食品工程原理实验指导胶印版DOC.docx

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食品工程原理

实验指导

王洪志

食品工程原理-前言

一、食品工程原理实验的特点

食品工程原理实验属于工程实验范畴，它不同于基础课程的实验。

后者面对的是基础科学，采用的方法是理论的、严密的，处理的对象通常是简单的、基本的甚至是理想的，而工程实验面对的是复杂的实际问题和工程问题。

对象不同，实验研究方法也必然不同，工程实验的困难在于变量多、涉及的物料千变万化、设备大小悬殊，实验工作量之大之难是可想而知的。

因此不能把处理一般物理实验的方法简单地套用于食品工程原理实验。

数学模型方法和因次论指导下的实验研究方法是研究工程问题的两个基本方法，因为这两种方法可以非常成功地使实验研究结果由小见大、由此及彼地应用于大设备生产设计上。

二、实验教学目的

1.培养学生从事实验研究的初步能力。

从科学实验中，我们体会到从事实验研究应具有这样一些能力：

对实验现象有敏锐的观察能力；运用各种实验手段正确地攫取实验数据和实验现象实事求是地得出结论，并能提出自己见解的能力以及对所研究的问题具有旺盛的探索和创造力。

2.初步掌握一些有关食品工程学的实验研究方法和实验技术。

为此，基础实验中也应力求接触一些新的测试技术和手段，以便能适应不断发展着的科学技术。

3.培养学生运用所学的理论，分析和解决实验问题的能力。

在理论与实验相结合的过程中，必将有助于巩固和加深对某些基本原理的理解，进而在某些方面还能得到适当的充实和提高。

三、实验教学要求

1.认真阅读实验指导书和有关参考资料，了解实验目的和要求。

2.进行实验室现场预习，了解实验装置，摸清实验流程、测试点、操作控制点，此外还须了解所使用的检测仪器、仪表。

3.预先组织好5—6人的实验小组，实验小组讨论并拟定实验方案，预先作好分工。

4.进行实验操作：

要求认真细致地记录实验原始数据。

操作中应能进行理论联系实际的思考。

5.实验数据的处理，如果用计算机处理实验数据，则学生须有一组手算的计算示例。

6.撰写实验报告。

撰写实验报告是实验教学的重要组成部分，应避免单纯填写表格的方式，而应由学生自行撰写成文。

食品工程原理-实验大纲简介

食品工程原理是研究食品生产中各种单元操作的工程学科，它紧密联系生产实际，是食品科学与工程专业学生必修的一门技术基础课程。

其教学目的是使学生学会用自然科学的原理考察、解释和处理工程实际问题。

食品工程原理实验是教学中的一个重要的实践环节，通过实验，学生不但能巩固所学的理论知识，而且还能在实验中增长不少新的知识，并受到系统的、严格的工程实验训练，从而提高动手能力和分析问题和解决问题的能力。

