食品工程原理 绪论

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1、Principles of food Engineering,食品工程原理,教材简介,参考书目,冯骉主编，食品工程原理，中国轻工业出版社。,高福成。食品工程原理，中国轻工业出版社。1998。 姚玉英，黄凤廉，陈常贵等。化工原理，上下册，天津：科学 技术出版社。1999。 美J 金克普利斯著，清华大学化工组译。传递过程与单元操 作。1985。 华南工学院等。发酵工程与设备。北京：轻工业出版社。 姚玉英。化工原理例题与习题。北京：化学工业出版社，1998。,几点说明,理论课程：72学时 实 验：18学时 自主学习：12学时 总成绩：考试成绩 70% 平时成绩 30%,为什么要学习该课程 如何学习该

2、课程 单元操作的目的是什么 单元操作的依据是什么 采取什么措施强化单元操作 典型的设备与调节 过程经济性分析,0-1 食品工程原理的研究内容,不同食品的生产过程使用各种物理加工过程，根据他们的操作原理，可以归结为数个应用广泛的基本操作过程，如流体输送、沉降、过滤、热交换、蒸发、吸收、蒸馏、乳化萃取、干燥等。这些基本的物理过程称为单元操作。,食品工业：利用物理和化学方法将自然界的各种物质加工成生活资料的工业。,食品生产 ：(1) 化学反应过程：如食品风味的形成 (2) 物理加工过程,0 绪 论,0.1A单元操作,单元操作的应用及特点 若干个单元操作串联起来组成一个工艺过程。 均为物理性操作，只改

3、变物料的状态或其物理性质，不改变其化学性质。 同一食品生产过程中可能会饱含多个相同的的单元操作。 单元操作用于不同的生产过程其基本原理相同，进行该操作的设备也可以通用。,单元操作的应用及特点,奶粉生产工艺流程,原料乳验收,预处理（净乳、降温）,标准化配料,真空浓缩,喷雾干燥,振动筛,包装,装箱,成品,若干个单元操作串联起来组成一个工艺过程。 流体输送过滤（净乳）混合、均质（成分标准化） 热交换蒸发喷雾干燥流化床振动筛,流化床,检验,脱气计量,净乳机,净乳大厅,配料罐,均质机,板式热交换器,板式热交换器,旋风分离器,疏粉器,二级流化床,流化床进风系统,乳品工程原理解析,乳品加工现场,返回,单元操

4、作按其理论基础可分为下列三类： （1）流体流动过程（fluid flow process）: 包括流体输送、搅拌、沉降、过滤等。 （2）传热过程（heat transfer process）: 包括热交换、蒸发等。 （3）传质过程（mass transfer process）: 包括吸收、蒸馏、萃取、吸附、干燥等。,上述三个过程包含了三种理论，我们称之为“三传理论”。,0.1B单元操作的分类,动量传递(momentum transfer)：流体流动时，其内部发生动量传递，故流体流动过程也称为动量传递过程。凡是遵循流体流动基本规律的单元操作，到可以用动量传递的理论去研究。 热量传递(heat t

5、ransfer): 物体被加热或冷却的过程也称为物体的传热过程。凡是遵循传热基本规律的单元操作，到可以用热量传递的理论去研究。 质量传递(mass transfer): 两相间物质的传递过程即为质量传递。凡是遵循传质基本规律的单元操作，到可以用质量传递的理论去研究。,三传理论,单元操作的研究内容与方向,流体力学、传热及传质的基本原理是各单元操作的理论基础。许多单元操作都会包含两种以上的传递现象， 如干燥、精馏等。,“三传理论”是单元操作的理论基础，单元操作是“三传理论”的具体应用。 同时，“三传理论”和单元操作也是食品工程技术的理论和实践基础。,食品工程原理是食品工程等工科专业的专业基础课。

