化工原理(天大版)干燥过程的物料衡算与热量衡算
化工原理物料衡算和热量衡算
化工原理物料衡算和热量衡算引言化工工程涉及许多物料的处理和转化过程，同时也需要考虑热量的平衡。
物料衡算和热量衡算是化工原理的重要内容，对于工程实践和过程优化具有重要的意义。
本文将介绍化工原理中的物料衡算和热量衡算的基本原理和计算方法。
物料衡算物料衡算是指对于化工工程中物料流动和转化过程的计算和分析。
在化工工程中，物料的流动和转化是实现各种反应和分离操作的基础，因此正确的物料衡算是保证工程设计和操作的关键。
在物料衡算中，我们通常需要考虑以下几个方面： 1. 物料的质量衡算：即对物料的质量输入和输出进行计算和分析。
对于物料的质量衡算，我们需要注意物料流动的平衡原则，即质量的输入必须等于输出。
2. 物料的能量衡算：即对物料的能量输入和输出进行计算和分析。
能量的输入和输出会影响物料的温度和相变过程，因此在能量衡算中需要考虑物料的热力学性质。
3. 物料的流动速度衡算：即对物料流动速度进行计算和分析。
物料的流动速度决定了反应和分离操作的效率，因此在物料衡算中需要合理地确定流量和速度的关系。
4. 物料的浓度衡算：即对物料中组分浓度的计算和分析。
物料的浓度会影响其反应和分离的速率和效果，因此在物料衡算中需要考虑不同组分浓度的变化规律。
物料衡算通常使用质量守恒和能量守恒等基本原理进行计算。
同时，还可以利用化学反应平衡的原理和质量流动的平衡原则进行衡算过程中的参数确定。
热量衡算热量衡算是化工工程中热力学过程的计算和分析。
在化工工程中，热量的平衡是保证反应和分离操作能够正常进行的基础。
热量衡算需要考虑以下几个方面： 1. 热量的输入和输出：即对于热量的输入和输出进行计算和分析。
在化工工程中，我们通常需要对热量的输入和输出进行平衡，以保证工程操作的稳定性。
2. 热量的传递和转化：即对于热量的传递和转化过程进行计算和分析。
热量的传递可以通过传导、对流和辐射等方式进行，因此在热量衡算中需要考虑传热方式的影响。
3. 热平衡的计算：即对于反应和分离过程中热量平衡的计算和分析。
干燥过程的物料衡算与热量衡算
干燥过程的物料衡算与热量衡算1. 引言在工业生产中，许多物料需要经过干燥过程才能达到所需的水分含量。
干燥过程是将物料中的水分蒸发或驱除的过程，其中物料的衡算和热量的衡算是非常重要的。
本文将介绍干燥过程中的物料衡算和热量衡算的基本原理和方法。
2. 物料衡算物料衡算是指在干燥过程中对物料的质量进行衡量和追踪的过程。
通常情况下，物料的衡算可以分为进料衡算和出料衡算两个部分。
2.1 进料衡算在干燥过程中，物料的进料衡算是指对进入干燥设备的物料进行质量的测量和记录。
通常情况下，进料衡算可以通过称重装置、质量流量计等设备进行。
物料的进料衡算可以用以下公式表示：进料量 = 初始物料质量 - 终止物料质量2.2 出料衡算在干燥过程中，物料的出料衡算是指对从干燥设备中出来的物料进行质量的测量和记录。
同样地，出料衡算也可以通过称重装置、质量流量计等设备进行。
物料的出料衡算可以用以下公式表示：出料量 = 初始物料质量 - 终止物料质量3. 热量衡算热量衡算是指在干燥过程中对热量的衡量和追踪的过程。
热量衡算是确定干燥设备所需的热量输入和物料中的水分蒸发所需的热量的关键。
3.1 热量平衡公式热量平衡公式是用于计算干燥过程中所需的热量输入和物料中的水分蒸发所需的热量的关系。
热量平衡公式如下：热量输入 = 热量输出 + 热量损失其中，热量输入是指干燥设备所需的热量输入，热量输出是指物料中的水分蒸发所需的热量，热量损失是指在干燥过程中因为传导、对流和辐射等现象导致的热量损失。
3.2 热量输入的计算热量输入可以通过以下公式计算：热量输入 = 干燥空气的热量 + 干燥空气的水分蒸发热量 + 加热设备的热量其中，干燥空气的热量可以通过湿空气焓值表或湿空气定压比热容表进行查找，干燥空气的水分蒸发热量可以通过水的蒸发热量进行计算，加热设备的热量可以通过加热元件的功率和加热时间进行计算。
3.3 热量输出的计算热量输出可以通过以下公式计算：热量输出 = 出料量 * 物料的比热 * (物料的初始水分含量 - 物料的终止水分含量)其中，出料量是指干燥过程中物料的出料量，物料的比热可以通过物料的物性表进行查找，物料的初始水分含量和物料的终止水分含量可以通过物料的质量衡算进行计算。
干燥过程的物料衡算和热量衡算方法
