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1、食品工程原理课件2022/10/71第1页，共37页，编辑于2022年，星期三绪论绪论(Introduction)一、食品工程原理的发展历程一、食品工程原理的发展历程二、食工原理的性质、任务与内容二、食工原理的性质、任务与内容*三、单位制与单位换算三、单位制与单位换算*四、物料衡算四、物料衡算*五、能量衡算五、能量衡算六、过程的平衡与速率六、过程的平衡与速率七、课程安排七、课程安排第2页，共37页，编辑于2022年，星期三一、一、食品工程原理的发展历程食品工程原理的发展历程食品工程原理是由化工原理中引入的。食品工程原理是由化工原理中引入的。大约在大约在80年以前，开发石油面临着各种重要的年以前
2、，开发石油面临着各种重要的课题，从这个时期开始就逐渐发展起来一门工程学课题，从这个时期开始就逐渐发展起来一门工程学化学工程学。化学工程学。在在20世世纪纪初初明明确确地地提提出出了了单单元元操操作作的的概概念念（UnitOperation）。化化工工生生产产过过程程中中，除除了了化化学学反反应应以以外外，其其余余均均可可归归纳纳为为若若干干基基本本的的物物理理过过程程，如如流流体体输输送送与与压压缩缩、沉沉降降、过过滤滤、搅搅拌拌、传传热热、蒸蒸发发、结结晶晶、干干燥燥、吸吸收收、冷冷冻冻等等，这这些些基基本本的的物物理理过过程程称称为为UnitOperations。第3页，共37页，编辑于2
3、022年，星期三UnitOperation具有下列特点：具有下列特点：1）它们都是物理操作）它们都是物理操作即即只只改改变变物物料料的的状状态态或或其其物物理理性性质质，不改变其化学性质；不改变其化学性质；2）它们都是化工过程中共有的操作）它们都是化工过程中共有的操作但但不不同同的的化化工工过过程程中中所所包包含含的的UnitOperations数目、名称与排列顺序各异；数目、名称与排列顺序各异；3）不不 同同 生生 产产 过过 程程 中中 的的 同同 一一 Unit Operation具具有有相相同同的的基基本本原原理理和和通通用用的典型设备的典型设备。第4页，共37页，编辑于2022年，星
4、期三随着化工单元操作向食品工业的渗透，近年来逐渐开始形成了食品随着化工单元操作向食品工业的渗透，近年来逐渐开始形成了食品随着化工单元操作向食品工业的渗透，近年来逐渐开始形成了食品随着化工单元操作向食品工业的渗透，近年来逐渐开始形成了食品 工程单元操作工程单元操作工程单元操作工程单元操作食品工程原理。食品工程原理。食品工程原理。食品工程原理。食工原理来源于化工原理，由于食品加工有其本身的特殊性（主要表食工原理来源于化工原理，由于食品加工有其本身的特殊性（主要表食工原理来源于化工原理，由于食品加工有其本身的特殊性（主要表食工原理来源于化工原理，由于食品加工有其本身的特殊性（主要表现在原料性质、产品
5、的物性上与化工生产不同），这里就存在着一个现在原料性质、产品的物性上与化工生产不同），这里就存在着一个现在原料性质、产品的物性上与化工生产不同），这里就存在着一个现在原料性质、产品的物性上与化工生产不同），这里就存在着一个继承与发展的问题。继承与发展的问题。继承与发展的问题。继承与发展的问题。化工单元操作在食品工业中的引入和运用，促使食品加工的科学化，化工单元操作在食品工业中的引入和运用，促使食品加工的科学化，化工单元操作在食品工业中的引入和运用，促使食品加工的科学化，化工单元操作在食品工业中的引入和运用，促使食品加工的科学化，使食品工业迅速向大规模、连续化、自动化方向发展。使食品工业迅速向大
6、规模、连续化、自动化方向发展。使食品工业迅速向大规模、连续化、自动化方向发展。使食品工业迅速向大规模、连续化、自动化方向发展。化工单元操作的理论引入食品工业后，对食品工业的发展起着重大的化工单元操作的理论引入食品工业后，对食品工业的发展起着重大的化工单元操作的理论引入食品工业后，对食品工业的发展起着重大的化工单元操作的理论引入食品工业后，对食品工业的发展起着重大的推动作用同时，其自身也发展变化。例如在浓缩、干燥、冷冻进展反推动作用同时，其自身也发展变化。例如在浓缩、干燥、冷冻进展反推动作用同时，其自身也发展变化。例如在浓缩、干燥、冷冻进展反推动作用同时，其自身也发展变化。例如在浓缩、干燥、冷冻
