Процессы и аппараты пищевых производств

 
 
 
 
 
 
И. А. Бакин 
 
 
 
 
 
 
 
ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ  
ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2023
 

УДК 664 
ББК 36.81 
 
Б19 
 
 
Рецензенты: 
д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой пищевой инженерии 
ФГБОУ ВО «УрГЭУ» Тихонов С. Л.; 
д-р техн. наук, профессор, профессор кафедры технологических  
машин и оборудования ФГБОУ ВО «АГТУ» Максименко Ю. А. 
 
 
 
Бакин, И. А. 
Б19 
 
 Процессы и аппараты пищевых производств : учебное пособие / И. А. Бакин. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 
2023. – 208 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1468-5 
 
Рассматриваются основные понятия и классификация процессов и аппаратов пищевых производств. Излагаются теоретические и практические аспекты 
проведения гидромеханических, тепловых, массообменных и механических процессов, а также показано практическое применение этих процессов в пищевых 
отраслях промышленности и типовые конструкции аппаратов. 
Для студентов учреждений ВПО и СПО, обучающихся по направлениям 
подготовки, входящим в УГС «Технологические машины и оборудование».  
 
 
ДК 664 
ББК 36.81 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1468-5 
” Бакин И. А., 2023 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
 

 
ВВЕДЕНИЕ 
Производство высококачественной продукции требует знания основных закономерностей превращения сырьевых ресурсов в готовые 
продукты на всем протяжении жизненного цикла. Высокотехнологичные пищевые технологии должны отвечать требованиям эффективности, высокой производительности и интенсивности. Реализация этих 
требований заложена в основах науки о «Процессах и аппаратах пищевых производств» (ПАПП). Целью курса является изучение основных 
процессов и аппаратов, применяемых в пищевой промышленности, а 
также формирование навыков расчета и анализа процессов и аппаратов. 
Задача курса – изучить не столько конкретные процессы и аппараты, 
сколько общие закономерности наиболее типичных процессов, методы 
их интенсификации и типовое оборудование. 
Дисциплина ПАПП основана на фундаментальных законах физики 
и химии. Содержание предмета находится в стадии интенсивного фундаментального, прикладного и методологического развития. Содержание разделов дисциплины во многом определяется спецификой подготовки студентов механического профиля, способных представлять 
сложные физико-химические процессы в виде уравнений и воплощать 
их в конкретном аппаратурном оформлении, обеспечивающем необходимые требования к качеству готовых продуктов, ресурсосбережению 
и экологической безопасности производств. В условиях перехода к 
стандартам нового поколения при сокращении числа аудиторных часов 
необходимо учитывать повышение значимости самостоятельного изучения предмета студентами. 
В результате изучения курса «Процессы и аппараты пищевых производств» обучающийся должен  
знать: 
– суть типовых технологических процессов пищевых производств; 
общие принципы анализа технологических процессов;  
– основные принципы интенсификации технологических процессов; устройство и принципы работы типовых аппаратов пищевых производств. 
уметь: 
– дать определение основным терминам и понятиям, относящимся 
к теоретическим аспектам технологии пищевых производств;  
– толковать законы протекания процессов пищевых производств;  
– схематично изображать устройство технологического оборудования (машин и аппаратов);  
 
 
3 

 
– сопоставлять различные способы и условия осуществления процессов; дать оценку осуществлению (протеканию) технологических 
процессов пищевых производств. 
владеть: 
– методами моделирования и расчета процессов и аппаратов;  
– навыками определения (измерения) основных параметров и характеристик технологических процессов;  
– типовыми методами лабораторных исследований для выявления 
(или подтверждения) закономерностей протекания технологических 
процессов;  
– навыками сбора и обработки информации для выявления путей 
усовершенствования технологического оборудования и процессов, протекающих в нем;  
– элементарными навыками прогнозирования результатов на базе 
создаваемых моделей процессов и аппаратов. 
В пособии изложение материала проводится в соответствии с общепринятой классификацией основных процессов и аппаратов пищевой 
технологии.  
Представленный учебный материал является вторым изданием, исправленным и дополненным, учебного пособия «Процессы и аппараты 
пищевых производств» для студентов-механиков, авторов Иванец В. Н. 
Бакин И. А., изданного ранее в 2001 г. 
Материал дополнен разделами о мембранных процессах, новыми 
сведениями по разделам массообменные и механические процессы. Для 
каждого раздела приводятся основные требования по современным методам интенсификации процессов, реализация новых научных разработок. Вместе с тем следует учитывать ограничение по объему изучаемой 
дисциплины, развитие науки о процессах и аппаратах, в связи с чем более подробные сведения о конкретном технологическом оборудовании, 
его расчете и подборе следует искать в соответствующей технической 
литературе. Приводимый список литературы позволит найти ссылки на 
современные исследования в конкретных разделах курса для углубленного изучения. 
4 