干燥过程的物料衡算和热量衡算2007-03-30 08:25干燥过程的物料衡算和热量衡算对干燥流程的设计中，物料衡算解决的问题：/index/wxh-dxs/6-3.htm（1）物料气化的水分量W（或称为空气带走的水分量）；（2）空气的消耗量（包括绝干气消耗量L和新鲜空气消耗量L0）。
而热量衡算的目的，是计算干燥流程的热能耗用量及各项热量分配（即预热器换热量，干燥器供热量及干燥器热损失）。
一、湿物料中含水率表示法湿物料＝水分＋绝干物料（一）湿基含水量工业上常用这种方法表示湿物料的含水量。
（二）干基含水量XX＝湿物料中水分质量／湿物料中绝干料质量（８－１３）式中X――湿物料的干基含水量，kg水分.(kg绝干料)-1。
两者关系：二、干燥器的物料衡算图８－７各流股进、出逆流干燥器的示意图图８－７中，G――绝干物料流量，kg绝干料.s-1；L――绝干空气消耗量，kg绝干气.s-1；H1 ,H2――分别为湿空气进、出干燥器时的湿度，kg.（kg绝干气）-1；G1 ,G2――分别为湿物料进、出干燥器时的流量，kg湿物料.s-1； X1 ,X2――分别为湿物料进、出干燥器时的干基含水量，kg水分.（kg绝干料）-1。
（一）水分蒸发量W（二）空气消耗量L对干燥器作水分物料衡算：则：式中――每蒸发１kg水分消耗的绝干空气量，称为单位空气消耗量，kg绝干气.(kg水分)-1；L――单位时间内消耗的绝干空气量，kg绝干气.s-1。
说明：(1)新鲜空气用量式中 H0――空气进预热器前的湿度，kg.(kg绝干气)-1。
(1)风机入口风量，即新鲜空气的体积V0。
三、干燥系统热量衡算热量衡算可以确定各项热量的分配和消耗量，可作为计算空气预热器的传热面积，加热剂用量，干燥器热效率和干燥效率的依据，流程示意图如图８－８所示。
（二）非等焓过程１．若<０，则I2< I1。
如图８－１０所示，干燥过程沿BC1变化，该线在等焓线以下，斜率小于等焓线。
化工原理干燥过程和物料及热量衡算
四、空气通过干燥器时的状态变化
1、等焓干燥过程(理想干燥过程 )
规定： •不向干燥器中补充热量QD=0； •忽略干燥器向周围散失的热量QL=0；
•物料进出干燥器的焓相等 GI2 I1 0
Q Qp QD LI2 I1 GI2 I1 QL LI1 I0 Qp LI1 I0
2020/7/10
QD LI1 I0 LI2 I0 GI2 I1 QL
将上述条件代入
I1 I2
I
t1
B I1 I2
C
t2
A
t0
H0
H
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2、非等焓干燥过程
1）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；
•物料进出干燥器时的焓不相等 G I2 I1 0
3、换算关系
X
1 X
X 1
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二、干燥系统的物料衡算
1、水分蒸发量
以s为基准，对水分作物料衡算
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LH1 GX1 LH2 GX2
W LH2 H1 GX1 X2
2、空气消耗量L
L GX1 X 2 W
H2 H1 H2 H1
每蒸发1kg水分时，消耗的绝干空气数量l
H2 H1
0.0363 0.005
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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
Gcm 2 1 QL
干燥过程中的物料衡算和热量衡算
干燥过程中的物料衡算和热量衡算
式中qmw——水分的蒸发量，kg水分/s qmc——绝干物料 的质量流量，kg绝干料/s L——绝干空气的消耗量，kg绝干气/s H1，H2——分别为空气进出干燥器时的湿度，kg/kg绝干气； X1，X2——分别为湿物料进出干燥器的干基含水量，kg水分/kg
q′m1，q′m2——分别为湿物料进出干燥器的流量，kg物料/s。
Q=Qp+QD=L(I2-I0)+qmc (I′2-I′1)+QL
（9－24） （9－25）
(9－26)
干燥过程中的物料衡算和热量衡算
式中H0，H1，H2——湿空气进入预热器、离开预热器（即进 入干燥器）及离开干燥器时的湿度，kg/kg
