《食品工程原理》ppt课件.ppt
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1、食品工程原理,第一章 绪 论,第一节 课程的性质和内容 第二节 单位和单位制 第三节 混合物浓度的表示方法 第四节 单元操作常用的基本概念,第一节 课程的性质和内容,单元操作 生产过程 化学反应过程 + 物理加工过程 (归纳) 基本操作过程 单元操作,一、单元操作和化学工程原理化工生产过程(以酒精生产工艺过程为例): 原料粉碎蒸煮汽化冷却糖化发酵过滤蒸馏产品 (前后处理过程是化工生产中必不可少的,且具重要地位),单元操作特点:,1、都是物理性操作2、都是化工生产中共有的操作3、不同的生产过程所包含的单元操作的数量及顺序不同,单元操作分类 按操作目的分:物料的增压、减压和输送 物料的混合与分散
2、物料的加热与冷却 非均相混合物的分离 均相混合物的分离,常用单元操作: 流体的流动和输送、传热 、沉降与过滤、干燥、蒸馏、吸收、萃取等。,按过程的物理本质分: 动量传递过程(单相或多相流动)、热量传递过程和物质传递过程。,表1 化工常用单元操作单元操作 目的 物态 原理 传递过程流体流动 输送 液或气 输入机械能 动量传递搅拌 混合或分散 气-液; 液-液 输入机械能 动量传递 固-液 过滤 非均相混合物分离 液-固;气-固 尺度不同的截留 动量传递沉降 非均相混合物分离 液-固;气-固 密度差引起的沉降运动 动量传递传热 加热、冷却 升温、降温, 气或液 利用温度差传入或 热量传递 改变相态
3、 移出热量 蒸发 溶剂与溶质的分离 液 供热以汽化溶剂 热量传递吸收 均相混合物分离 气 各组分在溶剂中溶解度不同 物质传递蒸馏 均相混合物分离 液 各组分间挥发度不同 物质传递萃取 均相混合物分离 液 各组分在溶剂中溶解度不同 物质传递干燥 去湿 固体 供热汽化 热、质 同时传递吸附 均相混合物分离 液或气 各组分在吸附剂中吸附 物质传递 能力不同,化学工程原理 研究对象 传递过程(包括单元操作的过程和设备)。 研究内容 单元操作基本原理、基本规律、相互关系和应用。 研究方法 实验研究方法,即经验的方法。 数学模型方法,即半理论半经验的方法。, 通过研究回答工业应用中提出的问题: 如何根据各
4、单元操作特点,进行“过程和设备”的选择,以适应指定物系的特征,经济而有效地满足工艺要求。 如何进行过程的计算和设备的设计。 如何进行操作和调节以适应生产的不同要求。在操作发生故障时如何寻找故障的缘由。,食品工程原理与化学工程原理 食品工程原理的基本内容来源于化学工程原理; 食品工程原理在发展中形成了许多特色。(冷冻技术、真空技术等),二、课程的内容和学习要求,学时分配:总学时90,理论课72,实验18学时(第11,14周周末)。教学内容:以流体的流动和输送、沉降与过滤、传热 、蒸发、 干燥、蒸馏、吸收等单元操作为主。学习要求:*具备高数、化学、物理、物理化学等基 础知识 *重视课前、课堂、课后
5、复习与练习三个环节参考资料:化工原理(第二版)陈敏恒等主编 ,化工版 食品工程原理 杨同舟主编 ,农业版 食品工程原理 高福成等主编 ,轻工版,第二节 单位和单位制,一、单位和单位制 物理量 = 数值单位 物理量分为基本量和导出量,量纲(因次):表示基本量的符号。 如:长度L、质量M或力F、温度t、时间等量纲式:表示基本量与导出量之间的关系: Q = La Mb tc d.单位制:基本单位与导出单位的总和。 基本量的基本单位,各种单位制均不相同。,常见的单位制及基本量的基本单位: 长度(L) 质量(M) 力(F) 时间(t) 温度() SI制 m kg S KCGS制 cm g S 工程制 m
6、 kgf S ,导出量的导出单位 如:力 F=Ma SI制 F = kgm/s2 = N(牛顿) 压强 P= N/m2 CGS制 F = gcm/s2 =dyn(达因) P= dyn/cm2 工程制 F = kgf P= kgf /m2,二、单位换算,物理量的单位换算 原单位表示的物理量数值换算因数 = 新单位表示的物理量数值,实验方程式(又称数值公式)的单位换算 根据(物理量 = 数值单位)关系进行换算,例:已知某吸收塔塔板上的液流量L与塔盘内液层高度H的关系为: L = 0.0052H 式中 L液流量,m3/s 换算成 m3/hr ; H液层高度,m mm 。,解:设液流量与塔盘内液层高度
