食-品-工-程-原-理-课-件课件.ppt

1、海南大学食品学院海南大学食品学院 海南大学食品学院海南大学食品学院 食品科学与工程系食品科学与工程系 林向东林向东 2014.02 食食 品品 工工 程程 原原 理理 以自然科学的技术理论为基础，使以自然科学的技术理论为基础，使用相关设备和设施，按计划进行的系统性的工作。用相关设备和设施，按计划进行的系统性的工作。研究工程进行的规律、方法及发展的学科称研究工程进行的规律、方法及发展的学科称为为工程学工程学。食品工程：食品工程：引引 言言 应用应用单元操作单元操作的原理和技术，使的原理和技术，使用相关设备和设施，进行用相关设备和设施，进行食品工业化食品工业化生产的系统生产的系统性的工作。性的工作

2、。食品工业食品工业工工 程程：一、课程概要一、课程概要食品工程原理：食品工程原理：研究食品工程中研究食品工程中单元操作单元操作的基的基本原理和规律及其实践方法的学科。本原理和规律及其实践方法的学科。四部分：四部分：基本理论、物料混合、物系分离、原理应用。基本理论、物料混合、物系分离、原理应用。如：如：流体力学、传热学、传质学；流体力学、传热学、传质学；流体输送、流态化、流体输送、流态化、筛分、沉降、过滤、蒸发、结晶、制冷、吸收、干燥、筛分、沉降、过滤、蒸发、结晶、制冷、吸收、干燥、冷冻干燥；冷冻干燥；火腿肠加工原理、概念与实践火腿肠加工原理、概念与实践。独立性；独立性；不不规律性；规律性；抽象

3、抽象；枯燥枯燥；难度大难度大。学科基础课程学科基础课程，必修课程必修课程，学习食品工程中学习食品工程中“三传三传”的基本原理的基本原理并运用其分析并运用其分析单元操作单元操作的内在规律和技术的内在规律和技术基础；分析各种平衡关系及影响因素并进基础；分析各种平衡关系及影响因素并进行设计和计算；行设计和计算；主要设备的工作原理主要设备的工作原理。是进行食品工艺设计和机械设计及选是进行食品工艺设计和机械设计及选型配套、保证工艺过程准确实施的必备知型配套、保证工艺过程准确实施的必备知识，是食品科学与工程专业的核心课程之识，是食品科学与工程专业的核心课程之一。一。2、化学工业的、化学工业的单元操作单元操

4、作：化学工业发展的历程化学工业发展的历程二、食品工程发展概述二、食品工程发展概述可将单元操作归结为可将单元操作归结为 流体（气力）输送、流体（气力）输送、搅拌、沉降、搅拌、沉降、均质、乳化均质、乳化 过滤、过滤、压榨压榨 粉碎、筛分粉碎、筛分 离心分离离心分离 加热加热 冷却冷却(冷冻冷冻、冷冻浓缩冷冻浓缩)蒸发蒸发 结晶结晶 干燥干燥 吸收、吸附、结晶吸收、吸附、结晶 蒸馏、精馏蒸馏、精馏 萃取、浸提萃取、浸提 膜分离、离子交换膜分离、离子交换 干燥干燥 动量传递动量传递 热量传递热量传递 质量传递质量传递动量传递动量传递(momentum transfer)：流体流体(颗粒颗粒)运动时，其

5、运动时，其内部将发生动量传递，故这一运动过程称为动量传递。内部将发生动量传递，故这一运动过程称为动量传递。凡是遵循物质流动基本规律的单元操作，均可以用动凡是遵循物质流动基本规律的单元操作，均可以用动量传递的理论去研究。量传递的理论去研究。热量传递热量传递(heat transfer):物体被加热或冷却的过程也称物体被加热或冷却的过程也称为物体的传热过程。凡是遵循传热基本规律的单元操为物体的传热过程。凡是遵循传热基本规律的单元操作，均可以用热量传递的理论去研究。作，均可以用热量传递的理论去研究。质量传递质量传递(mass transfer):两相间物质的传递过程即为质两相间物质的传递过程即为质量

6、传递。凡是遵循传质基本规律的单元操作，均可以量传递。凡是遵循传质基本规律的单元操作，均可以用质量传递的理论去研究。用质量传递的理论去研究。三传理论三传理论杀杀 菌：菌：传热传热；真空浓缩：真空浓缩：传热传热、传质传质、流体流动；、流体流动；过过 滤：流体流动、滤：流体流动、动量传递动量传递；干干 燥：燥：传热传热、传质传质；单元操作与三传的关系单元操作与三传的关系单元操作的意义单元操作的意义：单元操作的概念使过去认为是各单元操作的概念使过去认为是各不相同的、独立的化工产品的不相同的、独立的化工产品的生产技术生产技术在生产过程中统一在生产过程中统一了起来，更有利于人们去研究单元操作的系统性、规律

