食品工程原理?一、引言食品工程原理是食品科學(xué)與工程專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課程，它闡述了食品生產(chǎn)過(guò)程中各種單元操作的基本原理、計(jì)算方法及設(shè)備選型等內(nèi)容。修訂版的食品工程原理在保持原有核心知識(shí)體系的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了更新與完善，以更好地適應(yīng)食品行業(yè)的發(fā)展需求和教學(xué)要求。

二、主要內(nèi)容

（一）流體流動(dòng)1.流體的性質(zhì)流體的密度、黏度等基本物理性質(zhì)的概念及影響因素。密度反映了流體的質(zhì)量特性，黏度則體現(xiàn)了流體內(nèi)部的摩擦阻力。例如，溫度升高時(shí)，液體的黏度一般會(huì)減小，氣體的黏度會(huì)增大。流體靜力學(xué)基本方程的推導(dǎo)與應(yīng)用，用于計(jì)算流體在靜止?fàn)顟B(tài)下的壓力分布等問(wèn)題。如在食品加工中，可通過(guò)該方程計(jì)算儲(chǔ)液罐內(nèi)不同高度處的壓力。2.流體動(dòng)力學(xué)連續(xù)性方程，它基于質(zhì)量守恒原理，描述了不可壓縮流體在穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)流速與管道截面積之間的關(guān)系。這在食品管道輸送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中起著重要作用。伯努利方程，該方程綜合考慮了流體的位能、動(dòng)能和靜壓能之間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系，常用于分析流體在管道中流動(dòng)時(shí)的能量變化情況。例如，在食品飲料的灌裝過(guò)程中，可借助伯努利方程來(lái)優(yōu)化管道布局，確保流體能夠順利且穩(wěn)定地輸送到灌裝設(shè)備。流體流動(dòng)阻力的計(jì)算，包括直管阻力和局部阻力。直管阻力主要與管道長(zhǎng)度、管徑、流速以及流體黏度等因素有關(guān)；局部阻力則取決于管道中的管件（如彎頭、閥門等）的類型和數(shù)量。準(zhǔn)確計(jì)算流動(dòng)阻力對(duì)于合理設(shè)計(jì)食品加工設(shè)備的管道系統(tǒng)，降低能耗具有重要意義。

（二）傳熱1.傳熱的基本方式熱傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射三種傳熱方式的原理及特點(diǎn)。熱傳導(dǎo)是通過(guò)分子間的碰撞傳遞熱量；對(duì)流是依靠流體的宏觀運(yùn)動(dòng)來(lái)傳遞熱量；輻射則是通過(guò)電磁波來(lái)傳遞能量。在食品加工中，不同的傳熱方式可能同時(shí)存在，例如在烘焙過(guò)程中，既有熱空氣與食品之間的對(duì)流換熱，又有食品內(nèi)部的熱傳導(dǎo)以及食品表面與周圍環(huán)境的輻射換熱。2.熱傳導(dǎo)傅里葉定律的表達(dá)式及應(yīng)用，用于計(jì)算一維熱傳導(dǎo)過(guò)程中的熱流量。通過(guò)傅里葉定律，可以分析食品在加熱或冷卻過(guò)程中內(nèi)部溫度的變化情況，為優(yōu)化食品加工工藝提供理論依據(jù)。導(dǎo)熱系數(shù)的影響因素，如物質(zhì)的種類、溫度、濕度等。不同食品材料的導(dǎo)熱系數(shù)差異較大，了解這些影響因素有助于選擇合適的包裝材料和控制食品的熱傳遞過(guò)程。3.對(duì)流傳熱對(duì)流傳熱系數(shù)的概念及影響因素，包括流體的性質(zhì)、流速、傳熱面的形狀和尺寸等。對(duì)流傳熱系數(shù)的準(zhǔn)確計(jì)算對(duì)于強(qiáng)化食品加工中的傳熱過(guò)程至關(guān)重要。例如，通過(guò)提高流體流速可以增大對(duì)流傳熱系數(shù)，加快食品的加熱或冷卻速度。無(wú)相變對(duì)流傳熱的關(guān)聯(lián)式及應(yīng)用，以及有相變對(duì)流傳熱（如蒸汽冷凝和液體沸騰）的特點(diǎn)和計(jì)算方法。在食品工業(yè)中，蒸汽加熱和冷凝過(guò)程常用于殺菌、干燥等操作，準(zhǔn)確掌握這些過(guò)程的傳熱規(guī)律可以提高設(shè)備的熱效率。4.輻射傳熱斯蒂芬玻爾茲曼定律的表達(dá)式，用于計(jì)算熱輻射的能量傳遞。在食品的烘烤、干燥等過(guò)程中，輻射傳熱起著重要作用，了解輻射傳熱規(guī)律有助于優(yōu)化加工工藝參數(shù)，提高產(chǎn)品質(zhì)量。角系數(shù)的概念及計(jì)算方法，角系數(shù)反映了兩個(gè)物體之間輻射換熱的幾何關(guān)系。

