食品工程原理重点知识讲解

食品工程原理复习

第一章 流体力学基础

1.单元操作与三传理论的概念及关系。

不同食品的生产过程应用各种物理加工过程，根据他们的操作原理，可以归结为数个应用广泛的基本操作过程，如流体输送、搅拌、沉降、过滤、热交换、制冷、蒸发、结晶、吸收、蒸馏、粉

碎、乳化萃取、吸附、干燥 等。这些基本的物理过程称为 单元

操作 动量传递：流体流动时，其内部发生动量传递，故流体流动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，

均可用动量传递的理论去研究。

热量传递 : 物体被加热或冷却的过程也称为物体的传热过程。凡

是遵循传热基本规律的单元操作，均可用热量传递的理论去研究。

质量传递 : 两相间物质的传递过程即为质量传递。凡是遵循传质

基本规律的单元操作，均可用质量传递的理论去研究。

单元操作与三传的关系

“三传理论”是单元操作的理论基础，单元操作是“三传理论”

的具体应用。

同时，“三传理论”和单元操作也是食品工程技术的理论和实践

基础

2.粘度的概念及牛顿内摩擦(粘性)定律。牛顿黏性定律的数学表达式是y u d d μτ±= ，服从此定律的流体称为牛顿流体。

μ比例系数，其值随流体的不同而异，流体的黏性愈大，其值愈

大。所以称为粘滞系数或动力粘度，简称为粘度

3.理想流体的概念及意义。

理想流体的粘度为零，不存在内摩擦力。理想流体的假设，为工

程研究带来方便。

4.热力体系：指某一由周围边界所限定的空间内的所有物质。边

界可以是真实的，也可以是虚拟的。边界所限定空间的外部称为

外界。

5.稳定流动：各截面上流体的有关参数（如流速、物性、压强）

仅随位置而变化，不随时间而变。

6．流体在两截面间的管道内流动时, 其流动方向是从总能量大的截面流向总能量小的截面。

7.1kg理想流体在管道内作稳定流动而又没有外功加入时，其柏努利方程式的物理意义是其总机械能守恒，不同形式的机械能可以相互转换。

8. 实际流体与理想流体的主要区别在于实际流体具有黏性，实际流体柏努利方程与理想流体柏努利方程的主要区别在于实际流体柏努利方程中有阻力损失项。

柏努利方程的三种表达式

p1/ρ+gz1+u12/2 = p2/ρ+gz2+u22/2

p1/ρg+z1+u12/2g = p2/ρg+z2+u22/2g p1+ρgz1+ρu12/2 = p2 +ρgz2+ρu22/2

9.管中稳定流动连续性方程：在连续稳定的不可压缩流体的流动中，流体流速与管道的截面积成反比。截面积愈大之处流速愈小，反之亦然。对于

圆形管道,不可压缩流体在管道中的流速与管道内径的平方成反比。

10.雷诺准数和影响流体流动类型的因素：u 、d 、ρ越大，μ越小，就越容易从层流转变为湍流。上述中四个因素所组成的复合数群du ρ/μ，是判断流体流动类型的准则。

Re < 2000 稳定的层流区

2000 < Re < 4000 由层流向湍流过渡区

Re > 4000 湍流区

11.

