Процессы и аппараты пищевых производств

Министерство образования и науки Российской Федерации 

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 
 
 
 
 
 
 
В.И. ЖУКОВ 
 
 
 
 
 
 
ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ 
ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ 

Утверждено Редакционно-издательским советом университета 
в качестве учебного пособия 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
НОВОСИБИРСК 
2013 

УДК 664.02(075.8) 
         Ж 86 

Рецензенты: 

д-р физ.-мат. наук, профессор С.И. Лежнин 
канд. техн. наук, доцент Ю.Л. Крутский 
 
 
Работа подготовлена на кафедре химии и химической технологии 
для студентов III–IV курсов дневной и заочной форм обучения, 
направление 260800.62 – Технология продукции 
и организация общественного питания 
 
 
Жуков В.И. 
Ж 86            Процессы и аппараты пищевых производств : учеб. пособие. – Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2013. – 188 с. 

ISBN 978-5-7782-2403-2 

Рассмотрены гидромеханические, механические, тепловые и массообменные процессы пищевых производств, а также приведены основные уравнения гидравлики. Изложены принципы анализа, расчета 
и пути интенсификации процессов пищевых производств и их аппаратурного оформления. Некоторые формулы, часто использующиеся 
для оценок, приводятся без громоздкого вывода, в конце каждого раздела дан обширный список литературы, использовавшейся при составлении данного пособия, где содержится вывод и теоретическое 
обоснование зависимостей.  
Пособие предназначено для студентов III–IV курсов в целях изучения дисциплины «Процессы и аппараты пищевых производств» по 
направлению (специальности): 260800.62 – Технология продукции и 
организация общественного питания. 
Работа выполнена при частичной поддержке гранта НГТУ С-7. 
 
 
УДК 664.02(075.8) 
 
 
ISBN 978-5-7782-2403-2                                              © Жуков В.И., 2013  
© Hовосибиpский государственный 
технический университет, 2013    

ВВЕДЕНИЕ 

Содержание и задачи курса 
«Процессы и аппараты пищевых производств» 

Курс «Процессы и аппараты пищевых производств» является переходным курсом от общеинженерного цикла дисциплин к специальному 
для инженеров-технологов и механиков пищевых производств. 
Современные знания о процессах и аппаратах опираются на прочный фундамент химии, физики, математики, а также на ряд инженерных и экономических дисциплин: механику, теплотехнику, электротехнику, техническую кибернетику, материаловедение, промышленную экономику. 
Процессы пищевой технологии в большинстве своем очень сложные и зачастую представляют сочетание гидродинамических, тепловых, массообменных, биохимических и механических процессов. 
Курс, являясь теоретической основой пищевой технологии, позволяет проанализировать и рассчитать производственный процесс, определить оптимальные параметры, разработать и рассчитать аппаратуру для 
его проведения. В рамках настоящего курса изучаются закономерности 
масштабного перехода от лабораторных процессов и аппаратов к промышленным, что необходимо для проектирования и создания современных многотоннажных промышленных аппаратов пищевой технологии. 
При написании данного учебного пособия использовались различные литературные источники, большая часть схем аппаратов взята из 
книги: Липатов Н.Н. Процессы и аппараты пищевых производств. – 
М.: Экономика, 1987. – 272 с. Схемы, предложенные Н.Н. Липатовым, 
являются наиболее простыми, содержащими основные принципы работы аппаратов, из них исключены излишние технические подробности. При изложении массообменных процессов особенно широко использовалась названная выше работа Липатова Н.Н., а также книги: 
Стабников В.Н., Лысянский В.М., Попов В.Д. Процессы и аппараты 
пищевых производств. – М.: Агропромиздат, 1995 и Дытнерский Ю.И. 
Процессы и аппараты химической технологии. – М.: Химия, 1995. 

Кроме указанных источников, использовалось множество различных монографий, справочников и оригинальных статей. Список 
наиболее значимой библиографии приводится после каждого раздела, 
посвященного определенному типу процессов. 

Возникновение и развитие науки 
о процессах и аппаратах 

Учение о процессах и аппаратах возникло в начале ХХ века одновременно и независимо в России и США. В России основы науки о процессах и аппаратах были заложены учеными-инженерами А.К. Крупским в Петербургском технологическом институте и И.А. Тищенко в 
Московском высшем техническом училище. При этом использовались 
богатые фактические материалы, накопленные в промышленности, и то 
огромное идейное наследие в области химической технологии, которое 
оставил Д.И. Менделеев. В 1909 г. А.К. Крупский опубликовал свой 
труд «Начальные главы учения и проектирования в химической технологии». Впервые в России систематический курс основных процессов и 
аппаратов химической технологии был прочитан И.А. Тищенко в 1913 г. 
Большой вклад в эту науку внесли И.А. Тищенко  автор расчетов 
выпарных установок, Д.П. Коновалов  автор исследований в области 
перегонки жидкостей. В своей работе (19241925) «Материалы и процессы химической технологии» Д.П. Коновалов так определил задачи 
химической технологии: «Одной из главных задач химической технологии, отличающей ее от чистой химии, является установление наивыгоднейшего хода операции и проектирование соответствующих ему 
заводских приборов и механических устройств». 
Следует отметить, что процессы и аппараты химической и пищевой технологии не имеют принципиального различия: используются 
одни и те же законы и методы расчета оборудования. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ 

И АППАРАТОВ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ 

 
Производственный процесс – совокупность приемов, выполняемых 
направленно для достижения определенного результата. 
Технология – ряд производственных процессов; совокупность действий, выполняемых с целью получения из исходного сырья продукта 
с заданными свойствами. Задача технологии – поиск наиболее эффективных и экономичных технологических процессов для создания заданного продукта. 
Технологический аппарат – устройство для проведения технологических процессов. 