（三）傳質(zhì)1.傳質(zhì)的基本方式分子擴(kuò)散和對(duì)流擴(kuò)散兩種傳質(zhì)方式的原理。分子擴(kuò)散是由于分子的無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)引起的物質(zhì)傳遞；對(duì)流擴(kuò)散則是在流體流動(dòng)的作用下，物質(zhì)隨流體一起遷移并在濃度梯度的作用下進(jìn)一步擴(kuò)散。在食品加工中，如食品的腌制、干燥等過(guò)程都涉及傳質(zhì)現(xiàn)象。2.分子擴(kuò)散費(fèi)克定律的表達(dá)式及應(yīng)用，用于描述分子擴(kuò)散過(guò)程中物質(zhì)通量與濃度梯度之間的關(guān)系。通過(guò)費(fèi)克定律可以分析食品中成分在儲(chǔ)存和加工過(guò)程中的擴(kuò)散情況，例如水分在食品內(nèi)部的擴(kuò)散對(duì)食品的品質(zhì)和保質(zhì)期有著重要影響。擴(kuò)散系數(shù)的影響因素，如溫度、壓力、物質(zhì)的種類等。了解擴(kuò)散系數(shù)的變化規(guī)律有助于控制食品加工過(guò)程中的傳質(zhì)速率。3.對(duì)流傳質(zhì)對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)的概念及影響因素，類似于對(duì)流傳熱系數(shù)，對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)與流體性質(zhì)、流速、傳質(zhì)表面的形狀和尺寸等有關(guān)。在食品加工中，如食品表面的物質(zhì)交換過(guò)程（如干燥時(shí)水分的蒸發(fā)）就涉及對(duì)流傳質(zhì)，準(zhǔn)確計(jì)算對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)可以優(yōu)化加工工藝。傳質(zhì)系數(shù)的關(guān)聯(lián)式及應(yīng)用，用于實(shí)際傳質(zhì)過(guò)程的計(jì)算和分析。

（四）蒸餾1.蒸餾的基本原理利用混合液中各組分揮發(fā)度的差異，通過(guò)加熱使其部分汽化，然后將蒸汽冷凝，從而實(shí)現(xiàn)各組分分離的過(guò)程。在食品工業(yè)中，蒸餾常用于從發(fā)酵液中分離酒精等揮發(fā)性成分，以及濃縮食品中的某些成分。2.簡(jiǎn)單蒸餾簡(jiǎn)單蒸餾的過(guò)程特點(diǎn)及計(jì)算方法，簡(jiǎn)單蒸餾是一種間歇式蒸餾過(guò)程，其計(jì)算主要涉及物料衡算和熱量衡算。通過(guò)簡(jiǎn)單蒸餾可以初步分離混合液中的不同組分，但分離程度相對(duì)有限。3.精餾精餾塔的結(jié)構(gòu)和工作原理，精餾塔是實(shí)現(xiàn)精餾過(guò)程的關(guān)鍵設(shè)備，它通過(guò)多次部分汽化和部分冷凝，使混合液得到較徹底的分離。精餾塔內(nèi)設(shè)有精餾段和提餾段，分別對(duì)上升蒸汽和下降液體進(jìn)行精餾操作。精餾過(guò)程的物料衡算、熱量衡算及理論板概念。物料衡算用于確定精餾塔進(jìn)料、出料及各塔板上的物料組成關(guān)系；熱量衡算則保證精餾過(guò)程的能量平衡；理論板是一種理想化的塔板，在理論板上，氣液兩相達(dá)到平衡狀態(tài)，通過(guò)計(jì)算理論板數(shù)可以評(píng)估精餾塔的分離能力。

