食品工程原理实验指导书

食品工程原理实验指导书适用于食品科学与工程、食品质量与安全等专业刘伟民郭仁惠艾凤祥陆道礼杨小明任晓锋程宇编江苏大学食品与生物工程学院2011年8月1目录前言………………………………………………………………………………2实验一管路沿程阻力测定………………………………………………4实验二离心泵的性能测定……………………………………………………9实验三过滤实验………………………………………………13实验四旋风分离实验……………………………………………………18实验五传热实验……………………………………………………………21实验六吸收实验……………………………………………………………24实验七干燥实验……………………………………………………………27实验八超临界CO2萃取实验…………………………………………………31实验九分子蒸馏操作实验……………………………………………………33实验十冷冻实验……………………………………………………………372前言一、食品工程原理实验的教学目的和要求食品工程原理实验属于工程实验范畴，实验方法与基础课有所不同。数学模型法和因次分析法是研究工程问题的两个基本方法。食品工程原理实验的首要目的是要帮助学生掌握处理工程问题的这些实验方法。食品工程原理实验的另一目的是理论联系实际，帮助学生理解食品工程原理的基本知识并将其应用于生产实践。食品工程原理实验的基本要求是：掌握处理化工类型工程问题的两种基本实验方法；掌握最基本的经验参数和模型参数的估值方法——最小二乘法；熟悉化工数据（包括流量、温度、压强、阻力系数、传热系数、传质系数以及特性曲线等）的基本测试技术；熟悉并掌握典型单元操作。二、食品工程原理实验的教学内容和方法实验课的理论教学要阐明实验方法论、数据处理、测试技术及典型化工设备的操作。典型的实验项目有流体流动阻力的测定、离心泵性能测定、过滤及过滤常数的测定、换热器的操作及传热系数的测定、填料吸收塔的操作及传质系数的测定、精馏塔的操作与板效率的测定以及干燥操作和干燥速度曲线的测定等。化工单元操作用于食品工程，形成食品工程单元操作。对食品工程单元操作而言，有自己的特点，实验项目可有所不同。教学方法应能保证通过实验课的教学让学生掌握科学实验的全过程。此过程包括实验前的准备、实验操作、正确记录和处理实验数据及撰写实验报告。一般教学做法是让学生按以上四步要求认真完成实验。实验前的准备要求学生在阅读实验指导书和参阅相关资料的基础上，了解实验的目的和要求，进行实验室现场预习，以实验小组为单位讨论实验方案，写出预习报告。预习报告应包括实验目的和内容、实验的基本原理及方案、实验装置及流程图、实验操作步骤、原始数据的记录表格。实验报告还应包括实验数据的处理（列出一组手算的计算示例）及实验结果与讨论。三、实验数据的测取、误差和处理测取数据时，应力求准确，但也不应盲目追求准确。要根据需要确定达到的准确程度，并且也要分析实验设备的完善程度，以便使数据的测量能恰当。同时要了解测量仪器的精度，以便使数据读数不超过仪器的精度范围。记录数据时要实事求是。但经过分析研究后，对于明显是不可靠的部分数据加以取舍是可以的。测取数据时一定要全面，凡影响实验结果或是数据整理过程中所需数据都应测取，如大气压、室温、空气湿度、水温、设备有关尺寸，物料性质以及操作数据等。记录数据时要明晰，以免事后分不清。实验数据总是有一定误差的，实验数据的准确性受到测量仪表精度限制，3运算所得结果的准确度不会超过原始数据的准确度，数据处理时要使用有效数字进行运算。有关实验误差分析和有效数字的运算规则在分析化学课程中已涉及，这里不再赘述。在整个实验过程中实验数据处理是一个重要环节，它的目的是将实验数据整理成各变量之间的定量关系。数据处理的思想应贯穿于整个实验过程中。实验数据的各变量的关系可表示为列表式、图示式和函数式。列表式是将实验数据制成表格，它显示了各变量间的对应关系，反映出变量之间的变化规律，它是标绘曲线的基础。