《食品工程原理》

食品工程原理第一章绪论第一节课程的性质和内容第二节单位和单位制第三节混合物浓度的表示方法第四节单元操作常用的基本概念第一节课程的性质和内容②单元操作生产过程→化学反应过程+物理加工过程↓（归纳）基本操作过程↓单元操作一、单元操作和化学工程原理①化工生产过程（以酒精生产工艺过程为例）：原料→粉碎→蒸煮→汽化冷却→糖化→发酵→过滤→蒸馏→产品（前后处理过程是化工生产中必不可少的，且具重要地位）单元操作特点:1、都是物理性操作2、都是化工生产中共有的操作3、不同的生产过程所包含的单元操作的数量及顺序不同③单元操作分类按操作目的分：物料的增压、减压和输送物料的混合与分散物料的加热与冷却非均相混合物的分离均相混合物的分离常用单元操作：流体的流动和输送、传热、沉降与过滤、干燥、蒸馏、吸收、萃取等。按过程的物理本质分：动量传递过程（单相或多相流动）、热量传递过程和物质传递过程。表1化工常用单元操作单元操作目的物态原理传递过程流体流动输送液或气输入机械能动量传递搅拌混合或分散气-液；液-液输入机械能动量传递固-液过滤非均相混合物分离液-固；气-固尺度不同的截留动量传递沉降非均相混合物分离液-固；气-固密度差引起的沉降运动动量传递传热加热、冷却升温、降温，气或液利用温度差传入或热量传递改变相态移出热量蒸发溶剂与溶质的分离液供热以汽化溶剂热量传递吸收均相混合物分离气各组分在溶剂中溶解度不同物质传递蒸馏均相混合物分离液各组分间挥发度不同物质传递萃取均相混合物分离液各组分在溶剂中溶解度不同物质传递干燥去湿固体供热汽化热、质同时传递吸附均相混合物分离液或气各组分在吸附剂中吸附物质传递能力不同④化学工程原理●研究对象传递过程（包括单元操作的过程和设备）。●研究内容单元操作基本原理、基本规律、相互关系和应用。●研究方法实验研究方法，即经验的方法。数学模型方法，即半理论半经验的方法。●通过研究回答工业应用中提出的问题：⑴如何根据各单元操作特点，进行“过程和设备”的选择，以适应指定物系的特征，经济而有效地满足工艺要求。⑵如何进行过程的计算和设备的设计。⑶如何进行操作和调节以适应生产的不同要求。在操作发生故障时如何寻找故障的缘由。⑤食品工程原理与化学工程原理●食品工程原理的基本内容来源于化学工程原理；●食品工程原理在发展中形成了许多特色。（冷冻技术、真空技术等）二、课程的内容和学习要求学时分配：总学时90，理论课72，实验18学时(第11,14周周末)。教学内容：以流体的流动和输送、沉降与过滤、传热、蒸发、干燥、蒸馏、吸收等单元操作为主。学习要求：*具备高数、化学、物理、物理化学等基础知识*重视课前、课堂、课后复习与练习三个环节参考资料：《化工原理》（第二版）陈敏恒等主编，化工版《食品工程原理》杨同舟主编，农业版《食品工程原理》高福成等主编，轻工版第二节单位和单位制一、单位和单位制物理量=数值×单位物理量分为基本量和导出量量纲（因次）：表示基本量的符号。如：长度[L]、质量[M]或力[F]、温度[t]、时间[θ]等量纲式：表示基本量与导出量之间的关系：[Q]=LaMbtcθd......单位制：基本单位与导出单位的总和。基本量的基本单位，各种单位制均不相同。常见的单位制及基本量的基本单位：长度(L)质量(M)力(F)时间(t)温度(θ)SI制mkgSKCGS制cmgS℃工程制mkgfS℃导出量的导出单位如：力[F]=[M][a]SI制[F]=kg·m/s2=N（牛顿）压强[P]=N/m2CGS制[F]=g·cm/s2=dyn（达因）[P]=dyn/cm2工程制[F]=kgf[P]=kgf/m2二、单位换算①物理量的单位换算原单位表示的物理量数值×换算因数=新单位表示的物理量数值②实验方程式（又称数值公式）的单位换算根据（物理量=数值×单位）关系进行换算例：已知某吸收塔塔板上的液流量L与塔盘内液层高度H的关系为：L=0.0052√H式中L——液流量，m3/s换算成m3/hr；H——液层高度，mmm。