食品工程原理重点总结

1、液体气体单向扩散、传质概述>什么是传质（质量传递）？单相中某组分在空间位宣上存在浓度差，引起其由高浓度区 向低浓度区的物质迁移。组成不同的两相相接触时，可能有某一组分从一相向另一相 的物质迁移。> 传质的推动力：本质上是化学势.包括浓度差、温度差和压 力差。最常见的传质过程是由浓度差而引起的U传质A扩散通量二dri混合物中某组分在单位时间 内 通过单位面积的量 <疝）相对于静止坐标，扩散通量以M 来表示单位：mol/（m2.s） mol m mol m mol 单位，一 一 3 一、 L s m snr .s相对于平均速度，扩散通量以由来表示J =C" = Ct（M

2、/ - V）对于二元混合物：JAv） =等摩尔对向扩散与单向扩散的比较对向扩散N 土 =J 4 =(C41C2) zNA=JA =穿 CPaI - PA2) RTz>Fickr散定理（分子扩散定律）在二元混合物中，组分的分子扩散通量与其浓度梯度成正比。相对于混合物平均速度运动坐标：de 4dx 堂"" 石 =AB京 负号表示扩散方向为浓度减小的方向,组分随混合物整体运 动被携带的对流通量CJ)arD -组分,4在3中的扩散系数，m2/s. 相对于静止坐标：因浓度梯度引起的分子扩散例有一装有He和乩混合气体的管子，各处温度皆为25C,总压力皆为 管子一端He的分压为0.

3、 60atm,另一端为0. 20&tm,两端距离为20cnu若He-&混合物的= 6. 87X10与略/s,计算稳态时He的扩散通 量解：属于等摩尔对向扩散，记He Mo=室 3 妇一心，）=x（0.60- 0.20） X1.10325X105.RTz J 8.314x298x0.20= 5.63xl0-3mol/(m2.s)稳态时He的扩散通量0为5.63X10-3mol/(m2.s)°三、对流传所在运动的流体混合物中，除分子扩散以外，还存在因流体 所点和微团的宏观运动而产生的组分的质量传递， 称为对流传所。J =e +Q）竺k对流传质机理：E dz流动形态对传质过

4、程有很大的影响。层流层：分子扩散湍流中：涡流扩散大）分子扩散小）过渡房：分子扩散+涡流扩散（小）通量计算中，引入传质系数，将复杂的过程简单化。对流传质通量=蜜=传质系数x传质推动力传质阻力流过平板的流体传质=0.664Re12Sc13AD- 湍流：Sh = k - = 0.0296R/5sc】3Dab>圆管内流动流体的传质-层流：S/? = *了- = 1.86(腿S?)'3(g)" Dab1- 湍流 Sh = k - = (9.023 Re4'5Sc1/3咨>流过球体的流体传质S/?=上一- = 2.0 + 0.6 夫'层流：Sh = k(Re

5、< 5 xlO'?Sc > 0.6)3e>5xlO：o.6v& V3000)(Re<104>)Dab二、相间传质>稳态相间传质传质过程中任意一点的浓度不随时间而改变:相平衡：在一定的条件下，当一个双相或多相系统中各相的性质和数量均不随时间变化时，称此系统处于相平衡。此时从宏观上看，没有物质由一相向另一相的净迁移，但从微观上看,不同相间分子转移并未停止，只是两个方向的迁移速率相同而已。-相平衡曲线：两相平衡时组分在两相中浓度关系的曲线。不同的体系有不同的相平衡曲线。下，二者可以达成平衡，即液体的蒸发速度等于蒸气的凝结速度。 达到这种平衡时，蒸气

6、有一定的压力，这个压力就叫做此液体的 饱和蒸气压(简称蒸气压)O蒸气压与温度有关，温度越高.分子 拉乌尔定律(RaoulVs Law)如果溶质是不挥宏性而，即它的蒸气压极小，与溶剂相比可以忽 略不计，则在一定的温度下，溶剂的蒸气压等于纯溶剂的蒸气压 与其物质的量分数乘积oPa = Pa匕-组分在液相上方蒸汽中平衡分压，Pa.纯组分在平衡温度时的蒸汽压分压，Pa.道尔顿分压定律(Dalton's Law)某一气体在气体混合物中产生的分压等于它单独占有 整个容器时所产生的压力；而气体混合物的总压强等 丁其中各气体分压之和，这就是气体分压定律。Pa =>'aPpA -组分以的分

7、压，Pa.气液相平衡曲线-体系的总压，Pa.亨利定律(Henry，s Law)当气液两相传质达到平衡时，平衡溶液是稀溶液时，被吸收组分 (溶质疸液相中的浓度与其在气相中的浓度成正比。数学表示形式：* Pa 溶质A在气相中的平衡分压，Pa；(1) pA =cA液相中溶质的摩尔浓度；'m分配因子，m3Pazmol»八* _ 甘"(P；溶质A在气相中的平衡分压，Pa；(2) Pa nx液相中溶质的摩尔分数；H比例系数，称为亨利系数，Pae双阻理论(双联理论)相间传质包括三多骤：.(1)组分A在气相中从气相主体传到穿剑B体 主在两< 偶际层 即相流0 ，液层 时气隹

