Процессы и аппараты пищевых производств

 
 

 
 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ 
СТАВРОПОЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ 
 

 

 

 

Т. В. Вобликова, С. Н. Шлыков, А. В. Пермяков 
 

 
ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ  

ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ 

 

Учебное пособие 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ставрополь 
«АГРУС» 
2013 
 

УДК 664 
ББК 34.7:36.81-5 
В61 
 
Авторы: 

кандидат технических наук, доцент кафедры технологии производства  

и переработки с.-х. продукции СтГАУ Т. В. Вобликова; 

кандидат технических наук, ст. преподаватель кафедры технологии производства  

и переработки с.-х. продукции СтГАУ С. Н. Шлыков; 

кандидат технических наук, доцент кафедры механики и технологического 

оборудования филиала СКФУ в г. Пятигорске А. В. Пермяков 
 
Рецензенты: 
доктор технических наук, доцент, профессор кафедры общественного питания 
и товароведения СКФУ В. В. Садовой; 
кандидат технических наук, доцент кафедры технологии мяса  
и консервирования Н. П. Оботурова 
 
 
Вобликова, Т. В.  
Процессы и аппараты пищевых производств : учебное пособие / 
Т. В. Вобликова, С. Н. Шлыков, А. В. Пермяков. – Ставрополь : АГРУС 
Ставропольского гос. аграрного ун-та, 2013. – 212 с. 
 
ISBN 978-5-9596-0958-0 
 
Содержит 19 тем дисциплины, в каждой из которых излагаются 
теоретические основы процессов пищевых производств, схемы и конструкции 
наиболее распространенных типовых аппаратов и машин, а также основные 
расчетные формулы. В конце каждой темы приведены вопросы для 
самоконтроля. 
Для студентов, обучающихся по направлениям подготовки 19.03.02 – 
Продукты питания из растительного сырья, 19.03.03 – Продукты питания 
животного происхождения, 19.03.04 – Технология продукции и организация 
общественного питания, 35.03.07 – Технология  производства и переработки 
сельскохозяйственной продукции, 15.03.02 – Технологические машины и 
оборудование. 
УДК 664 
ББК 34.7:36.81-5 
 
Рекомендовано к изданию методическим советом Федерального государственного 
бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования 
«Ставропольский государственный аграрный университет» 
 (протокол № 10 от 26 июня 2013 г.). 
 

ISBN 978-5-9596-0958-0              © ФГБОУ ВПО Ставропольский государственный аграрный университет, 2013 

В61 

Оглавление 

Общие положения ………………………………………………………………7 
 

ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ........................................................... 13 

1. Неоднородные системы и методы их разделения .......................................... 14 

1.1. Характеристика неоднородных систем ........................................................................................ 14 

1.2. Способы разделения неоднородных систем ................................................................................ 16 

1.3. Материальный баланс процессов разделения ............................................................................. 17 

Вопросы для самоконтроля ................................................................................................................. 17 

2. Отстаивание и осаждение ................................................................................. 18 

2.1. Отстаивание .................................................................................................................................... 18 

2.2. Осаждение в поле центробежных сил .......................................................................................... 20 

2.3. Оборудование для отстаивания и осаждения .............................................................................. 21 

2.4. Расчет отстойников ........................................................................................................................ 28 

Вопросы для самоконтроля ................................................................................................................. 28 

3. Фильтрование .................................................................................................... 29 

3.1 Общие сведения .............................................................................................................................. 29 

3.2. Теория фильтрования .................................................................................................................... 31 

3.3. Оборудование для фильтрования ................................................................................................. 32 

3.4. Расчет фильтровального оборудования ....................................................................................... 37 

Вопросы для самоконтроля ................................................................................................................. 38 

4. Разделение газовых неоднородных систем .................................................... 39 

4.1. Общие сведения ............................................................................................................................. 39 

4.2. Способы очистки газов .................................................................................................................. 41 

4.3. Расчет пылеуловителей ................................................................................................................. 46 

Вопросы для самоконтроля ................................................................................................................. 47 

5. Мембранные процессы ..................................................................................... 48 

5.1. Общие сведения ............................................................................................................................. 48 

5.2. Теоретические основы разделения обратным осмосом и ультрафильтрацией ........................ 49 

5.3. Характеристика мембран .............................................................................................................. 53 

5.4. Расчет аппаратов проточного типа ............................................................................................... 55 