7、进展反而较化学工业为迅速。而较化学工业为迅速。而较化学工业为迅速。而较化学工业为迅速。说明：要学基本原理看化工原理；要研究其在食品上的应用看食工原理，这样说明：要学基本原理看化工原理；要研究其在食品上的应用看食工原理，这样说明：要学基本原理看化工原理；要研究其在食品上的应用看食工原理，这样说明：要学基本原理看化工原理；要研究其在食品上的应用看食工原理，这样易于理解。因国内现有的食工原理的书几个版本（首推高福成教授编的食品易于理解。因国内现有的食工原理的书几个版本（首推高福成教授编的食品易于理解。因国内现有的食工原理的书几个版本（首推高福成教授编的食品易于理解。因国内现有的食工原理的书几个版本（
8、首推高福成教授编的食品工程原理）只是给出了计算公式，详细的推导没有。公式的应用条件大多没工程原理）只是给出了计算公式，详细的推导没有。公式的应用条件大多没工程原理）只是给出了计算公式，详细的推导没有。公式的应用条件大多没工程原理）只是给出了计算公式，详细的推导没有。公式的应用条件大多没有说明，故在运用时难以把握。有说明，故在运用时难以把握。有说明，故在运用时难以把握。有说明，故在运用时难以把握。第5页，共37页，编辑于2022年，星期三二、食工原理的性质、任务与内容二、食工原理的性质、任务与内容1、性性质质：食食工工原原理理是是在在高高等等数数学学、物物理理学学、物物理理化化学学等等课课程程的
9、基础上开设的一门基础技术课程，具有极其特殊的地位和作用的基础上开设的一门基础技术课程，具有极其特殊的地位和作用1）食工原理是承前启后，由理及工的桥梁）食工原理是承前启后，由理及工的桥梁先先行行的的高高等等数数学学、物物理理学学、物物理理化化学学等等课课程程主主要要是是了了解解自自然然界界的的普普遍遍规规律律，属属于于自自然然科科学学的的范范畴畴，而而食食工工原原理理则则属属于于工工程程技技术术科科学学的的范范畴畴，是是食食品工程专业课程的基础。品工程专业课程的基础。2）食工原理具有显著的工程性）食工原理具有显著的工程性表现为：表现为：研研究究对对象象它它解解决决的的问问题题是是多多因因数数、多
10、多变变量量的的综综合合性性工工业业实实际问题；际问题；分析和处理问题的方法分析和处理问题的方法与理科课程有较大的不同。与理科课程有较大的不同。这可能导致部分学生在学习初期有些不适应。这可能导致部分学生在学习初期有些不适应。第6页，共37页，编辑于2022年，星期三2、任务：、任务：研究单元操作的基本原理、典型设备的构造及工艺尺寸研究单元操作的基本原理、典型设备的构造及工艺尺寸的计算（或选型）的计算（或选型）3、学习的目的：、学习的目的：培养分析和解决有关单元操作各种问题的能力，培养分析和解决有关单元操作各种问题的能力，以便在食品生产、科研与设计中到强化生产过程，提高产品质以便在食品生产、科研与
11、设计中到强化生产过程，提高产品质量，提高设备生产能力及效率，降低设备投资及产品成本，节量，提高设备生产能力及效率，降低设备投资及产品成本，节约能耗，防止污染及加速新技术开发等。约能耗，防止污染及加速新技术开发等。初步掌握食品过程开发、设计与操作的有关方法。初步掌握食品过程开发、设计与操作的有关方法。开发开发探索最佳的流程与设备，定出最佳的操作条件探索最佳的流程与设备，定出最佳的操作条件设计设计规定设备性能、选出设备的型式、确定设备的主要规定设备性能、选出设备的型式、确定设备的主要尺寸尺寸操作操作管理生产过程；使设备正常运转；对现有的生产过程与设管理生产过程；使设备正常运转；对现有的生产过程与设
12、备改进提高效率。备改进提高效率。第7页，共37页，编辑于2022年，星期三4、内容：、内容：11）流体流动过程：）流体流动过程：）流体流动过程：）流体流动过程：研究流体的流动和与之接触的研究流体的流动和与之接触的研究流体的流动和与之接触的研究流体的流动和与之接触的固体间发生相对运动时的基本规律，以及主要受这些固体间发生相对运动时的基本规律，以及主要受这些固体间发生相对运动时的基本规律，以及主要受这些固体间发生相对运动时的基本规律，以及主要受这些基本规律支配的若干单元操作，如流体输送、沉降、基本规律支配的若干单元操作，如流体输送、沉降、基本规律支配的若干单元操作，如流体输送、沉降、基本规律支配的
