食品工程原理教学课件

1、食品工程原理主讲 ：常学东 教授Principles of Food Engineering河北科技师范学院精品课程8/3/20221绪论 ( Introduction)一、食品工程原理的发展历程 二、食工原理的性质、任务与内容 *三、单位制与单位换算 *四、物料衡算 *五、能量衡算 六、过程的平衡与速率七、课程安排8/3/20222一、 食品工程原理的发展历程 食品工程原理是由化工原理中引入的。 大约在80年以前，开发石油面临着各种重要的课题，从这个时期开始就逐渐发展起来一门工程学化学工程学。 在20世纪初明确地提出了单元操作的概念（ Unit Operation ） 。 化工生产过程中，除

2、了化学反应以外，其余均可归纳为若干基本的物理过程，如流体输送与压缩、沉降、过滤、搅拌、传热、蒸发、结晶、干燥、吸收、冷冻等，这些基本的物理过程称为Unit Operations。8/3/20223 Unit Operation 具有下列特点：1）它们都是物理操作 即只改变物料的状态或其物理性质，不改变其化学性质；2）它们都是化工过程中共有的操作 但不同的化工过程中所包含的Unit Operations数目、名称与排列顺序各异；3）不同生产过程中的同一Unit Operation具有相同的基本原理和通用的典型设备。8/3/20224 随着化工单元操作向食品工业的渗透，近年来逐渐开始形成了食品 工

3、程单元操作食品工程原理。 食工原理来源于化工原理，由于食品加工有其本身的特殊性（主要表现在原料性质、产品的物性上与化工生产不同），这里就存在着一个继承与发展的问题。 化工单元操作在食品工业中的引入和运用，促使食品加工的科学化，使食品工业迅速向大规模、连续化、自动化方向发展。 化工单元操作的理论引入食品工业后，对食品工业的发展起着重大的推动作用同时，其自身也发展变化。例如在浓缩、干燥、冷冻进展反而较化学工业为迅速。说明：要学基本原理看化工原理；要研究其在食品上的应用看食工原理，这样易于理解。因国内现有的食工原理的书几个版本（首推高福成教授编的食品工程原理）只是给出了计算公式，详细的推导没有。公式

4、的应用条件大多没有说明，故在运用时难以把握。8/3/20225二、食工原理的性质、任务与内容1、性质：食工原理是在高等数学、物理学、物理化学等课程的基础上开设的一门基础技术课程，具有极其特殊的地位和作用1）食工原理是承前启后，由理及工的桥梁先行的高等数学、物理学、物理化学等课程主要是了解自然界的普遍规律，属于自然科学的范畴，而食工原理则属于工程技术科学的范畴，是食品工程专业课程的基础。2）食工原理具有显著的工程性表现为：研究对象它解决的问题是多因数、多变量的综合性工业实际问题；分析和处理问题的方法与理科课程有较大的不同。这可能导致部分学生在学习初期有些不适应。8/3/202262、任务：研究单

5、元操作的基本原理、典型设备的构造及工艺尺寸的计算（或选型）3、学习的目的：培养分析和解决有关单元操作各种问题的能力，以便在食品生产、科研与设计中到强化生产过程，提高产品质量，提高设备生产能力及效率，降低设备投资及产品成本，节约能耗，防止污染及加速新技术开发等。初步掌握食品过程开发、设计与操作的有关方法。开发探索最佳的流程与设备，定出最佳的操作条件设计规定设备性能、选出设备的型式、确定设备的主要尺寸操作管理生产过程；使设备正常运转；对现有的生产过程与设备改进提高效率。8/3/202274、内容： 1）流体流动过程：研究流体的流动和与之接触的固体间发生相对运动时的基本规律，以及主要受这些基本规律支

6、配的若干单元操作，如流体输送、沉降、过滤等。 2）热过程：研究传热的基本规律，以及主要受这些基本规律支配的若干单元操作，如热交换、蒸发等。 3）传质过程：研究物质通过相界面的迁移过程的基本规律，以及主要受这些基本规律支配的若干单元操作，如固体干燥等。8/3/202285、怎样学习食工原理课程（1） 树立工程观点 1） 过程的影响因数多：物性因数（密度、黏度等）、操作因数（温度、压力等）、结构因数（设备形状、尺寸等）。 2） 过程制约条件多：客观上存在许多制约条件：原料供应、设备供应、当地气温、安全防火等。 3） 经验公式与数据多：工业过程的复杂性，单纯的理论分析解决不了问题，往往需要结合实验，

