食品工程原理-复习提纲1

《食品工程原理》复习提纲

第一章绪论

单元操作是食品工业和其他过程工业中进行的物料粉碎、输送、加热、冷却、混合以及分离等一系列使物料发生预期的物理变化的基本操作的总称。

单元操作的特点：1、均为物理操作，只改变物料的状态或物理性质，而不改变其化学性质；2、食品生产过程中共有的操作，例如：加热操作，在奶粉生产中的调配、灭菌、浓缩、喷雾干燥等工序需要加热，大豆油生产中的脱臭也需要加热；3、单元操作在不同的生产过程中，其基本原理相同，因此，进行相同单元操作的设备可以通用。例如，在上面的奶粉和制油工艺中，虽然生产过程不同，但是都可以使用同样的加热器进行加热。

“三传理论”包括：动量传递理论、热量传递理论、质量传递理论。

动量传递理论：流体流动时，其内部伴随着动量传递，因此，流体流动的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，均可用动量传递理论研究。

热量传递理论：物料的加热或冷却过程，称为物体的传热过程。凡是遵循传热基本规律的单元操作，均可用热量传递理论研究。

质量传递理论：两相间物质的传递过程，称为质量传递。凡是遵循传质基本规律的单元操作，均可用质量传递理论研究。

质量守恒定律：在化学反应中，参加反应前各物质的质量总和，等于反应后生成各物质的质量总和。对于物料衡算来说，进入与离开某一加工过程的物料质量之差，等于该过程中积累的物料质量。对于连续生产或定态过程来说，输入物料的总和等于输出物料的总和。

第二章流体流动1

流体流动是食品工业中最基本的现象。在食品生产中，所要处理的物料很多都是流体，食品生产中的传热、传质过程大都是在流动下进行的，流体流动的状态对这些单元操作有着很大影响，因此，流体流动的基本原理是讨论单元操作的基础。

流体的压强有绝对压强和表压强（或真空度）两种表示方法。以绝对零压为基准计算的压强，称绝对压强；以大气压为基准计算的压强，称为表压强（或真空度)，通常把绝对压强高于大气压的数值，称为表压强，而把绝对压强低于大气压的数值，称为真空度。

绝对压强和表压强（或真空度）的基本关系是：表压强＝绝对压强－大气压强；真空度＝大气压强－绝对压强。因此，表压强＝－真空度。

牛顿内摩擦定律（牛顿粘性定律）：流体运动时的内摩擦力与速度梯度成正比。流体运动的内摩擦力是流体流动产生阻力的主要原因。

牛顿流体：服从牛顿粘性定律的流体，包括所有气体和大多数液体。

非牛顿流体：不符合牛顿粘性定律的流体，包括液体食品、高分子溶液、胶体溶液和悬浮液等。

理想流体：粘度等于的流体，即不产生流动阻力的流体，是一种为了便于计算而假设状态下的流体。

管中稳定流动连续性方程（质量守恒定律）：在稳定流动的情况下，单位时间内流进体系的流体质量等于流出体系的流体质量。不可压缩流体在圆管内稳定流动时，流速与管道直径的平方成反比。

