食品工程原理1

食品工程原理绪论理研究内容生产中常见的一些问题：在什么条件下所期望的化学反应才能发生？反应的速率将会是多大？不期望的反应（副反应）速率又会是多大？转化率为多少？通过什么样的工程方法和设备来实现其工艺过程？怎样才能从工业规模生产中获得最佳的经济效益？如何提供反应所需的热量及使用反应放出的热量？原料如何供给、产物又如何分离？食品工程原理是一门以介绍生产中各主要单元操作为基础知识的课程搅拌流态化气体液化液体汽化蒸发浓缩加热冷却结晶精馏液液萃取气液吸收喷雾干燥动量传递质量传递热量传递过滤与沉降流体输送气固吸附单元操作几个主要概念物料恒算能量恒算平衡关系过程速率经济核算第一章流体的流动与输送流体的特征特征：流体分子间距离较大，当受到外部剪切力作用时，易变形产生流动分类可压缩流体：通常为气体，密度变化较明显不可压缩流体：液体（外压很大情况下除外），压力改变对密度影响很小的流体流体静力学流体的密度压强及其表示方法流体静力学流体静力学基本方程在工程中的应用一、流体的密度1.密度定义流体的密度就是单位体积的流体所具有的质量，用ρ表示SI单位kg/m3。即：Vm2.影响ρ的主要因素任意流体的密度都是随流体的压强和温度的改变而改变的，即：ptf,3.混合物的密度1）液体混合物的密度ρm取1kg液体，令液体混合物中各组分的质量分率分别为:,wnwBwAxxx、、、总其中mmxiwiiwimxkgm1时，当总假设混合后总体积不变，mnwnwBwAmxxxV总总212)气体混合物的密度取1m3的气体为基准,令各组分的体积分率为xvA,xvB,…,xVn,其中:总VVxiVi当V总=1m3时，i=1,2,….,n混合物中各组分的质量为：iViVx知，由VmVnnVBVAxxx,......,,21若混合前后,气体的质量不变，总总Vxxxmmnn.......2211当V总=1m3时,nnmxxx......22114.与密度相关的几个物理量1）比容：单位质量的流体所具有的体积，用υ表示，单位为m3/kg。2）相对密度(比重)：某物质的密度与4℃下的水的密度的比值，用d表示。1,4水Cd34/1000mkgC水在数值上:牛顿粘性定律与流体的粘度1.牛顿粘性定律运动着的流体内部相邻两流体层间的作用力，称为流体的内摩擦力，是流体粘性的表现，又称为粘滞力或粘性摩擦力。流体流动时的内摩擦是流体阻力产生的依据。牛顿粘性定律u5u4u3u2u1yyuFU=0在两块面积很大，间距很小的平板间充满液体，内摩擦力(剪应力)τ与上下两板间速度随距离的变化率成正比。AyuFAyuF二、流体的静压强1、压强的定义流体的单位表面积上所受的压力，称为流体的静压强，简称压强。数学表达式为：APpSI制单位：N/m2，即Pa。其它常用单位有：atm（标准大气压）、工程大气压kgf/cm2、bar；流体柱高度（mmH2O，mmHg等）。PabarOmHmmHgcmkgfatm522100133.10133.133.10760/033.11换算关系为：PabarOmHmmHgcmkgf42210807.99807.0106.735/11工程大气压2、压强的表示方法1）绝对压强（绝压）：流体体系的真实压强称为绝对压强。2）表压强（表压）：压力上读取的压强值称为表压。表压强=绝对压强-大气压强3）真空度：真空表的读数真空度=大气压强-绝对压强=-表压绝对压强、真空度、表压强的关系为绝对零压线大气压强线A绝对压强表压强B绝对压强真空度当用表压或真空度来表示压强时，应分别注明。如：4×103Pa（真空度）、200KPa（表压）。