13、若干单元操作，如流体输送、沉降、过滤等。过滤等。过滤等。过滤等。2 2）热过程：）热过程：）热过程：）热过程：研究传热的基本规律，以及主要受这研究传热的基本规律，以及主要受这研究传热的基本规律，以及主要受这研究传热的基本规律，以及主要受这些基本规律支配的若干单元操作，如热交换、蒸发等。些基本规律支配的若干单元操作，如热交换、蒸发等。些基本规律支配的若干单元操作，如热交换、蒸发等。些基本规律支配的若干单元操作，如热交换、蒸发等。3 3）传质过程：）传质过程：）传质过程：）传质过程：研究物质通过相界面的迁移过程的研究物质通过相界面的迁移过程的研究物质通过相界面的迁移过程的研究物质通过相界面的迁移过
14、程的基本规律，以及主要受这些基本规律支配的若干单元操基本规律，以及主要受这些基本规律支配的若干单元操基本规律，以及主要受这些基本规律支配的若干单元操基本规律，以及主要受这些基本规律支配的若干单元操作，如固体干燥等。作，如固体干燥等。作，如固体干燥等。作，如固体干燥等。第8页，共37页，编辑于2022年，星期三5 5、怎样学习食工原理课程、怎样学习食工原理课程、怎样学习食工原理课程、怎样学习食工原理课程（1 1）树立工程观点树立工程观点树立工程观点树立工程观点11）过程的影响因数多：物性因数（密度、黏度等）、操作因数过程的影响因数多：物性因数（密度、黏度等）、操作因数过程的影响因数多：物性因数（
15、密度、黏度等）、操作因数过程的影响因数多：物性因数（密度、黏度等）、操作因数（温度、压力等）、结构因数（设备形状、尺寸等）。（温度、压力等）、结构因数（设备形状、尺寸等）。（温度、压力等）、结构因数（设备形状、尺寸等）。（温度、压力等）、结构因数（设备形状、尺寸等）。22）过程制约条件多：客观上存在许多制约条件：原料供应、设过程制约条件多：客观上存在许多制约条件：原料供应、设过程制约条件多：客观上存在许多制约条件：原料供应、设过程制约条件多：客观上存在许多制约条件：原料供应、设备供应、当地气温、安全防火等。备供应、当地气温、安全防火等。备供应、当地气温、安全防火等。备供应、当地气温、安全防火等
16、。33）经验公式与数据多：工业过程的复杂性，单纯的理论分析解经验公式与数据多：工业过程的复杂性，单纯的理论分析解经验公式与数据多：工业过程的复杂性，单纯的理论分析解经验公式与数据多：工业过程的复杂性，单纯的理论分析解决不了问题，往往需要结合实验，因此产生了许多经验公式与经验数决不了问题，往往需要结合实验，因此产生了许多经验公式与经验数决不了问题，往往需要结合实验，因此产生了许多经验公式与经验数决不了问题，往往需要结合实验，因此产生了许多经验公式与经验数据。这是前人智慧的结晶。据。这是前人智慧的结晶。据。这是前人智慧的结晶。据。这是前人智慧的结晶。44）效益是评价工程合理性的最终判据：自然科学研
17、究的目的通效益是评价工程合理性的最终判据：自然科学研究的目的通效益是评价工程合理性的最终判据：自然科学研究的目的通效益是评价工程合理性的最终判据：自然科学研究的目的通常是希望发现规律，而工业过程的目的是最大限度取得经济效益与社常是希望发现规律，而工业过程的目的是最大限度取得经济效益与社常是希望发现规律，而工业过程的目的是最大限度取得经济效益与社常是希望发现规律，而工业过程的目的是最大限度取得经济效益与社会效益。效益是工业过程的出发点，也是评价其是否成功的标志。会效益。效益是工业过程的出发点，也是评价其是否成功的标志。会效益。效益是工业过程的出发点，也是评价其是否成功的标志。会效益。效益是工业过
18、程的出发点，也是评价其是否成功的标志。第9页，共37页，编辑于2022年，星期三（2 2）对于每一个具体的单元操作，我们需要知道）对于每一个具体的单元操作，我们需要知道）对于每一个具体的单元操作，我们需要知道）对于每一个具体的单元操作，我们需要知道:1)1)过程始末和过程中各股物料的数量、组成之间的关系过程始末和过程中各股物料的数量、组成之间的关系过程始末和过程中各股物料的数量、组成之间的关系过程始末和过程中各股物料的数量、组成之间的关系物料衡算物料衡算物料衡算物料衡算2)2)过程中吸收、放出的能量；过程中吸收、放出的能量；过程中吸收、放出的能量；过程中吸收、放出的能量；能量衡算能量衡算能量衡
19、算能量衡算3)3)过程进行的方向与极限问题过程进行的方向与极限问题过程进行的方向与极限问题过程进行的方向与极限问题平衡关系平衡关系平衡关系平衡关系4)4)过程进行的快慢问题过程进行的快慢问题过程进行的快慢问题过程进行的快慢问题（计算设备的生产能力工艺尺寸）（计算设备的生产能力工艺尺寸）（计算设备的生产能力工艺尺寸）（计算设备的生产能力工艺尺寸）速率关系速率关系速率关系速率关系所采用的计算手段所采用的计算手段所采用的计算手段所采用的计算手段所依赖的基本原理所依赖的基本原理所依赖的基本原理所依赖的基本原理物料衡算物料衡算物料衡算物料衡算平衡关系平衡关系平衡关系平衡关系能量衡算能量衡算能量衡算能量衡
