1、食品工程原理课程教学大纲食品工程原理课程教学大纲食品工程原理课程教学大纲 (2002年制订，2004年修订) 课程编号:200265 /200267 英 文 名:Fundamentals of Food Engineering 课程类别:学科基础课 前 置 课:高等数学、大学物理、物理化学等 后 置 课:食品工艺学、食品机械与设备、食品保藏原理与技术等均为本课程的后置课,本大纲能满足后继课的要求。 学 分:3+2学分 课 时:90课时,其中实验课16课时, 主讲教师:万忠民、马云等 选定教材:高福成.食品工程原理M.2rd.北京:中国轻工业出版出版社2002 课程概述: 食品工程原理课程是以食
2、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”， 用自然科学的原理考察、解释和处理工程实际问题，主要研究食品工程单元操作的基本原理，典型设备构造及工艺尺寸。本课程以“三传”为主线，即以动量传递为基础，讲述流体输送、搅拌、沉降、过滤等单元操作;以热量传递为基础，讲述传热、蒸发操作;以质量传递为基础，讲述了吸收、精馏、萃取、结晶等单元操作以及热量、质量同时传递过程的干燥操作。根据课程内容，设置了流体流动、泵特性、过滤、传热、精馏、吸收、干燥等典型单元操作实验和换热器设计等课程设计环节。在讲述经典理论的基础上，不断将学科最新成果引入教学，如膜分离技术，超临界萃取技术和反应精
3、馏技术等。本课程强调工程观点、定量计算和设计能力的训练，强调理论和实际相结合，提高分析问题、解决问题的能力。 本教学大纲适用于食品科学与工程专业。 教学目的: 食品工程原理教学的主要目的为: 通过本课程的学习，可培养学生分析和解决有关单元操作的能力，在食品生产、科研和设计工作中，达到强化生产过程，提高产品质量，降低成本，防止污染以及加速新技术开发等方面的目的，为学习后继课程食品工艺学、食品机械、食品化学反应工程打下基础。培养学生运用辩证唯物主义观点和科学方法考察、分析和处理食品工程实际问题;培养学生的工程观点、实验技能和设计能力;培养学生具有创新性思维能力，把食品工程单元操作推向新高度。通过学
4、习，熟练掌握单元操作的基本概念和基础理论，对单元操作过程的典型设备具备基本的判断和选择能力;掌握本大纲所要求的单元操作过程基本计算方法;熟悉运用过程的基本原理，根据生产上的具体要求，对各单元操作进行调节;了解食品生产的各单元操作中的故障，能够寻找和分析原因，并提出消除故障和改进过程及设备的途径。 教学方法: 研究方法主要是理论解析和理论指导下的实验研究，课程内容由课堂教学、课程设计和实验教学三部分组成。课堂教学含授课、习题讨论课、实物教学、电视录像的讲授、指导。课堂教学应废除灌输式，采用启发式和讨论式教学、不断把学科最新成果引入教学，采用精讲多练、循序渐进、用提问、启迪、讲授、探讨、总结的方式
5、教学，达到教师与学生双向互动，激发学生主动学习的热情。习题讨论课的目的是巩固基本理论和概念，培养学生正确的思考方法和计算能力。 实物教学、电视录像、多媒体教学课件可以增加学生的感性知识，更清楚的了解设备的结构性能从而减少课堂讲授内容。一种是实验研究方法，即经验法;另一种为数学模型方法，即半理论半经验的方法。课程内容本着加强理论、拓宽视野的原则及时更新，兼顾课程的基础性与先进性。采用先进的教学手段与传统的教学手段相结合，利用食品工程过程单元操作录像片、动画库、食工原理多媒体教学课件等把设备结构描述清楚。既缩减学时、扩展内容，又增强了学生的学习主动性、自觉性。使课程教学向着多元化、大容量、生动直观