稳定流动总能量方程（柏努利方程，机械能守恒定律）：流体输送过程中，输入系统的机械能（包括位能、动能、压力能、外加功力等）与输出系统的机械能在宏观数值上相等。

例：有一输水系统，如图所示。水箱内水面维持恒定，输水管直径为

Ф60×3mm，输水量为18.3 m3/h，水流经全部管道（不包括排出口）的能量损

失可按公式 L f= 15 u2计算，式中u为管道内水的平均流速（m/s）。求：

（1）水箱内水面必须高于排出口的高度H；（2）若输水量增加5%，管路的

直径及其布置不变，且管路的能量损失仍按上述公式计算，则水箱内水面将

升高多少米？

解：（1）水箱内水面高于排出口的高度H。

取水箱水面为上游截面1-1’，排出口内侧为下游截面2-2’，在两截面间列出柏努利方程，即：

w - ∑L f= gΔZ + Δp / + Δu2 / 2，式中：

取水的密度为1000 kg/m3，将以上数值代入柏努利方程：

解得：H = 7.78 m

（2）输水量增加5%后水箱内水面上升的高度。

输水量增加5%后，但是管径不变，则管内水的流速也将增加5%，即：

将以上数值代入柏努利方程：

解得：H = 8.57 m

故输水量增加5%后水箱内水面上升的高度为：ΔH = H’ －H = 8.57－7.78 = 0.79 m

例：水以7 m3/h的流量流过如图所示的文丘里管，在喉颈处接一支管与下部

水槽相通。已知截面1-1处的内径为50 mm，压强为0.02 MPa（表压），喉颈处

的内径为15 mm。设流动阻力可忽略，当地的大气压强为101.33 kPa，求：（1）

喉颈处的绝对压强；（2）为了从水槽中吸上水，水槽水面离喉颈中心的高度最大

不能超过多少？

解：（1）喉颈处的绝对压强

先设支管中水为静止状态，在截面1-1和2-2之间列柏努利方程，即：

w - ∑L f= gΔZ+ Δp / ρ+ Δu2/2

式中：w = 0，ΔZ = Z2－Z1 = 0，∑L f= 0

p1 = 大气压强+ 表压= 101.33×103＋0.02×106 = 121.33×103 Pa

取水的密度ρ = 1000 kg/m3，将以上数值代入柏努利方程：

解得：p2 = 6.13×104 Pa

取水槽水面3-3为位能基准面，在假设支管内流体处于静止条件下，喉颈处和水槽水面处流体的位能与静压能之和分别为：

因为E3＜E2，故支管中的水不会向上流动，也就是说，假设支管内的流体处于静止是正确的。

（2）水槽水面至喉颈中心的最大高度

由于支管内的流体处于静止状态，因此可以应用流体静力学基本方程式，即p3 = p2 + ρ g h

也就是说，如果要从水槽中吸上水，水槽的水面离喉颈中心的高度最大不能超过4.08m。

雷诺通过实验揭示了流体的两种流动型态：流体分层流动、层次分明的流型，称为层流（或滞流）；流体在总体上沿着管道向前运动，同时还在各个方向作随机的脉动，这种流型称为湍流（或紊流）。

雷诺数Re可以用来判断流体的流型：Re≥4000时为湍流；Re≤2000时为层流；2000 ＜Re ＜4000时，流型不定，但湍流的可能性更大。

在等径直管中，由于流体与管壁以及流体本身的内部摩擦需要消耗能量，这种引起能量损失的原因，称为沿程阻力。

管道的绝对粗糙度与管道内径之比，称为相对粗糙度。

流体在管路中的流动大多为湍流（Re≥4000），而湍流时的摩擦系数λ可以按照柏拉修斯Blasius 公式λ = 0.3164 / Re0.25进行计算（光滑管），或者通过查阅莫狄Moody摩擦系数图获得。

局部阻力损失有两种计算法：阻力系数法和当量长度法。管路中管件的局部阻力既可以折合成阻力系数，也可以折合成当量长度，但对于同一管件，只能选用一种方法进行计算，而不能用两种方法重复计算。第二章流体流动2

由一根管子组成的无分支的单一管路，称为简单管路；由几个简单管路组成的并联管路或分支管路，称为复杂管路，复杂管路又可分为并联管路和分支管路。

管路计算，是应用流体流动的连续性方程式、柏努利方程式和流体流动阻力计算式，解决食品生产中流体输送管路的计算问题。

由于流体的流速u或管径d未知，导致雷诺数Re无法确定，摩擦系数λ值无法查取。此时，可以采用试差法计算摩擦系数λ值。

例：如图所示，用泵输送食品溶液，已知该溶液的密度为

867 kg/m3，粘度为0.675×10-3 Pa.s，输送流量为5×10-3 m3/s。高

位槽液面比低位槽液面高出10 m。泵的吸入管用Φ 89 mm×4 mm

的无缝钢管，其直管部分总长为10 m，管路上装有一个底阀（其

当量长度为6.3 m）、一个标准弯头（其当量长度为2.7 m），管

进口的局部阻力系数为0.5。泵排出管用Φ 57 mm×3.5 mm的无

缝钢管，其直管部分的总长为20 m，管路上装有一个全开的闸

阀（其当量长度为0.33 m）、一个全开的截止阀（其当量长度为

17 m）以及3个标准弯头（每个标准弯头的当量长度为1.6 m），管出口的局部阻力系数为1.0。若高位槽和低位槽的液面均为大气压，高、低位槽的液面恒定，管壁的绝对粗糙度ε为0.3 mm。假设泵的效率为70％，试求泵的轴功率。（已知雷诺数和相对粗糙度分别为1.01×105和0.0037时，摩擦系数为0.027；雷诺数和相对粗糙度分别为1.64×105和0.006时，摩擦系数为0.032）

解：（略）

例：将5℃的鲜牛奶以5000 kg/h的流量从贮奶罐输送至杀菌器进行杀菌。管路所用的管道为外径38 mm、内径35 mm的不锈钢管，管道长度12 m，中间有1个摇板式的单向阀（其管路的阻力系数为2.0），3只90?的弯头（每个弯管的阻力系数为1.1）。已知鲜奶5℃时的粘度为3.0×10-3 Pa·s，密度为1040 kg/m3，若该管路为光滑管，管道入口和出口的阻力系数分别为0.5和1.0，试计算管路进口至出口的压头损失。

解：当管路直径相同时，其总阻力为：（1）

因为，

对于光滑管，若Re 在3×103 ~ 1×105的范围内，摩擦系数可以采用柏拉修斯blasius公式进行计算：λ = 0.3164 / Re0.25 = 0.3164 / (1.69×104)0.25 = 0.0278 （1.69 0.25 = 1.1402）

