食品工程原理 0緒論1流體流動(dòng)2流體輸送機(jī)械3流體經(jīng)顆粒的流動(dòng)4傳熱5蒸發(fā) 6傳質(zhì)基礎(chǔ)和吸收7蒸餾8液液萃取9干燥10冷凍 0緒論 0 1食品工業(yè)生產(chǎn)過(guò)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(duì)原料進(jìn)行物理 生物 化學(xué)加工 以獲取目標(biāo)食品的工業(yè) 物理加工當(dāng)然進(jìn)行的是物理操作 如粉碎 過(guò)濾 蒸發(fā) 加熱 冷卻 干燥等 對(duì)涉及生物 化學(xué)加工的食品加工過(guò)程而言 過(guò)程的核心應(yīng)當(dāng)是生物化學(xué)或化學(xué)反應(yīng)過(guò)程和設(shè)備 反應(yīng)器 為了過(guò)程得以經(jīng)濟(jì)有效地進(jìn)行 反應(yīng)器中應(yīng)保持某些優(yōu)惠條件 如適宜的壓強(qiáng) 溫度 濃度 界面積 原料必須經(jīng)過(guò)一系列的預(yù)處理 以除去雜質(zhì) 達(dá)到必要的純度 溫度 壓強(qiáng) 接觸面積等 這些過(guò)程稱為前處理 反應(yīng)物同樣需要經(jīng)過(guò)各種后處理過(guò)程加以精制 以獲得最終成品 或中間產(chǎn)品 以啤酒生產(chǎn)過(guò)程為例 加以理解 啤酒生產(chǎn)工藝 上述流程中 糖化 發(fā)酵步驟是典型的生化反應(yīng)過(guò)程 其余前后處理中的操作步驟則以物理加工為主要特征 為反應(yīng)器中的過(guò)程提供優(yōu)惠條件 但它們卻占據(jù)生產(chǎn)過(guò)程的大部分 占據(jù)企業(yè)大部分的設(shè)備投資和操作費(fèi)用 食品工業(yè)中的物理過(guò)程或物理操作步驟 對(duì)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(guò)程的這種特點(diǎn)同樣出現(xiàn)在化學(xué)工業(yè) 制藥工業(yè)等生產(chǎn)過(guò)程中 說(shuō)明這一些類型的生產(chǎn)過(guò)程的處理原則可以是相似的 生產(chǎn)過(guò)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(gè)專業(yè)領(lǐng)域共同面臨的問(wèn)題 需要有一門學(xué)科來(lái)系統(tǒng)討論出現(xiàn)的各種物理操作 以統(tǒng)一和簡(jiǎn)化相關(guān)工業(yè)過(guò)程的描述 這門學(xué)科就是 單元操作 學(xué) 0 2單元操作0 2 1單元操作的概念 食品 化工 制藥等生產(chǎn)過(guò)程中的各個(gè)基本的物理操作步驟或單元 如流體輸送 過(guò)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(chǎn)過(guò)程的基本單元 具有各自統(tǒng)一的原理 各自通用的設(shè)備 將各單元操作從各種具體生產(chǎn)過(guò)程中抽出來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)的研究和表達(dá) 就可以統(tǒng)一和簡(jiǎn)化食品 化工 制藥等生產(chǎn)過(guò)程的描述 單元操作的英語(yǔ)定義 Theunit operationconceptisthis bystudyingsystematicallythesephysicaloperationsthemselves operationswhichclearlycrossindustryandprocesslines thetreatmentofprocessesisunifiedandsimplified 工業(yè)和過(guò)程生產(chǎn)線按單元操作分割 以統(tǒng)一和簡(jiǎn)化描述 0 2 2單元操作的特點(diǎn) 都是物理操作 都是共有的操作 原理相同 設(shè)備通用 不同過(guò)程中 設(shè)備的個(gè)數(shù)和排列順序當(dāng)然可以不同 0 3食品工程原理課程的兩條主線 1 統(tǒng)一的研究對(duì)象各單元操作最終歸于動(dòng)量 熱量 物質(zhì)量傳遞 故 三傳 是其統(tǒng)一的研究對(duì)象 動(dòng)量 熱量 物質(zhì)量都是物理量 在本質(zhì)上一致的物理量通量的求取是課程的一條主線 2 統(tǒng)一的研究方法實(shí)驗(yàn)研究法 量綱分析規(guī)劃 半理論半經(jīng)驗(yàn)的數(shù)學(xué)模型法和純數(shù)學(xué)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(duì)象和統(tǒng)一的研究方法使其成為一門學(xué)科 