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1、绪论绪论1 1 化工加工过程及单元操作化工加工过程及单元操作 不同食品的生产过程使用各种物理加工过程，根据他们的不同食品的生产过程使用各种物理加工过程，根据他们的操作原理，可以归结为数个应用广泛的操作原理，可以归结为数个应用广泛的基本操作过程基本操作过程，如流体，如流体输送、搅拌、沉降、过滤、热交换、制冷、蒸发、结晶、吸收、输送、搅拌、沉降、过滤、热交换、制冷、蒸发、结晶、吸收、蒸馏、粉碎、乳化萃取、吸附、干燥等。蒸馏、粉碎、乳化萃取、吸附、干燥等。化学工业化学工业：利用物理和化学方法将自然界的各种物质加工成利用物理和化学方法将自然界的各种物质加工成生活资料的工业。生活资料的工业。化工生产化工
2、生产 ：(1)(1)化学反应过程：化学反应过程：(2)(2)物理加工过程物理加工过程这些基本的物理过程称为这些基本的物理过程称为单元操作单元操作。v若干个单元操作串联起来组成一个工艺过程。若干个单元操作串联起来组成一个工艺过程。v均为物理性操作，只改变物料的状态或其物理性质，均为物理性操作，只改变物料的状态或其物理性质，不改变其化学性质。不改变其化学性质。v同一食品生产过程中可能会饱含多个相同的的单元同一食品生产过程中可能会饱含多个相同的的单元操作。操作。v单元操作用于不同的生产过程其基本原理相同，进单元操作用于不同的生产过程其基本原理相同，进行该操作的设备也可以通用行该操作的设备也可以通用。
3、单元操作的应用及特点单元操作的应用及特点奶粉生产工艺流程奶粉生产工艺流程原料乳验收原料乳验收预处理预处理预热杀菌预热杀菌真空浓缩真空浓缩过滤过滤加糖加糖喷雾干燥喷雾干燥出粉出粉冷却与过筛冷却与过筛包装、检验包装、检验成品成品单元操作与食品加工单元操作与食品加工单元操作按其理论基础可分为下列三类：单元操作按其理论基础可分为下列三类：上述三个过程包含了三种理论，我们称之为上述三个过程包含了三种理论，我们称之为“三传理论三传理论”。（1 1）流体流动过程（）流体流动过程（fluid flow processfluid flow process）:包括流体输送、搅拌、沉降、过滤等。包括流体输送、搅拌、
4、沉降、过滤等。（2 2）传热过程（）传热过程（heat transfer processheat transfer process）:包括热交换、蒸发等。包括热交换、蒸发等。（3 3）传质过程（）传质过程（mass transfer processmass transfer process）:包括吸收、蒸馏、萃取、吸附、干燥等。包括吸收、蒸馏、萃取、吸附、干燥等。单元操作的分类单元操作的分类动量传递动量传递(momentum transfer)：流体流动时，其内部发生动流体流动时，其内部发生动量传递量传递，故流体流动过程也称为动量传递过程。凡是遵循流体故流体流动过程也称为动量传递过程。凡是遵循
5、流体流动基本规律的单元操作，到可以用动量传递的理论去研究。流动基本规律的单元操作，到可以用动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为物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作，到可以用体的传热过程。凡是遵循传热基本规律的单元操作，到可以用热量传递的理论去研究。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量传两相间物质的传递过程即为质量传递。凡是遵循传质基本规律的单元操作，到可以用质量传递的递。凡是遵循传质基本规律的单元操作，到可以用质量传递的理论去研究。