7、性了起来，更有利于人们去研究单元操作的系统性、规律性和连续性，从而使化学工业和生产技术得到了飞跃发展。和连续性，从而使化学工业和生产技术得到了飞跃发展。3、食品工程与化学工程的关系、食品工程与化学工程的关系 差异原因：原料性质差异，应用对象不同。差异原因：原料性质差异，应用对象不同。发展途径：过程不同，要求不同，发展进程不同。发展途径：过程不同，要求不同，发展进程不同。过程：过程：基本原理、内在规律，工艺过程基本原理、内在规律，工艺过程 经济指标。经济指标。设备：设备：基本原理，合理性，选型设计。基本原理，合理性，选型设计。操作：操作：基本程序，使用方法，故障分析。基本程序，使用方法，故障分析

8、。当化学工业中的当化学工业中的单元操作单元操作引入食品工程后，引入食品工程后，使食品工业也产生了突飞猛进的发展使食品工业也产生了突飞猛进的发展豆类原料粉碎豆类原料粉碎 离心分离沉降离心分离沉降 浓缩浓缩 喷雾干燥喷雾干燥 产品产品 配料配料 混合造粒混合造粒 产品产品原料原料 输送破粹输送破粹 皮、籽分离皮、籽分离输送输送 浓缩浓缩 产品产品Legume processing:Tomato paste:任何食品加工过程都是由若干个作用任何食品加工过程都是由若干个作用不同的不同的单元操作单元操作按一定顺序组合而成的。按一定顺序组合而成的。奶粉加工：奶粉加工：原料输送、冷却、沉降、混合、过滤原料输

9、送、冷却、沉降、混合、过滤杀菌、浓缩、干燥、筛分、包装、产品。杀菌、浓缩、干燥、筛分、包装、产品。蔗糖加工：蔗糖加工：破碎压榨、加热浸取、蒸发浓缩、离破碎压榨、加热浸取、蒸发浓缩、离心分离、结晶纯化、产品干燥等心分离、结晶纯化、产品干燥等 每个单元操作都在一定的设备中进行，每个单元操作都在一定的设备中进行，物理操作，不改变物料的化学性质。物理操作，不改变物料的化学性质。冷盐水冷盐水自来水自来水水蒸汽水蒸汽冷凝水冷凝水回盐水回盐水编号编号名称名称作用作用单元操作单元操作涉及的传递理论涉及的传递理论技术范围技术范围冷冻盐水管道冷冻盐水管道提供冷却介质提供冷却介质流体输送流体输送动量传递动量传递20

10、自来水管道自来水管道提供流动介质提供流动介质流体输送流体输送动量传递动量传递常温常温蒸汽管道蒸汽管道提供加热介质提供加热介质流体输送流体输送动量传递动量传递180贮罐贮罐贮存牛奶与缓冲作用贮存牛奶与缓冲作用流体输送流体输送动量传递、流体静力学动量传递、流体静力学质量衡算质量衡算离心泵离心泵输送牛奶输送牛奶流体输送流体输送动量传递动量传递流量、流速、安装流量、流速、安装板式换热器板式换热器冷却牛奶与加热空气冷却牛奶与加热空气传热传热热量传递热量传递4配料槽配料槽配料、混合与标准化配料、混合与标准化搅拌搅拌动量传递动量传递90均质机均质机均质牛奶均质牛奶均质均质动量传递与质量传递动量传递与质量传递

11、压强、流量压强、流量板式换热器板式换热器巴氏灭菌巴氏灭菌传热传热热量传递热量传递80,20min升膜式蒸发器升膜式蒸发器浓缩牛奶浓缩牛奶浓缩浓缩热量传递、动量传递与热量传递、动量传递与质量传递质量传递浓度浓度10%旋液分离器旋液分离器分离牛奶中的奶油分离牛奶中的奶油物系分离物系分离动量传递与质量传递动量传递与质量传递流速、分离因数流速、分离因数乳品加工的工程原理解析乳品加工的工程原理解析喷射泵喷射泵提供负压提供负压流体输送流体输送动量传递动量传递流速、流量流速、流量高压泵高压泵使牛奶产生较大的压力，使牛奶产生较大的压力，利于喷雾干燥利于喷雾干燥流体输送流体输送动量传递动量传递压力压力 kpa空

