業手冊》取4.0kJ/kg℃。Q2=6.25×

103×4.0×(140-25)=2.875×106（kJ）加熱蒸汽表壓取0.9MPa，對應飽和蒸汽溫度為179℃，飽和蒸汽熱焓為=2776.57kJ/kg，140℃冷凝水焓為589.81kJ/kg

(以上數據查自《化工原理》上冊和《乳品工業手冊》)。m=2.875×106/[(2776.57-589.81)×95%]=1383.93（kg）=1.38（t）故蒸汽消耗量為：2、滅菌過程滅菌過程溫度控制在140℃左右閃蒸噴霧干燥成品包裝中和灌滅菌離心機水、堿液萃取灌原料豆粕粉酸沉灌離心機堿液堿性蛋白溶液25℃40℃140℃140℃65℃3、閃蒸閃蒸噴霧干燥成品包裝中和灌滅菌離心機水、堿液萃取灌原料豆粕粉3、閃蒸①閃蒸罐內二次蒸汽產生量進入閃蒸罐的液體質量：m=6.25+1.38=7.63（t）真空冷卻前后，蛋白質溶液溫度分別為140℃和65℃，蛋白溶液比熱如前，取4.0kJ/kg·℃。

水蒸汽65℃時熱焓為2615.6kJ/kg·℃故二次蒸汽產生量：故進入干燥塔溶液質量為：m=7.63-0.9717=6.66tm=7.63×103×4.0×（140-65）2615.6

-

4.0×65=971.7(kg)3、閃蒸①閃蒸罐內二次蒸汽產生量進入閃蒸罐的液體質量：m4、噴霧干燥蒸汽消耗量為：10.5t4、噴霧干燥蒸汽消耗量為：10.5t年產100000t/a啤酒廠糖化車間熱量衡算年產100000t/a啤酒廠糖化車間熱量衡算本章小結：第四章工藝計算（定性→定量）物料衡算熱量衡算目的和意義理論依據衡算方程計算基準衡算過程物料消耗定額熱量消耗定額質量守恒定律熱力學第一定律m=mp+mt∑Q入=∑Q出+∑Q損3類基準物料基準、溫度基準（1）工藝流程示意圖（物料流程圖）（2）搜集數據（3）確定衡算范圍（4）選定計算基準（5）計算（6）列出平衡表、校對本章小結：第四章工藝計算（定性→定量）物料衡算熱量衡算目作業：1、某工廠計劃利用廢氣的廢熱。進入鍋爐的廢氣溫度為450℃，出口廢氣的溫度為260℃，進入鍋爐的水溫為25℃，產生的飽和水蒸氣溫度為233℃，廢氣的平均摩爾熱容為32.5kJ/（kmol·℃），試計算每100kmol的廢氣可產生的水蒸汽量？（233℃水蒸汽焓為2798.9kJ/kg，25℃水的焓為104.6kJ/kg，廢氣熱損失為5%）2.某中試車間經常為其他企業提供500L發酵罐的中試服務，為了保證蒸汽的正常供應，打算為其專門配套電加熱蒸汽鍋爐一臺，滿足培養基實罐滅菌需要，請計算當發酵罐填裝系數為70%時，電蒸汽鍋爐應具備多大的蒸發量？（培養基從10℃升溫到121℃，培養基密度為1040kg/m3，比熱容為4.02kJ/(kg℃)，蒸汽壓力為0.4MPa（表壓），升溫過程中的熱損失占蒸汽供熱的20%）作業：1、某工廠計劃利用廢氣的廢熱。進入鍋爐的廢氣溫度為45TheEndTheEnd演講完畢，謝謝觀看！演講完畢，謝謝觀看！第四章