7、两个物理量分别为L、H。 即有 L= L(m3/s) L = L/(m3/s) H= H(m) H = H/(m) 则原式改写为: L/(m3/s)= 0.0052H/(m) 将 1 m3/s = 3600 m3/hr ,1 m =1000 m m 代入上式 得: L/(3600 m3/hr)= 0.0052H/(1000 m m) 整理得: L/(m3/hr)= 0.592H/(m m)换算后的实验方程式为: L = 0.592H,习题:实验方程式的单位换算 G = 2.45 u0.8p 式中:G 蒸发量,磅(质)/(英尺2小时)换算成 kg/m2hr u 气速,英尺 / 秒 m/s p 压
8、强差,大气压(atm) N/m2 。,第三节 混合物浓度的表示方法,一、物质的量浓度与物质的量分数 1、物质的量浓度(简称物质的浓度,也称摩尔浓度,单位kmol/m3) 2、物质的量分数(摩尔分数) 二、物质的质量浓度与质量分数 1、质量浓度(也称密度) 2、质量分数三、摩尔比与质量比,第四节 单元操作常用的基本概念,1、物料衡算(输入量=输出量+累积量) 2、能量衡算 3、物系的平衡关系 4、传递过程速率(过程速率=过程推动力/过程阻力) 5、经济核算,第二章 流体流动,第一节 概 述一、流体的定义和分类,3、研究对象 质点:含有大量分子的流体微团。 流体: 是由大量质点组成的、彼此间没有间
9、隙、完全充满所占空间的连续介质。流体的物理性质及运动参数在空间作 连续分布,即可以用连续函数的数学工具加以描述。,2、特征 具有流动性 无固定形状 在外力作用下,其内部发生相对运动,产生流动。,1、定义 流体是液体和气体的统称。,4、定态流动与非定态流动 定态流动是指点的速度ux、uy、uz及压强p均为与时间无关的常数。 即: 定态流动 u = f(x、y、z) 非定态流动 u = f (x、y、z、) u = f(x、y、z、) u = f (x、y、z),5、运动的描述方法 拉格朗日法: 描述同一质点在不同时刻的状态。 (物理学中考察单个固体质点时用) 欧拉法:描述空间各点的状态及其与时间
10、的关系。 (考察定态流体流动时常用),6、分类 按流体的体积是否随压强、温度变化分 不可压缩流体 与 可压缩流体 按流体流动时是否存在粘性力分 理想流体 与 非理想流体 按流体流动时与du/dy之间是否遵守牛顿粘性定律分 牛顿流体 与 非牛顿流体,二、本章主要内容 1、流体静力学基本方程及其应用 2、管内流体流动基本方程 3、管内流体流动阻力 4、管路计算,第二节 流体静力学基本方程及其应用,一、流体的物理性质及作用力二、流体静力学基本方程式三、流体静力学基本方程式的应用,一、流体的物理性质及作用力,1、密度与比容,比容 定义式 = 1 / (m3/kg),密度 定义式: = m / V (k
11、g/m3) 影响因素: = f(P,T) 确定方法: 实验测定或从手册资料中查取 液体的密度 = f(T) 气体的密度 = f(P,T) 混合液体的密度 混合气体的密度,2、流体的压强 流动着的流体受到的作用力可分为体积力和表面力。 体积力:也称质量力,包括重力、离心力。(都是场力) 表面力:与表面积成正比的力,包括垂直作用于表面的压力 和平行作用于表面的剪力(流动着的流体内部)。,压力: F (N) 压强(静压强): P = F/A (N/m2 即Pa 帕),压强的单位 1 atm = 1.013105Pa = 1.033 kgf /cm2 = 1.013 bar = 760 mmHg =
12、10.33 mH2O 生产中常用单位: 1M Pa(兆帕)= 106 Pa 10 atm 注意:以液柱高度表示压强时,一定要指明是何种液体。,压强的表示方法 绝对压强 表压强 真空度,表压强 = 绝对压强 大气压强 真空度 = 大气压强 绝对压强,例:已知某设备进口压强 P进=1200mmH2O (真空度),出口压强 P出=1.6 kgf/cm2 (表压),当地大气压强P0=760mmHg,求设备进出口压强差,用N/m2表示。,*表示方法要一致*单位要一致,解: P进=1200mmH2O (真空度)= (N/m2) P出=1.6 kgf/cm2 (表压)= (N/m2) P = P进 - P出
