《食品工程原理》课程教学大纲（本科）.docx

食品工程原理Unit Operations of Food Engineering课程代码：09410031学 分：4.5学 时：72 （其中：讲课学时：72实验学时：0上机学时：0）开课学期：第5学期先修课程：化工设备机械基础（或机械工程基础、机械设计基础）、物理化学适用专业：食品科学与工程、食品质量与安全教 材：L食品工程原理，刘伟民，赵杰文，中国轻工业出版社，2011年 8 月第 1 版；2.Warren L.McCabe, Julian C.Smith, Peter Harriott, Unit operations of chemical engineering （Seventh edition） / 伍钦，钟理，夏清，等.化学工程单元 操作学.北京：化学工业出版社，2008慕课网站 http:一、课程性质与课程目标（一）课程性质食品工程原理（双语课程）是食品科学与工程4年制本科专业教学计划中具有承上启下 意义的工科技术基础课，它建立在数学、物理学、物理化学、工程图学、工程力学、机械工程基 础、计算机技术、英语等课程知识的基础上，以食品工程类型生产过程中的各种物理加工过程为 背景，借助纯数学模型法和半理论半经验的数学模型法以及采用量纲分析指导的实验研究法等方 法论，培养学生用自然科学的原理考察、解决和处理工程实际问题的知识和能力，为具有性质的 食品科学与工程专业课程的学习打好关于食品工程知识和能力培养的坚实基础。（二）课程目标1 .知识方面1.1 掌握食品工程的流体流动、流体输送机械、非均相物系的分离与分散、传热、冷冻、蒸 发、气体吸收、液液精偏、干燥等各个单元操作的基本概念、操作过程原理、基本计算公式及其 推导、有关基本参数的求取、相关设备的结构和操作以及设计计算和选型、过程选择的计算。1.2 掌握主要单元操作如流体流动的阻力测定、离心泵性能测定、过滤、传热、吸收、干燥 等单元操作的实验设计原理。理解课程的方法论，理解量纲分析规划实验的实验方法以及半理论 半经验的数学模型法的基本原理和在各单元操作中的应用。1.3 系统掌握各单元操作中所应用到的物料衡算、能量衡算、平衡关系的基本概念和计算方 法以及它们在各单元操作中的具体应用方法。掌握各单元操作的计算机辅助计算方法及应用。(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。2、基本要求学习运用归一主线类比掌握其他传质单元操作的研究和计算方法；了解萃取的基本概念、萃 取体系相平衡及操作原理；类比理解萃取过程的理论级概念和计算；了解浸出的基本概念、浸出 过程与浸出理论;类比理解浸出速率及理论级数的求取方法；了解超临界萃取的基本原理与应用; 了解吸附平衡的基本原理；类比理解吸附理论级概念和计算；了解离子交换原理和过程；类比理 解离子交换平衡级计算；了解膜分离的原理和应用，理解其计算原理。阅读英文教材的相应内容。3、重点和难点(1)重点三角形相图；单级萃取计算；膜及膜分离的概念；膜分离过程的数学模型。(2)难点多级逆流萃取的图解计算；其它传质过程计算。第9章干燥1、教学内容(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；湿焰；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。2、基本要求了解以空气作为干燥介质去除物料中水分的干燥过程、熟练掌握湿空气的性质、湿度图及其应用、了解干燥机理、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、了解各种干燥设备的性能和应用。理解喷雾干燥和冷冻干燥的原理和设备原理。阅读英文教材的相应内容。3、重点和难点(1)重点湿空气状态参数及其求取；湿空气的焰湿图及应用；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。(2)难点湿空气性质参数之间的互相表达计算；干燥综合计算；喷雾干燥的计算；冷冻干燥的计算。三、课程学时分配章节讲课实验上机绪 论2第一章流体流动和输送机械22第二章基于动量传递的非均相物系的分 离与分散8第三章传热10第四章侧重传热的食品单元操作4第五章传质基础4第六章传质的理论级模型方法以精 储为例8第七章传质的微分填料高度模型方法以吸收为例4第八章其他侧重传质的食品单元操作2第九章热质同时传递以干燥为例8四、大纲说明(-)对学生能力培养的要求1、本课程的实验要求见食品工程原理实验教学大纲。2、本课程的课程设计见食品工程原理课程设计教学大纲。