7、因此产生了许多经验公式与经验数据。这是前人智慧的结晶。 4） 效益是评价工程合理性的最终判据：自然科学研究的目的通常是希望发现规律，而工业过程的目的是最大限度取得经济效益与社会效益。效益是工业过程的出发点，也是评价其是否成功的标志。8/3/20229（2）对于每一个具体的单元操作，我们需要知道: 1)过程始末和过程中各股物料的数量、组成之间的关系 物料衡算2)过程中吸收、放出的能量； 能量衡算3)过程进行的方向与极限问题 平衡关系4)过程进行的快慢问题 （计算设备的生产能力工艺尺寸） 速率关系 所采用的计算手段 所依赖的基本原理 物料衡算 平衡关系 能量衡算 速率关系8/3/202210三、单

8、位制与单位换算 食工原理计算中必然涉及到单位、单位制度和不同单位制度之间的换算（简称单位换算）的问题。(一) 量纲（或因次 Dimension） 代表基本量的符号称量纲，常用的量纲有：长度L、质量m、力F、时间t、温度。其他物理量都可按如下形式表示出来： Q=Lmt 此式称物理量Q的量纲式，为任意的有理数。8/3/202211(二) 单位制度 任何物理量都是用数字与单位乘积来表示的，因此物理量的单位和数字应一并纳入运算。 例如： 5m+8m=(5+8)m=13m， 5m8m=(58)（mm）=40m2(1)基本量和基本单位：任意选定几个独立的物理量，称为基本量，其单位称为基本单位。(2)导出量

9、和导出单位：根据基本量导出的物理量称导出量，其单位称导出单位。(3)单位制：基本单位与导出单位的总和称单位制。8/3/2022121.绝对单位制 基本量：长度、质量、时间。 自然科学领域广泛使用。2.重力单位制 基本量：长度、力（或重量）、时间。 又称工程单位制。3.SI制（国际单位制）： 基本量：长度m、质量kg、时间s、热力学温度K、电流强度A、光强度cd(坎德拉)、物质量mol。 两个辅助量：平面角rad、立体角sr(球面度) 优点： （1）通用性：任何物理量都可用以上7个基本量表示出来，即SI制是所有科学、技术、经济部门都可采用的一套相当完整的单位制。 （2）一贯性：SI制中的任何一个

10、导出量，在由上述7个基本量相乘或相除导出时，都不需引入比例系数。8/3/202213(三) 单位换算 国家规定使用法定计量单位，但旧有资料是各种单位并存，故有必要了解法定计量单位以外的其他单位，并且掌握单位之间的换算。食工原理中涉及到的公式有两类： 物理量方程：根据物理规律建立的理论公式； 经验公式（数字公式）：单纯根据实验数据的来的公式。只反映各物理量的数字之间的关系。 物理量方程具有单位一致性，对于其中各个符号的单位无须多加限制，只要采用同一单位制中的单位即可。如 F=ma 经验公式中每个符号并不代表完整的物理量，只代表物理量的数字部分，这些数字都是与特定的单位相对应的。在使用时必须使用规

11、定的单位。8/3/2022141 物理量的单位变换 物理量由一种单位变换成另一种单位时，量本身无变化，但数字要变。换算时乘以两个单位之间的换算因素。换算因素：彼此相等而各有不同单位的两个物理量之比。如：1N和 100000dyn 是两个彼此相等的物理量，但其所用单位不同。即：1N=100000dyn，二者之间的就是： 因任何换算因素都是两个相等的量之比，所以任何换算因素（包括单位在内）在本质上是纯数1。任何物理量乘以或除以换算因素，都不会改变量的大小。8/3/202215例0-1 在英制绝对单位制中，粘度的单位为1b(fts)，在法定计量单位中粘度的单位为Pas。试求两者间的关系。 解 ： 粘

