Процессы и аппараты пищевых производств

Содержание и задачи курса
Курс «Процессы и аппараты пищевых производств» дает основы теории процессов, методики расчета и основные принципы конструирования аппаратов, является базой для курсового и дипломного проектирования.
Целью курса является формирование необходимых теоретических знаний основ процессов пищевых производств и приобретение практических навыков по подбору и расчету аппаратов, необходимых для осуществления данных процессов.
Задачами курса являются: изучение физико-химических основ технологических процессов пищевых производств, освоение принципов современных методов исследования процессов и аппаратов, ознакомление с методами расчета нестационарных и необратимых технологических процессов.

Основные понятия
В курсе рассматриваются не только процессы, но
и аппараты, в которых они протекают, и машины.
Технологический аппарат— это устройство или
оборудование, предназначенное для проведения
технологических процессов. Обычно это сосуд,
снабженный различными приспособлениями.
Машина — это устройство, выполняющее
механические движения с целью преобразования
энергии или материалов. Они преобразуют форму,
свойства и положение обрабатываемого материала.

Процесс и технология
Производственный процесс - это совокупность
последовательных действий для достижения
определенного результата.
Технология - это ряд приемов, проводимых
направленно с целью получения из исходного
сырья продукта с наперед заданными свойствами.
Задача технологии как науки заключается в
выявлении физических, химических, механических
и других закономерностей с целью определения и
использования наиболее эффективных и
экономичных производственных процессов.

Кинетика
Это учение о скоростях и механизмах процессов. Знание
кинетических закономерностей процессов необходимо для
расчета основных размеров аппаратов. Общие кинетические
закономерности процессов пищевой технологии
(за исключением механических) формулируются в виде
общего закона: скорость процесса прямо пропорциональна
движущей силе и обратно пропорциональна сопротивлению.
Величина, обратная сопротивлению, называется коэффициентом скорости процесса.
Общее кинетическое уравнение имеет вид: dV/Fdτ = Δ /R = KΔ
где V- количество массы или энергии; F - площадь, через
которую проходит масса или энергия; τ - продолжительность
процесса; Δ - движущая сила; R - сопротивление;
К - коэффициент скорости, обратный сопротивлению.

Тепловой баланс
Составляют на основе закона сохранения энергии:
количество энергии ΣQн введенной в процесс, должно быть
равно количеству выделившейся энергии:ΣQн = ΣQк + ΣQп,
где ΣQк — количество отводимой теплоты;
ΣQп — потери теплоты в окружающее пространство.
Вводимая в процесс теплота ΣQн складывается из теплоты Q1 поступающей с исходными материалами, подводимой, теплоносителями теплоты Q2 и теплоты физических или химических превращений Q3.
Количество отводимой теплоты ΣQк складывается из теплоты, уходящей с конечными продуктами и отводимой теплоносителями.
Из теплового баланса определяют расход греющего пара, воды и других теплоносителей.

Материальный баланс
Составляют на основании закона сохранения массы: количество поступающих материалов ΣQн должно быть равно количеству конечных продуктов ΣQк, получаемых в результате проведения процесса: ΣQн = ΣQк
На основании материального баланса определяют выход продукта, т.е. выраженное в процентах отношение полученного количества продукта к максимально возможному (рассчитывают на единицу затраченного сырья).
Материальный баланс составляют для всех веществ либо для одного вещества за единицу времени или за одну операцию.

Основные свойства пищевых продуктов и сырья
В пищевой промышленности перерабатывают сырье и получают готовые продукты в различном агрегатном состоянии:
твердом, жидком, паро- и газообразном.
Для расчета процессов и аппаратов необходимо знать свойства пищевых продуктов и сырья.

Плотность
Плотность - это отношение массы М тела (вещества) к его объему V. Описывается формулой ρ = М / V и выражается в килограммах на 1 м3 , тоннах на 1 м3 или граммах на 1 см3 .
Плотность представляет собой величину, обратную удельному объему vуд, т. е. объему, занимаемому единицей массы вещества ; ρ = 1 / vуд, где vуд = V / М.

Вязкость
Вязкость – это свойство газов и жидкостей сопротивляться действию внешних сил, вызывающих их течение.
Различают динамическую и кинематическую вязкость.

Поверхностное натяжение
Поверхностное натяжение σ — это величина, численно равная работе, которую нужно затратить для того, чтобы при постоянной температуре увеличить на единицу площади поверхность раздела фаз.
Благодаря поверхностному натяжению капля жидкости при отсутствии внешних воздействий принимает форму шара.
Поверхностное натяжение зависит от температуры и уменьшается с ее повышением.

Теплоемкость
Это отношение количества теплоты,
подводимой к веществу, к cоответствующему
изменению его температуры.
Теплоемкость единицы количества вещества
называется удельной теплоемкостью
c (Дж/кг*K).
В расчетах используют массовую, объемную
и мольную удельные теплоемкости.

