化工原理-物料衡算和热量衡算

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条状:马铃薯切条、刀豆、香肠等; 膏糊状:如麦乳精、巧克力浆等; 粉末状:淀粉、奶粉等;
液态:包括各种溶液、悬浮液和乳浊液如牛奶、蛋液、 果汁等。
湿物料按其物理化学性质不同粗略分为如下两大类:
(1)含水分的液体
溶液:如葡萄糖、味精等的水溶液及食品的浸出液。 胶体溶液:如蛋白体溶液、果胶溶液等。
(2) 含水分的固体
废气 B
C A
目的:降低干燥推动力。适用于干燥太快时易翘曲、开裂、 变形的物料。
作业:
讲课内容教材部分复习; P294: 第3, 4, 5题 5月5日交。
四、干燥过程在湿焓图上的表达
1 典型干燥过程
将热量衡算式各项除以W:
G l( I2 - I1 ) = QD - W ( I'2 -I'1 ) - QL
代入: l 1 H2 H1
ε
=
I2 H2
-
I1 H1
=
QD
G W
(
I'2 -I'1
) - QL
B
根据e 的值,把干燥器分成两大类: t2
C
(1)e 0,称为理想干燥器
t1 A
或等焓干燥器 (P260文字说明) t0
(2)e 0,非等焓干燥过程
H0 H2
又分e <0 (I2 < I1)和e >0 两种情况
Q: 哪一个e <0 ?
B
t2
C’
t1 A C t0
B
t2
C
C’
t1 A t0
H0 H2
H0
H2
a)操作线在过B点等焓线下方 条件: • 不向干燥器补充热量QD=0; • 不能忽略干燥器向周围散失的热量 QL≠0;
X1

1 1 1
3.5 0.0363kg水 / kg绝干料 96.5
X2

0.5 1 0.5

0.00503kg水
/
kg绝干料
绝干空气量:
L GC X 2 X 2 0.9650.0363 0.00503 0.964kg / s
H2 H1
0.0363 0.005
G1
(5-30)
2 水分气化 量
绝干物料量
W G1 G2 G( X1 X 2) G = G1(1- w1 ) = G2(1-w2 )
单位!
3 干空气消耗量
由: 得:
LH1+GX1=LH2+GX2
L G(X1 X2) W H2 H1 H2 H1
或:
L
1
l
W H2 H1
LI1 I0 < LI2 I0
I1 < I2
c)操作线为过B点的等温线 向干燥器补充的热量足够多,恰使干燥过程在等温下进行 。
例:某种湿物料在常压气流干燥器中进行干燥,湿物料的 流量为1kg/s,初始湿基含水量为3.5%,干燥产品的湿基含 水量为0.5%。空气状况为:初始温度为25℃,湿度为 0.005kg/kg干空气,经预热后进干燥器的温度为140℃,若 离开干燥器的温度选定为60℃和40℃,试分别计算需要的 空气消耗量及预热器的传热速率。
l 比空气用量:每蒸发1kg水所需干空气的量,与空气 的初、终温度有关。


需H

0


:l


l (1

H0
)
(5-28)
G
X
G1
w1
G2
w2
三、热量衡算
L
H0,t0,I0
预热
Qp
QL
L
H1,t1,I1
G1,w1, q1,I’1
干燥
L
H2,t2,I2
G2,w2, q2,I’2
QD
整个系统: 进入 离开
t2 60 ℃
H2

1.011.88 0.005140
1.88 60 2490

2490 0.005 1.01 60 1.88 60 2490
0.0363kg / kg干空气
绝干物料量: G = G1(1- ω1) 1 1 0.035 0.965kg / s
分析物料的返潮情况
当t2=60℃时,干燥器出口空气中水汽分压为:
p2

PH2 0.622 H2
101.33 0.0363 5.59kPa 0.622 0.0363
t=50℃时,饱和蒸汽压ps=12.34kPa, ps > p2
即此时空气温度尚未达到气体的露点,不会返潮。
当t2=40℃时,干燥器出口空气中水汽分压为:
结晶质的固体:如糖和食盐等。 胶质分散系:如明胶、淀粉质物料等。
其中,后一类是多见的。胶质固体又可分为三类。 弹性胶体是典型的胶质固体,如明胶、洋胶、洋菜、面团 等。当除去水分后,这种物体将收缩,但保持其弹性。脆 性胶体除去水分后变脆,干燥后可能变化为粉末,如木炭、 陶质物料。第三类是胶质毛细孔物料,如面包、谷物,其 毛细管壁具有弹性,干燥时收缩,干燥后变脆。
IV 0 IV 2
b)湿物料进出干燥器时的比热取平均值 cm
湿空气进出干燥器时的焓分别为:
I0 cgt0 IV 0H0 I2 cgt2 IV 2H2
I2 I0 cg t2 t0 IV 2 H2 H0
I2 I0 cg t2 t0 r0 c02t2 H2 H0 1.01t2 t0 2490 1.88t2 H2 H0
Gcm q2 q1 QL
L W
W
H 2 H1 H 2 H 0
Q

