食品工程原理：第1章 緒論

1、食品工程原理食品工程原理 本章重點(diǎn)和難點(diǎn)本章重點(diǎn)和難點(diǎn) p掌握掌握“三傳理論三傳理論”概念及相關(guān)單元操作分類；概念及相關(guān)單元操作分類； p掌握量綱和單位換算；掌握量綱和單位換算； p了解了解“系統(tǒng)系統(tǒng)”的概念和在工程原理中的應(yīng)用。的概念和在工程原理中的應(yīng)用。 食品工程原理食品工程原理(Principles of Food Engineering)是一 門以力學(xué)、熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、傳熱和傳質(zhì)為理論 基礎(chǔ)的課程，是化工單元操作和化工原理在食品 工業(yè)的具體應(yīng)用。 強(qiáng)調(diào)工程觀點(diǎn)、定量運(yùn)算、實(shí)驗(yàn)技能和設(shè)計(jì)能力 的訓(xùn)練，要求做到理論與實(shí)際的結(jié)合，以提高分 析、解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力。 2. 課程內(nèi)容課程內(nèi)容

2、 1. 課程性質(zhì)課程性質(zhì) 食品工程原理是食品工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課。 先修課：高等數(shù)學(xué)、物理、物理化學(xué)、機(jī)械制圖等。 本課程主要介紹“三傳理論”和 “單元操作” 及其 應(yīng)用。 一一、課程性質(zhì)、內(nèi)容及任務(wù)課程性質(zhì)、內(nèi)容及任務(wù) 食品工程原理應(yīng)用是食品工程專業(yè)學(xué)生的必修課， 其主要任務(wù)是： q介紹三傳理論，即流體流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)的基本原理； q掌握主要單元操作的典型案例、操作原理、計(jì)算及選型及 實(shí)驗(yàn)研究方法； q培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用基礎(chǔ)理論分析和解決食品工程單元操作中各 種工程實(shí)際問(wèn)題(計(jì)算、選型及實(shí)驗(yàn)研究方法)的能力。 3. 課程任務(wù)課程任務(wù) 二、食品加工過(guò)程及單元操作食品加工過(guò)程及單元操作 不同食品的生產(chǎn)

3、過(guò)程使用各種物理加工過(guò)程，根據(jù)他們的 操作原理，可以歸結(jié)為數(shù)個(gè)應(yīng)用廣泛的基本操作過(guò)程，如流體 輸送、攪拌、沉降、過(guò)濾、熱交換、制冷、蒸發(fā)、結(jié)晶、吸收、 蒸餾、粉碎、乳化萃取、吸附、干燥等。 1.食品生產(chǎn)食品生產(chǎn) ： (1) (1) 化學(xué)反應(yīng)過(guò)程：如食品風(fēng)味的形成化學(xué)反應(yīng)過(guò)程：如食品風(fēng)味的形成; ; (2) (2) 物理加工過(guò)程。物理加工過(guò)程。 這些基本的物理過(guò)程稱為單元操作。 v若干個(gè)單元操作串聯(lián)起來(lái)組成一個(gè)工藝過(guò)程。 v均為物理性操作，只改變物料的狀態(tài)或其物理性質(zhì)，不改變 其化學(xué)性質(zhì)。 v同一食品生產(chǎn)過(guò)程中可能會(huì)包含多個(gè)相同的的單元操作。 v單元操作用于不同的生產(chǎn)過(guò)程其基本原理相同，進(jìn)行該操

4、作 的設(shè)備也可以通用。 v有食品安全、衛(wèi)生、保持食品色、香、味的特殊要求。 2. 單元操作的應(yīng)用及特點(diǎn)單元操作的應(yīng)用及特點(diǎn) 奶粉生產(chǎn)工藝流程奶粉生產(chǎn)工藝流程 原料乳驗(yàn)收原料乳驗(yàn)收預(yù)處理預(yù)處理預(yù)熱殺菌預(yù)熱殺菌真空濃縮真空濃縮 過(guò)濾過(guò)濾 加糖加糖 噴霧干燥噴霧干燥出粉出粉冷卻與過(guò)篩冷卻與過(guò)篩 包裝、檢驗(yàn)包裝、檢驗(yàn)成品成品 3. 單元操作與食品加工（舉例）單元操作與食品加工（舉例） 乳品加工現(xiàn)場(chǎng)乳品加工現(xiàn)場(chǎng) 乳品加工車間乳品加工車間 乳粉廠工藝流程圖乳粉廠工藝流程圖 冷 凍 鹽冷 凍 鹽 水水 自自 來(lái)來(lái) 水水 飽 和 蒸飽 和 蒸 汽汽 編號(hào)名稱作用單元操作涉及的傳遞理論技術(shù)參數(shù) 冷凍鹽水管道提供

