物料管理_物料衡算和能量平衡培训课件

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 Materialbalance 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100kg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 Tiematerial 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 NaCl15kg 10 NaClxkg 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xkg稀盐水中NaCl质量与稀释前一样 为3kg 所以x 30kg 即需要加水15kg 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 Ykg45 solids Xkg65 solids 100kg45 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100kg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100kg 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 100kg min 取1min作为计算基准 对于总系统有 F P W FxF PxP WxW 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 FxF RxR BxB WxW F 0 1 R 0 02 B 0 25 W 0 005 对第二阶段有 100 W 0 1 30 0 005W0 1W 0 005W 30 100 095W 20W 210 5kg minF 310 5kg min对第三阶段有 310 5 R 210 5 BB 100 R310 5 0 1 0 02R 210 5 0 005 0 25B310 5 0 02R 1 0525 25 0 25RR 21 73kg min即所求的循环量为21 73kg min 二 能量平衡 一 基本术语1 能 Energy 势能 Potentialenergy Ep mgh动能 Kineticenergy Ek mu2 2内能 Internalenergy Extensiveproperty其他形式的能 电能 化学能 磁能 magnetic 等Etotal Ep Ek Ei能量平衡 Energybalance Ein Eout Esystem Energyin Energyout 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 Flowwork Wmassflow FL pVEtotal Ep Ek Ei pV静态流动系统 Ein Eout 二 热量 1 显热和潜热显热 Sensibleheat 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 Latentheat 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 Sensibleheat theenergytransferredbetweentwobodiesatdifferenttemperatures ortheenergypresentinabodybyvirtueofitstemperature Latentheat theenergyassociatedwithtransitions heatoffusion fromsolidtoliquid andheatofevaporation fromliquidtovapor 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 Cp T Tref 式中 Tref 参考温度 referencetemperature 0 01 C Cp 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 mCavg T2 T1 3 比热 比热 Specificheat Cp 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 Cavg 4l86 8M 837 36 1 M 式中 M 水分含量 Cavg 1674 72F 837 36SNF 4l86 8M 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 8J kg 非脂固体的比热为837 36J kg 含脂肪食品的比热值 比热模型一 Seibel s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 Cavg 0 65 4186 8 0 15 837 36 0 2 1674 72 3182J kg 注 Siebel s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 Siebel s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 Seibel s方程计算值与实验值非常接近 比热模型二 ChoiandOkos方程 ChoiandOkos 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ChioCwaf 