04169 食品工程原理

 
 
一、课程性质及其设置目的与要求
（一）课程性质和特点
食品工程原理属工科学科，是食品科学与工程专业的一门主干课。本课程培养学生用自然科学的原理考察、解释和处理工程实际问题。研究方法主要是理论解析和理论指导下的实验研究。本课程强调工程观点；定量运算，实验技能和设计能力的训练；强调理论与实际结合，提高分析问题和解决问题的能力，为后继课程的学习及今后的工作打下坚实基础。
 
（二）本课程的基本要求
本课程的主要研究内容是以轻化工生产中的物理加工过程为背景，按其操作原理的共性归纳成的若干“单元操作”。 通过本课程的学习，应考者应该掌握流体流动、传热和传质的基础理论，主要单元操作的基本原理、实验技能和工艺设计计算，建立工程观点，对各有关单元操作，具有分析问题和解决问题的能力。
 
（三）本课程与相关课程的联系
本课程是学生在具备了必要的高等数学，物理学，物理化学，计算技术等基础知识后必修的技术基础课，应考者若具有扎实的上述课程的基础有助于更好地学习食品工程原理课程。学好本课程，也能为后继课程的学习及今后的工作打下坚实基础。
 
二、课程内容与考核目标
绪论
（一）课程内容
（1）本课程的性质、研究对象与方法、目的、任务
（2）食品工程单元过程的分类
动量传递过程包括流体的流动及输送、非均相物系的分离、物料的搅拌等；传热过程包括传热理论及设备、蒸发、冷冻等；传质过程包括气体的吸收、液体的蒸馏、固体的干燥等。
（3）几个基本概念
质量守恒定律及其物料衡算；能量守恒定律及其能量衡算；单位、因次及其单位制度；单位换算；过程速率；三传过程的高度统一表述。
（4）化工单元操作与食品工程之间的联系及其区别。
 
（二）学习要求
要求通过对本章的学习能掌握食品单元操作的概念和特点，食品单元操作的研究内容和研究方法论，单元操作归一表述，物理量的单位换算，物料衡算和能量衡算的概念，单元操作的平衡关系。
 
（三）考核知识点和考核要求
（1）了解本课程的性质、研究对象与方法、任务
（2）掌握学习本课程的几个基本概念
（3）理解研究食品工程基本过程的意义
（4）理解物理量的因次式和单位制度
（5）了解化工单元操作与食品工程单元操作之间的联系与区别
第1章  流体流动及输送机械
（一）课程内容
（1）流体静力学
流体的密度；静压能；流体静力学基本方程式及其应用。
（2）流体动力学
流量；流速；稳定流动与不稳定流动；连续性方程式；伯努利方程式及其应用；层流流动阻力求取的数学模型方法。
（3）流动类型   
流体的粘度与牛顿粘性定律；流动形态与雷诺准数；滞流与湍流。
（4）流体在管内的流动阻力
直管阻力；层流；湍流流动阻力；局部阻力的计算；量纲分析用于湍流阻力系数的实验求取方法。
（5）管路计算与流量测量
简单管路；并联管路；单联管路；分支管路；毕托管；孔板；文丘里管；转子流量计。
（6）离心泵
工作原理及主要部件；主要性能参数；特性曲线及其应用；流量调节；运转与启动的注意事项；安装高度；离心泵的类型与选用。
（7）其它类型泵简介
往复泵；计量泵；旋涡泵。
（8）气体输送机械   
离心式通风机；鼓风机；往复式压缩机；真空技术及真空泵。
 
（二）学习要求
要求通过对本章的学习能掌握流体静力学方程，运用静力学方程解决实际问题的各类计算，总能量衡算式和机械能衡算式（伯努利方程）的推导及各类应用计算，流体流动阻力的概念和计算，管路计算，离心泵的主要性能参数和特性曲线，管路工作点计算，离心泵安装高度和选型。
 