12、气过滤器空气过滤器过滤空气，使其清洁过滤空气，使其清洁过滤过滤动量传递动量传递粒径拦截粒径拦截板式换热器板式换热器冷却牛奶与加热空气冷却牛奶与加热空气传热传热热量传递热量传递4喷雾干燥器喷雾干燥器干燥牛奶使其成为奶粉干燥牛奶使其成为奶粉干燥干燥热量传递、动量传递与热量传递、动量传递与质量传递质量传递90%以上过以上过100目目筛，含水量筛，含水量13%旋风分离器旋风分离器风力空气中的奶粉颗粒风力空气中的奶粉颗粒分离分离动量传递与质量传递动量传递与质量传递风速、风量风速、风量风机风机派出废气派出废气流体输送流体输送动量传递动量传递风速、风量风速、风量筛分机筛分机筛出大的奶粉颗粒筛出大的奶粉颗粒筛

13、分筛分动量传递动量传递粒径控制粒径控制流化床冷却流化床冷却冷却干燥后的牛奶冷却干燥后的牛奶传热传热热量传递热量传递调温、调速调温、调速（2 1 2 1）包装系统包装系统对产品进行分装保存对产品进行分装保存输送和传热输送和传热动量传递与热量传递动量传递与热量传递调温、调速调温、调速乳品加工的工程原理解析乳品加工的工程原理解析 食食食品工程的发展趋势食品工程的发展趋势：单元操作的研发、组合。单元操作的研发、组合。是机械工程、热力工程、化学工程等交融的综合性学科是机械工程、热力工程、化学工程等交融的综合性学科新技术逐渐应用新技术逐渐应用：质构重组、超临界萃取、微胶囊技术：质构重组、超临界萃取、微胶囊

14、技术食品生物技术、超滤、包装、超高压、膨化、冻干；机食品生物技术、超滤、包装、超高压、膨化、冻干；机械化、自动化、专业化和规模化、节能环保等。械化、自动化、专业化和规模化、节能环保等。1随科学技术的发展，随科学技术的发展，单元操作单元操作也在不断发也在不断发展之中，其中最活跃的领域为展之中，其中最活跃的领域为混合物的分离混合物的分离。近年来单元操作的研究开发所取得的主要成果近年来单元操作的研究开发所取得的主要成果有以下几方面有以下几方面:新分离技术不断得到开发和应用，如膜分新分离技术不断得到开发和应用，如膜分离、超临界流体萃取、区域熔炼、电磁分离、离、超临界流体萃取、区域熔炼、电磁分离、泡沫分

15、离、超高速离心分离和分子蒸馏等。泡沫分离、超高速离心分离和分子蒸馏等。在原有分离技术方面：在原有分离技术方面：处理能力加大、处理能力加大、效率提高的新型设备不断出现；设备的效率提高的新型设备不断出现；设备的放大效放大效应应逐步得到解决；已研究成功了许多合理利用逐步得到解决；已研究成功了许多合理利用能量的操作流程；一些高效的吸收剂、萃取剂能量的操作流程；一些高效的吸收剂、萃取剂溶剂等不断出现并在生产中应用。溶剂等不断出现并在生产中应用。计算机模拟和辅助设计：计算机模拟和辅助设计：不断取得成不断取得成果缩短了新技术的研发周期；使设备设计和操果缩短了新技术的研发周期；使设备设计和操作更趋合理，提高了

16、产品质量，降低了能耗。作更趋合理，提高了产品质量，降低了能耗。“三传理论三传理论”是单元操作的是单元操作的理论基础，单元操作是理论基础，单元操作是“三传三传理论理论”的具体应用。的具体应用。“三传理论三传理论”和单元操作又和单元操作又是食品工程技术的理论和实践是食品工程技术的理论和实践基础。基础。流体力学、传热学及传质学是本课程基本流体力学、传热学及传质学是本课程基本的理论部分。另：许多单元操作包含了两种以的理论部分。另：许多单元操作包含了两种以上的传递现象，上的传递现象，如干燥、精馏、结晶等。如干燥、精馏、结晶等。总结：总结：生产实践和各学科的发展对食生产实践和各学科的发展对食品单元操作的内

17、容不断提出新的要求品单元操作的内容不断提出新的要求和研究方向，随这些新课题的不断解和研究方向，随这些新课题的不断解决和完善，又不断促进了食品工业和决和完善，又不断促进了食品工业和生产技术的发展，同时也推动了单元生产技术的发展，同时也推动了单元操作和食品科学与工程学科的发展。操作和食品科学与工程学科的发展。三、单位制及换算三、单位制及换算1、单位制单位制(基本单位与导出单位基本单位与导出单位)2、单位换算与经验公式换算、单位换算与经验公式换算长度长度 m、时间时间 s、质量质量 kg、热力学温度热力学温度 K、电流电流 A、发光强度发光强度 Cd、物质的量物质的量 N。SI 制表示的物理量制表示

