食品工程原理-绪论1

1、123杨同舟杨同舟. .食品工程原理食品工程原理，中国农业出版社，中国农业出版社 任务任务 开发：开发：选择合适的选择合适的过程及设备（按经过程及设备（按经济合理性、技术可济合理性、技术可行性、污染小、能行性、污染小、能耗低）耗低）设计：设计：选择设选择设备的型号及主备的型号及主要尺寸（根据要尺寸（根据工艺对设备的工艺对设备的要求）要求）操操 作：作：如何进如何进行操作和调节行操作和调节以适应生产的以适应生产的不同要求不同要求强强 化：化：改造现有的改造现有的生产过程和设备以生产过程和设备以提高效率（包括增提高效率（包括增产、降耗、节能）产、降耗、节能）4 李云飞，葛克山李云飞，葛克山. .食

2、品工程原理，中国农业大学出版社，食品工程原理，中国农业大学出版社，2002. 2002. 高福成高福成. . 食品工程原理，中国轻工业出版社食品工程原理，中国轻工业出版社.1998 .1998 冯冯骉骉. . 食品工程原理，中国轻工业出版社食品工程原理，中国轻工业出版社.2005 .2005 姚玉英，黄凤廉，陈常贵等姚玉英，黄凤廉，陈常贵等. . 化工原理，上下册，天津：化工原理，上下册，天津：科学技术出版社，科学技术出版社，19991999 赵思明，熊善柏，林向东等赵思明，熊善柏，林向东等. .食品工程原理，科学出版社，食品工程原理，科学出版社，200920095http:/www.sino

3、- 食品工程原理的研究内容食品工程原理的研究内容 食品工程原理的基本概念食品工程原理的基本概念 单位与单位换算单位与单位换算7利用物理和化学方法将自然界的各种物质加工利用物理和化学方法将自然界的各种物质加工成食物的工业。成食物的工业。 包括的门类繁多，如粮食加工、食用油脂、肉类加工、乳品、包括的门类繁多，如粮食加工、食用油脂、肉类加工、乳品、糕点、制糖、制盐、制茶、卷烟、酿酒、罐头等二十多个不同糕点、制糖、制盐、制茶、卷烟、酿酒、罐头等二十多个不同行业。行业。：原料来源广泛；生产具有季节性；产品销售具有普遍原料来源广泛；生产具有季节性；产品销售具有普遍性；生产具有一定的地方性性；生产具有一定的

4、地方性 。 8原料特点 热敏性：如蛋白质遇热容易变性，要求温度低、热敏性：如蛋白质遇热容易变性，要求温度低、时间短。时间短。 易氧化性：如脂肪成分在高温下易氧化变质，易氧化性：如脂肪成分在高温下易氧化变质，要求少量空气、要求少量空气、O O2 2少，时间短、不锈钢。少，时间短、不锈钢。 易腐败性：如微生物生长繁殖。易腐败性：如微生物生长繁殖。产品要求 营养卫生，色、香、味营养卫生，色、香、味 经济性经济性工序 一个生产过程是由许多生产工序组合而成一个生产过程是由许多生产工序组合而成9原料原料前处理前处理食品加工食品加工后处理后处理产品产品除去杂质达到除去杂质达到必要的纯度，必要的纯度，物理变化

5、过程物理变化过程除物理操作外，除物理操作外，生成新的物质，生成新的物质，化学变化过程，化学变化过程，如食品风味形成如食品风味形成精制、分离达精制、分离达必要的纯度，必要的纯度，物理变化过程物理变化过程食品生产过程包括食品生产过程包括和和。101112 上述这些工序就是。 单元操作原理、设备结构是食品工程原理研究的范畴。13v均为，只改变物料的状态或物理性质，不改变其化学性质。v食品生产过程中，例如：加热操作，在奶粉生产中浓缩需要加热，在大豆油生产中脱臭也需要加热。例如上面的奶粉和制油工业中，虽然生产过程不同，但都可以使用同样的加热器进行加热。14v以以理论为基础理论为基础流体输送、搅拌、沉流体

6、输送、搅拌、沉降、过滤，离心分离降、过滤，离心分离v以以理论为基础理论为基础加热、冷却、蒸发、加热、冷却、蒸发、冷凝冷凝v以以理论为基础理论为基础蒸馏、吸收、吸附、蒸馏、吸收、吸附、萃取萃取上述三种理论，我们称之为上述三种理论，我们称之为。15名称名称原原 理理设设 备备传递原理传递原理流体流体输送输送依据外力的作用将流体从一个设备依据外力的作用将流体从一个设备输送到另一个设备输送到另一个设备泵泵风机风机动量传递动量传递传热传热使冷热物料间由于温度差而发生热使冷热物料间由于温度差而发生热量传递，以改变物料的温度或相态量传递，以改变物料的温度或相态的操作的操作换热器换热器热量传递热量传递吸收吸收

