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1、食品工程原理,编写人：刘 伟 民 教 授,江 苏 大 学 食 品 与 生 物 工 程 学 院食品科学与工程专业本科教学课件,章目录,0 绪论1 流体流动2 流体输送机械3 流体经颗粒的流动4 传热5 蒸发,6 传质基础和吸收7 蒸馏8 液液萃取9 干燥10 冷冻,0 绪 论,0.1 食品工业生产过程,由食品工业提供的食品种类繁多，如糖、烟、酒、奶粉、火腿肠、饼干、面包，等等。食品工业是对原料进行物理、生物、化学加工，以获取目标食品的工业。物理加工当然进行的是物理操作，如粉碎、过滤、蒸发、加热、冷却、干燥等。,对涉及生物、化学加工的食品加工过程而言，过程的核心应当是生物化学或化学反应过程和设备（
2、反应器）。为了过程得以经济有效地进行，反应器中应保持某些优惠条件，如适宜的压强、温度、浓度、界面积。,原料必须经过一系列的预处理，以除去杂质，达到必要的纯度、温度、压强、接触面积等，这些过程称为前处理。反应物同样需要经过各种后处理过程加以精制，以获得最终成品（或中间产品）。以啤酒生产过程为例，加以理解,啤酒生产工艺,上述流程中，糖化、发酵步骤是典型的生化反应过程。其余前后处理中的操作步骤则以物理加工为主要特征，为反应器中的过程提供优惠条件，但它们却占据生产过程的大部分，占据企业大部分的设备投资和操作费用。,食品工业中的物理过程或物理操作步骤，对食品工程师、科研人员及管理人员而言，非常重要。食品
3、工业过程的这种特点同样出现在化学工业、制药工业等生产过程中，说明这一些类型的生产过程的处理原则可以是相似的。,生产过程的大部分操作是物理操作步骤。研究这类物理操作的原理，就成为几个专业领域共同面临的问题，需要有一门学科来系统讨论出现的各种物理操作，以统一和简化相关工业过程的描述。这门学科就是“单元操作”学,0.2 单元操作0.2.1 单元操作的概念,食品、化工、制药等生产过程中的各个基本的物理操作步骤或单元，如流体输送、过滤、传热、蒸发、液体萃取、干燥、冷冻等就是单元操作。这些物理操作步骤是组成生产过程的基本单元，具有各自统一的原理、各自通用的设备。,将各单元操作从各种具体生产过程中抽出来进行
4、系统的研究和表达，就可以统一和简化食品、化工、制药等生产过程的描述。单元操作的英语定义,The unit-operation concept is this:by studying systematically these physical operations themselves operations which clearly cross industry and process lines the treatment of processes is unified and simplified.工业和过程生产线按单元操作分割，以统一和简化描述。,0.2.2 单元操作的特点,都是物理操作
5、；都是共有的操作；原理相同，设备通用（不同过程中，设备的个数和排列顺序当然可以不同）。,0.3 食品工程原理课程的两条主线,（1）统一的研究对象各单元操作最终归于动量、热量、物质量传递，故“三传”是其统一的研究对象。动量、热量、物质量都是物理量，在本质上一致的物理量通量的求取是课程的一条主线。,（2）统一的研究方法实验研究法（量纲分析规划）、半理论半经验的数学模型法和纯数学模型法是统一的研究方法，是课程的另一条主线。统一的研究对象和统一的研究方法使其成为一门学科（成为学科的两个条件）。两主线可合一,0.4 食品工程原理课程要解决的问题,过程和设备的选择（例：井水如何送到五楼？）设备的设计（粉尘
6、回收的旋风分离器无合适的可选，如何自己设计？）顺利操作和解决出现的问题（换热器用长时间，工艺不达标，什么原因？）,0.5 食品工程原理和化工原理的对比,化工原理是化学工程专业发展形成的系统阐述化工单元操作的一门学科，在国外最早就称单元操作，研究普遍性单元操作原理。将化工原理引入到食品工业中，形成食品工程原理。因食品工业的一些特殊性，而具有特殊点。,食品物料的特点及其对加工的要求是：（1）热敏性和氧化变质 要求低温、缺氧条件。更多用：真空输送、真空过滤、真空脱气、真空冷却、真空蒸发、真空结晶、真空干燥、真空蒸馏、真空包装、冷冻浓缩、冷冻干燥等。,（2）易腐败性 要求浓缩食品、干制食品、冷冻食品和