20、算速率关系速率关系速率关系速率关系第10页，共37页，编辑于2022年，星期三三、单位制与单位换算三、单位制与单位换算食食工工原原理理计计算算中中必必然然涉涉及及到到单单位位、单单位位制制度度和和不同单位制度之间的换算（简称单位换算）的问题。不同单位制度之间的换算（简称单位换算）的问题。(一一)量纲（或因次量纲（或因次Dimension）代表基本量的符号称量纲，常用的量纲有：长度代表基本量的符号称量纲，常用的量纲有：长度L、质量质量m、力、力F、时间、时间t、温度、温度。其他物理量都可。其他物理量都可按如下形式表示出来：按如下形式表示出来：Q=Lmt此式称物理量此式称物理量Q的量纲式，的量纲式
21、，为任意为任意的有理数。的有理数。第11页，共37页，编辑于2022年，星期三(二二)单位制度单位制度任何物理量都是用数字与单位乘积来表任何物理量都是用数字与单位乘积来表示的，因此物理量的单位和数字应一并纳入示的，因此物理量的单位和数字应一并纳入运算。运算。例如：例如：5m+8m=(5+8)m=13m 5m+8m=(5+8)m=13m，5m8m=(58)5m8m=(58)（mmmm）=40m=40m2 2(1)(1)基本量和基本单位：基本量和基本单位：任意选定几个独立任意选定几个独立的物理量，称为基本量，其单位称为基本单的物理量，称为基本量，其单位称为基本单位。位。(2)(2)导出量和导出单位
22、：导出量和导出单位：根据基本量导出的根据基本量导出的物理量称导出量，其单位称导出单位。物理量称导出量，其单位称导出单位。(3)(3)单位制：单位制：基本单位与导出单位的总和称基本单位与导出单位的总和称单位制。单位制。第12页，共37页，编辑于2022年，星期三1.1.绝对单位制绝对单位制 基本量：长度、质量、时间。基本量：长度、质量、时间。自然科学领域广泛使用。自然科学领域广泛使用。2.2.重力单位制重力单位制 基本量：长度、力（或重量）、时间。基本量：长度、力（或重量）、时间。又称工程单位制。又称工程单位制。3.3.SISI制（国际单位制）：制（国际单位制）：基本量：长度基本量：长度m m、
23、质量、质量kgkg、时间、时间s s、热力学温度、热力学温度K K、电流强度、电流强度A A、光强度光强度cd(cd(坎德拉坎德拉)、物质量、物质量molmol。两个辅助量：平面角两个辅助量：平面角radrad、立体角、立体角sr(sr(球面度球面度)优点：优点：（1 1）通用性：任何物理量都可用以上）通用性：任何物理量都可用以上7 7个基本量表示出来，即个基本量表示出来，即SISI制制是所有科学、技术、经济部门都可采用的一套相当完整的单位制。是所有科学、技术、经济部门都可采用的一套相当完整的单位制。（2 2）一贯性：）一贯性：SISI制中的任何一个导出量，在由上述制中的任何一个导出量，在由上
24、述7 7个基本量相乘个基本量相乘或相除导出时，都不需引入比例系数。或相除导出时，都不需引入比例系数。第13页，共37页，编辑于2022年，星期三(三三)单位换算单位换算国家规定使用法定计量单位，但旧有资料是各种单位并存，故国家规定使用法定计量单位，但旧有资料是各种单位并存，故国家规定使用法定计量单位，但旧有资料是各种单位并存，故国家规定使用法定计量单位，但旧有资料是各种单位并存，故有必要了解法定计量单位以外的其他单位，并且掌握单位之间的换有必要了解法定计量单位以外的其他单位，并且掌握单位之间的换有必要了解法定计量单位以外的其他单位，并且掌握单位之间的换有必要了解法定计量单位以外的其他单位，并且
25、掌握单位之间的换算。算。算。算。食工原理中涉及到的公式有两类：食工原理中涉及到的公式有两类：食工原理中涉及到的公式有两类：食工原理中涉及到的公式有两类：物理量方程：根据物理规律建立的理论公式；物理量方程：根据物理规律建立的理论公式；物理量方程：根据物理规律建立的理论公式；物理量方程：根据物理规律建立的理论公式；经验公式（数字公式）：单纯根据实验数据的来的公式。只反映经验公式（数字公式）：单纯根据实验数据的来的公式。只反映经验公式（数字公式）：单纯根据实验数据的来的公式。只反映经验公式（数字公式）：单纯根据实验数据的来的公式。只反映各物理量的数字之间的关系。各物理量的数字之间的关系。各物理量的数