本课程实验教学共34学时，着重于介绍实验原理、实验装置和实验方法，以及数据的处理及常用仪表的测量方法。

食品工程原理-实验守则

1.实验前应认真准备，弄清实验目的、任务和实验方法，做好实验前的一切准备，以保证实验任务顺利完成。

2.进入实验室后，要严肃认真，不得追逐嬉笑，不得抽烟和随地吐痰。

3.不得赤足进入实验室，以防触电，有辫子的女同学应把辫子扎好，以防被机器轧住，造成事故。

4.对本实验用的仪器设备，要在明确用法，弄清流程后才准启用。

凡非属本次实验用的仪器设备，一律不准随便使用，以免损坏或发生意外。

5.注意节约用水、电、蒸汽及化学药品等物资，爱护仪器设备。

6.因责任事故而损耗物资，损坏仪器等按照有关制度，根据情节轻重及本人对错误的认识程度，分别给予教育、经济赔偿或纪律处分。

7.实验结束后，应将所使用的仪器设备整理复原，检查水源、电源、汽源是否已确实关断并将场地打扫干净

食品工程原理-实验目录

实验一流体流动演示实验

实验二柏努利方程演示实验

实验三离心泵性能测定实验

实验四碎冰与盐混合制造低温实验

实验五制冷机主要结构及相关制冷计算

实验六乳化液的制备

实验七乳化液的制取

实验八简单蒸溜实验（米酒的提取和浓缩）

实验九膜分离实验

实验十浸出实验——花生油的制取

实验十一结晶浓缩实验——硝酸钾的制备

实验十二结晶浓缩实验——硫酸铜的提纯

实验十三粗食盐的提纯

实验十四干燥实验——食品中水分含量的测定

实验十五筛板式精馏塔的操作及塔板效率测定

食品工程原理实验一

流体流动演示实验

1、实验目的

（1）演示流体经过不同边界情况下的流动形态，以观察不同边界条件下的流线、旋涡等现象，增强和加深对流体运动特性的认识。

（2）演示水流绕过不同形状物体的驻点、尾流、涡街现象、非自由射流等现象的感性认识。

（3）加深对边界层分离现象的认识，充分认识流体在实际工程中的流动现象。

2、实验器材

流体流动演示仪

3、实验过程

（1）接通电源，打开开关。

关闭掺气阀，在最大流量下使显示面两侧水道充满水。

（2）用调节进气量旋纽调节进气量的大小。

调节应缓慢，逐次进行，使之达到最佳显示效果（掺气量不宜太大，否则会阻断水流，或产生剧烈噪声）。

（3）ZL—1型（图三、1）用以显示逐渐扩散、逐渐收缩、突然扩大、突然收缩等平面上的流动图形，模拟串联管道纵剖面流谱。

在逐渐扩散段可观察到由于边界层分离而产生旋涡。

而在收缩段，由于不产生边界层分离现象，流线均匀收缩，几乎没有旋涡产生，只在拐角处出现很小的旋涡。

在突然扩大段出现了较大的旋涡区。

由此可见，逐渐扩散段局部水头损失大于收缩段，而突然扩大段所产生的局部水头损失最大。

（4）ZL—2型（图三、2）显示文丘里流量计、孔板流量计等流动图形和串联流道纵剖面上的流动图形。

由显示可见，文丘里流量计的过流顺畅，流线顺直，无边界层分离和旋涡产生。

孔板流量计在孔板前的拐角处有小旋涡产生，孔板后的水流逐渐扩散，并在主流区的周围形成较大的旋涡区。

由此可见，孔板流量计结构简单，水头损失较大，流量系数较小（u=0.61左右）。

文丘里流量计流动形态较好，水头损失较小，流量系数效大（u=0.96~0.99）。

（5）ZL—3型（图三、3）显示30。

弯头、直角园弧弯头、直角弯头、45。

弯头以及非自由射流等流段纵剖面上的流动图像。

由显示可见，在每一转弯后面，都因边界层分离而产生旋涡。

转弯角度不同，旋涡大小、形状各异。

在圆弧转弯段，流线顺畅；该串联管道上，还显示局部水头损失叠加影响的流动图谱。

在非自由射流段，射流离开喷口后，不断卷吸周围的流体，形成射流的紊动扩散。

在此段上还可以看到射流的“附壁效应”现象。

（6）ZL—4型（图三、4）显示30。

弯头、分流、合流、45。

弯头、YF—溢流阀、闸阀及蝶阀等流段纵剖面上的流动图谱。

由流动显示可见，在转弯、分流、合流等过流段上，存在不同的旋涡出现。

合流旋涡较为典型，明显干扰主流，使主流受阻；闸阀半开，尾部旋涡区较大，水头损失也大。

蝶阀全开时，过流顺畅，阻力小，半开时，尾涡紊动激烈，表明阻力大且易引起振动。

该装置不但能获得较好的较学效果，而且还直接为改进阀门的性能提供了直观根据。

（7）ZL—5型（图三、5）显示明槽逐渐扩散，单园柱绕流、多圆柱绕流及直角弯道等流段的流动图形。