3、采用多媒体教学，要求学生使用本校本每次课后布置12条作业，作业总量约为80题 计算题。可另行布置一些思考题供学生理解教学内容。4、第二、四、八章主要由学生自学掌握，教师课堂适当讲解辅导。5、为适应的要求，本大纲分别规定了中英文教材。（二）实验内容和基本要求1 .本课程的实验独立开课，时数为16学时；2 .实验内容和要求见食品工程原理实验教学大纲。五' 参考书目及学习资料1、冯晟，夏素兰，卢晓黎，等.食品工程原理.北京：中国轻工出版社.2009.2、化工原理（上、下），陈敏恒主编，化学工业出版社，1999年10月第1版。3、化工原理（上、下）夏清主编，天津大学出版社.2005.4、许学勤译.食品工程导论.第 3 版./美R.Paul Singh, Dennis R.Heldman. Introduction to Food Engineering.北京：中国轻工业出版社，20065、R.Paul Singh, Dennis R.Heldman. Introduction to Food Engineering.（原版教材）6、食品工程原理7、食品工程原理国家精品/spgcyl/new/index.asp）8、华东理工大学化工原理国家精品Able.ACC2.Web/Template/View.aspx?action=view&courseType=0&courseId=26714&ZZWLOOKIN GFOR=G）9美国加利福利亚大学戴维斯分校食品工程原理计算网（2017年9月29日课程简介课程编码：09410031课程名称：食品工程原理英文名称：Unit Operations of Food Engineering学 分：4.5学 时：72 （其中：讲课学时：72实验学时：独立16上机学时：0）课程内容：食品工程原理课程是以食品类型生产过程中的各种物理操作单元, 如流体流动、流体输送机械、沉降、过滤、传热、蒸发、液体蒸储、 气体吸收、液液萃取、干燥、结晶、制冷、膜分离、离子交换等为研 究内容，以实验研究法和数学模型法为研究方法，使学生能够进行过 程的计算及选择、设备的选型及设计和设备的操作。选课对象：食品科学与工程、食品质量与安全专业本科三年级学生先修课程：化工设备机械基础（或机械工程基础、机械设计基础）、物理化学 教 材：1、食品工程原理，刘伟民主编，中国轻工业出版社，2011年8 月第1版；2> Warren L.McCabe, Julian C.Smith, Peter Harriott, Unit operations of chemical engineering （Seventh edition） /伍钦，钟理，夏清，等.化 学工程单元操作学.北京：化学工业出版社，2008o1.4 掌握各单元操作的基本英文词汇，同时阅读与中文教材内容相近的全英文教材，了解国 际上食品工程单元操作的应用和发展趋势。1.5 了解各单元操作概括为动量传递、热量传递及质量传递最终概括为传递通量计算的归一 原理，了解本课程归纳和推理等创新思维的基本应用。2.能力与素质方面2.1 具有食品工程各单元操作如流体流动、流体输送机械、非均相物系的分离与分散、传热、 冷冻、蒸发、气体吸收、液液精储、干燥等的过程计算、过程选择、设备选型和操作、设备的工 艺设计等能力。具有一定的计算机辅助计算的能力，可以解决较为复杂问题的计算。2.2 具有熟练运用物料衡算、能量衡算、平衡关系等课程的解决问题的基本手段的能力，解 决食品工程中出现的各类过程和设备的计算问题。2.3 具有熟练的食品工程单元操作的实验设计能力，具有理解所操作的设备的原理的能力， 具有解决食品工程单元操作中出现的实际问题的能力。2.4 具有阅读食品工程单元操作英文文献的能力，具有初步跟踪食品工程单元操作国际发展 趋势的能力。2.5 具有食品工程单元操作的创新的思维能力。具有解决食品工程问题的综合的素质。（三）课程目标与专业毕业要求指标点的对应关系本课程支撑人才培养方案中毕业要求之1、2、3、11项。毕业要求1-工程知识：能够将数学、自然科学、工程基础和专业知识用于解决复杂食品工 程问题。毕业要求2-问题分析：能够应用数学、自然科学和工程科学的基本原理，识别、表达、并 通过文献研究分析复杂工程问题，以获得有效结论。毕业要求3-设计/开发解决方案：能够设计针对复杂食品工程问题的解决方案，涉及满足特 定需求的系统、单元（部件）或工艺流程，并能够在设计环节中体现创新意识，考虑社会、健康、 安全、法律、文化以及环境等因素。毕业要求11-项目管理：理解并掌握食品工程管理原理与经济决策方法，并能在多学科环境 中应用。指标点12能针对一个系统或过程建立合适的数学模型，并利用恰当的特定条件求解。