制药工程学第05章.ppt

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1、CHAPTER5ENERGYBALANCE当物料衡算完成后,对于没有热效应的过程,可直接根据物料衡算结果以及物料的性质、处理量和工艺要求进行设备的工艺设计，以确定设备的型式、数量和主要工艺尺寸。而对于伴有热效应的过程,则还必须进行能量衡算,才能确定设备的主要工艺尺寸。在药品生产中，无论是进行物理过程的设备,还是进行化学过程的设备,大多存在一定的热效应,因此,通常要进行能量衡算。5.1Introduction对于新设计的设备或装置，能量衡算的目的主要是为了确定设备或装置的热负荷。根据热负荷的大小以及物料的性质和工艺要求，可进一步确定传热设备的型式、数量和主要工艺尺寸。

2、此外，热负荷也是确定加热剂或冷却剂用量的依据。5.1Introduction在实际生产中,根据需要,也可对已经投产的一台设备、一套装置、一个车间或整个工厂进行能量衡算,以寻找能量利用的薄弱环节,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。5.1Introduction能量衡算的依据是物料衡算结果以及为能量衡算而收集的有关物料的热力学数据，如定压比热、相变热、反应热等。能量衡算的理论基础是热力学第一定律，即能量守恒定律。能量有不同的表现形式，如内能、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，多数情况下，能量衡算可简化为热量衡算。5.

3、1Introduction5.2.1EnergybalanceEquations5.2.2Calculationsofvariousenergy5.2.3MethodsandApproaches5.2EnergyBalance当内能、动能、势能的变化量可以忽略且无轴功时，输入系统的热量与离开系统的热量应平衡，由此可得出传热设备的热量平衡方程式为(5-1)式中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；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

4、量，kJ。5.2.1EnergybalanceEquations在上式时，应注意除Q1和Q4外，其它Q值都有正负两种情况。例如，当反应放热时，Q3取“+”号；反之，当反应吸热时，Q3取“”号，这与热力学中的规定正好相反。5.2.1EnergybalanceEquations由式(5-1)可求出Q2，即设备的热负荷。若Q2为正值，表明需要向设备及所处理的物料提供热量，即需要加热；反之，则表明需要从设备及所处理的物料移走热量，即需要冷却。此外，对于间歇操作，由于不同时间段内的操作情况可能不同，因此，应按不同的时间段分别计算Q2的值，并取其最大值作为设备热负荷的设计依据。

5、为求出Q2，必须求出式(5-1)中其它各项热量的值。5.2.1EnergybalanceEquations(1)CriterionofCalculation(2)CalculationsofQ1orQ4(3)CalculationofQ3(4)CalculationofQ5(5)CalculationQ65.2.2Calculationsofvariousenergy在计算各项热量之前，首先要确定一个计算基准。一般情况下，可以0oC和1.013105Pa为计算基准。对于有反应的过程，也常以25oC和1.013105Pa为计算基准。(1)CriterionofCal

6、culation若物料在基准温度和实际温度之间没有相变化，则可利用定压比热计算物料所含有的显热，即(5-2)式中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，kJkg-1oC-1。(2)CalculationsofQ1orQ4物料的定压比热与温度之间的函数关系常用多项式来表示，即(5-3)或(5-4)式中a、b、c、d—物质的特性常数，可从有关手册查得。(2)CalculationsofQ1orQ4若已知物料在所涉及温度范围内的平均定压比热，则式(5-2)可简化为(5-5)式中Cp—物料在(t0~t2)o

7、C范围内的平均定压比热，kJkg-1oC-1。(2)CalculationsofQ1orQ4过程的热效应由物理变化热和化学变化热两部分组成，即(5-6)式中Qp——物理变化热，kJ；Qc——化学变化热，kJ。(3)CalculationsofQ3物理变化热是指物料的浓度或状态发生改变时所产生的热效应，如蒸发热、冷凝热、结晶热、熔融热、升华热、凝华热、溶解热、稀释热等。如果所进行的过程为纯物理过程，无化学反应发生，如固体的溶解、硝化混酸的配制、液体混合物的精馏等，则。化学变化热是指组分之间发生化学反应时所产生的热效应，可根据物质的反应量和化学反应热