再根据各管件的阻力系数，求得管路的阻力系数之和：

1只摇板式单向阀的阻力系数ζ＝1×2.0

3只90?弯头的阻力系数ζ＝3×1.1

管道入口的阻力系数ζ＝0.5

管道出口的阻力系数ζ＝1.0

管路的阻力系数之和为：∑ζ = 1×2.0 + 3×1.1 + 0.5 + 1.0 = 6.8

将以上各值，代入（1）式，得到：（PPT课件的答案误为2.39）

第三章流体输送1

离心泵的泵体铭牌上标注的性能参数，主要有流量、扬程、轴功率和效率等。

当离心泵的泵壳内存在空气时，由于空气的密度远小于液体的密度，叶轮带动含有空气的液体旋转时所产生的离心力较小，不足以达到吸上液体所需要的负压，致使离心泵不能工作，这种现象称为“气缚”。

离心泵的流量是指单位时间内，泵所排出的液体的体积，也称为泵的输液能力。

在液体输送中，离心泵给予单位重量液体的能量，称为泵的扬程，又称作泵的压头。

导致离心泵机械能损失的原因，主要有以下三个方面：1、容积损失。离心泵在运转中，由于泵壳与叶轮之间有缝隙，部分高压液体流回到叶轮低压区，导致泵输送液体的量减少，所造成的能量损失；2、水力损失。液体流经叶轮和泵壳时，由于流动方向发生改变互相撞击而产生的能量损失；3、机械损失。泵轴与轴封装置、叶轮盖板与液体之间摩擦而引起的能量损失。

离心泵的工作原理：启动离心泵之前，泵内要先灌满所输送的液体。启动后，电机带动泵轴以及叶轮旋转，充满在叶片间的液体，在离心力作用下，从叶轮中心被抛向叶轮的边缘，并以很大的速度进入蜗形泵壳，在蜗形泵壳中，由于流道逐渐扩大，液体流速逐渐降低，一部分动能转变为静压能，致使泵出口处液体的静压能进一步提高，最终在较高的压强下，液体沿着切线方向由泵的排出口进入排出管道，输送到所需要的地方。

当泵内的液体从叶轮中心被抛向叶轮边缘时，叶轮中心处形成低压区，于是，在贮槽液面压力（通常为大气压）与叶轮中心处（负压）之间所产生的压强差的作用下，液体经过滤网和底阀沿吸入管进入泵内，此为离心泵的吸液原理。这样叶轮不停转动，液体便不断吸入和排出，完成输送液体的任务。

离心泵工作的注意事项：离心泵在启动前，必须将泵壳和吸入管路充满被输送的液体，否则泵壳内将存在着空气，而空气的密度远小于液体的密度，叶轮带动含有空气的液体旋转时所产生的离心力较小，不足以达到吸上液体所需要的负压，致使离心泵不能工作，这种现象称为“气缚”。

离心泵的安装高度是指泵的吸入口轴线到贮槽液面的垂直高度。

离心泵的管路特性曲线只由管路铺设情况及操作条件确定，而与离心泵的性能无关。

离心泵的性能曲线与其所在的管路特性曲线，用同样的比例尺标绘在同一张坐标图上，两条曲线的交点就是离心泵在此管路中的工作点。

离心泵按照所输送的液体性质不同，可以分为水泵、耐腐蚀泵、油泵、杂质泵等；按叶轮的吸入方式不同，可以分为单吸泵和双吸泵；按叶轮的数目不同，可分为单级泵和多级泵。

离心泵的选用原则：①根据所输送的液体的性质确定泵的类型；②确定输送系统的流量和所需外力压头；③确定泵的型号。按规定的流量和计算的外加压头，从泵的产品目录中选出合适的泵；④根据输送液体的密度与水的密度的相异，核算泵的轴功率。

使用离心泵需要注意以下问题：①泵的安装高度必须低于允许值，以免出现气蚀现象或吸不上液体；

②离心泵启动前，必须在泵内灌满液体，至泵壳顶部的小排气旋塞开启时有液体冒出为止，以保证泵内无空气积存，以免产生气缚现象；③离心泵应该在出口阀关闭（即流量为零）的条件下启动，电机运转正常以后，再逐渐开启调节阀，直至达到所需流量。停泵前亦应先关闭调节阀，以免压出管路内的液体倒流入泵内使叶轮受到冲击而损坏；④运转过程中要定时检查轴承发热情况，注意润滑。若采用填料密封，应注意其泄漏和发热情况，填料的松紧程度要适当。

第三章流体输送2

气体输送机械在食品生产中应用广泛，主要用于通风（通风换气或通风制冷）、产生高压气体、产生真空等几个方面。

气体输送机械，按照其终压或压缩比，可以分成四类：①通风机。终压不大于15 kPa（表压），压缩比在1 ~ 1.15 之间；②鼓风机。终压处于15 ~ 300 kPa（表压）之间，压缩比小于4；③压缩机。终压要大于300 kPa（表压），压缩比大于4；④真空泵。终压为当时当地的大气压力，压缩比范围很大，根据所需的真空度而定。

离心式通风机按照所产生的风压不同，分为：①低压离心通风机。出口风压不大于1 kPa（表压）；

②中压离心通风机。出口风压为1~3 kPa（表压）；③高压离心通风机。出口风压为3~15 kPa（表压）。中、低压离心通风机主要作为车间通风换气用，高压离心通风机主要用于气体输送。