 
1. СОДЕРЖАНИЕ И ЗАДАЧИ КУРСА  
«ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ» 
Наука о процессах и аппаратах является основой каждой отрасли 
технологии пищевых производств. Возникнув в конце прошлого века, 
она является научной дисциплиной, которая играет значительную роль 
в различных современных технологиях пищевых производств. Термин 
«процесс» (лат. processes – продвижение) в данном курсе трактуется как 
изменение состояния системы (природной и технологической), происходящее в тех или иных условиях. Система – это совокупность элементов, взаимодействующих между собой и с окружающей средой. 
В пищевой технологии осуществляются самые разнообразные процессы, в которых исходные материалы в результате химического взаимодействия претерпевают глубокие превращения, сопровождающиеся 
изменением агрегатного состояния, внутренней структуры и состава веществ. Наряду с химическими реакциями протекают физические (в том 
числе механические) и физико-химические процессы. К ним относятся: 
перемещение жидкостей и твердых материалов, их нагревание и охлаждение, разделение жидких и газовых неоднородных смесей, выпаривание растворов, сушка материалов и другие. Тот или иной способ проведения того или иного процесса часто определяет возможность осуществления, эффективность и рентабельность всего технологического 
процесса в целом. Таким образом, технология – это наука о практическом применении законов физики, химии, биологии и других базисных 
наук для проведения технологических процессов.  
Курс «Процессы и аппараты пищевых производств» строится на основе выявления аналогии внешне разнородных процессов независимо от 
отрасли пищевой промышленности, в которой они используются. Преимущество такого подхода заключается в познавании общих закономерностей протекания процессов, основанное на использовании законов механики, гидродинамики, термодинамики и других базисных дисциплин. 
В дисциплине изучаются как процессы, так и аппараты, в которых 
они протекают. Под аппаратом (лат. apparatus – оборудование) понимают устройство, приспособление, оборудование, предназначенное для 
проведения технологических процессов. Обычно аппарат – это сосуд с 
различными механическими приспособлениями и контрольно-измерительными приборами. В курсе также рассматриваются некоторые 
устройства, которые являются типичными рабочими машинами (пример – центрифуги, дробилки, смесители и т. д.). Характерной особенностью машин является наличие неподвижных и движущихся элементов, 
включающих в себя рабочие органы, валы, подшипники, корпуса (станины), привод и т. п.  
5 

 
Технология производства разнообразных пищевых продуктов и полуфабрикатов состоит из ряда однотипных физических и физико-химических процессов, характеризуемых общими закономерностями. Эти 
процессы в различных технологиях реализуются в однотипных по принципу действия машинах и аппаратах. Процессы и аппараты, общие для 
различных отраслей пищевой технологии, называют основными процессами и аппаратами. 
В курсе ПАПП изучается теория основных процессов, принципы 
устройства и методы расчета аппаратов и машин, используемых для 
проведения технологических процессов. 
Курс является инженерной дисциплиной, представляющей собой 
важный раздел теоретических основ пищевой технологии, необходимым звеном для изучения специальных дисциплин (расчеты и конструирование, оборудование заводов, общая технология пищевых производств и т. д.), представляет базу для курсового и дипломного проектирования. 
1.1. Возникновение и развитие курса ПАПП 
Дисциплина ПАПП основывается на общих законах физики и химии и является теоретической основой пищевой технологии, позволяющей проанализировать и рассчитать процесс, найти его наиболее рациональные (оптимальные) параметры, а также разработать и рассчитать 
аппаратуру, необходимую для проведения этого процесса [1]. 
Положение об общности ряда основных процессов и аппаратов, 
применяемых в различных технологиях обосновано в 1828 г. проф. Денисовым Ф. А. в работе «Пространное руководство к общей технологии 
или познанию всех работ, средств, орудий и машин, употребляемых в 
различных химических искусствах» [2].  
Систематизированные принципы строения курса процессов и аппаратов, а также классификацию основных процессов изложил в 1897 г. 
Менделеев Д. И. в книге «Основы фабрично-заводской промышленности». Далее в 1909 г. Крупским А. К. в Петербургском технологическом 
институте опубликованы «Начальные главы учения о проектировании 
химической технологии», где излагались основы расчёта и проектирования процессов и аппаратов химических технологий. Позднее, в 1913 г. 
проф. Тищенко И. А. в Московском высшем техническом училище читал курс «Основные процессы и аппараты химической технологии» и 
издал учебник по этой дисциплине. В дальнейшем вышли труды российских ученых: Д. П. Коновалова, К. Ф. Павлова, А. М. Трегубова, 
А. Г. Касаткина [3], Н. И. Гельперина, В. В. Кафарова, А. Н. Плановского, П. Г. Романкова, Ю. И. Дытнерского и др.  
 
