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第1页：《食品工程原理》课程

《食品工程原理》课程

（教案）PRINCIPLESOFFOODENGINEERING（INSTRUCTION）

第2页：绪论 化工过程与单元操作化学工业是将自

绪论一、化工过程与单元操作化学工业是将自然界的各种物质，经过化学和物理方法处理，制造成生产资料和生活资料的工业。一种产品的生产过程中，从原料到成品，往往需要几个或几十个加工过程。其中除了化学反应过程外，还有大量的物理加工过程。化学工业产品种类繁多。各种产品的生产过程中，使用着各种各样的物理加工过程。根据它们的操作原理，可以归纳为应用较广的数个基本操作过程，如流体输送、搅拌、沉降、过滤、热交换、蒸发、结晶、吸收、蒸馏、萃取、吸附以及干燥等。例如，乙醇、乙烯及石油等生产过程中，都采用蒸馏操作分离液体混合物，所以蒸馏为一基本操作过程。又如合成氨、硝酸及硫酸等生产过程中，都采用吸收操作分离气体混合物，所以吸收也是一个基本操作过程。又如尿素、聚氯乙烯及染料等生产过程中，都采用干燥操作以除去固体中的水分，所以干燥也是一个基本操作过程。这些基本操作过程称为单元操作（unitoperation）。任何一种化工产品的生产过程，都是由若干单元操作及化学反应过程组合而成的。每个单元操作，都是在一定的设备中进行的。例如，吸收操作是在吸收塔内进行的；干燥操作是在干燥器内进行的。单元操作不仅在化工生产中占有重要地位，而且在石油、轻工、制药及原子能等工业中也广泛应用。

第3页：《化工原理》课程的内容、性质及任

《化工原理》课程的内容、性质及任

二、《化工原理》课程的内容、性质及任务为学习化工单元操作而编写的教材，在我国习惯上称之为《化工原理》（PrinciplesofChemicalEngineering）。单元操作按其理论基础可分为下列三类：1流体流动过程（fluidflowprocess）包括流体输送、搅拌、沉降、过滤等。2传热过程（heattransferprocess）包括热交换、蒸发等。3传质过程（maddtransferprocess）包括吸收、蒸馏、萃取、吸附、干燥等。流体流动时，其内部发生动量传递（momentumtransfer），故流体流动过程也称为动量传递过程。流体流动的基本原理，不仅是流体输送、搅拌、沉降及过滤的理论基础，也是传热与传质过程中各单元操作的理论基础，因为这些单元操作中的流体都处于流动状态。传热的基本原理，不仅是热交换和蒸发的理论基础，也是传质过程中某些单元操作（例如干燥）的理论基础。因为干燥操作中，不仅有质量传递而且有热量传递。因此，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。《化工原理》是化工各专业学生必修的一门基础技术课程，其主要任务是介绍流体流动、传热、传质的基本原理及主要单元操作的典型设备构造、操作原理、

