食品工程原理

食品工程原理一、引言食品工程原理是食品科学与工程专业的一门重要专业基础课程，它阐述了食品生产过程中各种单元操作的基本原理、计算方法及设备选型等内容。修订版的食品工程原理在保持原有核心知识体系的基础上，进行了更新与完善，以更好地适应食品行业的发展需求和教学要求。

二、主要内容

（一）流体流动1.流体的性质流体的密度、黏度等基本物理性质的概念及影响因素。密度反映了流体的质量特性，黏度则体现了流体内部的摩擦阻力。例如，温度升高时，液体的黏度一般会减小，气体的黏度会增大。流体静力学基本方程的推导与应用，用于计算流体在静止状态下的压力分布等问题。如在食品加工中，可通过该方程计算储液罐内不同高度处的压力。2.流体动力学连续性方程，它基于质量守恒原理，描述了不可压缩流体在稳定流动时流速与管道截面积之间的关系。这在食品管道输送系统的设计中起着重要作用。伯努利方程，该方程综合考虑了流体的位能、动能和静压能之间的相互转换关系，常用于分析流体在管道中流动时的能量变化情况。例如，在食品饮料的灌装过程中，可借助伯努利方程来优化管道布局，确保流体能够顺利且稳定地输送到灌装设备。流体流动阻力的计算，包括直管阻力和局部阻力。直管阻力主要与管道长度、管径、流速以及流体黏度等因素有关；局部阻力则取决于管道中的管件（如弯头、阀门等）的类型和数量。准确计算流动阻力对于合理设计食品加工设备的管道系统，降低能耗具有重要意义。

（二）传热1.传热的基本方式热传导、对流和辐射三种传热方式的原理及特点。热传导是通过分子间的碰撞传递热量；对流是依靠流体的宏观运动来传递热量；辐射则是通过电磁波来传递能量。在食品加工中，不同的传热方式可能同时存在，例如在烘焙过程中，既有热空气与食品之间的对流换热，又有食品内部的热传导以及食品表面与周围环境的辐射换热。2.热传导傅里叶定律的表达式及应用，用于计算一维热传导过程中的热流量。通过傅里叶定律，可以分析食品在加热或冷却过程中内部温度的变化情况，为优化食品加工工艺提供理论依据。导热系数的影响因素，如物质的种类、温度、湿度等。不同食品材料的导热系数差异较大，了解这些影响因素有助于选择合适的包装材料和控制食品的热传递过程。3.对流传热对流传热系数的概念及影响因素，包括流体的性质、流速、传热面的形状和尺寸等。对流传热系数的准确计算对于强化食品加工中的传热过程至关重要。例如，通过提高流体流速可以增大对流传热系数，加快食品的加热或冷却速度。无相变对流传热的关联式及应用，以及有相变对流传热（如蒸汽冷凝和液体沸腾）的特点和计算方法。在食品工业中，蒸汽加热和冷凝过程常用于杀菌、干燥等操作，准确掌握这些过程的传热规律可以提高设备的热效率。4.辐射传热斯蒂芬玻尔兹曼定律的表达式，用于计算热辐射的能量传递。在食品的烘烤、干燥等过程中，辐射传热起着重要作用，了解辐射传热规律有助于优化加工工艺参数，提高产品质量。角系数的概念及计算方法，角系数反映了两个物体之间辐射换热的几何关系。

（三）传质1.传质的基本方式分子扩散和对流扩散两种传质方式的原理。分子扩散是由于分子的无规则热运动引起的物质传递；对流扩散则是在流体流动的作用下，物质随流体一起迁移并在浓度梯度的作用下进一步扩散。在食品加工中，如食品的腌制、干燥等过程都涉及传质现象。2.分子扩散费克定律的表达式及应用，用于描述分子扩散过程中物质通量与浓度梯度之间的关系。通过费克定律可以分析食品中成分在储存和加工过程中的扩散情况，例如水分在食品内部的扩散对食品的品质和保质期有着重要影响。扩散系数的影响因素，如温度、压力、物质的种类等。了解扩散系数的变化规律有助于控制食品加工过程中的传质速率。3.对流传质对流传质系数的概念及影响因素，类似于对流传热系数，对流传质系数与流体性质、流速、传质表面的形状和尺寸等有关。在食品加工中，如食品表面的物质交换过程（如干燥时水分的蒸发）就涉及对流传质，准确计算对流传质系数可以优化加工工艺。传质系数的关联式及应用，用于实际传质过程的计算和分析。

（四）蒸馏1.蒸馏的基本原理利用混合液中各组分挥发度的差异，通过加热使其部分汽化，然后将蒸汽冷凝，从而实现各组分分离的过程。在食品工业中，蒸馏常用于从发酵液中分离酒精等挥发性成分，以及浓缩食品中的某些成分。2.简单蒸馏简单蒸馏的过程特点及计算方法，简单蒸馏是一种间歇式蒸馏过程，其计算主要涉及物料衡算和热量衡算。通过简单蒸馏可以初步分离混合液中的不同组分，但分离程度相对有限。3.精馏精馏塔的结构和工作原理，精馏塔是实现精馏过程的关键设备，它通过多次部分汽化和部分冷凝，使混合液得到较彻底的分离。精馏塔内设有精馏段和提馏段，分别对上升蒸汽和下降液体进行精馏操作。精馏过程的物料衡算、热量衡算及理论板概念。物料衡算用于确定精馏塔进料、出料及各塔板上的物料组成关系；热量衡算则保证精馏过程的能量平衡；理论板是一种理想化的塔板，在理论板上，气液两相达到平衡状态，通过计算理论板数可以评估精馏塔的分离能力。