Вопросы для самоконтроля ................................................................................................................. 56 

6. Псевдоожижение ............................................................................................... 57 

6.1. Общие сведения ............................................................................................................................. 57 

6.2. Физические основы псевдоожижения .......................................................................................... 59 

6.3. Классификация аппаратов с псевдоожиженным слоем ............................................................. 63 

Вопросы для самоконтроля ................................................................................................................. 66 

7. Перемешивание пищевых сред ........................................................................ 66 

7.1. Теоретические основы процесса перемешивания ....................................................................... 66 

7.2. Способы смешивания .................................................................................................................... 69 

7.3. Классификация смесителей и рабочих органов .......................................................................... 74 

7.4. Расчет механических мешалок ..................................................................................................... 79 

Вопросы для самоконтроля ................................................................................................................. 83 

ТЕПЛООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ ..................................................................... 84 

8. Теплопередача ................................................................................................... 84 

8.1. Теоретические основы теплообмена ............................................................................................ 84 

8.2 Теплопроводность ........................................................................................................................... 85 

8.3. Тепловое излучение ....................................................................................................................... 86 

8.4. Конвективный теплообмен ........................................................................................................... 87 

8.5. Связь коэффициента теплопередачи с коэффициентами теплоотдачи ..................................... 91 

8.6. Движущая сила теплообменных процессов ................................................................................ 93 

Вопросы для самоконтроля ................................................................................................................. 94 

9. Виды тепловых процессов ................................................................................ 95 

9.1. Нагревание ...................................................................................................................................... 95 

9.2. Испарение и охлаждение ............................................................................................................... 98 

9.3. Конденсация ................................................................................................................................. 100 

Вопросы для самоконтроля ............................................................................................................... 101 

10. Классификация и устройство теплообменных аппаратов ........................ 102 

10.1. Общие сведения ......................................................................................................................... 102 

10.2. Рекуперативные теплообменники ............................................................................................ 103 

10.3. Регенеративные теплообменники ............................................................................................. 112 

10.4. Смесительные теплообменники ............................................................................................... 113 

Вопросы для самоконтроля ............................................................................................................... 115 

11. Выпаривание .................................................................................................. 117 

11.1. Теоретические основы выпаривания ....................................................................................... 117 

11.2. Способы выпаривания ............................................................................................................... 118 

11.3. Устройство выпарных аппаратов ............................................................................................. 123 

11.4. Методика расчета выпарных аппаратов .................................................................................. 127 

Вопросы для самоконтроля ............................................................................................................... 128 

 

МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ .................................................................. 129 

12. Основы массопередачи. Абсорбция ............................................................ 129 

12.1. Кинетика массопередачи. Движущая сила массообменных процессов ............................... 129 

12.2. Материальный баланс массообменных процессов ................................................................. 131 

12.3. Основы абсорбции ..................................................................................................................... 133 

12.4 Устройство абсорберов .............................................................................................................. 135 

12.5. Расчет абсорберов ...................................................................................................................... 138 

Вопросы для самоконтроля ............................................................................................................... 139 

13. Адсорбция ...................................................................................................... 140 

13.1. Адсорбенты, применяемые в пищевых производствах .......................................................... 140 

13.2. Равновесие в адсорбционных процессах ................................................................................. 141 

13.3. Кинетика адсорбции .................................................................................................................. 142 

13.4. Аппараты для адсорбции ........................................................................................................... 144 

13.5. Ионообменные процессы в пищевых технологиях ................................................................ 146 

13.6. Расчет адсорберов ...................................................................................................................... 148 

Вопросы для самоконтроля ............................................................................................................... 149 

14. Экстракция ..................................................................................................... 150 

14.1. Экстракция в системе «жидкость – жидкость» ....................................................................... 150 

14.2. Выщелачивание .......................................................................................................................... 152 

14.3. Классификация экстракторов ................................................................................................... 153 

Вопросы для самоконтроля ............................................................................................................... 157 

15. Сушка пищевого сырья ................................................................................. 157 

15.1. Общие сведения ......................................................................................................................... 157 

15.2. Формы связи влаги с материалом ............................................................................................. 159 

15.3. Состояния материала при контакте с влажным воздухом ..................................................... 160 

15.4. Скорость сушки .......................................................................................................................... 161 

