食品工程原理完整課件(PPT 120頁)

1、食品工程原理編寫人： 劉 偉 民 教 授 江 蘇 大 學 食 品 與 生 物 工 程 學 院食品科學與工程專業(yè)本科教學課件1.第1頁，共120頁。章目錄0 緒論1 流體流動2 流體輸送機械3 流體經顆粒的流動4 傳熱5 蒸發(fā)6 傳質基礎和吸收7 蒸餾8 液液萃取9 干燥10 冷凍 第2頁，共120頁。0 緒 論3.第3頁，共120頁。0.1 食品工業(yè)生產過程由食品工業(yè)提供的食品種類繁多，如糖、煙、酒、奶粉、火腿腸、餅干、面包，等等。食品工業(yè)是對原料進行物理、生物、化學加工，以獲取目標食品的工業(yè)。物理加工當然進行的是物理操作，如粉碎、過濾、蒸發(fā)、加熱、冷卻、干燥等。第4頁，共120頁。對涉及生物

2、、化學加工的食品加工過程而言，過程的核心應當是生物化學或化學反應過程和設備（反應器）。為了過程得以經濟有效地進行，反應器中應保持某些優(yōu)惠條件，如適宜的壓強、溫度、濃度、界面積。 第5頁，共120頁。原料必須經過一系列的預處理，以除去雜質，達到必要的純度、溫度、壓強、接觸面積等，這些過程稱為前處理。反應物同樣需要經過各種后處理過程加以精制，以獲得最終成品（或中間產品）。以啤酒生產過程為例，加以理解第6頁，共120頁。啤酒生產工藝麥汁煮沸原料麥芽、大米粉碎混合預浸糖化過濾酒花分離麥汁冷卻發(fā)酵啤酒過濾灌裝殺菌成品啤酒第7頁，共120頁。上述流程中，糖化、發(fā)酵步驟是典型的生化反應過程。其余前后處理中的

3、操作步驟則以物理加工為主要特征，為反應器中的過程提供優(yōu)惠條件，但它們卻占據生產過程的大部分，占據企業(yè)大部分的設備投資和操作費用。第8頁，共120頁。食品工業(yè)中的物理過程或物理操作步驟，對食品工程師、科研人員及管理人員而言，非常重要。食品工業(yè)過程的這種特點同樣出現(xiàn)在化學工業(yè)、制藥工業(yè)等生產過程中，說明這一些類型的生產過程的處理原則可以是相似的。第9頁，共120頁。生產過程的大部分操作是物理操作步驟。研究這類物理操作的原理，就成為幾個專業(yè)領域共同面臨的問題，需要有一門學科來系統(tǒng)討論出現(xiàn)的各種物理操作，以統(tǒng)一和簡化相關工業(yè)過程的描述。這門學科就是“單元操作”學第10頁，共120頁。0.2 單元操作0

4、.2.1 單元操作的概念食品、化工、制藥等生產過程中的各個基本的物理操作步驟或單元，如流體輸送、過濾、傳熱、蒸發(fā)、液體萃取、干燥、冷凍等就是單元操作。這些物理操作步驟是組成生產過程的基本單元，具有各自統(tǒng)一的原理、各自通用的設備。第11頁，共120頁。將各單元操作從各種具體生產過程中抽出來進行系統(tǒng)的研究和表達，就可以統(tǒng)一和簡化食品、化工、制藥等生產過程的描述。 單元操作的英語定義第12頁，共120頁。The unit-operation concept is this: by studying systematically these physical operations themselves

5、 operations which clearly cross industry and process lines the treatment of processes is unified and simplified.工業(yè)和過程生產線按單元操作分割，以統(tǒng)一和簡化描述。第13頁，共120頁。0.2.2 單元操作的特點都是物理操作；都是共有的操作；原理相同，設備通用（不同過程中，設備的個數(shù)和排列順序當然可以不同）。第14頁，共120頁。0.3 食品工程原理課程的兩條主線（1）統(tǒng)一的研究對象各單元操作最終歸于動量、熱量、物質量傳遞，故“三傳”是其統(tǒng)一的研究對象。動量、熱量、物質量都是物理量，在