12.布拉修斯公式（Re 大于4000）：

12.冲层和湍流中心。10.流体在光滑管内作湍流流动时，摩擦系数λ与Re 和Δ/d 有关。

13. 13.管路计算的目的是确定流量、管径和能量之间的关系。管路计算包括设计型计算和操作型计算两种类型。

管路计算是连续性方程、柏努利方程、摩擦阻力计算式三式的具体应用。

14．流体流经并联管路系统时，遵循的原则是各并联管段的压强降相等、主管总流量等于各并联管段之和。

15．离心泵叶轮按有无挡板可分为闭式 ,半闭式 ,开式 。离心泵按叶轮串联的多少可分为单级泵 ,多级泵 。

16.离心泵多采用后弯叶片是因为输送液体希望获得的是静压头。

17．离心泵在启动前应灌泵，否则会发生气缚现象；离心泵的安装高度

应小于允许安装高度, 否则会发生汽蚀现象。

18.离心泵容易产生气蚀的的原因有液体温度过高；管道阻力过大；流体沸点低等。

19.离心泵的工作点是泵的特性曲线与管路特性曲线的交点。

20.离心泵的流量调节，通常在排出管线上装适当的调节阀改变离心泵

的转速或改变叶轮外径。

21. 离心泵的气蚀余量减小，则其抗气蚀能力增大。

22．造成离心泵的有效功率小于轴功率的原因。

轴功率指泵轴所获得的功率。由于有容积损失、水力损失与机械损失，故泵的轴功率要大于液体实际得到的有效功率

容积损失是由于泵的泄漏造成的。离心泵在运转过程中，有一部分获得能量的高压液体，通过叶轮与泵壳之间的间隙流回吸入口

水力损失是由于流体流过叶轮、泵壳时，由于流速大小和方向要改变，且发生冲击，而产生的能量损失。

机械损失是泵在运转时，在轴承、轴封装置等机械部件接触处由于机械磨擦而消耗部分能量。

泵的转速是指离心泵、旋转泵的泵轴的转速或往复泵曲轴的转速，单位：r/min

23.正位移泵的流量与泵的压头及管路情况无关，因此不能简单的用调节排出管路的阀门来调节。正位移泵的流量调节方法有两种：一种是回路调节；一种是改变曲轴的冲程大小。

24.泵的特性曲线：

H —Q 曲线代表的是在一定转速下流体流经离心泵所获得的能量与流量的关系，是最为重要的一条特性曲线。

P －Q 曲线表示泵的流量Q 和轴功率P 的关系，P 随Q 的增大而增大。显然，当Q=0时，泵轴消耗的功率最小。启动离心泵时，为了减小启动功率，应将出口阀关闭

η—Q 曲线最大值相当于效率最高点。泵在该点所对应的压头和流量下操作，其效率最高，故该点为离心泵的设计点。

第二章 传 热

傅立叶定律是热传导的基本定律，其表达式为

特性曲线 ：在固定的转速下，离心泵的基本性能参数（流量、压头、功率和效率）之间的关系曲线。

强调：特性曲线是在固定转速下测出的，只适用于该转速，故特性曲线图上都注明转速n 的数值。

图上绘有三种曲线 Ｈ－Q 曲线

Ｎ－Q 曲线

η－Q 曲线

q —热流密度，简称传热速率，w/m2 —导热面积，即垂直于热流方向的表面积，k/m

λ—比例系数，热导率，w/m.k 。

1.传热的概念：传热是由于温度差而引起的能量转移。热量总是自动地由高温区传递到低温区。热量传递是自然界中普遍存在的物理现象，在工程技术、工业生产及日常生活中都有着广泛的应用。

2.传热在食品工程中的应用：食品加工过程中的温度控制、灭菌过程以及各种单元操作（如蒸馏、蒸发、干燥、结晶等）对温度有一定的要求。 q --热流密度，w/m 2

λ--导热系数(或热导率），w/m.k 。 式中的负号指热流方向和温度梯度方向相反。 傅立叶定律 傅立叶定律是热传导的基本定律，它指出：热流密度与温度梯度成正比。

3.传热的基本方式及特点。

热传导物体各部分之间不发生相对位移，仅借分子、原子和自由电子等微观粒子的热运动而引起的热量传递称为热传导

热对流流体各部分之间发生相对位移所引起的热传递过程称为热对流。热对流仅发生在流体中热对流的两种方式：强制对流：因泵、风机或搅拌等外力所导致的对流称为强制对流自然对流：由于流体各处的温度不同而引起的密度差异，致使流体产生相对位移，这种对流称为自然对流

热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。所有物体都能将热以电磁波的形式发射出去，而不需要任何介质。任何物体只要在绝对零度以上都能发射辐射能，但是只有在物体温度较高的时候，热辐射才能成为主要的传热形式。