（总 0.2,分配给理论课0.15）指标点2.3：能正确表达一个食品工程问题的解决方案，运用基本原理，分析食品加工过程 的影响因素，证实解决方案的合理性，获得有效结论。（总0.1,分配给理论课0.075）指标点3.1：能够针对产品确定技术路线、设计生产工艺、建模进行工艺计算、设备设计计 算。（总0.2,分配给理论课0.15）指标点11.1：能够将经济决策方法、管理原理应用于食品工程问题的表述中，分析食品工 程中质量控制、食品安全、环境污染等多学科问题。（总0.2,分配给理论课0.15）课程目标 毕业要求指标课程 目标 1.1课程 目标 1.2课程 目标 1.3课程 目标1.4课程 目标 1.5课程 目标 2.1课程 目标 2.2课程 目标 2.3课程 目标 2.4课程 目标 2.5指标点1.2：能针对一1个系 统或过程建立合适的数学模型， 并利用恰当的特定条件求解。（总 0.2,分配给理论课0.15）qVqqNYqqqq指标点2.3：能正确表达一 个食品工程问题的解决方案，运 用基本原理，分析食品加工过程 的影响因素，证实解决方案的合 理性，获得有效结论。（总0.1, 分配给理论课0.075）VVqqq指标点3.1 ：能够针对产品 确定技术路线、设计生产工艺、 建模进行工艺计算、设备设计计 算。（总0.2,分配给理论课0.15）VqqVqq指标点11.1：能够将经济决 策方法、管理原理应用于食品工 程问题的表述中，分析食品工程 中质量控制、食品安全、环境污 染等多学科问题。（总0.2,分配 给理论课0.15）qqqq二、课程内容与教学要求绪论1、教学内容（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、液体的蒸储、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(发酵)工程之间的联系及其区别2、基本要求(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) 了解研究食品工程基本过程的意义(4) 了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(6)阅读英文教材的相应内容3、重点和难点(1)重点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。(2)难点单元操作内容表述的归一主线理解；经验公式的换算方法。第1章 流体流动及输送机械1、教学内容(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)禺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。2、基本要求了解流体平衡和运动的基本规律，熟练地掌握静力学基本方程、连续性方程、伯努利方程及 其应用，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，了解流体的两种 流动类型，了解量纲分析的基本概念及其应用，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。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。了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。了 解食品真空技术的基本原理。阅读英文教材的相应内容。3、重点和难点(1)重点流体静力学方程；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、计算公式和计算；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。(2)难点流体平衡微分方程及其在静力学方程推导中的应用；应用伯努利方程求解非稳态流动问题; 动量衡算求解流动问题；纯数学模型法求解层流直管流动阻力；量纲分析规划湍流摩擦阻力系数 求取实验；复杂管路计算；离心泵内流动的数学模型。第2章 基于动量传递的非均相物系的分离1、教学内容(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。2、基本要求了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。重点掌握过滤基本方程式及过滤计算，掌握典型的过滤设备的结构和 操作。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。 了解流化床的原理和操作方法，了解气力输送的概念。