《食品工程原理》课程教学大纲

食品工程原理SyllabusofUnitOperationinFoodEngineering教学大纲学分数4适用专业食品科学与工程使用教材（按作者、教材名称、出版社、出版年月顺序填写）李云飞葛克山《食品工程原理》（第2版）中国农业大学出版社2009年教学参考资料（按作者、参考资料名称、出版者、出版年月顺序填写；填写的教学参考资料应不少于三种）杨祖荣化工原理化学工业出版社2014年黄亚东食品工程原理高等教育出版社2003年刘振春食品工程原理吉林科学技术出版社2000年一、概述1、课程定位与性质食品工程原理是一门以力学、动力学、热力学、传热学和传质学为理论基础的学科基础课程，该课程主要回答食品原料在加工过程中，进出各加工单元的相互关系，如质量平衡关系和能量平衡关系，以及影响它们相互作用的因素。它是食品机械设计制造、选型配套以及维修操作的基础，也是保证食品工艺准确实施的必备知识，是食品科学与工程专业的主干课程之一。通过本课程的学习，使学生掌握传递过程及单元操作的基本原理，学会运用其基本理论解决食品工业生产中一般工艺计算和常用设备的选型配套计算等工程实际问题。2、课程教学目标通过学习本课程，使学生掌握动量和热量传递的基本原理，运用这些理论并结合所学的物理、化学、数学和物理化学等基础知识，研究食品加工过程中各种单元操作的内在规律和基本原理。理解质量传递的基本理论。了解现代食品工程技术发展的趋势。主要的单元操作包括：流体输送与压缩、制冷技术、过滤、沉降、离心分离、蒸发、气体吸收、蒸馏和物料干燥等。3、课程适用专业、年级、开课时间适用于食品科学与工程专业大二学生上学期。二、教学内容与学时分配1、各章课时分配表章节讲授内容讲授学时第一章流体力学基础8第二章传热10第三章制冷与食品冷冻2第四章颗粒与流体之间的相对流动7第五章液体搅拌3第六章粉碎与筛分3第七章吸收与蒸馏10第八章食品干燥5流体力学基础(8+16)学时（课堂讲授学时+课程实验学时）主要内容（必备项必备项：即该项内容必须填写。）必备项：即该项内容必须填写。第一节牛顿液体及黏度第二节流体流动能量平衡第三节管中流动第四节简单管路计算第五节液体输送设备教学要求：（必备项）1、掌握：雷诺数的表达方式；不可压缩理想流体与实际流体的区别和流体流动中各能量平衡方程，并能熟练运用这些方程解决实际问题；沿程阻力和局部阻力的计算；泵功率的计算；泵的安装高度的计算。2、熟悉：黏度；黏性底层；水力光滑管；水力粗糙管；当量直径。3、了解：流体输送设备；绝对粗糙度；相对粗糙度；泵的特性曲线。重点、难点：（可选项可选项：即该项内容可根据具体情况确定是否填写。可选项：即该项内容可根据具体情况确定是否填写。［重点］雷诺数；不可压缩理想流体和实际流体稳定流动时的能量平衡方程；沿程阻力和局部阻力的计算；泵的扬程计算。［难点］1、泵的安装高度；2、气缚现象。其它教学环节：（如实验、习题课、讨论课、其它实践活动）实验一流体流动阻力系数测定4学时实验内容：1.向储水箱1内注水至三分之二为止(最好使用蒸馏水，以保持管路清洁)。开启面板上总电源开关，仪表上电并检查仪表是否正常。2.光滑管阻力测定（1）关闭所有阀门，打开切断阀26，打开阀门19、8，将光滑管路阀门17全开。启动离心泵后全开阀门11和27，缓慢打开转子流量计15的阀门14，在大流量下将实验管路气泡全部排出（赶气泡方法见操作（3））。（2）关闭阀门14，在流量为零条件下，打开通向倒置U型管的进水阀11，检查导压管内是否有气泡存在。