РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
ИННОВАЦИОННЫЙ ЕВРАЗИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
ОБОРУДОВАНИЕ ПРОИЗВОДСТВА ПРОДОВОЛЬСТВЕННЫХ
ПРОДУКТОВ
ОПОРНЫЕ КОНСПЕКТЫ ЛЕКЦИЙ
ПАВЛОДАР 2012
ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН ЛЕКЦИЙ
| № | Темы лекций | Кол-во часов |
| Модуль 1 | ||
| Лекция 1. Введение. Оборудование для транспортировки пищевых продуктов | ||
| Лекция 2. Сортировочно-калибровочное оборудование | ||
| Лекция 3. Моечное оборудование | ||
| Лекция 4. Машины для измельчения продуктов | ||
| Лекция 5. Машины для перемешивания продуктов | ||
| Лекция 6. Очистительное оборудование | ||
| Лекция 7. Оборудование для разделения неоднородных тел | ||
| Лекция 8. Машины для обработки продуктов давлением | ||
| Лекция 9. Фильтры, применяемые в перерабатывающей промышленности | ||
| Лекция 10. Тепловое оборудование | ||
| Лекция 11. Жарочно-пекарное оборудование | ||
| Лекция 12. Оборудование для выпаривания | ||
| Лекция 13. Оборудование для сушки перерабатываемого сырья | ||
| Лекция 14. Оборудование для фасовки и упаковки пищевых продуктов | ||
| Лекция 15. Оборудование для учета пищевых продуктов по массе и объему | ||
| Итого: |
Лекция 1. Введение. Оборудование для транспортировки пищевых продуктов.
План лекции:
1. Задачи курса и его содержание.
2. Классификация технологического оборудования.
3. Подвесные пути, конвейеры и оборудование для их обслуживания.
4. Устройства для передачи продуктов по трубам.
1. Этот курс базируется на основе знаний, приобретенных при изучении общеинженерных и специальных дисциплин: теплотехники, гидравлики, процессов и аппаратов пищевых производств, общей технологии пищевых производств и т.п.
Дисциплина является одной из специальных дисциплин процесса обучения в ВУЗе и формирующей у студентов знания об оборудовании для механической обработки.
В задачи дисциплины входит:
Изучение физической сущности и механизма явлений, сопутствующих процессам переработки пищевых продуктов;
Изучение конструктивных форм рабочих органов технологического оборудования;
Изучение принципиальных основ конструкций современных технологических машин и аппаратов;
Изучение путей интенсификации и механизации производственных процессов.
В содержание курса входит изучение видов технологического оборудования для механической обработки. Структурные формы технологического оборудования. Виды технологических потоков, процессов и операций. Классификация современного технологического оборудования пищевой промышленности. Основные требования, предъявляемые к технологическому оборудованию и его рабочим деталям.
2. Оборудование для механической обработки принято классифицировать на:
Мойки сырья (зерна, сахарной свеклы, плодов и овощей, туш животных) и тары;
Очистки и сепарирования зерна (скальперагоры и камнеотборники, воздушно-ситовые сепараторы и просеиватели, триеры, падди-машины, воздушные и магнитные сепараторы и т.п.);
Инспекции, калибрования и сортирования плодов и овощей (инспекционные транспортеры, калибровочные и сортировочные машины и т.п.);
Очистки растительного и животного сырья от наружного покрова (обоечные и щеточные машины, машины для шелушения и шлифования зерновых культур, бичерушки, гребнеотделители, машины для очистки картофеля и корнеплодов, машины для отделения шелухи и плодоножек, протирочные машины, машины для снятия шкур с животных и для снятия оперения с птиц и т.п.);
Измельчения пищевого сырья (вальцовые станки, дробилки, мельницы, резательные машины и свеклорезки, плющильные машины, мясорубки, волчки и куттеры, гомогенизаторы и т.п.);
Сортирования и обогащения сыпучих продуктов, измельчения пищевого сырья (рассева и ситовеечные машины, вымольные машины и виброцентрофугалы, энтолсйторы и деташеры, дробильно-сортировочные машины и т.п.);
Разделения жидкообразных неоднородных пищевых сред (отстойники, центрифуги, сепараторы, фильтры и фильтрующие устройства, мембранные модули и аппараты, маслоизготовители и маслообразователи, прессы и т.п.);
Смешивания пищевых сред (мешалки для жидких пищевых сред, месильные машины для высоковязких пищевых сред, машины и аппараты для образования пенообразных масс, смесители для сыпучих пищевых сред и т.п.);
Формования пищевых сред (экструдеры, машины для формования штампованием, отливкой, отсадкой и прессованием, машины для нарезания пластов и заготовок из полуфабрикатов и т.п.).
3. Подвесные пути являются средством организации технологического потока и предназначены для передачи продукции, как в процессе её обработки, так и для межцеховой транспортировки массовых грузов.
Подвесные пути принято классифицировать по ряду наиболее важных признаков:
1) по наличию тяги они бывают с механической тягой - конвейерные (конвейеры) или без механической тяги - бесконвейерные.
2) по расположению - плоскостные (горизонтальные, вертикальные, наклонные) и пространственные.
3) по роду тягового органа - цепные, канатные, шнековые и штанговые.
4) по роду движения - с непрерывным и с ритмично - пульсирующим движением тягового органа и груза (т.е. движение с периодическими остановками).
5) по конструкции грузонесущих органов - со съемными тележками (троллеями) и крюками; с постоянно закрепленными крюками.
6) по типу передачи движения от конвейерной цепи к грузу - толкающие и грузонесущие.
7) по роду привода - с электрическим, гидравлическим и пневматическим приводом.
8) по количеству приводов - одноприводные, многоприводные и с групповым приводом.
9) по назначению - простые подвесные пути (конвейеры) для переработки одного вида скота; универсальные конвейеры для переработки нескольких видов скота (конвейер Захарова).
4. Для передачи таких продуктов, как жир, кровь, бульон применяют главным образом ротационные насосы типа шестеренчатых, эксцентриково-лопастных, ротационно-поршневых, шланговых, ротационно-диафрагменных, создающие напор вытеснением перекачиваемой массы. Они просты по конструкции, в них нет клапанов и золотников, что позволяет быстро разбирать и собирать их при санитарной обработке, что необходимо при работе с пищевыми и скоропортящими продуктами. На вращающихся валах этих насосов, при входе в рабочую зону имеется сальниковое уплотнение для предотвращения возможного попадания смазочного масла в перекачиваемую продукцию.
