主讲教师 高前欣 农业与食品科学学院 食品工程学科

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1 主讲教师 高前欣 农业与食品科学学院 食品工程学科
绪 论 　　 主讲教师　高前欣 农业与食品科学学院 食品工程学科

2 教材简介 李云飞，葛克山主编，食品工程原理，中国农业大学出版社。

3 本门课程概况 本门课是食品科学与工程专业的专业基础课 共48学时，其中理论课24学时，实验24学时，4学分
前修课程：高等数学、物理学、物理化学、流体力学 考核形式： 总成绩：卷面成绩70%+平时成绩30%； 平时成绩：考勤成绩，作业成绩，实验成绩(实验报告＋实验表现)，综合表现

4 要求： 建议课堂认真记笔记 准备计算器 有事直接请假，假条无效。 符号、数字、字母规范书写
解答步骤的衔接，前后的逻辑性。注意文字的表述，承上启下，注意严密性 计算结果的处理：在合理误差内，有效数字保留1~2位

5 参考文献 高福成。食品工程原理，中国轻工业出版社。1998。 姚玉英，黄凤廉，陈常贵等。化工原理，上下册，天津：科学技术出版社。1999。
王志魁。化工原理。北京：化学工业出版社，1987。 [美]J 金克普利斯著，清华大学化工组译。传递过程与单元操作。1985。 华南工学院等。发酵工程与设备。北京：轻工业出版社。 姚玉英。化工原理例题与习题。北京：化学工业出版社，1998。

6 绪 论 食品加工过程及单元操作 食品工业：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。
绪 论 食品加工过程及单元操作 食品工业：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。 食品生产 ：(1) 化学反应过程：如食品风味的形成 (2) 物理加工过程

7 工程的特点 在实施过程中，物料通过机械设备进行处理，因此影响生产过程的因素来自物料、机械设备、环境、人为等多方面，比实验室里的操作要复杂得多。 所以工程计算时更重要的不是结果对与错，而是误差的大小，是否在合理误差范围内。不同背景、不同生产条件下对误差要求不同。 从实验室经历小试和中试到实际生产，误差逐步放大，所以要掌握在各个阶段产生误差的主要因素，控制误差在合理范围内，可参照相应的标准制定对误差的要求。

8 在工程计算中经常采用的方法是抓住主要因素，忽略次要因素，建立数学模型，有适用范围的要求。
在学习过程中注意培养工程思维，区别于数学思维，

9 食品工程概念 　　　就是把食品科学的原理和各种有关的工程知识及实践结论运用到食品工业体系及设备、工艺、贮存、包装、流通等系统进行有效的规划、设计、改造、建设、操作和管理。 　　 食品工程是在化学工程基础上发展起来的一个新领域，人们在自觉和不自觉地把化学工程、生物工程、遗传工程、农业工程、冷冻工程等运用到食品工业，逐渐形成独立的食品工程。

10 食品工程原理课程的一个显著特点就是强调工程观念的培养，即针对过程工业生产实际和工程师的任务，以过程开发、装置设计和操作管理中必须解决的问题为研究对象。因此，课程的教学目的并不是使学生认识一些自然现象，而是以实验研究方法为主，研究真实复杂的生产问题，学习如何从复杂事物中寻找主要因素，确定关键环节，以科学合理的方式建立物理和数学模型，解决工程实际问题。

11 单元操作与食品加工 奶粉生产工艺流程 原料乳验收 预处理 预热杀菌 真空浓缩 过滤 加糖 喷雾干燥 出粉 冷却与过筛 包装、检验 成品

12 指工业生产中常见且遵循共同规律和具有共同作用的基本物理操作。
不同食品的生产过程使用各种物理加工过程，根据他们的操作原理，可以归结为数个应用广泛的基本操作过程，如流体输送、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。 指工业生产中常见且遵循共同规律和具有共同作用的基本物理操作。 这些基本的物理过程称为单元操作。

13 单元操作的应用及特点 若干个单元操作串联起来组成一个工艺过程。 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。
同一食品生产过程中可能会饱含多个相同的的单元操作。 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。

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15 乳品工程原理解析 编号 名称 作用 单元操作 涉及的传递理论 技术参数 ⑴ 冷冻盐水管道 提供冷却介质 流体输送 动量传递 −20℃ ⑵
自来水管道 提供流动介质 常温 ⑶ 蒸汽管道 提供加热介质 180℃ ⑷ 贮罐 贮存牛奶与缓冲作用 ⑸ 离心泵 输送牛奶 ⑹，⒂ 板式换热器 冷却牛奶与加热空气 传热 热量传递 4℃ ⑺ 配料槽 配料、混合与标准化 搅拌 90℃ ⑻ 均质机 均质牛奶 均质 动量传递与质量传递 ⑼ 两段板式换热器 巴氏灭菌 80℃,20min ⑽ 升膜式蒸发器 浓缩牛奶 浓缩 热量传递、动量传递与质量传递 浓度10% ⑾ 旋液分离器 分离水中的牛奶 物系分离 ⑿ 喷射泵 提供负压 ⒀ 高压泵 使牛奶产生较大的压力，利于喷雾干燥 压力 kpa ⒁ 空气过滤器 过滤空气，使其清洁 过滤 ⒃ 喷雾干燥器 干燥牛奶使其成为奶粉 干燥 90%以上过100目筛，含水量13% ⒄ 旋风分离器 风力空气中的奶粉颗粒 分离 ⒅ 风机 派出废气 ⒆ 筛分机 筛出大的奶粉颗粒 筛分 ⒇ 流化床冷却 冷却干燥后的牛奶 (21) 包装系统

