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。

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。

第三节 干燥过程的物料衡算和热量衡算对流干燥过程利用不饱和热空气除去湿物料中的水分，所以常温下的空气通常先通过预热器加热至一定温度后再进入干燥器。

在干燥器中热空气和湿物料接触，使湿物料表面的水分气化并将水气带走。

在设计干燥器前，通常已知湿物料的处理量、湿物料在干燥前后的含水量及进入干燥器的湿空气的初始状态，要求计算水分蒸发量、空气用量以及干燥过程所需热量，为此需对干燥器作物料衡算和热量衡算，以便选择适宜型号的风机和换热器。

7-3-1 物料中含水量的表示方法1．湿基含水量 湿物料中所含水分的质量分率称为湿物料的湿基含水量。

湿物料总质量湿物料中水分的质量=w （7-21）2．干基含水量 不含水分的物料通常称为绝对干料或干料。

湿物料中水分的质量与绝对干料质量之比，称为湿物料的干基含水量。

量湿物料中绝对干物料质湿物料中水分的质量=X （7-22）上述两种含水量之间的换算关系如下：w wX -=1 kg 水/kg 干物料XXw +=1 kg 水/kg 湿物料 （7-23） 工业生产中，通常用湿基含水量来表示物料中水分的多少。

但在干燥器的物料衡算中，由于干燥过程中湿物料的质量不断变化，而绝对干物料质量不变，故采用干基含水量计算较为方便。

7-3-2 干燥器的物料衡算通过物料衡算可求出干燥产品流量、物料的水分蒸发量和空气消耗量。

对图7-8所示的连续干燥器作物料衡算。

设 G 1——进入干燥器的湿物料质量流量，kg/s ；G 2——出干燥器的产品质量流量，kg/s ； G c ——湿物料中绝对干料质量流量，kg/s ；w 1，w 2——干燥前后物料的湿基含水量，kg 水/kg 湿物料； X 1，X 2——干燥前后物料的干基含水量，kg 水/kg 干物料； H 1，H 2——进出干燥器的湿空气的湿度，kg 水/kg 绝干空气； W ——水分蒸发量，kg/s ；L ——湿空气中绝干空气的质量流量，kg/s 。

图7-8 各物流进出逆流干燥器的示意图一、水分蒸发量 若不计干燥过程中物料损失量，则在干燥前、后物料中绝干物料质量流量G c 不变，即G c =G 1（1-w 1）=G 2（1-w 2） （7-24）整理得 ()211211w w G G --= （7-25）对干燥器中水分作物料衡算，可得W =L （H 2-H 1）=G c （X 1-X 2） （7-26）二、干空气消耗量L 整理式（7-26）得 ()121221H H W H H X X G L c -=--= （7-27） 蒸发1kg 水分所消耗的干空气量，称为单位空气消耗量，其单位为kg 绝干空气/kg 水分，用L 表示，则 121H H WL l -== （7-28） 如果以H 0表示空气预热前的湿度，而空气经预热器后，其湿度不变，故H 0=H 1，则式（7-28）可写为 021H H l -=（7-28a ）由上式可见，单位空气消耗量仅与H 2、H 0有关，与路径无关。

物料衡算和热量衡算物料衡算根据质量守恒定律，以生产过程或生产单元设备为研究对象，对其进出口处进行定量计算，称为物料衡算。

通过物料衡算可以计算原料与产品间的定量转变关系，以及计算各种原料的消耗量，各种中间产品、副产品的产量、损耗量及组成。

物料衡算的基础物料衡算的基础是物质的质量守恒定律，即进入一个系统的全部物料量必等于离开系统的全部物料量，再加上过程中的损失量和在系统中的积累量。

∑G1=∑G2+∑G3+∑G4∑G2：——输人物料量总和；∑G3：——输出物料量总和；∑G4：——物料损失量总和；∑G5：——物料积累量总和。

当系统内物料积累量为零时，上式可以写成：∑G1=∑G2+∑G3物料衡算是所有工艺计算的基础，通过物料衡算可确定设备容积、台数、主要尺寸，同时可进行热量衡算、管路尺寸计算等。

物料衡算的基准(1)对于间歇式操作的过程，常采用一批原料为基准进行计算。

(2)对于连续式操作的过程，可以采用单位时间产品数量或原料量为基准进行计算。

物料衡算的结果应列成原材料消耗定额及消耗量表。

消耗定额是指每吨产品或以一定量的产品(如每千克针剂、每万片药片等)所消耗的原材料量；而消耗量是指以每年或每日等时间所消耗的原材料量。

制剂车间的消耗定额及消耗量计算时应把原料、辅料及主要包装材料一起算入。

热量衡算制药生产过程中包含有化学过程和物理过程，往往伴随着能量变化，因此必须进行能量衡算。

又因生产中一般无轴功存在或轴功相对来讲影响较小，因此能量衡算实质上是热量衡算。

生产过程中产生的热量或冷量会使物料温度上升或下降，为了保证生产过程在一定温度下进行，则外界须对生产系统有热量的加入或排除。

通过热量衡算，对需加热或冷却设备进行热量计算，可以确定加热或冷却介质的用量，以及设备所需传递的热量。

热量衡算的基础热量衡算按能量守恒定律“在无轴功条件下，进入系统的热量与离开热量应该平衡”，在实际中对传热设备的衡算可由下式表示Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6（1—1）式中： Q1—所处理的物料带入设备总的热量，KJ;Q2—加热剂或冷却剂与设备和物料传递的热量（符号规定加热剂加入热量为“+”，冷却剂吸收热量为“-”），KJ;Q3—过程的热效率，（符号规定过程放热为“+”；过程吸热为“-”）Q4—反应终了时物料的焓（输出反应器的物料的焓）Q5—设备部件所消耗的热量，KJ;Q6—设备向四周散失的热量，又称热损失,KJ;热量衡算的基准可与物料衡算相同，即对间歇生产可以以每日或每批处理物料基准。

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 +=1wwX -=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), θ1L, 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：121222112111w w w G w w w G G G W --=--=-=2.干空气用量L[kg 干气/h]1212)(H H WL 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 1，021211H 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。