13、 = 1.685105 (N/m2),3、流体的粘度剪应力:流体流动时,单位面积上所受的内磨擦力,也称 粘性力(或剪力)。,粘性 :是流动着的流体内部分子微观运动的一种宏观表现。其 本质是分子间引力和分子的运动和碰撞。 (静止的流体是不能承受剪应力和剪切变形的,这是流体与固体的力 学特性的不同点。),粘度:衡量流体剪应力(粘性)大小的物理量。因不同流体 而异,是影响流体流动的一个重要的物理性质。,平板间液体速度变化图 实验证明: 对于大多数流体 与du/dy成正比 F 引入比例系数, 则 =du/dy 称为牛顿粘性定律。 比例系数 称为粘度或粘性系数(动力粘度)。,dy,du,*粘度的物理意义
14、 *影响因素*粘度的单位及换算 cp(厘泊) 物理制单位 1 cp = 10-2 p Pas SI制单位 1 cp = 10-3 Pas *理想流体*动力粘度与运动粘度,分析重力场中静止的均匀的液体中一流体柱的受力情况: 作用于液柱上表面的力 P1A 作用于液柱下表面的力 P2A 液柱自身重力 gA(z1- z2) 则 P1A - P2A + gA(z1- z2)=0 整理得 P2 = P1+ g(z1- z2),上式称为流体静力学基本方程式。适用于重力场中静止的均匀的不可压缩流体。反映了静止流体内部的压强跟深度的定量关系。 其它表达形式:(单位质量流体总势能相等) 流体微元受力平衡一般式;d
15、p/ =Xdx+Ydy+Zdz 重力场中X,Y=0 Z=-g,二、流体静力学基本方程式 流体静力学基本方程式可通过静力平衡得到。,P1A,P2A,mg,* 适用范围 * 基本规律及应用 h油 * 表达式 h h水,例:如图,在一开口容器内盛有 A A 油水混合物,静置后油层高度0.7m,密度800kg/m3;水层高度0.6m,密度1000kg/m3。计算水在玻璃管中的高度h 。(A-A在同一水平面上),解: 根据静力学基本方程,以A-A为基准面 有 PA=P0+ 油g h油+ 水g h水 PA =P0+ 水g h 即 P0+ 油g h油+ 水g h水= P0+ 水g h h=1.16m *问题
16、?,1、压强的静力学测量方法 简单测压管 PA = P0 + g R A点的表压为 PA- P0 = g R U型测压管 PA = P0 + i g R g h1 A点的表压为 PA- P0 = i g R g h1,三、流体静力学基本方程式的应用,啊,A,A,R,R, U型压差计 结构 U型管 指示液 标尺,m,R,a,b,1,2,测量原理 如图,设P1 P2 ,则指示液呈现出高度差R(称为读数)。 R与P的关系: 根据静力平衡原理,有 Pa=Pb (a、b在同一水平面上) 又 Pa= P1+g(m+R) Pb = P2+g m +0g R P = P1 - P2 = R(0 )g,P =
17、P1 - P2 = R(0 )g 上式说明: 当0 、一定时,P 仅与 R 有关。 若两测压点不在同一水平面上,则R(0 )g不是真正的压强差,而是两被测截面上的虚拟压强差。 U型压差计适用范围,斜管微压计、复式U型压差计等 2、液面测量 3、确定液封高度 作业: P60:2.8.9.10,第三节 管内流体流动基本方程,流体流动的规律主要是指流体的流速、压强等运动参数在流体流动过程中的变化规律。 流体流动应当服从质量守恒、能量定恒、动量守恒等守恒原理,根据这些守恒原理可以得到有关运动参数的变化规律。,一、流体的流速和流量 1、流量 体积流量 qv ,m3/s 质量流量 qm ,kg/s qm
18、=qv,定义: 质点的运动速度 u 平均流速 u (m/s) u = qv / A qv = Au =A u d A 质量流速 w (kg/m2. s) w = qm / A =u,2、流速,管径的大小应通过经济核算(或根据经验值)定。并注意: 密度大的流体 粘度大的流体 含有固体杂质的流体一些流体在管道中的常用流速( m/s ) 水及一般液体 1-3 易燃易爆的低压气体 小于8 粘度较大的液体 0.5-1 压力较高的气体 15-25 低压液体 8-15 饱和水蒸汽 20-40 过热水蒸汽 30-50,3、在管内流动的流体流速的确定,u = qv / A = 4qv /(d 2 ) 即 u与流
19、量qv 、管径d有关。 当qv一定时: u d 操作费 设备费 u d 操作费 设备费,解:= 2.2cp与水相近,取 u = 2 m/s (水在管内流动的流速通常为1 .53 m/s ) qv = 60T/h = 0.018 m3/s d =qv/ 0.785u =0.018/ 0.7852 = 0.099 m,例:将15、20%的糖水用泵送至远处的设备中,要求输送量为60T/h,求所需管道的直径。 (糖水的=1080kg/m3,= 2.2cp),根据不锈钢管规格可知,1084 m m规格的管道符合要求。,如图,对管内稳态流动流体作物料衡算(质量守恒) 有 qm1 = qm2 即 1A1 u