7、利用均相气体混合物在液体溶剂中利用均相气体混合物在液体溶剂中溶解度的不同以实现气体混合物的溶解度的不同以实现气体混合物的分离操作分离操作吸收塔吸收塔（填料）（填料）质量传递质量传递精馏精馏利用均相液体混合物中各组分的挥利用均相液体混合物中各组分的挥发度不同使液体混合物分离的操作发度不同使液体混合物分离的操作蒸馏塔蒸馏塔（板式）（板式）质量传递质量传递16动量传递（动量传递（momentum transfer）: : 流体流动时，其内部伴随着动量传递，故流体流动过流体流动时，其内部伴随着动量传递，故流体流动过 程也称为程也称为动量传递过程动量传递过程。凡遵循流体流动基本规律的单元。凡遵循流体流动

8、基本规律的单元操作均可用动量传递理论研究操作均可用动量传递理论研究热量传递（热量传递（hear transfer）: : 物料的加热或冷却过程也称为物料的加热或冷却过程也称为物体的传热过程物体的传热过程。凡遵。凡遵循传热基本理论的单元操作均可用热量传递理论研究。循传热基本理论的单元操作均可用热量传递理论研究。质量传递（质量传递（mass transfer）: : 两相间的传递过程称为两相间的传递过程称为质量传递质量传递。凡遵循传质基本理。凡遵循传质基本理 论规律的单元操作均可用质量传递理论研究。论规律的单元操作均可用质量传递理论研究。17 单元操作和三传理论都是食品工程技术的单元操作和三传理论

9、都是食品工程技术的理论理论和实践基础和实践基础。 三传理论是单元操作的三传理论是单元操作的理论基础理论基础；单元操作是；单元操作是三传理论在生产中的三传理论在生产中的具体应用具体应用。 有些单元操作都会包含有些单元操作都会包含两种或两种以上两种或两种以上的传递的传递理论。理论。18 19 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20（material balancematerial balance）为弄清生产过程中原料、成品及损失的物料数量，必须进行物料衡算。 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。2

10、1 物料衡算是质量守恒定律的一种表达形式，即物料衡算是质量守恒定律的一种表达形式，即GG=G=G0 0+G+GA A 式中式中GG- -输入物料的总和，输入物料的总和，GG0 0- -输出物料的总和，输出物料的总和，GGA A - -积累的物料量。积累的物料量。 若积累的物料量为零，即连续生产或定态过程，若积累的物料量为零，即连续生产或定态过程，则则 GG=G=G0 022 1）画出过程框图，用进入箭头表示输入的物料，用引出箭头表示输出的物料。在每个箭头上标出物料的名称，物料量，成分含量，温度，密度等。所有数据都标在图上。 2）选择计算基准。多数情况下，图中给出一种物料的量，可以以它作为计算基

11、准。否则，可指定一种物料量为100kg作基准。 3）作物料衡算。衡算可以是对总量的，也可对某种成分的。23例例0-1 0-1 将含将含4%4%脂肪的原料乳通过离心分离得到脂肪的原料乳通过离心分离得到脂肪含量为脂肪含量为0.45%0.45%的脱脂乳和脂肪含量为的脱脂乳和脂肪含量为45%45%的的奶油。生产任务规定奶油。生产任务规定6h6h要求处理原料乳要求处理原料乳35000kg35000kg，试求产品脱脂乳和奶油的流量。，试求产品脱脂乳和奶油的流量。 以以1h1h原料乳的流量为计算基准对整个体系（如图虚线原料乳的流量为计算基准对整个体系（如图虚线框所示）进行物料衡算。框所示）进行物料衡算。离心

12、机离心机原料乳原料乳 35000/6 kg/h脂肪脂肪 4%脱脂乳脱脂乳 c kg/h 脂肪脂肪 0.45%奶油奶油 w kg/h 脂肪脂肪 45% 解：解： 设设脱脂乳的流量为脱脂乳的流量为c（kg/hkg/h），奶油的流量为，奶油的流量为w （kg/hkg/h）。24对脂肪进行物料衡算对脂肪进行物料衡算：进入系统的脂肪含量进入系统的脂肪含量= =离开系统的脂肪含量离开系统的脂肪含量将上两式联立可解得将上两式联立可解得c =5368kg/h，w=465kg/h 对脂肪的物料衡算：对脂肪的物料衡算：5833 4%45%0.45%wc 5833wc总物料衡算：总物料衡算：25例例0-2 0-2