（三）考核知识点和考核要求
（1）理解流体平衡和运动的基本规律
（2）熟练掌握静力学基本方程、连续性方程、伯努利方程及其应用
（3）了解管路的材料和构成、管件、阀门的作用和规格等实际方面的知识
（4）理解流体的两种流动类型
（5）了解量纲分析的基本概念及其应用
（6）熟练掌握流体在管路中流动的阻力损失计算以及管路计算、输送设备的功率计算等
（7）了解管路中流速和流量的测定所使用仪表的原理、构造和性能
（8）理解流体输送机械的作用原理、简单构造、主要性能参数、选型的依据及使用注意事项
（9）了解食品真空技术的基本原理
 
第2章  基于动量传递的非均相物系的分离
（一）课程内容
（1）重力沉降
沉降速度；重力沉降设备。
（2）离心沉降   
沉降速度；离心沉降设备。
（3）过滤   
过滤操作的基本概念；过滤基本方程式；恒压与恒速过滤；过滤常数的测定；过滤设备。
（4）流化床操作和气力输送  
流化床；流化床层压降；气力输送。
（5）液体搅拌  
混合效果度量；混合机理；搅拌器；搅拌器的功率；搅拌器放大。
（6）乳化
乳化剂的使用；乳化分散方法；机械均质。
（7）气流超微粉碎
气流粉碎的优缺点；气流粉碎的工质；气流式超微粉碎机的类型。
 
（二）学习要求
要求通过对本章的学习能掌握颗粒几何特性的表征方法，重力沉降计算，过滤基本方程式及过滤计算，典型过滤设备的结构和操作要点，流化床的概念及其特性，混合机理，乳化、均质和气流粉碎的概念。
 
（三）考核知识点和考核要求
（1）理解非均相物系用机械方法分离的原理，适用范围以及主要设备的性能，要求根据分离任务正确选择分离方法及设备
（2）重点掌握过滤基本方程式及过滤计算
（3）掌握典型的过滤设备的结构和操作
（4）重点掌握半理论半经验数学模型法在开发流体通过固定床颗粒层流动压降公式中的应用
（5）理解流化床的原理和操作方法
（6）了解气力输送的概念
（7）一般了解液体搅拌、乳化、气流超微粉碎的基本概念及应用
 
第3章  传热
（一）课程内容
（1）概述
传热的基本方式；典型的传热设备；稳定传热与不稳定传热。
（2）热传导   
付立叶定律；导热系数；单层及多层平壁、圆筒壁的稳定热传导。
（3）对流传热  
 对流传热过程分析；牛顿冷却定律；对流传热系数及相关联式；流体在圆形直管内强制对流时对流传热系数的计算。
（4）冷凝与沸腾传热简介
（5）热辐射  
 克希霍夫定律；斯蒂芬——波尔兹曼定律；两固体间的辐射传热及其强化措施。
（6）稳态传热过程的计算  
 传热速率方程式；平均温度差与传热系数的计算；换热器的设计计算及其选择。
（7）非稳态传热过程的计算
 非稳态导热的计算公式推导及计算方法；非稳态热对流的计算公式及计算。
（8）传热设备类型  
列管式换热器的选用及举例；强化传热的措施。
 
（二）学习要求
要求通过对本章的学习能掌握平板和圆筒导热计算，非稳态固体导热，对流传热系数及各类公式，稳态对流传热计算，各类换热器的特点及结构，列管式换热器的设计。
 
（三）考核知识点和考核要求
（1）理解传热过程的基本原理，影响传热率的因素及控制传热速率的一般规律
（2）重点掌握稳态和非稳态过程传热的计算公式和计算方法
（3）了解换热器设计的一般步骤
 
第4章  侧重传热的食品单元操作
（一）课程内容
（1）蒸发
单效蒸发的计算及蒸发器的生产强度；多效蒸发。
（2）热杀菌
杀菌效果的表征；热杀菌时间的计算。
（3）结晶
结晶基本概念； 食品工业常用结晶方法与设备；结晶操作的基本计算。
（4）制冷
蒸汽压缩制冷的原理；理论蒸汽压缩制冷流程；实际蒸汽压缩制冷流程；蒸汽压缩制冷循环的计算；冷冻能力的换算；制冷剂和载冷剂。
（5）冷冻浓缩和食品冻结。
 
