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绪论
1、 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:包括流体输送、 搅拌、 沉降、 过滤等。
( 2) 传热过程:包括热交换、 蒸发等。
( 3) 传质过程: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”。
2、 单元操作与三传理论的关系( 简答) :
动量传递: 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, 到能够用动量传递的理论去研究。
热量传递: 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, 到能够用热量传递的理论去研究。
质量传递: 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, 到能够用质量传递的理论去研究。
3、 食品工程的几个概念
单元操作中常见的基本概念有物料衡算、 能量衡算、 物系的平衡关系、 传递速率和经济核算。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。
例题0-3
流体流动
1、 流体:
概念: 在剪应力作用下能产生连续变形的物体称为流体。如气体和液体。
特征: 具有流动性。即( 1) 抗剪和抗张的能力很小; ( 2) 无固定形状, 随容器的形状而变化; ( 3) 在外力作用下其内部发生相对运动。
2、 常见单位换算关系:
1标准大气压(atm)=101300Pa =10330kgf/m2 =1.033kgf/cm2(bar, 巴)=10.33mH2O=760mmHg
压力能够有不同的计量基准。
3、 流体静压强:
( 1) 绝对压力( absolute pressure) : 以绝对真空(即零大气压)为基准。
( 2) 表压(gauge pressure): 以当地大气压为基准。它与绝对压力的关系, 可表示为: 表压＝绝对压力－大气压力
( 3) 真空度( vacuum) : 当被测流体的绝对压力小于大气压时, 其低于大气压的数值, 即: 真空度＝大气压力－绝对压力
注意: 此处的大气压力均应指当地大气压。在本章中如不加说明时均可按标准大气压计算。
图 绝对压力、 表压和真空度的关系
( a) 测定压力>大气压( b) 测定压力<大气压
绝对压力
测定压力
表压
大气压
当时当地大气压
( 表压为零)
绝对压力为零
真空度
绝对压力
测定压力
( a)
( b)

7、 流量:
( 1) 体积流量(V, m3/s): 单位时间内流体流经管道任一截面的体积, 称为体积流量, 以qm表示, 其单位为m3/s。
( 2) 质量流量(G, kg/s): 单位时间内流体流经管道任一截面的质量, 称为质量流量, 以qv 表示, 其单位为kg/s。体积流量与质量流量之间的关系为: qm=ρqv
8、 流速:
( 1) 平均流速: 一般以管道截面积除体积流量所得的值, 来表示流体在管道中的速度。此种速度称为平均速度, 简称流速。
u＝qv /A
( 2) 质量流速与平均流速及流量的关系关系为:
G= qm/A=ρAu/a=ρu 式中 A —— 管道的截面积, m2
9、 管道直径的估算
若以d表示管内径, 则式u＝qv /A 可写成 即:

注: 流量一般为生产任务所决定, 而合理的流速则应根据经济权衡决定, 一般液体流速为0.5～3m/s。气体为10～30m/s。某些流体在管道中的常见流速范围, 可参阅有关手册。
10、 连续性方程 :
在连续稳定的不可压缩流体的流动中, 流体流速与管道的截面积成反比。截面积愈大之处流速愈小, 反之亦然。
 对于圆形管道, 有

即:
式中d1及d2分别为管道上截面1和截面2处的管内径。上式说明不可压缩流体在管道中的流速与管道内径的平方成反比。
11、 柏努利方程式( 能量方程) :
(1)公式: 或

上式称为柏努利方程式( 能量方程) , 它适用于不可压缩非粘性的流体。一般把非粘性的液体称为理想液体, 故又称上式为理想液体柏努利方程式。
实际能量衡算的公式:
或
(2)柏努利方程式的物理意义 :
gz为单位质量流体所具有的位能; ( Z为位压头) p/ρ为单位质量流体所具有的静压能; ( p/ρg 称为静压头) u2/2为单位质量流体所具有的动能( u2/2g为动压头) ; 因质量为m、 速度为u的流体所具有的动能为mu2/2 。由此知, 式中的每一项都是质量流体的能量。位能、 静压能及动能均属于机械能, 三者之和称为总机械能或总能量( z + p/ρg+ u2/2g为总压头) 。各种形式的能量能够互相转换, 从而维持流程不同截面上的总机械能相等。
例题1-7
(3)用柏努利方程式解题时的注意事项:
a、 选取截面: 连续流体; 两截面均应与流动方向相垂直。
强调: 只要在连续稳定的范围内, 任意两个截面均可选用。不过, 为了计算方便, 截面常取在输送系统的起点和终点的相应截面, 因为起点和终点的已知条件多。
b、 确定基准面: 基准面是用以衡量位能大小的基准。
c、 压力 柏努利方程式中的压力p1与p2只能同时使用表压或绝对压力, 不能混合使用。
d、 外加能量 外加能量W在上游一侧为正, 能量损失在下游一侧为正。应用式计算所求得的外加能量W是对每kg流体而言的。若要计算的轴功率, 需将W乘以质量流量, 再除以效率。
12、 牛顿粘性定律( 填空)
流体流动时产生内摩擦力的性质, 称为粘性。

