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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食品与生物工程学院江苏大学《食品工程原理》课件主讲人:刘伟民(查询教师请登录学院网页)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绪论食品与生物工程学院江苏大学《食品工程原理》课件主讲人:刘伟民(查询教师请登录学院网页)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。食品与生物工程学院江苏大学《食品工程原理》课件主讲人:刘伟民(查询教师请登录学院网页)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(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。食品与生物工程学院江苏大学《食品工程原理》课件主讲人:刘伟民(查询教师请登录学院网页)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,加以理解食品与生物工程学院江苏大学《食品工程原理》课件主讲人:刘伟民(查询教师请登录学院网页)啤酒生产工艺麦汁煮沸原料麦芽、大米粉碎混合预浸糖化过滤酒花分离麦汁冷却发酵啤酒过滤灌装杀菌成品啤酒食品与生物工程学院江苏大学《食品工程原理》课件主讲人:刘伟民(查询教师请登录学院网页)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。食品与生物工程学院江苏大学《食品工程原理》课件主讲人:刘伟民(查询教师请登录学院网页)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。食品与生物工程学院江苏大学《食品工程原理》课件主讲人:刘伟民(查询教师请登录学院网页)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”学食品与生物工程学院江苏大学《食品工程原理》课件主讲人:刘伟民(查询教师请登录学院网页)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。食品与生物工程学院江苏大学《食品工程原理》课件主讲人:刘伟民(查询教师请登录学院网页)将各单元操作从各种具体生产过程中抽出来进行系统的研究和表达,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食品与生物工程学院江苏大学《食品工程原理》课件主讲人:刘伟民(查询教师请登录学院网页)Theunit-operationconceptisthis:bystudyingsystematicallythesephysicaloperationsthemselves——operationswhichclearlycrossindustryandprocesslines——thetreatmentofprocessesisunifiedandsimplified.工业和过程生产线按单元操作分割,以统一和简化描述。食品与生物工程学院江苏大学《食品工程原理》课件主讲人:刘伟民(查询教师请登录学院网页)0.2.2单元操作的特点都是物理操作;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)。食品与生物工程学院江苏大学《食品工程原理》课件主讲人:刘伟民(查询教师请登录学院网页)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。食品与生物工程学院江苏大学《食品工程原理》课件主讲人:刘伟民(查询教师请登录学院网页)(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)。两主线可合一食品与生物工程学院江苏大学《食品工程原理》课件主讲人:刘伟民(查询教师请登录学院网页)现有教材编写思路的揭示单元操作类教材编写和内容理解主线揭示和创新示意图选用动量型设备需求出设备的动量通量(指单位面积单位时间的动量)运用规律:动量通量绝对值等于速度梯度乘比例系数动力粘度或表观动力粘度写成:动量通量等于速度差除以动量传递阻力选择四方法之一求传递阻力(1)从牛顿粘性定律推(2)因次分析规划试验测(3)数学模型辅助实验测(4)实验测掩盖求通量完成选用设计计算选用热量型设备需求出设备的热量通量(指单位面积单位时间的热量)运用规律:热量通量绝对值等于温度梯度乘比例系数导热系数或单位距离给热系数写成:热量通量等于温度差除以热量传递阻力选择四方法之一求传递阻力(1)从傅立叶导热定律推(2)因次分析规划试验测(3)数学模型辅助实验测(4)实验测掩盖求通量完成选用设计计算选用传质型设备需求出设备的质量通量(指单位面积单位时间的物质量)运用规律:质量通量绝对值等于浓度梯度乘比例系数扩算系数或单位距离传质系数写成:质量通量等于浓度差除以物质量传递阻力选择四方法之一求传递阻力(1)从菲克扩散定律推(2)因次分析规划试验测(3)数学模型辅助实验测(4)实验测掩盖求通量完成选用设计计算选用或设计设备需求设备的物理量通量(物理量指动量、热量、物质量)运用规律:物理量通量绝对值等于物理量浓度(指单位体积物理量)梯度乘系数写成:通量等于物理量浓度差除以传递阻力选择四方法之一求传递阻力(1)从三个基本定律推导(2)因次分析规划试验测(3)数学模型辅助实验测(4)实验测掩盖求通量完成选用设计计算创新的主线食品与生物工程学院江苏大学《食品工程原理》课件主讲人:刘伟民(查询教师请登录学院网页)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?)食品与生物工程学院江苏大学《食品工程原理》课件主讲人:刘伟民(查询教师请登录学院网页)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。食品与生物工程学院江苏大学《食品工程原理》课件主讲人:刘伟民(查询教师请登录学院网页)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。食品与生物工程学院江苏大学《食品工程原理》课件主讲人:刘伟民(查询教师请登录学院网页)(2)易腐败性要求浓缩食品、干制食品、冷冻食品和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。食品与生物工程学院江苏大学《食品工程原理》课件主讲人:刘伟民(查询教师请登录学院网页)(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。食品与生物工程学院江苏大学《食品工程原理》课件主讲人:刘伟民(查询教师请登录学院网页)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。食品与生物工程学院江苏大学《食品工程原理》课件主讲人:刘伟民(查询教师请登录学院网页)0.6单位换算学科在形成过程中,使用过各种单位制,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)。食品与生物工程学院江苏大学《食品工程原理》课件主讲人:刘伟民(查询教师请登录学院网页)0.6.1物理量的单位换算可采取乘换算因数的方法。换算因数可查。如1ft换成以m为单位的换算因数为1mm1ft=1ft(0.305)=0.305m3.28ftft0.305即为ft换为m的换算因数。食品与生物工程学院江苏大学《食品工程原理》课件主讲人:刘伟民(查询教师请登录学院网页)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?食品与生物工程学院江苏大学《食品工程原理》课件主讲人:刘伟民(查询教师请登录学院网页)解:22(1)[][/]kg(f)/(m/s)=kg(f)s/mFmamFa229.81kg/[1kg(f)s/m]()换算因数为9.81229.81N(1kg(f)s/m1kg(f)s/m9.81kg)1kg(f)食品与生物工程学院江苏大学《食品工程原理》课件主讲人:刘伟民(查询教师请登录学院网页)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=3.28ft(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:BTU4187J11bFkg℃)食品与生物工程学院江苏大学《食品工程原理》课件主讲人:刘伟民(查询教师请登录学院网页)(6)1cal=4.187J(7)1℃温差=1.8oF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:食品与生物工程学院江苏大学《食品工程原理》课件主讲人:刘伟民(查询教师请登录学院网页)100°Ctc0212°FtF32°F373KtK273K373×1.8RtR273×1.8R水的沸点水的冰点0322732731.8100021232373273180(3731.82731.8)CFKRtttt来自食品与生物工程学院江苏大学《食品工程原理》课件主讲人:刘伟民(查询教师请登录学院网页)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。食品与生物工程学院江苏大学《食品工程原理》课件主讲人:刘伟民(查询教师请登录学院网页)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“′”表示)还原到公式所要求的单位后,将还原后的物
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