食品工程原理 緒論

PrinciplesoffoodEngineering食品工程原理

教材簡(jiǎn)介參考書(shū)目馮骉主編，食品工程原理，中國(guó)輕工業(yè)出版社。幾點(diǎn)說(shuō)明理論課程：72學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)：18學(xué)時(shí)自主學(xué)習(xí)：12學(xué)時(shí)總成績(jī)：考試成績(jī)70%

平時(shí)成績(jī)30%

為什么要學(xué)習(xí)該課程如何學(xué)習(xí)該課程

單元操作的目的是什么

單元操作的依據(jù)是什么

采取什么措施強(qiáng)化單元操作

典型的設(shè)備與調(diào)節(jié)

過(guò)程經(jīng)濟(jì)性分析0-1食品工程原理的研究?jī)?nèi)容不同食品的生產(chǎn)過(guò)程使用各種物理加工過(guò)程，根據(jù)他們的操作原理，可以歸結(jié)為數(shù)個(gè)應(yīng)用廣泛的根本操作過(guò)程，如流體輸送、沉降、過(guò)濾、熱交換、蒸發(fā)、吸收、蒸餾、乳化萃取、枯燥等。這些根本的物理過(guò)程稱(chēng)為單元操作。

食品工業(yè)：利用物理和化學(xué)方法將自然界的各種物質(zhì)加工成生活資料的工業(yè)。食品生產(chǎn)：(1)化學(xué)反響過(guò)程：如食品風(fēng)味的形成(2)物理加工過(guò)程0緒論0.1A單元操作單元操作的應(yīng)用及特點(diǎn)假設(shè)干個(gè)單元操作串聯(lián)起來(lái)組成一個(gè)工藝過(guò)程。均為物理性操作，只改變物料的狀態(tài)或其物理性質(zhì)，不改變其化學(xué)性質(zhì)。同一食品生產(chǎn)過(guò)程中可能會(huì)飽含多個(gè)相同的的單元操作。單元操作用于不同的生產(chǎn)過(guò)程其根本原理相同，進(jìn)行該操作的設(shè)備也可以通用。單元操作的應(yīng)用及特點(diǎn)奶粉生產(chǎn)工藝流程原料乳驗(yàn)收預(yù)處理〔凈乳、降溫〕標(biāo)準(zhǔn)化配料真空濃縮噴霧枯燥振動(dòng)篩包裝裝箱成品假設(shè)干個(gè)單元操作串聯(lián)起來(lái)組成一個(gè)工藝過(guò)程。流體輸送→過(guò)濾〔凈乳〕→混合、均質(zhì)〔成分標(biāo)準(zhǔn)化〕→熱交換→蒸發(fā)→噴霧枯燥→流化床→振動(dòng)篩流化床檢驗(yàn)脫氣計(jì)量

凈乳機(jī)

凈乳大廳均質(zhì)機(jī)

板式熱交換器板式熱交換器

旋風(fēng)別離器疏粉器

二級(jí)流化床

流化床進(jìn)風(fēng)系統(tǒng)

乳品工程原理解析乳品加工現(xiàn)場(chǎng)返回乳品加工現(xiàn)場(chǎng)單元操作按其理論根底可分為以下三類(lèi)：〔1〕流體流動(dòng)過(guò)程〔fluidflowprocess〕:包括流體輸送、攪拌、沉降、過(guò)濾等?！?〕傳熱過(guò)程〔heattransferprocess〕:包括熱交換、蒸發(fā)等。〔3〕傳質(zhì)過(guò)程〔masstransferprocess〕:包括吸收、蒸餾、萃取、吸附、枯燥等。上述三個(gè)過(guò)程包含了三種理論，我們稱(chēng)之為“三傳理論〞。0.1B單元操作的分類(lèi)動(dòng)量傳遞(momentumtransfer)：流體流動(dòng)時(shí)，其內(nèi)部發(fā)生動(dòng)量傳遞，故流體流動(dòng)過(guò)程也稱(chēng)為動(dòng)量傳遞過(guò)程。但凡遵循流體流動(dòng)根本規(guī)律的單元操作，到可以用動(dòng)量傳遞的理論去研究。熱量傳遞(heattransfer):物體被加熱或冷卻的過(guò)程也稱(chēng)為物體的傳熱過(guò)程。但凡遵循傳熱根本規(guī)律的單元操作，到可以用熱量傳遞的理論去研究。質(zhì)量傳遞(masstransfer):兩相間物質(zhì)的傳遞過(guò)程即為質(zhì)量傳遞。但凡遵循傳質(zhì)根本規(guī)律的單元操作，到可以用質(zhì)量傳遞的理論去研究。三傳理論單元操作的研究?jī)?nèi)容與方向