Вопросы для самопроверки : На чем базируется курс оборудование для механической обработки? Что входит в задачи дисциплины? Как принято классифицировать оборудование для механической обработки? Чем являются подвесные пути? Как принято классифицировать подвесные пути? Как делятся подвесные пути по назначению? Для чего служат ротационные насосы? Каких типов бывают ротационные насосы?
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РФ
ЯРОСЛАВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра процессов и аппаратов химической технологии
УДК 66.011; 663; 664
B.C. САЛЬНИКОВ
ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ
ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ
Курс лекций для студентов 3-го курса /6-й семестр/
Специальности 170600 "Машины и аппараты пищевых
Производств", направление 551800 "Технологические
Машины и оборудование".
ПАХТ. 46. 170600. 551800. КЛ
Ярославль – 2002 год.
посещаемости и успеваемости на 6-й семестр
Посещаемость: 38 + 12 + 20 = 70
Отчеты по лабораторным работам: 5 x 20 = 100
Реферат /по желанию студента/: 50 /печатный 60/
Итого: 70 + 100 + 50 = 220
Автоматический кафедральный зачет, собеседование и освобождение
от экзамена с оценкой:
220-210 – отлично, 200-190 – хорошо.
Кафедральный зачет – 140-150.
^ ТЕМАТИКА ЛЕКЦИЙ – 38 ч.
Вводная – 4 ч.
Гидромеханические процессы – 8 ч.
Тепловые процессы – 10 ч.
Массообменные процессы – 16 ч.
ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ – 8 ч.
Классификация, общая теория – 2 ч.
Фильтрование – 2 ч.
Псевдоожижение – 2 ч.
Перемешивание – 2 ч.
ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ – 10 ч.
Основы расчета теплообменника – 4 ч.
Выпаривание – 6 ч.
МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ – 16 ч.
Основы массопередачи – 4 ч.
Перегонка – 2 ч.
Ректификация – 4 ч.
Сушка – 6 ч.
ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ – 12 ч.
Расчет 3-х корпусной прямоточной выпарной установки – 4 ч.
Расчет ректификационной установки непрерывного действия для
разделения бинарной смеси – 4 ч.
Расчет конвективных сушилок: кипящего слоя и барабанной с применением топочных газов в качестве агента – 4 ч.
ТЕМАТИКА
ЛАБОРАТОРНЫХ ЗАНЯТИЙ – 20 ч.
№ 28 – Фильтрование – 4 ч.
№ 27 – Псевдоожижение – 4 ч.
№ 21 – Механическое перемешивание – 4 ч.
№ 23 – Испытание теплообменника – 4 ч.
№ 24 – Кинетика конвективной сушки – 4 ч.
Целью проектирования является завершающая проверка освоения курса студентами, осуществляемая в процессе их самостоятельной инженерной работы.
Курсовой проект включает расчет типовой установки (выпарной, сушильной, ректификационной) и ее графическое оформление. Расчетно-пояснительная записка содержит описание схемы установки, конструкции аппаратов, материальные, тепловые, конструктивные и механические расчеты, мероприятия по технике безопасности, список использованной литературы. Объем записки составляет 20-40 машинописных страниц. Выполнение расчетов предполагает использование вычислительной техники.
Графическая часть курсового проекта состоит из чертежа общего вида установки в 2-3 проекциях и чертежа основного аппарата с разрезами и узлами, выполненными на листах формата А1.
В период работы студенты знакомятся с действующими ГОСТами, пользуются справочной литературой, приобретают навыки выбора аппаратуры.
^ 2.6. Содержание самостоятельной работы студента
Самостоятельная работа состоит в систематической проработке лекционного курса, самостоятельном изучении отдельных разделов и тем курса, освоении вопросов, выносимых на самостоятельное изучение и оформление лабораторных работ, выполнении и оформлении курсовых проектов, подготовке к зачетам и экзаменам.
Основная:
Плановский А.Н., Николаев П.И. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. М., Химия, 1987.
Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М., Химия, 1973.
Стабников В.Н., Лысянский В.М., Попов В.Д. Процессы и аппараты пищевых производств. М., Агропромиздат, 1985.
Гельперин Н.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. М., Хи-мия, 1981.
Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Л., Химия, 1987.
Дытнерский Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. Посо-бие по проектированию. М., Химия, 1983.
Отдельные технологические процессы: фильтрование, выпаривание, сушка и др. – были известны человечеству еще в глубокой древности и применялись исключительно для пищевых целей. Применялась весьма примитивная аппаратура. Но ПАПП являются родоначальником и исторически сложились ранее ПАХТ.
Понятие "глубокая древность" является в значительной мере относительным. У археологов нет пока стройной системы происхождения человека. Известно, что скелет самого древнего человека найден в Африке. Возраст скелета составляет 5 млн. лет. Однако появление культуры земледелия и скотоводства, связанной с разнообразными орудиями труда и предметами быта, относят обычно к концу ледникового периода, т.е. 75-100 тыс. лет назад. Это время мы и будем называть "глубокой древностью".
Существенное влияние на развитие ПАПП оказали сахарная и винокуренная промышленности. Первоначально сырьем для производства сахара служил сахарный тростник /родина – Индия, Китай, Океания/. Еще в древности на территории Индии получали сладкий сироп /выпаривание/. Твердый сахар /кристаллизация/, по-видимому, научились делать арабы 800 лет назад. Колумб привез черенки сахарного тростника на Антильские острова. После этого Куба и Пуэрто-Рико стали главными центрами производства сахара в мире.
В конце 18 века в России начались поиски заменителей сахарного тростника, которые увенчались открытием сахарной свеклы. Первый свеклосахарный завод был построен в России в 1802 году. Примерно в это же время возник первый завод в Германии, а спустя несколько лет – во Франции. В 1812 году был создан промышленный вакуум-выпарной аппарат, в 1820 г. – фильтрпресс.
