第四章能量衡算及热数据的估算第一节概述引言药物生产所经过的单元反应和单元操作都必须满足一定的工艺要求，如严格地控制温度、压力等条件，因此如何利用能量的传递和转化规律，以保证适宜的工艺条件，是工业生产中重要的问题。一、能量衡算的目的和意义（一）在过程设计中，进行能量衡算，可得过程所需要的能量和过程能耗指标，以便对工艺设计的多种方案进行比较，选定先进的生产工艺。（二）能量衡算的数据是设备选择与计算的依据。使设备既能满足物料衡算的要求又能满足热量衡算的要求。（三）能量衡算是组织、管理、生产、经济核算和最优化的基础。工厂生产的能量平衡，可以说明能量利用的形式及节能的可能性，找出生产中存在的问题，有助于工艺流程和设备的改进以及制定合理的用能措施，达到节约能源、降低生产成本的目的。二、能量衡算的依据及必要条件能量衡算的主要依据是能量守恒定律（热力学第一定律）（热力学第二定律则对提高热效率，降低能耗起着指导作用）。进行能量衡算工作，必须具有物料衡算的数据以及所涉及到物料的热力学物性数据如反应热、溶解热、比热容、相变热等。三、能量守恒的基本方程能量守恒定律的一般方程式可写为：输出能量=输入能量+生成能量-消耗能量-积累能量（4-1）能量存在的形式有多种，如势能、动能、电能、热能、机械能、化学能等。在药品生产过程中热能是最常用的能量表现形式，所以以下主要介绍热量衡算。四、热量衡算的分类热量衡算分为单元设备的热量衡算和系统热量衡算。在工艺过程中，热量衡算所处的地位是：热量衡算以物料衡算作为基础，同时它又是设备计算的基础。可见是一个极重要的环节。第二节热量衡算一、设备的热量平衡方程式当内能、动能、势能的变化量可以忽略且无轴功时，根据能量守恒方程式可以得出以下热量平衡方程式：Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6(4-2)(4-与真实热容关系:dQ匠)可用算术平均值代式中，Q1：物料带入到设备的热量，KJQ2：加热剂或冷却剂传给设备或所处理物料的热量，KJQ3：过程热效应，KJ；放热为正；吸热为负Q4：物料离开设备所带走的热量，KJQ5：加热或冷却设备所消耗的热量，KJQ6：设备向环境散失的热量，KJ热量衡算的目的是计算Q2,从而确定加热剂或冷却剂的量。为了求出Q2必须知道式（4-2）中的其它各项，关键是求Q3。（一）各项热量的计算1、Q1与Q4的计算（4-3）式中m—输入（或输出）设备的各种物料的质量，KgCP—物料的定压比热，KJ/Kg°Ct0—基准温度，Ct2—物料的实际温度，CCp=f(t)=a+bt+ct2+...(4-4)当Cp—t是直线关系时，上式（4-3）可简化为Cp为t0〜t2之间的平均定压比热，可以是t0和t2下的定压比热之和的一半，也可以是t0和t2平均温度下的定压比热。Cp-Q在工程计算中，常使用平均热容：坊—百近似等于温度为2时物质的真热容如果已知道真热容公式，又知温度范围=CJ+-'7］十爲叶一g'十7；爲十弯QE=—fi)(4—C?=工Mq对气体混合物：式中：巫一一i组分的重量是百分数，(％)Cpj―—i组分的热容，(KJ/Kg・K)2、Q5的计算如是稳态操作过程，Q5=°；对于非稳态过程，如开车、停车以及各种间歇操作过程，Q5可按下式(4-6)计算。式中M—设备各部件的质量，KgCp—设备各部件材料的定压比热，KJ/Kg・°C设备各部件的初始温度，Ct2—设备各部件的最终平均温度，Ct1—般可取为室温，t2根据具体情况来定。设传热器壁两侧流体的给热系数分别为Ah(高温侧)和Al(低温侧)，传热终了时两侧流体的温度分别为th(高温侧)和tl(低温侧)，则(1)当Ah~Al时，t2=(th+tl)/2(2)当Ah>>Al时，t2=th(3)当Ah<