（二）学习要求
要求通过对本章的学习能掌握单效蒸发的计算，杀菌效果的表征，结晶的物料衡算，实际蒸汽压缩制冷计算。
 
（三）考核知识点和考核要求
（1）理解蒸发、热杀菌、结晶、制冷、冷冻浓缩和食品冻结的基本概念和原理
（2）重点掌握蒸发、热杀菌、结晶、制冷、冷冻浓缩和食品冻结的计算
（3）了解蒸发、热杀菌、结晶、制冷、冷冻浓缩和食品冻结的应用
 
 
第5章  传质基础
（一）课程内容
（1）对流传质的基本概念
 相组成的表示方法；扩散现象及稳态分子扩散的计算； 对流传质。
（2） 总传质系数与速率方程  
相际传质速率方程式；相际总传质系数K与相内分传质系数k的关系； 传质理论简介；传质系数的求取。
（3）平衡关系和理论级  
平衡关系；理论级。
（4）三传类比
 三种传递间的类比；三种传递的类似关系。
（5） 两类传质设备  
 板式塔和填料塔基本结构；塔型选择的一般原则。
（6）板式塔的设计  
塔板结构简介；板式塔设计程序；初选塔板间距和塔高的估算；塔径的确定；塔板结构参数的确定；塔板流体力学计算。
（7）填料塔的设计计算  
填料的类型与选择；填料塔工艺尺寸的计算；填料层压降的计算；塔附属高度和塔内件的设计。
 
（二）学习要求
要求通过对本章的学习能掌握分子扩散及分子扩散计算，对流传质系数及表示方法，相际传质及总传质系数，传质平衡关系及理论级，板式塔和填料塔的结构特征及设计的内容。
 
（三）考核知识点和考核要求
（1）了解食品工业中的传质过程和基本原理
（2）重点掌握相组成的表示方法和相互之间的换算
（3）理解扩散过程和稳态分子扩散计算
（4）理解对流扩散及其系数、总传质系数等的概念
（5）了解传质理论；理解相平衡关系和理论级概念
（6）理解三传之间的相似及相关参数类比求取方法
（7）了解以板式塔和填料塔为代表的气液传质设备的结构特点、流体力学性能、操作特性和设计步骤
 
第6章  传质的理论级模型方法——以精馏为例
（一）课程内容
（1）蒸馏的平衡关系  
汽液平衡物系的自由度和拉乌尔定律；双组分汽液相平衡图；相对挥发度与相平衡关系的近似表达式；非理想物系的汽液相平衡；总压对相平衡的影响。
（2）简单蒸馏和平衡蒸馏  
简单蒸馏；平衡蒸馏。
 
（3）二元物系连续蒸馏计算及设计
精馏；双组分连续精馏计算。
 
（二）学习要求
要求通过对本章的学习，重点掌握蒸馏物系的平衡关系与表达，简单蒸馏和平衡蒸馏计算，精馏系统的组成和操作，二元物系连续蒸馏的计算内容。
（三）考核知识点和考核要求
（1）理解计算传质通量的理论级模型方法的含义和用法
（2）了解食品类型生产过程中常用的蒸馏方法
（3）理解双组分溶液的汽液平衡关系、表达方法及相关计算，掌握相平衡方程
（4）了解平衡蒸馏和简单蒸馏
（5）理解精馏的概念和精馏流程
（6）掌握板式精馏塔的物料衡算、理论板数的确定、进料状态的表达及选择、回流比对精馏过程的影响及确定、实际塔板数的确定
（7）掌握双组分物系用板式塔进行常压精馏的计算。
 
第7章  传质微分填料高度模型方法——以吸收为例
（一）课程内容
（1）吸收的平衡关系   
气体的溶解度；影响平衡关系的主要因素；亨利定律。
（2）吸收计算
吸收塔的物料衡算；填料层高度的计算。
 