式中μ为比例系数, 称为粘性系数, 或动力粘度( Pa s=10P=1000cP) , 简称粘度。式所表示的关系, 称为牛顿粘性定律。
剪切力与速度的关系完全符合牛顿黏性定律的流体称为牛顿流体。
13、 流体流动状态类型
层流或滞流( Re≤ ) : 当流体在管中流动时, 若其质点始终沿着与管轴平行的方向作直线运动, 质点之间没有迁移, 互不混合, 整个管的流体就如一层一层的同心圆筒在平行地流动。
湍流或紊流( Re≥4000) : 当流体在管道中流动时, 流体质点除了沿着管道向前流动外, 各质点的运动速度在大小和方向上都会发生变化, 质点间彼此碰撞并互相混合, 这种流动状态称为湍流或紊流。
过渡流( <Re>4000) : 流动类型不稳定, 可能是层流, 也可能是湍流, 或是两者交替出现, 与外界干扰情况有关。过渡流不是一种流型。
影响流体流动类型的因素:
流体的流速u ; 管径d; 流体密度ρ; 流体的粘度μ。
u、 d、 ρ越大, μ越小, 就越容易从层流转变为湍流。上述中四个因素所组成的复合数群duρ/μ, 是判断流体流动类型的准则。这数群称为雷诺准数或雷诺数(Reynolds number), 用Re表示。
14、 流体在圆管内的速度分布
速度分布: 流体流动时, 管截面上质点的轴向速度沿半径的变化。流动类型不同, 速度分布规律亦不同。
由实验能够测得层流流动时的速度分布, 如图所示。
a、 速度分布为抛物线形状。
b、 管中心的流速最大;
c、 速度向管壁的方向渐减;
d、 靠管壁的流速为零;
e、 平均速度为最大速度的一半。
15、 管路系统
组成: 由管、 管件、 阀门以及输送机械等组成的。
作用: 将生产设备连接起来, 担负输送任务。
表示方法: φA×B, 其中A指管外径, B指管壁厚度, 如φ108×4即管外径为108mm, 管壁厚为4mm。
直管阻力: 或沿程阻力。流体流经一定直径的直管时所产生的阻力。
局部阻力: 流体流经管件、 阀门及进出口时, 由于受到局部障碍所产生的阻力。
总能量损失: 为直管阻力与局部阻力所引起能量损失之总和。
管件: 管与管的连接部件。作用: 改变管道方向(弯头); 连接支管(三通);改变管径(变形管);堵塞管道(管堵)。
阀门: 常见的阀门种类有截止阀( 调节流量) 、 闸阀( 调节流量) 、 止逆阀( 只允许流体单方向流动)
输送机械: 常见的输送机械有泵和风机, 泵常见于输送液体, 风机用于输送气体。
1 流体在直管中的阻力
层流时的直管阻力

-------达宁-范西公式 式中: l—摩擦系数, l=64/Re

2 局部阻力
流体流经管件时, 其速度的大小、 方向等发生变化, 出现漩涡, 内摩擦力增大, 形成局部阻力。
局部阻力以湍流为主, 层流很少见, 因为层流流体受阻后一般不能保持原有的流动状态。
常见的局部阻力有:
突 扩
突 缩
弯 头
三 通

由局部阻力引起的能耗损失的计算方法有两种: 阻力系数法和当量长度法。
2.1 阻力系数法

z为局部阻力系数。由实验得出, 可查表或图。
常见局部阻力系数的求法:
1). 突扩管和突缩管

2). 进口和出口
进口: 容器进入管道, 突缩。A小/A大»0, l=0.5
出口: 管道进入容器, 突扩。A小/A大»0, l=1.0
2.2 当量长度法
le为当量长度。 将流体流经管件时, 所产生的局部阻力折合成相当于流经长度为le的直管所产生的阻力。
3 管道总阻力