若倒置U型管内液柱高度差不为零，则表明导压管内存在气泡。需要进行赶气泡操作。（3）赶气泡的操作方法导压系统如图3所示。全开阀门27加大流量，打开U型管进水阀门11，使倒置U型管内液体充分流动，以赶出管路内的气泡。分别缓慢的打开两个缓冲罐的排气阀，以达到排空缓冲罐中气体的目的。若观察气泡已赶净，将大小流量调节阀关闭，倒置U型管进、出水阀11、3、4关闭，慢慢旋开倒置U型管上部的放空阀21后，分别缓慢打开阀门3、4，使液柱降至中点上下时马上关闭，管内形成气-水柱，此时管内液柱高度差不一定为零。关闭放空阀21，打开U型管进出水阀11，此时U型管两液柱的高度差应为零（1～2mm的高度差可以忽略），如不为零则表明管路中仍有气泡存在，需要重复进行赶气泡操作。（4）缓慢开启小转子流量计流量调节阀27，流量由小到大每调节一个流量待流量稳定后，利用倒置U型管读取两端液柱高度。（5）小流量计调节完后，关闭阀门11、27，改变阀门14的开度，利用大流量计15的流量。待流量稳定后读取压差读数和转子流量计15的数值。取6-9组数据。（6）该装置两个转子流量计并联连接，根据流量大小选择不同量程的流量计测量流量。（7）差压变送器与倒置U型管亦是并联连接，用于测量压差，小流量时用倒U型管压差计测量，大流量时用差压变送器测量。应在最大流量和最小流量之间进行实验操作，一般测取15～20组数据。（8）在测大流量的压差时应关闭U型管的进出水阀3、4，防止水利用U型管形成回路影响实验数据。（9）分别测取实验前后水箱水温。待数据测量完毕，关闭流量调节阀，停泵。3.粗糙管、局部阻力测量实验方法与光滑管实验相同。实验要求：由于管路系统中存在着各种阻力，流体流动时产生了能量损耗（压头损失）。管路中的各种阻力可分为沿程阻力（直管阻力）和局部阻力两大类。本实验的目的，是以实验方法直接测定沿程阻力系数λ和局部阻力系数ξ。实验二流量计性能测定4学时实验内容：（一）实验步骤1．启动离心泵前，关闭泵流量调节阀2．启动离心泵。3．按流量从小到大的顺序进行实验。用流量调节阀调某一流量，待稳定后，读取涡轮频率数，并分别记录流量、压强差。4．实验结束后，关闭泵出口流量调节阀9、12后，停泵。（二）实验操作注意事项1．阀门12在离心泵启动前应关闭，避免由于压力大将转子流量计的玻璃管打碎。2．确保离心泵出口阀门关闭，再启动离心泵；停机时，先将离心泵出口阀门关闭，再停泵。实验要求：了解转子流量计、孔板流量计、文丘里流量计的测量原理和使用方法；测定并比较文丘里流量计和孔板流量计的压强损失；通过流量计性能测定装置，以涡轮流量计为标准，对其它几种流量计进行标定。实验三离心泵特性曲线的测定4学时实验内容：1．离心泵Ⅰ特性曲线（单泵Ⅰ操作）在离心泵性能测定前，按下列步骤进行启动操作：(1)将全部阀门关闭。首先向水箱内注入蒸馏水。(2)灌泵。打开阀门7、11，打开离心泵Ⅰ的灌泵入口13下的阀门15，给泵Ⅰ灌水，待水面不再下降后关闭阀门；打开阀门6、12，打开离心泵Ⅱ的灌泵入口14下的阀门16，给泵Ⅱ灌水，待水面不再下降后关闭阀门。(3)启动实验装置总电源，打开阀门11，按下泵Ⅰ开关键后，再按变频器的run键启动离心泵。(4)打开阀门7，缓慢打开流量调节阀4。待系统内流体稳定后，打开泵压力表P1下的控制阀5和泵真空表P2下的控制阀9，测取数据。(5)测取数据的顺序从涡轮流量计由大到小（或由小到大），一般测10~20组数据。每次在稳定的条件下同时记录：流量、压力表、真空表、功率表的读数及流体温度。(5)实验结束，关闭流量调节阀，停泵。2．