6、本質上一致的物理量通量的求取是課程的一條主線。第15頁，共120頁。（2）統(tǒng)一的研究方法實驗研究法（量綱分析規(guī)劃）、半理論半經驗的數(shù)學模型法和純數(shù)學模型法是統(tǒng)一的研究方法，是課程的另一條主線。統(tǒng)一的研究對象和統(tǒng)一的研究方法使其成為一門學科（成為學科的兩個條件）。兩主線可合一第16頁，共120頁?，F(xiàn)有教材編寫思路的揭示 單元操作類教材編寫和內容理解主線揭示和創(chuàng)新示意圖選用動量型設備需求出設備的動量通量(指單位面積單位時間的動量)運用規(guī)律：動量通量絕對值等于速度梯度乘比例系數(shù)動力粘度或表觀動力粘度寫成：動量通量等于速度差除以動量傳遞阻力選擇四方法之一求傳遞阻力（1）從牛頓粘性定律推（2）因次分析規(guī)

7、劃試驗測（3）數(shù)學模型輔助實驗測（4）實驗測掩蓋求通量完成選用設計計算選用熱量型設備需求出設備的熱量通量(指單位面積單位時間的熱量)運用規(guī)律：熱量通量絕對值等于溫度梯度乘比例系數(shù)導熱系數(shù)或單位距離給熱系數(shù)寫成：熱量通量等于溫度差除以熱量傳遞阻力選擇四方法之一求傳遞阻力（1）從傅立葉導熱定律推（2）因次分析規(guī)劃試驗測（3）數(shù)學模型輔助實驗測（4）實驗測掩蓋求通量完成選用設計計算選用傳質型設備需求出設備的質量通量(指單位面積單位時間的物質量)運用規(guī)律：質量通量絕對值等于濃度梯度乘比例系數(shù)擴算系數(shù)或單位距離傳質系數(shù)寫成：質量通量等于濃度差除以物質量傳遞阻力選擇四方法之一求傳遞阻力（1）從菲克擴散定律

8、推（2）因次分析規(guī)劃試驗測（3）數(shù)學模型輔助實驗測（4）實驗測掩蓋求通量完成選用設計計算選用或設計設備需求設備的物理量通量(物理量指動量、熱量、物質量)運用規(guī)律：物理量通量絕對值等于物理量濃度（指單位體積物理量）梯度乘系數(shù)寫成：通量等于物理量濃度差除以傳遞阻力選擇四方法之一求傳遞阻力（1）從三個基本定律推導（2）因次分析規(guī)劃試驗測（3）數(shù)學模型輔助實驗測（4）實驗測掩蓋求通量完成選用設計計算創(chuàng)新的主線第17頁，共120頁。0.4 食品工程原理課程要解決的問題過程和設備的選擇（例：井水如何送到五樓？）設備的設計（粉塵回收的旋風分離器無合適的可選，如何自己設計？）順利操作和解決出現(xiàn)的問題（換熱器用

9、長時間，工藝不達標，什么原因？）第18頁，共120頁。0.5 食品工程原理和化工原理的對比化工原理是化學工程專業(yè)發(fā)展形成的系統(tǒng)闡述化工單元操作的一門學科，在國外最早就稱單元操作，研究普遍性單元操作原理。將化工原理引入到食品工業(yè)中，形成食品工程原理。因食品工業(yè)的一些特殊性，而具有特殊點。第19頁，共120頁。食品物料的特點及其對加工的要求是：（1）熱敏性和氧化變質 要求低溫、缺氧條件。更多用：真空輸送、真空過濾、真空脫氣、真空冷卻、真空蒸發(fā)、真空結晶、真空干燥、真空蒸餾、真空包裝、冷凍濃縮、冷凍干燥等。第20頁，共120頁。（2）易腐敗性 要求濃縮食品、干制食品、冷凍食品和速凍食品成為主要形式。