5、冷卻介質(zhì)流體輸送動(dòng)量傳遞20 自來(lái)水管道提供流動(dòng)介質(zhì)流體輸送動(dòng)量傳遞常溫 蒸汽管道提供加熱介質(zhì)流體輸送動(dòng)量傳遞180 貯罐貯存牛奶與緩沖作用 離心泵輸送牛奶流體輸送動(dòng)量傳遞 ，板式換熱器 冷卻牛奶與加熱空氣傳熱熱量傳遞4 配料槽配料、混合與標(biāo)準(zhǔn)化攪拌動(dòng)量傳遞90 均質(zhì)機(jī)均質(zhì)牛奶均質(zhì)動(dòng)量傳遞與質(zhì)量傳遞 兩段板式換熱器巴氏滅菌傳熱熱量傳遞80,20min 升膜式蒸發(fā)器濃縮牛奶濃縮熱量傳遞、動(dòng)量傳遞與質(zhì)量傳遞濃度10% 旋液分離器分離水中的牛奶物系分離動(dòng)量傳遞與質(zhì)量傳遞 噴射泵提供負(fù)壓流體輸送動(dòng)量傳遞 高壓泵使牛奶產(chǎn)生較大的壓力，利于噴霧干燥流體輸送動(dòng)量傳遞壓力 kPa 空氣過(guò)濾器過(guò)濾空氣，使其清潔

6、過(guò)濾動(dòng)量傳遞 噴霧干燥器干燥牛奶使其成為奶粉干燥熱量傳遞、動(dòng)量傳遞與質(zhì)量傳遞 90%以上過(guò)100目篩，含水 量13% 旋風(fēng)分離器風(fēng)力空氣中的奶粉顆粒分離動(dòng)量傳遞與質(zhì)量傳遞 風(fēng)機(jī)派出廢氣流體輸送動(dòng)量傳遞 篩分機(jī)篩出大的奶粉顆粒篩分 流化床冷卻冷卻干燥后的牛奶傳熱熱量傳遞 (21)包裝系統(tǒng) 乳品加工過(guò)程工程原理解析乳品加工過(guò)程工程原理解析 單元操作按其理論基礎(chǔ)可分為下列三類： 上述三個(gè)過(guò)程包含了三種理論，我們稱之為“三傳理論”。 （1）流體流動(dòng)過(guò)程（Fluid flow process）: 包括流體輸送、攪拌、沉降、過(guò)濾等。 4. 單元操作的分類單元操作的分類 （2）傳熱過(guò)程（Heat trans

7、fer process）: 包括熱交換、蒸發(fā)等。 （3）傳質(zhì)過(guò)程（Mass transfer process）: 包括吸收、蒸餾、萃取、吸附、干燥等。 動(dòng)量傳遞(Momentum transfer)：流體流動(dòng)時(shí)，其內(nèi)部發(fā)生動(dòng)量傳遞，故流體 流動(dòng)過(guò)程也稱為動(dòng)量傳遞過(guò)程。凡是遵循流體流動(dòng)基本規(guī)律的單元操作，可 以用動(dòng)量傳遞的理論去研究。 熱量傳遞(Heat transfer): 物體被加熱或冷卻的過(guò)程也稱為物體的傳熱過(guò)程。 凡是遵循傳熱基本規(guī)律的單元操作，可以用熱量傳遞的理論去研究。 質(zhì)量傳遞(Mass transfer): 兩相間物質(zhì)的傳遞過(guò)程即為質(zhì)量傳遞。凡是遵循傳 質(zhì)基本規(guī)律的單元操作，可以