6、理论去研究。三传理论三传理论单元操作与三传的关系单元操作与三传的关系杀杀 菌：传热；菌：传热；真空浓缩：传热、传质、流体流动；真空浓缩：传热、传质、流体流动；过过 滤：流体流动滤：流体流动.流体力学、传热及传质的基本原理是各单元操作流体力学、传热及传质的基本原理是各单元操作的理论基础。许多单元操作都会包含两种以上的传递的理论基础。许多单元操作都会包含两种以上的传递现象，现象，如干燥、精馏等。如干燥、精馏等。“三传理论三传理论”是单元操作的理论基础，单是单元操作的理论基础，单元操作是元操作是“三传理论三传理论”的具体应用。的具体应用。同时，同时，“三传理论三传理论”和单元操作也是化学和单元操作也
7、是化学工程技术的理论和实践基础。工程技术的理论和实践基础。2.2 2.2 课程内容课程内容2.1 2.1 课程性质课程性质食品工程原理是食品工程等工科专业的专业基础课。食品工程原理是食品工程等工科专业的专业基础课。先修课：高等数学、物理、物理化学、机械制图等。先修课：高等数学、物理、物理化学、机械制图等。本课程主要介绍本课程主要介绍“三传理论三传理论”和和“单元操作单元操作”。2 2 课程性质、内容及任务课程性质、内容及任务q介绍三传理论，即流体流动、传热、传质的基本原理；介绍三传理论，即流体流动、传热、传质的基本原理；q掌握主要单元操作的典型掌握主要单元操作的典型设备构造设备构造、操作原理操
8、作原理、计算计算、选型选型及及实验研究实验研究方法；方法；q培养学生运用基础理论培养学生运用基础理论分析分析和和解决解决化工单元操作中各种化工单元操作中各种工程实际问题工程实际问题(计算、选型及实验研究方法计算、选型及实验研究方法)的能力的能力。2.3 2.3 课程任务课程任务3.1 3.1 单位制单位制 国际单位制中的单位是由基本单位、辅助单位和国际单位制中的单位是由基本单位、辅助单位和具有专门名称的导出单位构成的。具有专门名称的导出单位构成的。3 3 单位与单位换算单位与单位换算 基本量：基本量：任意选定的几个独立的物理量任意选定的几个独立的物理量(如长度如长度,时间等时间等)。基本单位：
9、基本单位：根据使用方便的原则制定的基本量的单位。根据使用方便的原则制定的基本量的单位。导出量：导出量：根据物理量与基本量之间的关系来确定的量。根据物理量与基本量之间的关系来确定的量。导出单位：导出单位：导出量的单位称为导出单位，均由基本单位相乘、除而构导出量的单位称为导出单位，均由基本单位相乘、除而构成的成的 。单位制：单位制：基本单位与导出单位的总和。基本单位与导出单位的总和。物理单位制：基本单位：长度物理单位制：基本单位：长度cm cm 质量质量g g 时间时间s s工程单位制：基本单位：长度工程单位制：基本单位：长度cmcm 力力 kgfkgf 时间时间s s SISI单位制单位制：基本
10、单位有：基本单位有7 7个，化工中常用的有个，化工中常用的有5 5个：个：长度长度cmcm 、质量质量kg kg、时间时间s s 、温度温度K K、物质量物质量molmol3.2 3.2 因次因次 法定计量单位中，基本量的长度、质量、时间、温度可分法定计量单位中，基本量的长度、质量、时间、温度可分别用符号别用符号L L、M M、T T、表示，则导出量可由这些基本量的符号表示，则导出量可由这些基本量的符号组合而成。组合而成。例：速度例：速度LTLT1 1 加速度加速度LTLT2 2 力力MLTMLT2 2 若某物理量以若某物理量以M Ma aL Lb bT Tc c表示，则称它为该表示，则称它为
11、该物理量的因次或物理量的因次或量纲量纲（dimensiondimension）（严格地说，指数严格地说，指数a a、b b、c c称为因次，称为因次，M Ma aL Lb bT Tc c称为该物理量的因次式或量纲式）。它表示该物理称为该物理量的因次式或量纲式）。它表示该物理量的单位与基本量的单位之间的关系。当量的单位与基本量的单位之间的关系。当a ab bc c0 0时，时时，时M M0 0L L0 0T T0 01 1，称为称为无因次无因次（dimensionlessdimensionless）。3.3 3.3 单位换算单位换算同一物理量若用不同单位度量时，其数值需相应地同一物理量若用不同单
