食品工程原理总结

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1、食品工程原理第 4 章 颗粒与流体之间的相对流动球形颗粒的表示方法：用直径d全面表示。非球形颗粒的表示方法：1）体积等效直径2）表面积等效直径3）比表面积等效直径 颗粒群的特性：任何颗粒群都具有某种粒度分布。 颗粒粒度的测量方法：筛分法、显微镜法、沉降法、电阻变化法、光 散射与衍射法、比表面积法。固体流态化的概念和状态： 概念：流体通过固定床层向上流动时的流速增加而且超过某一限度 时，床层浮起的现象称为固体流态化。状态：流体经过固体颗粒床层的三种状态：当流体自下而上通过固体 颗粒床层时，根据颗粒特性和流体速度的不同，存在三种状态: 固定 床阶段、流化床阶段、气力输送阶段过滤常数包括：1）滤饼常

2、数2）过滤常数：与滤浆物性和过滤操作压差有关。只 有在恒压过滤是才能成为常数。第 5 章 液体搅拌 调匀度：指一种或几种组分的浓度或其他物理量和温度等在搅拌体系 内的均匀性。混合的均匀度的表示：分隔尺度：混合物各个局部小区域体积的平均值。可以反映混合物的 混合程度。分隔尺度愈大，表示物料分散情况愈差。分隔强度：混合物各个局部小区域的浓度与整个混合物的平均浓度的 偏差的平均值。可以反映混合物的混合程度。分隔强度愈大，表示物 料混合愈不充分。混合的原理：1）对流混合；2）扩散混合；3）剪力混合 混合速率：指混合过程中物料的实际状态与其中组分达到完全随机分 配状态之间差异消失的速率。乳化：将两种通常

3、不互溶的液体进行密切混合的一种特殊的液体混合 操作，包含混合和均质化。它是一种液体以微小球滴或固型微粒子（称 分散相）均匀分散在另一种液体（称连续相）之中的现象。乳化机理：由于乳化剂具有表面活性，它向分散相-连续相的界面吸 附，使界面能降低，防止两相恢复原状。此外，因乳化剂分子膜将液 滴包住，可防止碰撞的液滴彼此又合并。同时由于形成表面双电层， 使液滴在相互接近时，因电的相斥作用防止凝聚。乳化剂的这种作用 使原热力学不稳定体系的乳液可以保持为稳定体系。第 6 章 粉碎和筛分粒度：颗粒的大小称为粒度。是表示固体粉碎程度的代表性尺寸。 平均粒度：固体颗粒的平均大小。球形度：指同体积球体的表面积与不

4、规则颗粒的实际表面积之比。表 示颗粒形状偏离球形的程度。形状系数：表示颗粒偏离规则形状的程度。粒度测定的方式：直观观察法（图像分析仪）、筛分法、电沉积筛法 沉降法、激光粒度分析法、小孔通过法、流体透过法、气体吸附法。 粉碎分类:按 1 ）被粉碎粒度：粗粉碎、中粉碎、微粉碎（细粉碎）、超微粉碎 （超细粉碎）2）物料中含水量：干式粉碎、湿式粉碎3）粉碎比：粗碎、中细碎、磨碎4）粉碎力：挤压粉碎、冲击粉碎、研磨粉碎、劈裂粉碎5）粉碎工艺类型：开路粉碎、闭路粉碎、带预先分级的开路粉碎、 带预先分级的闭路粉碎、带最终分级的开路粉碎、带预先分级和最终 分级的开路粉碎。粉碎能耗假说：1）表面积假说：粉碎能耗

5、与粉碎时新生表面积成正比。2）体积假说：该理论认为，外力所做的功同颗粒的体积成正比，粉 碎后物料颗粒粒度也呈正比例减小。3）裂缝假说：在粉碎物粒度在110mm范围内，粉碎能耗与裂缝长 度成正比。筛分：通过筛分器将大小不同的的固体颗粒分成两种或多种粒级的过 程。筛析：又称过筛分析法，用标准筛分析粉碎后颗粒的粒度分布。第 7 章 吸收与蒸馏 分子扩散：在一相内部存在浓度差(或浓度梯度)的情况下，由于分 子的无规则运动而导致的物质传递现象。分子扩散是物质分子微观运 动的结果。扩散通量(J):单位时间内单位面积上扩散传递的物质量，其单位为 mol/(m2s)。菲克(Fick)定律当物质 A 在介质 B