成為學(xué)科的兩個(gè)條件 兩主線可合一 0 4食品工程原理課程要解決的問(wèn)題 過(guò)程和設(shè)備的選擇 例 井水如何送到五樓 設(shè)備的設(shè)計(jì) 粉塵回收的旋風(fēng)分離器無(wú)合適的可選 如何自己設(shè)計(jì) 順利操作和解決出現(xiàn)的問(wèn)題 換熱器用長(zhǎng)時(shí)間 工藝不達(dá)標(biāo) 什么原因 0 5食品工程原理和化工原理的對(duì)比 化工原理是化學(xué)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(xué)科 在國(guó)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(diǎn) 食品物料的特點(diǎn)及其對(duì)加工的要求是 1 熱敏性和氧化變質(zhì)要求低溫 缺氧條件 更多用 真空輸送 真空過(guò)濾 真空脫氣 真空冷卻 真空蒸發(fā) 真空結(jié)晶 真空干燥 真空蒸餾 真空包裝 冷凍濃縮 冷凍干燥等 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 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 3 物料多為固態(tài)和液態(tài) 化工多為氣態(tài) 有關(guān)提取 分離 凈制以及混合 乳化 粉碎等單元操作占有相當(dāng)重要的地位 同時(shí)應(yīng)用吸附離子交換 浸出 過(guò)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 食品工程原理將化工原理的普遍性知識(shí) 三傳 運(yùn)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(wèn)題的知識(shí)體系和研究方法 成為一門新的學(xué)科 在真空技術(shù) 冷凍技術(shù) 結(jié)晶 膜分離 分子蒸餾 超臨界流體技術(shù)等方面得到更深的發(fā)展 0 6單位換算 學(xué)科在形成過(guò)程中 使用過(guò)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(hào) 長(zhǎng)度m 質(zhì)量kg 時(shí)間s 熱力學(xué)溫度K 發(fā)光強(qiáng)度cd 坎德拉 電流強(qiáng)度A 物質(zhì)量mol 國(guó)家法定計(jì)量單位 SI單位加我國(guó)承認(rèn)的幾種 0 6 1物理量的單位換算 兩個(gè)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(biāo) 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(chǎn)生錯(cuò)誤 例 工程單位制中 基本物理量是長(zhǎng)度 m 時(shí)間 s 和力 kgf 而質(zhì)量是導(dǎo)出量 問(wèn)其單位 將工程制的質(zhì)量換為SI制kg換算因數(shù)怎么寫(xiě) 解 常見(jiàn)物理量的換算因數(shù)見(jiàn)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 6 1cal 4 187J 7 1 溫差 1 8oF溫差 1K溫差關(guān)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(guān)系用下圖記憶 0 6 2經(jīng)驗(yàn)公式 數(shù)字公式 換算 有些公式是根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的實(shí)驗(yàn)規(guī)律的總結(jié) 但不是物理方程 公式中的單位是指定的 有時(shí) 為了成批量的數(shù)據(jù)處理 需要將公式中的物理量以新單位表示 這類公式換算的原則是 原來(lái)給出的公式是成立的 故應(yīng)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 例 總傳熱系數(shù)K的經(jīng)驗(yàn)式為 式中 K BTU ft2 h oF u ft s 將公式換算成新單位表示K W m2 K u m s 經(jīng)驗(yàn)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(jié)論一致 但不可以將原公式中的變量符號(hào)配上原單位向新單位轉(zhuǎn)化 轉(zhuǎn)化后的變量符號(hào)的單位還是原單位 