离心式通风机是依靠机壳内高速转动的叶轮带动气体作旋转运动所产生的离心力来提高气体的压强，实现气体输送的目的。

离心式通风机的性能参数：① 风量，即单位时间内流过通风机的气体体积（以吸入状态计）；② 风压（也称全风压），即单位体积气体流过通风机时所获得的能量；③ 轴功率和效率。

压缩机主要有往复式压缩机、离心式压缩机和螺杆式压缩机。其中，离心式压缩机的构造及工作原理与离心式鼓风机相似，只是叶轮个数增多，气体终压较高。螺杆式压缩机构造与螺杆泵相似，是一种新型的制冷压缩机。

往复式压缩机每一个工作循环包括四个阶段，即吸气阶段、压缩阶段、排气阶段和膨胀阶段。

真空泵主要用于真空输送、真空过滤、真空蒸发、真空干燥以及真空包装等食品生产过程。

真空泵的种类有往复式真空泵、旋转式真空泵、喷射真空泵等。

例：某离心泵在转速为1200 r/min 下输送20℃清水时，得到下列数据：流量为60 m 3/h ，轴功率为10.9 kW ，泵的入口处真空表的读数为 - 0.02 MPa ，出口处压力表的读数为0.47 MPa ，两表间的垂直距离为0.5 m ，若泵的吸入管和压出管的内径分别为300 mm 和250 mm ，求：（1）泵的扬程；（2）泵的效率；（3）转速为1450 r/min 时，泵的流量、扬程和轴功率。（阻力忽略不计）

解：（1）泵的扬程： 根据柏努利方程式

已知Z 2 - Z 1 = 0.5 m ， p 2 – p 1 = 0.47 + 0.02 = 0.49 MPa = 4.9×105 Pa

ρ = 998.2 kg/m 3， P = 10.9 kW ， h 损 = 0（阻力忽略不计）

则

（2）泵的效率： 因为有效功率：P 有 = q v H ρ g = = 8240 W = 8.24 kW 则泵的效率 η = P 有/ P = 8.24 / 10.9 = 75.6%

（3）泵的流量、扬程和轴功率：

由已知 n 1 = 1200 r/min ，n 2 = 1450 r/min

则 ，可以认为泵的效率不变，

由比例定律，可以求出：

， = 72.5 m 3/h ， = 73.7 m ， , = 19.2 kW

例：用图示装置测定离心泵的性能。吸入管的内径为0.1 m ，排出管的

内径为0.08 m ，测压口间的垂直距离为0.2 m ，转速为2900 r/min ，20℃水，流量为10 L/s ，出口表压为2.55×105 Pa ，入口真空度为2.67×104

Pa ，功率

为3.2 kW ，电机效率93%。求H e ，P e ，η。

解：（略）

22212121()2p p u u H Z Z h g g ρ--=-+++损1260

36000.24/0.7850.30u m s ==?226036000.34/0.7850.25u m s ==?5224.9100.340.240.550.5998.29.8129.81H m ?-=++=??6050.5998.29.813600???2111450120020%1200n n n --==2121v v q n q n =21

211450601200v v n q q n ==?22211()H n H n =2222111450()()50.51200n H H n ==?32211()P n P

n =3322111450()()10.91200n P P n ==?

例：现有一台IS100-80-125型离心泵，测定其性能曲线时的某一点数据如下：q v为60 m3/h；真空计读数p1为-0.02 MPa，压力表读数为0.21 MPa，功率表读数为5550 W。已知液体密度ρ为1000 kg/m3。真空计与压力计的垂直距离为0.4 m，吸入管直径为100 mm，排出管直径为80 mm，试求此时泵的扬程H、功率P e和效率η。

解：（略）

例：用离心泵将20℃水由敞口水池送到表压为1.4 atm的塔内。升扬高度10 m。管径为0.05 m，管全长30 m（包括局部阻力的当量长度），要求输水量为20 m3/h。水的粘度为1 cP，密度1000 kg/m3，摩擦系数l可取为0.025。泵的特性曲线可用方程H = 35－0.004 q v2（H的单位为m，q v的单位为m3/h）表示。试求：（1）管路特性曲线方程；（2）泵的实际工作点。

解：（略）

例：某离心泵在高效区的特性曲线可以用方程H = 23－3.85×104q v2表示（H的单位为m，q v的单位为m3/h）。今有一管路系统，其管路特性方程为H L= 10 + 2.99×105q v2。问当输送流量为20 m3/h时，该泵能否满足要求？此时管路所消耗的功率为多少？

解：（1）离心泵能否满足要求：

当输送流量q v = 20 m3/h = 20 / 3600 m3/s = 5.56×10-3 m3/s时，

H L = 10＋2.99×105×( 5.56×10-3 )2 = 19.24 mH2O

H = 23－3.85×104×( 5.56×10-3 )2 = 21.81 mH2O

因为H > H L，故该泵可以满足要求。

（2）此时管路所消耗的功率：

在离心泵的工作点处，泵的流量q v以及管路所消耗的功率P e分别为：

q v = 5.56×10-3 m3/s，H = H L = 21.81 mH2O

P e = H q vρ g = 21.81×5.56×10-3×998.2×9.81 = 1187.5 W

例：用风机将20℃，38000 kg/h空气送入加热器加热至100℃，然后经管路送到常压设备内。所需全风压1200 Pa（60℃，常压)，试选择合适的风机。若将风机置于加热器之后，能否完成输送任务？