單元操作的基本原理；單元操作典型設(shè)備的結(jié)構(gòu)；單元操作設(shè)備選型設(shè)計(jì)計(jì)算。

高效率、低能耗、環(huán)保；開(kāi)發(fā)新的單元操作單元操作集成工藝與技術(shù)。研究?jī)?nèi)容研究方向流體力學(xué)、傳熱及傳質(zhì)的根本原理是各單元操作的理論根底。許多單元操作都會(huì)包含兩種以上的傳遞現(xiàn)象，如枯燥、精餾等。食品工程原理是食品工程等工科專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)根底課。先修課：高等數(shù)學(xué)、物理、物理化學(xué)、機(jī)械制圖等。0.1C

課程性質(zhì)0.1D

課程任務(wù)?食品工程原理?是食品工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生的必修課，其主要任務(wù)是：介紹三傳理論，即流體流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)的根本原理；掌握主要單元操作的典型設(shè)備構(gòu)造、操作原理、計(jì)算、選型及實(shí)驗(yàn)研究方法；培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用根底理論分析和解決食品工程單元操作中各種工程實(shí)際問(wèn)題(計(jì)算、選型及實(shí)驗(yàn)研究方法)的能力。0.2A

單位制任何物理量都由數(shù)字和單位聯(lián)合表達(dá)的。運(yùn)算時(shí)，數(shù)字與單位一并納入運(yùn)算。如：5m+8m=(5+8)m;5m×8m=(5×8)(m×m)=40m2物理量單位選擇時(shí)，先選定幾個(gè)獨(dú)立的物理量，叫根本量，并根據(jù)使用方便的原那么，定出這些量的單位，叫根本單位；其它各量的單位通過(guò)它們與根本量之間的關(guān)系來(lái)確定，這些物理量叫導(dǎo)出量，單位叫導(dǎo)出單位；導(dǎo)出單位是由根本單位乘除構(gòu)成的。0-2單位制與單位換算國(guó)際單位制(SI單位制)：7個(gè)根本量：長(zhǎng)度:m；時(shí)間:s；質(zhì)量:kg；電磁強(qiáng)度:A(安培)；發(fā)光強(qiáng)度:cd(燭光)；物質(zhì)的量:mol(摩爾)；熱力學(xué)溫度:K。2個(gè)輔助量：平面角:rad(弧度)；立體角:sr(球面度)。特點(diǎn)：①.通用性。②.一貫性。任何一個(gè)SI導(dǎo)出單位，在由根本單位導(dǎo)出時(shí)，都不需引入比例系數(shù)。我國(guó)法定計(jì)量單位國(guó)際單位制選定的非國(guó)際單位制0.2B單位換算①物理量的單位換算：由一種單位換算成另一種單位時(shí)，量本身并不變化，只是數(shù)值要變化，換算時(shí)要乘或除以?xún)蓡挝婚g的換算因子。換算因子：彼此相等而單位不同的兩個(gè)物理量包括單位在內(nèi)的比值，任何換算因子在本質(zhì)上都是純數(shù)“1〞。如；1m＝100cm，那么換算因數(shù)為100cm/m或0.01m/cm例0-1：1atm=1.033kgf/cm2,試用Pa表示。解：查附錄1知：1kgf=9.81N,1cm2=10-4m2換算因數(shù)：9.81N/kgf,10-4m2/cm2②公式的換算⑴物理方程的換算物理方程是根據(jù)物理規(guī)律建立起來(lái)的反映物理量之間的關(guān)系的方程式。物理方程中各物理量的單位可以任選一種單位制度，但在同一式中決不允許同時(shí)采用兩種單位制度。⑵經(jīng)驗(yàn)公式(數(shù)字公式)的換算借助實(shí)驗(yàn)或半實(shí)驗(yàn)、半理論的方法處理得到的公式。它只反映各有關(guān)物理量之間的數(shù)字關(guān)系，每個(gè)符號(hào)只代表物理量的數(shù)字局部，而這些數(shù)字又與特定單位對(duì)應(yīng)。因此，使用經(jīng)驗(yàn)公式時(shí)，各物理量必須采用指定單位。經(jīng)驗(yàn)公式的單位換算，也可采用換算因數(shù)將規(guī)定單位換算成所要求單位。例0-2:水蒸汽在空氣中擴(kuò)散系數(shù)為：式中：D－擴(kuò)散系數(shù)，ft2/h；