20、1 =2A2 u2 或 A u =常数 u1 / u2 = A2 / A1 =(d2 / d1)2,三、连续性方程 ( 稳态流动系统的物料衡算),结论:适用条件: 不可压缩流体在管内作连续稳态流动时,1,2,根据质量守恒定律,以有微分时间d为依据,可求得一段时间范围内的物料变化量。衡算式: F d- D d= d S (1) F D = d S / d (2)式中 F 瞬间进料速率 D 瞬间出料速率 S 衡算范围内的累积物料量 d 微分时间,非稳态流动系统的物料衡算,例:水槽底有一出水孔。已知从此孔将水放出的速率与槽内液面高度及 孔的截面积有关,其关系式如下: 式中 V为放水速率,m3/S ;
21、A0为小孔的截面积,m2;h为槽内液面高度,m;g为重力加速度9.81m/S2。若水槽直径为0.5m,小孔的截面积为 10cm2,槽内液面高度为0.6m。求:将槽内水放完需要多少时间?,解:已知:A=0.196m2 A0=10-3 m2 h1=0.6m h2=0。 根据题意及式(1)F d- D d= d S 有 F d=0; d S = d(Ah)=A dh ; D = V 即 - V d= d(Ah)=A dh 将积分上下限 1=0, h1=0.6m; 2=,h2=0 代入(1)式积分,可得结果:=110秒,1、连续稳态流动系统的总能量衡算 连续稳定系统组成(如图所示),四、柏努利方程式(
22、能量衡算式) 理想流体能量衡算式可根据牛顿第二运动定律,通过对流动系统中的一个微分单元体作力的分析进行推导; 实际流体能量衡算式也可通过对流动系统作能量衡算进行推导。,1,2,设:u1、p1、 Z1、A1、1 、1,衡算范围,衡算基准,基准水平面,1kg流体进出系统时输入与输出的能量: 内能 U1 U2 (单位: J/kg ) 位能 gz1 gz2 动能 u12/2 u22/2 静压能(流动功) P1/1 P2/2 流动功 = 力距离 = P A V / A = P V 1kg流体进出系统时输入与输出的流动功为: P1 V1 / m1 = P1/1 P2 V2 / m2 = P2/2以上位能、
23、动能、静压能又称为机械能,三者之和称为总机械能。 热量 Qe 外加功 We,根据能量守衡定律,列出衡算式: U1+ gz1+ u12/2 + p1/1 + Qe+ We = U2+ gz2+ u22/2 + p2/2 单位:(J/kg) 上式为连续稳态流动系统的总能量衡算式。,2、连续稳态流动系统的机械能衡算式 机械能衡算式 对于单纯的流体输送系统、不可压缩流体有: U1+ gz1+ u12/2 + p1/ = U2+ gz2+ u22/2 + p2/ gz1+ u12/2 + p1/ = U2- U1 + gz2+ u22/2 + p2/ 实验证明: gz1+ u12/2 + p1/ gz2
24、+ u22/2 + p2/ 将(U2 - U1 )用h f表示 gz1+u12/2 +p1/= gz2+ u22/2 + p2/+h f (A) gz1+u12/2+p1/+We=gz2+u22/2+p2/+h f (B) 以上(A) (B)两式均称为机械能衡算式。,实际流体柏努利方程式的三种不同形式以单位质量流体为基准(J/kg) gz1+u12/2+p1/+We=gz2+u22/2+p2/+hf,柏努利方程式 对于不可压缩理想流体,则有 gz1+ u12/2 + p1/ = gz2+ u22/2 + p2/ 柏努利方程式的物理意义是:管内作连续定态流动的理想流体总机械能守衡,但各种形式的机
25、械能之间可以相互转换。,以单位重量流体为基准 (m液柱) z1+u12/2g+p1/g+ He =z2+u22/2g+p2/g+H f ( He = We/g ) (Hf = hf/g ) 以单位体积流体为基准(N/m2 ) gz1+u12/2+p1+We=gz2+u22/2+p2+h f,3、柏努利方程式的应用 确定管内流体的流量和压强 确定容器(设备)的相对位置 确定输送机械的功率 应用柏努利方程式解题要点,讨论 对于静止的流体有: gz1 + p1/ = gz2+ p2/ (即静力学方程式) 对于可压缩流体: 1 2 当变化不大时可用平均值代 对于作不稳定流动的流体:在任一瞬间衡算式成立
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