Теплопроводность
Теплопроводность — это перенос энергии от более нагретых участков тела к менее нагретым в результате теплового движения и взаимодействия микрочастиц, приводящий к выравниванию температуры тела
Интенсивность теплопроводности характеризуется коэффициентом теплопроводности λ, который является теплофизическим параметром вещества

Классификация основных процессов
Основные процессы пищевой технологии:
гидромеханические,
теплообменные,
массообменные,
механические,
химические и биохимические

Гидромеханические процессы
Это процессы, скорость которых определяется
законами механики и гидродинамики.
К ним относятся процессы перемещения
жидкостей и газов по трубопроводам
и аппаратам; перемешивания в жидких средах;
разделения суспензий и эмульсий путем
отстаивания, центрифугирования, фильтрования;
псевдоожижения зернистого материала.

Перемешивание
Перемешиванием называется процесс приведения в тесное соприкосновение сыпучих, жидких и газообразных тел при многократном перемещении частиц друг относительно друга, происходящий в объеме аппарата под действием импульса, передаваемого среде мешалкой, струей жидкости или газа.
Перемешивание используют для образования смесей, дисперсных, коллоидных и молекулярных растворов и повышения однородности их состава, интенсификации тепло-массообменных процессов, а также для выравнивания распределения температуры жидкостей или газов в пространстве.

Лопастные мешалки
а - двухлопастная, б – трехлопастная,
в – шестилопастная

Пропеллерная мешалка

Турбинные мешалки
а — открытая турбинная; б — открытая турбинная с наклонными лопастями; в — закрытая турбинная.

Рамная мешалка

Якорная мешалка
1 – вал; 2 - лопасть

Тестомес

Аппарат для перемешивания вязкопластичного материала
1 – камера;
2 – ленточная мешалка;
3 - привод

Устройство для пневматического перемешивания жидкостей

Схема статического перемешивания потоков
1, 2 – жидкие компоненты;
(1+2) – готовая смесь;
3 – насосы;
4 – статический смеситель.

Схема аппарата с мешалкой
1 — электропривод мешалки;
2 — стойка привода;
3 — уплотнение вала;
4 — вал мешалки;
5 — корпус;
6 — опора аппарата (лапы);
7 — рубашка;
8 — отражательная перегородка;
9 — мешалка;
10 — труба передавливания продукта

Смеситель
сыпучих материалов

Смеситель сыпучих и жидких компонентов

Смеситель ленточный

Осаждение дисперсной фазы
Эти процессы предназначены для разделения фаз многофазных дисперсных смесей, в которых фазы имеют разную плотность.
Осаждение представляет собой процесс разделения, при котором взвешенные в жидкости или газе твердые или жидкие частицы отделяются от нее под действием сил тяжести, инерции (в том числе центробежных) или электростатических. Осаждение, происходящее под действием силы тяжести, называется отстаиванием. В основном оно применяется для предварительного, грубого разделения неоднородных систем.

Одноярусный отстойник
Осадок
Жидкость
Суспензия

Отстойник

Гидроциклоны

Промышленные гидроциклоны

Центрифугирование
Это процесс разделения суспензий
и эмульсий в поле центробежных сил.
Под действием последних осаждение
сопровождается уплотнением
образующегося осадка,
а фильтрование - уплотнением
и механической сушкой осадка.

Фильтрование
Этот процесс применяют при разделении фаз многофазных дисперсных смесей независимо от плотности их фаз.
Фильтрование - это процесс разделения с помощью пористой перегородки, способной пропускать жидкость или газ, но задерживать взвешенные в них твердые частицы. Оно осуществляется под действием сил давления или центробежных сил и применяется для более тонкого разделения суспензий и пылей.

Фильтр вертикальный емкостный

Фильтр-пресс

Теплообменные процессы
Это процессы, связанные с переносом теплоты от более нагретых тел (или сред) к менее нагретым.
К ним относятся процессы нагревания, пастеризации, стерилизации, охлаждения, конденсации, выпаривания и т. п.
Скорость тепловых процессов определяется законами теплопередачи.

Выпаривание

Концентрирование сыворотки

Сгущение молока

Массообменные процессы
Массообменные (диффузионные) —
это процессы, связанные с переносом
вещества в различных агрегатных
состояниях из одной фазы в другую:
абсорбция и адсорбция, перегонка и
ректификация, экстракция, растворение, сушка,
кристаллизация, сублимация др.
Скорость массообменных процессов определяется
законами массопередачи.

Адсорбер

Процесс работы сушилки

Зерносушилка жалюзийная

Шахтная сушилка

Сушка зерна в силосе

Конвейерная сушилка

Колонковая сушилка

РЕКТИФИКАЦИЯ (от позднелат. rectificatio - выпрямление, исправление), разделение жидких смесей на практически чистые компоненты, отличающиеся температурами кипения, путем многократных испарения жидкости и конденсации паров.