I0，I1，I2——分别为湿空气进入预热器、离开预热器（即进 入干燥器）及离开干燥器时的焓，kg/kg
干燥过程中的物料衡算和热量衡算
图9－8 各流股进出逆流干燥器的示意图
干燥过程中的物料衡算和热量衡算
（1）对预热器进行热量衡算
LI0+Qp=LI1
（9－23）
在预热器中，空气的状态变化是等湿升温过程，即H1=H0，故预热器
Qp=L(I1-I0)=L(1.01+1088H0)(t1-t0) （2
QD=L(I2-I1)+qmc (I′ 2-I′1)+QL （3
干燥过程中的物料衡算和热量衡算
一般干燥过程，湿空气中水汽的量（H0）相对于绝干空气来 说，数值较小，同时湿物料进入干燥器的温度偏低。若忽略空气 中水汽进出干燥系统的焓变1．88H(t2-t0)和湿物料中水分带入干 燥系统的焓4.18Wθ1，则Q=Qp+QD=1.01L(t2-t0)+qmcM (θ2θ1)+qmw (2490+1.88t2)+QL （9－29）
干燥过程的物料平衡与热平衡计算
干燥过程的物料与热平衡计算1、湿物料的含水率湿物料的含水率通常用两种方法表示。
(1)湿基含水率：水分质量占湿物料质量的百分数，用ω表示。
(2)干基含水率：由于干燥过程中，绝干物料的质量不变，故常取绝干物料为基准定义水分含量。
把水分质量与绝干物料的质量之比定义为干基含水率，用χ表示。
(3)两种含水率的换算关系： 2、湿物料的比热与焓(1)湿物料的比热m C湿物料的比热可用加和法写成如下形式：式中：m C —湿物料的比热，()C kg J⋅绝干物料/k ； s C —绝干物料的比热，()C kg J⋅绝干物料/k ； w C —物料中所含水分的比热，取值4.186()C kg J⋅水/k (2)湿物料的焓I '湿物料的焓I '包括单位质量绝干物料的焓和物料中所含水分的焓。
(都是以0C为基准)。
式中：θ为湿物料的温度，C。
3、空气的焓I空气中的焓值是指空气中含有的总热量。
通常以干空气中的单位质量为基准称作比焓，工程中简称为焓。
它是指1kg 干空气的焓和它相对应的水蒸汽的焓的总和。
空气的焓值计算公式为：或()χχ2490t 1.881.01I ++=式中；I —空气(含湿)的焓，绝干空气kg/kg ；χ—空气的干基含湿量，绝干空气kg/kg ；1.01—干空气的平均定压比热，K ⋅kJ/kg ； 1.88—水蒸汽的定压比热，K ⋅kJ/kg ；2490—0C水的汽化潜热，kJ/kg 。
由上式可以看出，()t 1.881.01χ+是随温度变化的热量即显热。
而χ2490则是0C时kgχ水的汽化潜热。
它是随含湿量而变化的，与温度无关，即“潜热”。
4、干燥系统的物料衡算干燥系统的示意图如下：(1)水分蒸汽量W按上述示意图作干燥过程中的0水量与物料平衡，假设干燥系统中无物料损失，则：2211χχG LH G LH +=+ 水量平衡式中：W —单位时间内水分的蒸发量，s kg /；G —单位时间内绝干物料的流量，/s 绝干物料kg ；21H H ，—分别为干燥介质空气中的进入和排出干燥器的水分含量，绝干空气水/kg kg ；L —单位时间内消耗的绝干空气量，s /kg 绝干空气。
7.3干燥过程的物料衡算和热量衡算
预热器
G, t1 , H1
干 燥 器
废气
G, t2 , H2
产品 L2, w2 (X2), θ2
湿物料 L1, w1 (X1), θ1
连续干燥流程图
G ——干空气质量流量，kg干气/h L1、L2 ——物料进出干燥器总量，kg物料/h
2
一、绝干物料量LC
( kg干物料/h )
LC L1 (1 w 1 ) L2 (1 w 2 )
8
三、空气出口状态的确定方法 ——确定H2、I2 （1）计算法
W G ( H 2 H 1 ) LC ( X 1 X 2 )
( H 2 、 I2 )
QD G ( I 2 I1 ) LC ( I 2 ' I1 ' ) QL
I1 I2 B t1 D C =1
7.3 干燥过程的物料衡算和热量衡算
7.3.1 干燥过程的物料衡算 湿基含水量 w [kg水/kg湿物料]
湿物料中水分质量 w 湿物料总质量
干基含水量 X
[kg水/kg干物料]
湿物料中水分质量 X 湿物料中绝干物料质量
X 换算关系： w 1 X
w X 1 w
1
G, t0 , H0
预热(t0t1) ：AB 干燥(t1t2) ：
• 等焓过程：BD • 不等焓过程：BC