①驻点：

观察流经圆柱前端驻点处的小汽泡运动特性，可了解流速与压强沿圆周边的变化情况。

②边界层分离现象：

流动显示了圆柱绕流边界层分离现象，可观察出边界层分离点的位置及分离后的回流形态。

③卡门涡街：

圆柱的轴与水流方向垂直，在圆柱的两个对称点上产生边界层分离，然后不断交替在圆柱下游的两侧产生旋转方向相反旋涡，并随主流一起向下游运动，旋涡的强度逐渐减弱。

④多圆柱绕流：

观察水流经过多圆柱绕流所产生的旋涡，可以了解被广泛用于热工中的传热系统的“冷凝器”及其他工业管道的热交换器等。

由流谱图形可知，其换热效果较佳。

（8）ZL—6型（图三、6）显示明渠渐扩、桥墩形钝体绕流、流线体绕流和反流线体绕流等流段上的流谱。

通过观察，可以看出以下几点：

①非圆柱体绕流也会产生卡门涡街，圆柱绕流不同的是，该涡街的频率具有较明显的随机性。

改变绕流体结构可以破坏涡街固有频率，避免共振。

②流线型柱体绕流流动顺畅，形体阻力最小。

而反流线体绕流时也出现了卡门涡街。

（9）演示结束后，及时关机，切断电源

4、注意事项

（1）开机后需等1～2分钟，使流道气体排净后再演示，否则，仪器不能正常工作。

（2）水泵不能在低速下长时间工作，更不允许在通电情况下（日光灯亮）长时间处于停转状态，只有日光灯熄灭才是真正关机，否则水泵易烧坏。

（3）调速器旋钮的定螺丝松动时，应及时拧紧，以防止内部电线短路。

5、思考题

（1）旋涡强度的大小与能量损失有什么关系？

边界层分离现象发生在什么区域？

（2）卡门涡街具有什么特性？

对绕流有什么影响？

你能指出实际问题中的卡门涡街现象吗？

（3）空化现象为什么常常发生在旋涡区？

食品工程原理实验二

柏努利方程演示实验

（物理实验室）

食品工程原理实验三

离心泵性能测定实验

1、实验目的

（1）测定离心泵在恒定转速下的性能，绘制出该泵在恒定转速下的扬程—流量（H-Q）曲线；轴功率—流量（N-Q）曲线和泵效率—流量（η-Q）曲线；

（2）熟悉离心泵的操作方法，了解压力、流量、转速和转矩的原理以及实验台的使用方法，进一步巩固离心泵的有关知识。

2、实验原理

离心泵的主要性能参数有流量Q（也叫送液能力）、扬程H（也叫压头）、轴功率N和效率η。

在一定的转速下，离心泵的扬程H、轴功率N和效率η均随实际流量Q的大小而改变。

通常用水经过实验测出：

Q-H、Q-N及Q-η之间的关系，并以三条曲线分别表示出来，这三条曲线就称之为离心泵的特性曲线。

离心泵的特性曲线是确定泵适宜的操作条件和选用离心泵的重要依据。

但是离心泵的特性曲线目前还不能用解析方法进行精确计算，仅能通过实验来测定，而且离心泵的性能全都与转速有关；在实际应用过程中，大多数离心泵又是在恒定转速下运行，所以我们要学习离心泵恒定转速下特性曲线的测定方法。

泵的扬程用下式计算：

He=H压力表+H真空表+H0+（u出2-u入2）/2g

式中：

H压力表——泵出口处压力

H真空表——泵入口处真空度

H0——压力表和真空表测压口之间的垂直距离

泵的总效率为：

η=Ne/Na

其中，Ne为泵的有效功率：

Ne=ρ*g*Q*He

式中：

ρ—液体密度

g—重力加速度常数

Q—泵的流量

Na为输入离心泵的功率：

Na=K*N电*η电*η转

式中：

K—用标准功率表校正功率表的校正系数，一般取1

N电—电机的输入功率

η电—电机的效率

η转—传动装置的传动效率

2、实验装置

主要设备为过程装备与控制基本实验综合实验台，包括离心泵、水槽、阀门以及管路等。

计算机采集系统组成包括传感器、AM-T-SG模块、PC6311D板卡、工控机等。

3、实验操作

（1）实验台阀门操作

打开阀门F1、F2、F3、F4、F6、F7，关闭阀门F5、F8、F9、F10、F11；

（2）控制台操作

1、向右扳动控制台面板上的总控开关11-14，启动控制台；

2、流量自动/手动控制按钮11-3置于手动位置，顺时针旋转11-8旋钮，打开电动调节阀；

3、开启工控机，在桌面上打开“基本实验主程序”，点击“实验选择”按钮，选择“离心泵性能测定实验”菜单，点击“进入”按钮，进入“离心泵性能测定实验”画面，点击“清空数据库”按钮，清空数据库。

