[精选]物料衡算和能量平衡培训课件33737

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第一章物料衡算和能量平衡,本章重点和难点,掌握物料衡算的方法；,掌握能量平衡的原则和方法；,掌握食品比热的计算方法和焓的计算；,掌握食品在冷冻过程中焓变的计算方法；,了解通过数学模型解决工程问题的思路。,第一章 物料衡算和能量平衡,依据质量守恒定律，进入与离开某一过程的物料质量之差，等于该过程中累积的物料质量，即：,对于连续操作的过程，若各物理量不随时间改变，即处于稳定操作状态时，过程中不应有物料的积累，则物料衡算关系为：,输入量输出量累积量,Inflow-Outflow=Accumulation,输入量输出量,用物料衡算式可由过程的已知量求出未知量。,一,、,物料衡算（,Material balance,）,物料衡算的用途：,配方产品,估算终产品的组成,估算产品的加工收率,评估分离效率,【,例,1-1】,求从,100,kg,含有糖,20%(,质量比,),和水溶性不可结晶杂质,1%,的糖浆中结晶生产的糖（干基）的量。具体操作过程是首先将糖浆浓缩到,75%,糖浓度，送至结晶器中冷却到,20,结晶，经离心分离后再于干燥器中干燥得到糖晶体。,图,1-1,糖结晶过程流程图各系统边界和进出系统物料流,（,一）总物料平衡,物料衡算按以下步骤进行：,从试验结果中收集所有关于流体流入和流出的质量和成分；,绘制框图，标明整个过程，正确标出物料的流入口和流出口，划定系统边界，确定衡算范围，将所有可用数据标注在框图上；,选择一个合适的计算基准（如质量或时间），如何选择取决于计算的方便性；,按照选定的基准建立物料平衡方程来计算未知量，每个未知量对应一个单独的物料平衡方程。,（二）组分物料衡算,（三）基准和联系物,联系物（,Tie material,）即在过程中能够联系不同物质流关系的组分。通常这个联系物在整个过程中是不变化的。,基准（,Basis,）在未给定初始质量的情况下，如果要求的结果是比率或百分比，则可以假设一个基准方便解决问题。,（四）与稀释、浓缩、干燥关联的物料衡算（稳态）,【,例,1-2】,Mixer,水,20%NaCl 15 kg,10%NaCl,x,kg,图,1-2,稀释过程物料组成和流向图,例,2,中，联系物为,NaCl,，整个过程中总量不变；计算基础,15kg,，则,x,kg,稀盐水中,NaCl,质量与稀释前一样，为,3 kg,，所以,x,30 kg,即需要加水,15 kg,。,【,例,1-3】,(,X,),水,(,W,),80%,水,20%,固形物,(,D,),50%,水,50%,固形物,图,1-3,脱水过程物料组成和流向图,（,五）食品配料的混合,总质量守恒及组分衡算,【,例,1-4】,图,1-4,浓缩果汁混合过程中物料平衡和组分流向,Y,kg,45%solids,X,kg,65%solids,100 kg,45%solids,物料衡算的步骤,：,根据题意画出各物料的,流程示意图,，物料的流向用箭头表示，并标上已知数据与待求量。,规定衡算基准,，一般选用单位进料量或排料量、时间及设备的单位体积等作为计算的基准。在较复杂的流程示意图上应圈出衡算的范围，列出衡算式，求解未知量。,【,例,1-5】,将猪肉,(,蛋白质,15%,，脂肪,20%,，水,63%),和背膘,(,水,15%,，脂肪,80%,，蛋白质,3%),混合成,100 kg,脂肪含量,25%,的肉糜，试绘制总的物料平衡流程图和组分平衡。,图,1-5,肉糜混合斩拌物料平衡图,【,例,1-6】,利用膜分离系统浓缩一种液体食品，总固形物含量（,TS,）从,10%,提高至,30%,。整个浓缩过程一共分为两个阶段，第一阶段的浓缩排放出一部分低固形物含量的液体。第二阶段是从低固形物含量的液体中分离出最终所需的浓缩产品，剩下的液体返回至第一阶段进行再循环浓缩。试计算当循环液,2%,TS,、废弃液,0.5%,TS,、膜,1,和膜,2,两段中间流,25%,TS,情况下循环液的流速。整个过程以,100 kg/min,的流量产生,30%,TS,浓缩液。,图,1-5,两段膜浓缩系统物料衡算图,解：根据题意，已知进料,(,F,),浓度,=10%,，浓缩液,(,P,),浓度,=30%,，循环液,(,R,),浓度,=2%,，废物液,(,W,),浓度,=0.5%,，阶段中间液,(,B,),浓度,=25%,，浓缩液质量,流量,=100 kg/min,；取,1 min,作为计算基准，对于总系统有：,F,=,P,+,W,;,Fx,F,=,Px,P,+,W,x,W,;,F,=100+,W,;,F,(0.1)=100(0.3)+,W,(0.005),其中,x,为固体质量分数。,对第一阶段有：,F,+,R,=,W,+,B,;,Fx,F,+,R,x,R,=,Bx,B,+,W,x,W,;,F,(0.1)+,R,(0.02)=,B,(0.25)+,W,(0.005),对第二阶段有：,(100+,W,)(0.1)=30+0.005,W,0.1,W,-0.005,W,=30-10,0.095,W,=20,W,=210.5 kg/min,F,=310.5 kg/min,对第三阶段有：,310.5+,R,=210.5+,B,B,=100+,R,310.5(0.1)+0.02,R,=210.5(0.005)+0.25,B,310.5+0.02,R,=1.0525+25+0.25,R,R,=21.73 kg/min,即所求的循环量为,21.73 kg/min,。