（二）学习要求
要求通过对本章的学习，掌握气体的吸收平衡表达方法；填料吸收塔的设计计算。
 
（三）考核知识点和考核要求
（1）理解计算传质通量的微分模型方法的含义和用法
（2）掌握吸收操作的基本概念；理解吸收操作的气液平衡关系及表达方法
（3）掌握填料吸收塔的物料衡算、填料层高度的计算方法。
 
第8章  其他侧重传质的食品单元操作
（一）课程内容
（1）萃取  
萃取的平衡关系；萃取的计算。
（2）浸取  
浸取的相关概念；浸取的平衡关系；浸取的计算；超临界流体浸取技术。
（3）吸附  
吸附的基本概念；吸附分离理论；吸附计算。
（4）离子交换
离子交换的基本概念；离子交换理论；离子交换装置及交换区高度计算原则。
（5）膜分离  
分离膜和膜分离在食品工业的应用；膜分离的类型；分离膜材料和及膜组件；膜分离过程的数学模型及有关计算。
 
（二）学习要求
要求通过对本章的学习能重点掌握三角形相图；单级萃取计算；膜及膜分离的概念；膜分离过程的数学模型。
 
（三）考核知识点和考核要求
（1）理解萃取的基本概念、萃取体系相平衡及操作原理
（2）掌握萃取过程的理论级概念和计算
（3）了解浸出的基本概念、浸出过程与浸出理论
（4）理解浸出速率及理论级数的求取方法
（5）了解超临界萃取的基本原理与应用
（6）理解吸附平衡的基本原理
（7）理解吸附理论级概念和计算
（8）了解离子交换原理和过程
（9）理解离子交换平衡级计算
（10）了解膜分离的原理和应用
（11）理解膜分离计算原理
 
第9章  干燥
（一）课程内容
（1）湿空气的性质及湿度图   
湿空气性质；湿度；相对湿度；湿比热；湿比容；湿焓；干球温度；湿球温度；露点温度等；湿空气的湿度图及其应用。
（2）干燥过程的物科和热量衡算   
湿物料中含水量的表示方法；物料和热量衡算；干燥器出口空气状态的确定。
（3）干燥速率和干燥时间   
物料中所含湿分的性质；干燥过程机理；干燥曲线和干燥速率曲线；恒定干燥条件下干燥时间的计算。
（4）干燥器简介
（5）喷雾干燥  
液滴的雾化；液滴在干燥室内的传热与传质。
（6）冷冻干燥  
冷冻干燥过程原理；冷冻干燥传热传质理论；冷冻干燥机。
 
（二）学习要求
要求通过对本章的学习，掌握湿空气状态参数及其求取，湿空气的焓湿图及应用，空气对流干燥的物料和热量衡算，干燥速率和干燥时间，干燥设备的类型及结构，喷雾干燥和冷冻干燥的概念和特点。
 
 
（三）考核知识点和考核要求
（1）理解以空气作为干燥介质去除物料中水分的干燥过程
（2）熟练掌握湿空气的性质、湿度图及其应用
（3）理解干燥机理
（4）掌握干燥过程的物料和热量衡料、干燥速率和干燥时间的计算
（5）了解各种干燥设备的性能和应用
（6）理解喷雾干燥和冷冻干燥的原理和设备原理
 
 
三、有关说明和实施要求
 
（一）关于“课程内容与考核目标”中有关提法的说明
在大纲的考核要求中，提出了“了解”、“理解”、“掌握”、“熟练掌握”等四个能力层次的要求，它们的含义是：
1、了解：要求应考者能够记忆规定的有关知识点的主要内容，并能够归纳成内容要点，根据考核的不同要求，作出正确的选择、填空、判断和简答。
2理解：要求应考者能够记忆规定的有关知识点的主要内容，并能够归纳和理解规定的有关知识点的内涵与外延，熟悉其内容要点和它们之间的区别与联系，并能根据考核的不同要求，作出正确的选择、填空、判断和简答。
3、掌握：要求应考者掌握有关的知识点，正确理解和记忆相关内容的原理、方法步骤等，并能根据考核的不同要求，作出正确的选择、填空、判断和简答。
4、熟练掌握：要求应考者必须掌握的课程中的核心内容和重要知识点，并能根据考核的不同要求，作出正确的选择、填空、判断和简答，并能进行熟练的计算。
 