6、 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J 一D牛A AB dz式中JA物质A在z方向上的分子扩散通量，kmol/(m2s)dCA/dz物质A的浓度梯度，kmol/m4DAB物质A在A、B混合物中的分子扩散系数，m2/s 负号表示扩散是沿着物质A浓度降低的方向进行的。 对气体常用分压梯度表示:n pt D dpC = A = AJ = AA V RTA RT dz式中pA物质A组分分压，PaT气体温度，KR气体常数，8.314J/ ( kmolK )负号表示扩散是沿着物质A浓度降低的方向进行的。等摩尔扩散:在总压相同的情况下，联通管内任一截面上单位时间单 位面

7、积上向右传递的 A 分子的数量与向左传递的 B 分子的数量必定 相等，此现象称为等摩尔逆向扩散。在任一固定的空间位置垂直于扩散方向的截面上，单位时间通过单位 面积的A物质的量，称为A的传递速率，以NA表示。对于单纯的 等摩尔逆向扩散，物质A的传递速率应等于A的扩散通量。在气体吸收中溶质A溶解于溶剂中，惰性气体B不溶解于溶剂中， 则液相中不存在组分B，此过程为组分A通过另一“静止”组分B的单 向扩散。分子扩散系数：是物质的特征系数之一，表示物质在介质中的扩散能 力；扩散系数取决于介质的种类、温度、浓度及压强。对流传质是指发生在运动着的流体与相截面之间的传质过程。在实际 生产中，传质操作多发生在流

8、体湍流的情况下，此时的对流传质是湍 流主体与相界面之间的涡流扩散与分子扩散两种传质作用的总和。当气液两相接触时，两相之间有一个相界面，在相界面两侧分 别存在着呈层流流动的稳定膜层（有效层流膜层）。溶质必须以 分子扩散的形式连续的通过这两个膜层，膜层的厚度主要随流 速而变，流速愈大厚度愈小。在相界面上气液两相相互成平衡。在膜层以外的主体内，由于流体的充分湍动，溶质的浓度分布 均匀，可认为两相主体中的浓度梯度为零，即浓度梯度全部集 中在两个有效膜层中。传质设备：1）填料塔：结构简单、压降低 2）板式塔：空塔速度高、生产能力大、液气比的适用范 围大，且放大时塔板效率稳定。气体在液体中的溶解度：1)

9、在一定温度下，气体组分的溶解度随该组分在气相中的平衡分压 的增大而增大；而在相同平衡分压条件下，气体组分的溶解度则随温 度的升高而减小。2) 在同一温度下，对于不同种类的气体组分，欲得到相同浓度的溶 液，易溶气体仅需控制较低的分压，而难溶气体则需较高分压。3) 加压和降温对吸收操作有利；反之，升温和减压有利于解吸。亨利定律：当总压不高(式中：Dt为板式塔或填料塔的塔径，nu化为通过塔的实际气体的体积流量， m3/s; u为所选空塔气速* m/so填料层高度的计算：传质单元高度与传质单元数：蒸馏：气液相平衡图：1 ）温度-组成图（t - x - y图） 已知 P、t ，求相互平衡的 x 、y上曲

10、线：平衡时汽相组成与温度的关系，称为汽相线（露 点曲线）；下曲线：平衡时液相组成与温度的关系，称为液相线（泡点曲线）。两曲线将图分成三个区域：液相区、过热蒸汽区、汽液共存区。2）汽液相平衡图（XY某些溶液达平衡时，气相中易挥发组分浓度总是大于液相，故 其平衡线位于对角线的上方；平衡线离对角线越远，表示该溶液越易分离。平衡线上不同点代表一个气、液平衡状态，即对应一组x、y、 t，且y （或x）越大，t愈低。精馏原理：精馏是将由挥发度不同的组分所组成的混合液，在精馏塔 中同时多次地进行部分气化和部分冷凝，使其分离成几乎纯态组分的 过程。A、精馏过程进料板以上称为精馏段精制汽相中的易挥发组分。 进料