4、向左扳动选择开关“11-6”，将水泵运行设置成直接启动方式；

5、按下水泵启动按钮“11-11”主水泵开始运转；

6、调节主水泵出口阀门F7，改变流量，使流量从0.7到0.05L/s,每间隔0.05L/s作为一个工况点，每个工况点确定后，单击“记录”按钮，记录一次数据。

7、所有的工况点测试完毕后，点击“数据处理”按钮，进入“离心泵性能测定数据处理”画面。

8、选择“离心泵性能测定实验”菜单，点击“进入”按钮，进入“离心泵性能实验”画面；点击“数据处理”按钮，输入班级、学号、姓名后，可自动生成离心泵性能曲线和实验数据表。

9、点击“导出数据”按钮，可生成实验数据文本文件，输入文件名、文件类型，按“保存”按钮，保存数据文件。

10、点击“打印”按钮，打印实验数据和离心泵性能曲线。

11、点击“退出”按钮，退出实验程序。

4、思考题

（1）泵的性能曲线有何作用？

（2）离心泵启动前为什么要引水灌泵？

食品工程原理实验四

碎冰与盐混合制造低温实验

1、实验目的

在没有能源和机械的情况下制取零下低温。

以其用于食品保鲜。

2、实验内容

碎冰与盐混合制造低温技术

3、实验原理

碎冰与盐混合，使溶液的冰点低于0度，可以制取-20度低温。

4、实验器材

1机制碎冰两洗脸盆。

2普通天平6套

3低温温度计6根

4玻棒6根

5烧杯（500ml）36个

6药勺6个

7取冰勺2个

8制冰机

5、实验方法

（！

）碎冰与盐混合制造低温技术方法

表1碎冰与盐混合比例表

混合物配比

最低温度（参考）

碎冰

食盐

100

-2.8

-11.6

-16.6

-21.1

按上表比例称取碎冰和食盐（或4倍）于500ml的烧杯中，用玻棒搅拌混合，然后用低温温度计量取温度，记录，再搅拌再量取，直至稳定不在下降为止，记录读数。

分别做5组。

6、注意事项

（1）冰的碎度与制取低温的温度有关，应当说冰越碎，制取温度越低。

（2）搅拌越充分，制取温度越低。

7、实验报告：

（1）做碎冰与盐混合制造低温——温度曲线。

碎冰100

0NaCl

750

℃

-25

-20

-15

-10

-5

（2）分析实验结果和误差。

（3）讨论该方法在食品生产上的应用

食品工程原理实验五

制冷机主要结构及相关制冷计算

1．实验目的

了解蒸发式制冷机的主要结构特点，理论联系实际。

2．实验内容

（1）了解和描述蒸发式制冷机压缩机，蒸发器，冷凝器，膨胀阀，毛细管等的结构特点及系统组成。

3．实验器材

实验级小型制冷机组

4、实验方法

（1）实验级小型制冷机组使用和主要制冷指标测量方法

①认识制冷机主要部件的特征和结构。

如压缩机、冷凝器、蒸发器和膨胀阀等，并在实验报告上绘出结构特点，

②专用制冰杯接水至核度处，放置于实验台上并测量水温，然后将蒸发器置于其中，开制冷机，记录时间。

当杯内水全部冻结成冰，在记录其时间（约1小时）。

同时在仪表上读取各种数据，记录。

③根据取得测量记录数据，计算单位制冷量、制冷剂循环量、耗电量等。

（2）计算

A相关数据测定