P－壓強(qiáng)，atm；

T－蘭氏溫度，oR。試將式中各符號(hào)單位換算成D:m2/s；P:Pa；T:K解：查附錄二：1ft=0.3048m；1h=3600s；1atm=1.0133×105Pa；1oR=5/9K以D’、P’、T’代表擴(kuò)散系數(shù)、壓強(qiáng)和溫度三個(gè)物理量，那么：整理，得：因次

法定計(jì)量單位中，根本量的長(zhǎng)度、質(zhì)量、時(shí)間、溫度可分別用符號(hào)L、M、T、θ表示，那么導(dǎo)出量可由這些根本量的符號(hào)組合而成。例：速度——［LT－1］加速度——［LT－2］力——［MLT－2］假設(shè)某物理量以［MaLbTc］表示，那么稱(chēng)它為該物理量的因次或量綱〔dimension〕〔嚴(yán)格地說(shuō)，指數(shù)a、b、c稱(chēng)為因次，［MaLbTc］稱(chēng)為該物理量的因次式或量綱式〕。它表示該物理量的單位與根本量的單位之間的關(guān)系。當(dāng)a＝b＝c＝0時(shí)，時(shí)［M0L0T0］＝［1］，稱(chēng)為無(wú)因次〔dimensionless〕。物料衡算；能量衡算；物系的平衡關(guān)系；傳遞速率；經(jīng)濟(jì)核算。

0-3物料衡算和能量衡算

依據(jù)質(zhì)量守恒定律，進(jìn)入與離開(kāi)某一化工過(guò)程的物料質(zhì)量之差，等于該過(guò)程中累積的物料質(zhì)量，即