,二、能量平衡,（一）基本术语,1.,能（,Energy,）,势能（,Potential energy,）,:,E,p,=,mgh,动能（,Kinetic energy,）,:,E,k,=,mu,2,/,2,内能（,Internal energy,）,:Extensive property,其他形式的能,:,电能、化学能、磁能（,magnetic,）等,E,total,=,E,p,+,E,k,+E,i,能量平衡（,Energy balance,）,:,E,in,E,out,=,E,system,Energy in=Energy out+Accumulation,2.,封闭系统能量平衡,热量（,Heat,）,:,Q,功（,Work,）,:,W,能量平衡,:,E,Q,W,对恒压加热过程,:,H,Q,3.,开放系统的能量平衡,流动作功（,Flow work,）,W,mass flow,=,FL,=,pV,E,total,=,E,p,+,E,k,+,E,i,+,pV,静态流动系统：,E,in,=,E,out,（,二）,热 量,1.,显热和潜热,显热,(Sensible heat),：是两个不同温度物体间的能量传递，或由于温度的原因存在于物体中的能量。,潜热,(Latent heat),：是与相变关联的能量，如从固态转为液态时的融解,(,融化,),热，以及从液态转为蒸气时的汽化热。,Sensible heat:the energy transferred between two bodies at different temperatures,or the energy present in a body by virtue of its temperature.,Latent heat:the energy associated with transitions,heat of fusion,from solid to liquid,and heat of evaporation,from liquid to vapor.,2.,热 量和焓,焓,(Enthalpy,，,H,),：是物质的内在属性，其绝对值不能直接测量。但是，对于进入和离开系统的所有成分，如果选定一个参考状态设定其焓值为,0,，则该组分由参考状态到当前状态的焓变即是该条件下该组分的绝对焓值。,H,=,C,p,(,T,-,T,ref,),式中：,T,ref,参考温度（,reference temperature,）,0.01,C,；,C,p,常压下的比热。,单位质量物体在不同温度时的焓变就是热量,Q,：,Q,=,m C,avg,(,T,2,-,T,1,),3.,比热,比热,(Specific heat,C,p,),：是单位质量物质单位温度变化时吸收或释放出的热量。比热随温度的变化而变化。大多数固体和液体在相当宽的温度范围内有恒定的比热，而相比液体或固体，气体比热则随温度的变化而变化。,单位质量物质的焓变可以用下式计算：,通常使用平均比热：,avg,对于,不含脂肪,的水果、蔬菜的比热值：,C,avg,=4l86,.,8,M,+837,.,36(1-,M,),式中：,M,水分含量。,C,avg,=1674,.,72,F,+837,.,36,SNF,+4l86,.,8,M,(1-1),式中：,F,脂肪含量；,SNF,为非脂肪固形物含量；,M,水分含量。,水在冰点以上时的比热值为,4186.8 J/(kg),，非脂固体的比热为,837.36 J/(kg),。,含脂肪,食品的比热值：,比热模型一：,Seibels,方程,【,例,1-7】,计算含,15%,蛋白质、,20%,脂肪和,65%,水的烤牛肉的比热。,解：由式（,1,1,）得：,C,avg,=0,.,65(4186,.,8)+0,.,15(837,.,36)+0,.,2(1674,.,72)=3182 J/(kg),注,：,Siebels,方程在计算食品体系比热时还是过于简单，,因为这个方程假设各种类型的非脂固体的比热是相同的,。,Siebels,方程在计算冰点以下时的食品比热时，假设此状态下所有的水都是冻结的，这是不准确的。,对于水分含量,M,0.7,且不含脂肪情况下，,Seibels,方程计算值与实验值非常接近,！,比热 模型二,：,Choi and Okos,方程,Choi and Okos(1987):,冻结前食品的比热是食品中各组分的温度,(C),的函数。,式中,:,P,F,Fi,A,C,X,蛋白质、脂肪、纤维素、灰分、碳水化合物和水分的质量分数。,其中，食品中各组分的比热为：,(1-2),【,例,1-8】,计算一种含,15%,蛋白质、,20%,蔗糖、,1%,纤维、,0.5%,灰分、,20%,脂肪和,43.5%,水分的配方食品在,25,时的比热值。,解：根据,Chio&Okos,数学模型式，分别将各组分的质量分数和温度,T,(25),代入相关计算式，得到,C,pp,=2037,.,6;,C,pf,=2018,.,0;,C,pc,=1594,.,1;,C,pfi,=1891,.,3;,C,pa,=1137,.,5;,C,waf,=4179,.,6,，以上单位均为,J/(kg),。代入式,(1-2),得：,C,pavg,=0,.,15(2037,.,6)+0,.,2(1594,.,1)+0,.,01(1891,.,3)+,0,.,005(1137,.,5)+0,.,2(2018)+0,.,435(4179,.,6)=2870,.,8 J/(kg),如果将例,8,中的情况用,Seibels,方程式求解，则可以得到：,C,p,=1674,.,72(0,.,2)+837,.,36(0,.,15+0,.,01+0,.,005+0,.,2)+4186,.,8(0,.,435),=2462 J/(kg),说明,：一般地，对于高水分含量的食品体系，,Choi&Okos(1988),计算值要高于,Seibels,方程,Seibels,方程与,Choi and Okos,方程比较,水分含量,M,0.7,且不含脂肪情况下，,Seibels,方程计算值与实验值非常接近。,Choi&Okos(1988),在低水分含量且成分组成比较宽泛的大多数食品中适用。,比热 模型三,：,温度区间平均比热,（,三）食品