t2 t0
A
10
补充热量: QD G ( I 2 I1 ) LC ( I 2 ' I1 ' ) QL 外加热量: Q Q
P
Q
D
Q G ( I 2 I 0 ) LC ( I 2 ' I 1 ' ) Q L
化工原理讲稿2(第五章)(天大版)
干物料] ②干基含水量 X [kg水/kg干物料 水 干物料
湿物料中水分质量 X = 湿物料中绝干物料质量 Gw = G − Gw
湿 物 料 中 绝 干 物 料 质 量 ： G C = G − G w；
五、空气通过干燥器时的状态 一、等焓干燥过程 指绝热干燥过程或理想干燥过程； 指绝热干燥过程或理想干燥过程； —— 空气在进、出干燥器的焓值不变； 空气在进、出干燥器的焓值不变；
H ↑ I1 = (1.01 + 1.88 H1 ) t1 + 2490 H1 I1 = I 2 ；其中： t ↓ I 2 = (1.01 + 1.88 H 2 ) t2 + vH vH （ kg 水 k g 干 气 = kg 水 3 m 湿 气 k g干 气 m 3湿 气 ）
t1 I2 其中： ⇒ I1 = I 2 ⇒ ⇒ 查 H − I图 ⇒ H H 0 = H1 ϕ 2 ⇒ ∆H = H 2 − H1
2
习题7： 习题 ：
w1 X1 = 1 − w1 G = G（1 − w 2） W 2 1. ⇒ ⇒ L= （ a式 ） ； （ H 2 − H1 W = G X 1 − X 2） X = w2 2 1 − w2 ϕ 0 ps 0 a、 H 0 = H 1 = 0.622 （ t 0 → p s 0） p − ϕ 0 ps0 b、 干 燥 器 热 量 衡 算 ： L ( I 1 − I 2 ) = G C ( I 2 ' − I 1 ' ) + Q（ b 式 ） ； L
'' 3.V（风量） LvH ( m 3湿气 h ) =
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1
8.3干燥过程的物料衡算与热量衡算
干燥过程是热、质同时传递的过程。
进行干燥计算，必须解决干燥中湿物料去除的水分量及所需的热空气量。
湿物料中的水分量如何表征呢？
湿物料中的含水量有两种表示方法
1.湿基含水量w
湿物料总质量
湿物料中水分的质量=
w kg 水/kg 湿料 2.干基含水量X
量
湿物料中绝干物料的质湿物料中水分的质量=
X kg 水/kg 绝干物料 3.二者关系 X X w +=1w
w X -=1 说明：干燥过程中，湿物料的质量是变化的，而绝干物料的质量是不变的。
因此，用干基含
水量计算较为方便。
图8.7 物料衡算
符号说明：
L ：绝干空气流量，kg 干气/h ；
G 1、G 2：进、出干燥器的湿物料量，kg 湿料/h ；
G c ：湿物料中绝干物料量，kg 干料/h 。
产品
G 2, w 2, (X 2), θ2
G 1, w 1, (X 1), θ1
L, t 2 , H 2
目的：通过干燥过程的物料衡算，可确定出将湿物料干燥到指定的含水量所需除去的水分量及所需的空气量。
从而确定在给定干燥任务下所用的干燥器尺寸，并配备合适的风机。
1.湿物料的水分蒸发量W[kg 水/h] 通过干燥器的湿空气中绝干空气量是不变的，又因为湿物料中蒸发出的水分被空气带
走，故湿物料中水分的减少量等于湿物料中水分汽化量等于湿空气中水分增加量。
即：
[])]([][)(1221221121H H L W X X G w G w G G G c -==-=-=- 所以：1212221
1
2111w w w G w w w G G G W --=--=-= 2.干空气用量L[kg 干气/h] 1212)
(H H W L H H L W -=∴-=Θ 令121H H W L l -==
[kg 干气/kg 水] l 称为比空气用量，即每汽化1kg 的水所需干空气的量。
因为空气在预热器中为等湿加热，所以H 0＝H 1，0
21211H H H H l -=-=，因此l 只与空气的初、终湿度有关，而与路径无关，是状态函数。
湿空气用量：)1(0'H L L += kg 湿气/h 或)1(0'H l l += kg 湿气/kg 水
湿空气体积：H s L V υ= m 3湿气/h 或H s l V υ=' m 3湿气/kg 水
通过干燥器的热量衡算，可以确定物料干燥所消耗的热量或干燥器排出空气的状态。