解：设液流量与塔盘内液层高度两个物理量分别为L’、H’。即有L’=L（m3/s）L=L’/（m3/s）H’=H（m）H=H’/（m）则原式改写为：L’/（m3/s）=0.0052√H’/（m）将1m3/s=3600m3/hr，1m=1000mm代入上式得：L’/（3600m3/hr）=0.0052√H’/（1000mm）整理得：L’/（m3/hr）=0.592√H’/（mm）∴换算后的实验方程式为：L=0.592√H习题：实验方程式的单位换算G=2.45u0.8Δp式中：G——蒸发量，磅（质）/（英尺2小时）换算成kg/m2hru——气速，英尺/秒m/sΔp——压强差，大气压（atm）N/m2。第三节混合物浓度的表示方法一、物质的量浓度与物质的量分数1、物质的量浓度（简称物质的浓度，也称摩尔浓度，单位kmol/m3）2、物质的量分数（摩尔分数）二、物质的质量浓度与质量分数1、质量浓度（也称密度）2、质量分数三、摩尔比与质量比第四节单元操作常用的基本概念1、物料衡算（输入量=输出量+累积量）2、能量衡算3、物系的平衡关系4、传递过程速率（过程速率=过程推动力/过程阻力）5、经济核算第二章流体流动第一节概述一、流体的定义和分类3、研究对象质点：含有大量分子的流体微团。流体:是由大量质点组成的、彼此间没有间隙、完全充满所占空间的连续介质。流体的物理性质及运动参数在空间作连续分布，即可以用连续函数的数学工具加以描述。2、特征①具有流动性②无固定形状③在外力作用下，其内部发生相对运动，产生流动。1、定义流体是液体和气体的统称。4、定态流动与非定态流动定态流动是指点的速度ux、uy、uz及压强p均为与时间无关的常数。即：定态流动u=f（x、y、z）非定态流动u=f（x、y、z、τ）u=f（x、y、z、τ）u=f（x、y、z）5、运动的描述方法①拉格朗日法：描述同一质点在不同时刻的状态。（物理学中考察单个固体质点时用）②欧拉法：描述空间各点的状态及其与时间的关系。（考察定态流体流动时常用）6、分类①按流体的体积是否随压强、温度变化分不可压缩流体与可压缩流体②按流体流动时是否存在粘性力分理想流体与非理想流体③按流体流动时τ与du/dy之间是否遵守牛顿粘性定律分牛顿流体与非牛顿流体二、本章主要内容1、流体静力学基本方程及其应用2、管内流体流动基本方程3、管内流体流动阻力4、管路计算第二节流体静力学基本方程及其应用一、流体的物理性质及作用力二、流体静力学基本方程式三、流体静力学基本方程式的应用一、流体的物理性质及作用力1、密度与比容比容ν定义式ν=1/ρ（m3/kg）密度ρ①定义式：ρ=m/V（kg/m3）②影响因素：ρ=f（P，T）③确定方法：实验测定或从手册资料中查取液体的密度ρ=f（T）气体的密度ρ=f（P，T）混合液体的密度混合气体的密度2、流体的压强流动着的流体受到的作用力可分为体积力和表面力。体积力：也称质量力，包括重力、离心力。（都是场力）表面力：与表面积成正比的力，包括垂直作用于表面的压力和平行作用于表面的剪力（流动着的流体内部）。压力：F（N）压强（静压强）：P=F/A（N/m2即Pa帕）●压强的单位1atm=1.013×105Pa=1.033kgf/cm2=1.013bar=760mmHg=10.33mH2O●生产中常用单位：1MPa（兆帕）=106Pa≈10atm注意：以液柱高度表示压强时，一定要指明是何种液体。●压强的表示方法①绝对压强②表压强③真空度●表压强=绝对压强—大气压强●真空度=大气压强—绝对压强例：已知某设备进口压强P进=1200mmH2O（真空度），出口压强P出=1.6kgf/cm2（表压），当地大气压强P0=760mmHg，求设备进出口压强差，用N/m2表示。*表示方法要一致*单位要一致解：P进=1200mmH2O（真空度）=（N/m2）P出=1.6kgf/cm2（表压）=（N/m2）ΔP=P进-P出=1.685×105（N/m2）3、流体的粘度剪应力τ：流体流动时，单位面积上所受的内磨擦力，也称粘性力（或剪力）。