（五）吸收1.吸收的基本原理用適當(dāng)?shù)囊后w吸收劑處理氣體混合物，使其中的一種或幾種組分溶解于吸收劑中，從而實(shí)現(xiàn)氣體分離的過(guò)程。在食品工業(yè)中，吸收可用于去除食品包裝中的異味氣體等。2.吸收劑的選擇原則溶解度大、選擇性高、揮發(fā)性低、化學(xué)穩(wěn)定性好、粘度低、無(wú)毒無(wú)害等。例如，在去除食品包裝中的氧氣時(shí)，可選用具有一定吸氧能力且符合食品衛(wèi)生安全要求的吸收劑。3.吸收過(guò)程的計(jì)算物料衡算和傳質(zhì)速率計(jì)算，物料衡算用于確定吸收過(guò)程中吸收劑和氣體的用量關(guān)系；傳質(zhì)速率計(jì)算則有助于分析吸收過(guò)程的快慢，為吸收設(shè)備的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

（六）干燥1.干燥的基本原理利用熱能使?jié)裎锪现械乃制⒊?，從而獲得干燥產(chǎn)品的過(guò)程。干燥過(guò)程涉及傳熱和傳質(zhì)兩個(gè)基本過(guò)程，濕物料表面的水分汽化需要吸收熱量，而汽化后的水汽需要擴(kuò)散到周圍環(huán)境中。2.干燥方法對(duì)流干燥、傳導(dǎo)干燥、輻射干燥和介電加熱干燥等不同干燥方法的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍。對(duì)流干燥是最常用的干燥方法，通過(guò)熱空氣與濕物料接觸進(jìn)行傳熱傳質(zhì)；傳導(dǎo)干燥利用熱傳導(dǎo)將熱量傳遞給濕物料；輻射干燥則依靠輻射熱使物料干燥；介電加熱干燥是利用高頻電場(chǎng)使物料內(nèi)部的水分受熱汽化。3.干燥過(guò)程的計(jì)算干燥速率曲線及恒速干燥階段和降速干燥階段的特點(diǎn)，干燥速率曲線反映了干燥過(guò)程中干燥速率隨時(shí)間或物料含水量的變化關(guān)系。在恒速干燥階段，干燥速率主要取決于水分汽化的速度；降速干燥階段，干燥速率逐漸降低，主要受物料內(nèi)部水分?jǐn)U散速度的限制。物料衡算和熱量衡算在干燥過(guò)程中的應(yīng)用，通過(guò)物料衡算可以確定干燥前后物料的含水量變化以及所需的干燥介質(zhì)用量；熱量衡算則用于計(jì)算干燥過(guò)程中所需的熱量，合理選擇干燥設(shè)備和能源。

