食品工程原理总结.docx

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食品工程原理总结

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1～10mm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/（m2·s）。

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，

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/m4

DAB——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：

式中pA——物质A组分分压，Pa

T——气体温度，K

R——气体常数，8.314J/（kmol·K）

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。

Ø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。

Ø在相界面上气液两相相互成平衡。

Ø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）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（<5×105Pa）时，在一定温度下，稀溶液上方溶质的平衡分压与其在液相中的浓度之间存在着如下的关系：

上式表示溶液的浓度低于一定数值时溶质的平衡分压与它在溶液中的摩尔分率成正比。

亨利系数E值较大表示溶解度较小。

一般E值随温度的升高而增大。

亨利定律的其它形式

1）气相用平衡分压，液相用物质的量浓度表示

在亨利定律适用的范围内,H是温度的函数,而与P*或c无关。

对于一定的溶质和溶剂，H值一般随温度升高减小。

易溶气体H值较大，难溶气体H值较小。

2）溶质在液相和气相中的浓度分别用摩尔分率x、y表示

式中：

x——溶质在液相中的摩尔分率；

y*——与该液相成平衡的气相中溶质的摩尔分率；

m——相平衡常数,无因次。

m=E/P

上式中P为系统总压，ｍ值越大，表示溶解度越小。

3）对于低浓度气体吸收，两相的组成通常用摩尔比来表示

当溶液浓度很低时Y*=mX

亨利定律各系数之间的关系

对稀溶液，溶液的浓度接近纯溶济的Ms≈Mm：

总传质速率方程

总传质速率（）即相间传质速率。

总传质速率方程反映吸收过程进行快慢的特征量，其推动力是以主体浓度与平衡浓度差为推动力的；对稳定体系，总传质速率等于相内传质速率。

1）以（y-y*）表示总推动力

2）以（p-p*）表示总推动力

3）以（C*-C）表示总推动力

传质阻力：

1/Ky即为传质总阻力，即

吸收塔计算的内容：

主要是通过物料衡算及操作线方程，确定吸收剂的用量和塔设备的主要尺寸（塔径和塔高）。

对全塔来说，气体混合物经过吸收塔后，吸收质的减少量等于液相中吸收质的增加量，即：

式中：

V—惰性气体的摩尔流量,Kmol/S

L—吸收剂摩尔流量,Kmol/S

Y1、Y2—分别为吸收塔的塔底和塔顶的液相比摩尔分率；

X1、X2—分别为吸收塔的塔底和塔顶的液相比摩尔分率；

吸收操作线方程式

式中：

Y、Y1—分别为m-n截面和塔底气相中溶质的比摩尔分率，Kmol（溶质）/Kmol（惰性气体）

X、X1—分别为m-n截面和塔底液相中溶质的比摩尔分率，Kmol（溶质）/Kmol（溶剂）。

吸收剂的用量与最小液气比

计算回收率

操作线的斜率L/V称为“液气比”，是溶剂与惰性气体摩尔流量的比值。

它反映单位气体处理量的溶剂耗用量大小。

当塔底流出的吸收液与刚进塔的混合气体呈平衡状态时，吸收的推动力为零。

此种状况下，吸收操作线的斜率称为最小液气比，以（L/V）min。

相应的吸收剂用量为最小吸收剂用量，用Lmin表示。

图解法求最小液气比：

1）平衡线为凹形

根据水平线Y=Y1与平衡线的交点B΄的横坐标Xe1求出。

2）平衡线为凸形

步骤：

过点T作平衡线的切线，找出水平线Y=Y1与切线的交点B΄，读出B΄的横坐标X1΄，再按下式计算。

塔径的确定

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

Ø上曲线：

平衡时汽相组成与温度的关系，称为汽相线（露点曲线）；

Ø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）。

Ø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（X—Y图）

Ø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；

Ø平衡线离对角线越远，表示该溶液越易分离。

Ø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

Ø确定产品的流量；

Ø确定合适的操作条件:

操作压强、回流比和加料状态等；

Ø确定精馏塔所需的理论塔板数和加料位置；

Ø选择精馏塔的类型、确定塔径、塔高及塔的其它参数；

Ø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度为分子。

相平衡方程：

当α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。

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:

V1=V2=V3=…Vn=V=定值

提馏段:

V1’=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:

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.

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的改变对精馏操作的影响

1）R↑，精馏段操作线向对角线靠近，N↓，但L↑，即冷凝器的负荷加大。

2）R↓，精馏段远离对角线，N↑，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

①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。

②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。

③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，堵塞孔道。

④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：

①增加原料液的流速；②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10～200nm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。

（3）填料法，将直径29~100μm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。