26、字之间的关系。各物理量的数字之间的关系。物理量方程具有单位一致性，对于其中各个符号的单位无须物理量方程具有单位一致性，对于其中各个符号的单位无须物理量方程具有单位一致性，对于其中各个符号的单位无须物理量方程具有单位一致性，对于其中各个符号的单位无须多加限制，只要采用同一单位制中的单位即可。如多加限制，只要采用同一单位制中的单位即可。如多加限制，只要采用同一单位制中的单位即可。如多加限制，只要采用同一单位制中的单位即可。如F=maF=ma经验公式中每个符号并不代表完整的物理量，只代表物理量经验公式中每个符号并不代表完整的物理量，只代表物理量经验公式中每个符号并不代表完整的物理量，只代表物理量经验
27、公式中每个符号并不代表完整的物理量，只代表物理量的数字部分，这些数字都是与特定的单位相对应的。在使用时必的数字部分，这些数字都是与特定的单位相对应的。在使用时必的数字部分，这些数字都是与特定的单位相对应的。在使用时必的数字部分，这些数字都是与特定的单位相对应的。在使用时必须使用规定的单位。须使用规定的单位。须使用规定的单位。须使用规定的单位。第14页，共37页，编辑于2022年，星期三1 1 物理量的单位变换物理量的单位变换物理量的单位变换物理量的单位变换物理量由一种单位变换成另一种单位时，量本物理量由一种单位变换成另一种单位时，量本物理量由一种单位变换成另一种单位时，量本物理量由一种单位变换
28、成另一种单位时，量本身无变化，但数字要变。换算时乘以两个单位之身无变化，但数字要变。换算时乘以两个单位之身无变化，但数字要变。换算时乘以两个单位之身无变化，但数字要变。换算时乘以两个单位之间的换算因素。间的换算因素。间的换算因素。间的换算因素。换算因素：换算因素：换算因素：换算因素：彼此相等而各有不同单位的两个物理量之彼此相等而各有不同单位的两个物理量之彼此相等而各有不同单位的两个物理量之彼此相等而各有不同单位的两个物理量之比。如：比。如：比。如：比。如：1N1N和和和和100000100000dyndyn是两个彼此相等的物理量，是两个彼此相等的物理量，是两个彼此相等的物理量，是两个彼此相等的
29、物理量，但其所用单位不同。即：但其所用单位不同。即：但其所用单位不同。即：但其所用单位不同。即：1N=100000dyn1N=100000dyn，二者之间，二者之间，二者之间，二者之间的就是：的就是：的就是：的就是：因任何换算因素都是两个相等的量之比，所以因任何换算因素都是两个相等的量之比，所以因任何换算因素都是两个相等的量之比，所以因任何换算因素都是两个相等的量之比，所以任何换算因素（包括单位在内）在本质上是纯数任何换算因素（包括单位在内）在本质上是纯数任何换算因素（包括单位在内）在本质上是纯数任何换算因素（包括单位在内）在本质上是纯数1 1。任何物理量乘以或除以换算因素，都不会改变量的大任
30、何物理量乘以或除以换算因素，都不会改变量的大任何物理量乘以或除以换算因素，都不会改变量的大任何物理量乘以或除以换算因素，都不会改变量的大小。小。小。小。第15页，共37页，编辑于2022年，星期三例例0-1 0-1 在英制绝对单位制中，粘度的单位为在英制绝对单位制中，粘度的单位为1b1b(ft(fts)s)，在法定计量单位中粘度的单位为，在法定计量单位中粘度的单位为PaPas s。试求两者间的关系。试求两者间的关系。解解 ：粘度的单位为导出单位，它的法定计粘度的单位为导出单位，它的法定计量单位是由以下基本单位组成：量单位是由以下基本单位组成：PaPas=s=由附录一查得粘度在两种不同单位制中的
31、基本量由附录一查得粘度在两种不同单位制中的基本量之间的关系为：之间的关系为：1lb=0.4536kg1lb=0.4536kg1ft=0.3048m1ft=0.3048m第16页，共37页，编辑于2022年，星期三上面两个关系可以改写为：上面两个关系可以改写为：(a)(b)将式将式a a及式及式b b等号左侧值与英制的粘度单位联乘，实际上等号左侧值与英制的粘度单位联乘，实际上等于联乘两个等于联乘两个1 1，但乘了以后可以消去原单位中的，但乘了以后可以消去原单位中的1b1b及及ftft，而引入新单位，而引入新单位kgkg及及m m，这样就可以获得粘度在不同单位，这样就可以获得粘度在不同单位间的数值