4179 6 以上单位均为J kg 代入式 1 2 得 Cpavg 0 15 2037 6 0 2 1594 1 0 01 1891 3 0 005 1137 5 0 2 2018 0 435 4179 6 2870 8J kg 如果将例8中的情况用Seibel s方程式求解 则可以得到 Cp 1674 72 0 2 837 36 0 15 0 01 0 005 0 2 4186 8 0 435 2462J 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Seibel s方程 Seibel s方程与ChoiandOkos方程比较 水分含量M 0 7且不含脂肪情况下 Seibel s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 食品冻结过程中的焓变 如考虑食品在冻结过程中去除的热量 必须将因相变而产生的融化潜热考虑进来 Chang Tao 1981 数学模型 要求食品的水分含量在73 94 范围内 并假定所有的水在227K时冻结 则T温度下的焓H可由下式计算 其中 肉类 果蔬 果汁 肉类 果蔬及果蔬汁 上述式中Tr为温度降 Tf是冰点温度 单位K T为待测焓时的温度 K Hf为冰点的焓 J kg X为食物中水分质量分数 a和b为经验系数 例1 9 将1kg固形物含量25 的葡萄汁从冰点冻结到 30 计算葡萄汁的冰点及过程中需要除去的热量 解 由题意得 葡萄汁中水分含量X 0 75 得冰点 Tf 120 47 327 35 0 75 176 49 0 752 266 7K冰点焓值 Hf 9792 46 405 096 0 75 313 614Ja 0 362 0 0498 0 02 3 465 0 022 0 3616b 27 2 129 04 0 1316 481 46 0 13162 1 87所以 Tr 30 273 227 6 266 7 227 6 0 394得 30 时的焓值 H 313614 0 3616 0 394 1 0 3616 0 394 1 879 79457J kg从冰点温度降至 30 时的焓变为 H 313614 79457 234157J kg即降温过程需要从葡萄汁体系中除去234157J的热量 纯水冻结时 在冰点发生从液态水到冰的相变 在水全部转变为冰前 过程没有显热损失 食品中所有的水溶性成分都对冰点降有贡献 对于理想溶液 当溶质浓度较低时 冰点降 tf可以定义为 式中 tf 相对于水的冰点 的冰点降 Kf 结晶热力常数 水的Kf 1 86 M 溶质重量摩尔浓度 溶质摩尔数 kg水 四 由食品中液态水重量摩尔浓度计算冷冻过程焓变 溶质贡献的冰点降 令n w克水中溶质的摩尔数 食物的冰点降可由溶质浓度和食物中水分含量来计算出来 对于高度离子化溶质 如钠盐和钾盐 n等于溶质的摩尔数乘以2 令Tf 冰点 则 对于单位质量的食物 令wo为冻结前混合物中原始水量 wo 水质量分数 1000 在冰点下任一温度T 有 则 则在冰点下任一温度T时食物中未结冰水的质量可以由下式计算 体系中冰的质量为初始总水量与未结冰水的质量之差 即 在冰点以下 水温每升高dT 水将损失的显热为 则冰点下液态水从Tf变化到T时的显热变化值qsl为 此时固态冰的显热变化值qsi由下式计算 Thetotalenthalpychangewillconsistof sensibleheatoffat sensibleheatofno fatsolids sensibleheatofliquidwater andthelatentheatoffusionofice 食物在冻结过程中总焓变由以下组成 脂肪的显热 非脂固体的显热 冰的显热 液态水的显热 以及冰融化潜热 则从冰点到任一温度T过程中食物总的焓变可定义为 式中 F 脂肪质量 SNF 非脂固体质量 I 冰的潜热 例1 10 去骨的烤猪胸肉中水分含量为70 6 蛋白质24 0 灰分1 2 脂肪4 2 冰点是 1 2 用食盐水将此肉进行腌制后 肉重量比未腌制前增加了15 盐净含量为1 0 计算 腌制肉的新冰点 每kg腌制肉从新冰点冷冻至 18 时的焓变 解 基准1kg 得未腌制前肉中溶质摩尔浓度 mol kg初始水分含量 wo 1000 70 6 706g则根据公式得 no 1 2 706 1860 0 455mol腌制后 总质量m 1 0 15 1 1 15kg 盐含量m NaCl 0 01 1 15 0 015kg 水分含量 w m m NaCl 1 wo 1 15 0 015 1 0 706 841g由于NaCl为强电离电解质 因此视溶质中的摩尔数n为NaCl的摩尔数乘以2 则腌肉中溶质的摩尔数n为 n 2 0 015 1000 58 5 no 0 97mol 则腌肉中溶质的重量摩尔浓度M 1000 n w 1000 0 97 841 1 153mol kg 新冰点Tf 0 1 86M 0 1 153 1 86 2 2 在 18 时 wo 841g w 841 2 2 18 122 2g 则 I w wo 841 122 2 718 8gCpl 4186 8J kg Cpi Cpl 2 2093 4J kg Cpsnf 837 36J kg 则 qsl 4186 8 0 841 2 2 ln 18 2 2 16290Jqsi 2093 4 0 841 2 2 18 2 2ln 18 2 2 19672J由公式 1 28 得 Cpf 1968 73J kg 腌制后 SNF 0 24 0 012 0 015 0 267kg得总焓变 q 16290 19 672 S