（五）吸收1.吸收的基本原理用适当的液体吸收剂处理气体混合物，使其中的一种或几种组分溶解于吸收剂中，从而实现气体分离的过程。在食品工业中，吸收可用于去除食品包装中的异味气体等。2.吸收剂的选择原则溶解度大、选择性高、挥发性低、化学稳定性好、粘度低、无毒无害等。例如，在去除食品包装中的氧气时，可选用具有一定吸氧能力且符合食品卫生安全要求的吸收剂。3.吸收过程的计算物料衡算和传质速率计算，物料衡算用于确定吸收过程中吸收剂和气体的用量关系；传质速率计算则有助于分析吸收过程的快慢，为吸收设备的设计提供依据。

（六）干燥1.干燥的基本原理利用热能使湿物料中的水分汽化并除去，从而获得干燥产品的过程。干燥过程涉及传热和传质两个基本过程，湿物料表面的水分汽化需要吸收热量，而汽化后的水汽需要扩散到周围环境中。2.干燥方法对流干燥、传导干燥、辐射干燥和介电加热干燥等不同干燥方法的特点及应用范围。对流干燥是最常用的干燥方法，通过热空气与湿物料接触进行传热传质；传导干燥利用热传导将热量传递给湿物料；辐射干燥则依靠辐射热使物料干燥；介电加热干燥是利用高频电场使物料内部的水分受热汽化。3.干燥过程的计算干燥速率曲线及恒速干燥阶段和降速干燥阶段的特点，干燥速率曲线反映了干燥过程中干燥速率随时间或物料含水量的变化关系。在恒速干燥阶段，干燥速率主要取决于水分汽化的速度；降速干燥阶段，干燥速率逐渐降低，主要受物料内部水分扩散速度的限制。物料衡算和热量衡算在干燥过程中的应用，通过物料衡算可以确定干燥前后物料的含水量变化以及所需的干燥介质用量；热量衡算则用于计算干燥过程中所需的热量，合理选择干燥设备和能源。

（七）蒸发1.蒸发的基本原理将含有不挥发性溶质的溶液加热沸腾，使其中的部分溶剂汽化并除去，以提高溶液浓度的过程。蒸发过程是一个传热过程，同时伴随着溶剂的汽化。2.单效蒸发和多效蒸发单效蒸发的流程、计算及特点，单效蒸发是最简单的蒸发操作，通过一次蒸汽加热溶液使其汽化。其计算主要包括物料衡算、热量衡算和蒸发器传热面积的计算。多效蒸发的原理、流程及优点，多效蒸发是利用前一效蒸发器产生的二次蒸汽作为后一效蒸发器的加热蒸汽，从而提高蒸汽的利用率，降低能耗。多效蒸发的流程有并流、逆流和错流等多种形式，每种形式各有优缺点，在实际应用中需根据具体情况选择。

三、课程特点与学习方法

（一）课程特点1.综合性强食品工程原理涉及多个学科领域的知识，如物理学、化学、数学等，需要综合运用这些知识来解决食品生产中的实际工程问题。2.实践性突出课程内容紧密结合食品工业实际生产过程，所学的原理和方法直接应用于食品加工设备的设计、操作和优化等方面，具有很强的实践性。3.理论与实际结合紧密通过对各种单元操作原理的学习，能够深入理解食品生产过程中的物理和化学变化规律，为实际生产中的工艺改进和新产品开发提供理论支持。

（二）学习方法1.理解基本概念和原理深入理解流体流动、传热、传质等基本概念和相关原理，掌握其数学表达式和物理意义，这是学好本课程的基础。2.注重公式推导和计算熟练掌握各种公式的推导过程，通过大量的计算练习，加深对原理的理解和应用能力，提高解决实际问题的能力。3.结合实际案例学习将所学知识与食品工业中的实际生产案例相结合，分析实际问题中涉及的单元操作原理和计算方法，增强对课程内容的感性认识和实际应用能力。4.多做练习题和实验通过做练习题巩固所学知识，掌握解题技巧；积极参与实验教学，亲身体验单元操作过程，提高动手能力和对理论知识的理解深度。

四、与其他课程的关系

（一）先修课程食品工程原理的学习需要一定的物理、化学和数学基础，如大学物理、物理化学、高等数学等课程的知识。这些先修课程为理解食品工程原理中的基本概念、物理过程和数学计算提供了必要的支持。

（二）后续课程食品工程原理是食品科学与工程专业一系列后续专业课程的基础，如食品工艺学、食品工厂设计、食品机械与设备等。它所阐述的单元操作原理和方法为这些后续课程提供了理论依据和技术