6、的方向发展。 各章教学要求及教学要点 绪 论 课时分配:2课时 教学要求: 对本课程有总体的了解，清楚本课程的性质和任务及单元操作在食品工程中的地位。掌握单元操作处理问题的方法，了解本课程与相关课程的关系。 教学内容: 第一节 食工原理的起源与发展 一、食工原理的起源。 二、食工原理的发展 第二节 食工原理课程的性质、内容和任务 一、单元操作概念。 二、基本研究方法。 三、过程的衡算、平衡与速率、工程观点。 思考题: 1、比较实验研究方法和数学模型的区别。 2、何谓单位换算因子, 3、联系各单元操作的两条主线是什么, 第一章 流体流动与输送 课时分配:16课时 教学要求: 学习流体流动的考察方
7、法，掌握流体在静止和流动时的质量和能量守恒规律及应用。正确理解流体流动过程中的基本原理及流体在管内的流动规律;熟练掌握流体静力学基本方程式、连续性方程式和柏努利方程式及其应用;正确理解流体的流动类型和流动阻力的概念;熟练掌握流体流动阻力的计算、简单管路的设计型计算和操作型计算;了解测速管、文丘里流量计、孔板流量计和转子流量计的工作原理和基本计算。了解离心泵的结构及基本方程式;熟练掌握离心泵的性能参数及影响因素、泵的特性曲线、工作点和流量调节;正确理解离心泵安装高度的确定原则，掌握离心泵安装高度的计算;正确选择和使用离心泵。 教学内容: 第一节 流体静力学基本方程 一、流体的特性。 二、连续介质
8、模型。 三、密度、静压强、静力学方程及其应用。 第二节 流体在管内流动 一、流量与流速。 二、定态与非定态流动。 三、连续性方程式、能量衡算式。 四、柏努利方程式的应用。 第三节 流体的流动现象 一、牛顿粘性定律与流体的粘度。 二、非牛顿型流体的概念。 三、流动类型与雷诺准数。 四、滞流与湍流、边界层的概念。 第四节 流体在管内的流动阻力 一、直管阻力计算式、层流时的摩擦系数、湍流时的摩擦系数。 二、海根-泊稷叶公式、布拉修斯公式、范宁公式。 三、局部阻力系数法和当量长度法、非圆管道的当量直径计算法、因次分析法、Moody图及其使用。 第五节 流速和流量的测量 一、皮托管、孔板流量计、文丘里流
9、量计、转子流量计。 二、管路计算、简单管路与复杂管路、简单管路计算的方程组、管路的设计型计算、管路的操作型计算。 三、空气、水在管中的常用流速范围、简单管路的典型试算法。 第六节 液体输送设备 一、离心泵的工作原理和主要部件。 二、离心泵的基本方程式。 三、离心泵的性能参数与特性曲线。 四、离心泵的性能改变和换算。 五、离心泵的气蚀现象与安装高度。 六、离心泵的工作点与调节。 七、离心泵的联用。 八、离心泵的类型与选用。 九、其它类型泵, 如往复泵、旋转泵、漩涡泵的工作原理和适用范围。 第七节 气体输送和压缩设备 一、离心通风机的结构、工作原理、性能参数，离心风机的选用。 二、了解离心鼓风机和
10、压缩机、旋转鼓风机、压缩机与真空泵、往复压缩机。 思考题: 1、流体的连续性假设和理想流体假设在工程上有何意义, 2、描述流体运动的拉格朗日法和欧拉法有何不同, 3、为什么各种流量计的流量系数不相同, 4、孔板流量计与文丘里流量计的测量中，如何保证液体流动的连续性, 5、为有效提高离心泵的静压能，都采取哪些措施, 第二章 沉降、过滤、离心分离、压榨 课时分配:8课时 教学要求: 了解非均相物系的性质、分离目的及分离方法。理解球形颗粒和均匀床层的特性 、了解一维固定床层的流动压降的计算。掌握重力沉降及离心沉降的基本原理。了解沉降设备的结构;掌握球形颗粒的自由沉降速度的计算和除尘室的生产能力计算。
