книги из ГПНТБ / Стабников, В. Н. Процессы и аппараты пищевых производств учебник

В. Н. С Т А В Н И К О В В. И. Б А Р А Н Ц ЕВ

ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ

Издание второе, ■переработанное и дополненное

Допущено Министерством пищевой промышленности СССР в качестве учебника для техникумов пищевой промышленности

М О С К В А

ПИЩЕВАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ

1 9 7 4

ОТ АВТОРОВ

Второе издание учебника «Процессы и аппараты пищевых производств», как и первое, предназначено для учащихся тех­ никумов пищевой промышленности. В со­ ответствии с программой курса в нем рас­ сматриваются механические, гидромехани­ ческие, тепловые и массообменные процес­ сы пищевых производств.

За годы, прошедшие со времени выхода в свет первого издания книги, достигнуты значительные успехи в разработке научных основ пищевой технологии, совершенство­ вании существующих и создании новых высокопроизводительных процессов и аппа­

полнено. Особенно большой переработке подверглись разделы: измельчение, осаж­ дение, фильтрование, нагревание, выпари­ вание, абсорбция и ректификация.

Авторы стремились отразить в учебни­ ке последние достижения науки и техники в области основных процессов и аппаратов пищевых производств, подчинить выбор их повышению производительности труда, Эко­ номической эффективности и высокому ка­ честву получаемых продуктов. Наряду с этим в книге приведены примеры расче­ тов процессов и аппаратов, облегчающие понимание многих практических и теорети­ ческих вопросов курса.

В приложениях в книге приводятся теп­ лофизические характеристики сырья, полу­ продуктов и продуктов пищевых произ-

3

ВВЕДЕНИЕ

Для внедрения прогрессивных, особенно непрерывных, тех­ нологических процессов, ускорения разработки и промышлен­ ного внедрения новых высокоэффективных аппаратов, обеспе­ чивающих получение пищевых продуктов высокого качества, необходимо углублять и совершенствовать учение о процессах и аппаратах.

Несмотря на большое разнообразие.пищевых продуктов, по­ лучение их связано с проведением однотипных процессов, напри­ мер нагревания, охлаждения, перемешивания, фильтрования, сушки и др., являющихся общими для многих пищевых произ­ водств. Наряду с этим в каждом производстве имеются специфи­ ческие процессы, характерные только для данного производства, например в бродильных производствах — брожение, в свекло­ сахарном— дефекация и сатурация, в консервном — обжарка и др., изучаемые в специальных курсах.

В курсе «Процессы и аппараты» изучаются физико-химичес­ кая сущность основных процессов, которые являются общими для многих отраслей пищевой промышленности, а также прин­ ципы устройства и методы расчета аппаратов, предназначенных для проведения этих процессов.

Особенностью курса являются изучение всех процессов с целью познания их внутренних закономерностей, а также разра­ ботка научно обоснованных методов расчета процессов и аппа­ ратов.

Курс «Процессы и аппараты» основывается на общих законах гидравлики, теплотехники и физической химии и является базой для глубокого изучения специальных дисциплин, включая кур­ совое и дипломное проектирование.

В настоящем курсе рассматриваются процессы и аппараты, являющиеся общими для многих пищевых производств, незави­ симо от их конкретной технологии. Это позволило сделать обоб­ щения по теории и аппаратурному оформлению процессов, при­ менить единые методы расчетов и, таким образом, положитель­ ный опыт одной отрасли сделать доступным для других.

1. КРАТКИЙ ИСТОРИЧЕСКИЙ ОЧЕРК РАЗВИТИЯ КУРСА

Учение о процессах и аппаратах зародилось в конце XIX в. одновременно и независимо в нашей стране и США. Основные начала этой дисциплины были заложены Д. И. Менделеевым,

который в 1897 г. в книге «Основы фабрично-заводской промыш­ ленности» впервые четко сформулировал классификацию основ­ ных процессов химической технологии и обратил серьезное вни­ мание на развитие непрерывных процессов. Затем в 1909 г. А. К. Крупский в учебном пособии, посвященном вопросам расче­ та аппаратов, изложил метод обобщений в науке о процессах

иаппаратах, заключающийся в следующем:

1)из большого количества технологических процессов путем

группирования выделяется ограниченное число основных про­

цессов; 2) при изучении основных процессов и их отдельных групп

используются единые закономерности.

В дальнейшем эти идеи получили развитие в работах И. А. Тищенко, который начиная с 1911 г. читал курс процессов и аппаратов в Московском высшем техническом училище. Наи­ большие успехи в развитии теории о процессах и аппаратах и прикладном значении ее достигнуты в советское время благода­

Особо следует отметить работы М. В. Кирпичева, М. А. Ми­ хеева и А. А. Гухмана по теории подобия и моделирования, на основе которой в настоящее время строится учение о процессах и аппаратах.