В конце ледникового периода люди стали жить в стойбищах /деревянные и каменные поселения/. Когда мужчины охотились, женщины и дети собирали в окрестностях съедобные ягоды, плоды, коренья и травы. Излишки плодов и ягод складывали в глиняные ямки, прокаленные огнем. Через месяц хранения при температуре 25-30 °С за счет естественного брожения из плодов и ягод получалось сухое вино. Этот напиток избавил людей от многих кишечных заболеваний и способствовал продлению жизни /в среднем она составляла 30-35 лет/. Открытие алкоголя привело к созданию особой культуры человечества – виноделию. 7 тыс. лет назад в древнем Египте производство вина из винограда уже было поставлено на поток, в Китае – 5 тыс. лет назад. Применялись керамические и деревянные сосуды.
Первые попытки перегонки сухого вина были предприняты в древнем Египте /Александрия/ монахом по имени Зосима де Панополис. В 1334 году алхимик из Прованса /Франция/ Арно де Вилльнев получил дистилляцией винный спирт.
На Руси испокон веков готовили медовые пиво и брагу. Производство этой "медовухи" сохранилось до сих пор в Суздале. В 14 веке монах Исидор "подсмотрел" за границей устройство самогонного аппарата и соорудил такой жe в подмосковном монастыре. Для приготовления бражки стали применять зерно /пшеница, рожь, ячмень, овес/ и дрожжи /в Германии – картофель, в Швеции – целлюлоза/. В 1813 году была создана промышленная ректификационная колонна.
Нефть и горючие газы были известны людям с древнейших времен. Нефтью заполняли светильники, зажигательные бомбы, а в древнем Египте бальзамировали умерших. Перегонка, заимствованная из винокуренной промышленности, существенно повлияла на нефтепереработку. Промышленная переработка нефти появилась в 18 веке. Так, в 1745 году в Печорском крае на реке Ухте Федор Прядунов на заводе купца Набатова ежегодно вырабатывал 20 тыс. литров очищенного керосина. В Германии керосин получен из нефти в 1830 г. /Рейхенбах/, в США – 1858 г. /полковник Дрэк/.
Переработка нефти по сути сформировала химическую технологию. Привлекая значительные материальные ресурсы и научные кадры, ХТ в 20 веке стала доминирующей. Сама ХТ в свою очередь стала подразделяться на отдельные направления, отрасли: основной органический синтез /ООС/, технология синтетического каучука /СК/, лакокраска и др. Пищевая и химико-фармацевтическая промышленности стали составной частью ХТ. Например, барабанные сушилки, разработанные ХТ, могут быть использованы для сушки и кварцевого, и сахарного песка.
Ледниковый период, остатки которого наблюдаются и сейчас, являясь по сути природным холодильником, способствовал сохранению скоропортящихся продуктов: мясо, птица, рыба и др. – и, как ни странно, выживанию человечества. Туша мамонта, добытого летом, могла прокормить людей максимум в течение недели, далее мясо портилось. Зимой эта же туша могла прокормить людей в течение нескольких месяцев. До сих пор в некоторых хозяйствах заготовляют лед зимой, а летом держат его в подполье для сохранения продуктов. В слое вечной мерзлоты /тундра/ созданы специальные хранилища, в которых в течение года государство хранит стратегические запасы мяса.
По мнению отечественного астронома проф. И.С. Шкловского /Звезды: их рождение, жизнь и смерть. – 1984, с.146/ Земля переживает ледниковый период, который длится уже 2 млн. лет, а обычная длительность ледниковых периодов /они происходят каждые 200-300 млн. лет/ составляет 10 млн. лет. Сейчас мы имеем короткую передышку /15 тыс. лет/, но уже в этом веке астрономы ожидают резкое похолодание климата Земли. Парниковый эффект, возможно придуманный для назидания, расчетами не подтверждается.
Для переработки нефти природный холодильник оказался совершенно недостаточным. Нужно было конденсировать пары легколетучих углеводо-родов и сжижать газы. Потребовалось искусственное охлаждение. В 1845 году создается воздушная холодильная машина, в 1874 г. – парокомпрессионная, в 1895 г. появляется глубокое охлаждение / жидким азотом/. Пищевая промышленность не осталась без внимания ХТ: сейчас трудно найти пищевое или торговое предприятие, где бы не было парокомпрессионной холодильной машины /глубокое охлаждение тоже исполь-зуется для быстрого замораживания пищевых продуктов/.
Химическая технология в значительной мере работает на пищевую промышленность, например, поставляет сельскому хозяйству: горючесма-зочные материалы, минеральные удобрения /к сожалению, в России в настоящее время 85% удобрений идут на экспорт/, гербициды /от сорня-ков/, инсектициды /от вредных насекомых, удивительно, люди совсем забыли саранчу, а она вдруг объявилась летом 2001 года сначала в Казахстане, затем перекинулась на Дагестан и Ставропольский край/, микроэлементы роста растений и др.
Если царская Россия была в основном сельскохозяйственной стра-ной и экспортировала зерно /англичане до сих пор предпочитают черный хлеб, испеченный из русской ржи/, а также другие продукты, то в настоящее время Россия импортирует /ввозит/: мяса 34%, молоко и молочных продуктов 20% , сахар 70%, растительное масло 41%.
Недостаточность сельского хозяйства по обеспечению продуктами питания породила стремление по созданию искусственной пищи. Начало было положено химической технологией в 19 веке.
В 1854 г. Бертело /Бертло/ синтезировал жиры /глицерин + жирные кислоты/. В годы второй мировой войны в Германии был построен завод по производству десятков тыс. тонн заменителя сливочного масла /маргарина/. В настоящее время маргарин вырабатывается также из раститель-ного масла. Натуральное сливочное масло дороже маргарина в несколько раз. Парадокс состоит в том, что, как показала проверка, опубликован-ная в СМИ, в России сейчас остались только два вида вологодского натурального сливочного масла. Все остальное масло является маргарином, но продается по цене натурального сливочного масла.
Первый синтез сахара осуществил отечественный ученый А.М. Бутле-ров в 1861 году /параформальдегид + щелочь = сахар, близкий к глюкозе/. Синтез виноградного сахара, который встречается в природе /α – глюко-за/ был выполнен в 1890 году Эмилем Фишером /из глицерина/. Глицерин применяется также как косметическое средство и пищевая добавка.