10、 更多用冷凍濃縮、半透膜濃縮、輻射干燥、冷凍升華干燥、低溫冷凍、速凍等單元操作。第21頁，共120頁。（3）物料多為固態(tài)和液態(tài)，化工多為氣態(tài)。 有關提取、分離、凈制以及混合、乳化、粉碎等單元操作占有相當重要的地位。 同時應用吸附離子交換、浸出、過濾分離以及膜分離、超臨界流體萃取等單元操作。（4）非牛頓流體是主要形式，與牛頓流體不同。第22頁，共120頁。食品工程原理將化工原理的普遍性知識“三傳”運用到具有特殊性要求的食品行業(yè)中，形成了能夠解決食品工程問題的知識體系和研究方法，成為一門新的學科。在真空技術、冷凍技術、結晶、膜分離、分子蒸餾、超臨界流體技術等方面得到更深的發(fā)展。第23頁，共120頁

11、。0.6 單位換算學科在形成過程中，使用過各種單位制，要能熟練換算（用于看資料）。SI制七種基本單位及符號：長度m、質量kg、時間s，熱力學溫度K、發(fā)光強度cd “坎德拉”、電流強度A、物質量mol。國家法定計量單位（SI單位加我國承認的幾種）。第24頁，共120頁。0.6.1 物理量的單位換算第25頁，共120頁。兩個相同的物理量之比為純數(shù)1，其數(shù)字部分即為換算因數(shù)，但要將目標（要換算到的單位）單位的物理量放在分子上，用此法不容易產生錯誤。例：工程單位制中，基本物理量是長度(m)、時間(s)和力(kgf)，而質量是導出量，問其單位？將工程制的質量換為SI制kg換算因數(shù)怎么寫？第26頁，共12

12、0頁。解：第27頁，共120頁。常見物理量的換算因數(shù)見課本附錄。但最好記住：（1）1kg=2.2b（磅）（2）1m=3.28ft（英尺）3.3ft（3）1kg(f)=9.81N （4）1N=105dyn（5）1BTU=1055J（用1kJ記，用水的比熱換算：第28頁，共120頁。（6）1cal=4.187J（7）1溫差=1.8 oF溫差1K溫差 關于溫度有攝氏溫度（Celsius-scale）、華氏（Fahrenheit）、蘭氏（Rankine）和熱力溫度（K），換算關系用下圖記憶：第29頁，共120頁。第30頁，共120頁。0.6.2 經驗公式（數(shù)字公式）換算有些公式是根據實驗得到的實驗規(guī)律

13、的總結，但不是物理方程。公式中的單位是指定的。有時，為了成批量的數(shù)據處理，需要將公式中的物理量以新單位表示。第31頁，共120頁。這類公式換算的原則是：原來給出的公式是成立的，故應將新單位下的物理量（加“”表示）還原到公式所要求的單位后，將還原后的物理量代入原公式，再變化。此為“還原”法則。第32頁，共120頁。例：總傳熱系數(shù)K的經驗式為：式中 ：KBTU/(ft2h oF)；uft/s。將公式換算成新單位表示 KW/(m2K)，um/s。第33頁，共120頁。第34頁，共120頁。第35頁，共120頁。經驗公式也可將數(shù)字部分按物理方程左右單位一致的原則配上單位后，然后由舊單位向新單位換算，結

14、論一致，但不可以將原公式中的變量符號配上原單位向新單位轉化。第36頁，共120頁。轉化后的變量符號的單位還是原單位，其與轉化后相關聯(lián)數(shù)字相乘的共同單位才是新單位。與之相乘的數(shù)字有單位（課后請大家試一試）。初學者一般會換算錯，應小心。第37頁，共120頁。0.7 物料衡算物料衡算方法是本課程常用方法，應熟練掌握。根據衡算范圍內（也稱控制體）進出的物料量的關系，寫出方程（選好時間基準：1s、1h等）。 輸入輸出積累第38頁，共120頁。對穩(wěn)態(tài)過程（參數(shù)不隨時間變化的過程）對不穩(wěn)態(tài)過程，一般列出微元時間 內的物料衡算式求解。使用方法見以后各章。第39頁，共120頁。0.8 能量衡算與物料衡算方法相似

