化工加工过程及单元操作

2 课程性质、内容及任务
2.1 课程性质 食品工程原理是食品工程等工科专业的专业基础课。 先修课：高等数学、物理、物理化学、机械制图等。 2.2 课程内容 本课程主要介绍“三传理论”和 “单元操
作” 。
2.3 课程任务
介绍三传理论，即流体流动、传热、传质的基本原理； 掌握主要单元操作的典型设备构造、操作原理、计算、 选型及实验研究方法； 培养学生运用基础理论分析和解决化工单元操作中各种 工程实际问题(计算、选型及实验研究方法)的能力。
3 单位与单位换算
3.1 单位制
国际单位制中的单位是由基本单位、辅助单位和具 有专门名称的导出单位构成的。
基本量：任意选定的几个独立的物理量(如长度,时间等)。
基本单位：根据使用方便的原则制定的基本量的单位。
导出量：根据物理量与基本量之间的关系来确定的量。
导出单位：导出量的单位称为导出单位，均由基本单位相乘、除而 成的 。 单位制：基本单位与导出单位的总和。 物理单位制：基本单位：长度cm 工程单位制：基本单位：长度cm 质量g 力 kgf 时间s 时间s
流。其结果能减小溶解过程的阻力（resistance）。
传递速率
推动力 阻力
此关系类似于电学中欧姆定律。
过程的传递速率是决定化工设备的重要因素，传递 速率增大时，设备尺寸可以变小。
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研究方法
（一）化工原理课程的两条主线 1.动量传递、传热和传质皆属于传递过程，是本门课程统一的研 究对象，是联系各单元操作的一条主线。 2.研究工程问题的方法论是联系各单元操作的另一条主线。 各 单元操作有共同的研究方法。 a.实验研究方法（经验的方法） 一般用因次分析和相似论为指导，依靠实验来确定过程变 量之间的关系，通过无因次数群（或称准数）构成的关系式来表 达。是一种工程上通用的基本方法。 b.数学模型法（半经验半理论的方法） 在对实际过程的机理深入分析的基础上，在抓住过程本质 的前提下，作出某种合理简化，建立物理模型，进行数学描述， 得出数学模型。通过实验确定模型参数。 如一个物理过程的影响因素较少，各参数之间的关系比较简 单，能建立数学方程并能直接求解，则称为解析法。
盐质量）大；食盐浓度高时，溶解速率小。
饱和食盐溶液（即平衡状态）：溶解速率为零
溶液浓度越是远离平衡浓度，其溶解速率就越大；
溶液浓度越是接近平衡浓度，其溶解速率就越小。溶 液浓度与平衡浓度之差值，可以看作是溶解过程的推 动力（driving force）。 颗粒大小和搅拌对溶解速率有影响。 原因：由大块改为许多小快，能使固体食盐与溶液的 接触面积增大；由不搅拌改为搅拌，能使溶液质点对
单元操作的应用及特点
若干个单元操作串联起来组成一个工艺过程。
均为物理性操作，只改变物料的状态或其物理性质， 不改变其化学性质。
同一食品生产过程中可能会饱含多个相同的的单元 操作。 单元操作用于不同的生产过程其基本原理相同，进 行该操作的设备也可以通用。
单元操作与食品加工
奶粉生产工艺流程
3.3 单位换算
同一物理量若用不同单位度量时，其数值需相应地 改变。这种换算称为单位换算。
通用气体常数
R＝0.08206L· atm/mol· K＝8.313J/mol· K
已知1atm=1.033kgf/cm2,将其换算成N/m2。 按题意需将kgf/cm2中的单位换算成N，cm2换 算成m2,查附录1：换算关系为：
本课程中，各单元操作的计算、设备的 选型等工作都将围绕上述五个方面进行，并以 最优经济效益作为最终的设计方案。
任何一个科研成果都要通过工程技术才能 得以大规模生产，才能实现它的社会价值， 造福于广大的人民群众。
《化工原理》是将实验室科研成果转入工 业化生产的基础理论课程。
杀 菌：传热； 真空浓缩：传热、传质、流体流动； 过 滤：流体流动…..