對(duì)于連續(xù)操作的過(guò)程，假設(shè)各物理量不隨時(shí)間改變，即處于穩(wěn)定操作狀態(tài)時(shí)，過(guò)程中不應(yīng)有物料的積累，那么物料衡算關(guān)系為輸入量－輸出量＝累積量輸入量＝輸出量用物料衡算式可由過(guò)程的量求出未知量。0.3A物料衡算〔materialbalance〕物料衡算的步驟：1.繪簡(jiǎn)圖：方框表設(shè)備，箭頭表輸入輸出物流方向，箭頭旁注明條件。2.圈出衡算范圍：其邊界要與待計(jì)算的物流相交。3.定基準(zhǔn)：間歇操作：以一批物料為基準(zhǔn)；連續(xù)操作：以單位時(shí)間為基準(zhǔn)。4.列算式：總物料衡算式，1個(gè)某組分物料衡算式，N-1個(gè)例0-3:原料液流量為1000kg/h，含20％果汁，進(jìn)入蒸發(fā)器，蒸出水分Wkg/h，濃縮液為Skg/h，含果汁50％進(jìn)入結(jié)晶器，結(jié)晶產(chǎn)品為Pkg/h，含96％果汁，循環(huán)母液Rkg/h，含37.5％果汁，回到蒸發(fā)器再循環(huán)，求W,S,P,R各為多少kg/h？蒸發(fā)器結(jié)晶器1000kg/h20％果汁Wkg/hSkg/h50％果汁Pkg/h96％果汁Rkg/h37.5％果汁IIIIII2.劃范圍：范圍I，II，III見(jiàn)圖3.定基準(zhǔn)：1h解：1.繪簡(jiǎn)圖：4.列算式：方框I：總物料：1000=W+P分:1000×0.2=W×0+P×0.96蒸發(fā)器結(jié)晶器Wkg/hSkg/h50％果汁Pkg/h96％果汁Rkg/h37.5％果汁IIIII1000kg/h20％果汁IW=791.7kg/hP=208.3kg/h方框II：總物料：S=P+R分:S×0.5=P×0.96+R×0.375S=974.8kg/hR=766.5kg/h0.3B能量衡算〔energybalance〕同物料衡算一樣，繪簡(jiǎn)圖、定基準(zhǔn)、劃范圍、列算式，但有兩點(diǎn)不同：1物料所具有的熱量由顯熱與潛熱兩局部組成，稱(chēng)為焓(H，kJ/kg)。焓值為一相對(duì)值，且與狀態(tài)有關(guān)，所以熱量衡算時(shí)必須規(guī)定基準(zhǔn)溫度和基準(zhǔn)狀態(tài)，通?；鶞?zhǔn)選273K液態(tài)(即此時(shí)H＝０)。2熱量除了伴隨物料進(jìn)出系統(tǒng)外，還可通過(guò)設(shè)備外殼、管壁由系統(tǒng)向外界散失或由外界傳入系統(tǒng)，只要系統(tǒng)與外界存在溫度差，就有熱量的散失或傳入，稱(chēng)熱損失QL。熱量衡算通式：ΣQi=ΣQo+QＬΣ(wH)i=Σ(wH)o+QＬ例0-4:在換熱器中將平均比熱為3.56kJ/(kg.℃)的某種溶液自25℃加熱到80℃，溶液流量為1.0kg/s。加熱介質(zhì)為120℃的飽和水蒸汽，其消耗量為0.095kg/s，蒸汽冷凝成同溫度的飽和水后排出。試計(jì)算換熱器的熱損失占水蒸汽所提供熱量的百分?jǐn)?shù)。換熱器25℃溶液1.0kg/s80℃溶液1.0kg/s120℃飽和水蒸汽0.095kg/s120℃飽和水0.095kg/s解：1.繪簡(jiǎn)圖2.劃范圍：以換熱器為衡算范圍3.定基準(zhǔn)：1s，0℃，液體4.列算式：查得120℃飽和水蒸汽H=2708.9kJ/kg，120℃飽和水H=503.67kJ/kg，那么：1.0×3.56×(25-0)+0.095×2708.9=1.0×3.56×(80-0)+0.095×503.67+QLQL=13.70kW

水蒸汽提供熱量：

Q=0.095×(2708.9-503.67)＝209.5kW∴熱損失百分?jǐn)?shù)＝13.70/209.5=6.54％平衡狀態(tài)是自然界中廣泛存在的現(xiàn)象。平衡關(guān)系可用來(lái)判斷過(guò)程能否進(jìn)行，以及進(jìn)行的方向和能到達(dá)的限度。以食鹽的溶解和結(jié)晶為例：食鹽濃度>飽和濃度：結(jié)晶食鹽濃度<飽和濃度：溶解該溫度下的飽和濃度為該物系的平衡濃度。0.3C物系的平衡關(guān)系(relationshipofsystembalance)不飽和食鹽溶液：溶解速率〔單位時(shí)間內(nèi)溶解的食鹽質(zhì)量〕大；食鹽濃度高時(shí)，溶解速率小。飽和食鹽溶液〔即平衡狀態(tài)〕：溶解速率為零以食鹽的溶解為例：0.3D傳遞速率〔rateoftransferprocess〕溶液濃度越是遠(yuǎn)離平衡濃度，其溶解速率就越大；溶液濃度越是接近平衡濃度，其溶解速率就越小。溶液濃度與平衡濃度之差值，可以看作是溶解過(guò)程的推動(dòng)力〔drivingforce〕。顆粒大小和攪拌對(duì)溶解速率有影響。原因：由大塊改為許多小快，能使固體食鹽與溶液的接觸面積增大；由不攪拌改為攪拌，能使溶液質(zhì)點(diǎn)對(duì)流。其結(jié)果能減小溶解過(guò)程的阻力〔resistance〕。此關(guān)系類(lèi)似于電學(xué)中歐姆定律。

過(guò)程的傳遞速率與推動(dòng)力成正比，與阻力成反比，即

過(guò)程的傳遞速率是決定化工設(shè)備的重要因素，傳遞