11、掌握沉降设备的计算及选用。掌握过滤的基本原理, 正确理解液体过滤操作的基本原理，过滤速率方程及其应用, 掌握过滤的计算。了解过滤设备的结构特性及操作。掌握板框过滤机的结构、操作与计算以及过滤常数的测定方法;了解离心沉降的基本原理、旋风分离器的性能及工艺计算。 教学内容: 第一节 沉 降 一、非均相物系、非均相物系分离的理论依据。 二、颗粒流体力学的研究内容。 三、非均相分离的方法和用途。 四、机械分离颗粒的几何特性。 五、单颗粒的特性、颗粒群的特性、颗粒床层的特性。 六、重力沉降的基本原理、沉降速度、降尘室、沉降槽。 第二节 过 滤 一、过滤操作的基本概念。 二、过滤基本方程式。 三、恒压过滤
12、、恒速过滤与先恒速后恒压过滤。 四、过滤常数的测定。 五、过滤设备。 六、滤饼的洗涤。 七、过滤机的生产能力、加快过滤速率的途径。 第三节 离心沉降 一、离心沉降的基本原理。 二、旋风分离器的操作原理、性能、结构型式与选用。 第四节 气溶胶分离 一、气溶胶及其分离方法。 二、除尘的原理。 第五节 压 榨 一、压榨理论和设备。 思考题: 1、非均相物系、非均相物系分离的理论依据, 2、非均相分离的方法和用途, 3、恒压过滤、恒速过滤与先恒速后恒压过滤, 4、离心沉降的基本原理, 5、气溶胶及其分离方法, 第三章 固体流态化和气力输送 课时分配:2课时 教学要求: 掌握固体流态化和气力输送的基本概
13、念。掌握流化床的形成过程，了解流化床的主要特征，掌握流化床的操作范围。了解固体流态化在工业上的应用及其优点。 教学内容: 第一节 流态化 一、流化床的基本概念。 二、实际流化现象。 三、流化床的操作范围。 四、起始流化速度和带出速度。 五、颗粒受力分析、床层空隙率与速度的关系及临界流化速度的计算。 六、流化床中的传热与传质。 第二节 气力输送 一、气力输送的原理和基本概念。 二、固体颗粒在水平管内的稀相输送、气力输送的组成和设备。 三、气力输送的系统的计算。 思考题: 1、理想流化床和实际流化床的主要区别是什么, 2、简述气力输送的优缺点和分类。 第四章 粉碎和筛分 课时分配:4课时 教学要求
14、: 掌握粉碎和筛分的基本概念。理解粉碎的基本理论，了解各种粉碎设备的机理。理解筛分的基本理论，了解各种筛分设备的机理。 教学内容: 第一节 粉 碎 一、粉碎的基本概念。 二、粉碎的基本理论。 三、各种粉碎设备的机理。 四、食品粉碎机的选用。 第二节 筛 分 一、筛分的基本概念。 二、往复振动式筛分、高速振动式筛分、平面回转式筛分、转筒式筛分。 思考题: 1、粉碎的基本概念。 2、筛分的基本概念。 3、各种粉碎设备的机理。 4、往复振动式筛分、高速振动式筛分、平面回转式筛分、转筒式筛分原理, 第五章 传 热 课时分配:10课时 教学要求: 正确理解傅立叶定律及其一维稳态热传导的基本原理，熟练掌握
15、平壁、圆筒壁的稳定热传导的计算，正确理解牛顿冷却定律和影响对流传热系数的主要因素，掌握对流传热系数关联式的用法和条件;熟练掌握流体在圆形直管内强制湍流传热时对流给热系数的计算，换热器的热负荷计算、对数平均温度差的计算、总传热系数的计算;熟练掌握换热器的设计型计算和换热器的核算型计算，能够根据计算结果及工艺要求选用合适的换热器;了解列管换热器的结构特点及其应用。 教学内容: 第一节 热传导 一、热传导基本概念和傅立叶定律、导热系数、平壁热传导、圆筒壁热传导。 第二节 对流传热 一、对流传热的分析、壁面与流体间的对流传热速率。 二、热边界层。 第三节 传热计算 一、能量衡算、总传热速率方程和总传热