其與轉(zhuǎn)化后相關(guān)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(qǐng)大家試一試 初學(xué)者一般會(huì)換算錯(cuò) 應(yīng)小心 0 7物料衡算 物料衡算方法是本課程常用方法 應(yīng)熟練掌握 根據(jù)衡算范圍內(nèi) 也稱控制體 進(jìn)出的物料量的關(guān)系 寫(xiě)出方程 選好時(shí)間基準(zhǔn) 1s 1h等 輸入 輸出 積累 對(duì)穩(wěn)態(tài)過(guò)程 參數(shù)不隨時(shí)間變化的過(guò)程 對(duì)不穩(wěn)態(tài)過(guò)程 一般列出微元時(shí)間內(nèi)的物料衡算式求解 使用方法見(jiàn)以后各章 0 8能量衡算 與物料衡算方法相似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(huì)反復(fù)用到 0 9過(guò)程速率 過(guò)程速率速率 這一表達(dá)式也是本門課的基本表達(dá)方法之一 需熟練運(yùn)用 如用通量 分母為阻力強(qiáng)度 0 10平衡關(guān)系 平衡關(guān)系涉及過(guò)程的方向 推動(dòng)力大小及極限 是三傳的基本問(wèn)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 附帶 作業(yè)要求 1 抄題目 2 寫(xiě)出已知 求解 同時(shí)換算 3 畫(huà)示意圖標(biāo)明已知參數(shù) 4 寫(xiě)出公式 代入對(duì)應(yīng)的數(shù)值 等于結(jié)果 連續(xù)運(yùn)算 小數(shù)點(diǎn)保留2 3位 注意有效數(shù)字計(jì)算 1流體流動(dòng) 1流體流動(dòng) FluidFlow 流體流動(dòng)是討論單元操作的基礎(chǔ) 三傳 即動(dòng)量 熱量和 物 質(zhì)量傳遞有本質(zhì)的內(nèi)在聯(lián)系 都與流體的流動(dòng)密切相關(guān) 食品生產(chǎn)涉及各種流體輸送問(wèn)題 需要研究流體的流動(dòng)規(guī)律以便進(jìn)行管路設(shè)計(jì) 輸送機(jī)械的選擇以及所需功率的計(jì)算 傳熱傳質(zhì)大多在流動(dòng)條件下進(jìn)行 流動(dòng)對(duì)過(guò)程有著重要影響 緒論中已經(jīng)講過(guò) 學(xué)會(huì)了流體流動(dòng) 動(dòng)量傳遞 的規(guī)律后 可類比學(xué)習(xí)其余兩傳 本課程首先研究流體流動(dòng)規(guī)律 1 1與流體有關(guān)的幾個(gè)基礎(chǔ)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(dòng)將非常復(fù)雜 不實(shí)用 因?yàn)椴贿B續(xù)隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的表達(dá)復(fù)雜 邊界條件和初始條件需要確定 數(shù)學(xué)公式求解困難 取流體質(zhì)點(diǎn) 微團(tuán) 作為最小考察對(duì)象 質(zhì)點(diǎn) 含有大量分子的流體微團(tuán) 其尺度遠(yuǎn)小于設(shè)備尺寸但又比分子自由程要大得多 可假設(shè)流體是由大量質(zhì)點(diǎn)組成的 彼此間沒(méi)有空隙 完全充滿所占空間的連續(xù)介質(zhì) 高真空稀薄氣體不適用 1 1 2體積力 作用于流體的每一質(zhì)點(diǎn)上 并與流體質(zhì)量成正比的力稱為體積力 流體密度均一時(shí) 質(zhì)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 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 單位面積上的正壓力稱為壓強(qiáng) 也稱壓力 單位面積上的剪力稱為剪應(yīng)力 1 1 4流體壓強(qiáng)的表示方法 SI制單位為Pa 即N m2 換算關(guān)系1bar 105Pa 100kPa1atm 物理大氣壓 1 013 105Pa 101 3kPa 760mmHg 10 33mH2O 1kgf cm2 工程大氣壓 1at 9 81 104Pa 735 6mmHg 10mH2O壓強(qiáng)的表示要注意表壓 真空度 絕壓 負(fù)壓等概念 提出問(wèn)題 彈簧管壓強(qiáng)表如何測(cè)壓 壓強(qiáng)出現(xiàn)負(fù)值 代表什么含義 彈簧管要抵消大氣壓作用 再伸張帶動(dòng)指針順時(shí)針旋轉(zhuǎn) 故測(cè)到表壓 負(fù)壓表示所測(cè)壓強(qiáng)小于大氣壓 