С синтезом белков дело оказалось значительно сложнее и задача до сих пор далека от решения. Ученые-химики пошли по пути расщепления природных белков на аминокислоты, изучения структуры и синтеза последних, затем их объединение в белковые молекулы. Первая аминокисло-та – глицин – была получена Браконно в 1820 году /Л. и М. Физер. Органическая химия. – 1949, с. 359/. С тех пор изучено несколько десятков аминокислот, некоторые из них синтезированы. Получены белковоподобные вещества /пластеины/ с молекулярной массой 100 тыс. и более. Природные белки имеют мол. массу в несколько миллионов /протеины/. Работы получили химико-фармацевтическое и медицинское направление. В результате были развиты: ультрацентрифугирование, рентгеноструктурный анализ, экстракция /последняя входит в дисциплину ПАПП/. Канадским ученым Бантингу и Маклеоду за открытие инсулина /1921 г./ была присуждена Нобелевская премия. Однако гормональные белки /например, инсулин, тироксин, адреналин/, полученные синтетически, пока еще во многом уступают природным белкам, получаемым экстракцией из туши быка /поджелудочная и щитовидная железы, кора надпочечников/. Поэтому в дальнейшем мясокомбинату целесообразно иметь дополнительный цех в виде фармацевтической фабрики, т.к. лекарственные препараты, получа-емые из туши быка, по стоимости намного превосходят стоимость самого быка.
Для массового производства после второй мировой воины был создан кормовой белок из нефти и древесины. В последнее время все большее внимание пищевиков привлекает соя. Зерно сои содержит: 24-45% белка, 13-27% жира, 20-32% крахмала. Приготовление из сои молока и сыра /трудно отличить от коровьего/ было известно китайцам в глубокой древности. И опять казус: соевый белок, обработанный и сформированный в волокна, которые объединяются в кусочки "мяса", в настоящее время продается в консервных банках с этикеткой "говядина" и по цене говядины.
Этиловый спирт /этанол/ является важным сырьем в производствах ООС и СК. В 19 веке этанол получали спиртовым брожением, о котором уже говорилось. В 1855 г. Бертло в лабораторных условиях получил этанол сернокислотным методом гидратации этилена. В промышленности метод был осуществлен в 1919 г. /СССР – 1933 г./. В 1948 г. в США и СССР был осуществлен промышленный синтез этанола прямой гидратацией этилена /температура 290-300 °С, давление 7-8 МПа, катализатор – фосфорная кислота. Технический этанол, полученный по этому методу, содержит до 2% диэтилового эфира /температура кипения 34,5 °С, обладает приятным запахом. Последний очень токсичен: вызывает потерю сознания и может привести к внезапной остановке сердца. В последнее время технический спирт рекой хлынул в пищевую промышленность /был обнаружен даже на Ярославском ликероводочном комбинате/. В резуль-тате ежегодно в России от напитков с техническим спиртом погибает несколько десятков тысяч человек.
Таким образом, химическая промышленность, имеющая в основном крупнотоннажные производства, в настоящее время, а тем более в будущем, в состоянии обеспечить пищевую промышленность миллионами и миллионами тонн ежегодно синтетическим пищевым сырьем: жиры, углеводы, белки. По мнению врачей, искусственная пища не может полностью заменить пищу из натуральных природных продуктов, т.к. миллионы лет эволюции наилучшим образом приспособили человеческий организм именно к последней пище. Доказано, что отсутствие в пище природных белков /мясо, птица, рыба, молочные продукты и др./ приводит к истощению человеческого организма и даже к летальному исходу. Поэтому врачи выступают против вегетарианства и всякого рода "постов". Фальсификация природных пищевых продуктов, которая наблюдается в последнее время, должна преследоваться по закону.
Обобщение производственного опыта по химической и смежным технологиям относится к началу 19 века. В России в 1828 году проф. Ф.А. Денисов опубликовал труд под названием "Пространное руководство к общей технологии...", в котором выразил идею об общности ряда основ-ных процессов и аппаратов. В конце 90-х годов 19 века проф. Александр Кириллович Крупский ввел в Петербургском технологическом институте учебную дисциплину по расчету и проектированию основных процессов и аппаратов. В 1909 году А.К. Крупский опубликовал книгу под назва-нием "Начальные главы учения о проектировании по химической технологии", которая по существу является первым учебником по дисциплине ПАХТ. В 1912 году проф. Иван Александрович Тищенко ввел на химическом факультете МВТУ курс ПАХТ в качестве самостоятельной дисциплины.
В США только в 1923 году вышел в свет труд Уокера, Льюиса и Мак-Адамса под названием "Принципы науки о процессах и аппаратах". В качестве учебника в США в 1931 году вышла книга В. Бэджера и В. Мак-Кэба "Основные процессы и аппараты химических производств".
Большой вклад в разработку отдельных разделов науки о процессах
и аппаратах внесли отечественные ученые И.А. Тищенко /теория расчета
выпарных аппаратов/, Д.П. Коновалов /основы теории перегонки жидких
смесей/, Л.Ф. Фокин и К.Ф. Павлов /оригинальные и глубокие по содер-жанию монографии/. Далее идеи курса развивались отечественными учеными: A.M. Трегубовым, С.Н. Обрядчиковым, А.Г. Касаткиным, Н.М. Жаворонковым, А.В. Лыковым /ярославец, окончил ЯГПИ им. Ушиского/, П.Г. Романковым, А.Н. Длановским, Н.И. Гельпериным, В.Н. Стабниковым, В.В. Кафаровым и др.
Следует отметить труды проф. В.Н. Стабникова /Киевский пищевой институт/, автора учебника по дисциплине ПАПП.
Стабников В.Н., Харин С.Е. Теоретические основы перегонки и ректификации спирта. – Пищепромиздат, М., 1951.
Стабников В.Н. Ректификационные аппараты. – М.: Машгиз, 1965.
Стабников В.Н., Попов В.Д., Редько Ф.А., Лысянский В.М. Процессы
и аппараты пищевых производств. – М.: Пищепромгиз, 1966.
Стабников В.Н. Расчет и конструирование контактных устройств
ректификационных и абсорбционных аппаратов. – Киев, Техника, 1970.
Стабников В.Н., Лысянский В.М., Попов В.Д. Процессы и аппараты
пищевых производств. – М.: Агропромиздат, 1985.
Процессы и аппараты, общие для пищевой, химической, химико-фармацевтической и других смежных отраслей промышленности, получили название основных процессов и аппаратов.
Изучение теории основных процессов, принципов устройства и методов расчета аппаратов и машин составляет предмет и задачу курса.