16、系数、平均温度差、传热单元数法。 第四节 对流传热系数关联式 一、对流传热系数的影响因素。 二、对流传热过程的因次分析。 三、无相变时的对流传热系数、有相变时的对流传热系数、壁温的估算。 第五节 辐射传热 一、辐射基本概念和定律。 二、两固体间的辐射传热。 三、对流和辐射联合传热。 第六节 换热器 一、换热器的类型。 二、列管式换热器的基本型式和设计计算。 三、新型换热器。 四、强化传热的途径。 思考题: 1、何谓稳态热传导, 2、对流传热系数的定义是什么,说明对流传热的机理及求算对流传热系数的途径。 3、为什么自然对流问题的分析解比强制对流问题的分析解更为复杂, 4、试说明流体有相变化时的对
17、流传热系数大于无相变时的对流传热系数的理由。 5、为什么滴状冷凝的对流传热系数要比膜状冷凝的传热系数高, 6、如何理解辐射传热中黑体和灰体的概念, 7、在管壳式换热器设计中，为什么要限制温度差校正系数大于0.8, 8、换热器是如何分类的，工业上常用的换热器有哪些类型，各有何特点, 9、管壳式换热器为何常采用多管程，分程的作用是什么, 第六章 蒸发、结晶、冷冻、冷冻浓缩 课时分配:6课时 教学要求: 了解蒸发、结晶、冷冻、冷冻浓缩的基本原理、目的及设备，掌握蒸发、结晶、冷冻、冷冻浓缩操作流程和经济性。了解蒸发、结晶、冷冻、冷冻浓缩的设备。 教学内容: 第一节 蒸 发 一、蒸发的基本概念、单效蒸发
18、、多效蒸发、蒸发设备。 二、蒸发操作的经济性和操作方式。 三、单效蒸发计算。 四、多效蒸发计算。 第二节 结 晶 一、结晶的的基本概念。 二、结晶方法与设备、结晶操作的基本计算。 第三节 冷 冻 一、制冷的基本概念和原理。 二、食品的冻结过程。 三、食品的冻结方法与装置。 第四节 冷冻浓缩 一、冷冻浓缩的理论和方法。 二、冷冻浓缩装置系统。 思考题: 1、试比较单效蒸发与多效蒸发溶液的温度差损失有何不同，为什么, 2、并流加料的多效蒸发装置中，一般各效的总传热系数逐效减小，而蒸发量却逐效略有增加，试分析原因。 3、溶液的哪些性质对确定多效蒸发的效数有影响，为什么, 4、何为多效蒸发的最佳效数，
19、应如何确定多效蒸发的最佳效数, 第七章 吸 收 课时分配:8课时 教学要求: 了解传质机理, 掌握吸收速率方程以及低浓度气体吸收过程及计算。了解高含量气体吸收及化学吸收的特点及计算。掌握脱吸塔的过程及计算。理解吸收的概念、类型和目的，了解解吸的概念，掌握溶剂选择的原则，掌握亨利定律三种表达形式及相关的计算，掌握吸收与解吸的过程方向判断及过程推动力的计算;了解菲克定律的适用范围，掌握等摩尔相向分子扩散和分子单向扩散时，分子扩散速率与传质速率之间的关系，掌握等摩尔相向分子扩散和分子单向扩散传质速率积分式的区别;了解气、液相分子扩散系数计算。了解双膜理论，掌握汽、液相总传质系数的计算方法，以及推动力
20、与阻力的关系;掌握气膜控制和液膜控制;熟练掌握物料衡算和操作线方程，熟练掌握汽、液相总传质单元高度及总传质单元数计算方法;熟练掌握吸收过程的设计型和操作型计算;了解其它吸收流程。 教学内容: 第一节 传质原理 一、单相中的扩散。 二、相间的传质。 三、自由界面传质理论。 第二节 吸收与脱吸 一、气-液相平衡、吸收速率、吸收塔计算。 二、吸收塔的物料衡算与操作线方程。 三、吸收剂用量的决定、塔径的计算、填料层高度的计算、理论板层数的计算。 四、吸收系数的测定、吸收系数的经验公式、吸收系数的准数关联式。 五、脱吸及其它条件下的吸收。 第三节 填料塔 一、板式塔的塔板类型。 二、板式塔的流体力学性能
21、。 三、浮阀塔设计。 四、塔板效率。 五、填料塔的填料、填料塔的流体力学性能、填料塔的设计、填料塔附件。 第四节 吸 附 一、吸收的基本概念和吸附剂。 二、吸附分离理论。 三、吸附计算。 四、吸附设备与操作。 第五节 离子交换 一、离子交换的基本概念和离子交换树脂。 二、离子交换理论。 三、离子交换设备与操作 思考题: 1、温度和压力对吸收过程的平衡关系有何影响? 2、 亨利定律为何具有不同的表达形式? 3、摩尔比与摩尔分数有何不同，它们之间的关系如何? 4、分子传质(扩散)与分子传热(导热)有何异同? 5、在进行分子传质时，总体流动是如何形成的，总体流动对分子传质通量有何影响? 第八章 蒸馏