Общие процессы 
1. Классификация по организационно-техническому признаку. 
1.1. Процессы и аппараты непрерывного действия. Все стадии процесса проходят одновременно, но в различных точках пространства. 
1.2. Процессы и аппараты периодического действия. Стадии процесса осуществляются, как правило, в одном аппарате (машине), но в 
определенной последовательности (например, варка пищи в пищеварочных котлах. 
1.3. Процессы и аппараты комбинированного действия. Одни стадии осуществляются периодически в машинах и аппаратах периодического действия, а другие – в машинах и аппаратах непрерывного действия (например, приготовление хлеба: брожение – периодический 
процесс, выпечка – непрерывный процесс). 
2. Классификация по изменению параметров во времени. 
2.1. Стационарные процессы. Значения параметров процессов являются постоянными во времени и зависят лишь от положения данной 
точки системы в пространстве: 

П
( , , ), П
( ),
f x y z
f


  

где П – параметр системы, характеризующий процесс; x, y, z – координаты; τ – время. 

2.2. Нестационарные процессы. Параметры процессов зависят от 
положения данной точки системы в пространстве и от времени: 

П
( , , , ).
f x y z

  

3. Классификация по кинетическим закономерностям. 
Кинетика – наука о механизмах и скоростях протекания процессов. 
Основной закон кинетики – скорость процесса пропорциональна 
движущей силе процесса и обратно пропорциональна сопротивлению. 

1 dV
k
F d
R


 

, 

где F – площадь поверхности, через которую происходит перенос 
энергии или массы, м2; V – количество вещества или энергии;   – время, с;   – движущая сила; R – сопротивление; k – коэффициент скорости процесса, проводимость. 
3.1. Гидромеханические процессы: перемещение жидкостей и газов 
по трубопроводам и аппаратам, перемешивание в жидких средах, 
фильтрование, центрифугирование и т. д. Скорость определяется законами механики и гидродинамики. 

1
2
(
–
) 
р
р
 
– движущей силой является разность давлений; процесс направлен в сторону уменьшения давления. 
3.2. Теплообменные процессы: нагревание, охлаждение, пастеризация, кипение, конденсация, плавление и т. д. Скорость определяется 
законами теплопередачи. 

1
2
( –
) 
t
t
 
– движущей силой является разность температур; процесс направлен в сторону уменьшения температуры. 
3.3. Механические процессы: измельчение, классификация сыпучих 
материалов, прессование и др. Процессы чисто механического взаимодействия тел подчиняются законам механики. 
3.4. Массообменные (диффузионные) процессы. Скорость определяется законами распространения вещества в сплошных средах. Механизм – диффузия. Процессы связаны с переносом вещества в различных агрегатных состояниях из одной фазы в другую (абсорбция, 
адсорбция, перегонка и ректификация, экстракция, растворение, кристаллизация, мембранные процессы, сушка). 

1
2
(
–
) 
C
C
 
 – движущей силой является разность концентраций; 
процесс направлен в сторону уменьшения концентрации. 
3.5. Химические процессы. Подчиняются законам химической кинетики. 

3.6. Микробиологические процессы. Подчиняются биологическим 
законам жизнедеятельности микроорганизмов (дрожжевое тесто, 
сквашивание молока, квашение капусты). 
3.7. Электрофизические процессы. Протекают под воздействием 
электрического тока. 

1
2
(
–
) 
  

– движущей силой является разность потенциалов; 
процесс направлен в сторону уменьшения потенциала. 
 
 
 

2. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ РАСЧЕТА МАШИН 
И АППАРАТОВ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ 

Анализ процессов и расчет машин и аппаратов проводят в следующем порядке. 
1. Расчет материального и теплового баланса. 
2. Определение направления течения процесса и условий равновесия. 
3. Определение движущей силы процесса. 
4. Определение скорости процесса. 
5. Определение основного размера аппарата (рабочий объем или 
рабочая площадь поверхности) по данным о скорости процесса и величине движущей силы при оптимальном режиме. 
6. Определение остальных размеров (площадь, объем) аппарата по 
основному размеру. 
Расчет материального баланса основывается на законе сохранения 
вещества: 

н
п,
k
G
G
G

 
 
 

где 
н
G

 – масса поступающих веществ; 
k
G

 – масса получаемых 
веществ в результате процесса; 
п
G

 – масса потерь. Эффективность 
работы аппаратов характеризуется коэффициентом выхода готового 
продукта: 

п
100 %
k
G
A
G


 
. 