11、板以下(包括进料板)称为提馏段提浓液相中难挥发组分。 塔顶产品称为馏出液 富含易挥发组分。塔底产品称为釜液富含难挥发组分 两组分连续精馏工艺计算的主要内容A确定产品的流量；确定合适的操作条件:操作压强、回流比和加料状态等；确定精馏塔所需的理论塔板数和加料位置；选择精馏塔的类型、确定塔径、塔高及塔的其它参数；冷凝器和再沸器的设计计算。 相对挥发度及气液平衡方程 纯液体的挥发度是指该液体在一定温度下的饱和蒸气压。 溶液中各组分的挥发度定义为该组分在蒸气中的分压和与之相平衡 的液相中的摩尔分率之比，即相对挥发度：是指溶液中两组分挥发度之比，常以易挥发组分的挥发Py /xy ;xa = AA = AA

12、 py x y xB B B B度为分子。 v p xa = A = AA v p xBB B_ax相平衡方程： y _ 1 + (a 1) x当a值已知，按上式可由X ( y )算出平衡时的y ( x ),即用相对挥发 度表示了气液平衡关系，故可称为相平衡方程理论塔板的概念：理论板是指离开该塔板的蒸汽和液体呈平衡状态的 塔板。oxy =nn 1 + （o -1） xn理论板不存在的原因：气液间接触面积和接触时间是有限的，难以达 到平衡状态。理论板可作为衡量实际板分离效率的依据和标准。 恒摩尔流的假设 恒摩尔汽化：每层塔板上升的蒸汽的摩尔流量相等。精馏段:V仁V2=V3=.Vn=定值提馏段：V

13、1=V2=V3=Vm=V定值但V与V不一定相等.恒摩尔溢流： 每层塔板溢流的液体的摩尔流量相等。精馏段：L仁L2=L3=.丄n=定值提馏段：L1=L2=L3=Lm=L定值但L与L不一定相等.恒摩尔流 ：恒摩尔汽化和恒摩尔液流的总称。 满足恒摩尔流的条件1）各组分的摩尔气化焓相等2）气液接触时因温度不同而交换的显热可以忽略3）塔设备保温良好，热损失可以忽略 全塔物料衡算：式中 F原料液流量，kmol/h ;D馏出液流量，kmol/h ;W釜残液流量，kmol/h ;原料液中易挥发组分的摩尔分率；馏出液中易挥发组分的摩尔分率；釜残液中易挥发组分的摩尔分率；回流比的影响与选择：回流比R=L/D的改变

14、对精馏操作的影响1) Rf,精馏段操作线向对角线靠近，N 但Lt,即冷凝器的负荷 加大。2) R；,精馏段远离对角线，Nt,当精馏操作线和q线的交点在平衡 线上时，则N*，此时R称为Rmin第 8 章 液体吸附与离子交换液体吸附：吸附操作是指流体与某种固体相接触时,固体能够有选择地将流体中的某些组分凝聚在其表面上,从而达到分离的目的。 吸附机理：非稳态的扩散传质过程1）外扩散过程：吸附剂周围流体相中吸附质扩散穿过流体膜到达吸 附剂表面。2）内扩散过程：吸附质从吸附剂的外表面进入吸附剂的微孔道，扩 散至吸附剂的内表面。3）吸附过程：扩散至微孔表面的吸附质在吸附剂内表面被吸附。4）脱附：已被吸附的

15、吸附质分子，部分脱附，离开微孔道表面。5）内反扩散：脱附的吸附质分子从孔道内吸附流体相扩散到吸附剂 外表面。6）外反扩散：吸附质分子从外表面反扩散穿过流体膜，进入外界周 围的流体中，从而完成脱附。离子交换：当吸附剂在电解质溶液中进行吸附时，不仅吸附中性分子， 还会吸附带电荷的离子，即极性吸附，如果被吸附离子与吸附剂中的 离子进行交换，则称离子交换过程。离子交换机理：包括五个步骤；（1）交换离子由溶液主体扩散至树脂表面；（2）交换离子由外表面经颗粒中的微孔扩散到活性基团上；（3）交换离子与树脂活性基团上的反离子进行交换；（4）交换下来的反离子由树脂内部经微孔扩散至树脂外表面；（5）交换下来的反离