1.01Lt2

t0

W H2
H0
2490
1.88t2
H 2

H0

Gcmq2 q1 QL
(5-36)
1.01Lt2 t0 W 2490 1.88t2 Gcmq2 q1 QL
• 物料进出干燥器时的焓不相等 GI2 I1 0
I
LI1 I0 > LI2 I0 t1
I1 > I2
t2
C3
B
I1

I2 C
C2
C1
H
b)操作线在过点B的等焓线上方 向干燥器补充的热量大于损失的热量和加热物料
消耗的热量之总和。
QD > GI2 I1 QL
2 物料湿含量的表示方法(P254)
(1)湿基含水量w 定义:水分在湿物料中的质量百分数
(2)干基含水量X 定义:水分质量与绝干物料质量之比
X=w/(1-w) (5-23)
w=X/(1+X) (5-22)
(3)湿物料的比热容 cm
cm = cs + X cw = cs + X·4.187
(5-24)
(4)湿物料的焓I’
包括:绝干物料的焓(0C为基准)和
物料中水分的焓(0C、液态水为基准 )
二、物料衡算
新鲜空气
L, t0 , H0
预热
1 产品 量
G1 , w1( X1 )湿物料
热空气
L, t1, H1
产品
干燥
G2 , w2( X2 )
废气
L, t2 , H 2
G2

1 w1 1 w2
单位时间内向干燥器补充的热量为
QD LI2 I1 GI2 I1 QL
(5-33)
单位时间内干燥系统消耗的总热量为
Q Qp QD LI2 I0 GI2 I1 QL
(5-34) —— 连续干燥系统热量衡算的基本方程式
假设: a)新鲜干空气中水汽的焓等于离开干燥器废气中水汽的焓
预热器的传热速率:
Qp LcH (t1 t0 )
L1.011.88H0 t1 t0
0.9641.011.88 0.005140 25
113kJ / s
t2 40 ℃
H2 0.0447kg / kg干空气
L 0.76kg / s
Qp 89kJ / s
湿物料进出干燥器的焓分别为:
I1 cm1q1
I2 cm2q2
I2 I1 cm q2 q1
Q Qp QD LI2 I0 GI2 I1 QL
L1.01t2 t0 2490 1.88t2 H2 H0
学号 请回答!
W 2490 1.88t2 100%
Q
W (2490 1.88t2 ) 100 %
Qp QD
一般地,废气温度低而湿度高时, 就高。但t2应
比tas高20~50ºC,以保证在干燥后不致返潮。
0:示意图 1:W 2:L0 3:V”(体积流量)
4:Qp 5:Q 6: QD 7:
又若空气在干燥器的后续设备中温度下降了10℃,试分 析以上两种情况下物料是否返潮?假设干燥器为理想干燥 器。
解:因在干燥器内经历等焓过程,IH1 IH 2
1.011.88H1t1 2490H1 1.011.88H2 t2 2490H2
t1 140℃ H1 H0 0.005kg / kg干空气
p2

101.33 0.0447 0.622 0.0447

6.79kPa
t=30℃时,饱和蒸汽压ps=4.25kPa, p2 > ps 物料可能返潮。
2 中间加热干燥过程
新鲜空气 预热
干燥
加热
废气 干燥
B
C A
目的:降低热空气温度。 适用于热敏性物料。
3 部分废气循环干燥过程
预热
干燥
新鲜空气
可见,向干燥系统输入的热量用于:加热空气、加热物 料、蒸发水分、热损失。
cm = cs + Xcw
干燥系统的热效率
蒸发水分所需的热量
向干燥系统输入的总热量 100%
?
蒸发水分所需的热量为
QV W 2490 1.88t2 4.187q1W
忽略物料中水分带入的焓
QV W 2490 1.88t2
热空气 物料 加入 损失
LI0 LI2 GI′1 GI′2 Qp+QD
QL
忽略预热器的热损失,以1s为基准,对预热器列焓衡算:
LI0 Qp LI1 (5-31/32)
预热器: QBiblioteka Baidu=L(I1-I0) kW
对干燥器列焓衡算,以1s为基准
LI1 GI1 QD LI2 GI2 QL
第二节 物料衡算和热量衡算 p254
一、湿物料的性质 二、物料衡算 三、热量衡算 四、干燥过程在湿焓图上的表达
一、湿物料的形态和含水量表示
1 湿物料的形态
湿物料按其外观形态的不同二分为下列几种:
散粒状:如谷物、各种油料种籽; 晶体:经过滤分离后的各种晶体,如葡萄糖、柠 檬酸、盐等; 块状:如马铃薯、胡萝卜、面包等; 片状:如果蔬、肉片、葱、蒜片、饼干等;