7、速冻食品成为主要形式。更多用冷冻浓缩、半透膜浓缩、辐射干燥、冷冻升华干燥、低温冷冻、速冻等单元操作。,（3）物料多为固态和液态，化工多为气态。有关提取、分离、净制以及混合、乳化、粉碎等单元操作占有相当重要的地位。同时应用吸附离子交换、浸出、过滤分离以及膜分离、超临界流体萃取等单元操作。（4）非牛顿流体是主要形式，与牛顿流体不同。,食品工程原理将化工原理的普遍性知识“三传”运用到具有特殊性要求的食品行业中，形成了能够解决食品工程问题的知识体系和研究方法，成为一门新的学科。在真空技术、冷冻技术、结晶、膜分离、分子蒸馏、超临界流体技术等方面得到更深的发展。,0.6 单位换算,学科在形成过程中，使用过
8、各种单位制，要能熟练换算（用于看资料）。SI制七种基本单位及符号：长度m、质量kg、时间s，热力学温度K、发光强度cd“坎德拉”、电流强度A、物质量mol。国家法定计量单位（SI单位加我国承认的几种）。,0.6.1 物理量的单位换算,两个相同的物理量之比为纯数1，其数字部分即为换算因数，但要将目标（要换算到的单位）单位的物理量放在分子上，用此法不容易产生错误。例：工程单位制中，基本物理量是长度(m)、时间(s)和力(kgf)，而质量是导出量，问其单位？将工程制的质量换为SI制kg换算因数怎么写？,解：,常见物理量的换算因数见课本附录。但最好记住：（1）1kg=2.2b（磅）（2）1m=3.28
9、ft（英尺）3.3ft（3）1kg(f)=9.81N（4）1N=105dyn（5）1BTU=1055J（用1kJ记，用水的比热换算：,（6）1cal=4.187J（7）1温差=1.8 oF温差1K温差 关于温度有摄氏温度（Celsius-scale）、华氏（Fahrenheit）、兰氏（Rankine）和热力温度（K），换算关系用下图记忆：,0.6.2 经验公式（数字公式）换算,有些公式是根据实验得到的实验规律的总结，但不是物理方程。公式中的单位是指定的。有时，为了成批量的数据处理，需要将公式中的物理量以新单位表示。,这类公式换算的原则是：原来给出的公式是成立的，故应将新单位下的物理量（加“”
10、表示）还原到公式所要求的单位后，将还原后的物理量代入原公式，再变化。此为“还原”法则。,例：总传热系数K的经验式为：式中：KBTU/(ft2h oF)；uft/s。将公式换算成新单位表示 KW/(m2K)，um/s。,经验公式也可将数字部分按物理方程左右单位一致的原则配上单位后，然后由旧单位向新单位换算，结论一致，但不可以将原公式中的变量符号配上原单位向新单位转化。,转化后的变量符号的单位还是原单位，其与转化后相关联数字相乘的共同单位才是新单位。与之相乘的数字有单位（课后请大家试一试）。初学者一般会换算错，应小心。,0.7 物料衡算,物料衡算方法是本课程常用方法，应熟练掌握。根据衡算范围内（也
11、称控制体）进出的物料量的关系，写出方程（选好时间基准：1s、1h等）。输入输出积累,对稳态过程（参数不随时间变化的过程）对不稳态过程，一般列出微元时间 内的物料衡算式求解。使用方法见以后各章。,0.8 能量衡算,与物料衡算方法相似也是本门课程的基本方法之一。必须熟练掌握。在以后的单元操作中会反复用到。,0.9 过程速率,过程速率 速率=这一表达式也是本门课的基本表达方法之一，需熟练运用。如用通量，分母为阻力强度。,0.10 平衡关系,平衡关系涉及过程的方向、推动力大小及极限、是三传的基本问题。如气液平衡、萃取平衡、液固平衡（洗衣服）、干燥平衡、传热平衡等。,附带：作业要求：（1）抄题目；（2）
12、写出已知，求解，同时换算；（3）画示意图标明已知参数；（4）写出公式，代入对应的数值、等于结果；连续运算、小数点保留23位，注意有效数字计算。,1 流体流动,1 流体流动（Fluid Flow）,流体流动是讨论单元操作的基础。“三传”即动量、热量和（物）质量传递有本质的内在联系，都与流体的流动密切相关。食品生产涉及各种流体输送问题，需要研究流体的流动规律以便进行管路设计、输送机械的选择以及所需功率的计算。,传热传质大多在流动条件下进行，流动对过程有着重要影响。绪论中已经讲过，学会了流体流动（动量传递）的规律后，可类比学习其余两传。本课程首先研究流体流动规律。,1.1 与流体有关的几个基础概念1
13、.1.1 流体的连续性假定,流体是液体和气体的总称。以分子尺度考察流体流动将非常复杂，不实用，因为不连续随机运动的表达复杂，边界条件和初始条件需要确定，数学公式求解困难。取流体质点（微团）作为最小考察对象。,质点：含有大量分子的流体微团，其尺度远小于设备尺寸但又比分子自由程要大得多。可假设流体是由大量质点组成的，彼此间没有空隙，完全充满所占空间的连续介质（高真空稀薄气体不适用）。,1.1.2 体积力,作用于流体的每一质点上，并与流体质量成正比的力称为体积力。流体密度均一时，质量与体积成正比，故称体积力。重力和离心力是典型的体积力。,1.1.3 表面力,与作用的表面积成正比的力称为表面力。表面力