6、先修课：高等数学、物理、物理化学、机械制图等。,0.1C 课程性质,0.1D 课程任务,食品工程原理是食品工程专业学生的必修课，其主要任务是：,介绍三传理论，即流体流动、传热、传质的基本原理； 掌握主要单元操作的典型设备构造、操作原理、计算、选型及实验研究方法； 培养学生运用基础理论分析和解决食品工程单元操作中各种工程实际问题(计算、选型及实验研究方法)的能力。,0.2A 单位制,任何物理量都由数字和单位联合表达的。运算时，数字与单位一并纳入运算。如： 5m+8m=(5+8)m; 5m8m=(58)(mm)=40m2 物理量单位选择时，先选定几个独立的物理量，叫基本量，并根据使用方便的原则，定

7、出这些量的单位，叫基本单位；其它各量的单位通过它们与基本量之间的关系来确定，这些物理量叫导出量，单位叫导出单位；导出单位是由基本单位乘除构成的。,0-2 单位制与单位换算,国际单位制(SI单位制)： 7个基本量：长度:m；时间:s；质量:kg；电磁强度:A(安培)；发光强度:cd(烛光)；物质的量:mol(摩尔)；热力学温度:K。 2个辅助量：平面角:rad(弧度)；立体角:sr(球面度)。 特点： .通用性。 .一贯性。任何一个SI导出单位，在由基本单位导出时，都不需引入比例系数。,0.2B单位换算 物理量的单位换算：由一种单位换算成另一种单位时，量本身并不变化，只是数值要变化，换算时要乘或

8、除以两单位间的换算因子。 换算因子：彼此相等而单位不同的两个物理量包括单位在内的比值，任何换算因子在本质上都是纯数“1”。 如；1m100cm，则换算因数为100cm/m 或0.01m/cm 例0-1：已知1atm=1.033kgf/cm2,试用Pa表示。 解：查附录1知：1kgf=9.81N, 1cm2=10-4m2 换算因数：9.81N/kgf, 10-4m2/cm2, 公式的换算 物理方程的换算 物理方程是根据物理规律建立起来的反映物理量之间的关系的方程式。 物理方程中各物理量的单位可以任选一种单位制度，但在同一式中决不允许同时采用两种单位制度。 经验公式(数字公式)的换算 借助实验或半

9、实验、半理论的方法处理得到的公式。它只反映各有关物理量之间的数字关系，每个符号只代表物理量的数字部分，而这些数字又与特定单位对应。因此，使用经验公式时，各物理量必须采用指定单位。 经验公式的单位换算，也可采用换算因数将规定单位换算成所要求单位。,例0-2:水蒸汽在空气中扩散系数为：,式中：D扩散系数，ft2/h； P压强，atm； T兰氏温度，oR。 试将式中各符号单位换算成 D:m2/s；P:Pa；T:K,解：查附录二：1ft=0.3048m；1h=3600s； 1atm=1.0133105Pa；1oR=5/9 K 以D、P、T代表扩散系数、压强和温度三个物 理量， 则：,整理，得：,因次,

10、法定计量单位中，基本量的长度、质量、时间、温度可分别用符号L、M、T、表示，则导出量可由这些基本量的符号组合而成。,例：速度LT1 加速度LT2 力MLT2,若某物理量以MaLbTc表示，则称它为该物理量的因次或量纲（dimension）（严格地说，指数a、b、c称为因次，MaLbTc称为该物理量的因次式或量纲式）。它表示该物理量的单位与基本量的单位之间的关系。当abc0时，时M0L0T01，称为无因次（dimensionless）。,物料衡算； 能量衡算； 物系的平衡关系； 传递速率； 经济核算。,0-3 物料衡算和能量衡算,依据质量守恒定律，进入与离开某一化工过程的物料质量之差，等于该过程

11、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,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。,0.3A物料衡算（material balance）,物料衡算的步骤：,1.绘简图：方框表设备，箭头表输入输出物流方向，箭头旁注明条件。 2.圈出衡算范围：其边界要与待计算的物流相交。 3.定基准： 间歇操作：以一批物料为基准； 连续操作：以单位时间为基准。 4.列算式： 总物料衡算式，1个 某组分物料衡算式，N-1个,例0-3:已知原料液流量为1000kg/h，含20果汁，进入蒸发器，蒸出