4.在食品生产中，物料在换热器内被加热或冷却时通常需要用另一种流体供给或取走热量，此种流体称为载热体。

5. 热传导：物体各部分之间不发生相对位移，仅借分子、原子和自由电子等微观粒子的热运动而引起的热量传递称为热传导。

6．傅立叶定律中的负号是指热流方向和温度梯度方向相反。

7.对流传热：是在流体流动进程中发生的热量传递现象，它是依靠流体质点的移动进行热量传递的，与流体的流动情况密切相关。

8. 影响对流传热系数的因素流体的状态、流体的物理性质、流体的运

动状况、流体对流的状况、传热表面的形状、位置及大小等。

9.对流传热系数关联式中准数的符号及意义。

在数值上等于单位温度差下、单位传热面积的对流传热速率，其单位为W/(m2·℃)，它反映了对流传热的快慢，α愈大表示对流传热愈快。

10. 蒸汽冷凝有膜状冷凝和滴状冷凝两种方式。

膜状冷凝：由于冷凝液能润湿壁面，因而能形成一层完整的液膜。在整个冷凝过程中，冷凝液膜是其主要热阻

滴状冷凝：若冷凝液不能润湿冷壁面，由于表面张力的作用，冷凝液在壁面上形成许多液滴，并沿壁面落下，该种冷凝称为滴状冷凝。

11.冷、热流体通过间壁两侧的传热过程包括热流体以对流方式将热量传递给管壁、热量以热传导方式由管壁的一侧传递至另一侧、传递至另一侧的热量又以对流方式传递给冷流体三个步骤。

12.总传热系数K 的数值取决于流体的物性、传热过程的操作条件及换热器的类型。

K ——换热器的平均总传热系数， w/（m2·k ）

S ——换热器的总传热面积， m2

ΔT-- 换热器间壁两侧流体的平均温差

逆流和并流时的平均温度差

ΔTm 称为对数平均半径。当ΔT2/ ΔT1≤ 2时，可用（ΔT2+ ΔT1）/2代替对数平均温度差。

13.间壁式换热器换热操作中，壁温总是接近对流传热系数较大 一侧流体的温度。

14.强化传热的途径有增大传热面积、降低加热介质温度、增加平均温度差、减少传热阻力等。

●不凝性气体的影响: 在蒸汽冷凝时不凝性气体在液膜表面形成一层气膜，使传热阻力加大，冷凝对流传热系数降低。 ●蒸汽流速和流向的影响：

●冷却壁面的高度及布置方式：

●流体物性：冷凝液的密度越大，粘度越小，则液膜厚度越小，a 越大。

影响冷凝传热的因素：

Q KS T =?