За последние годы основные разделы курса процессов и ап­ паратов развились в самостоятельные технические дисциплины, которым учеными у нас и за рубежом посвящены специальные монографии и учебные пособия.

Из иностранных ученых, работавших над созданием и разви­ тием этого курса, следует отметить американских ученых Льюи­ са, Уокера, Баджера, Мак-Адамса, польских ученых Зюлковского, Циборовского и др.

2.КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ПИЩЕВОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Взависимости от основных закономерностей, характеризую­ щих протекание процессов, последние делятся на Следующие группы: механические, гидромеханические, тепловые, массооб­ менные, биохимические и процессы, осложненные химической реакцией.

Кмеханическим процессам, основой которых является меха­ ническое воздействие на твердые материалы, относят измельче­ ние, сортирование, прессование и смешивание сыпучих материа­ лов. Движущими силами этих процессов являются силы механи­ ческого воздействия на материалы.

Кгидромеханическим процессам, основой которых является гидростатическое или гидромеханическое воздействие на мате­ риалы, относят перемешивание, отстаивание, фильтрование, цен-

6

♦

трифугирование и очистку воздуха и газов. Движущей силой этих процессов является гидростатическое и гидродинамическое давление или центробежная сила.

Ктепловым процессам, основой которых является изменение теплового состояния взаимодействующих сред, относят нагрева­ ние, охлаждение, выпаривание, конденсацию и получение искус­ ственного холода. Движущей силой этих процессов является раз­ ность между температурами взаимодействующих сред.

Кмассообменным (диффузионным) процессам, в которых на­ ряду с теплопередачей большую роль играет переход вещества из одной фазы в другую за счет диффузии, относятся абсорбция, адсорбция, сушка, перегонка и ректификация, экстрагирование и кристаллизация. Движущей силой этих процессов является раз­ ность концентраций вещества во взаимодействующих фазах.

Биохимические процессы и процессы, осложненные химиче­ ской реакцией, рассматриваются в специальных курсах.

Каждый из указанных процессов может протекать периоди­

чески, непрерывно и полунепрерывно (когда отдельные стадии процесса протекают периодически и непрерывно).

При периодическом процессе исходный материал загружает­ ся в аппарат, обрабатывается в нем, после чего готовый продукт выгружается и аппарат снова загружается. При этом состояние обрабатываемого материала и параметры процесса изменяются с течением времени.

При непрерывном процессе загрузка и разгрузка аппарата производятся непрерывно, все стадии процесса протекают одно­ временно, но в разных зонах аппарата; при этом вследствие ус­ тановившегося процесса в каждой зоне аппарата физическое состояние материала и параметры процесса с течением времени остаются практически неизменными. По сравнению с периодиче­ скими непрерывные процессы обеспечивают более высокую про­ изводительность аппарата, получение однородного продукта вы­ сокого качества, равномерность потребления тепла, воды и элек­ троэнергии, более безопасные условия труда и возможность авто­ матизации процесса. Аппараты непрерывного действия более компактны и требуют меньших капитальных и эксплуатационных затрат.

3. ОБЩИЕ ЗАКОНЫ ПИЩЕВОИ ТЕХНОЛОГИИ

Применение основных законов физики и физикохимии при изучении процессов пищевой технологии составляет теоретичес­ кую основу данного курса. На основании этих законов состав­ ляются материальные и энергетические балансы, изучаются ус­ ловия, определяющие равновесие системы и скорость протека­ ния процессов.

М а т е р и а л ь н ы й б а л а н с , основанный на законе сохра­ нения массы, составляют для определения расхода исходных ве­ ществ .или выхода готовых продуктов. Согласно закону сохра-

7

цесс протекает до установления в системе равновесия. Так, при нагревании тепло передается от более нагретого тела к менее на­ гретому до установления равенства температур; сахар или соль растворяются в воде до образования насыщенного раствора и т. д. Если система не находится в состоянии равновесия, то дви­ жущая сила процесса, показывающая отклонение системы от со­ стояния равновесия, всегда стремится привести систему к равно­ весию. При этом чем больше движущая сила, тем больше ско­ рость' процесса. Для практических расчетов важно знать ско­ рость процесса в различных его стадиях, или так называемую ки­ нетику процесса.

Кинетика изучаемых нами процессов (кроме механических) выражается следующим общим законом: с к о р о с т ь п р о ц е с ­

В соответствии с этим законом и приведенной выше класси­ фикацией процессов напишем следующие основные кинетические уравнения:

1. При движении жидкости или газа через живое сечение ап­ парата

R 1 — гидравлическое сопротивление аппарата;

&i=l / R i— коэффициент скорости.

2.При передаче тепла через поверхность теплообмена

* Давление и механическое напряжение в системе СИ измеряются в паска­

9