32、关系。间的数值关系。（c c）上面计算结果即为粘度数值在英制单位与法定计量单上面计算结果即为粘度数值在英制单位与法定计量单位之间的关系。位之间的关系。第17页，共37页，编辑于2022年，星期三 例例0-2 0-2 在气体状态方程在气体状态方程pV=nRTpV=nRT中，气体通用常中，气体通用常数数R=82.06atm.cmR=82.06atm.cm3 3(mol(molK)K)。试求在下列不同。试求在下列不同单位制中单位制中R R的数值与单位。的数值与单位。1 1压强压强p p的单位为的单位为PaPa，体积，体积V V的单位为的单位为m m3 3，物，物质量质量n n的单位为的单位为kmol
33、kmol、绝对温度、绝对温度T T的单位为的单位为K K。2 2压强压强p p的单位为的单位为kgfkgfm m2 2，体积，体积V V的单位为的单位为m m3 3、物质量、物质量n n的单位为的单位为kmolkmol，绝对温度的单位为，绝对温度的单位为K K。解：解：1第18页，共37页，编辑于2022年，星期三1atm=1.013251atm=1.01325 10105 5Pa 1m=100cm Pa 1m=100cm 1kmol=1000mol1kmol=1000mol第19页，共37页，编辑于2022年，星期三四、物料衡算四、物料衡算1.1.物料衡算的依据物料衡算的依据:质量守恒定律质
34、量守恒定律2.2.物料衡算的通式物料衡算的通式向向设设备备输输入入的的物物料料质质量量减减去去从从设设备备输输出出的的物物料料质质量量必必等等于于积累在设备里的物料质量，即：积累在设备里的物料质量，即：m mi immo o=m=mA A (0 01)1)m mi i输入物料量的总和，输入物料量的总和，m mo o输出物料量的总和，输出物料量的总和，m mA A积累物料量。积累物料量。适用于任何指定的空间范围，并适用于过程所涉及的全部物料。适用于任何指定的空间范围，并适用于过程所涉及的全部物料。当当没没有有化化学学变变化化时时，混混合合物物的的任任一一组组分分都都符符合合这这个个通通式式，有有
35、化学变化时，其中各元素仍然符合这个通式。化学变化时，其中各元素仍然符合这个通式。既适用于间歇过程，也适用于连续过程。既适用于间歇过程，也适用于连续过程。第20页，共37页，编辑于2022年，星期三3.3.两种特殊情况两种特殊情况（1）连续过程）连续过程进进行行物物料料衡衡算算时时，首首先先要要圈圈出出衡衡算算的的范范围围(或或称称系系统统)，并并确确定定衡衡算算对对象象及及衡衡算算基基准准。对对于于间间歇歇过过程程，常常以以一一次次(一一批批)操操作作为为基基准准，即即式式01中中各各项项分分别别代代表表每每次次操操作作输输入入、输输出出及及积积累累物物料料的的质质量量，对对于于连连续续过过程
36、程，则则常常以以单单位位时时间间为为基基准准，而而单单位位时时间间流流过过的的料料质质量量即即为为质质量量流流量量，所所以以式式01中中各各项项分分别别代代表表任任一一瞬瞬间间输入、输出物料的质量流量及该瞬间系统内物料质量积累的速率输入、输出物料的质量流量及该瞬间系统内物料质量积累的速率wiwo=dmA/d(02)Wi，Wo每每一一股股输输入入、输输出出物物料料的的质质量量流流量量，kgs，dmA/d物料质量积累速率，物料质量积累速率，kgs。（2）连续稳定过程）连续稳定过程设备内不应有任何物料积累，即：设备内不应有任何物料积累，即：dmA/d=0，所以，所以，wiwo=0(03)第21页，共
37、37页，编辑于2022年，星期三例题例题0 03 3 浓度为浓度为2020(质量百分数质量百分数)的的KNOKNO3 3，水溶，水溶液以液以1000kg1000kgh h的流量送入蒸发器。在的流量送入蒸发器。在149149温温度下蒸出一部分水而得到浓度为度下蒸出一部分水而得到浓度为5050的水溶液，的水溶液，再送入结晶器，冷却至再送入结晶器，冷却至3838后，析出含有后，析出含有4 4结结晶水的晶水的KNOKNO3 3晶体并不断取走，浓度为晶体并不断取走，浓度为37.537.5的的KNOKNO3 3饱和母液则返回蒸发器循环处理。试求结晶产饱和母液则返回蒸发器循环处理。试求结晶产品量品量P P，
