制药工程学第05章

Pharmaceutical Engineering
制作人:王志祥等
5.2.2 Calculations of various energy
(1) Criterion of Calculation (2) Calculations of Q1 or Q4 (3) Calculation of Q3 (4) Calculation of Q5 (5) Calculation Q6
T 6.2 4.2u
T 7.8u
0.78
(5-11)
当空气速度大于5ms-1时，T可按下式估算 (5-12) (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。
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5.2.3 Methods and Approaches
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。
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5.1 Introduction
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
(5-1)
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。
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5.2.1 Energy balance Equations
Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6
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(1) Criterion of Calculation
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1.013105 Pa为计算基准。对于有反应的过程，也常以
25oC和1.013105Pa为计算基准。
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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。 为求出Q2，必须求出式(5-1)中其它各项热量的值。
材料的平均定压比热，kJkg-1oC-1 ；t1—设备各部件
Q5 GCp ( t 2 t1 )
的初始温度，oC；t2—设备各部件的最终温度，oC。
与其他各项热量相比，Q5的数值一般较小，因此， Q5常可忽略不计。
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(5) Calculations of Q6
制定节能措施、降低单位能耗提供可靠的依据。
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5.1 Introduction
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。
相变热为负值；反之，冷凝、结晶、凝华过程的相变 热为正值。
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1. Thermal of Phase transition
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。 一般热力学数据中的相变热以吸热为正,放热 为负,与式(5-1)中的符号规定正好相反。
5.3 Thermal Effects
5.3.1 Thermal in Physical changes 5.3.2 Thermal in Chemical changes
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5.3.1 Thermal in Physical Changes
明确衡算目的，如通过热量衡算确定某设备或
(1)
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。
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册查得。
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(2) Calculations of Q1 or Q4
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
Q1或Q 4 GC p (t 2 t 0 )
kJkg-1 oC-1。
(5-5)
式中Cp—物料在(t0~t2)oC范围内的平均定压比热，
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。
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5.2.1 Energy balance Equations
由式(5-1)可求出Q2，即设备的热负荷。若Q2 为正值，
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物质从一相转变至另一相的过程，称为相变过程，
如蒸发、冷凝、熔融、结晶、升华、凝华都是常见的
相变过程。相变过程常在恒温恒压下进行，所产生的 热效应称为相变热。由于相变过程中，体系的温度不 发生改变，故相变热常称为潜热。蒸发、熔融、升华 过程要克服液体或固体分子间的相互吸引力，因此，
这些过程均为吸热过程，按式(5-1)中的符号规定，其
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5.2 Energy Balance
5.2.1 Energy balance Equations
5.2.2 Calculations of various energy
5.2.3 Methods and Approaches
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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。
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(3) Calculations of Q3
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 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 Q 0 热效应，可根据物质的反应量和化学反应热计算。
在圆筒壁保温层外，T可按下式估算
(5-9)
T 9.4 0.052(t W t )
(5-10)
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(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。
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(3) Calculations of Q3
过程的热效应由物理变化热和化学变化热两部
分组成，即
Q3 Q p Qc
式中 Qp——物理变化热，kJ； Qc——化学变化热，kJ。
(5-6)
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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.Thermal of Phase transition
2.Thermal of Concentration change
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5.3.1 Thermal in Physical Changes
设备向环境散失的热量Q6可用下式计算
Q6 T w (t w t) 10
3
(5-8)
式 中 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。
CHAPTER 5
ENERGY BALANCE
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5.1 Introduction
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
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5.2.1 Energy balance Equations
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
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
Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6
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(2) Calculations of Q1 or Q4
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
Cp a bt ct dt
2
3
(5-3) (5-4)
或
Cp a bt ct
2
式中a、b、c、d—物质的特性常数，可从有关手
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(5) Calculations of Q6
对于有保温层的设备或管道，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
t W 150 C
0
T 9.8 0.07(t W t )
c
过程为纯物理过程，无化学反应发生，如固体的溶解、
。
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(4) Calculations of Q5
对于稳态操作过程， Q 式计算
5
0 ；对于非稳态操作过
(5-7)
程，如开车、停车以及各种间歇操作过程，Q5可按下
式中G—设备各部件的质量，kg；Cp—设备各部件
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(2) Calculations of Q1 or Q4
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 t2 (5-2) 1 4 p t0 式中G—输入或输出设备的物料量，kg；t0—基准温
Q 或Q G C dt
度， 0C；t2—物料的实际温度， 0C；Cp—物料的定压 比热，kJkg-1oC-1。
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。此外，热负荷 也是确定加热剂或冷却剂用量的依据。
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5.1 Introduction
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、
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2. Thermal of Concentration change
恒温恒压下，溶液因浓度发生改变而产生的 热效应，称为浓度变化热。在药品生产中，以物 质在水溶液中的浓度变化热最为常见。但除了某 些酸、碱水溶液的浓度变化热较大外，大多数物 质在水溶液的浓度变化热并不大，不会影响整个 过程的热效应，因此，一般可不予考虑。