13、雪利酒的配制，以下列雪利酒的配制，以下列a a、b b、c c三种原三种原料酒配制含酒精料酒配制含酒精16.0%16.0%、糖、糖3.0%3.0%的雪利酒。的雪利酒。 a b ca b c含酒精（含酒精（% %） 14.6 16.7 17.014.6 16.7 17.0含含 糖（糖（% %） 0.2 1.0 12.00.2 1.0 12.0解：解：以产品雪利酒的量以产品雪利酒的量m ms s=100kg=100kg作计算基准。作计算基准。混 配雪利酒 100kg（ms）酒精16% 糖3%b, mb, kg酒精16.7% 糖1.0%c, mc, kg酒精17% 糖12%a, ma, kg酒精14

14、.6% 糖0.2%26总物料衡算：总物料衡算：m ma a+ m+ mb b+ m+ mc c=100kg=100kg对酒精的物料衡算：对酒精的物料衡算：0.146m0.146ma a + 0.167m + 0.167mb b + 0.170m + 0.170mc c=0.16=0.16* *100100对糖的物料衡算：对糖的物料衡算：0.002m0.002ma a + 0.01m + 0.01mb b + 0.12m + 0.12mc c=0.03=0.03* *100100将式（将式（1 1）、（）、（2 2）、（）、（3 3）联立可解得：）联立可解得：m ma a=36.8kg; m=3

15、6.8kg; mb b=42.4kg; m=42.4kg; mc c=20.8kg.=20.8kg.272 2、能量衡算（、能量衡算（energy balanceenergy balance）q 本课程所用到的能量主要有本课程所用到的能量主要有机械能机械能和和热能热能。q 能量衡算的依据是能量衡算的依据是能量守恒定律能量守恒定律。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。动能和势能的总和动能和势能的总和能量守恒定律:能量既不会消灭，也不会创生,它只会从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到另一个物体，而在转化和转移的过程中,能量的总量保持不变。28QQ=

16、Q=Q0 0+Q+QL L式中，式中，QQ随物料进入系统的总热量，随物料进入系统的总热量，kJkJ或或kw;kw; Q Q0 0随物料离开系统的总热量，随物料离开系统的总热量，kJkJ或或kw; kw; Q QL L 向系统周围散失的热量，向系统周围散失的热量，kJkJ或或kwkw。29 式中，式中，m m物料的质量，物料的质量，kgkg；H H物料的焓，物料的焓，kJ/kgkJ/kg。焓是一个。焓是一个相对量与基准温度有关，一般以相对量与基准温度有关，一般以00为基准，焓为零。为基准，焓为零。式中，式中， m m物料的质量，物料的质量，kgkg； t t温度，温度，(K)(K)； c cp

17、p等压等压比热容，比热容，k kJ J(kg(kg)30例例0-3 0-3 番茄酱的冷却，将固形物含量为番茄酱的冷却，将固形物含量为40%40%的的番茄酱以番茄酱以100kg/h100kg/h的流量输入冷却器，使其由的流量输入冷却器，使其由9090有冷却到有冷却到2020，隔着金属壁冷却用水由，隔着金属壁冷却用水由1515升至升至2525，求冷却水的流量。，求冷却水的流量。解：解：画出过程框图画出过程框图 以以00作温度基准作温度基准 进入系统的热流量进入系统的热流量 离开系统的热流量：离开系统的热流量： 番茄酱 qm1=100kg/h90, w=40%, c115 水 c2 qm225 20

18、 11 1229015mmq cqc 21 1222025mmq cq c 31因过程在系统中无积累热量，故因过程在系统中无积累热量，故 ，则，则 水的比热容为水的比热容为 J/(kgJ/(kgK),K),而番茄酱的比热容要由而番茄酱的比热容要由其中固形物的比热容和水的比热容按照上述计算。若食品中其中固形物的比热容和水的比热容按照上述计算。若食品中非脂肪成分的比热容取非脂肪成分的比热容取837 J/(kg837 J/(kgK)K)，则番茄酱的比热容：，则番茄酱的比热容： J/(kg J/(kgK)K)因此，冷却水的流量因此，冷却水的流量 kg/h kg/h12 121270c10cmmqq2c