粘性：是流动着的流体内部分子微观运动的一种宏观表现。其本质是分子间引力和分子的运动和碰撞。（静止的流体是不能承受剪应力和剪切变形的，这是流体与固体的力学特性的不同点。）粘度μ：衡量流体剪应力（粘性）大小的物理量。因不同流体而异，是影响流体流动的一个重要的物理性质。平板间液体速度变化图实验证明：对于大多数流体τ与du/dy成正比F引入比例系数μ,则τ=μdu/dy称为牛顿粘性定律。比例系数μ称为粘度或粘性系数（动力粘度）。dydu*粘度的物理意义*影响因素*粘度的单位及换算cp（厘泊）物理制单位1cp=10-2pPa·sSI制单位1cp=10-3Pa·s*理想流体*动力粘度μ与运动粘度ν分析重力场中静止的均匀的液体中一流体柱的受力情况：①作用于液柱上表面的力P1A↓②作用于液柱下表面的力P2A↑③液柱自身重力gA（z1-z2）↓则P1A-P2A+gA（z1-z2）=0整理得P2=P1+g（z1-z2）上式称为流体静力学基本方程式。适用于重力场中静止的均匀的不可压缩流体。反映了静止流体内部的压强跟深度的定量关系。其它表达形式：（单位质量流体总势能相等）流体微元受力平衡一般式；dp/=Xdx+Ydy+Zdz重力场中X，Y=0Z=-g二、流体静力学基本方程式流体静力学基本方程式可通过静力平衡得到。P1AP2Amg*适用范围*基本规律及应用h油*表达式hh水例：如图，在一开口容器内盛有AA`油水混合物，静置后油层高度0.7m,密度800kg/m3；水层高度0.6m,密度1000kg/m3。计算水在玻璃管中的高度h。（A-A`在同一水平面上）解：根据静力学基本方程，以A-A`为基准面有PA=P0+油gh油+水gh水PA`=P0+水gh即P0+油gh油+水gh水=P0+水ghh=1.16m*问题？1、压强的静力学测量方法●简单测压管PA=P0+ρgRA点的表压为PA-P0=ρgR●U型测压管PA=P0+ρigR–ρgh1A点的表压为PA-P0=ρigR–ρgh1三、流体静力学基本方程式的应用啊AARR●U型压差计①结构U型管指示液标尺mRab12②测量原理如图，设P1P2，则指示液呈现出高度差R（称为读数）。R与ΔP的关系：根据静力平衡原理，有Pa=Pb（a、b在同一水平面上）又Pa=P1+ρg（m+R）Pb=P2+ρgm+ρ0gR∴ΔP=P1-P2=R（ρ0–ρ）gΔP=P1-P2=R（ρ0–ρ）g上式说明：＊当ρ0、ρ一定时，ΔP仅与R有关。＊若两测压点不在同一水平面上，则R（ρ0–ρ）g不是真正的压强差，而是两被测截面上的虚拟压强差。③U型压差计适用范围●斜管微压计、复式U型压差计等2、液面测量3、确定液封高度作业：P60:2.8.9.10第三节管内流体流动基本方程流体流动的规律主要是指流体的流速、压强等运动参数在流体流动过程中的变化规律。流体流动应当服从质量守恒、能量定恒、动量守恒等守恒原理，根据这些守恒原理可以得到有关运动参数的变化规律。一、流体的流速和流量1、流量体积流量qv，m3/s质量流量qm，kg/sqm=ρqv定义：质点的运动速度u平均流速u（m/s）u=qv/Aqv=Au=∫AudA质量流速w（kg/m2.s）w=qm/A=ρu2、流速●管径的大小应通过经济核算(或根据经验值)定。并注意：密度大的流体粘度大的流体含有固体杂质的流体●一些流体在管道中的常用流速（m/s）水及一般液体1-3易燃易爆的低压气体小于8粘度较大的液体0.5-1压力较高的气体15-25低压液体8-15饱和水蒸汽20-40过热水蒸汽30-503、在管内流动的流体流速的确定u=qv/A=4qv/（πd2）即u与流量qv、管径d有关。当qv一定时：u↑d↓操作费↑设备费↓u↓d↑操作费↓设备费↑解：∵μ=2.2cp与水相近，∴取u=2m/s（水在管内流动的流速通常为1.5～3m/s）qv=60T/h=0.018m3/sd=