15.5. Материальный и тепловой баланс сушки ................................................................................ 163 

15.6. Варианты сушильного процесса ............................................................................................... 165 

15.7. Основные типы сушилок ........................................................................................................... 167 

15.8. Инженерные расчеты сушилок ................................................................................................. 174 

Вопросы для самоконтроля ............................................................................................................... 176 

16. Перегонка и ректификация ........................................................................... 176 

16.1. Основы процессов разделения жидких смесей ....................................................................... 176 

16.2. Способы перегонки .................................................................................................................... 179 

16.3. Материальный и тепловой баланс ректификации .................................................................. 181 

16.4. Устройство и характеристика ректификационных колонн .................................................... 183 

Вопросы для самоконтроля ............................................................................................................... 184 

17. Кристаллизация ............................................................................................. 184 

17.1. Общие сведения ......................................................................................................................... 184 

17.2. Кинетика кристаллизации ......................................................................................................... 185 

17.3. Материальный и тепловой балансы кристаллизации ............................................................. 187 

17.4. Классификация способов кристаллизации .............................................................................. 189 

17.5. Аппараты для  кристаллизации ................................................................................................ 189 

Вопросы для самоконтроля ............................................................................................................... 193 

МЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ...................................................................... 194 

18. Измельчение твердого пищевого сырья ..................................................... 194 

18.1. Теоретические основы измельчения ........................................................................................ 194 

18.2. Законы измельчения .................................................................................................................. 195 

18.3. Конструкции измельчителей..................................................................................................... 199 

18.4. Мощность процесса ................................................................................................................... 202 

18.5. Производительность дробилки ................................................................................................. 203 

Вопросы для самоконтроля ............................................................................................................... 204 

19. Уплотнение твердых материалов ................................................................ 205 

19.1. Теоретические основы уплотнения твердых материалов ...................................................... 205 

19.2. Уравнение распределения давления прессования .................................................................. 206 

19.3. Оборудование для прессования ................................................................................................ 207 

19.4. Инженерные расчеты прессов .................................................................................................. 209 

Вопросы для самоконтроля ............................................................................................................... 209 

Библиографический список ................................................................................. 210 

 

 
 

Общие положения 
 

Основы теории переноса импульса, теплоты, массы. Расчёт машин и 

аппаратов 
предусматривает 
определение 
массовых 
потоков 

перерабатываемых материалов, а также количеств необходимой энергии, 

оптимальной площади тепломассообменной поверхности (объёма) аппарата 

или продолжительности процесса, основных размеров машин и аппаратов. 

Кинетика – это учение о скоростях и механизмах процессов. Общие 

кинетические закономерности формулируются в виде общего закона: 

скорость процесса прямо пропорциональна движущей силе и обратно 

пропорциональна сопротивлению. Величина, обратная сопротивлению, 

называется коэффициентом скорости процесса. 

Согласно определению, общее кинетическое уравнение имеет вид 

,
dV
K
Fd
R
Δ
=
=
Δ
τ
 

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. 

Анализ кинетических закономерностей позволяет оценить условия 

процесса и определить оптимальные, соответствующие минимальным 

размерам машин и аппаратов. 

Анализ процессов и расчёт машин и аппаратов проводят в следующем 

порядке: составляют материальный и энергетический балансы процесса; 

исходя из статики определяют направление течения процесса и условия 

равновесия; вычисляют движущую силу; на основании кинетики определяют 

скорость процесса. По данным о скорости процесса и величине движущей 

силы при найденном оптимальном режиме процесса определяют основной 

размер аппарата – рабочий объём или рабочую площадь поверхности. 

По основному размеру определяют все остальные размеры аппарата. 

Материальный баланс составляют на основе закона сохранения 

массы: количество поступающих материалов 
н
G
Σ
 должно быть равно 

количеству конечных продуктов 
к
G
Σ
, получаемых в результате процесса: 

н
G
Σ
=
к
G
Σ
. 

На основании материального баланса определяют выход продукта, 

т. е. выраженное в процентах отношение полученного количества продукта 

к максимально возможному. Выход продукта рассчитывают на единицу 

затрачиваемого сырья. 

Материальный баланс составляют для всех веществ либо для одного 

вещества за выбранную единицу времени или за одну операцию. 