14、可垂直也可平行于表面，分别称为正压力和剪力。单位面积上的正压力称为压强（也称压力），单位面积上的剪力称为剪应力。,1.1.4 流体压强的表示方法,SI制单位为Pa，即N/m2，换算关系1 bar=105 Pa=100 kPa1 atm（物理大气压）=1.013105 Pa=101.3 kPa=760 mmHg=10.33m H2O,1 kgf/cm2（工程大气压）=1 at=9.81104 Pa=735.6 mmHg=10mH2O压强的表示要注意表压、真空度、绝压、负压等概念。,提出问题：弹簧管压强表如何测压？压强出现负值，代表什么含义？（弹簧管要抵消大气压作用，再伸张带动指针顺时针旋转，故测
15、到表压。负压表示所测压强小于大气压，弹簧管收缩，指针逆时针反向旋转。）,1.1.5 流体流动中的机械能,有位能（势能）、动能和压强能。流体反抗一定的压力流动需要外界做功。如图所示，体积为V的流体反抗压强P压入管中，行程为L，则外界所作功为：2011。9。3看,1.2 流体静力学（Hydrostatics）1.2.1 流体的密度,1.2.2 流体静力学方程,取均匀、连续、静止流体中的一个微元作受力分析，如图所示。,知识扩展：z轴方向力的平衡式中的（g）等于（mg/m），即单位质量物体的体积力（在此为重力）在z方向分量，负号代表方向向下。,上述推导中X=0，Y=0，Z=g，而针对更一般情形（如以后
16、涉及的重力和旋转力双场）的推导，X和Y都不为零。,1.2.3 静力学方程的应用,（1）正装倾斜管上的U型压差计,（2）倒装倾斜管上的U型压差计,1.3 流体流动的三个衡算方程（物料、能量、动量衡算式）1.3.1 流体流动的流量与流速及稳态与非稳态过程,流速是单位横截面上流过的流体量。,用G表示，单位为kg/(m2 s)，表示流体以质量计时的流通密度（或通量）。,单位时间单位面积上的某物理量的具有的流通密度（或通量）的含义，参照体积的流通密度为流速，质量计的流通密度为质量流速，故以后涉及到流通密度的概念时，可理解成某物理量的“速度”含义。,流体流动中，某物理量不随时间变化，称为稳定流动、稳态流动
17、。物理量随时间变化的过程称为非稳态流动。推广到各过程，则有稳态过程和非稳态过程之分（能举出例子吗？）,1.3.2 稳态流动时的物料衡算方程连续性方程,如图所示的流动，按质量衡算方法（框内）,输入控制体质量积累质量输出质量对稳态过程，积累质量0。,1.3.3 能量衡算式与Bernoulli（伯努利）方程（机械能衡算式）,(1)总能量衡算式食品工业（或化工类型生产过程）中常见的流体流动过程如图所示。在1-1截面（垂直于管道）、2-2截面和管道及设备壁面所围范围（衡算控制体）内，设过程无电能、化学能等能量形式的输入和输出，过程稳态。,输入输出控制系统的物质量为m kg，列出输入、输出能量。,输入能量
18、：位能mgz1；,输出的能量：mgz2；,稳态过程有：输入能量输出能量,（2）机械能衡算式（Bernoulli方程）热力学能和热能不能直接转变为可用于流体输送的机械能。可只考虑机械能衡算。,实际流体因存在粘性，流动过程中消耗机械能转化为热能，升高流体的温度。现因假设流体温度不变，故需要将此机械能损耗看成是一种损失，而输出到控制体之外，并设1 kg流体机械能因内摩擦的损耗而发生的损失为(J/kg)，则得到流体流动的机械能衡算式为：,BE的压强可同时取绝压，也可同时取表压计算。使用条件为稳态、不可压缩，连续流体时（汽化时，管道截面不满不能用）。,要按流动方向列1-1截面和2-2截面，且两个截面应在
19、已知参数较多的地方。1-1和2-2截面与流动方向垂直，要指出具体位置如在管出口内侧还是外侧（原因以后叙述）。注意三种公式形式：,在管内流动时，因管截面上各点速度不同，有速度分布，u取平均值，因工程上一般流动为所谓的湍流（后述），以平均速度计算的动能与动能的平均值的校正系数为1。层流时动能项前要乘系数2，但一般动能项较小，故在使用中不加以校正。,提出利用B、E解题的要点：（1）由题意，画出示意图。（2）确定控制体。注意以上讨论的第（4）点。（3）选准基准面，要便于计算。,例题：用泵将贮池中的常温下的水送至吸收塔顶部，贮液池水面维持恒定，各部分的相对位置如图所示。输水管的直径为763mm，排出管出口的喷头连接处的压强为6.15104Pa（表压），送水量为34.5 m3/h，水流经全部管道（不包括喷头）的能量损失为160 J/kg。,然后由d时间内物料衡算列出微分方程，求解。,针对d时间内出入系统的水进行衡算：输入输出积累,