（二）自学教材
本课程使用教材为：《食品工程原理》，刘伟民、赵杰文主编，中国轻工业出版社，2011年8月第1版。
 
（三）自学方法的指导
本课程作为一门专业基础课程，综合性强、内容多、难度大，应考者在自学过程中应该注意以下几点：
1、学习前，应仔细阅读课程大纲的第一部分，了解课程的性质、地位和任务，熟悉课程的基本要求以及本课程与有关课程的联系，使以后的学习紧紧围绕课程的基本要求。
2、在阅读某一章教材内容前，应先认真阅读大纲中该章的考核知识点、自学要求和考核要求，注意对各知识点的能力层次要求，以便在阅读教材时做到心中有数。
3、阅读教材时，应根据大纲要求，要逐段细读，逐句推敲，集中精力，吃透每个知识点。对基本概念必须深刻理解，基本原理必须牢固掌握，在阅读中遇到个别细节问题不清楚，在不影响继续学习的前提下，可暂时搁置，以后再回过来进行理解。
4、学完教材的每一章节内容后，应认真完成教材中的习题，这一过程可有效地帮助自学者理解、消化和巩固所学的知识，增加分析问题、解决问题的能力。
 
（四）对社会助学的要求
1、应熟知考试大纲对课程所提出的总的要求和各章的知识点。
2、应掌握各知识点要求达到的层次，并深刻理解各知识点的考核要求。
3、对应考者进行辅导时，应以指定的教材为基础，以考试大纲为依据，不要随意增删内容，以免与考试大纲脱节。
4、辅导时应对应考者进行学习方法的指导，提倡应考者“认真阅读教材，刻苦钻研教材，主动提出问题，依靠自己学懂”的学习方法。
5、辅导时要注意基础、突出重点，要帮助应考者对课程内容建立一个整体的概念，对应考者提出的问题，应以启发引导为主。
6、注意对应考者能力的培养，特别是自学能力的培养，要引导应考者逐步学会独立学习，在自学过程中善于提出问题、分析问题、作出判断和解决问题。
7、要使应考者了解试题难易与能力层次高低两者不完全是一回事，在各个能力层次中都存在着不同难度的试题。
 
（五）关于命题和考试的若干规定
1、本大纲各章所提到的考核要求中，各条细目都是考试的内容，试题覆盖到章，适当突出重点章节，加大重点内容的覆盖密度。
2、试卷对不同能力层次要求的试题所占的比例大致是：“了解”10%，“理解”30%，“掌握”30%，“熟练掌握”为30%。
3、试题难易程度可分为四档：易、较易、较难、难，这四档在各份试卷中所占的比例约为2：3：3：2。
4、本课程考试试卷可能采用的题型有：单项选择题、多项选择题、填空题、判断改错题、简答题及计算题等类型（见附录题型示例）。
5、考试方式为闭卷笔试，考试时间为150分钟。评分采用百分制，60分为及格。
 
 
附录  题型举例
一. 单项选择题
如：在SI单位制中，黏度的单位为（      ）。
A. P     B. cP    C. Pa·s    D. m²/s
 
二. 多项选择题
如：组成雷诺数的物理量有（      ）。
A. 管径   B. 密度   C. 黏度    D.平均流速   E.导热系数
 
三. 填空题
如：湿球温度由湿空气的干球温度和________决定。
 
四. 判断改错题
如：传热采用逆流操作可以得到较大的平均温度差。（　 　 ）
 
五. 简答题
如：简述食品物料蒸发浓缩的特点。
 
六. 计算题
如：在填料塔内用清水逆流吸收空气与氨混合气中的氨。混合气体质量流量为0.35kg/(m²·s)，进塔气体浓度y₁=0.04，回收率η=0.98，平衡关系为y*=0.92x，体积吸收系数为K_ya=0.043kmol/(m³·s)，操作液气比为最小液气比的1.2倍。试求塔底液相浓度及填料层高度Z。