38、水分蒸发量，水分蒸发量W,W,循环母液量循环母液量R R及浓缩溶液量及浓缩溶液量S S。第22页，共37页，编辑于2022年，星期三例题0-3附图第23页，共37页，编辑于2022年，星期三解解:(1)(1)结晶产品量结晶产品量P P及水分蒸发量及水分蒸发量W W 首先根据题意画首先根据题意画出过程示意图出过程示意图(见本例附图见本例附图)。在图中虚线方框在图中虚线方框I I所示的范围内作物料衡算。因过程中所示的范围内作物料衡算。因过程中无化学反应，且为连续稳定过程，故可依式无化学反应，且为连续稳定过程，故可依式0 02 2写出写出总物料衡算式及总物料衡算式及KNOKNO3 3的衡算式，即：的
39、衡算式，即：1000=W+P 1000=W+P及及 1000(0.20)=W(0)+P(1-0.04)1000(0.20)=W(0)+P(1-0.04)解得解得:P=208.3 kg:P=208.3 kgh h W=791.7kg W=791.7kgh h(2)(2)循环母液量循环母液量R R及浓缩溶液量及浓缩溶液量S :S :在图中虚线方框在图中虚线方框所示的范围内作总物料衡算及所示的范围内作总物料衡算及KNOKNO3 3衡算衡算:S=R+208.3 S=R+208.3S(0.50)=R(0.375)+208.3(1-0.04)解得解得:R=766.6kgh第24页，共37页，编辑于2022
40、年，星期三进行物料衡算的要点进行物料衡算的要点:(1)(1)根根据据题题意意画画出出简简单单的的示示意意图图，用用虚虚线圈出衡算范围，并选出衡算基准。线圈出衡算范围，并选出衡算基准。(2)(2)用用箭箭头头标标出出物物料料进进、出出路路线线，注注明明各各股股物物料料的的数数量量及及状状态态，凡凡是是跨跨越越虚虚线线的的箭头都是参与衡算的流股。箭头都是参与衡算的流股。(3)(3)列列出出若若干干有有用用的的独独立立方方程程式式，方方程程式的数目应与未知数数目相等。式的数目应与未知数数目相等。第25页，共37页，编辑于2022年，星期三五、能量衡算五、能量衡算 能能量量既既不不会会消消灭灭，也也不
41、不会会创创生生。能能量量有有多多种种存存在在形形式式，不同形式的能量之间可遵循一定的规律相互转化。不同形式的能量之间可遵循一定的规律相互转化。根根据据能能量量守守恒恒定定律律，对对于于连连续续稳稳定定过过程程而而言言，任任何何时时间间内内通通过过各各种种途途径径进进入入系系统统的的总总能能量量(包包括括输输入入物物料料带带进进系系统统的的能能量量及及外外界界传传人人系系统统的的热热量量)必必等等于于同同一一时时间间内内系系统统付付出出的的总总能能量量(包包括括输输出出物物料料带带走走的的能能量量及及系系统统对对外外界界所做的功所做的功)。各各种种形形式式的的能能量量(如如机机械械能能、化化学学
42、能能、电电能能等等)与与热热之之间间虽虽可可相相互互转转变变，但但在在许许多多化化工工设设备备(如如换换热热器器、蒸蒸馏馏塔塔等等)中中，往往往往没没有有或或者者不不需需考考虑虑这这种种能能量量转转变变，因因而而化化工工系系统统中中的的总总能能量量衡衡算算有有时时便便简简化化为为特特定定形形式式的的能能量量衡衡算算。本本课课程程中中的的总总能能量量衡衡算算便便常常简简化化为为热热量量衡算，而热量衡算的依据仍然是能量守恒定律。衡算，而热量衡算的依据仍然是能量守恒定律。第26页，共37页，编辑于2022年，星期三 进行热量衡算的基本方法与物料衡算的方法相同，但热量进行热量衡算的基本方法与物料衡算的
43、方法相同，但热量进行热量衡算的基本方法与物料衡算的方法相同，但热量进行热量衡算的基本方法与物料衡算的方法相同，但热量衡算还有两个值得注意的问题：衡算还有两个值得注意的问题：衡算还有两个值得注意的问题：衡算还有两个值得注意的问题：(1)(1)(1)(1)进、出系统的各股物料所携带的热量，包括物料进、出系统的各股物料所携带的热量，包括物料进、出系统的各股物料所携带的热量，包括物料进、出系统的各股物料所携带的热量，包括物料的显热与潜热两部分，称为物料的焓。的显热与潜热两部分，称为物料的焓。的显热与潜热两部分，称为物料的焓。的显热与潜热两部分，称为物料的焓。物料的焓值与其物料的焓值与其物料的焓值与其物
44、料的焓值与其状态有关，而且是相对值。所以，在进行热量衡算时，为状态有关，而且是相对值。所以，在进行热量衡算时，为状态有关，而且是相对值。所以，在进行热量衡算时，为状态有关，而且是相对值。所以，在进行热量衡算时，为确定物料的焓值，必须首先规定基准温度，当有相变化发确定物料的焓值，必须首先规定基准温度，当有相变化发确定物料的焓值，必须首先规定基准温度，当有相变化发确定物料的焓值，必须首先规定基准温度，当有相变化发生时，还须规定基准状态。通常以生时，还须规定基准状态。通常以生时，还须规定基准状态。通常以生时，还须规定基准状态。通常以0000、液态为基准。本书、液态为基准。本书、液态为基准。本书、液态