 
6 

 
Первый учебник по процессам и аппаратам пищевых производств 
подготовлен профессорами И. М. Аношиным и В. Н. Стабниковым. 
Профессором Н. Н. Липатовым опубликованы учебники и пособия по 
процессам и аппаратам пищевых производств в молочной промышленности. Теоретические и практические вопросы процессов сушки изложены в работах профессора А. С. Гинзбурга. 
Значительный вклад в развитие дисциплины о процессах и аппаратах 
пищевых производств вносят учебники и учебные пособия профессоров: 
В. А. Панфилова [4], Ю. В. Космодемьянского, Г. Д. Кавецкого [5], 
Ю. М. Плаксина [6], В. Н. Иванца [7], С. Т. Антипова [8], А. Н. Острикова [1], Г. В. Алексеева, Д. М. Бородулина [9], а также профессорскопреподавательского состава высших учебных заведений страны, ведущих 
подготовку специалистов для пищевой промышленности. 
За рубежом следует отметить вклад в развитие науки о процессах и 
аппаратах известного американского инженера-химика Т. К. Шервуда 
(Thomas Kilgore Sherwood), работавшего над проблемами процессов 
тепло- и массопереноса в молекулярных и турбулентных потоках, опубликовавший в 1937 г. первый крупный учебник по абсорбции и экстракции. Льюис Г. Н. (Gilbert Newton Lewis), американский химик, являющийся основателем научной школы по химической термодинамике, 
сделал ряд фундаментальных открытий химии ХХ столетия. В 1923 г. в 
США опубликована монография В. Уокера, В. Льюиса, В. Мак-Адамса 
«Принципы инженерной химии». Следует отметить изданную в США в 
1931 г. книгу В. Бэджера и В. Мак-Кэба, переведенную на русский язык 
в 1933 г. под названием «Основные процессы и аппараты химических 
производств», в которой дано теоретическое обоснование всех основных операций и процессов, классификация процессов и аппаратуры и 
типовые расчеты. 
За время становления курса ПАПП в него вошли основные группы 
процессов: гидромеханические, тепловые, массообменные и механические. За последние годы массообменные процессы пополнились новой 
и весьма важной группой мембранных процессов. В настоящее время в 
стадии становления находится новый большой и очень перспективный 
раздел технологии – биотехнология. 
Количественное описание процессов пищевой технологии основано 
на законах химической термодинамики и кинетики в совокупности с законами переноса количества движения, теплоты, массы. Современные 
процессы должны осуществляться непрерывно и с большими скоростями, с применением средств настройки на оптимальный режим, отвечать условиям комплексного использования сырья и энергии, исключающих возможность загрязнения воздушного и водного бассейнов вредными выбросами. 
7 

 
1.2. Классификация основных процессов 
В зависимости от закономерностей, характеризующих протекание, 
процессы пищевой технологии подразделяются на четыре основные 
группы. 
1. Гидромеханические процессы, скорость которых определяется 
законами гидродинамики – науки о движении жидкости и газа. К этим 
процессам относятся перемещение жидкостей и газов, разделение жидких и газовых неоднородных систем в поле силы тяжести (отстаивание), 
в поле центробежных сил (центрифугирование), а также под действием 
разности давлений при движении через пористый слой (фильтрование) 
и перемешивание жидкостей. 
2. Тепловые процессы, протекающие со скоростью, определяемой 
законами теплопередачи – науки о способах распространения тепла. Такими процессами являются нагревание, охлаждение, выпаривание и 
конденсация паров. 
3. Массообменные (диффузионные) процессы, характеризующиеся переносом одного или нескольких компонентов исходной смеси из 
одной фазы в другую через поверхность их раздела. К этой группе процессов, описываемых законами массопередачи, относятся абсорбция, 
перегонка (ректификация), экстракция из растворов, кристаллизация, 
адсорбция и сушка. 
4. Механические процессы, описываемые законами механики 
твердых тел. Они применяются в основном для подготовки исходных 
твердых материалов и обработки конечных твердых продуктов, а также 
для транспортирования кусковых и сыпучих материалов. К механическим процессам относятся измельчение, транспортирование, сортировка (классификация), дозирование и смешение твердых веществ. 
По способу организации процессы пищевой технологии делятся на 
периодические и непрерывные. 
Периодические процессы проводятся в аппаратах, в которые через 
определенные промежутки времени загружаются исходные материалы; 
и после их соответствующей переработки (например, проведения химической реакции) происходит выгрузка конечного продукта. По окончании разгрузки аппарата и его повторной загрузки процесс повторяется 
снова. Таким образом, периодический процесс характеризуется тем, что 
все его стадии протекают в одном месте (в одном аппарате), но в разное 
время. 
Непрерывные процессы осуществляются в проточных аппаратах. 
Поступление исходных материалов в аппарат и выгрузка конечных продуктов производятся одновременно и непрерывно. Следовательно, непрерывный процесс характеризуется тем, что все его стадии протекают 
8 