12、位度量时，其数值需相应地改变。这种换算称为单位换算。改变。这种换算称为单位换算。通用气体常数通用气体常数 R R0.08206L0.08206Latm/molatm/molK K8.313J/mol8.313J/molK K 已知已知1 1atmatm=1.=1.033kgf/cm2033kgf/cm2,将其换算成将其换算成N/m2N/m2。按题意需将按题意需将kgf/cmkgf/cm2 2中的单位换算成中的单位换算成N N，cmcm2 2换换算成算成m m2 2,查附录查附录1 1：换算关系为：换算关系为：1 1kgf=9.81=9.81N，1 1cm=0.01=0.01m上述关系代入上述关
13、系代入 ，得：，得：物料衡算；物料衡算；能量衡算；能量衡算；物系的平衡关系；物系的平衡关系；传递速率；传递速率；经济核算。经济核算。4 4 单元操作中常用的基本概念单元操作中常用的基本概念 依据质量守恒定律，进入与离开某一化工过程的物料质量之依据质量守恒定律，进入与离开某一化工过程的物料质量之差，等于该过程中累积的物料质量，即差，等于该过程中累积的物料质量，即对于连续操作的过程，若各物理量不随时间改变，即处于稳对于连续操作的过程，若各物理量不随时间改变，即处于稳定操作状态时，过程中不应有物料的积累，则物料衡算关系为定操作状态时，过程中不应有物料的积累，则物料衡算关系为输入量输出量累积量输入量输
14、出量累积量输入量输出量输入量输出量用物料衡算式可由过程的已知量求出未知量。用物料衡算式可由过程的已知量求出未知量。4.1 4.1 物料衡算（物料衡算（material balancematerial balance）物料衡算的步骤：物料衡算的步骤：（1 1）根据题意画出各物流的流程示意图，物料的流）根据题意画出各物流的流程示意图，物料的流向用箭头表示，并标上已知数据与待求量。向用箭头表示，并标上已知数据与待求量。（2 2）规定衡算基准，一般选用单位进料量或排料量、）规定衡算基准，一般选用单位进料量或排料量、时间及设备的单位体积等作为计算的基准。在较复杂的时间及设备的单位体积等作为计算的基准。在
15、较复杂的流程示意图上应圈出衡算的范围，列出衡算式，求解未流程示意图上应圈出衡算的范围，列出衡算式，求解未知量。知量。q本课程所用到的能量主要有机械能和热能。本课程所用到的能量主要有机械能和热能。q能量衡算的依据是能量守恒定律。能量衡算的依据是能量守恒定律。q热量衡算的步骤与物料衡算的基本相同。热量衡算的步骤与物料衡算的基本相同。4.2 4.2 能量衡算能量衡算（energy balanceenergy balance）平衡状态是自然界中广泛存在的现象。平衡状态是自然界中广泛存在的现象。平衡关系平衡关系可用来判断过程能否进行，以及进行的可用来判断过程能否进行，以及进行的方向和能达到的限度。方向和
16、能达到的限度。以食盐的溶解和结晶为例：以食盐的溶解和结晶为例：食盐浓度食盐浓度 饱和浓度：结晶饱和浓度：结晶食盐浓度食盐浓度 饱和浓度：溶解饱和浓度：溶解该温度下的饱和浓度为该物系的平衡浓度该温度下的饱和浓度为该物系的平衡浓度。4.3 4.3 物系的平衡关系物系的平衡关系(relationship of system relationship of system balancebalance)不饱和食盐溶液不饱和食盐溶液：溶解速率（单位时间内溶解的食溶解速率（单位时间内溶解的食盐质量）大；食盐浓度高时，溶解速率小。盐质量）大；食盐浓度高时，溶解速率小。饱和食盐溶液饱和食盐溶液（即平衡状态）：溶