三、流体静力学方程1、方程的推导在1-1’截面受到垂直向下的压力ApF11在2-2’截面受到垂直向上的压力：ApF22小液柱本身所受的重力：gzzAVgmgW21因为小液柱处于静止状态，0F01112gzzAFF两边同时除A02112zzgAFAF02112zzgpp2112zzgpp令hzz21则得：ghpp12若取液柱的上底面在液面上，并设液面上方的压强为P0，取下底面在距离液面h处，作用在它上面的压强为Ppp201ppghpp0——流体的静力学方程2、方程的讨论1）液体内部压强P是随P0和h的改变而改变的，即：hPfP,02）当容器液面上方压强P0一定时，静止液体内部的压强P仅与垂直距离h有关，即：hP处于同一水平面上各点的压强相等。3）当液面上方的压强改变时，液体内部的压强也随之改变，即：液面上所受的压强能以同样大小传递到液体内部的任一点。4）从流体静力学的推导可以看出,它们只能用于静止的连通着的同一种流体的内部，对于间断的并非单一流体的内部则不满足这一关系。5）ghPP0可以改写成hgPP0压强差的大小可利用一定高度的液体柱来表示，这就是液体压强计的根据，在使用液柱高度来表示压强或压强差时，需指明何种液体。6)方程是以不可压缩流体推导出来的，对于可压缩性的气体，只适用于压强变化不大的情况。静力学方程的应用1、压强与压强差的测量2、液位的测定3、液封高度的计算流体在管内的流动定态流动与非定态流动流量与流速连续性方程式能量衡算方程式柏努利方程式的应用一、定态流动与非定态流动流动系统定态流动非定态流动流动系统中流体的流速、压强、密度等有关物理量仅随位置而改变，而不随时间而改变上述物理量不仅随位置而且随时间变化的流动。二、流量与流速1、流量单位时间内流过管道任一截面的流体量，称为流量。若流量用体积来计量，称为体积流量，用VS表示；单位为m3/s。若流量用质量来计量，称为质量流量，用WS表示；单位kg/s。体积流量和质量流量的关系是：SSVW2、流速单位时间内流体在流动方向上流过的距离，称为流速。以u表示，单位为m/s。数学表达式为：二、流量与流速AVuS流量与流速的关系为：uAVSuAWS质量流速：单位时间内流体流过管道单位面积的质量流量用G表示，单位为kg/(m2.s)。数学表达式为：uAVAwGSsuVdS4——管道直径的计算式在管路设计中，适宜的流速的选择十分重要。若流速选得太大，流体流过管路时的阻力增大，操作费用增加；若流速选得太小，管径增大，管路的基建费增加。应在操作费与基建费之间通过经济权衡来确定适宜的流速一般来说，液体的流速取0.5～3.0m/s，气体则为10～30m/s对于圆形管道，24dA24dVuS三、连续性方程在稳定流动系统中，对直径不同的管段做物料衡算衡算范围：取管内壁截面1-1’与截面2-2’间的管段。衡算基准：1s对于连续稳定系统：21SSWWuAws222111AuAu如果把这一关系推广到管路系统的任一截面，有：常数uAAuAuwS222111若流体为不可压缩流体常数uAAuAuwVSS2211——一维稳定流动的连续性方程对于圆形管道，不可压缩流体稳定流动的连续性方程可以写成：22221144dudu21221dduu表明：当体积流量VS一定时，管内流体的流速与管道直径的平方成反比。四、能量衡算方程式1）流体本身具有的能量①位能：流体因处于重力场内而具有的能量。质量为m流体的位能)(JmgZ单位质量流体的位能)/(kgJgZ②动能：流体以一定的流速流动而具有的能量。质量为m，流速为u的流体所具有的动能)(212Jmu单位质量流体所具有的动能)/(212kgJu流体在截面处所具有的压力pAF流体通过截面所走的距离为AVl/流体通过截面的静压能FlAVpA)(JpV单位质量流体所具有的静压能mVp)/(2kgJppv所以，单位质量流体本身所具有的总能量为)/(212kgJpugz③静压能（流动功）2）系统与外界交换的能量①外功若在流动系统的管路上安装泵或鼓风机等流体输送机械，就会对流体做功。