解：（略）

第四章非均相物系分离

凡物系内部各处物料的组成和性质均匀且不存在相界面的混合物，称为均相物系，也称均相混合物。例如，溶液、混合气体，都属于均相物系。

凡物系内部具有隔开两相的界面存在，且界面两侧的物料性质有显著差异的混合物，称为非均相物系，也称非均相混合物。例如，悬浮液、乳浊液、泡沫液（气溶胶）以及含雾气体等，都属于非均相物系。

在非均相物系中，处于分散状态的物质，称为分散质（或分散相），例如悬浮液中的固体颗粒、乳浊液中的液滴等。

非均相物系中，包围着分散质而处于连续状态的物质，称为分散介质（或连续相），例如，气态非均相混合物中的气体、液态非均相物系中的溶剂。

在分离非均相物系的单元操作中，主要采用的是过滤法和沉降法。

在某种力场的作用下，利用非均相物系的分散物质与分散介质的密度差异，使之发生相对运动而分离的单元操作，称为沉降。

由于地球引力作用而产生的分散质颗粒沉降的过程，称为重力沉降。

根据分散质集态的不同，重力沉降又可以分为悬浮液、乳浊液和气溶胶的沉降。

依靠离心力的作用，使流体中的颗粒产生沉降运动，称为离心沉降。

当流体速度增大至等于或大于固体颗粒的带出速度时，则颗粒在流体中形成悬浮状态的稀相，并随着流体一起带出，称为气（液）力输送。

第五章 搅拌与混合

使两种或两种以上不同物质相互分散、混杂以达到一定的均匀度的单元操作，称为混合。

为评价物质的混合效果，通常用3个参数来进行评价，即以调匀度、偏离均匀强度和取样尺度来评价。 两种以上不同物料进行混合时，整个混合过程存在着三种混合方式：对流混合；剪切混合；扩散混合。 均质（匀浆）：使悬浮液（或乳化液）体系的分散物质微粒化、均匀化的处理过程。可使粒度降至显微或亚显微级水平，使粒度分布变窄。

乳化：分散相是液体时，使分散相微粒化、均匀化的过程。

第六章 蒸发与结晶1

将溶液加热，使含有不挥发性溶质的溶液沸腾汽化并移出蒸汽，从而使溶液中溶质浓度提高的单元操作，称为蒸发，所用的设备称为蒸发器。

蒸发操作的实质，其实就是利用溶质和溶剂之间挥发度的差异，用加入热能的方法使溶剂汽化，而非挥发性的溶质留在溶液中，从而达到分离的目的。

蒸发操作需要不断的供给热能。工业上采用的热源通常为水蒸气，而蒸发的食品物料大多是水溶液，蒸发时产生的蒸汽也是水蒸汽。为了易于区别，一般将前者称为加热蒸汽或生蒸汽，后者称为二次蒸汽。

单效蒸发：将二次蒸汽不再利用而直接送到冷凝器冷凝以除去的蒸发操作，称为单效蒸发。

多效蒸发：将二次蒸汽通到另一压力较低的蒸发器作为加热蒸汽，则可提高加热蒸汽（生蒸汽）的利用率，这种串联蒸发操作，称为多效蒸发。（将几个蒸发器顺次连接起来协同操作，以实现二次蒸汽的再利用，从而提高加热蒸汽利用率的操作，称为多效蒸发。）

食品物料蒸发的目的：1、除去食品中大量的水分，减少包装、贮藏和运输的费用；2、提高制品浓度，增加制品的贮藏性。因为在水分含量较低的条件下，微生物不容易生长；3、经常用作干燥或更完全脱水的预处理过程；4、用作某些结晶操作的预处理过程。因为溶质在溶液中的浓度高于溶解度，是结晶的必要条件。

蒸发的分类：按照操作室的压力，可分为常压蒸发、加压蒸发、减压（真空）蒸发，食品生产工业上多采用真空蒸发，这主要是由于真空蒸发时，溶液沸点较低，有利于最大限度地保护食品中的营养物质；按照二次蒸汽的利用情况，可分为单效蒸发和多效蒸发，对于多效蒸发来说，系统中最末一效的二次蒸汽亦被冷凝，因此，冷凝器是蒸发系统的重要组成部分；按照操作方式，又可分为间歇蒸发和连续蒸发，在连续蒸发中，连续进料、完成液连续排出。