彈簧管收縮 指針逆時(shí)針?lè)聪蛐D(zhuǎn) 1 1 5流體流動(dòng)中的機(jī)械能 有位能 勢(shì)能 動(dòng)能和壓強(qiáng)能 流體反抗一定的壓力流動(dòng)需要外界做功 如圖所示 體積為V的流體反抗壓強(qiáng)P壓入管中 行程為L(zhǎng) 則外界所作功為 2011 9 3看 1 2流體靜力學(xué) Hydrostatics 1 2 1流體的密度 1 2 2流體靜力學(xué)方程 取均勻 連續(xù) 靜止流體中的一個(gè)微元作受力分析 如圖所示 知識(shí)擴(kuò)展 z軸方向力的平衡式中的 g 等于 mg m 即單位質(zhì)量物體的體積力 在此為重力 在z方向分量 負(fù)號(hào)代表方向向下 上述推導(dǎo)中X 0 Y 0 Z g 而針對(duì)更一般情形 如以后涉及的重力和旋轉(zhuǎn)力雙場(chǎng) 的推導(dǎo) X和Y都不為零 1 2 3靜力學(xué)方程的應(yīng)用 1 正裝傾斜管上的U型壓差計(jì) 2 倒裝傾斜管上的U型壓差計(jì) 1 3流體流動(dòng)的三個(gè)衡算方程 物料 能量 動(dòng)量衡算式 1 3 1流體流動(dòng)的流量與流速及穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)過(guò)程 流速是單位橫截面上流過(guò)的流體量 用G表示 單位為kg m2s 表示流體以質(zhì)量計(jì)時(shí)的流通密度 或通量 單位時(shí)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(zhì)量計(jì)的流通密度為質(zhì)量流速 故以后涉及到流通密度的概念時(shí) 可理解成某物理量的 速度 含義 流體流動(dòng)中 某物理量不隨時(shí)間變化 稱為穩(wěn)定流動(dòng) 穩(wěn)態(tài)流動(dòng) 物理量隨時(shí)間變化的過(guò)程稱為非穩(wěn)態(tài)流動(dòng) 推廣到各過(guò)程 則有穩(wěn)態(tài)過(guò)程和非穩(wěn)態(tài)過(guò)程之分 能舉出例子嗎 1 3 2穩(wěn)態(tài)流動(dòng)時(shí)的物料衡算方程 連續(xù)性方程 如圖所示的流動(dòng) 按質(zhì)量衡算方法 框內(nèi) 輸入控制體質(zhì)量 積累質(zhì)量 輸出質(zhì)量對(duì)穩(wěn)態(tài)過(guò)程 積累質(zhì)量 0 1 3 3能量衡算式與Bernoulli 伯努利 方程 機(jī)械能衡算式 1 總能量衡算式食品工業(yè) 或化工類型生產(chǎn)過(guò)程 中常見(jiàn)的流體流動(dòng)過(guò)程如圖所示 在1 1截面 垂直于管道 2 2截面和管道及設(shè)備壁面所圍范圍 衡算控制體 內(nèi) 設(shè)過(guò)程無(wú)電能 化學(xué)能等能量形式的輸入和輸出 過(guò)程穩(wěn)態(tài) 輸入輸出控制系統(tǒng)的物質(zhì)量為mkg 列出輸入 輸出能量 輸入能量 位能mgz1 輸出的能量 mgz2 穩(wěn)態(tài)過(guò)程有 輸入能量 輸出能量 2 機(jī)械能衡算式 Bernoulli方程 熱力學(xué)能和熱能不能直接轉(zhuǎn)變?yōu)榭捎糜诹黧w輸送的機(jī)械能 可只考慮機(jī)械能衡算 實(shí)際流體因存在粘性 流動(dòng)過(guò)程中消耗機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能 升高流體的溫度 現(xiàn)因假設(shè)流體溫度不變 故需要將此機(jī)械能損耗看成是一種損失 而輸出到控制體之外 并設(shè)1kg流體機(jī)械能因內(nèi)摩擦的損耗而發(fā)生的損失為 J kg 則得到流體流動(dòng)的機(jī)械能衡算式為 BE的壓強(qiáng)可同時(shí)取絕壓 也可同時(shí)取表壓計(jì)算 使用條件為穩(wěn)態(tài) 不可壓縮 連續(xù)流體時(shí) 汽化時(shí) 管道截面不滿不能用 要按流動(dòng)方向列1 1截面和2 2截面 且兩個(gè)截面應(yīng)在已知參數(shù)較多的地方 1 1和2 2截面與流動(dòng)方向垂直 要指出具體位置如在管出口內(nèi)側(cè)還是外側(cè) 原因以后敘述 注意三種公式形式 在管內(nèi)流動(dòng)時(shí) 因管截面上各點(diǎn)速度不同 有速度分布 u取平均值 因工程上一般流動(dòng)為所謂的湍流 后述 以平均速度計(jì)算的動(dòng)能與動(dòng)能的平均值的校正系數(shù)為1 層流時(shí)動(dòng)能項(xiàng)前要乘系數(shù)2 但一般動(dòng)能項(xiàng)較小 故在使