45、为基准。本书附录的饱和水蒸气性质表中所列水蒸气的焓值，便是以附录的饱和水蒸气性质表中所列水蒸气的焓值，便是以附录的饱和水蒸气性质表中所列水蒸气的焓值，便是以附录的饱和水蒸气性质表中所列水蒸气的焓值，便是以0000的液体水为基准求得的。譬如，从附录九中查得的液体水为基准求得的。譬如，从附录九中查得的液体水为基准求得的。譬如，从附录九中查得的液体水为基准求得的。譬如，从附录九中查得100100100100饱和饱和饱和饱和水蒸气的焓值为水蒸气的焓值为水蒸气的焓值为水蒸气的焓值为2677.0kJ2677.0kJ2677.0kJ2677.0kJkgkgkgkg，是因为将，是因为将，是因为将，是因为将lk
46、glkglkglkg的液体水加热的液体水加热的液体水加热的液体水加热至至至至100(100(100(100(吸热吸热吸热吸热418.6kJ)418.6kJ)418.6kJ)418.6kJ)，再令其汽化成为饱和蒸汽，再令其汽化成为饱和蒸汽，再令其汽化成为饱和蒸汽，再令其汽化成为饱和蒸汽(又吸热又吸热又吸热又吸热22582258225822584kJ)4kJ)4kJ)4kJ)所吸收的总热量为所吸收的总热量为所吸收的总热量为所吸收的总热量为2677.0kJ2677.0kJ2677.0kJ2677.0kJ。第27页，共37页，编辑于2022年，星期三 (2)(2)热量不仅可以伴随物料进、出系统，而且可
47、以透过设热量不仅可以伴随物料进、出系统，而且可以透过设备、管道的壁面而由外界传人系统，或由系统散失到环境里备、管道的壁面而由外界传人系统，或由系统散失到环境里去。去。只要系统温度与环境温度有差异，就会有这种热量的只要系统温度与环境温度有差异，就会有这种热量的传人或散失，应当把这部热量也列入衡算式中。因此，若传人或散失，应当把这部热量也列入衡算式中。因此，若以以H H代表单位质量物料的焓值，代表单位质量物料的焓值，kJkJkgkg，而以，而以w w代表物料的代表物料的质量流量，质量流量，kgkgs s，则可写出连续稳定过程热量衡算的基，则可写出连续稳定过程热量衡算的基本关系式，即本关系式，即:(
48、wH)(wH)I I=(wH)=(wH)o o+Q+QL L (0(04)4)式中：式中：(wH)(wH)I I伴随各股输入物料进入系统的热伴随各股输入物料进入系统的热(焓焓)流量，流量，kWkW，(wH)(wH)o o伴随各股输出物料离开系统的热伴随各股输出物料离开系统的热(焓焓)流量，流量，kWkW，Q QL L系统向环境散失的热流量，或称热损失，系统向环境散失的热流量，或称热损失，kWkW。第28页，共37页，编辑于2022年，星期三例题例题0-4 0-4 在换热器里将平均比热为在换热器里将平均比热为3.56kJ3.56kJ(kg.)(kg.)的某种溶液自的某种溶液自2525加热加热到到
49、8080，溶液流量为，溶液流量为1.0kg1.0kgs s。加热介。加热介质为质为120120的饱和水蒸气，其消耗量为的饱和水蒸气，其消耗量为0.095kg0.095kgs s，蒸汽冷凝成同温度的饱和，蒸汽冷凝成同温度的饱和水后排出。试计算此换热器的热损失占水后排出。试计算此换热器的热损失占水蒸气所提供热量的百分数。水蒸气所提供热量的百分数。第29页，共37页，编辑于2022年，星期三例题0-4附图第30页，共37页，编辑于2022年，星期三解：首先根据题意画出过程示意图解：首先根据题意画出过程示意图解：首先根据题意画出过程示意图解：首先根据题意画出过程示意图(见本例附图见本例附图见本例附图见
50、本例附图)。基准温度：基准温度：基准温度：基准温度：0000基准状态：液态基准状态：液态基准状态：液态基准状态：液态基准：基准：基准：基准：1s1s1s1s 在图中虚线方框所示范围内作热量衡算。进、出系统的各股热流量分别为：在图中虚线方框所示范围内作热量衡算。进、出系统的各股热流量分别为：在图中虚线方框所示范围内作热量衡算。进、出系统的各股热流量分别为：在图中虚线方框所示范围内作热量衡算。进、出系统的各股热流量分别为：随溶液进入的热流量随溶液进入的热流量随溶液进入的热流量随溶液进入的热流量=1.03.56(25-0)=89.0 kW=1.03.56(25-0)=89.0 kW=1.03.56(