例：稳定状态下在单效蒸发器中浓缩苹果汁。已知原料液温度316.3 K ，浓度为11%，比热容3.9 kJ/（kg·K ），进料流量0.67 kg/s 。溶液的沸点为333.1 K ，完成液浓度为75%。加热蒸汽为300 kPa 。加热室传热系数为943 W/（m 2·K ）。通过查阅饱和水蒸气表可知：适当真空度、沸点333.1 K 时二次蒸汽的汽化热r '为2355 kJ/kg ；加热蒸汽为300 kPa 时，饱和蒸汽温度为406.3 K ，加热蒸汽的汽化热r 为2168 kJ/kg 。计算：（1）蒸发量和完成液流量；（2）加热蒸汽的消耗量；（3）蒸发器的传热面积。

解：（1）蒸发量和完成液流量：

W = F ( 1－x 0 / x 1 ) = 0.67×(1－0.11 / 0.75) = 0.57 ㎏/s

F －W = 0.67－0.57 = 0.10 kg/s

（2）加热蒸汽的消耗量：

已知适当真空、t 1 = 333.1 K 时，r ' = 2355 kJ/kg 加热蒸汽p = 300 kPa 时，T = 406.3 K ，r = 2168 kJ/kg 由（6-11）式，得：D = = 0.64 ㎏/s （3）蒸发器的传热面积：

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第六章蒸发与结晶2

蒸发器主要由加热室（器）和分离室（器）两部分组成。加热室的作用是利用水蒸气为热源来加热被浓缩的料液。分离室的作用是将二次蒸汽中夹带的雾沫分离出来。

对蒸发器进行选型时，应着重考虑以下因素：1、溶液的粘度；2、溶液的热稳定性；3、蒸发时溶液有无晶体析出；4、溶液的腐蚀性；5、溶液的发性；6、溶液的结垢性；7、溶液的处理量。

固体物质以晶体状态从蒸汽、液体熔化物或溶液中析出的过程称为结晶。结晶过程可以分为溶液结晶、熔融结晶、升华结晶和沉淀结晶四类。

第七章吸收1

利用组成混合气体中各组分在某种溶剂中溶解度的不同，来分离气体混合物的单元操作，称为吸收。

在吸收操作中，溶解于液体中的气体组分，称为吸收质（或溶质）；不溶解的气体称惰性气体（或载体）；所用的液体称为吸收剂（或溶剂）；得到的液体称为吸收液（或溶液），其主要成分为吸收剂和溶质；吸收后剩余的气体称为尾气，其主要成分为惰性气体，还有少量残余的溶质。

在食品工业中，气体吸收主要用于以下几种目的：1、制备某种气体的溶液，以获取产品。例如，碳酸饮料中充入CO2气体。2、回收或捕获气体混合物中的有用物质。例如挥发性的香气（如苹果汁浓缩时的芳香物质）的回收、通气发酵中氧气的吸收利用。3、除去工艺气体中的有害成分，使气体净化，以便进一步加工处理；或除去工业尾气中的有害物质，以保护环境。

从经济上和技术上综合考虑，选择的吸收剂应满足溶解度大、溶质选择性好、不易挥发、腐蚀性较小、粘度低、化学稳定性好、无毒、不易燃、不易爆、价廉易得等要求。

吸收的分类：1、按照气体的浓度高低，可分为低浓度气体吸收和高浓度气体吸收；2、按照被吸收的组分数，可以分为单组分吸收和多组分吸收；3、按照吸收过程中溶液的温度是否发生明显变化，可分为等温吸收和非等温吸收；4、按照吸收质与溶剂之间是否发生化学反应，可分为物理吸收和化学吸收。

在一定的温度和总压之下，溶质在液相中的溶解度，决定于它在气相中的组成。但在总压不是很高的情况下，可以认为气体在液体中的溶解度只取决于该气体的分压，而与总压无关。

气体的溶解度一般有以下规律：（1）在一定温度下，气体组分的溶解度随该组分在气相中的平衡分压的增大而增大；而在相同平衡分压条件下，气体组分的溶解度则随温度的升高而减小。（2）在同一温度下，对于不同种类的气体组分，如果要得到相同浓度的溶液，易溶气体仅需要控制较低的分压，而难溶气体则需要较高的分压。（3）加压和降温可以提高气体的溶解度，有利于吸收操作。

亨利定律：在一定温度下，溶液上方的气体溶质平衡分压与该溶质在液相中的浓度间存在一定的关系，称为平衡关系。当浓度较低时，在一定的范围内的平衡关系为线性关系，即稀溶液上方气相中溶质的平衡分压与溶质在液相中的摩尔分数成正比。互成平衡的气液两相，如果组成表示的方法不同，那么亨利定律对应的表达形式也就不同。

例：在20℃和101.33 kPa时，CO2与空气的混合物缓慢地沿着Na2CO3溶液的液面流过，空气不溶于Na2CO3溶液，CO2透过厚度1 mm的静止空气层扩散到Na2CO3溶液中。混合气体中，CO2的摩尔分数为0.2。在Na2CO3溶液面上，CO2迅速被吸收，故相界面上CO2的浓度很小，可以忽略不计。已知ln 1.25 = 0.2231，气体常数R为8.314 kJ/(kmol·K)，在20℃和101.33 kPa时，CO2在空气中的扩散系数D为0.18 cm2/s。计算CO2的传质速率。