①观察并记录蒸发器温度下降情况，调节加热输出功率，使之稳定在-18度附近不变，记录此温度下的加热功率，指示压缩机功率，蒸发温度，冷凝温度。

②观察并记录蒸发器温度下降情况，调节加热输出功率，使之稳定在-12度附近不变，记录此温度下的加热功率，指示压缩机功率，蒸发温度，冷凝温度。

3组：

观察并记录蒸发器温度下降情况，调节加热输出功率，使之稳定在-6度附近不变，记录此温度下的加热功率，指示压缩机功率，蒸发温度，冷凝温度。

B相关计算

方法是根据蒸发温度，冷凝温度，指示压缩机功率等，查焓值表（R12），找出，h3，h4的值。

1单位制冷量计算

单位质量制冷量q0=h1-h4

单位容积制冷量qv=q0/V0

2压缩机理论功

ωt=h2-h1

3压缩机效率

ηai=λw+bT0，

λw=（233+Tk）/（273+T2）

其中：

b=0.001；T0蒸发温度；Tk冷凝温度；T2排气温度

4压缩机理论压缩功率

Nt=Ni×ηai其中：

Ni为指示压缩机功率

5制冷循环量G

G=Nt/ωt

6制冷系数

ε=q0/ωt=（h1-h4）/（h2-h1）

5、实验报告

（1）绘制出压缩机、冷凝器、蒸发器和膨胀阀等结构特点示意图，并说明结构特点原理。

（2）绘制出制冷机循环过程示意图。

（3）得出计算数据。

食品工程原理实验六

乳化液的制备

1、实验目的

（1）理解乳化作用机理和乳化剂在乳化过程中的作用

（2）掌握机械强制分散法，同时乳化法，转相法等制造乳化液的方法

2、实验原理

植物油和水混合时，通过包裹，电排斥，降低界面张力的方式（加入乳化剂），油（水）以微小的球滴均匀地分散在水（油）中，形成乳化液。

3、实验器材

（1）.器材：

A-88组织捣碎匀浆机，量筒，烧杯，玻璃棒，水浴锅，天平

（2）.药品：

植物油，水，单硬脂酸甘油酯。

4．实验内容

（1）机械强制分散法

在烧杯中加入300ml水，5g单硬脂酸甘油酯，30ml植物油，用玻璃棒搅拌均匀后，到入A-88组织捣碎匀浆机中搅拌5min，倒出静置，观察现象。

（2）同时乳化法

A烧杯中加入300ml60℃温水和2.5g单硬脂酸甘油酯，搅拌使之溶解；B烧杯中加入30ml植物油和2.5g单硬脂酸甘油酯，恒温水浴（60℃）搅拌使之溶解。

将A液体倒入B烧杯中混合后用A-88组织捣碎匀浆机搅拌5min，倒出静置，观察现象

（3）转相法

在烧杯中加入30ml植物油和5g单硬脂酸甘油酯于恒温水浴锅中，每次加入少量温水搅拌，当水加到接近等相点时充分搅拌。

然后加入全部的水，搅拌后倒入A-88组织捣碎匀浆机中搅拌5min，倒出静置，观察现象。

（本次实验用水总共300ml）

（4）机械强制分散法（不加乳化剂）

在烧杯中加入300ml水，30ml植物油，用玻璃棒搅拌均匀后，到入A-88组织捣碎匀浆机中搅拌5min，倒出静置，观察现象。

（5）浆体法

与转相法相似，先加少量温水（60℃），g单硬脂酸甘油酯于烧杯中，每次加入少量油，在恒温水浴锅中搅拌制成非常粘稠的浆体，然后加入所有的水搅拌，用A-88组织捣碎匀浆机搅拌5min，倒出静置，观察现象。