工藝計算武漢生物工程學院生物科技系周念波TelQ：7389418第四章工藝計算武漢生物工程學院生物科技系周念波第二節熱量平衡計算一、熱量衡算的意義1、通過熱量衡算，計算生產過程能耗定額，進而計算加熱劑或冷卻劑的用量。2、計算由設備傳遞的熱量，為設備設計提供依據。3、通過熱量衡算分析研究工程設計和生產操作中熱量利用是否經濟合理，以提高熱量利用水平。P75第二節熱量平衡計算一、熱量衡算的意義1、通過熱量衡算，計算二、熱量衡算的依據1.依據：熱力學第一定律。2.熱量衡算方程∑Q入=∑Q出+∑Q損即：輸入=輸出+損失式中∑Q入——輸入的熱量總和(kJ)∑Q出——輸出的熱量總和(kJ)∑Q損——損失的熱量總和(kJ)熱能可以從一個物體傳遞給另一個物體，也可以與機械能或其他能量相互轉換，在傳遞和轉換過程中，能量的總值不變。二、熱量衡算的依據1.依據：熱力學第一定律。2.熱量衡算方程對于單元設備的熱量衡算，熱平衡方程可寫成如下形式：∑Q入=∑Q出+∑Q損Ql+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6+Q7+Q8式中Ql——各股物料帶入設備的熱量(kJ)Q2——由加熱劑(或冷卻劑)傳給設備和物料的熱量(kJ)Q3——過程的熱效應，包括生物反應熱、攪拌熱、狀態熱等(kJ)Q4——各股物料帶出設備的熱量(kJ)Q5——加熱或冷卻設備需要的熱量(kJ)Q6——加熱物料需要的熱量(kJ)Q7——氣體或蒸汽帶出的熱量(kJ)Q8——損失的熱量，如設備向環境散失的熱量(kJ)P76×對于單元設備的熱量衡算，熱平衡方程可寫成如下形式：∑Q入=∑Ql+Q2+Q3=Q4+Q5+Q7+Q8式中Q1——各股物料帶入設備的熱量(kJ)Q2——由加熱劑(或冷卻劑)傳給設備和物料的熱量(kJ)Q3——過程的熱效應，包括生物反應熱、攪拌熱、狀態熱等(kJ)Q4——各股物料帶出設備的熱量(kJ)Q5——加熱或冷卻設備需要的熱量(kJ)Q7——氣體或蒸汽帶出的熱量(kJ)Q8——損失的熱量，如設備向環境散失的熱量(kJ)注意：①對具體的單元設備，上述的Q1至Q8各項熱量不一定都存在，故進行熱量衡算時，必須根據具體情況進行具體分析。②計算時，對于一些量小，比率小的熱量可以略去不計，以簡化計算。P76Ql+Q2+Q3=Q4+Q5+Q7+Q8式中Q1——各三、熱量衡算的一般步驟1.繪制出物料流程圖三、熱量衡算的一般步驟1.繪制出物料流程圖2.確定熱量平衡范圍體系進入熱量之和離開熱量之和一種是對單元設備做熱量衡算；另一種是對整個過程的熱量衡算。2.確定熱量平衡范圍體系進入熱量之和離開熱量之和一種是對單元3.搜集數據（1）設計條件規定的有關工藝操作數據，如溫度、壓力等。（2）涉及熱量衡算的各股物料的量及組成。（3）有關的物化數據，如比熱容、焓變、汽化熱、冷凝熱等。3.搜集數據（1）設計條件規定的有關工藝操作數據，如溫度、壓4.選定計算基準（1）物料數量上的基準：與物料衡算所選定的基準量相一致。（2）溫度的基準：通常取0℃為基準溫度，可簡化計算。P764.選定計算基準（1）物料數量上的基準：與物料衡算所選定的基5.列出熱量衡算方程式，進行具體的熱量衡算Ql+Q2+Q3=Q4+Q5+Q7+Q8各項熱量的計算：①物料帶入的熱量Q1和帶出的熱量Q4

Q=∑mct

m——物料質量(kg)c——物料比熱容[kJ/(kg·K)]t——物料進入或離開設備的溫度(℃)P765.列出熱量衡算方程式，進行具體的熱量衡算Ql+Q2+Q3②由加熱劑或冷卻劑傳給設備和物料的熱量Q2Ql+Q2+Q3=Q4+Q5+Q7+Q8——待求量Q=m△Hm=Q（h-i）η△H—焓變h—蒸汽的焓，KJ/kgi—相應冷凝水的焓，KJ/kgη—蒸汽的熱效率②由加熱劑或冷卻劑傳給設備和物料的熱量Q2Ql+Q2+Q3③過程熱效應Q3Q3=Q生物熱+Q攪拌熱+Q狀態熱Q生物熱：可測Q狀態熱：可查閱手冊Q攪拌熱

=3600Pη（KJ）

P——攪拌功率(kW)，η——攪拌過程功熱轉化率，通常η=92％Ql+Q2+Q3=Q4+Q5+Q7+Q8③過程熱效應Q3Q3=Q生物熱+Q攪拌熱+Q狀態④加熱設備耗熱量Q5

Q5=mc（t2-t1）式中m——設備總質量(kg)c——設備材料比熱容，kJ／(kg·K)t1

、t2——設備加熱前后的平均溫(℃)Ql+Q2+Q3=Q4+Q5+Q7+Q8P76④加熱設備耗熱量Q5Q5=mc（t2-t1）式中⑤氣體或蒸汽帶出的熱量Q7

Q7=∑(mct+mr)式中m——離開設備的氣態物料量

(如空氣、CO2等)(kg)c——液態物料由0℃升溫至蒸發溫度的平均比熱容，kJ/(kg·K)t——氣態物料溫度(℃)r——蒸發潛熱(kJ/kg)Ql+Q2+Q3=Q4+Q5+Q7+Q8⑤氣體或蒸汽帶出的熱量Q7Q7=∑(mct+mr)⑥設備向環境散熱的熱量Q8