17、解速率为零即平衡状态）：溶解速率为零以食盐的溶解为例：以食盐的溶解为例：4.4 4.4 传递速率传递速率（rate of transfer rate of transfer processprocess）溶液浓度越是远离平衡浓度，其溶解速率就越大；溶液浓度越是远离平衡浓度，其溶解速率就越大；溶液浓度越是接近平衡浓度，其溶解速率就越小。溶溶液浓度越是接近平衡浓度，其溶解速率就越小。溶液浓度与平衡浓度之差值，可以看作是溶解过程的液浓度与平衡浓度之差值，可以看作是溶解过程的推推动力（动力（driving forcedriving force）。颗粒大小和搅拌对溶解速率有影响颗粒大小和搅拌对溶解速率有
18、影响。原因：由大块改为许多小快，能使固体食盐与溶液的原因：由大块改为许多小快，能使固体食盐与溶液的接触面积增大；由不搅拌改为搅拌，能使溶液质点对接触面积增大；由不搅拌改为搅拌，能使溶液质点对流。其结果能减小溶解过程的流。其结果能减小溶解过程的阻力阻力（resistanceresistance）。此关系类似于电学中欧姆定律。此关系类似于电学中欧姆定律。过程的传递速率是决定化工设备的重要因素，传递过程的传递速率是决定化工设备的重要因素，传递速率增大时，设备尺寸可以变小速率增大时，设备尺寸可以变小。5 5研究方法研究方法（一）化工原理课程的两条主线（一）化工原理课程的两条主线1.1.动量传递、传热和
19、传质皆属于传递过程，是本门课程统一的研动量传递、传热和传质皆属于传递过程，是本门课程统一的研究对象，是联系各单元操作的一条主线。究对象，是联系各单元操作的一条主线。2.2.研究工程问题的方法论是联系各单元操作的另一条主线。研究工程问题的方法论是联系各单元操作的另一条主线。各各单元操作有共同的研究方法。单元操作有共同的研究方法。a.a.实验研究方法（经验的方法）实验研究方法（经验的方法）一般用因次分析和相似论为指导，依靠实验来确定过程变量一般用因次分析和相似论为指导，依靠实验来确定过程变量之间的关系，通过无因次数群（或称准数）构成的关系式来表达。之间的关系，通过无因次数群（或称准数）构成的关系式
20、来表达。是一种工程上通用的基本方法。是一种工程上通用的基本方法。b.b.数学模型法（半经验半理论的方法）数学模型法（半经验半理论的方法）在对实际过程的机理深入分析的基础上，在抓住过程本质的在对实际过程的机理深入分析的基础上，在抓住过程本质的前提下，作出某种合理简化，建立物理模型，进行数学描述，得前提下，作出某种合理简化，建立物理模型，进行数学描述，得出数学模型。通过实验确定模型参数。出数学模型。通过实验确定模型参数。如一个物理过程的影响因素较少，各参数之间的关系比较简如一个物理过程的影响因素较少，各参数之间的关系比较简单，能建立数学方程并能直接求解，则称为解析法。单，能建立数学方程并能直接求解
21、，则称为解析法。数学模型法（半经验半理论）数学模型法（半经验半理论）因次论指导下的实验研究法因次论指导下的实验研究法实验：寻找函数形式，决定参数实验：寻找函数形式，决定参数本课程中，各单元操作的计算、设备的选本课程中，各单元操作的计算、设备的选型等工作都将围绕上述五个方面进行，并以最型等工作都将围绕上述五个方面进行，并以最优经济效益作为最终的设计方案。优经济效益作为最终的设计方案。效益是企业的命脉，经济核算是企业的核心工作。为生效益是企业的命脉，经济核算是企业的核心工作。为生产定量的某种产品所需要的设备，根据设备的型式和材料的产定量的某种产品所需要的设备，根据设备的型式和材料的不同，可以有若干设计方案。对同一台设备，所选用的操作不同，可以有若干设计方案。对同一台设备，所选用的操作参数不同，会影响到设备费与操作费。因此，参数不同，会影响到设备费与操作费。因此，要用经济核算要用经济核算确定最经济的设计方案确定最经济的设计方案。6经济核算经济核算(economic evaluations)任何一个科研成果都要通过工程技术才能任何一个科研成果都要通过工程技术才能得以大规模生产，才能实现它的社会价值，得以大规模生产，才能实现它的社会价值，造福于广大的人民群众造福于广大的人民群众。化工原理化工原理是将实验室科研成果转入工是将实验室科研成果转入工业化生产的基础理论课程。业化生产的基础理论课程。