Одной из задач курса является выявление общих закономерностей протекания различных процессов, например, для переноса вещества и тепла.
В курсе рассматриваются закономерности перехода от лабораторных процессов и аппаратов к промышленным, т.е. проблемы моделирования .
В курсе изучается так называемая макрокинетика , связанная с види-мым, массовым движением вещества: струйки, капли, пузырьки, твердые частицы и др. При этом только для объяснения некоторых явлений ис-пользуется микрокинетика , т.е. движение вещества на молекулярном уровне.
^ КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ
В зависимости от закономерностей, характеризующих протекание процессов, последние классифицируются:
ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИЕ – смешение и разделение неоднородных газовых и жидких систем.
ТЕПЛОВЫЕ – перенос тепла от одного теплоносителя к другому.
МАССООБМЕННЫЕ – перенес /преимущественный/ вещества из одной фазы в другую для достижения равновесия.
В курс также входят холодильные, механические и химические процессы. Но для данной специальности они рассматриваются в других дисциплинах.
По организационно-технической структуре процессы можно разделить на периодические /нестационарные/ и непрерывные /стационарные/.
В периодическом процессе отдельные его стадии /например, нагревание – кипение – охлаждение/ осуществляются в одном аппарате, но в разное время. Экономически эти процессы целесообразны в производствах мелкого масштаба при разнообразном ассортименте выпускаемой продукции, что типично для пищевой промышленности.
В непрерывном процессе отдельные его стадии осуществляются одновременно, но в разных аппаратах /подогреватель – кипятильник – холодильник/. Экономически выгодны в средне- и крупнотоннажных произ-водствах /выпаривание/, позволяя провести механизацию и автоматизацию, а также применить стандартную аппаратуру.
^ ОБЩАЯ СХЕМА
ИССЛЕДОВАНИЯ, РАЗРАБОТКИ И РАСЧЕТА АППАРАТУРЫ
На основе законов статики устанавливают начальные и конечные значения параметров процесса и направление его течения.
На основе закона сохранения материи составляют материальный баланс .
На основе закона сохранения энергии составляют энергетический /тепловой/ баланс.
На основе законов кинетики устанавливают движущую силу и коэффициент скорости процесса.
По полученным данным определяют основной размер аппарата.
Рассчитывают несколько вариантов аппаратуры и на основе технико-экономического анализа определяют оптимальный вариант.
Законы статики и кинетики, сохранения материи и энергии, являясь фундаментальными законами природы, по сути сформировали дисциплину ПАПП в качестве науки. Наука отличается от других "учений" тем, что ответ на нарушение закона на каком-либо производстве следует незамедлительно: авария, пожар, взрыв, катастрофа и т.д. Во избежание этого техника безопасности /ТБ/ проходит через весь курс ПАПП. Рассмотрим изложенные выше пункты схемы чуть более подробно.
^ СТАТИКА ПРОЦЕССОВ
Любой процесс протекает до тех пор, пока система не придет в состояние равновесия. Статика рассматривает процесс в состоянии равновесия.
Различают гидростатику /учение о равновесии жидкостей/, а также тепловое, фазовое и химическое равновесие.
Например, фазовое или диффузионное равновесие для насыщенных растворов в воде при 100 °С /растворимость/:
Поваренная соль /хлористый натрий/ – 39,8 г/100 г воды; 28,5% мас.
Сахар – 487 г/100 г воды; 83% масс.
^ 2. МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС
В общем виде его можно записать так:
где 
– количество веществ, поступающих на переработку;
– количество веществ, полученных в результате переработки
Современные технологии должны предусматривать, что потерь и отходов не должно быть /безотходные технологии/. Но пока они есть.
Отходы в пищевой промышленности обычно используются для откорма животных /дополнительный цех/.
Потери химической промышленности довольно часто отравляют окружающую среду, в том числе и население. Например, Ярославский НПЗ /Славнефть/ ежегодно "теряет" в атмосферу 100 тыс. т углеводородов. В 1999 году выбросы загрязняющих веществ /не только от химической промышленности/ в атмосферу города Ярославля составили 270 тыс. т.
Из Западной Европы с попутным ветром в Россию ежегодно поступает 2 млн. т сернистого газа и 10 млн. т сульфатов.
^ 3. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ /ТЕПЛОВОЙ/ БАЛАНС
В общем виде записывается так:
где 
– тепло, поступающее с исходными веществами,
– тепловой эффект процесса,
– тепло, уходящее с конечными продуктами,
– потери тепла в окружающую среду.
Потери тепла неизбежны; но они должны быть сведены к минимуму /подбор тепловой изоляции/ или утилизированы /тепловые потери аппаратов учитываются в системе отопления цеха/. Одним из лучших теплоизоляторов считается стекловолокно /маты/, плотность 120-200 кг/м 3 , коэффициент теплопроводности 0,04 Вт/м.°С, которое к тому же явля-ется надежной защитой от грызунов.
Потери тепла в виде "дымовой завесы" от печей, котельных и тепловых электростанций /ТЭС/ связаны с загрязнением окружающей среды. Так, ТЭС, работающие на каменном угле, на 1 млн. кВт-ч выра-батываемой электроэнергии выбрасывают в атмосферу: 15 т сернистого газа, 10 т золы и 3 т оксидов азота.
Дисциплина ПАПП имеет обширный арсенал аппаратуры для очистки /до ПДК – предельно допустимая концентрация/ дымовых газов от пыли и вредных газовых компонентов, а также для утилизации из них тепла: аппараты пылегазоочистки, контактные теплообменники, абсорберы, адсорберы и др.
^ 4. КИНЕТИКА ПРОЦЕССОВ
Кинетика рассматривает процессы в их развитии, в их стремлении к состоянию равновесия.
– Степень отклонения системы от состояния равновесия выражает движущую силу процесса.
Для процессов дисциплины ПАПП применима основная кинетическая закономерность :
– Скорость процесса прямо пропорциональна движущей силе и обратно пропорциональна сопротивлению.
Для механических и химических процессов эта закономерность не применяется. Но эти процессы подчас находятся на производстве в одной технологической линии с основными процессами, например, сахарную свеклу перед выщелачиванием измельчают или шинкуют. Поэтому в некоторых вузах указанные процессы вводят в дисциплину ПАПП.