12、度的单位为导出单位，它的法定计量单位是由以下基本单位组成： Pas= 由附录一查得粘度在两种不同单位制中的基本量之间的关系为：1lb=0.4536kg1ft=0.3048m8/3/202216上面两个关系可以改写为： (a) (b) 将式a及式b等号左侧值与英制的粘度单位联乘，实际上等于联乘两个1，但乘了以后可以消去原单位中的1b及ft，而引入新单位kg及m，这样就可以获得粘度在不同单位间的数值关系。 （c） 上面计算结果即为粘度数值在英制单位与法定计量单位之间的关系。8/3/202217 例0-2 在气体状态方程pV=nRT中，气体通用常数R=82.06atm.cm3(molK)。试求在下列

13、不同单位制中R的数值与单位。 1压强p的单位为Pa，体积V的单位为m3，物质量n的单位为kmol、绝对温度T的单位为K。 2压强p的单位为kgfm2，体积V的单位为m3、物质量n的单位为kmol，绝对温度的单位为K。 解：1 8/3/2022181atm=1.01325 105Pa 1m=100cm 1kmol=1000mol8/3/202219四、物料衡算 1.物料衡算的依据:质量守恒定律2.物料衡算的通式向设备输入的物料质量减去从设备输出的物料质量必等于积累在设备里的物料质量，即： mimo= mA ( 01) mi输入物料量的总和， mo输出物料量的总和， mA积累物料量。 适用于任何指

14、定的空间范围，并适用于过程所涉及的全部物料。 当没有化学变化时，混合物的任一组分都符合这个通式，有化学变化时，其中各元素仍然符合这个通式。 既适用于间歇过程，也适用于连续过程。 8/3/202220 3.两种特殊情况（1）连续过程 进行物料衡算时，首先要圈出衡算的范围(或称系统)，并确定衡算对象及衡算基准。对于间歇过程，常以一次(一批)操作为基准，即式01中各项分别代表每次操作输入、输出及积累物料的质量，对于连续过程，则常以单位时间为基准，而单位时间流过的料质量即为质量流量，所以式01中各项分别代表任一瞬间输入、输出物料的质量流量及该瞬间系统内物料质量积累的速率 wiwo=dmA/d (02)

15、Wi，Wo每一股输入、输出物料的质量流量，kgs，dmA/d物料质量积累速率，kgs。（2）连续稳定过程 设备内不应有任何物料积累，即：dmA/d=0，所以，wiwo=0 (03)8/3/202221例题03 浓度为20(质量百分数)的KNO3，水溶液以1000kgh的流量送入蒸发器。在149温度下蒸出一部分水而得到浓度为50的水溶液，再送入结晶器，冷却至38后，析出含有4结晶水的KNO3晶体并不断取走，浓度为37.5的KNO3饱和母液则返回蒸发器循环处理。试求结晶产品量P，水分蒸发量W,循环母液量R及浓缩溶液量S。 8/3/202222例题0-3附图8/3/202223解: (1)结晶产品量

16、P及水分蒸发量W 首先根据题意画出过程示意图(见本例附图)。在图中虚线方框I所示的范围内作物料衡算。因过程中无化学反应，且为连续稳定过程，故可依式02写出总物料衡算式及KNO3的衡算式，即： 1000=W+P及 1000(0.20)=W(0)+P(1-0.04)解得: P=208.3 kgh W=791.7kgh(2)循环母液量R及浓缩溶液量S :在图中虚线方框所示的范围内作总物料衡算及KNO3衡算: S=R+208.3S(0.50)=R(0.375)+208.3(1-0.04) 解得:R=766.6kgh 8/3/202224进行物料衡算的要点:(1)根据题意画出简单的示意图，用虚线圈出衡算

17、范围，并选出衡算基准。(2)用箭头标出物料进、出路线，注明各股物料的数量及状态，凡是跨越虚线的箭头都是参与衡算的流股。(3)列出若干有用的独立方程式，方程式的数目应与未知数数目相等。8/3/202225五、能量衡算 能量既不会消灭，也不会创生。能量有多种存在形式，不同形式的能量之间可遵循一定的规律相互转化。 根据能量守恒定律，对于连续稳定过程而言，任何时间内通过各种途径进入系统的总能量(包括输入物料带进系统的能量及外界传人系统的热量)必等于同一时间内系统付出的总能量(包括输出物料带走的能量及系统对外界所做的功)。 各种形式的能量(如机械能、化学能、电能等)与热之间虽可相互转变，但在许多化工设备