双泵串联操作(1)打开阀门11，按下泵Ⅰ开关键，打开阀门8，按下泵Ⅱ开关键（必要时按变频器的run键）启动离心泵。(2)打开阀门6，缓慢全开流量调节阀4，待流体稳定后，全开出口压力表阀门5和入口真空表阀门9。(3)测取数据的顺序从涡轮流量计最大流量至0m3/h，或反之。一般测10~20组数据。每次在稳定的条件下同时记录：流量、压力表、真空表、功率表Ⅰ和功率表Ⅱ的读数及流体温度。(4)实验结束，关闭流量调节阀，停泵。3.双泵并联操作(1)打开阀门11，阀门12。分别按下泵Ⅰ、泵Ⅱ开关键后，再按变频器的run键启动离心泵。(2)打开阀门7、阀门6，全开流量调节阀4，待流体稳定后，全开出口压力表阀门5和入口真空表阀门9。(3)测取数据的顺序从涡轮流量计最大流量至0m3/h，或反之，一般测10~20组数据。每次在稳定的条件下同时记录：流量、压力表、真空表；泵Ⅰ、泵Ⅱ的功率表的读数及流体温度。(4)实验结束，关闭流量调节阀，停泵，切断电源。实验要求：本实验采用单级单吸离心泵装置，测定在一定转速下泵的特性曲线。通过实验了解离心泵的结构与特性，熟悉离心泵的使用；掌握离心泵特性曲线测定方法。实验四雷诺实验4学时实验内容：1.实验前准备工作（1）向下口瓶中加入适量用水稀释过浓度适中的红墨水，调节调节夹使红墨水充满进样管。（2）观察细管位置是否处于管道中心线上，适当调整针头使它处于观察管道中心线上。（3）关闭水流量调节阀、排气阀，打开上水阀、排水阀，向高位水箱注水，使水充满水箱并产生溢流，保持一定溢流量。（4）轻轻开启水流量调节阀，使水缓慢流过实验管道，并让红墨水充满细管道。2.雷诺实验演示（1）在做好以上准备的基础上，调节进水阀，维持尽可能小的溢流量。（2）缓慢有控制地打开红水流量的调节夹，红墨水流束即呈现不同流动状态，红墨水流束所表现的就是当前水流量下实验管内水的流动状况（图2表示层流流动状态）。读取流量数值并计算出对应的雷诺准数。（3）因进水和溢流造成的震动,有时会使实验管道中的红水流束偏离管内中心线或发生不同程度的左右摆动，此时可立即关闭进水阀3，稳定一段时间，即可看到实验管道中出现的与管中心线重合的红色直线。（4）加大进水阀开度，在维持尽可能小的溢流量情况下增大水的流量，根据实际情况适当调整红墨水流量，即可观测实验管内水在各种流量下的流动状况。为部分消除进水和溢流所造成震动的影响，在滞流和过渡流状况的每一种流量下均可采用(3)中介绍的方法,立即关闭进口阀门3,然后观察管内水的流动状况（过渡流、湍流流动如图3所示）。读取流量数值并计算对应的雷诺准数。3．圆管内流体速度分布演示实验（1）关闭上水阀、流量调节阀。（2）将红墨水流量调节夹打开，使红墨水滴落在不流动的实验管路中。（3）突然打开流量调节阀，在实验管路中可以清晰看到红水线流动所形成的如图4所示的速度分布。实验要求：通过雷诺实验装置，观察流体流动过程的不同流型及其转变过程，测定流型转变时的临界雷诺数。传热(10+4)学时主要内容：第一节热传导第二节对流传热第三节辐射传热第四节稳定传热过程计算第五节不稳定传热第六节换热器简介教学要求：1、掌握：导热、对流传热和辐射传热的基本计算及应用；掌握非稳定传热的一般解决方法及适用条件。2、熟悉：传热的基本概念、3种基本的传热方式及传热机理；对流传热系数；热导率；总传热系数。3、了解：换热器的类型、特点以及设计计算方法。重点、难点：［重点］1、稳定传热过程的计算；2、不稳定传热过程的计算。3、单层和多层平壁及圆筒壁稳定热传导的计算。