8、触，气液 接流的< 互蛋层 相呈稳流 体已膏 st 与体存液 体主别和 气的 当体暨气相到液相的相间传质分子A从气相主 体运动到气膜层，以分子扩散的方式 通过气膜到达气液两相界面，再从液 相界面以分子扩散方式通过液膜进人 布而主体。在气液两侧主体内，流动为高度湍流，传质阻力很小；相间传质的阻力主剽8中在气膜及液膜内；界面只是几何面，组分在界面上没有物质的积累.因此界面上不会 产生传质阻力，在界面上气液恒处于平衡状态。按传质系数的定义：气体侧：、=必(Pag - P.J.服"a： = L液体侧：Na =kL (cAi 一 cq- d kG 三、吸收单元操作(adsorption

9、Unit Operation):在液体与气体接触过程中，气体中的组分溶解于液体的传质单元 操作。J物理吸收：气体溶质与液体溶剂不发生明显的化学反应。、化学吸收：气体溶质与液体溶剂发生明显的化学反应，吸收操作的意义：从气体市分蒿有价值的组分。如挥发性香精的回收。(2) 将气体中有害或无害的气体除去，以免影响产品的质量、腐蚀设 备或污染环境等。如烟道中SO?的吸收。(3) 使气体溶于液体制备成溶液产品。如：CO?溶解于液体制备成碳 酸饮料。吸收过程阻力MJ_ _ 1 , m吸收过程阻力由气相阻力+液相阻力构成。J蓝气相阻力（气膜控制）I 11kL mkGK.=- = kG气体在液相中的溶解度很大.

10、J- +挡 J-吸收过程的总阻力主要集中在kO kLkG气相。如=氢气溶解于水中液相阻力（液膜控制）吸附现象产生原因：固体表面存在*瀑面能，是表面力作用的结 果.吸附过程为湖也过程.I物理吸附： V y 分子间力旎德华力）引起 没有选择柱 放热较小，约4060kj/inol或更少 单层或多分子层吸附 吸附剂的比表面积和细孔分布影响大 化学吸附： 化学反应，形成牢固的愣键 放热量较大 约84420kJ/n»l 有选择性 单分子层吸附 表面化学性质和化学性康响大气体在液相中的溶解度很小，吸收过 程的总阻力主要集中在液相。如=氧气溶解于水中2. WJ：戒附剂的要来吸附雕尢单位曜哪剂吸附的物

11、质要多。选择恻,对不同溶质的吸雌性由欧。常用畋附剂种类：活峡硅胶及表醐硅胶白土、合藤石顾腆等3.吸附等温线q "（c）吸附平衡关系用吸附等温线描述，通常 用等温下单位质量吸附剂的吸附容量心流体 相中吸附质的分压（或浓度C）间的关系q顼c）表示，称为吸附等温线。典型吸附等温线的类型：a.朗格缪尔（Langmuir）吸附模型方程（1）朗格缪尔吸附模型假定条件为：、吸附是单分子层的，即一个吸附位置只吸附一个分子;、被吸附分子之间没有相互作用力;、吸附剂表面是均匀的。1 + 4/2q*吸附剂的的最大吸附量；q实际吸附量，p吸附质在气体混合物中的分压;灼 朗格缪尔常数。b. Freundlic

12、h方程£表达式为：g = k (q = kf.p式中七与吸附剂的 种类、特性、温度等有关 的常数."与温度有关 的常数，且1 。均和都由实验测 定。4.吸附速度：1'5单位重量吸附剂在单位时间内所吸附的物质量吸附过程基本上可分为三个泌的阶段。第一阶段为吸附瞬散通过流体膜而到达吸附剂表瓦 第二阶段为吸附质在孔隙内扩散3第三阶段为吸附质在吸附剂内表面上发生吸附。通常吸附阶段反应速阕障快，总的过程速度由第一、二段速度所控制。在一般 情况下，吸附过程开始时往往由外部流体膜扩散控制，而在吸附接近终了时，孔内 扩散起决定作用O吸附分离过程：1. 液体与吸附剂接触并吸附；2. 将

13、吸附剂与吸附剩余液体分开;3. 解吸附（脱吸）是吸附剂再生。吸附分离操作方式：1. 接触式过滤法2. 床层渗滤法第四节、离子交换离子交换的基本原理：阳离子可以进入阳离子交换树脂中进行交换，阴离子则不能。同理, 阴离子交换树脂也只能交换阴离子，而不能交换阳离子。离子交换过程：离子交换过程中，溶液中的离子扩散到离子殛剂的表面，接着又 穿过界面层达到离子交换剂的主体内，并进行离子交换。交换出来 的离子又沿着原来的离子扩散途径相反的方向扩散到溶液主体二高子交换剂带有空间网状结构、与水不溶性、固体骨架在这一交换过程中不发生 任何化学变化。高子交换剂分为无机质和机质两大类有机质分为天然；碳化煤；合成的=合