解：（略）

例：在25℃和100 kPa时，用大量水吸收空气中的乙醇，气相主体含乙醇的摩尔分数为0.1，由于水中乙醇的浓度很低，其平衡分压可视为0。已知ln 1.1111 = 0.1054，气体常数R为8.314 kJ/(kmol·K)。若乙醇在气相中的扩散阻力相当于2 mm厚的静止气层，扩散系数为1.16×10-5 m2/s。计算吸收的传质速率。

解：（略）

第七章 吸收2

在吸收操作中，为使填料塔发挥良好的效能，填料应符合以下几项主要的要求：1、要有较大的比表面积；2、要有较高的空隙率；3、从经济、实用以及可靠的角度出发，还要求单位体积填料重量轻，价格低廉，坚牢耐用，不易堵塞，并有足够的机械强度，不易破碎，耐腐蚀性好，对气、液两相介质都有良好的化学稳定性，等等。

吸收塔的计算，主要是通过物料衡算及操作线方程，确定吸收剂的用量和塔设备的主要尺寸（塔径和塔高）。

例：用清水吸收某有机物A ，吸收塔的操作压强为101.3 kPa ，温度为293 K ，进吸收塔的气体流量为900 m 3/h ，其中A 含量为0.026（摩尔分数），要求吸收率为90％，在操作条件下，A 在两相间的平衡关系为Y * = 1.2 X ，如果水的用量为理论最小用量的1.5倍，求每小时送入吸收塔之塔顶的水量以及塔底流出的吸收液组成。

解：（1）每小时送入吸收塔之塔顶的水量L ：

先计算进入吸收塔的惰性气体摩尔流量V ： 已知进入吸收塔中A 的组成Y 1为：Y 1 = 0.026 / (1－0.026) = 0.0267

进塔溶剂中A 的组成X 2为：X 2 = 0（清水） 由于平衡线符合亨利定律，因此 ∴ (L /V )min = m ?A = 1.2×90% = 1.08

由(L /V ) = 1.5 (L /V )min ，得：

L = 1.5 (L /V )min ×V = 1.5×1.08×36.46 = 59.07 kmol/h

（2）塔底流出的吸收液的组成X 1：

因为V = 36.46 kmol/h ，Y 1 = 0.0267

Y 2 =Y 1 ( 1－?A ) = 0.0267×( 1－90% ) = 0.00267

L = 59.07 kmol/h ，X 2 = 0（清水）

由（7-26）式L ( X 1－X 2 ) = V ( Y 1－Y 2 )得：

X 1 = [ V ( Y 1－Y 2 ) + L X 2 ] / L

= [ 36.46×( 0.0267－0.00267 ) + 59.07×0 ] / 59.07

= 1.483×10-2 [ kmol (有机物A)/kmol (水)]

例：在一逆流操作的吸收塔中，用清水吸收混合气体中的SO 2。气体处理量为1.20 m 3（标准）?s -1，进塔气体中含SO 2 8%（体积百分数），要求SO 2的吸收率为85%，在该吸收操作条件下的相平衡关系Y e = 26.7 X ，用水量为最小用量的1.5倍。试求：（1）用水量为多少？（2）若吸收率提高至90%，用水量又为多少？

解：（略）

第八章 蒸馏

蒸馏是利用互溶液体混合物中各组分沸点的不同，将液体混合物分离成为较纯组分的一种单元操作。 混合物中汽液两相共存时组分间汽液相的平衡关系，是蒸馏操作的基础。

蒸馏操作的分类，按操作方式可分为简单蒸馏、平衡蒸馏、精馏、特殊精馏；按操作流程可以分为连续蒸馏和间歇蒸馏；按操作压力可分为常压蒸馏、加压蒸馏、减压（真空）蒸馏；根据蒸馏时混合液中的组分数量，可分为双组分蒸馏和多组分蒸馏。

相率又称相律，是研究相平衡的基本规律，它表示平衡物系中自由度数、相数及独立组分数间的关系。 双组分物系的气液平衡中，涉及到的参数有四个，分别为温度t 、压强p 、组分在气相中的组成y 、该组分在液相中的组成x 。

相对挥发度α是指溶液中两组分的挥发度之比，常以易挥发组分的挥发度为分子。

相对挥发度的意义：其值的大小可以用于判断某混合溶液能否用蒸馏的方法加以分离以及分离的难易程度。当α > 1时，表示组分A 较B 容易挥发，α愈大，挥发度差异愈大，分离愈容易。当α = 1时，气相组成与液相组成相同，不能用普通精馏方法加以分离。

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简单蒸馏的特点：1、简单蒸馏是历史上最早应用的蒸馏方法；2、简单蒸馏是一种单级蒸馏操作，常以间歇方式进行；3、在同一批操作中，馏出液若分批收集，可得到不同组成的馏出液；4、简单蒸馏大多用于混合液的初步分离。

蒸馏操作时，在蒸馏塔进料板以下的塔段中，上升气相从下降液相中提出了易挥发组分，故被称之为提馏段；蒸馏塔的上半段上升气相中因难挥发组分被除去而得到精制，故称为精馏段。