18、(如换热器、蒸馏塔等)中，往往没有或者不需考虑这种能量转变，因而化工系统中的总能量衡算有时便简化为特定形式的能量衡算。本课程中的总能量衡算便常简化为热量衡算，而热量衡算的依据仍然是能量守恒定律。8/3/202226 进行热量衡算的基本方法与物料衡算的方法相同，但热量衡算还有两个值得注意的问题： (1)进、出系统的各股物料所携带的热量，包括物料的显热与潜热两部分，称为物料的焓。物料的焓值与其状态有关，而且是相对值。所以，在进行热量衡算时，为确定物料的焓值，必须首先规定基准温度，当有相变化发生时，还须规定基准状态。通常以0、液态为基准。本书附录的饱和水蒸气性质表中所列水蒸气的焓值，便是以0的液体水

19、为基准求得的。譬如，从附录九中查得100饱和水蒸气的焓值为2677.0kJkg，是因为将lkg的液体水加热至100(吸热418.6kJ)，再令其汽化成为饱和蒸汽(又吸热22584kJ)所吸收的总热量为2677.0kJ。8/3/202227 (2)热量不仅可以伴随物料进、出系统，而且可以透过设备、管道的壁面而由外界传人系统，或由系统散失到环境里去。只要系统温度与环境温度有差异，就会有这种热量的传人或散失，应当把这部热量也列入衡算式中。因此，若以H代表单位质量物料的焓值，kJkg，而以w代表物料的质量流量，kgs，则可写出连续稳定过程热量衡算的基本关系式，即: (wH)I=(wH)o+QL (04

20、) 式中：(wH)I伴随各股输入物料进入系统的热(焓)流量，kW， (wH)o伴随各股输出物料离开系统的热(焓)流量，kW， QL系统向环境散失的热流量，或称热损失，kW。8/3/202228例题0-4 在换热器里将平均比热为3.56kJ(kg.)的某种溶液自25加热到80，溶液流量为1.0kgs。加热介质为120的饱和水蒸气，其消耗量为0.095kgs，蒸汽冷凝成同温度的饱和水后排出。试计算此换热器的热损失占水蒸气所提供热量的百分数。8/3/202229例题0-4附图8/3/202230解：首先根据题意画出过程示意图(见本例附图)。基准温度：0基准状态：液态基准：1s 在图中虚线方框所示范围

21、内作热量衡算。进、出系统的各股热流量分别为： 随溶液进入的热流量=1.03.56(25-0) =89.0 kW 随溶液离开的热流量=1.03.56(80-0)=284.8 kW 从附录中四、五中查出120的饱和水蒸气的焓值为2709kJ/kg, 120的饱和水的焓值为503.7kJ/kg. 随饱和水蒸气输入系统的热流量=0.0952709=257.4 kW随饱和水离开系统的热流量=0.095503.7=47.9 kW 依式04列出热量衡算式，即； 89.0+257.4=284.8+47.9+ 解得：热损失QL=13.7 kW 热损失百分数=8/3/202231能量衡算的步骤:确定衡算基准；圈出衡算范围；用箭头表示进、出这个范围的热流方向；定出基准温度与基准状态；列方程，求解。8/3/202232六、过程的平衡与速率 平衡和速率是分析单元操作过程的两个方面。过程的平衡问题说明过程进行的方向和所能达到的极限。不论那种传递过程都有一个极限，当传递过程达到极限时期过程进行的推动力为零，此时净的传递率为零，即称为平衡。过程的速率是指过程进行的快慢。过程所处的状态与平衡状态之间的距离通常称为过程的推动力。通常存在以下关系式：过程速率=过程推动力/过程阻力物料衡算、能量衡算、平衡关系与过程速率，它们所形成的相应计算式，就是各Unit Operation