15.在空气-蒸汽间壁换热过程中可采用提高空气流速方法来提高传热速率最合理。

16.蒸汽冷凝时的热阻决定于液膜厚度。

第四章颗粒与流体之间的相对运动

1.单颗粒的特性主要是颗粒的大小、形状、和表面积。

2. 颗粒的当量直径的三种表示方法。

等体积当量直径：颗粒的等体积当量直径为与该颗粒体积相等的

直径。

m；V―颗粒的体积，m3。

等比表面积当量直径: 与非球形颗粒比表面积相等的直径为该

颗粒的等比表面积当量直径。

m；

等表面积当量直径: 与非球形颗粒表面积相等的直径为该颗

粒的等表面积当量直径。

3. 床层的空隙率ε的概念及影响因素。空隙率的大小与颗粒形状、粒度分布、颗粒直径与床层直径的比值、床层的填充方式等因素有关。

4. 影响床层压降的因素有三个 ，即操作因素u ，流体物性ρ和μ，床层特性ε和a 。所有这些因素中，影响最大的是床层空隙率ε 。

流体通过一组平行细管流动的压降为

Δ

P---流体通过床层的压降，Pa; L —床层高度，m ；

de －床层流道的当量直径，m ；

u1－流体在床层内的实际流速，m/s

欧根方程,其实验范围为 Rep ＝0.17～420

当(Re)p ﹤20时,等式右边第二项可忽略。

当

(Re)p ﹥1000时，等式右边第一项可略去。

5.在重力沉降操作中，影响沉降速度的因素主要有颗粒体积分数、 器壁效应和颗粒形状。

沉降速度 则可得沉降速度计算式

≤ 2×105 牛顿区）

影响沉降速度的因素(

1) 颗粒直径dp:2) 连续相的粘度μ 3) 两相密度差(ρ p-ρ)：

4) 颗粒形状 5) 壁效应：当颗粒在靠近器壁的位置沉降时，由于器壁的影响，其沉降速度较自由沉降速度小，这种影响称为壁效应。

6)干扰沉降：当非均相物系中的颗粒较多，颗粒之间相互距离较近时，颗粒沉降会受到其它颗粒的影响，这种沉降称为干扰沉降。干扰沉降速度比自由沉降的小。

流化床的主要特性：

过滤:以某种多孔物质为介质，在外力的作用下，使悬浮液中的液体通过介质的孔道，而固体颗粒被截留在介质上，从而实现固液分离的单元操作。过滤介质: 过滤采用的多孔物质。滤浆: 所处理的悬浮液。滤液: 通过多孔通道的液体。滤饼或滤渣: 被截留的固体物质

过滤介质的作用(滤饼过滤)：促使滤饼的形成，并支承滤饼。

过滤介质应具有如下性质：

●多孔性，液体流过的阻力小。

●有足够的强度。

●耐腐蚀性和耐热性。

●孔道大小适当，能发生架桥现象。

无毒，易清洗消毒，不易滋生微生物等。

6.板框过滤机的操作是间歇式的，每个操作循环由装合、过滤、洗涤、卸渣、整理五个阶段。

7.板框压滤机滤板的作用是提供滤液通道,支撑滤布。

8.利用流动流体的作用，将大量固体颗粒悬浮于流体中并使之呈现出类似于流体的某些表现特性，这就是固体流态化。

9.当流体以不同速度由下向上通过固体颗粒床层时，根据流速的不同，可能出现以下几种情况: 固定床阶段、流化床阶段、气力输送阶段。

10.流化床的不正常现象。

(1)．腾涌现象：腾涌现象主要出现在气-固流化床中。若床层高度与直径之比值过大，或气速过高，或气体分布不均时，会发生气泡合并现象。当气泡直径长到与床层直径相等时，气泡将床层分为几段，形成相互间隔的气泡层与颗粒层。颗粒层被气泡推着向上运动，到达上部后气泡突然破裂，颗粒则分散落下，这种现象称为腾涌现象流化床发生腾涌时，不仅使气-固接触不均，颗粒对器壁的磨损加剧，而且引起设备振动。

(2)．沟流现象沟流现象是指气体通过床层时形成短路，大部分气体穿过沟道上升，没有与固体颗粒很好地接触。粒度过细、密度大、易于粘连的颗粒，以及气体在分布板处的初始分布不均，都容易引起沟流。

11.临界流化速度的概念及确定。

确定临界流化速度主要有两种方法：实验测定法和关联式计算法设以空气为流化介质时测定的临界流化速度umf′，则实际生产中的临界流化速度umf可用下式推算：

ρ -实际流化介质密度，kg/m3；

ρ′-空气密度，kg/m3；

μ -实际流化介质粘度，Pa·s；

μ′-空气的粘度，Pa·s。

对于单分散性固体颗粒，其临界流化速度为对于多分散性粒子床层，则需通过关联式计算由于临界点是固定床到流化床的转折点，所以，临界点的压力降既符合流化床的规律也符合固定床的规律。

12. 为什么板框过滤机洗涤速率等于过滤终了速率的1/4。

洗涤时洗液穿过二层滤布和整层滤饼，其路径为过滤终了时滤液路径的二倍，此外因过滤面积是洗涤面积的二倍，故当洗液粘度与滤液相近，且洗涤时所用压力与过滤终了时压力相同时，洗涤速率约为最终过滤速率的四分之一。

恒压过滤的特点：滤饼不断变厚、阻力逐渐增加、推动力Δp 恒定、过滤速率逐渐变小

恒速过滤：对于不可压缩滤饼进行恒速过滤时，其压强差随过滤时间成直线增加。所以，在实践中很少采用完全恒速过滤的方法。

第七章吸收与蒸馏

1菲克（Fick ）定律:

当物质A 在介质B 中发生扩散时，任一点处物质A 的扩散通量与该位置上A 的浓度梯度成正比，即：dz dc D J A AB A -=

JA ——A 组分在z 方向上的扩散通量kmol/m2·s;

cA ——A 组分的摩尔浓度kmol/m3；

DAB ——A 组分在A 、B 的混合物中扩散时的扩散系数m2/s

“-”——表示扩散沿着浓度降低方向进行。

同理 ，对B 组分dz dc D J B BA B -=

JB ——B 组分在z 方向上的扩散通量kmol/m2·s;

cB ——B 组分的摩尔浓度kmol/m3；

DBA ——B 组分在A 、B 的混合物中扩散时的扩散系数m2/s

1.等摩尔逆向扩散:

两容器内总压相同，所以连通管内任一截面上，组分A 的传质通量与组分B 的传质通量相等，但传质方向相反 等摩尔扩散速率:

对于气体

1122A B A B p p p p p +=+=A B

J J =-

对于液体

2.传质速率ＮA等于分子扩散速率ＪA的条件:单纯的等摩尔反向扩散.

3.单向扩散:气体

液体

4.P/PBm总是大于1，称为“漂流因子”或“移动因子”，其值越大，表明

整体移动在传质中所占分量越大.

5.对吸收而言，传质过程的限度：若保持液相浓度不变，气相浓度最低只

能降到与之相平衡的浓度。若保持气相浓度不变，则液相浓度最高只能升

高到与气相浓度相平衡的浓度。

6.吸收塔内填装一定高度的料层，其作用是提供足够的气液两相传质面

积。

7.传质速率是将一相主体浓度和界面浓度之差为对流传质推动力，而将

其它影响对流传质的因素均包含在传质系数中。

8.在气体流量，气相进出口组成和液相进口组成不变时，若减少吸收剂用

量，则传质推动力将减小，操作线将靠近平衡线。

9.双膜理论的基本论点:(1)在气液两相接触面附近，分别存在着呈滞流流

动的稳态气模与液膜，在此滞膜层内传质严格按分子扩散方式进行，膜的

厚度随流体流动状态而变化。（2）相界面没有传质阻力，即气液两相在相

界面上处于相平衡状态。（3）膜层以外的气液相主体，由于流体的湍动剧

烈，质速率高，传质阻力可以忽略不计，分压或浓度均匀化，无分压或浓度梯度。

10.在吸收塔的设计计算中，选取的液气比L/V 变化，会导致其他参数怎样变化？ （1）选取的 L/V 大，操作线斜率大，操作线与平衡线的距离大，塔内传质推动力大，完成一定分离任务所需塔高小；(2)L/V 大，吸收剂用量多，吸收剂出塔浓度 X1 减小，循环和再生费用增加；（3）若L/V 减小，吸收剂出塔浓度 X1 增加，塔内传质推动力减小，完成相同任务所需塔高增大，设备费用增多。

11.升温会使气体在液体中的溶解度变小，对吸收操作不利。

12.在分子传质中，总体流动是如何形成的？

13.在吸收过程中，气液平衡关系对各传递步骤阻力的大小及传质总推动力的分配有极大的影响：易溶气体溶解度大而平衡线斜率小，吸收过程通常为气相阻力控制；难溶气体溶解度小而平衡线斜率大，吸收过程通常为液相阻力控制。

14.精馏过程的基本原理：液体混合物经多次部分汽化和冷凝后，便可得到几乎完全的分离。

15.精馏与简单蒸馏的区别：（平衡蒸馏和简单蒸馏为单级分离过程，即仅对液体混合物进行一次部分汽化和冷凝，

故只能对液体混合物进行初步地

分离。若使液体混合物得到几乎完全的分离，必须进行多次部分汽化和冷凝，该过程即所谓的精馏。）汽相和液相的部分回流也是精馏操作的基本条件。它是两相不断进行物质传递从而实现高纯度分离的充分必要条件，而这种传递和分离的依据则仍然是各组分挥发度的不同。