15、也是本門課程的基本方法之一。必須熟練掌握。在以后的單元操作中會反復用到。第40頁，共120頁。0.9 過程速率過程速率 速率=這一表達式也是本門課的基本表達方法之一，需熟練運用。如用通量，分母為阻力強度。第41頁，共120頁。0.10 平衡關系平衡關系涉及過程的方向、推動力大小及極限、是三傳的基本問題。如氣液平衡、萃取平衡、液固平衡（洗衣服）、干燥平衡、傳熱平衡等。第42頁，共120頁。附帶：作業(yè)要求：（1）抄題目；（2）寫出已知，求解，同時換算；（3）畫示意圖標明已知參數(shù)；（4）寫出公式，代入對應的數(shù)值、等于結果；連續(xù)運算、小數(shù)點保留23位，注意有效數(shù)字計算。第43頁，共120頁。1 流體流

16、動第44頁，共120頁。1 流體流動（Fluid Flow）流體流動是討論單元操作的基礎?！叭齻鳌奔磩恿俊崃亢停ㄎ铮┵|量傳遞有本質的內在聯(lián)系，都與流體的流動密切相關。食品生產涉及各種流體輸送問題，需要研究流體的流動規(guī)律以便進行管路設計、輸送機械的選擇以及所需功率的計算。第45頁，共120頁。傳熱傳質大多在流動條件下進行，流動對過程有著重要影響。緒論中已經講過，學會了流體流動（動量傳遞）的規(guī)律后，可類比學習其余兩傳。本課程首先研究流體流動規(guī)律。第46頁，共120頁。1.1 與流體有關的幾個基礎概念1.1.1 流體的連續(xù)性假定流體是液體和氣體的總稱。以分子尺度考察流體流動將非常復雜，不實用，因為

17、不連續(xù)隨機運動的表達復雜，邊界條件和初始條件需要確定，數(shù)學公式求解困難。取流體質點（微團）作為最小考察對象。第47頁，共120頁。質點：含有大量分子的流體微團，其尺度遠小于設備尺寸但又比分子自由程要大得多?？杉僭O流體是由大量質點組成的，彼此間沒有空隙，完全充滿所占空間的連續(xù)介質（高真空稀薄氣體不適用）。第48頁，共120頁。1.1.2 體積力作用于流體的每一質點上，并與流體質量成正比的力稱為體積力。流體密度均一時，質量與體積成正比，故稱體積力。重力和離心力是典型的體積力。第49頁，共120頁。1.1.3 表面力與作用的表面積成正比的力稱為表面力。表面力可垂直也可平行于表面，分別稱為正壓力和剪力

18、。單位面積上的正壓力稱為壓強（也稱壓力），單位面積上的剪力稱為剪應力。第50頁，共120頁。1.1.4 流體壓強的表示方法SI制單位為Pa，即N/m2，換算關系1 bar=105 Pa=100 kPa1 atm（物理大氣壓）=1.013105 Pa =101.3 kPa=760 mmHg=10.33m H2O第51頁，共120頁。1 kgf/cm2（工程大氣壓）=1 at =9.81104 Pa=735.6 mmHg=10mH2O壓強的表示要注意表壓、真空度、絕壓、負壓等概念。第52頁，共120頁。 第53頁，共120頁。提出問題：彈簧管壓強表如何測壓？壓強出現(xiàn)負值，代表什么含義？（彈簧管要抵

19、消大氣壓作用，再伸張帶動指針順時針旋轉，故測到表壓。負壓表示所測壓強小于大氣壓，彈簧管收縮，指針逆時針反向旋轉。）第54頁，共120頁。1.1.5 流體流動中的機械能有位能（勢能）、動能和壓強能。流體反抗一定的壓力流動需要外界做功。如圖所示，體積為V的流體反抗壓強P壓入管中，行程為L，則外界所作功為：2011。9。3看第55頁，共120頁。 第56頁，共120頁。第57頁，共120頁。1.2 流體靜力學（Hydrostatics）1.2.1 流體的密度第58頁，共120頁。第59頁，共120頁。1.2.2 流體靜力學方程取均勻、連續(xù)、靜止流體中的一個微元作受力分析，如圖所示。 第60頁，共12