14、成铜脂其中高子交换树脂由于其不溶于酸、械溶液及有机溶剂.稳定性强而得 到广泛的应用能离解阳离子（如的树脂称为阳离子交换树脂 能离解阴离子（如企）的树脂称为阴离子交换树脂L交联度交联结构由树脂合成时加入交联剂来实现，交联剂的用量用质量百分数表 示，称为交联度交联度大，树脂的结构紧密，溶胀小，选择性高，稳定性好，但交联度太 高会影响树脂内的扩散速率2交换容量A （溶液+RB （固相）=RA （固相）+B （溶液）（1）离子交换树脂的交换容量用第位质量和体积的树脂所交换的高子 的当量数表示，分为总交换容量和工作交换容量.四.高子交换速率方程/外部扩散速率；Na =kraC-Ci） 属等摩尔对向扩散，

15、/内部扩散：Na = ksapq, q）/总吸附速率方程 N A = Ajrdr（C C*）以流体相为基准的）=吸附分离操作方式，1 -间歇釜式定床式3-移动床式4.流动床式离子交换分离过程，1 -物质离子交换m2 -柱层高子诙剂反洗是3. 离子交飙再生&4. 正洗*1、传热的基本方式热传导：物体各部分之间不发生相对位移对流：流体各部分之间发生相对位移，热对流仅发生在流体中自然对流：流体各处的温度不同而引起强制对流：外力所导致的对流，在同一流体中有可能同时发生自然对流和强制对流。辐射：因热的原因而产生的电磁波在空间的传递，称为热辐射。不需要任何介质。绝对零度以上都能发射 辐射能2、稳态

16、传热：传热系统中，温度分布不随时间而改变。3、热流量（热流率）：传过一个传热面的热量 Q与传热时间之比。定义式：.# jg冬、0 do热流笞度（热通重）：热流重与传热面积 a之比。 q 二A Axlt4、热交换：两个温度不同的物体由于传热，进行热量的交换，称为热交换，简称换热a.无相变,此仇"5、6、7、b.相变，P温度场：某一瞬间空间中各点的温度分布，称为温度场一维温度场：若温度场中温度只沿着一个坐标方向变化。稳定温度场：若温度不随时间而改变。8、等温面：温度场中同一时刻相同温度各点组成的面。等温面的特点：(1) 等温面不能相交；(2) 沿等温面无热量传递。沿等温面将无热量传递，而

17、沿和等温面相交的任何方向，因温度发生变化则有热量的传递。温度梯度是向量，其方向垂直于等温面，并以温度增加的方向为正。9、傅立叶定律：单位时间内传导的热量与温度梯度及垂直于热流方向的截面积成正比，即q -X .gradTdTdn导热系数表征物质导热能力的大小，是物质的物理性质之一10、金属的导热率最大，固体非金属次之，液体较小，气体最小。物质的热导率均随温度变化而变化11、圆筒壁与平壁不同点是其等温面随半径而变化。圆筒的长度为L,则半径为r处的传热面积为 A=2兀rL。12、 对于圆筒壁的稳定热传导，通过各层的热传导的热流量都是相同的，但是热通量(热流密度)却不相等。13、热量的传递主要研究冷热

18、流体通过管路器壁传递的过程。14、不同区域的传热特性：1. 湍流主体对流传热温度分布均匀2. 层流底层热传导温度梯度大3. 壁面热传导有温度梯度传热的热阻即主要集中在层流层中。15、也代替入/ a ta反映对流传热的快慢，其越大，表示对流传热速率越快。不是物性参数16、对流传热解决的中心问题是对流传热系数的求取问题。17、影响对流传热系数 a的主要因素：1流体的状态：有相变时对流传热系数比无相变化时大的多；2流体的物理性质：体胀系数 av3 流体的运动状况：层流、过渡流或湍流；4 流体对流的状况：自然对流，强制对流；5传热表面的形状、位置及大小：如管、板、管束、管径、管长、管子排列方式、垂直放置或水平 放置等。18、总传热速率方程：选择的传热面积不同，总传热系数的数值也不同。19、恒温传热：在任何时间两种流体的温度皆不变化，这种传热称为稳定的恒温传热。20、变温传热并流：参与换热的两种流体在传热面的两侧分别以相同的方向流动。逆流：参与换热的两种流体在传热面的两侧分别以相对的方向流动。错流：参与换热的两种流体在传热面的两侧彼此呈垂直方向流动。折流：简单折流：一侧流体只沿一个