18、的物理量22smsma1122 skgmssmmkgsPa22422521 0339 8111 03310 1 0133 10Pa.kgf/cm.N/kgfatm.kgf/cmm/cm.N/m 例例 011 atm=1.033 kgf/cm2，将其换算成将其换算成 SI制单位表示的形式。制单位表示的形式。解：解：1 kgf =9.81 N 1 cm 2=104 m 2例例 02经验公式换算：经验公式换算：水蒸气在空气中的扩散系数水蒸气在空气中的扩散系数 D/hftTPTD22.54441101.46KR)8.11(1 解解:1 ft=0.3048 m 1 atm=1.0133105 Pa 52

19、222105812360030480 .Ds/m./smD/hft/smDD4418167.38744811001331104615254T.PT.D.整理得整理得/smTPT.D.252424510229 1001330.1101330 8.1)8.11(5-pppppTKKTTaa D ft 2/h =D m 2/s 自习题：自习题：G=2.45 u0.8 D D p 由单位由单位 lb/(ft2h)ft/s atm 换算为换算为 kg/(m2s)m/s PaG为为质量流速质量流速(通量通量)：单位面积上流体的：单位面积上流体的质质量流量量流量。8.8010-8 kg/(m2s)量纲：量纲

20、：表示各基本物理量的符号及其次方表示各基本物理量的符号及其次方。食品工程中常用的食品工程中常用的五个基本量五个基本量的量纲为：的量纲为：长度长度 L 质量质量 M 时间时间 T 温度温度 物质的量物质的量 N 。导出量的导出量的量纲式量纲式为为QLMTg g量纲式的指数为零时称量纲式的指数为零时称无因次，此量纲为无因次，此量纲为1 1 如，如，速度速度 um s-1 量纲式量纲式为为L T-1又，又，热导率热导率 l l W/(m K)L M T 3q q 1 1四、四、量纲量纲（因次）（因次）基本物理量的度量单位称基本物理单基本物理量的度量单位称基本物理单位，例如长度、质量、时间等。这些用于

21、位，例如长度、质量、时间等。这些用于表示基本物理量的度量，叫做表示基本物理量的度量，叫做“量纲量纲”(dimension)，量纲又称为因次。，量纲又称为因次。由基本量按一定规则表示的物理量称由基本量按一定规则表示的物理量称导出量导出量 量纲式量纲式用若干基本量的乘方或乘积用若干基本量的乘方或乘积表示的某一物理导出量的表达式，称为该表示的某一物理导出量的表达式，称为该物理量的量纲式。物理量的量纲式。五、授课内容及学习方法五、授课内容及学习方法 授课内容：授课内容：“三传三传”理论、单元操作原理。理论、单元操作原理。先修课：高数、物理学、物理化学、机械设计基础。先修课：高数、物理学、物理化学、机械

22、设计基础。原理：（过程特性、设备、测量、类比）原理：（过程特性、设备、测量、类比）计算：（质量衡算、热量衡算，过程计算，习题）计算：（质量衡算、热量衡算，过程计算，习题）设计：（原理、思路、方法、实践）设计：（原理、思路、方法、实践）五个概念：五个概念：物料衡算，能量衡算，物系平衡，传递物料衡算，能量衡算，物系平衡，传递速率，经济核算。速率，经济核算。弄清原理，理解记忆，及时提问，习题巩固，积极实践弄清原理，理解记忆，及时提问，习题巩固，积极实践(P4)例例 03 制作加盐黄油时，将质量分数为制作加盐黄油时，将质量分数为 0.6的盐水加入黄油原料后，测得黄油产品的盐水加入黄油原料后，测得黄油产

23、品中水的质量分数为中水的质量分数为0.158，含盐量为，含盐量为0.014,试求黄油原料中的含水量。试求黄油原料中的含水量。解：解：以以 1 kg 原料黄油为衡算基准，则其中原料黄油为衡算基准，则其中的含水量为的含水量为y。设加入原料中盐水的质量为设加入原料中盐水的质量为 x kg，则分别对，则分别对盐盐和和水水分进行衡算为：分进行衡算为：014.016.0 xxx 0.024 kg10.024 0.40.1581 0.024yy 0.152 例例 04 在空气预热器中用蒸气将流量在空气预热器中用蒸气将流量1000 kg/h，30 的空气预热至的空气预热至 66，所，所用加热蒸气温度为用加热蒸气温度为 143.4，蒸汽离开预，蒸汽离开预热器的温度为热器的温度为138.8。求蒸气消耗量。求蒸气消耗量(不不计热量损失计热量损失)。解：解：空气被加热所需能量空气被加热所需能量 =10001.00536=36252 kJ/h 加热蒸汽的能量变化加热蒸汽的能量变化 =13.8 kJ/kg 所需蒸汽量所需蒸汽量 =36252/13.8=2627.0 kg/h