Расчет энергетического баланса основывается на законе сохранения энергии: 

н
п
k
Q
Q
Q

 
 
, 

где 
н
Q

 – подводимое количество теплоты; 
k
Q

 – полезно затраченное количество теплоты; 
п
Q

– потери теплоты. Аппараты сравнивают 
по тепловому КПД процесса: 

н

п
100 %
Q
Q


  
. 

Направления течения процесса и условий равновесия определяют 
из гидродинамики и термодинамики. 
По величинам, характеризующим рабочие и равновесные параметры, определяют движущую силу  . 
На основании законов кинетики находят коэффициент скорости 
процесса k . 
Нахождение коэффициента скорости процесса и движущей силы – 
самая сложная часть расчетов машин и аппаратов пищевых производств. 
 
 
 

3. МОДЕЛИРОВАНИЕ И ПОДОБИЕ ПРОЦЕССОВ 
И АППАРАТОВ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ 

Чтобы ограничить большой поток информации о процессе, создают 
его модель, которая отражает отдельные явления изучаемого процесса. 

3.1. Математическое моделирование 

Математическое моделирование включает три основных этапа. 
1. Составление уравнений (формализация задачи). 
2. Разработка способа и решение уравнений. 
3. Установление адекватности принятой математической модели с 
реальными данными, характеризующими процесс. 
 
 

3.2. Физическое моделирование 

При физическом моделировании изучаются процессы и аппараты 
на конкретных моделях. Как правило, эти модели отличаются от промышленных образцов своими размерами и производительностью. 
При физическом моделировании исследование основывается на 
эксперименте. В качестве теоретической базы физическое моделирование использует теорию подобия. 

3.3. Основы теории подобия 

Теория подобия устанавливает правила построения модели, порядок проведения экспериментов на модели и возможности перенесения 
результатов, полученных на модели, на реальные аппараты. 
Дифференциальные уравнения обычно описывают целый класс 
процессов, в пределах которых действуют применяемые общие физические законы. Чтобы описать частный процесс, дифференциальные 
уравнения следует дополнить условиями однозначности. 
В условия однозначности входят: сведения о геометрических свойствах системы, о физических свойствах среды, начальные и граничные 
условия системы, условия взаимодействия системы с окружающей средой. 
Из величин, входящих в условия однозначности, составляются безразмерные комплексы, которые называются определяющими критериями подобия. 
Критерии подобия, в состав которых входит хотя бы одна величина, 
не входящая в условия однозначности, называются определяемыми. 

3.4. Три теоремы подобия 

Из трех основных теорем подобия следует: какие величины надо 
определять в опытах; в какой форме надо представлять результаты 
опытов; на какие случаи расчетной практики можно распространить 
результаты опытов. 
Первая теорема подобия (теорема Ньютона). Подобные между 
собой явления имеют численно одинаковые критерии подобия. 
Вторая теорема подобия (теорема Бэкингема и Федермана). Решение дифференциального уравнения может быть представлено в виде 
зависимости между критериями подобия, полученными из этого уравнения: 

1
2
3
(
, 
,
),
K
f K
K

  

где K1 – определяемый критерий подобия; K2, K3 – определяющие критерии подобия. Обычно это степенная функция, вид ее определяется из 
опыта. 
Третья теорема подобия (теорема Кирпичева и Гухмана). Явления 
между собой подобны, если они описываются одной и той же системой 
дифференциальных уравнений и имеют подобные условия однозначности. 
Подобие условий однозначности включает в себя: 
– геометрическое подобие аппаратов; 
– временное подобие: отношение между интервалами завершения 
аналогичных стадий процесса в аппаратах сохраняется постоянным; 
– подобие физических величин: подобие силовых полей, полей 
скоростей, полей температур или полей концентраций, подобие физических свойств изучаемых сред в сходственных точках модели и 
натурного образца; 
– подобие граничных и начальных условий. 

3.5. Метод анализа размерностей 

При изучении многих сложных процессов не всегда удается составить дифференциальные уравнения и выявить критерии подобия, описывающие их, но в результате экспериментов становится известно, какие физические величины оказывают влияние на процесс, тогда 
пользуются анализом размерностей. 
Количество критериев можно определить с помощью теоремы Бэкингема, или -теоремы: общая функциональная зависимость, составленная из n переменных величин, при использовании m первичных 
единиц измерения может быть представлена в виде критериальной зависимости между p = n – m критериями, составленными из величин, 
входящих в общую функциональную зависимость. 
Пример. При экспериментальном исследовании течения жидкости 
в трубах было установлено, что режим течения определяется скоростью жидкости u , диаметром трубы d  и кинематической вязкостью 
жидкости  . 
( , )
u
f d

  – общая функциональная зависимость, составленная из 
трех переменных величин, т. е. 
3
n 
. 
Размерности переменных величин: [ ]
u  = м/c, скорость; [d] = м, линейный размер; [] = м2/c, коэффициент кинематической вязкости.