一般了解液体搅拌、乳化、气流超微粉碎 的基本概念及应用。阅读英文教材的相应内容。3、重点和难点(1)重点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。(2)难点颗粒体积、表面积和比表面积当量直径间的关系；离心沉降临界粒径的推导；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；过滤综合问题求解。第3章传热1、教学内容(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。2、基本要求了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，根据生产要求 强化或削弱热量传递，选择适宜的传热设备以及列管式换热器的选型计算。重点掌握稳态和非稳态过程传热的计算公式和计算方法。了解换热器设计的一般步骤。阅读英文教材的相应内容。3、重点和难点(1)重点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。(2)难点非稳态导热的微分衡算方程推导及求解思路;对数平均温差法和传热单元数法用于求解传热 综合问题；非稳态对流计算公式的推导；传热综合计算。第4章、侧重传热的食品单元操作1、教学内容(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冷冻浓缩；食品冻结。2、基本要求理解蒸发、热杀菌、结晶、制冷、冷冻浓缩和食品冻结的基本概念和原理，理解相应的计算, 了解相应的应用。阅读英文教材的相应内容。3、重点和难点(1)重点单效蒸发的计算；杀菌效果的表征；结晶的物料衡算；实际蒸汽压缩制冷计算(2)难点多效蒸发计算流程；实际蒸汽压缩制冷过程在压焰图和温熠图中的表示方法及过程解释。第5章传质基础1、教学内容(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。2、基本要求了解食品工业中的传质过程和基本原理；掌握相组成的表示方法和相互之间的换算；理解扩 散过程和稳态分子扩散计算；理解对流扩散及其系数、总传质系数等的概念；了解传质理论；理 解相平衡关系和理论级概念；理解三传之间的相似及相关参数类比求取方法；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；阅读英文教材的 相应内容。3、重点和难点(1)重点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。(2)难点单向扩散公式用于求解非稳态传质问题；传质系数之间的互相表达；传质理论(或模型)； 理论级的概念；三传类比及互为表达计算；塔板负荷性能图及板式塔设计的流体力学校验。第6章、传质的理论级模型方法以精播为例1、教学内容(1)蒸储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)简单蒸储和平衡蒸储简单蒸谓；平衡蒸储。(3)二元物系连续蒸播计算及设计精储；双组分连续精微计算。2、基本要求理解计算传质通量的理论级模型方法的含义和用法；了解食品类型生产过程中常用的蒸储方 法；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；了解平衡蒸储和 简单蒸储；理解精储的概念和精微流程；掌握板式精储塔的物料衡算、理论板数的确定、进料状 态的表达及选择、回流比对精镭过程的影响及确定、实际塔板数的确定；熟练双组分物系用板式 塔进行常压精储的计算。阅读英文教材的相应内容。3、重点和难点(1)重点蒸储物系的平衡关系与表达；简单蒸储和平衡蒸储计算；精储系统的组成和操作；二元物系 连续蒸储的计算内容。(2)难点简单蒸储计算公式的推导和应用；精储原理；进料状态和回流比影响精微过程的分析；精储 综合计算。第7章、传质微分填料高度模型方法以吸收为例1、教学内容(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。2、基本要求理解计算传质通量的微分模型方法的含义和用法；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；掌握填料吸收塔的物料衡算、填料层高度的计算方法。阅读英文教 材的相应内容。3、重点和难点(1)重点气体的吸收平衡表达方法；填料吸收塔的设计计算。(2)难点填料层高度计算公式的推导；吸收综合计算。第8章 蒸溜其他侧重传质的食品单元操作1、教学内容(1)萃取萃取的平衡关系；萃取的计算。