Для гидромеханических процессов основная кинетическая законо-мерность принимает вид:
/3/
где V – объем протекающей жидкости, м 3 ,
S – сечение аппарата, м 2 ,
τ – время, с,
ρ – плотность жидкости, кг/м 3 ,
G = 9,81 м/с 2 ,
R Г – гидравлическое сопротивление, кг/м 2 .с,
K Г – коэффициент скорости, м 2 .с/кг,
ΔH d – разность полных гидродинамических напоров, м.
Последняя величина определяется по уравнению Бернулли:
В учебной и технической литературе за гидравлическое сопротив-ление часто ошибочно принимаются потери напора в аппарате /Δp n или h n /.
Для тепловых процессов кинетическое уравнение записывается:
/5/
Где Q – количество переданного тепла, Дж,
F – поверхность теплопередачи, м 2 ,
Δt – разность температур между теплоносителями, К или °С,
R – термическое сопротивление, м 2 .К/Вт,
K – коэффициент теплопередачи, Вт/м 2 .К.
Для массообменных процессов:
/6/
Где М – количество вещества, перенесенного из одной фазы в другую, кг или кмоль,
F – поверхность контакта фаз /массопередачи/, м 2 ,
K Y – коэффициент массопередачи, кг/м 2 .c. 
,
R Y – диффузионное сопротивление, м 2 .с. /кг,
ΔY – разность между равновесной и рабочей /или наоборот/ концент-рациями для одной из фаз, кг А/кг В – относительные массовые доли, или кмоль А/кмоль В – относительные мольные доли.
Например, если для растворения сахара при 100 °С принимается чистая вода /Y=0/, то в начальный момент времени движущая сила процесса растворения составит:
ΔY = Y нас. – Y = 487/100 – 0 = 4,87 отн. мас. долей.
^ 5. ОСНОВНОЙ РАЗМЕР АППАРАТА
Определяется из интегрального вида уравнений /3, 5, 6/, например, из уравнения /5/, т.е. из основного уравнения теплопередачи:
/7/
Δt ср – средняя разность температур между теплоносителями, К или °С.
По основному размеру аппарат принимается по каталогу /стандарт-ный/ или разрабатывается конструктивно /нестандартный/.
^ 6. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ
Расчеты по этой теме обычно бывают очень громоздкими, поэтому проводятся с применением ЭВМ. Так, для расчета теплообменника возможны 264 варианта.
Прежде всего принимается критерий оптимальности. Таких крите-риев может быть несколько: экономические /удельная себестоимость продукции, прибыль производства и др./, производственные /произво-дительность, качество продукта и др./ и т.д. Оптимальный вариант принимается по максимуму или минимуму критерия оптимальности. При выборе вариантов, помимо всего прочего /например, тип теп-лоносителя, его начальная температура и др./, учитываются:
А/ материал аппарата должен соответствовать требованиям техники безопасности – почность, антикоррозийность, безвредность;
Б/ адаптация человека /эргономика/;
В/ эстетические требования;
Г/ экологические требования.
МАТЕРИАЛЫ
А. Металлы
Следует избегать контакта с пищевыми продуктами таких металлов, как Fe, Аl, Сu, Zn, Cd, Ni, Ti, которые используются до сих пор самостоятельно или в виде покрытий.
Токсичность указанных выше металлов.
/Грушко Я.M., Вредные неорганические соединения в промышленных выбросах в атмосферу. Справ. изд. – Л.: Химия, 1987. – 192 с./
Al – алюминий /температура плавления 660,4 °С, плотность 2699 кг/м 3 /.
Перед такой "перспективой" возникает желание собрать всю домашнюю алюминиевую посуду и сдать ее в металлолом.
Fe – железо /1539 °С, 7870 кг/м 3 /.
Сd – кадмий / 321,1 °С, 8650 кг/м 3 /.
Сu – медь /1084,5 °С, 8960 кг/м 3 /.
Ag – серебро /261,9 °С, 10500 кг/м 3 /.
Zn – цинк /419,5 °С, 7130 кг/м 3 /.
Ni – никель /1455 °С, 8900 кг/м 3 /.
Ti – титан /1665 °С, 4320 кг/м 3 /.
/Малахов А.И., Андреев Н.Х. Конструкционные материалы химической аппаратуры. – М.: Химия, 1978. – 224 с./
А/ Коррозионно-стойкие /нержавеющие/ конструкционные стали.
Например, сталь 2Х13 /0,2% углерода, 13% хрома/, термостойкость до 600 °С, предел прочности 850 МПа.
Б/ Обычные углеродистые стали ст.2 и ст.З с покрытием:
– оловом, Sn, /231,9 °С, 5850 кг/м 3 /, жесть, консервные банки.
– эмалями на основе кремнийорганических соединений /плотность эмалей 2100-2500 кг/м 3 , термостойкость до 300 °С, предел прочности на сжатие 600 МПа.
– тефлоном /полимер CF 2 =CFCl или фторопласт 3/, плотность 2100-2160 кг/м 3 , термостойкость до 210 °С, предел прочности при растяжении 35-40 МПа.
Б. ^ Силикатные материалы
Данные сведены в таблицу 1.
Таблица 1.
Следует обратить особое внимание на ситаллы – материалы будущего. Ситалл – прозрачный, коррозионно-стойкий материал, по прочности превосходящий обычную углеродистую сталь, а по плотности гораздо легче ее /на уровне алюминия/. В последнее время из ситалла изготовляют аппаратуру /включая трубопроводы/ для цеха по переработке молока, ректификационные колонны /пока небольшой производительности/ и др.
В. ^ Полимерные материалы
Фторопласт 4 – полимер тетрафторэтилена, плотность 2160-2260 кг/м 3 , предел прочности при растяжении 14-25 MПa, предельная температура 327 °С /трубы, арматура, прокладки и др./.
Фторкаучук /условное название резины, содержащей фторкаучук и до 30% мас. наполнителя – кремнекислота, вулканизация проводится с применением диаминов/ – плотность 1800-1900 кг/м 3 , предел прочности на растяжение 20-25 МПа, предельная температура 200-250 °С /шланги, ленты, прокладки и др./.
Г. ^ Другие материалы
В этой рубрике следует отметить материалы, которые не являются конструкционными для промышленности, но очень широко используются в артельных производствах /виноделие, квашение и др./, а также для изготовления бытовой утвари.