［难点］1、傅立叶导热、对流传热、辐射传热的综合计算和应用。其它教学环节：（如实验、习题课、讨论课、其它实践活动）实验三气-气热交换传热总系数及传热膜系数的测定4学时实验内容：1.实验前的检查准备①关闭实验装置上的所有阀门后向热水箱加入蒸馏水至热水箱的四分之三处。②打开总电源开关，设定热水箱温度T8为60℃，启动仪表面板电加热器开关。③启动热水泵并缓慢打开阀门V4让热水箱内流体混合均匀待热水箱温度达到60℃左右，并由热水箱温度控制器自动控制其热水温度。关闭阀门V4。2.套管换热器操作实验①热水箱温度恒定后，缓慢打开V3阀门，调节热水流量为800（L/h），使其在整个实验中保持稳定。②将阀门V1打开，通冷水并缓慢调节阀门V1，使冷水流量为160（L/h），稳定5～7分钟，记录T1、T2、T3、T4的温度和冷、热流体的流量F1、F2。③调节阀门V1改变冷流体流量，待稳定后记录相关数据。④实验结束时，关闭阀门V3，关闭加热和热水泵开关。待换热器温度接近室温时，关闭冷水V1。3.实验注意事项实验前一定将热水箱内加入足量蒸馏水，防止电热器干烧损坏电器。特别是每次实验结束后，进行下次实验之前，一定检查水位，及时补充。实验要求：了解套管换热器的结构和操作方法。掌握对流传热系数的测定方法，加深对其概念和影响因素的理解。制冷与食品冷冻2学时主要内容：第一节制冷技术原理第二节制冷剂和载冷剂第三节食品的冻结教学要求：1、掌握：制冷技术原理和食品冷冻冷藏相关知识，如卡诺循环、逆卡诺循环、制冷量、制冷系数、制冷剂的压焓图；一般制冷原理及制冷方法；冻结时间预测方程。2、熟悉：食品冷藏链的构成；冷库冷量的计算方法。3、了解：常用的制冷剂、载冷剂；冻藏时食品的变化；最大冰晶生成区。重点、难点：［重点］1、制冷剂的压焓图的识别和应用；2、冻结时间的计算。［难点］1、制冷剂的压焓图的识别和应用，蒸发温度、冷却温度、冷凝温度、过冷温度的确定。5、颗粒与流体之间的相对流动(7+4)学时主要内容：第一节流体绕过颗粒与颗粒床层的流动第二节颗粒在流体中的运动第三节固体流态化与气力输送简介第四节非均相混合物的分离教学目的和要求：1、掌握：颗粒与流体之间相对流动的基本理论；流体绕过颗粒及颗粒在流体中沉浮的速度和阻力计算方法；降尘室除尘能力的计算；间歇过滤机和连续过滤机生产能力的计算；恒压过滤方程及恒速过滤方程。2、熟悉：影响沉降的因素；过滤介质、滤饼、滤液；压缩比。3、了解：固定床、流动床、气力输送；散式流化、聚式流化；沟流、节涌；常用的助滤剂；过滤设备。重点、难点：［重点］1、降尘室除尘能力的计算；2、间歇过滤机和连续过滤机生产能力的计算；3、恒压过滤方程及恒速过滤方程。［难点］1、重力沉降和离心沉降能力的计算。2、滤饼的厚度、滤框个数的计算。其它教学环节：（如实验、习题课、讨论课、其它实践活动）实验四恒压过滤常数测定4学时实验内容：1．系统接上电源，打开搅拌器电源开关，启动电动搅拌器2。将滤液桶10内浆液搅拌均匀。2．板框过滤机板、框排列顺序为：固定头-非洗涤板-框-洗涤板-框-非洗涤板-可动头。用压紧装置压紧后待用。3．使阀门11、阀门3处于全开，阀门4、6处于全关状态。启动旋涡泵12，打开压力表5的表前阀4，调节阀门3使压力表5达到规定值。4．待压力表5稳定后，打开过滤入口阀6过滤开始。当计量桶13内见到第一滴液体时开始计时。记录滤液每增加高度10mm时所用的时间。当计量桶13读数为160mm时停止计时，并立即关闭入口阀5．全开阀门3使压力表5指示值下降为零，关闭阀门4，停泵。