第4页：国际单位制的基本单位（表1）

国际单位制由基本单位、辅助单位和具有专门名称的导出单位构成，其基本单位如表1所示。

本表前3行见本页；安培、开尔文、摩尔与坎德拉见下页续表。

第5页：国际单位制的辅助单位与导出单位

续前页表1，并列出国际单位制的辅助单位与常用导出单位。

第6页：词头与国家选定的非国际单位制单位

用于构成十进倍数和分数单位的词头见表4，国家选定的非国际单位制单位见表5。

源文件词头按双栏排版提取，微（µ）的因数显示为10-4，按标准词头修正为10⁻⁶。

我国已实行以国际单位制为基础的法定计量单位；教材中兼用CGS制与工程制的个别单位，需掌握单位换算方法。

第7页：非国际单位制单位（续）与CGS制对照

续前页表5，并给出CGS制与工程制的基本单位对照。

工程单位制以“力”为基本量，符号为kgf；源文件按双栏排版提取。

法定计量单位中长度、质量、时间、温度分别用L、M、T、θ表示，导出量由基本量符号组合而成。

第8页：非国际单位制单位与CGS制对照（续）

的单位之间的关系。当a＝b＝c＝0时，时［M0L0T0］＝［1］，称为无因次（dimensionless）。例如，液体的相对密度为该液体的密度与4℃时纯水的密度之比值，其因次为［ML－3/ML－3］＝［M0L0］＝［1］，为无因次。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。法定计量单位刚实行不久，由过去的CGS和工程单位制过渡到全部使用法定单位，还需要一段时间。因此，必须掌握这些单位间的换算关系。单位换算时，需要换算因数。化工中常用单位的换算因数，可从本教材附录中查得。要特别注意工程单位制中的“力”的单位kgf与国际单位制中“力”的单位N之间的换算关系，在这里对这两个单位的换算关系作简要说明。若物体受地心引力作用产生a＝9.80665m/s2的重力加速度（国际标准重力加速度，即在北纬45海面上的重力加速度），则作用于质量为m＝1kg的物体上的重力为F＝ma＝1×9.80665＝9.80665N物体在重力场中所受的重力，就是该物体的重量。因此，工程单位制中是把SI中的9.80665N重量，作为其1kgf重量，故有1kgf＝9.80665N由于质量为1kg物体的重量为1kgf，所以工程单位制中的重量与SI中的质量数值相等。例1通用气体常数R＝0.08206L·atm/mol·°K，试用法定单位J/mol·K表示。

第9页：解从单位换算表查得1L＝

解从单位换算表查得1L＝

10-3m3，1atm＝1.013×105Pa因此，得R＝0.08206×10-3×1.013×105＝8.313m3·Pa/mol·K从单位换算表查得1Pa＝1N/m2＝1N·m/m3＝1J/m3因此，得R＝8.313J/mol·K四、单元操作中常用的基本概念在研究化工单元操作时，经常用到下列五个基本概念，即物料衡算，能量衡算，物系的平衡关系，传递速率及经济核算等。这五个基本概念贯串于本课程的始终，在这里仅作简要说明，详细内容见各章。1.物料衡算依据质量守恒定律，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，即牌稳定操作状态时，过程中不应有物料的积累。则物料衡算（materialbalance）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。物料衡算可按下列步骤进行：（1）首先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

第10页：解从单位换算表查得1L＝（续）

已知数据与待求量。（2）在写衡算式之前，要计算基准，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。

第11页：例1用连续操作的蒸发器把含盐浓度为

例1用连续操作的蒸发器把含盐浓度为

（质量分率）的衡盐水溶液蒸发到浓度为（质量分率）的浓盐水溶液，每小时衡盐水溶液的进料量为Fkg。试求每小时所得浓盐水溶液量W及水分蒸发量V各为多少。解：各股物系的流程图如附图所示，计算基准取1，由于是连续稳定操作，总物料衡算式为F＝V＋W11溶质衡算式为FxF=Wxw由此两式解得W=（xF/xw）F，V=（1-xF/xw）F

第12页：例1用连续操作的蒸发器把含盐浓度为（续）

122.能量衡算本教材中所用到的能量主要有机械能和热能。能量衡算（energybalance）的依据是能量守恒定律。机械能衡算将在第一章流体流动中说明；热量衡算也将在传热、蒸馏、干燥等章中结合具体单元操作有详细说明。热量衡算的步骤与物料衡算的基本相同。3.物系的平衡关系平衡状态是自然界中广泛存在的现象。例如，在一定温度下，不饱和的食盐溶液与固体食盐接触时，食盐向溶液中溶解，直到溶液为食盐所饱和，食盐就停止溶解，此时固体食盐表面已与溶液成动平衡状态。反之，若溶液中食盐浓度大于饱和浓度，则溶液中的食盐会析出，使溶液中的固体食盐结晶长大，最终达到平衡状态。一定温度下食盐的饱和浓度，就是这个物系的平衡浓度。当溶液中食盐的浓度低于饱和浓度，则固体食盐将向溶液中溶解。当溶液中食盐的浓度大于饱和浓度，则溶液中溶解的食盐会析出，最终都会达到平衡状态。从这个例子可以看出，平衡关系（equilibriumrelation）可以用来判断过程能否进行，以及进行的方向和能达到的限度。4.传递速率仍以食盐溶解为例说明。食盐溶液中食盐浓度低时，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。当溶液达到饱和浓度（即平衡状态）时，不再溶解，即溶解速率为零。由此可知，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。

第13页：溶液浓度与平衡浓度之差值

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（drivingforce）。另外，由实验得知，把一个大食盐块破碎成许多小块，溶液由不搅拌改为搅拌，都能使溶解速率加快。这是因为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，能使溶液质对流。其结果能减小溶解过程的阻力（resistance）。因此，过程的传递速率（rateoftransferprocess）与推动力成正比，与阻力成反比，即阻力传递速率=推动力这个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，传递速率大时，设备尺寸可以小。5.经济核算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