Q8=AaT(tw-ta)τ式中A——設備總表面積(m2)aT——壁面對空氣的聯合給熱系數

W/(m2·℃)tw——壁面溫度(℃)ta——環境空氣溫度(℃)τ——操作過程時間(s)Ql+Q2+Q3=Q4+Q5+Q7+Q8⑥設備向環境散熱的熱量Q8Q8=AaT(tw-ta)

aT

的計算：①空氣作自然對流，aT=8+0.05tW②強制對流時(空氣流速w=5m/s):

aT=5.3+3.6w

或aT=6.7w0.78

(w>5m/s)aT的計算：對于單元設備的熱量衡算，熱平衡方程可寫成如下形式：Ql+Q2+Q3=Q4+Q5+Q7+Q8式中Ql——各股物料帶入設備的熱量(kJ)Q2——由加熱劑(或冷卻劑)傳給設備和物料的熱量(kJ)Q3——過程的熱效應，包括生物反應熱、攪拌熱、狀態熱等(kJ)Q4——各股物料帶出設備的熱量(kJ)Q5——加熱或冷卻設備需要的熱量(kJ)Q7——氣體或蒸汽帶出的熱量(kJ)Q8——損失的熱量，如設備向環境散失的熱量(kJ)對于單元設備的熱量衡算，熱平衡方程可寫成如下形式：Ql+Q2年產6000噸大豆分離蛋白車間熱量衡算①熱水罐內熱水②滅菌用蒸汽③閃蒸④噴霧干燥需要進行熱量平衡計算的操作單元：年產6000噸大豆分離蛋白車間熱量衡算①熱水罐內熱水需要閃蒸噴霧干燥成品包裝中和灌滅菌離心機水、堿液萃取灌原料豆粕粉酸沉灌離心機堿液堿性蛋白溶液25℃40℃年產6000噸大豆分離蛋白車間總熱量衡算140℃140℃65℃閃蒸噴霧干燥成品包裝中和灌滅菌離心機水、堿液萃取灌原料豆粕粉1、熱水熱量計算（以1噸蛋白粉為基準）水溫取平均值25℃，浸提溫度30～70℃。計算時取40℃，比熱容取4.2kJ/kg·℃。所需熱量由Q=mc△t得：Q=23.7×103×4.2×（40-25）=1.5×106（kJ）故消耗蒸汽量為：使用表壓為0.21MPa的飽和蒸汽m=1.5×106/（2725.5-563.44）×95%=770.9（kg）

=0.77（t）閃蒸噴霧干燥成品包裝中和灌滅菌離心機水、堿液萃取灌原料豆粕粉酸沉灌離心機堿液堿性蛋白溶液25℃40℃140℃140℃65℃項目1噸1批（0.7噸）6000噸原料豆粕量質量（t）2.371.6614220體積（m3）3.162.2118960原料豆粕加水量（t）23.716.60142200鮮豆渣質量（t）2.962.0817760堿性蛋白溶液質量（t）23.1116.18138660體積（m3）22.715.90136200乳清水量質量（t）21.4915.04128940體積（m3）21.4915.04128940調漿中和加水量（t）4.583.2127480中性蛋白溶液質量（t）6.254.3837500體積（m3）5.874.1135196總耗水量（t）28.2819.81169680燒堿消耗量（kg）29.3320.53175980鹽酸消耗量（L）44.531.15267000消泡劑耗量（kg）0.340.2420401、熱水熱量計算（以1噸蛋白粉為基準）水溫取閃蒸噴霧干燥成品包裝中和灌滅菌離心機水、堿液萃取灌原料豆粕粉酸沉灌離心機堿液堿性蛋白溶液25℃40℃140℃140℃65℃2、滅菌過程閃蒸噴霧干燥成品包裝中和灌滅菌離心機水、堿液萃取灌原料豆粕粉2、滅菌過程滅菌過程溫度控制在140℃左右，在10~15S內瞬時滅菌，中性蛋白質溶液濃度為16％。此時比熱取牛乳比熱為近似比熱，牛乳比熱為3.8～4.02kJ/kg℃，查《乳品工業手冊》取4.0kJ/kg℃。Q2=6.25×

103×4.0×(140-25)=2.875×106（kJ）加熱蒸汽表壓取0.9MPa，對應飽和蒸汽溫度為179℃，飽和蒸汽熱焓為=2776.57kJ/kg，140℃冷凝水焓為589.81kJ/kg

(以上數據查自《化工原理》上冊和《乳品工業手冊》)。m=2.875×106/[(2776.57-589