22、、萃取、浸取 课时分配:8课时 教学要求: 了解蒸馏与蒸发的区别;掌握相对挥发的定义;了解闪蒸的原理;掌握用安托因方程计算平衡的汽液相组成;掌握 “txy”图线、泡点线和露点线;了解总压对泡点线和露点线的影响;了解简单蒸馏的计算;正确理解精馏原理及回流的意义;熟练掌握全塔物料衡算;了解恒摩尔流假设;掌握五种进料状态;掌握平衡线、q线、精馏段操作线和提馏段操作线;掌握理论板的定义及全塔效率的概念。掌握全回流、最小回流比和最佳加料板位置的概念;掌握进料状态对理论塔板数的影响;掌握设计型计算中图解法、逐板计算法求解理论塔板数的方法;了解吉利兰快速估值法和芬斯克方程求最少理论塔板数。在操作型计算中，掌
23、握进料浓度、回流比的变化对塔顶产品和塔底产品的影响。了解直接蒸汽加热、分凝器、冷液回流、侧线出料和回收塔各自的特点。了解间歇精馏的特点与计算，了解特殊精馏的特点。掌握萃取的基本概念和基本计算，掌握三角形相图在液,液萃取中的应用、掌握萃取操作的流程和计算，了解萃取设备的特点及选用。 教学内容: 第一节 蒸 馏 一、相律和拉乌尔定律、相对挥发度 二、两组分理想溶液的气液平衡相图、两组分非理想溶液的气液平衡相图。 三、双组分物系的气液相平衡。 四、蒸馏方式。 五、双组分连续精馏的分析与计算。 六、恒沸精馏与萃取精馏。 七、反应精馏。 八、多组分精馏、平衡蒸馏和简单蒸馏，精馏原理和流程。 九、理论板的
24、概念及恒摩尔流假定、物料衡算和操作线方程、进料热状况的影响、理论板数的求取、几种特殊情况时理论板数的求取。 十、回流比的影响及其选择、简捷法求理论板层数、塔高和塔径的计算、连续精馏装置的热量衡算。 十一、回流比恒定和馏出液组成恒定时的间歇精馏计算。 第二节 液液萃取 一、液液相平衡。 二、萃取过程计算。 三、萃取设备。 四、超临界萃取和液膜萃取。 第三节 浸 取 一、浸取理论、传质机理与浸取速率、浸取操作的计算。 思考题: 1、压力对蒸馏过程的汽液平衡关系有何影响，如何确定精馏塔的操作压力, 2、 挥发度与相对挥发度有何不同，相对挥发度在精馏计算中有何重要意义, 3、 为什么说理论板是一种假定
25、，理论板的引入在精馏计算中有何重要意义, 4、 在分离任务一定时，进料热状况对所需的理论板层数有何影响? 5、进料量对理论板层数有无影响，为什么? 6、全回流操作的特点是什么，有何实际意义, 第九章 干 燥 课时分配:10课时 教学要求: 了解湿分的定义、去湿的方法及干燥的分类;了解干燥过程的必要条件和干燥推动力。掌握湿空气的主要性质，它们的定义和计算公式;掌握湿空气的“IH”图的应用;掌握确定湿空气状态点的方法以及由状态点确定空气有关参量的方法;熟练掌握干燥过程的物料衡算和热量衡算;掌握等焓干燥过程干燥器出口空气状态确定方法;正确理解干燥器的热效率和干燥效率。了解物料中所含水分性质;掌握平衡
26、水分与自由水分、结合水分与非结合水分的概念;掌握干燥速率的定义及干燥速率曲线;掌握临界水含量的概念;了解影响恒速干燥和降速干燥的因素。掌握恒速和降速段干燥时间的计算方法。了解干燥器的主要型式及它们的特点。 教学内容: 第一节 湿空气的性质 一、湿空气的状态参数、湿焓图及其应用。 第二节 干燥静力学 一、湿物料的形态和含水量。 二、水分在气固两相间的平衡。 三、湿物料中含水量的表示方法。 四、干燥机理、空气通过干燥器的状态变化。 五、干燥过程的物料衡算与热量衡算。 第三节 干燥动力学 一、固体物料在干燥过程中的热效率。 二、恒定干燥条件下的干燥速度和干燥时间的计算。 第四节 干燥设备 一、干燥器