例题1-11
蜗牛形通道; 叶轮偏心放; 可减少能耗, 有利于动能转化为静压能。
叶轮
流体输送机械
1、 常见的流体输送机械
输送液体: 泵; 输送气体: 风机、 压缩机、 真空泵。
3、 泵的分类
泵壳
叶片式泵: 有高速旋转的叶轮。 如离心泵、 轴流泵、 涡流泵。
往复泵: 靠往复运动的活塞排挤液体。如活塞泵、 柱塞泵等。
旋转式泵: 靠旋转运动的部件推挤液体。如齿轮泵、 螺杆泵等。
4、 离心泵的结构和工作原理( 简答)
结构: 离心泵的主要部件有叶轮、 泵壳和轴封装置。
工作原理: 叶轮旋转时叶片将机械能转化为液体的动能, 在离心力的作用下液体从叶轮中心沿半径方向流向外周, 因流道的截面积逐渐变大, 部分动能就转化为压力能, 达到液体输送的目的
6、 气蚀现象( 名词解释)
气蚀: 当进口的压力等于或小于环境温度下液体的饱和蒸气压时, 就会有蒸气从液体中大量逸出, 形成许多蒸气和气体混合的小气泡。这些小气泡随液体流到高压区时会受压破裂而重新凝结。在凝结的瞬间, 质点相互撞击, 产生很大的局部压力, 使气泡将以很高的速度打击离心泵的金属叶片, 对叶片造成损伤, 这种现象称为气蚀现象( 名词解释)
7、 离心泵的主要性能参数:
离心泵的主要性能参数有流量、 扬程、 功率和效率
( 1) 流量 Q ( Ｌ/ｓ或m3/ｈ) : 泵的流量( 又称送液能力) 是指单位时间内泵所输送的液体体积。
( 2) 扬程Ｈ, 米液柱: 泵的扬程( 又称泵的压头) 是指单位重量液体流经泵后所获得的能量。
注: 离心泵压头的大小取决于泵的结构( 如叶轮直径的大小, 叶片的弯曲情况等) 、 转速及流量。
( 3) 效率η: 流体在泵内的流动时会产生各种损失, 其中主要有容积损失、 水力损失和机械损失三种。
( 4) 有效功率Ne:为流体所获得的实际功率。Ne=QHρg( Q-泵的流量( m3/s) H-泵的压头或扬程( m) )
轴功率: 泵轴所获得的功率。N=Ne/η
8、 离心泵的特性曲线:
特性曲线: 在固定的转速下, 离心泵的基本性能参数( 流量、 压头、 功率和效率) 之间的关系曲线。
注: 特性曲线是在固定转速下测出的, 只适用于该转速, 故特性曲线图上都注明转速n的数值。
有三种: Ｈ－Q曲线 Ｎ－Q曲线 η－Q曲线
9、 离心泵的安装高度 例题2-2
为避免发生气蚀现象, 应限制p1不能太低, 或Hg不能太大, 即泵的安装高度不能太高。
安装高度Hg的计算方法一般有两种:
允许吸上真空高度法( 2-8) ; ( 掌握) 和 气蚀余量法。
式中 pa---大气压, N/m2
ρ----被输送液体密度, kg/m3
( 2-8)
Hg
p0
1
1
0
0
Hg — 泵的安装高度; u2/2g — 进口管动能;
∑Hf — 进口管阻力; Hs — 允许吸上真空高度, 由泵的生产厂家给出
;
11、 离心泵的工作点
当离心泵安装在一定的管路系统中工作时, 其压头和流量不但与离心泵本身的特性曲线有关, 而且还取决于管路的特性曲线有关。
注意: 管路特性曲线的形状与管路布置及操作条件有关, 而与泵的性能无关。
( 2) 工作点
离心泵的特性曲线Ｈ－Q与其所在管路的特性曲线Ｈe－Qe的交点M称为泵在该管路的工作点。工作点所对应的流量Q与压头Ｈ既是管路系统所要求, 又是离心泵所能提供的;若工作点所对应效率是在最高效率区, 则该工作点是适宜的。
非均相物系的分离
1、 自然界的混合物分类( 两大类) :
均相物系: 均相混合物。物系内部各处均匀且无相界面。如溶液和混合气体都是均相物系。