开启压紧装置卸下过滤框内的滤饼并放回滤浆桶内，将滤布清洗干净。放出计量桶内的滤液并倒回滤浆桶内，以保证滤浆浓度恒定。6．改变压力，重复上述实验。7．操作时应注意的事项（1）过滤板与框之间的密封垫应注意放正，过滤板与框的滤液进出口对齐。用摇柄把过滤设备压紧，以免漏液。（2）计量桶的流液管口应贴桶壁，否则液面波动影响读数。（3）实验结束后关闭阀门3、阀门11。（4）电动搅拌器为无级调速。使用时首先接上系统电源，打开调速器开关，调速钮一定由小到大缓慢调节，切勿反方向调节或调节过快损坏电机。（5）启动搅拌前，用手旋转一下搅拌轴以保证顺利启动搅拌器。实验要求：熟悉板框压滤机的构造和操作方法；通过恒压过滤实验，验证过滤基本原理，学会测定过滤常数、的方法；了解操作压力对过滤速率的影响。6、液体搅拌3学时主要内容：第一节液体搅拌混合的基本理论第二节搅拌器的性能第三节搅拌器的功率第四节乳化教学要求：1、掌握：流体间的各种混合原理；评价物料混合度的各种方法；乳化操作的原理。2、熟悉：影响液体搅拌功率的因素。3、了解：计算搅拌功率和混合功率等参数；常用的乳化剂。重点、难点：［重点］1、分隔尺度、分隔强度、调匀度的区别；2、混合原理；3、混合速度的计算；4、影响乳化液稳定性的因素。［难点］1、搅拌功率和混合功率等参数的计算。7、粉碎与筛分3学时主要内容：第一节粉碎第二节粉碎分类第三节物料的性质第四节粉碎能耗假说第五节筛分教学要求：1、掌握：各种粉碎方法及适用范围；筛分机理和方法。2、熟悉：粉碎能耗和其他生产参数的估算。3、了解：各种粉碎原理。重点、难点：［重点］1、粉碎能耗假说；2、筛分机理和方法。［难点］1、粉碎能耗估算。8、吸收与蒸馏(10+8)学时主要内容：第一节传质学基础第二节吸收与解吸第三节吸收塔的计算第四节蒸馏第五节双组分连续精馏塔的计算第六节其他蒸馏简介教学要求：1、掌握：稳定分子扩散的基本计算与应用；吸收与解吸的一般计算方法；等温条件下低浓度逆流吸收塔的计算与应用；逐板计算法及图解法求理论板数的方法；两组分连续精馏塔的计算。2、熟悉：蒸（精）馏的原理；精馏装置的基本组成及各部分所起的作用。3、了解：传质学的基本概念、分子扩散与涡流扩散；扩散系数的影响因素；吸收与解吸的基本概念及吸收过程机理；其它蒸馏方式。教学难点和重点：［重点］1、等温条件下低浓度逆流吸收塔的计算与应用；2、逐板计算法及图解法求理论板数的方法；3、两组分连续精馏塔的计算［难点］两组分连续精馏塔的计算。其它教学环节：（如实验、习题课、讨论课、其它实践活动）实验五填料吸收塔传质系数测定4学时主要内容：1.测量干填料层～关系曲线先全开调节阀2，后启动鼓风机，用阀2调节进塔的空气流量，按空气流量从小到大的顺序读取填料层压降、空气转子流量计读数和流量计处空气温度（取16组数据左右），然后在对数坐标纸上以空塔气速为横坐标，以单位填料高度的压降为纵坐标，标绘干填料层～关系曲线。2.测量某喷淋量下填料层～关系曲线将水流量调节为40L/h，调节空气流量，然后按上面的方法实验，读取填料层压降、转子流量计读数和流量计处空气温度并注意观察塔内的操作现象，一旦看到液泛现象时记下对应的空气转子流量计读数。发生液泛后仍需缓慢增加气速，再测2～3组数据。在对数坐标纸上标出液体喷淋量为40L/h下～关系曲线，从～关系曲线上确定液泛气速，并与观察的液泛气速相比较。注意事项：液泛前后缓慢增加气速，需要更多数据，在图中容易找到泛点。3.