（本次实验用水的总体积ml，油ml）

5、实验报告

（1）乳化剂的作用机理？

（2）乳化剂结构的特点是什么？

（3）举例说明乳化在食品生产上的应用。

食品工程原理实验七

乳化液的制取

1、实验目的：

（1）理解乳化作用机理和乳化剂在乳化过程中的作用

（2）掌握机械强制分散法，同时乳化法，转相法等制造乳化液的方法

2、实验器材：

①500ml烧杯4组×6个=24个

②搅拌机4个

③植物油3000ml

④量筒25或50ml4个

⑤量筒500ml4个

⑥玻棒4个

⑦恒温水浴锅2个

⑧温度计0—1004根

⑨单硬脂酸甘油酯（乳化剂）4瓶

⑩天平4个

⑾电导率仪1台

⑿肥皂、毛巾各1块

3、实验原理：

植物油和水混合时，通过包裹，电排斥，降低界面张力的方式（加入乳化剂），油（水）以微小的球滴均匀地分散在水（油）中，形成乳化液。

4、实验方法

机械强制分散法

在烧杯中加入水（60度），单硬脂酸甘油酯，植物油，用玻璃棒搅拌均匀后，到入A-88组织捣碎匀浆机中搅拌5min，倒出静置，观察现象。

表1物料混合比例

实验组数

水ml

单硬脂酸甘油酯g

植物油ml

加温

300

表2物料混合比例

实验组数

水ml

单硬脂酸甘油酯g

植物油ml

加温

300

表3物料混合比例

实验组数

水ml

单硬脂酸甘油酯g

植物油ml

加温

300

5、实验报告

（1）描述乳化感观

（2）记录分层时间

（3）做图分析乳化效果

食品工程原理实验八

简单蒸溜实验（米酒的提取和浓缩）

1、实验目的：

（1）了解米酒酿造的基本过程

（2）掌握简单蒸馏的基本原理

2、实验原理：

（1）简单蒸馏就是借液体混合物中各组分的挥发性差异而进行分离的一种操作。

若将混合液加热至沸腾但只会令其部分汽化，则低沸点组分在汽相中的浓度比在液相中的浓度要高，将其蒸汽部分冷凝，就达到分离的目的。

（2）米酒的酿造包括：

原料→蒸饭→摊晾→加曲→发酵成醅→蒸馏出成品基酒→（贮存一年以上）→勾兑装瓶出售

（3）工业蒸馏流程如下：

3、实验器材：

（1）药品：

成熟酒醅

（2）器械：

蒸馏瓶蒸馏头冷凝管接收管接收瓶（100ml烧杯）温度计橡皮塞铁架台夹子酒精灯石棉网沸石

4、实验内容和方法

（1）组装仪器：

按自上而下从左到右的顺序组装，仪器组装应该做到横平竖直，铁架台一律整齐地放置于仪器背后，注意温度计水银球上限应与蒸馏头支管下限在一水平线上

（2）加成熟酒醅：

任何实验都应该先组装好实验再加料，由于成熟酒醅是固液混合物的特殊性，加料要用玻璃棒配合使用，向蒸馏瓶中加入150ml的成熟酒醅

（3）加沸石：

为了防止液体爆沸，再加入3-4粒沸石（沸石为多孔性物质，刚加入液体中小孔内有许多的气泡，它可以将液体内部分气体导入液体表面形成汽化中心）

（4）加热：

仪器装配，原料、沸石等一切都无误后开始加热，加热过程中温度应控制在80-90℃的范围内

（5）.米酒的收集：

在接收管处用一个100ml的烧杯收集馏分

（6）停止收集：

馏分蒸完后，应先停止假如加热（熄灭酒精灯），待冷却后量产物的体积，计算产率。

按先易后难的顺序拆除仪器并加以清洗

食品工程原理实验九

膜分离实验

1、实验目的

（1）了解膜的结构和影响膜分离效果的因素，包括膜材质、压力和流量等。

（2）了解膜分离的主要工艺参数，掌握膜组件性能的表征方法。

（3）掌握膜分离流程，比较各膜分离过程的异同。

（4）掌握电导率仪检测方法。

2、基本原理

（1）纳滤与反渗透

膜分离是以对组分具有选择性透过功能的膜为分离介质，通过在膜两侧施加（或存在）一种或多种推动力，使原料中的某组分选择性地优先透过膜，从而达到混合物的分离，并实现产物的提取、浓缩、纯化等目的的一种新型分离过程。

其推动力可以为压力差（也称跨膜压差）、浓度差、电位差、温度差等。

膜分离过程有多种，不同的过程所采用的膜及施加的推动力不同，通常称进料液流侧为膜上游、透过液流侧为膜下游。

微滤（MF）、超滤（UF）、纳滤（NF）与反渗透（RO）都是以压力差为推动力的膜分离过程，当膜两侧施加一定的压差时，可使一部分溶剂及小于膜孔径的组分透过膜，而微粒、大分子、盐等被膜截留下来，从而达到分离的目的。

四个过程的主要区别在于被分离物粒子或分子的大小和所采用膜的结构与性能。

微滤膜的孔径范围为0.05～10μm，所施加的压力差为0.015～0

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