图示式是将实验数据绘制成曲线，它直观地反映出变量之间的关系，并为整理成数学模型（方程式）提供了必要的函数形式。函数式是借用数学方法将实验数据按一定函数形式整理成方程即数学模型。实验数据表分为记录表和结果综合表两类。记录表分原始数据记录表、中间和最终计算结果表。实验数据用图形表示时需选择坐标及其比例。化工领域常用的坐标有直角坐标、对数坐标和半对数坐标，要根据数的关系或组织实验时预测的函数形式选用不同形式的坐标：线性函数采用直角坐标；为了使图形线性化，幂函数采用对数坐标；指数函数采用半对数坐标；若自变量和因变量两者的最大和最小值之间数量级相差较大时，可采用对数坐标；当自变量和因变量中的一个最大和最小值之间数量级较大时，可采用半对数坐标。坐标的比例尺如果选择不当，可使图形失真。对同一套数据若以不同的比例尺作图则可得到不同形状的图形，但如考虑测量的误差（此时所标绘的区域不是点，而是底边为2Δx高为2Δy的矩形范围，Δx为x的测量误差，Δy为y的测量误差），可任选坐标比例尺，所得函数关系具有唯一性。为使所得矩形近似为边长是2mm的正方形，x轴的比例为1/Δx，y轴的比例为1/Δy。借助测量误差作图，必须确定误差值Δx、Δy，当x、y分别是直接测量值，Δx、Δy可由仪表的精度确定它们的值，当变量是间接测量值，其误差可按误差传递准则求取。实验数据也常常整理为方程式，即建立过程的数学模型，对于广泛应用计算机的时代，这是十分必要的。化工上常用的函数形式有多项式、幂函数和指数函数。除了以上三种形式外，对于某些具体过程在作深入的理解和合理的简化以后，由过程的数学描述，可获得相应的函数形式。另外，也可由文献资料中选择相应的函数形式。当以上几种方法都不能采用时，则可借助于实验数据先在直角坐标纸上标绘曲线，然后参考典型函数图形选择适当的函数形式。数学模型建立后，再设法确定其中的参数。对非线性模型中的参数，一般总是设法将模型转化为线性模型后再行求取。四、学生应该注意的问题学生在进行实验之前应该写好预习报告并进入实验室认真预习实验．．．．．．．．．．．，了解实验流程和设备的结构，体会设备和仪器的操作要点，注意设备和自身的安全．．．．．．．．．．。动手之前，要将本次实验的目的、原理、流程、操作方法和注意点、数据记录格式、数据处理方法等向指导老师进行陈述，通过指导老师的预习考核后再进．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．行实验．．．。实验时应多动手、观察和思考，禁止做与实验无关的事情．．．．．．．．．．．。实验完成后要登记记录的数据，整理实验室．．．．．．．．．．．．．．，经老师批准后方可离开实验室。实验报告应在一周之内上交指导老师。4实验一管路沿程阻力测定一、实验目的1.掌握流体流经管道时沿程阻力损失的测定方法。2.测定流体流过直管时的摩擦阻力，确定摩擦系数l与eR的关系，理解这一关系能推广使用到大设备和其它流体的道理。3.测定流体流过管件时的局部阻力，并求出阻力系数x。4.学会压差计和流量计的使用。二、实验原理流体在管路中流动时，由于粘性剪应力和涡流的存在，不可避免地会引起压强损耗。这种损耗包括流体流经直管的沿程阻力以及流体流动方向的改变或因管子大小、形状的改变所引起的局部阻力。1.沿程阻力流体在水平均匀管道中稳定流动时，由截面1到截面2，阻力损失表现为压强降低：r21pphf-=湍流流动时，影响阻力损失的因素十分复杂，目前尚不能完全用理论的方法求解，必须通过实验研究其规律。为减少实验工作量，扩大实验结果的应用范围，可以采用因次分析法将各个变量综合成准数关系式。影响阻力损失的因素有：1)流体性质：密度r，粘度m；2)管路的几何尺寸：管径d，管长l，管壁粗糙度e；3)流动条件：流速u。变量关系可以表示为：),,,,,(ermuldfp=D组合成如下的无因次式：),,(2ddlduupemrjr=×D；2),(2udRdlpe××=Dejr；5引入：),(dReejl=则上式变为：22udlphf×=D=lr上式中：l称为直管摩擦系数，滞流时，eR64=l；湍流时，l与eR的关系受管壁粗糙度的影响，需由实验测得。