19、41861c4186 0.6837 0.428462702846100476104186mq32例例0-4 0-4 高压灭菌锅中装有高压灭菌锅中装有10001000罐青豆罐头。灭菌时罐头被加热罐青豆罐头。灭菌时罐头被加热到到100100，离开灭菌锅前要求被冷却到，离开灭菌锅前要求被冷却到4040 。已知冷却水进口。已知冷却水进口温度为温度为1515 ，出口温度为，出口温度为3535 ，试计算共需要多少冷却水。，试计算共需要多少冷却水。已知青豆罐头的比热为已知青豆罐头的比热为4.1kJ/kg4.1kJ/kg, ,金属罐的比热为金属罐的比热为0.50kJ/kg0.50kJ/kg ，每一金属罐的重量

20、是，每一金属罐的重量是60g60g，罐头净重，罐头净重0.45kg0.45kg。假。假设将灭菌锅锅壁降到设将灭菌锅锅壁降到4040需要需要1.61.610104 4kJkJ，且忽略热量损失。，且忽略热量损失。进入系统的热量进入系统的热量： 金属罐的热量金属罐的热量=罐的质量罐的质量比热比热降低的温度降低的温度 =1000 0.06 0.50 （100-40）= 1.8103 kJ青豆的热量青豆的热量= 1000 0.45 4.1 （100-40）= 1.1105 kJ 进口处冷却水的能量进口处冷却水的能量=w 4.186 （15-40）=-104.6w kJ解：设需要冷却水的质量为解：设需要冷

21、却水的质量为w w，以罐头的最终温度，以罐头的最终温度4040作温度作温度基准基准33离开系统的热量离开系统的热量： 金属罐的热量金属罐的热量=1000 0.06 0.50 （40-40）= 0 kJ 青豆的热量青豆的热量= 1000 0.45 4.1 （40-40）= 0 kJ 出口处冷却水的能量出口处冷却水的能量=w 4.186 （35-40）=-20.9w kJ进入系统的总热量进入系统的总热量=离开系统的总热量离开系统的总热量，即：即： 1800+110000+16000- 104.6w =- 20.9w w=1527kg34例例0-5 0-5 食物的直接蒸汽加热，将食物的直接蒸汽加热，

22、将100kg100kg温度为温度为55的的食品物料引入加热锅中，通入温度为食品物料引入加热锅中，通入温度为120.2120.2的水的水蒸气直接加热，最后终温度为蒸气直接加热，最后终温度为81.281.2，若食品物料，若食品物料的比热容的比热容 J/(kgJ/(kgK)K)，求蒸汽的消耗量。，求蒸汽的消耗量。解：画出过程框图解：画出过程框图 以以00作温度基准。作温度基准。 水蒸气冷凝放出凝结热后又降温至水蒸气冷凝放出凝结热后又降温至81.281.2放热，两部分放热，两部分放热之和可由始、终态的焓差直接求得。放热之和可由始、终态的焓差直接求得。3559pc 食物食物+ +冷凝水冷凝水81.281

23、.2水蒸气水蒸气,x(kg),x(kg)120.2120.2食物食物,100(kg),100(kg),5,5pc35查书末附录查书末附录4 4的饱和蒸气表，的饱和蒸气表，120.2120.2水蒸气的比焓为水蒸气的比焓为2709.2 2709.2 kJ/kg,kJ/kg,而而81.281.2液体水的比焓为液体水的比焓为339.8 kJ/kg339.8 kJ/kg。设蒸汽消耗。设蒸汽消耗量为量为x kgx kg，则蒸汽共放热，则蒸汽共放热 而食品物料吸热：而食品物料吸热： 因因 ，则蒸汽消耗量，则蒸汽消耗量1(2709.2339.8)2369.4 ()Qxx kJ72100 3559 (81.25

24、)2.712 10 ( )QJ12QQ72.7121011.45()2369.41000 xkg363 3、物系的平衡关系、物系的平衡关系( (relationship of system balancerelationship of system 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。 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 一定温度下的饱和浓度为该物系的平衡浓度。一定温度下的饱和浓度为该物系的平衡浓度。 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。方向和能达到的限度。374 4、传递速率、传递速率以食盐的溶解为例：以食盐的溶解为例：不饱和食盐溶液：溶解速率大；食盐浓度高时，溶解速率小。饱和食盐溶液：溶解速率为零 平衡状态平衡状态 38 传递速率传递速率与推动力成正比，与阻力成反比，即与推动力成正比，与阻力成反比，即 39推动力推动力质量传递的推动力：浓度差质量传递的推动力：浓度差（对气体而言是分压差）（对气体而言是分压差