（七）蒸發(fā)1.蒸發(fā)的基本原理將含有不揮發(fā)性溶質(zhì)的溶液加熱沸騰，使其中的部分溶劑汽化并除去，以提高溶液濃度的過(guò)程。蒸發(fā)過(guò)程是一個(gè)傳熱過(guò)程，同時(shí)伴隨著溶劑的汽化。2.單效蒸發(fā)和多效蒸發(fā)單效蒸發(fā)的流程、計(jì)算及特點(diǎn)，單效蒸發(fā)是最簡(jiǎn)單的蒸發(fā)操作，通過(guò)一次蒸汽加熱溶液使其汽化。其計(jì)算主要包括物料衡算、熱量衡算和蒸發(fā)器傳熱面積的計(jì)算。多效蒸發(fā)的原理、流程及優(yōu)點(diǎn)，多效蒸發(fā)是利用前一效蒸發(fā)器產(chǎn)生的二次蒸汽作為后一效蒸發(fā)器的加熱蒸汽，從而提高蒸汽的利用率，降低能耗。多效蒸發(fā)的流程有并流、逆流和錯(cuò)流等多種形式，每種形式各有優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中需根據(jù)具體情況選擇。

三、課程特點(diǎn)與學(xué)習(xí)方法

（一）課程特點(diǎn)1.綜合性強(qiáng)食品工程原理涉及多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的知識(shí)，如物理學(xué)、化學(xué)、數(shù)學(xué)等，需要綜合運(yùn)用這些知識(shí)來(lái)解決食品生產(chǎn)中的實(shí)際工程問(wèn)題。2.實(shí)踐性突出課程內(nèi)容緊密結(jié)合食品工業(yè)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程，所學(xué)的原理和方法直接應(yīng)用于食品加工設(shè)備的設(shè)計(jì)、操作和優(yōu)化等方面，具有很強(qiáng)的實(shí)踐性。3.理論與實(shí)際結(jié)合緊密通過(guò)對(duì)各種單元操作原理的學(xué)習(xí)，能夠深入理解食品生產(chǎn)過(guò)程中的物理和化學(xué)變化規(guī)律，為實(shí)際生產(chǎn)中的工藝改進(jìn)和新產(chǎn)品開發(fā)提供理論支持。

（二）學(xué)習(xí)方法1.理解基本概念和原理深入理解流體流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)等基本概念和相關(guān)原理，掌握其數(shù)學(xué)表達(dá)式和物理意義，這是學(xué)好本課程的基礎(chǔ)。2.注重公式推導(dǎo)和計(jì)算熟練掌握各種公式的推導(dǎo)過(guò)程，通過(guò)大量的計(jì)算練習(xí)，加深對(duì)原理的理解和應(yīng)用能力，提高解決實(shí)際問(wèn)題的能力。3.結(jié)合實(shí)際案例學(xué)習(xí)將所學(xué)知識(shí)與食品工業(yè)中的實(shí)際生產(chǎn)案例相結(jié)合，分析實(shí)際問(wèn)題中涉及的單元操作原理和計(jì)算方法，增強(qiáng)對(duì)課程內(nèi)容的感性認(rèn)識(shí)和實(shí)際應(yīng)用能力。4.多做練習(xí)題和實(shí)驗(yàn)通過(guò)做練習(xí)題鞏固所學(xué)知識(shí)，掌握解題技巧；積極參與實(shí)驗(yàn)教學(xué)，親身體驗(yàn)單元操作過(guò)程，提高動(dòng)手能力和對(duì)理論知識(shí)的理解深度。

四、與其他課程的關(guān)系

（一）先修課程食品工程原理的學(xué)習(xí)需要一定的物理、化學(xué)和數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，如大學(xué)物理、物理化學(xué)、高等數(shù)學(xué)等課程的知識(shí)。這些先修課程為理解食品工程原理中的基本概念、物理過(guò)程和數(shù)學(xué)計(jì)算提供了必要的支持。

（二）后續(xù)課程食品工程原理是食品科學(xué)與工程專業(yè)一系列后續(xù)專業(yè)課程的基礎(chǔ)，如食品工藝學(xué)、食品工廠設(shè)計(jì)、食品機(jī)械與設(shè)備等。它所闡述的單元操作原理和方法為這些后續(xù)課程提供了理論依據(jù)和技術(shù)