Дерево – плотность сырой древесины 300-900 кг/м 3 , предел прочности на сжатие: пихта – 47, дуб – 65 МПа; термостойкость до 150 °C, температура вспышки /при внесении огня/ 230-260 °С, температура самовоспламенения: /нагревание без огня/ около 400 °С.
Керамика /фаянс/ – обожженная смесь гончарной глины, кварцевого песка, полевого шпата и др., покрытая глазурью. Температура обжига 1250-1300 °С, плотность 1800-1900 кг/м 3 , предел прочности при сжатии 100-130 МПа.
^ РАСЧЕТ НА ПРОЧНОСТЬ
Для аппаратов, работающих под внутренним избыточным давлением, должен быть представлен расчет на прочность по формуле Госгортехнадзора. Толщина стенки аппарата:
мм /8/
Где D в – внутренний диаметр аппарата, мм,
P – расчетное давление, МПа /1,03-1,1 от номинального/,
φ – поправочный коэффициент прочности сварного шва /1,0-0,8/,
С – прибавка на коррозию, мм,
σ доп – допустимое напряжение, МПа.
Для аппаратов, расположенных на открытом воздухе, проводится расчет на ветровую нагрузку. Скорость ветра принимается 45 м/с /скорость урагана 33 м/с/. Для вращающихся барабанов, имеющих две опоры, осуществляется расчет на изгиб. Для решеток, работающих под нагрузкой, представляется расчет на срез.
^ ЭРГОНОМИКА, ЭСТЕТИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ
Эргономика – наука, занимающаяся изучением взаимной адаптации человека и машины. Эргономические показатели отражают взаимодей-ствие человека с техникой в комплексе гигиенических, антропометрических, физиологических и психологических свойств человека.
Эргономика непосредственно связана с техникой безопасности, собственно, вышла из нее. При выборе вариантов аппаратуры, например, нужно предусматривать ограждения вращающихся деталей, удобство фор-мы и расположение рукояток управления, небольшие усилия для приведения их в действие. Между аппаратами должны быть достаточные проходы для удобства обслуживания и ремонта. Если аппараты располагаются на откры-том воздухе /выпаривание, ректификация/, то рабочее место оператора должно быть организовано рядом в помещении. Освещенность, температура и влажность воздуха на рабочем месте должны соответствовать стандарту /кондиционер/. Рабочее место должно быть защищено от запыленности, шума, вибрации, излучения, действия вредных веществ, иметь запасной выход для срочной эвакуации. Персонал снабжается спецодеждой /каска, куртка, брюки, сапоги, рукавицы, очки и др./, питьевой водой /допус-каются чай и кофе/, горячим душем и т.д.
Эстетические показатели характеризуют информационную выразитель-ность, рациональность формы, целостность композиции, совершенство исполнения аппаратов и машин. Немаловажное значение имеет цветовое оформление аппаратов и рабочего места.
По технике безопасности принимается следующая окраска трубопро-водов:
Водяной пар – красный,
Вода очищенная – зеленый,
Пожарный трубопровод – оранжевый,
Техническая вода – черный.
^ ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ
Экология – отношение организмов между собой и с окружающей средой.
Экологические показатели – это уровень вредных воздействий на окружающую среду, которые возникают при эксплуатации оборудования, например, содержание вредных примесей, вероятность выбросов вредных частиц, газов, излучений и др.
В условиях платности природных ресурсов возникает и платность за загрязнение окружающей среды. В зависимости от величины загрязне-ния взимаются платежи за сбросы загрязняющих веществ. Величина пла-тежей устанавливается на основании проекта норм предельно допустимых сбросов /ПДС/ и выбросов /ПДВ/.
Интегральный показатель выбросов
/9/
К – коэффициент выполнения нормативов,
А – коэффициент значимости,
Р б – базовые показатели,
P i – фактическое значение показателей ПДВ и ПДС.
При K i < 1 наблюдается низкий уровень работы предприятия и оно должно быть остановлено.
Зоологическая экспертиза проекта установки, цеха или предприятия проводится по Закону РФ "0б охране окружающей природной среды". Экспертиза проводится Министерством охраны окружающей среды, Минздравом, Санэпиднадзором.
Проект должен обеспечивать улавливание, утилизацию, обезвреживание вредных веществ и отходов, либо полное исключение выбросов загрязняющих веществ.
^ МАСШТАБНЫЙ ПЕРЕХОД И МОДЕЛИРОВАНИЕ
Различают три основных вида моделирования процессов:
1/ физическое,
2/ математическое,
3/ элементное.
1/ ^ Физическое моделирование
По этому методу исследование процесса с обработкой опытных данных последовательно проводят на физических моделях: лабораторная /стекло, емкость до 1 л/, пилотная /металл, до 100 л/, полупромышлен-ная /до 0,5 м 3 /, промышленная /5 м 3 и более/. Метод очень громоздкий и длительный, но обеспечивает надежные результаты.
Физическое моделирование основано на теории подобия.
Определение. Явлениями, подобными друг другу, называются системы тел,
А/ геометрически подобные друг другу;
Б/ в которых протекают процессы одинаковой природы;
В/ в которых одноименные величины, характеризующие явления, относятся между собой как постоянные числа
X´ = a x · x´´ /10/
Где a x – константа подобия.
Сам по себе принцип "подобия" был известен человечеству в глу-бокой древности /наглядный пример – египетские пирамиды/. Однако теория подобия сформировалась только в 20 веке. Основу теории сос-тавляют три теоремы.
/Брайнес Я.M. Подобие и моделирование в химической и нефтехимической технологии. – М.: Гостоптехиздат, 1961. – 220 с./
^ 1-я теорема. Жозеф Бертран, французский математик, 1848 г.
– У подобных явлений индикаторы подобия равны единице или критерии подобия численно одинаковы.
/Индикатор подобия – комплекс констант подобия, критерий подобия – безразмерный комплекс величин/.
^ 2-я теорема. Т.А. Афанасьева-Эренфест, 1925 г., отеч. математик.
– Система уравнений, буквенно одинаковая для группы подобных явлений, может быть преобразована в критериальное уравнение.
^ 3-я теорема. М.В. Кирпичев, А.А. Гухман, 1930 г., отеч. ученые.
– Для подобных явлений критерии подобия, составленные из условий однозначности, численно одинаковы.