20、0頁。第61頁，共120頁。第62頁，共120頁。第63頁，共120頁。知識擴展：z軸方向力的平衡式中的（g）等于（mg/m），即單位質量物體的體積力（在此為重力）在z方向分量，負號代表方向向下。第64頁，共120頁。上述推導中X=0，Y=0，Z=g，而針對更一般情形（如以后涉及的重力和旋轉力雙場）的推導，X和Y都不為零。第65頁，共120頁。第66頁，共120頁。第67頁，共120頁。第68頁，共120頁。第69頁，共120頁。第70頁，共120頁。1.2.3 靜力學方程的應用第71頁，共120頁。（1）正裝傾斜管上的U型壓差計第72頁，共120頁。第73頁，共120頁。第74頁，共120頁

21、。第75頁，共120頁。第76頁，共120頁。（2）倒裝傾斜管上的U型壓差計第77頁，共120頁。第78頁，共120頁。第79頁，共120頁。第80頁，共120頁。1.3 流體流動的三個衡算方程（物料、能量、動量衡算式）1.3.1 流體流動的流量與流速及穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)過程第81頁，共120頁。流速是單位橫截面上流過的流體量。第82頁，共120頁。用G表示，單位為kg/(m2 s)，表示流體以質量計時的流通密度（或通量）。第83頁，共120頁。單位時間單位面積上的某物理量的具有的流通密度（或通量）的含義，參照體積的流通密度為流速，質量計的流通密度為質量流速，故以后涉及到流通密度的概念時，可理解成某

22、物理量的“速度”含義。第84頁，共120頁。第85頁，共120頁。流體流動中，某物理量不隨時間變化，稱為穩(wěn)定流動、穩(wěn)態(tài)流動。物理量隨時間變化的過程稱為非穩(wěn)態(tài)流動。推廣到各過程，則有穩(wěn)態(tài)過程和非穩(wěn)態(tài)過程之分（能舉出例子嗎？）第86頁，共120頁。1.3.2 穩(wěn)態(tài)流動時的物料衡算方程連續(xù)性方程如圖所示的流動，按質量衡算方法（框內）第87頁，共120頁。輸入控制體質量積累質量輸出質量對穩(wěn)態(tài)過程，積累質量0。第88頁，共120頁。第89頁，共120頁。1.3.3 能量衡算式與Bernoulli（伯努利）方程（機械能衡算式）(1)總能量衡算式食品工業(yè)（或化工類型生產過程）中常見的流體流動過程如圖所示。在

23、1-1截面（垂直于管道）、2-2截面和管道及設備壁面所圍范圍（衡算控制體）內，設過程無電能、化學能等能量形式的輸入和輸出，過程穩(wěn)態(tài)。第90頁，共120頁。輸入輸出控制系統(tǒng)的物質量為m kg，列出輸入、輸出能量。第91頁，共120頁。輸入能量： 位能mgz1；第92頁，共120頁。第93頁，共120頁。輸出的能量： mgz2；第94頁，共120頁。穩(wěn)態(tài)過程有：輸入能量輸出能量第95頁，共120頁。第96頁，共120頁。第97頁，共120頁。（2）機械能衡算式（Bernoulli方程）熱力學能和熱能不能直接轉變?yōu)榭捎糜诹黧w輸送的機械能?？芍豢紤]機械能衡算。第98頁，共120頁。實際流體因存在粘性，流動過程中消耗機械能轉化為熱能，升高流體的溫度。現(xiàn)因假設流體溫度不變，故需要將此機械能損耗看成是一種損失，而輸出到控制體之外，并設1 kg流體機械能因內摩擦的損耗而發(fā)生的損失為 (J