16.理论板的概念：指离开该板的汽液两相互成平衡，塔板上各处的液相组成均匀一致的理想化塔板。

17.恒摩尔流假定：（1）恒摩尔汽化：每层塔板上升的蒸汽的摩尔流量相等。

精馏段: V1=V2=V3=…Vn=V=定值

提馏段: V1′=V2′=V3=…V′m=V′=定值但V与V′不一定相等。

（2）恒摩尔溢流：在精馏塔内，从精馏段或提馏段每层塔板下降的液相摩尔流量分别相等，但两段下降的液相摩尔流量不一定相等。

精馏段: L1=L2=L3=…Ln=L=定值

提馏段: L1′=L2′=L3′=…Lm′=L′=定值

但L与L'不一定相等。

19. q

20.完成一个精馏操作的两个必要条件是塔顶液相回流和塔底上升蒸气。

21.进入精馏塔的原料液可能有的五种热状况：

冷液进料 q>1

饱和液体（泡点）进料q=1

汽液混合物进料 0

饱和蒸汽（露点）进料q =0

过热蒸汽进料q <0

22.温度--组成（t-x-y）图的上下两曲线将图分成液相区、过热蒸汽区和汽液共存区三个区域。

23.对于二元理想溶液, 相对挥发度α大, 说明该物系容易分离。

24.再沸器的作用：加热液体产生蒸气，蒸气沿塔上升，与下降的液体逆流接触进行物质传递。多次且同时进行部分汽化。

25.为什么精馏塔分精馏段和提馏段？

若在塔顶进料则只有塔底的重组分产品可达高纯度，塔顶引出的蒸汽因没有经过精馏段的精制，纯度一般不会高。

若在塔底进料则只有塔顶的轻组分产品可达高纯度，塔底的液体因未经提馏段提浓，纯度一般也不会高。

只有包括了精馏段和提馏段的精馏塔才可能由塔顶和塔底连续地分别得到高纯度的轻、重组分产品。

根据恒摩尔流假设，L为定值，且在稳定操作时，D及xD为定值，故

R 为常量。它描述了任一板(第n 层板)的液体组成Xn 与此相邻的下一塔板(第n+1层)上升的蒸汽组成之间的关系，为一线性关系。

27..恒摩尔流假定成立的条件：气液两相接触时，若有1kmol 蒸气冷凝使1kmol 的液体汽化，这时气液流符合恒摩尔流假定。

28.最小回流比的计算：q D q D x x y x R R --=+1min min

第12章 干燥原理

一．相对湿度（湿度比）φ:在一定温度及总压下，湿空气的水汽分压 pv 与同温度下水的饱和蒸汽压 pS 之比，称为相对湿度，用符号φ表示，即pv=0时，φ=0，表示湿空气不含水分，即为绝干空气。当pv=ps 时，φ=1，表示湿空气为饱和空气。

①相对湿度可以说明湿空气偏离饱和空气的程度，能用于判定该湿空气能否作为干燥介质，φ值越小，则吸湿能力越大。

②在干燥操作中，总是先将空气加热后再送入干燥器内，其目的是降低相对湿度以提高吸湿能力。

二．干球温度T ：用普通温度计直接测得的湿空气的温度，它是空气的真实温度。

湿球温度TM ：用湿纱布包裹温度计的感温部分（水银球），纱布下端浸在水中，以保证纱布一直处于充分润湿状态，这种温度计称为湿球温度计 。

对于不饱和空气，该空气的三个温度干球温度t ，湿球温度Tm 和露点Td 的关系是：在不饱和空气中湿球温度TM 低于干球温度T 。

原理图如下：（形成过程见课本348页）

强调：①湿球温度实际上是湿纱布中水分的温度，而并不代表空气的真实温度，由于此温度由湿空气的温度、湿度所决定，故称其为湿空气的湿球温度，所以它是表明湿空气状态或性质的一种参数。②对于某一定干球温度的湿空气，其相对湿度越低，湿球温度值越低。对于饱和湿空气而言，其湿球温度与干球温度相等。③湿球温度的高低不仅与空气的干球温度t 有关，还与空气的湿含量d 有关，所以他是湿空气的一项状态函数。

三．露点温度 Td ：不饱和的空气在湿含量d 不变的情况下冷却，达到饱和状态时的温度，称为该湿空气的露点,用符号Td 表示。 若湿空气的温度降低到露点一下，则所含超过饱和部分的水蒸汽将以液态水的形式凝结出来。

含