12、水分W kg/h，浓缩液为S kg/h，含果汁50进入结晶器，结晶产品为P kg/h，含96果汁，循环母液R kg/h，含37.5果汁，回到蒸发器再循环，求W,S,P,R各为多少kg/h？,2.划范围：范围I，II，III见图 3.定基准：1h,解：1.绘简图：,4.列算式： 方框I：总物料：1000=W+P 分:10000.2=W0+P0.96,W=791.7 kg/h P=208.3 kg/h,方框II：总物料：S=P+R 分:S0.5=P0.96+R0.375,S=974.8 kg/h R=766.5 kg/h,0.3B 能量衡算（energy balance）,同物料衡算一样，绘简图、

13、定基准、划范围、列算式，但有两点不同： 1 物料所具有的热量由显热与潜热两部分组成，称为焓(H，kJ/kg)。焓值为一相对值，且与状态有关，所以热量衡算时必须规定基准温度和基准状态，通常基准选273K液态(即此时H)。 2 热量除了伴随物料进出系统外，还可通过设备外壳、管壁由系统向外界散失或由外界传入系统，只要系统与外界存在温度差，就有热量的散失或传入，称热损失QL。 热量衡算通式： Qi=Qo+Q (wH) i=(wH)o+Q,例0-4:在换热器中将平均比热为3.56kJ/(kg.)的某种溶液自25加热到80，溶液流量为1.0kg/s。加热介质为120的饱和水蒸汽，其消耗量为0.095kg/

14、s，蒸汽冷凝成同温度的饱和水后排出。试计算换热器的热损失占水蒸汽所提供热量的百分数。,换热器,解：1.绘简图,2.划范围：以换热器为衡算范围 3.定基准：1s，0，液体,4.列算式：查得 120饱和水蒸汽H=2708.9kJ/kg， 120饱和水H=503.67kJ/kg， 则： 1.03.56(25-0)+0.0952708.9=1.03.56(80-0)+0.095503.67+QL,QL=13.70 kW,水蒸汽提供热量： Q=0.095(2708.9-503.67)209.5 kW 热损失百分数13.70/209.5=6.54,平衡状态是自然界中广泛存在的现象。,平衡关系可用来判断过程

15、能否进行，以及进行的方向和能达到的限度。,以食盐的溶解和结晶为例：,食盐浓度饱和浓度：结晶 食盐浓度饱和浓度：溶解,该温度下的饱和浓度为该物系的平衡浓度。,0.3C物系的平衡关系(relationship of system balance),不饱和食盐溶液：溶解速率（单位时间内溶解的食盐质量）大；食盐浓度高时，溶解速率小。 饱和食盐溶液（即平衡状态）：溶解速率为零,以食盐的溶解为例：,0.3D 传递速率（rate of transfer process）,溶液浓度越是远离平衡浓度，其溶解速率就越大；溶液浓度越是接近平衡浓度，其溶解速率就越小。溶液浓度与平衡浓度之差值，可以看作是溶解过程的推动

16、力（driving force）。,颗粒大小和搅拌对溶解速率有影响。,原因：由大块改为许多小快，能使固体食盐与溶液的接触面积增大；由不搅拌改为搅拌，能使溶液质点对流。其结果能减小溶解过程的阻力（resistance）。,此关系类似于电学中欧姆定律。,过程的传递速率与推动力成正比，与阻力成反比，即,过程的传递速率是决定化工设备的重要因素，传递速率增大时，设备尺寸可以变小。,本课程中，各单元操作的计算、设备的选型等工作都将围绕上述五个方面进行，并以最优经济效益作为最终的设计方案。,效益是企业的命脉，经济核算是企业的核心工作。为生产定量的某种产品所需要的设备，根据设备的型式和材料的不同，可以有若干设计方案。对同一台设备，所选用的操作参数不同，会影响到设备费与操作费。因此，要用经济核算确定最经济的设计方案。,0.3E 经济核算(eco