16、子有树脂表面扩散至溶液主体。第 10 章 膜分离 反渗透的基本原理：利用反渗透膜对溶剂的选择性，对溶液施加压力 克服溶剂的渗透压，使溶剂反渗透膜而从溶液中分离出来。 反渗透的浓差极化现象：由于反渗透膜具选择性，允许溶剂通过，这样在膜高压侧表面上 的溶质逐渐积累，当其浓度增大到超过溶液主体中溶质时，就形成了 膜表面与溶液主体的浓度梯度，引起溶质从膜表面向溶液主体扩散， 称浓差极化现象。浓差极化对反渗透操作的影响 膜表面溶质浓度增大，使表面溶质渗透通量增多，导致分离效率降低。 膜表面溶质浓度增大，使表面溶质渗透压增高，水的渗透通量降低。 膜表面局部浓度增大，使表面溶液趋于饱和，易形成结晶或凝胶，

17、堵塞孔道。 严重时会使膜表面上形成伪膜，使膜功能完全丧失。 浓度极化的防治： 增加原料液的流速； 适当提高操作温度； 超滤的基本原理：超滤是以压力差为推动力的膜分离过程。利用孔径为10200nm的 超滤膜来过滤含有大分子物质或微细粒子的溶液。超滤的浓差极化现象： 超滤过程中，水透过而大分子溶质被截留， 聚积在膜处使附近浓度升高，为浓差极化。超滤浓差极化现象比反渗 透更严重。减轻反渗透和超滤浓差极化的方法 （1）回收率控制，高回收率会使极化程度增加，所以回收率应控制 在较低的状况下。（2） 流动型态和流程控制，流动型态分层流、平流和湍流，层流极 化程度增大，湍流最小；为了减少极化状态，应加强湍流

18、。（3 ）填料法，将直径29100 pm的小球放入被处理液体中，令其 共同流经反渗透器以减小浓差极化层厚度而增大渗透通量。（ 4 ）设置湍流促进器，是指可强化流动型态的各类障碍物。 超滤渗透通量的衰减和解决办法： 衰减原因：1）因微粒及溶液浓缩与浓差极化引起的盐类沉淀等原因 而导致的膜污染。2）因膜材料受水解、氧化等化学变化和压实等物 理原因引起的膜结构形态的变化。解决方法：1）选择合适的膜材料；膜的亲水性、荷电性会影响到膜 与溶质间相互作用的大小及膜污染的程度。2）料液的预处理；预处 理包括除去料液中的有害杂质及料液温度和PH的调节。3 ）膜的清 洗；针对膜污染产生的原因，采用合适的清洗剂和

19、合理的清洗方法可 以很好的清除膜污染，恢复渗透通量。电渗析基本原理：电渗析用于处理电解质溶液，它是在直流电场作用下，以电位差为推动力，溶液中的离子选择性地通过离子交换膜的过程。 浓差极化对电渗析的危害：1）极化时淡化室膜面附近的离子浓度比溶液主体的浓度低得多，将 引起很高的极化电位。2）当发生极化是，淡化室阴阳膜侧的水离解产生的氢氧根离子和氢 离子透过阴阳膜进入浓缩室，当溶液中存在钙镁等离子时，会在阴阳 膜面产生沉淀。3）浓差极化使水离解，产生的氢离子和氢氧根离子代替反离子传递 部分电流，使电流效率降低。4）由于浓差极化将引起电阻增加，使所需的操作电压增加，电耗大； 电压一定时，电流密度下降，使效率降低。5）浓差极化引起的溶液 PH 的变化，会使离子交换膜受到腐蚀而影 响使用寿命。防治浓差极化的方法：1）严格控制操作电流，使其低于极限电流密度。2）提高淡化室两侧离子的传递速度。3）定期清洗沉淀或采用防垢剂和倒换电极等措施来消除沉淀。也可对水进行预处理，除去钙镁离子，防止沉淀产生。4）提高温度有利于减轻极化的影响，是电渗析有可能在较高的电流 密度下工作。