令单位质量通过划定体积的过程中接受的功为We质量为m的流体所接受的功=mWe(J)流体接受外功时，We为正，向外界做功时,We为负。②阻力损失fh3）总能量衡算（柏努利方程式）衡算范围：截面1-1’和截面2-2’间的管道和设备。衡算基准：1kg流体。设1-1’截面的流体流速为u1，压强为P1，截面积为A1，比容为ν1；截面2-2’的流体流速为u2，压强为P2，截面积为A2，比容为v2。取o-o’为基准水平面，截面1-1’和截面2-2’中心与基准水平面的距离为z1，z2根据稳定流动系统的能量衡算式有：∑输入能量=∑输出能量Σ输入能量eWpugz11212Σ输出能量fhpugz22222fehpugzwpugz22221211223、柏努利方程式的讨论1）柏努利方程式表明理想流体在管内做稳定流动，没有外功加入时，任意截面上单位质量流体的总机械能即动能、位能、静压能之和为一常数，用E表示。即：1kg理想流体在各截面上的总机械能相等，但各种形式的机械能却不一定相等，可以相互转换。2）式中各项的物理意义：、zg、22up处于某个截面上的流体本身所具有的能量流体流动过程中所获得或消耗的能量We和ΣhfWe是输送设备对单位质量流体所做的有效功，Ne表示单位时间输送设备对流体所做的有效功，即功率seVWeWsWeN3）当体系无外功，且处于静止状态时2211pgzpgz流体的静力平衡是流体流动状态的一个特例柏努利方程也包含了流体静止状态的规律。zgp4）柏努利方程的不同形式a)若以单位重量的流体为衡算基准，可将柏努利方程的各项除以g得：ghgpguzgwgpguzfe2222121122，令gwHeegHHfffeHgpguzHgpguz2222121122b)若以单位体积流体为衡算基准，将方程的各项乘以ρfehpugzwpugz2222121122各项的单位：Pa静压强P可以用绝对压强值代入，也可以用表压强值代入、Z、gu22、gpfH位压头，动压头，静压头、压头损失He：输送设备对流体所提供的有效压头表示单位重量流体所具有的机械能，可以把它自身从基准水平面升举的高度。单位：m。5）对于可压缩流体的流动，当所取系统两截面之间的绝对压强变化小于原来压强的20%，时＜即：%20121ppp仍可使用柏努利方程。式中流体密度应以两截面之间流体的平均密度ρm代替。柏努利方程式的应用1、应用柏努利方程的注意事项1）确定衡算范围根据流体的流动方向，定出上下截面，以明确流动系统的衡标范围。2）基准水平面的选取在方程式中所反映的只是位能差。所以基准水平面的位置可以任意选取，但必须与水平面平行3）压强的计算在方程式中所反映的只是压差。所以静压强可以用绝对压强也可用表压4）物理量单位的使用各物理量都必须使用同一单位制中的单位，不能混用，在应用方程之前，应把有关的物理量换算成一致的单位，然后进行计算。2、柏努利方程的应用1）确定流体的流量例：20℃的空气在直径为80mm的水平管流过，现于管路中接一文丘里管，如本题附图所示，文丘里管的上游接一水银U管压差计，在直径为20mm的喉径处接一细管，其下部插入水槽中。空气流入文丘里管的能量损失可忽略不计，当U管压差计读数R=25mm，h=0.5m时，试求此时空气的流量为多少m3/h?(当地大气压强为101.33×103Pa。)分析：题中要求求空气的流量Vh，已知管路直径d，243600duVh只要求出u来即可。若在管路中选一截面，由于为水平直管，截面处的流速即管内流速，可以利用柏努利方程求解。但此题管中流动的为空气，应先判断一下能否应用柏努利方程。解：取测压处及喉颈分