8、用質(zhì)量傳遞的理論去研究。 三傳理論三傳理論 許多單元操作都會(huì)包含兩種以上的傳遞現(xiàn)象， 如干燥、 精餾等。 “三傳理論”是單元操作的理論基礎(chǔ)，單元操作是“三傳 理論”的具體應(yīng)用。 同時(shí)，“三傳理論”和單元操作也是食品工程技術(shù)的理論 和實(shí)踐基礎(chǔ)。 殺菌：傳熱； 真空濃縮：傳熱、傳質(zhì)、流體流動(dòng)； 過(guò)濾：流體流動(dòng)。 1. 量綱（量綱（Dimension） 可以被觀察或測(cè)量的物理實(shí)體可以被量綱(Dimension)或因次定性表征。 基本量綱：像長(zhǎng)度L、時(shí)間t、溫度和質(zhì)量m，表示一個(gè)物理實(shí)體。 導(dǎo)出量綱：是基本量綱組合導(dǎo)出的（例如，體積是長(zhǎng)度的立方，速度是 距離除以時(shí)間）。 方程式中量綱必須一致，即物理方

9、程因次一致原則。 三、量綱與單位量綱與單位 2. 單位制單位制 國(guó)際單位制中的單位（Unit）是由基本單位、輔助單位和具有專門名稱 的導(dǎo)出單位構(gòu)成的。 基本單位：長(zhǎng)度（米，m）、質(zhì)量（千克，kg）、時(shí)間（秒，s）、電流 （安培，A）、熱力學(xué)單位（開爾文，K）、物質(zhì)的量（摩爾，mol）和發(fā)光 強(qiáng)度（坎德拉，cd） 導(dǎo)出單位：基本單位經(jīng)過(guò)了乘法或者除法運(yùn)算后的代數(shù)集合。如牛頓 （N），焦耳（J），等等 輔助單位：平面角單位（弧度，rad） 和立體角單位（球面度，sr）兩個(gè)。 3. 單位換算單位換算 同一物理量若用不同單位度量時(shí)，其數(shù)值需相應(yīng)地改變。這 種換算稱為單位換算。 通用氣體常數(shù): R0.0

10、8206Latm/molK8.313J/molK 9 5 )32F(C C3 .273K 不同單位制換算不同單位制換算: 系統(tǒng)(system)是指任何可以 用真實(shí)或假想的邊界包圍起來(lái)的 規(guī)定的空間或物質(zhì)限定的數(shù)量。 邊界可以是固定的，也可以 是移動(dòng)的。 四、系統(tǒng)系統(tǒng) 圖1 包含輸送管道和閥門的系統(tǒng)示意圖 1. 系統(tǒng)定義及分類系統(tǒng)定義及分類 所有系統(tǒng)邊界以外的都稱為環(huán)境環(huán)境(Surroundings) 系統(tǒng)分為：開放系統(tǒng)、封閉系統(tǒng) 隔絕系統(tǒng)（Isolated system）、絕熱系統(tǒng)(Adiabatic system) 系統(tǒng)性質(zhì)：廣泛性和內(nèi)含性 廣泛性的數(shù)值依賴于系統(tǒng)的范圍和尺寸。例如，質(zhì)量、長(zhǎng)

11、度、體積和能量都 依賴于給定系統(tǒng)的大小。 內(nèi)含性不依賴于系統(tǒng)的尺寸。例如溫度、壓力和密度。 平衡狀態(tài)是自然界中廣泛存在的現(xiàn)象。 平衡關(guān)系平衡關(guān)系可用來(lái)判斷過(guò)程能否進(jìn)行，以及進(jìn)行的方向和能達(dá)到的限度?？捎脕?lái)判斷過(guò)程能否進(jìn)行，以及進(jìn)行的方向和能達(dá)到的限度。 以食鹽的溶解和結(jié)晶為例： 食鹽濃度飽和濃度：結(jié)晶 食鹽濃度飽和濃度：溶解 該溫度下的飽和濃度為該物系的平衡濃度。 2. 系統(tǒng)的平衡關(guān)系系統(tǒng)的平衡關(guān)系(Relationship of system balance) 不飽和食鹽溶液：溶解速率（單位時(shí)間內(nèi)溶解的食鹽質(zhì)量）大；食鹽濃 度高時(shí)，溶解速率小。 飽和食鹽溶液（即平衡狀態(tài)）：溶解速率為零 (實(shí)際是動(dòng)態(tài)的溶解和結(jié)晶 平衡) 以食鹽的溶解為例： 3. 傳遞速率（傳遞速率（Rate of transfer process） 溶液濃度越是遠(yuǎn)離平衡濃度，其溶解速率就越大；溶液濃度越是接近平 衡濃度，其溶解速率就越小。溶液濃度與平衡濃度之差值，可以看作是溶解 過(guò)程的推動(dòng)力（Driving force）。 顆粒大小和攪拌對(duì)溶解速率有