“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”和单元操作也是化学 工程技术的理论和实践基础。
流体力学、传热及传质的基本原理是各单元操作 的理论基础。许多单元操作都会包含两种以上的传递 现象， 如干燥、精馏等。
平衡状态是自然界中广泛存在的现象。 以食盐的溶解和结晶为例：
食盐浓度>饱和浓度：结晶
食盐浓度<饱和浓度：溶解 该温度下的饱和浓度为该物系的平衡浓度。
平衡关系可用来判断过程能否进行，以及进行
的方向和能达到的限度。
4.4 传递速率（rate of transfer process）
以食盐的溶解为例：
不饱和食盐溶液：溶解速率（单位时间内溶解的食
绪论
1 化工加工过程及单元操作
化学工业：利用物理和化学方法将自然界的各种物质加工成 生活资料的工业。 化工生产 ：(1) 化学反应过程： (2) 物理加工过程 不同食品的生产过程使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。
（3）传质过程（mass transfer process）:
包括吸收、蒸馏、萃取、吸附、干燥等。
上述三个过程包含了三种理论，我们称之为“三传理论”。
三传理论
动量传递(momentum transfer)：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，到可以用动量传递的理论去研究。
SI单位制：基本单位有7个，化工中常用的有5个： 长度cm 、质量kg 、时间s 、温度K、 物质量mol
3.2 因次
法定计量单位中，基本量的长度、质量、时间、温度可 分别用符号L、M、T、θ表示，则导出量可由这些基本量的符 号组合而成。 例：速度——［LT－1］
加速度——［LT－2］
力——［MLT－2］ 若某物理量以［MaLbTc］表示，则称它为该物理量的因次或 量纲（dimension）（严格地说，指数a、b、c称为因次，［ MaLbTc］称为该物理量的因次式或量纲式）。它表示该物理量 的单位与基本量的单位之间的关系。当a＝b＝c＝0时，时［ M0L0T0］＝［1］，称为无因次（dimensionless）。
依据质量守恒定律，进入与离开某一化工过程的物料质量之
差，等于该过程中累积的物料质量，即
输入量－输出量＝累积量 对于连续操作的过程，若各物理量不随时间改变，即处于稳 定操作状态时，过程中不应有物料的积累，则物料衡算关系为 输入量＝输出量
用物料衡算式可由过程的已知量求出未知量。
物料衡算的步骤：
（1）根据题意画出各物流的流程示意图，物料的流 向用箭头表示，并标上已知数据与待求量。 （2）规定衡算基准，一般选用单位进料量或排料量、 时间及设备的单位体积等作为计算的基准。在较复杂
原料乳验收 预处理
预热杀菌
加糖
真空浓缩
冷却与过筛 包装、检验
出粉
成品
喷雾干燥
过滤
单元操作的分类
单元操作按其理论基础可分为下列三类： （1）流体流动过程（fluid flow process）:
包括流体输送、搅拌、沉降、过滤等。
（2）传热过程（heat transfer process）:
包括热交换、蒸发等。
数学模型法（半经验半理论）
因次论指导下的实验研究法
实验：寻找函数形式，决定参数
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经济核算(economic evaluations)
效益是企业的命脉，经济核算是企业的核心工作。为生
产定量的某种产品所需要的设备，根据设备的型式和材料的 不同，可以有若干设计方案。对同一台设备，所选用的操作 参数不同，会影响到设备费与操作费。因此，要用经济核算 确定最经济的设计方案。
的流程示意图上应圈出衡算的范围，列出衡算式，求
解未知量。
4.2 能量衡算（energy balance）
本课程所用到的能量主要有机械能和热能。 能量衡算的依据是能量守恒定律。 热量衡算的步骤与物料衡算的基本相同。
4.3 物系的平衡关系(relationship
balance)
of system
1kgf=9.81N， 1cm=0.01m上述关系代入来自百度文库，得：
kgf 9.81N 5 2 1.033 2 1.033 1 . 013 10 N/m cm 0.01m 2
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单元操作中常用的基本概念
物料衡算； 能量衡算； 物系的平衡关系； 传递速率； 经济核算。
4.1 物料衡算（material balance）
热量传递(heat transfer): 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，到可以用 热量传递的理论去研究。
质量传递(mass transfer): 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，到可以用质量传递的 理论去研究。
单元操作与三传的关系