27、的分类、主要型式、干燥器的选择和设计。 第五节 喷雾干燥 一、喷雾器、喷雾干燥装置系统、设计计算。 第六节 空气调节 一、空气调节基本原理。 二、空气调节设备的计算。 第七节 冷冻干燥 一、冷冻干燥的理论基础。 二、冷冻干燥装置。 思考题: 1、 当湿空气的总压变化时，湿空气HI图上的各线将如何变化? 在t、H相同的条件下，提高压力对干燥操作是否有利? 为什么? 2、 测定湿球温度tw和绝热饱和温度tas时，若水的初温不同，对测定的结果是否有影响,为什么, 3、 如何区别结合水分和非结合水分, 4、 当空气的t、H一定时，某物料的平衡湿含量为X*，若空气的H下降，试问该物料的X*有何变化, 5
28、、 采用一定湿度的热空气干燥湿物料，被除去的水分是结合水还是非结合水,为什么, 自 学 部 分 1、搅拌、混合、均质、膜分离等单元操作为学生自学内容。 2、搅拌:了解搅拌过程特点和原理及搅拌设备。 3、混合:了解混合过程特点和原理及混合设备。 4、均质:了解均质过程特点和原理及均质设备 5、膜分离:了解膜分离种类及过程特点和反渗透超滤等的原理及膜分离设备。 实验教学: 课时分配:16课时 教学目的与任务 食工原理实验是学习、掌握食工原理课程必不可少的重要教学环节，与一般实验相比，不同之处在于它具有工程特点。实验目的除了验证理论和加强对课堂教学内容的理解之外，还着重对学生进行实验研究方法与实验技
29、能的基本训练，培养学生计算能力、动脑动手能力和严肃认真、实事求是的科学工作态度。为毕业环节工作和今后解决实际工程问题打好基础。 食工原理实验教学内容 食工原理实验以实验操作训练为主，同时通过记录原始数据，编写实验报告等工作使学生得到科学实验的基本训练。学生根据实验教材的要求进行预习，写好预习报告，熟悉实验装置的性能和流程，掌握操作方法，记录原始数据，正确使用仪器，处理原始数据，用表格和图形表达实验结果，并要求学生对实验结果进行讨论，最后写出完整的实验报告。 实验内容: 实验一:流体流动阻力的测定 3 课时 实验二:离心泵特性曲线的测定 3课时 实验三:过滤实验 3课时(本实验为综合性实验) 实
30、验四:传热实验 3课时 实验五:精馏实验(选做) 3课时 实验六:填料塔吸收实验 (选做) 3课时 实验七:干燥实验 4课时(本实验为综合性实验) 附录:参考书目 1、高福成编.食品工程原理M.北京:中国轻工业出版社，2002 2、赵汝溥、管国锋。化工原理M.北京:化学工业出版社，1999年 3、天津大学化工原理教研室编.化工原理(上、下)M.天津:天津科学技术出版社，1987 4、管国锋,冯晖,张若兰编.化工原理实验M.东南大学出版社，1996 6、谭天恩,麦本熙,丁惠华.化工原理M.北京:化学工业出版社,1999 7、陈敏恒等.化工原理M.第二版.北京:化学工业出版社,1999 8、何潮洪
31、等.化工原理M.北京:科学出版社,2001 9、McCabe W.L., Smith J.C. Unit Operation of Chemical Engineering 3rd.ed. New York: McGraw-Hill, 1976 10、Seader, J. D., Henley, E. J. Separation process principles. New York: John & Sons, Inc. 1998 11、丛德滋等.化工原理详解与应用M.北京:化学工业出版社，2002 12、何潮洪等.化工原理习题精解M.北京:科学出版社，2003 执笔人:万忠民 2004年5月 审定人:马云