在精馏操作中，回流液的逐板下降和蒸汽的逐板上升是实现精馏的必要条件。

在精馏计算中，通常做如下假设：

①塔板是理论板，即离开每一块塔板的气液相互成平衡，即满足气液相平衡关系；

②塔顶馏出液的组成与塔顶上升蒸汽的组成（浓度）相同；

③蒸馏釜的加热方式为间接加热；

④恒摩尔汽化、恒摩尔溢流。

蒸馏塔的理论塔板，是指自该塔板上升的蒸汽与自该板下降的液体互成平衡的塔板。因此，理论塔板也称平衡板。

第九章食品冷冻技术

从低于环境温度的物体中吸取热量，并将其转移给环境介质的过程称为制冷。实现制冷所必需的机器称为制冷机。

在一定的操作条件（一定的制冷剂蒸发温度，冷凝温度，过冷温度）下，单位时间制冷剂从被冷冻物取出的热量，称为制冷量（制冷能力）。

制冷系数是指制冷循环中的制冷量与该循环所需消耗的功率之比，也就是指加入单位功时能从被冷冻物料取出的热量。理论制冷系数只取决于高温热源和低温热源的温度，与工质的性质无关。

压缩式制冷机的制冷过程分为压缩、冷凝、膨胀、蒸发4个阶段，制冷机主要由蒸发器、压缩机、冷凝器和膨胀阀等构成。

流态化速冻是在一定流速的冷空气作用下，颗粒产品以流化作用方式被此冷风自下往上强烈吹成悬浮状态，从而达到快速冻结的一种冻结方法。

食品流态化速冻的特点：1、冻结速度快；2、实现单体快速冻结；3、食品干耗少；4、易于实现机械化和自动化连续生产。

流态化速冻中的传热特点：1、换热面积大；2、传热系数大。速冻的传热系数等于对流传热系数与蒸发传热系数之和；3、流化床内部温度分布均匀。

冷冻浓缩是利用冰与水溶液之间的固液相平衡原理而实现的一种浓缩方法。

当溶液中所含溶质浓度低于低共溶浓度时，则冷却结果表现为溶剂（水分）成晶体（冰晶）析出，随着溶剂成晶体析出的同时，余下溶液中的溶质浓度显然就提高了，此即冷冻浓缩的基本原理。

第十章干燥

用加热的方法除去湿物料中的湿分以获得固体产品的单元操作称为干燥。

干燥进行的必要条件：物料表面的湿汽的压强必须大于干燥介质中湿分的分压。此差值越大，推动力越大。

湿度是湿空气中水蒸汽的质量与绝干空气的质量之比。

相对湿度是湿空气中水蒸汽分压与同温度下水的饱和蒸汽压之比。

湿空气的露点是指不饱和空气在其总压和湿度保持不变的情况下，被冷却降温达到饱和状态的温度。

若湿空气的温度降低到露点以下，则所含超过饱和部分的水蒸气将以液态水的形式凝结出来。

干燥热效率是指用于蒸发水分所需的热量与输入干燥系统的总热量之比。

提高热效率的途径：1、提高进干燥室的热风温度；2、降低出干燥室的热风（废气）温度；3、采用废气循环；4、采用多段加热；5、加强干燥设备的保温，减少热损失。

工业上常用的干燥器有：厢式干燥器、洞道式干燥器、带式干燥器、沸腾床干燥器、气流干燥器、回转式干燥器、滚筒式干燥器、喷雾干燥器、冷冻干燥器等。

第十一章膜分离

膜分离是利用具有一定选择透过性的过滤介质，依靠其两侧存在的能量差作为推动力，利用混合物中各组分在过滤介质中迁移速率的不同来实现物质的分离与纯化的单元操作。

膜分离操作中，对工业膜的要求：①要有高的截留率（或高的分离系数）和高的透过量；②要有强的抗物理、化学和微生物侵蚀的性能；③有好的柔韧性和足够的机械强度；④使用寿命长，PH适用范围广；

⑤成本合理、制备方便，便于工业化生产。

膜分离技术在食品工业中的应用：（1）矿泉水的生产——去除胶体、微粒等微小悬浮粒子；（2）纯净水的制备——去除各种杂质；（3）果汁的澄清——去除胶体、微粒等微小悬浮粒子；（4）果汁浓缩——除去部分水；（5）乳清蛋白的回收；（6）啤酒的精制。

电渗析在食品工业的主要应用：1、乳清脱盐：乳清含有丰富的蛋白质、乳糖、维生素及矿物质，采用电渗析脱盐可使其组成与人奶相近，可用于婴儿食品；2、提高酒的质量：电渗析法去除酒中的酒石酸钾，已实现工业应用；3、果汁脱酸：脱除果汁中的部分有机酸有助于提高果汁的质量；4、蛋白质溶液脱盐；5、从发酵液中分离有机酸；6、从发酵液中分离氨基酸。

第十二章吸附与离子交换

食品工业中常用的吸附剂有：①活性炭；②活性白土；③硅胶；④膨润土；⑤分子筛；⑥吸附树脂。