Тепловой баланс составляют на основе закона сохранения энергии: 

количество энергии 
н
Q
Σ
, введённой в процесс, должно быть равно количеству 

выделившейся энергии:  

н
Q
Σ
=
к
Q
Σ
+
п
Q
Σ
, 

где 
к
Q
Σ
 – количество отводимой теплоты;  

п
Q
Σ
– потери в окружающее пространство. 

Вводимая в процесс теплота 
н
Q
Σ
 складывается из теплоты 
1,
Q  

поступающей с исходным материалом и подводимой теплоносителями 
2
Q , 

или теплоты физических или химических превращений 
.
3
Q  

Количество отводимой теплоты 
к
Q
Σ
 складывается из теплоты, 

уходящей с конечными продуктами, и отводимой теплоносителями. 

Теория физического и математического моделирования процессов 

переноса. Расчетные методики должны создаваться на основе знания 

взаимосвязи различных параметров, характеризующих процесс, и их влияния 

на скорость протекания процесса. Существует два основных метода изучения 

объектов: метод прямого эксперимента  и аналитический метод. 

Метод 
прямого 
эксперимента 
заключается 
в 
создании 

экспериментальной установки и проведении на ней экспериментов по 

специальному плану. Достоинством является получение точного конкретного 

результата; 
недостатками 
являются 
значительные 
затраты 
времени, 

материальных 
и 
трудовых 
ресурсов, 
производственных 
площадей, 

невозможность предсказания поведения объекта в измененных условиях или 

обобщения полученных результатов для других объектов. 

Аналитический метод заключается в выводе дифференциальных 

уравнений математической физики, описывающих процесс. Недостатком 

является практическая невозможность получения точного конкретного 

результата, а достоинством является описание целого класса явлений. 

Достоинства того и другого метода объединяет теория подобия. 

Теория подобия – это учение о способах создания моделей, правилах 

проведения на них экспериментов, обработки результатов в виде расчетных 

зависимостей и определенных границ применимости этих расчетных 

зависимостей. 

Моделированием называют изучение объекта по его модели с целью 

предсказания поведения этого объекта в промышленных условиях. К моделям 

предъявляют следующие требования: 

1) 
модель должна быть адекватна реальному объекту, т. е. 

воспроизводить его существенные характеристики; 

2) 
модель должна иметь существенно меньшие габариты, вес, 

стоимость; 

3) 
эксперименты на модели должны проводиться быстрее, быть более 

простыми; 

4) 
должен быть известен алгоритм перевода расчетной зависимости 

для модели в расчетной зависимости для оригинала. 

В настоящее время используются три типа моделей: 

1) 
математические; 

2) 
реальные физические; 

3) 
аналоговые. 

Математическая 
модель 
представляет 
собой 
совокупность 

дифференциальных алгебраических и иных уравнений, описывающих 

процесс. Эксперимент на такой модели заключается в скорости протекания 

процесса при всех возможных комбинационных параметрах (с помощью 

ЭВМ). Достоинством модели являются относительно небольшие затраты 

сырья, материалов, площадей, простота внесения изменений в эту модель. 

Недостатком модели является невозможность учета будущих явлений.  

Реальная физическая модель представляет собой уменьшенную 

упрощенную копию оригинала. Достоинство – получение точного результата. 

Недостатки – весьма большие затраты и сложность внесения изменений в эту 

модель. 

Аналоговые модели отличаются от реального объекта по своей 

физической сущности, но описываются аналогичными дифференциальными 

уравнениями. 

Результаты, полученные на модели, можно распространить на реальный 

объект в том случае, если сама модель и происходящий в ней процесс подобны 

реальным. 

Подобными называются явления, происходящие в геометрически 

подобных объектах, в которых в сходственных точках системы, в 

сходственные моменты времени одноименные параметры пропорциональны. 

Геометрически подобными называются объекты, в которых все углы 

равны, стороны пропорциональны. 

Сходственными точками системы называют точки, отвечающие 

геометрическому подобию.  

Сходственными 
моментами 
времени 
называются 
моменты, 

пропорционально отстоящие от начала процесса. 

Одноименными 
называются 
величины, 
имеющие 
одинаковый 

физический смысл и размерность. 

Теоремы подобия. Три основные теоремы подобия отвечают на три 

основных вопроса: 

1) 
какие величины измерять в эксперименте; 

2) 
в каком виде представлять полученные результаты; 

3) 
на какие явления можно распространять полученные результаты.