作为计算空气预热器和加热器的传热面积、加热剂的用量、干燥器的尺寸或热效率的依据。
1.流程图
温度为，湿度为H 0，焓为的新鲜空气，经加热后的状态为t 1、H 1、I 1，进入干燥器与湿物料接触，增湿降温，离开干燥器时状态为t 2、H 2、I 2，固体物料进、出干燥器的流量为G 1、G 2，温度为θ1、θ2，含水量为X 1、X 2。
通过流程图可知，整个干燥过程需外加热量有两处，预热器内加入热量Q p ，干燥器内加入热量Q d 。
外加总热量Q ＝Q p ＋Q d 。
将Q 折合
3
为汽化1kg 水分所需热量D p D P q q W
Q Q W Q q +=+==
2.预热器热量衡算
若忽略热损失，则 [kJ/kg 水]
3.干燥器的热量衡算
（1）输入量
①湿物料带入热量'M q
112'θθw M M c c W
G q += 式中：
M c ：干燥后物料比热，[kJ/kg 湿料℃]
s w M c w c w c )1(22-+=
w c ：水的比热，[kJ/kg 水℃]
s c ：绝干物料比热，[kJ/kg 干料℃]
②空气带入的焓值 11lI W
LI = ③干燥器补充的热量 W Q q d D =
（2）输出量
①干物料带出焓值 W
Q c G M 22 ②废气带出焓值 2lI
③热损失 L q
在稳定干燥过程中，输入量等于输出量，干燥器热量衡算式为：
112212)()(θθθw L M D c q c W
G I I l q -+-+-=
)()(0101P P I I l W
I I L W Q q -=-==
由于空气在干燥器内发生增湿降温变化过程，如何确定废气出口状态，需对不同干燥过程进行分析。
1.等焓干燥过程（理想干燥过程、绝热干燥过程）
等焓干燥过程是指干燥在绝热情况下进行的，空气在进出干燥器的焓值不变，即I 1＝I 2。
112212)()(θθθw L M D c q c W
G I I l q -+-+-= 112202)()(θθθw L M c q c W
G I I l q -+-+-= L M D w q c W G q c I I l ---
+=-)()(122112θθθ 令：L M D w q c W
G q c ---+=∆)(1221θθθ 则：∆=--=-1
21212)(H H I I I I l 若为等焓过程，则I 1＝I 2，∆＝0。
可用⎪⎩⎪⎨⎧++===---+=-2
22121221122492)88.101.1(0)()(H t H I I q c W G q c I I l L M D w θθθ 求出（H 2、I 2）。
等焓干燥过程有以下两种情况：
A.整个干燥过程无热损失、湿物料不升温、干燥器不补充热量、湿物料中汽化水分带入的 热量很少。
B.干燥过程中湿物料中水分带入的热量及补充的热量刚好与热损失及升温物料所需的热量相抵消。
2.实际干燥过程
很显然，只有在保温良好的干燥器和湿物料进出干燥器温度相差不大的情况下，才可近似当作等焓过程处理。
由于对干燥器的绝热保温很难，因此实际干燥过程是在非绝热情况下进行的，即0≠∆。
（1）当补充的热量大于损失的热量时，0>∆。
（2）当补充的热量小于损失的热量时，0<∆。
干燥器的热效率是干燥器操作性能的一个重要指标。
热效率高，表明热的利用程度好，操作费用低，同时可合理利用能源，使产品成本降低。
因此，在操作过程中，希望可获得尽可能高的热效率。
1.定义
)
(01P I I l q -=
5 %100kg 1kg 1'
⨯=q
q ＝量水分外界所需补充的热汽化湿物料中水分所需的热量汽化湿物料中η 2.提高热效率途径
（1）当t 0，t 1一定时，。
；↑↑→↑↓→ηη22H t
但↓-↓-↓），传质推动力（）
，传热推动力（H H t t t w w 22 因此在设计时规定：t 2要比热空气进入干燥器时的湿球温度t w 高20~50℃。
（2）当t 0，t 2一定时，。
↑↑→η1t
提高空气的预热温度，可提高热效率。
空气预热温度高，单位质量干空气携带的热量多，干燥过程所需要的空气量少，废气带走的热量相应减少，故热效率得以提高。
但是，空气的预热温度应以湿物料不致在高温下受热破坏为限。
对不能经受高温的材料，采用中间加热的方式，即在干燥器内设置一个或多个中间加热器，往往可提高热效率。
（3）尽量利用废气中的热量，如用废气预热冷空气或湿物料，减少设备和管道的热损失，都有助于热效率的提高。