传质性能测定（1）固定水流量为40L/h，选择适宜的空气流量，根据空气流量和温度及压力，计算出进塔的CO2气流量，以使混合气体中CO2浓度在（2）调节好空气流量和水流量后，打开CO2气瓶总阀，用CO2自动减压阀调节CO2流量，使其达到需要值，在空气、CO2气和水流量不变的条件下操作约20min，待过程基本稳定后，记录各流量计读数和温度，记录塔底排出液的温度，并分析塔顶尾气及塔底吸收液的浓度。（3）尾气分析方法（至少3次，两次平行）A排出两个量气管内空气，使其中水面达到最上端的刻度线零点处，并关闭三通旋塞。B用移液管向吸收瓶内装入5mL浓度约为0.02M的氢氧化钠并加入C将水准瓶移至下方的实验架上，缓慢地旋转三通旋塞，让塔顶尾气通过吸收瓶，旋塞的开度不宜过大，以能使吸收瓶内液体以适宜的速度不断循环流动为限。从尾气开始通入吸收瓶起就必须始终观察瓶内液体的颜色，中和反应达到终点时立即关闭三通旋塞,在量气管内水面与水准瓶内水面齐平的条件下读取量气管内空气的体积。若某量气管内已充满空气，但吸收瓶内未达到终点，可关闭对应的三通旋塞，读取该量气管内的空气体积，同时启用另一个量气管，继续让尾气通过吸收瓶。直到达到反应终点。（4）塔底吸收液的分析方法（至少3次，两次平行）A酸滴定管中加好盐酸溶液；B取5mL氢氧化钠溶液置于锥形瓶中；C用移液管取塔底吸收液10mL，迅速加入到氢氧化钠溶液中；D取5mL氯化钡溶液，也加入锥形瓶中，并加2滴酚酞指示剂；E用盐酸标准溶液滴定混合液至终点。（5）水喷淋量保持不变，加大或减小空气流量，相应地改变CO2流量，使混合气中的CO2浓度与第一次传质实验时相同，重复上述操作，测定有关数据。4．实验完毕后，关闭旋涡气泵、进水阀门等仪器设备的电源，并将所有仪器复原。5．注意事项（1）开启CO2瓶总阀前，要先关闭CO2自动减压阀和CO2流量调节阀。开启时开度不宜过大。（2）启动鼓风机前，务必先全开放空阀2。（3）两次传质实验所用的CO2气浓度必须一样。实验要求：了解填料塔吸收装置的基本结构及流程；掌握总体积吸收系数的测定方法，并分析气体空塔气速及喷淋密度对总体积吸收系数的影响。实验六筛板塔精馏实验4学时主要内容：1．实验前准备、检查工作（1）将与阿贝折光仪配套的恒温水浴调整运行到所需的温度，并记下这个温度（例如30℃（2）检查实验装置上的各个旋塞、阀门，均应处于关闭状态。（3）配制一定浓度（质量浓度20%左右）的乙醇-正丙醇混合液（总容量6000mL左右），然后倒入原料液罐。（4）通过进料泵向精馏釜内加料到指定的高度（冷液面在塔釜总高2/3处）后停止进料。2．实验操作（1）全回流操作A打开塔顶冷凝器的冷却水，冷却水量要足够大（约8L/min）。B记下室温值。接上电源闸（220V），按下装置上总电源开关。C调解电位器使加热电压为100V左右，待塔板上建立液层时，可适当加大电压（如120V），使塔内维持正常操作。D等各块塔板上鼓泡均匀后，保持加热釜电压不变，在全回流情况下稳定30min左右，期间仔细观察全塔传质情况，待操作稳定后分别在塔顶、塔釜取样口同时取样，用阿贝折光仪分析样品浓度。同时记录塔顶、塔釜温度。E间隔5min重复D过程共3次。（2）部分回流操作A打开塔釜冷却水。冷却水流量以保证釜馏液温度接近常温为准。B调节进料转子流量计阀，以1.5～2.0L/h的流量向塔内加料；用回流比控制调节器调节回流比R=4；馏出液收集在塔顶储液罐中。C塔釜产品经冷却后由溢流管流出，收集在塔釜储液罐内。D等操作稳定后（加料30min后），整个操作中维持进料流量计读数不变，观察板上传质状况，记下加热电压、塔顶、加料、塔釜温度等有关数据，同时从塔顶、塔釜和