非均相物系: 非均相混合物。物系内部有隔开不同相的界面存在, 且界面两侧的物料性质有显著差异。如: 悬浮液、 乳浊液、 泡沫液属于液态非均相物系, 含尘气体、 含雾气体属于气态非均相物系。
非均相物系由分散相和连续相组成
分散相: 分散物质。在非均相物系中, 处于分散状态的物质。
连续相: 分散介质。包围着分散物质而处于连续状态的流体。
沉降分离: 分散相( 颗粒) 相对连续相( 流体) 运动的过程称为沉降。实现沉降的作用力若为重力则为重力沉降若为离心力则为离心沉降
过滤: 连续相( 流体) 相对分散相( 颗粒) 运动而实现固液分离的过程称为过滤。过滤的外力能够是重力、 压强差或惯性离心力。因此, 过滤操作又可分为重力过滤、 加压过滤、 真空过滤和离心过滤
2、 过滤
虑浆: 原悬浮液。
以某种多孔物质为介质, 在外力的作用下, 使悬浮液中的液体经过介质的孔道, 而固体颗粒被截留在介质上, 从而实现固液分离的单元操作。
滤饼: 截留的固体物质。
过滤介质: 过滤采用的多孔物质;
滤浆: 所处理的悬浮液;
过滤介质: 多孔物质。
滤液: 经过多孔通道的液体;
滤饼或滤渣: 被截留的固体物质。
过滤的方式有两种: 深床过滤和滤饼过滤
滤液: 经过多孔通道的液体。
3、 架桥现象( 名词解释)
过滤介质中微细孔道的直径一般大于悬浮液颗粒
中部分颗粒, 因而, 过滤之初会有一些细小颗粒穿过介质而使滤液
浑浊, 但也会在孔道中和孔道口堆积。当过滤一段时间后, 颗粒在孔道中堆积, 迅速地发生架桥现象。
架桥现象
注意: 所选过滤介质的孔道尺寸一定要使”架桥现象”能够过发生。
饼层过滤适于处理固体含量较高的悬浮液。
4、 过滤的操作程序( 答案仅供参考) :
（1） 过滤:主要有恒压过滤和恒速过滤。在实际
操作过程中一般先恒速再恒压。
（2） 滤饼洗涤: 用清水或其它洗液在推动力作用下流过滤饼毛细孔道的过程
（3） 滤饼干燥: 利用气吹滤饼, 以排出滤饼残留的洗液, 使其含量减至最少
（4） 滤饼卸除: 要进行新的过滤过程, 重新使用过滤介质, 就要将滤饼从过滤介质上卸下。卸除滤饼尽可能彻底干净, 目的是为了最大限度地回收滤饼。
5、 恒压过滤的计算3-1( 看书)
6、 板框压滤机( 看书)
10、 影响沉降的因素: 颗粒的浓度效应、 容器的壁效应、 颗粒形状的影响、 分散介质黏度的影响、 两相密度差的影响、 流体分子运动的影响
11、 旋风分离器( 看书)
粉碎 筛分 混合 乳化
1、 粉碎是利用机械力的方法来克服固体物料内聚力, 使固体物料成为达到一定尺寸的颗粒或小块物料的单元操作。根据被粉碎物料和成品粒度的大小, 粉碎可分为粗粉碎( 5-50mm) 、 中粉碎( 10-100mm) 微粉碎( 100μm) 、 超微粉碎( 10μm)
2、 物料粉碎时所受到的作用力包括挤压力、 冲击力和剪应力三种, 基本方法有压碎、 劈碎、 折断、 磨碎和冲击破碎等形式。
3、 锤式击粉碎机( 看书146)
4、 高黏度液体搅拌常见的搅拌器: 锚栅式叶轮、 螺旋轴搅拌器、 螺旋带搅拌器、 静力混合器。
5、 沟流现象: 当流体经过床层时分布不均匀, 则大量流体与固体颗粒不能很好地接触, 就会产生”短路”, 即沟流现象
6、 腾涌现象( 名词解释) : 如果床层高度与直径之比过大, 气速过高时就会产生气泡相互聚合的现象, 形成大气泡。当气泡直径大道与床径相等时, 就会将床层分成几段, 导致到达上部后气泡破裂引起部分颗粒分散下落, 这即为腾涌现象。