Механические процессы
Механические процессы — это процессы чисто механического взаимодействия тел: измельчение, фракционирование сыпучих материалов, прессование и др.

Измельчение
Измельчением называется процесс разделения твердых тел на части под действием механических сил или иного возействия. Применяется в мукомольном, пивоваренном, крахмало-паточном, спиртовом производствах.
Измельчение материала, осуществляемое без придания полученным частицам определенной формы, называется дроблением.
Если одновременно с измельчением куска придается определенная форма, процесс называется резанием.

Молотковая дробилка

Просеивание

Триер

Триерный блок «ПЕТКУС»

ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ ДАВЛЕНИЕМ (ПРЕССОВАНИЕ)
Сущность процесса заключается в том, что обрабатываемый материал подвергается внешнему давлению при помощи специальных механических устройств — прессов. При этом могут преследоваться различные цели:
Отделение жидкости от твердого тела.
Придание пластическим телам определенной геометрической формы (формирование и штампование).
Связывание частиц зернистых сыпучих материалов в более крупные агрегаты определенной формы при помощи связующей жидкости и соответствующего давления (прессование)

Химические
и биохимические процессы
Это процессы, связанные с изменением химического состава и свойств вещества.
Скорость протекания химических и биохимических процессов определяется законами химической кинетики.

Классификация процессов
по способу организации
По способу организации
процессы пищевой технологии
делятся на:
непрерывные
периодические

Периодические процессы
протекают в аппаратах, в которые через определенные промежутки времени загружаются исходные материалы; после их обработки из этих аппаратов выгружают конечные продукты, т.е. периодические процессы характеризуются тем, что все его стадии протекают в одном аппарате, но в разное время.

Непрерывные процессы
Поступление исходных материалов в аппарат и
выгрузка конечных продуктов производится
одновременно и непрерывно.
Следовательно, непрерывный процесс
характеризуется тем, что все его стадии
протекают одновременно, но разобщены
в пространстве, т.е. осуществляются в разных
аппаратах или в различных частях
одного аппарата.

Аппараты непрерывного действия
По распределению времени пребывания
различают две теоретических модели
аппаратов непрерывного действия:
идеального вытеснения
идеального смешения.

Аппараты идеального вытеснения
В аппаратах идеального вытеснения
все частицы движутся в заданном направлении,
не перемешиваясь с движущимися впереди
и сзади частицами и полностью вытесняя
находящиеся впереди частицы рабочего тела.
Время пребывания всех частиц в аппарате
идеального вытеснения одинаково.
Аппарат идеального вытеснения характеризуется
переменной концентрацией веществ по длине
аппарата

Рис. 1. Аппараты вытеснения (проточные)
а) однотрубный теплообменник «труба в трубе»;
б) многотрубный теплообменник.

Аппараты смешения
Обычно снабжены каким-либо перемешивающим
устройством и характеризуется постоянством
концентрации веществ во всем объеме в данный
момент времени, вследствие практически
мгновенного смешения продуктов в рабочем
объеме аппарата.
Время пребывания частиц в аппарате смешения
неодинаково.
Поэтому изменение концентрации веществ
на входе в аппарат носит скачкообразный
характер.

Рис. 2. Аппараты смешения
а) одноступенчатый; б) многосекционный горизонтальный;
в) вертикальный многоступенчатый; г) батарея аппаратов

Установившиеся
и неустановившиеся процессы
В зависимости от изменения параметров процессов
(скоростей, температур, концентраций) во времени
процессы делятся на установившиеся (стационарные)
и неустановившиеся (нестационарные или
переходные).
В установившемся процессе значения каждого
параметра в данной точке постоянны во времени,
а в неустановившемся – переменны.

Список рекомендуемой литературы
1. Процессы и аппараты пищевых производств./ Остриков А.Н., Красовицкий Ю.В., Шевцов А.А. и др. Учебник для вузов. - С.-П. ГИОРД, 2007,
2. Кавецкий Г.Д. Процессы и аппараты пищевой технологии. – М.: Колос. 2000.
3. Панфилов В.А. Машины и аппараты пищевых производств. Книга 1, книга 2. – М.: Колос. 2001.
4. Оболенский Н.В. Процессы и аппараты пищевых производств при переработке продукции растениеводства. М.: Колос. 2008.
5. Панфилов В.А. Введение в специальность «Машины и аппараты пищевых производств». М.: Колос. 2008.

6. Методические указания к лабораторным работам по курсу «Процессы и аппараты пищевых производств». Воронеж, ВГАУ. 2009. Заказ № 965R
7. Методические указания для выполнения лабораторных работ по дисциплине «Процессы и аппараты пищевых производств». Воронеж, ВГАУ. 2009. Заказ № 4113