16 单元操作的分类 单元操作按其理论基础可分为下列三类： （1）流体流动过程（fluid flow process）:
包括流体输送、搅拌、沉降、过滤等。 （2）传热过程（heat transfer process）: 包括热交换、蒸发等。 （3）传质过程（mass transfer process）: 包括吸收、蒸馏、萃取、吸附、干燥等。 上述三个过程包含了三种理论，我们称之为“三传理论”。

17 三传理论 动量传递(momentum transfer)：流体流动时，其内部发生动量传递，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(heat transfer): 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，到可以用热量传递的理论去研究。 质量传递(mass transfer): 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理论去研究。

18 单元操作与三传的关系 杀 菌：传热； 真空浓缩：传热、传质、流体流动；过 滤：流体流动…..

19 同时，“三传理论”和单元操作也是食品工程技术的理论和实践基础。
“三传理论”是单元操作的理论基础，单元操作是“三传理论”的具体应用。 同时，“三传理论”和单元操作也是食品工程技术的理论和实践基础。 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现象， 如干燥、精馏等。

20 2 课程性质、内容及任务 2.1 课程性质 2.2 课程内容 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。 2.2 课程内容 本课程主要介绍“三传理论”和 “单元操作” 。

21 《食品工程原理》是食品工程专业学生的必修课，其主要任务是：
2.3 课程任务 《食品工程原理》是食品工程专业学生的必修课，其主要任务是： 介绍三传理论，即流体流动、传热、传质的基本原理； 掌握主要单元操作的典型设备构造、操作原理、计算、选型及实验研究方法； 培养学生运用基础理论分析和解决食品工程单元操作中各种工程实际问题(计算、选型及实验研究方法)的能力。

22 3 单位与单位换算 3.1 单位制   由一系列基本单位构成的单位系统。

23 物理制(cgs)基本单位: 厘米(cm)、克(g)、秒(s) 绝对单位制 系统 国际制(SI)基本单位： 米(m)、千克(kg)、 秒(s)

24 重力单位制系统： 工程制(mkgfs)基本单位：米(m)、千克力(kgf)、秒(s)
　　各物理量单位可任选一种单位制度，算出的结果是一致的，但绝对不允许同时采用两种不同单位制度。

25 3.2 因次 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L、M、T、θ表示，则导出量可由这些基本量的符号组合而成。
例：速度——［LT－1］ 加速度——［LT－2］ 力——［MLT－2］ 若某物理量以［MaLbTc］表示，则称它为该物理量的因次或量纲（dimension）（严格地说，指数a、b、c称为因次，［MaLbTc］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a＝b＝c＝0时，时［M0L0T0］＝［1］，称为无因次（dimensionless）。

26 3.3 单位换算 同一物理量若用不同单位度量时，其数值需相应地改变。这种换算称为单位换算。 通用气体常数
同一物理量若用不同单位度量时，其数值需相应地改变。这种换算称为单位换算。     通用气体常数 R＝ L·atm/mol·K＝8.313J/mol·K   

27 4 单元操作中常用的基本概念     物料衡算； 能量衡算； 物系的平衡关系； 传递速率； 经济核算。

28 4.1 物料衡算（material balance）
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 输入量－输出量＝累积量     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 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。

29 物料衡算的步骤： （1）首先确定衡算的范围，即衡算的系统根据系统的大小，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。

30 （2）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。在较复杂的流程示意图上应圈出衡算的范围，列出衡算式，求解未知量。

31 　　 某一连续操作的蒸发器将含有NaOH为xF(质量分数)的稀溶液蒸发浓缩到质量分数为xW。该蒸发器每小时的进料量为F千克，试求每小时所得浓碱液量W及水分蒸发量V各为多少千克。

32 4.2 能量衡算（energy balance） 本课程所用到的能量主要有机械能和热能。 能量衡算的依据是能量守恒定律。
热量衡算的步骤与物料衡算的基本相同。

33 4.3 物系的平衡关系(relationship of system balance)
平衡状态是自然界中广泛存在的现象。 以食盐的溶解和结晶为例： 食盐浓度>饱和浓度：结晶 食盐浓度<饱和浓度：溶解 该温度下的饱和浓度为该物系的平衡浓度。 平衡关系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。

34 4.4 传递速率（rate of transfer process）
以食盐的溶解为例： 不饱和食盐溶液：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。 饱和食盐溶液（即平衡状态）：溶解速率为零

35 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。溶液浓度与平衡浓度之差值，可以看作是溶解过程的推动力（driving force）。
颗粒大小和搅拌对溶解速率有影响。 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，能使溶液质点对流。其结果能减小溶解过程的阻力（resistance）。

36 过程的传递速率与推动力成正比，与阻力成反比，即
过程的传递速率与推动力成正比，与阻力成反比，即    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，传递速率增大时，设备尺寸可以变小。

37 传递通量　 梯度 生产能力 生产强度

38 4.5 经济核算(economic evaluations)
  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，要用经济核算确定最经济的设计方案。 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，并以最优经济效益作为最终的设计方案。

39 《食品工程原理》是将实验室科研成果转入工业化生产的基础理论课程。
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，造福于广大的人民群众。 《食品工程原理》是将实验室科研成果转入工业化生产的基础理论课程。

40 乳粉厂工艺流程图 冷冻盐水 自 来 水 饱和蒸汽 返回

41 乳品加工现场 乳品加工现场 返回