根据伯努利方程可知，流体流过直管的沿程阻力损失，可直接由所测得的液柱压差计读数R(m)算出：gRp)(水指rr-=D其中：指r——压差计中指示剂的密度（㎏·m-3）。本实验中以水银作为指示剂，另一流体为水。2.局部阻力局部阻力通常有两种表示方法，即当量长度法和阻力系数法。1)当量长度法流体流过某管件或阀门时，因局部阻力造成的损失，相当于流体流过与其具有相同管径的若干米长度的直管阻力损失，这直管长度称为当量长度，用符号el表示。这样，就可以用直管阻力的公式来计算局部阻力损失，而且在管路计算时，可将管路中的直管长度与管件、阀门的当量长度合并在一起计算，如管路直管长度为l，各种局部阻力的当量长度之和为åel，则流体在管路中流动时总阻力损失åfh为：22udllhef×÷÷øöççèæ+×=åål2)阻力系数法流体流过某一管件或阀门的阻力损失用流体在管路中的动能系数ph表示：22uhp×=x式中：x——局部阻力系数，无因次；u——在小截面管中流体的平均流速（m/s）。由于管件两侧距测压孔间的直管长度很短，引起的摩擦阻力与局部阻力相比，可以忽略不计，因此ph的值可以应用伯努利方程由液柱压差计读数R求出。u可以由涡轮流量计及MMD智能流量仪算出：24dVusp=（m/s）6式中：sV——平均流量（m3/s）三、实验装置与流程1.本实验装置及设备主要参数：被测元件：镀锌水管，管长2.0m，管径（公称直径）0.021m；闸阀DN=3/4″。1)测量仪表：U形压差计（水银指示液）；LW-15型涡轮流量计（精度0.5级，量程0.4～4.0m3/h，仪器编号Ⅰ的仪表常数为599.41（次/升），仪器编号Ⅱ的仪表常数为605.30（次/升），MMD智能流量仪）。2)循环水泵。3)循环水箱。4)DZ15-40型自动开关。5)数显温度表2.流程：1)水箱；2)控制阀3)放空阀4)U形压差计5)平衡阀6)放空阀7)排液阀8)数显温度表9)泵10)涡轮流量计11)取压孔12)U形压差计13)闸阀14）取压孔四、实验操作步骤及注意事项71.水箱充水至80%。2.仪表调整（涡轮流量计、MMD智能流量仪按说明书调节）。3.打开压差计上平衡阀，关闭各放气阀。4.启动循环水泵前一定要检查泵轴是否转动，检查各阀的开或关的位置，全开阀13，全关阀2，各放气阀关，全开平衡阀，后启动循环水泵。5.排气：（1）管路排气；（2）测压管排气；（3）全开平衡阀，缓慢旋动压差计上放气阀，同时注意水银柱的变化，防止冲水银，排除压差计中的气泡（注意：先排进压管后排出压管，以防压差计中水银冲走），排气完毕后一定要关闭放气阀。6.读取压差计零位读数。7.开启调节阀至最大，确定流量范围，确定实验点（8～10个），测定直管部分阻力和局部阻力（闸阀全开时）。8.测定读数：改变管道中的流量读出一系列流量sV、压差1pD（或2pD）。注意：每改变一次流量后，等流动稳定后，才能保证测定数据的准确。9.实验装置恢复原状，打开压差计上的平衡阀，并清理实验场地。五、实验数据记录实验装置号：，被测管长：，被测管径：被测管件：，仪表常数：次/升，水温：。直管阻力损失Δp1局部阻力损失Δp2序号流量仪读数（次/s）U管左边读数cmHgU管右边读数cmHgU管左读数cmHgU管右边读数cmHg0（初始）（初始）（初始）（初始）123456789108六、实验数据处理数据处理结果如表所示，以序号1为例写出计算过程。序号流量Vsm3/s流速um/s密度ρkg/m3粘度μPasReR1cmHgR2cmHgΔp1PaΔp2Paλζ12345678910七、实验结果与讨论1.用双对数坐标纸关联一定de下，l和eR的关系，并解释这一关系能推广使用的原因。2.为什么测定数据前首先要赶尽设备和测压管中的空气？怎样赶走？3.在进行测试系统的排气工作时，是否要关闭系统的出口