 
одновременно, но разобщены в пространстве, т. е. осуществляются в 
разных аппаратах или в различных частях одного аппарата. 
Известны также комбинированные процессы. К ним относятся непрерывные процессы, отдельные стадии которых проводятся периодически, либо периодические процессы, одна или несколько стадий которых протекает непрерывно. 
Непрерывные процессы имеют значительные преимущества перед 
периодическими, состоящими в возможности специализации аппаратуры для каждой стадии, улучшения качества продукта, стабилизации 
процесса во времени, простоте регулирования, возможности автоматизации и т. п. 
Периодические процессы сохраняют свое значение главным образом в производствах относительно небольшого масштаба с разнообразным ассортиментом продукции, где их применение позволяет достичь 
большей гибкости оборудования при меньших капзатратах. 
При проведении процессов в аппаратах изменяются значения параметров перерабатываемых материалов, которыми являются: давление, 
температура, концентрация, плотность, скорость потока, энтальпия и др.  
В зависимости от того, изменяются или не изменяются во времени 
параметры процесса, их подразделяют на стационарные (установившиеся) и нестационарные (неустановившиеся). Стационарным называют 
режим, все параметры которого не изменяются во времени; в любой 
точке все скорости, концентрации и температура с течением времени 
остаются постоянными. В нестационарном режиме хотя бы часть параметров меняется во времени. К нестационарным относятся все периодические и полунепрерывные процессы.  
В зависимости от характера движения потоков и изменения параметров веществ, поступающих в аппарат, все аппараты разделяются на 
три группы: аппараты идеального (полного) смешения, аппараты идеального (полного) вытеснения и аппараты промежуточного типа. В аппарате, работающем по принципу идеального вытеснения, происходит 
«поршневое» течение потока без перемешивания. В аппарате идеального смешения последующие и предыдущие объёмы жидкости идеально 
перемешаны, основные параметры в аппарате постоянны. В реальных 
аппаратах не могут быть обеспечены ни условия идеального смешения, 
ни идеального вытеснения, поэтому реальные аппараты – это аппараты 
промежуточного типа. 
1.3. Кинетические закономерности основных процессов  
пищевых производств 
Знание кинетических закономерностей процессов необходимо для 
расчета основных размеров аппаратов. Закономерности всех процессов 
9 

 
могут быть сформулированы в виде общего закона: скорость (интенсивность) процесса прямо пропорциональна движущей силе и обратно 
пропорциональна сопротивлению: 
 
(движущая сила)
I(интенсивность )
.
R(сопротивление процессу)
'
 
 
(1.1) 
Соотношение сходно с известным законом физики: ток в цепи (количество электронов q, протекающих по сечению проводника F за 
время dIJ) прямо пропорционален напряжению и обратно пропорционален сопротивлению цепи  
 
IJ
q
U
J
F d
R
 
 
˜
  
(1.2) 
Подобные соотношения для изучаемых процессов можно выразить 
следующим образом: 
– для гидромеханических  
 
1
1
1
,
IJ
dV
p
J
k
p
F d
R
'
 
 
 
˜'
˜
 
(1.3) 
– тепловых 
 
2
2
2
,
IJ
dQ
T
J
k
T
F d
R
'
 
 
 
˜'
˜
 
(1.4) 
– массообменных процессов 
 
3
3
3
,
dM
c
J
k
c
F d
R
W
'
 
 
 
˜'
˜
 
 (1.5) 
где k1, k2, k3 – коэффициенты пропорциональности (скорости) процессов;  
F – площадь живого сечения аппарата (поверхность теплообмена, 
поверхность контакта фаз, и др.);  
ǻр, ǻТ, ǻс – движущие силы процессов: гидромеханического – разность давлений, теплового – разность температур, массообменного – 
разность концентраций соответственно. 
1.4. Общие принципы анализа и расчета ПАПП 
Содержание и последовательность расчетов будут следующими. 
Исходным этапом является расчет и анализ статики процесса, т. е. рассмотрение данных о равновесии, на основе которых определяют направление протекания и возможные пределы осуществления процесса 
(принцип Ле-Шателье). Пользуясь этими данными, находят предельные 
значения параметров процесса, необходимые для вычисления его движущей силы. Затем составляются материальные и энергетические балансы, исходя из законов сохранения массы и энергии. Последующий 
10