^ Условия однозначности включают:
а/ геометрические размеры системы;
Б/ физические константы веществ;
В/ характеристика начального состояния системы;
Г/ состояние системы на ее границах /граничное условие/.
Таким образом, применение теории подобия к исследованию и раз-работке процесса состоит в следующем.
Составление полного математического описания процесса, т.е. вывод дифференциального уравнения и постановка условий однозначности.
Проведение подобного преобразования дифференциального уравнения и условий однозначности, определение критериев подобия и об-щего вида критериального уравнения /метод анализа уравнений /.
Определение опытным путем на моделях конкретного вида критериального уравнения /физическое моделирование/.
Для сложных процессов, когда невозможно пока составить дифферен-циальное уравнение, критерии подобия получают на основе метода ана-лиза размерностей величин, влияющих на процесс /теоремы Бертрана и Букингэма/. Таким методом были, например, получены критерии меха-нического перемешивания.
Различают геометрическое, гидродинамическое, тепловое, диффузионное и химическое подобие.
^ Геометрическое подобие учитывается симплексами "Г", например, отношение длины трубопровода к диаметру.
Гидродинамическое подобие изучается в курсе гидравлики на примере подобного преобразования уравнения Навье-Стокса. Тепловое и диффузионное подобия рассматриваются в дисциплине ПАПП.
Вспомним критериальное уравнение гидродинамики:
где 
– критерий гомохронности, учитывает неустановившееся движение жидкости;
– критерий Фруда, учитывает силы тяжести;
– критерий Эйлера, учитывает силы гидростатического давления;
– критерий Рейнольдса, учитывает силы внутреннего трения.
2/ ^ Математическое моделирование
Методы теории подобия применяются и при использовании других видов моделирования, в которых моделирующие процессы отличаются от моделируемых по физической природе. Важнейшим из них является математическое моделирование , при котором различные процессы воспро-изводятся на электрических моделях – электронных вычислительных машинах /ЭВМ/.
По Р. Фрэнксу общая схема математического моделирования включает семь стадий /Фрэнкс Р. Математическое моделирование в химической технологии. – М.: Химия, 1971. – 272 с./.
Постановка задачи.
Определение фундаментальных законов, которым подчиняется механизм явлений, лежащих в основе проблемы.
На основе выбранной физической модели применительно к реша-емой задаче записывается система соответствующих математических уравнений.
Проводится естественное расположение уравнений с помощью
построения блочной поточно-информационной диаграммы. Диаграмма
отражает схему связей отдельных стадий технологического процесса.
Выбирается один из нескольких возможных способов решения системы уравнений /модели/, например, логический, аналитический, численный с применением ЭВМ.
Решение /анализ модели/.
Изучение и подтверждение результатов, полученных при решении математической модели /проверка адекватности модели/.
Математическое моделирование гораздо дешевле физического моде-лирования, позволяет решать вопросы автоматического регулирования и оптимизации процессов, исследовать процесс при неполном математи-ческом описании /кибернетическая задача/.
3/ ^ Элементное моделирование
При этом моделировании процесс исследуется на элементарной ячейке промышленного аппарата, а сам аппарат принимается затем состоящим из сотен и тысяч таких ячеек. Например, исследуется теп-лообмен на одной трубке аппарата, а теплообменник будет состоять из 1000 таких труб. Метод применяется для процессов фильтрования, теплообмена, каталитического крекинга и др., позволяет в кратчайшие сроки перевести лабораторные данные в промышленность.
^ ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
В пищевых производствах многие процессы приводят к образованию неоднородных смесей, которые в дальнейшем подлежат разделению /кристаллизация, сушка и др./.
Часто встречается задача противоположного характера: из веществ, находящихся в различных агрегатных состояниях, оказывается необходимым получить смесь /смешение, перемешивание/.
Решение как первой, так и второй задачи относится к области гидромеханических процессов.
Классификация
В гидромеханических процессах применяются неоднородные системы. Последние по меньшей мере состоят из двух фаз:
А/ внутренней или дисперсной фазы, находящейся в тонко раздробленном состоянии;
Б/ внешней фазы или дисперсионной среды, окружающей частицы внутренней дисперсной фазы.
Различают системы.
Газ – твердое тело: а/ пыль, диаметр частиц 5-50 мкм,
/Для сравнения: размер космической пыли 0,1–1 мкм/.
Газ – жидкость: а/ туман 0,3–3 мкм; б/ пена.
Жидкость – твердое тело: а/ грубые суспензии, > 100 мкм,
В/ коллоидные растворы, < 0,1 мкм.
Жидкость – жидкость; а/ эмульсии.
1/ Разделение газовых неоднородных систем.
2/ Разделение жидких неоднородных систем.
3/ Псевдоожижение.
4/ Перемешивание.
Во всех гидромеханических процессах имеет место движение частиц в газовой или жидкой среде. Изучение закономерностей этого движения составляет важную задачу гидродинамики. Некоторые общие понятия и закономерности движения частиц рассматриваются ниже.
^ Движение тел в жидкостях
Определяющий размер
За определяющий размер твердой частицы произвольной формы принимается эквивалентный диаметр шаровой частицы, имеющей ту же массу /М/ и объем /V/.
/12/
Где 
– плотность твердой частицы, кг/м 3 .
Режимы обтекания
Для оценки режима обтекания твердой частицы внешним потоком применяют число Рейнольдса:
/13/
Где 
– плотность и вязкость среды.
Различают области.
Ламинарное обтекание, Re < 2 /0,1 по другим данным/.
Переходная область, 2 /0,1/ < Re < 500.
Турбулентное обтекание, Re > 500.
Осаждение частиц в поле силы тяжести
При осаждении частицы в неподвижной среде через короткий промежуток времени /от секунды до долей секунды/ устанавливается равновесие сил и движение частицы становится равномерным.
– Скорость равномерного движения частицы при балансе сил, действующих на нее, называется скоростью осаждения .
В идеальном случае действие сил на одиночную частицу шаровой формы при осаждении в неподвижной среде представлено на рис. 1.
Основными задачами перерабатывающей промышленност
и Российской Федерации являются комплексная переработка сельскохозяйственного сырья, увеличение объемов вырабатываемой продукции, повышение ее качества, а также расширение ассортимента.
Решение указанных задач на крупных перерабатывающих предприятиях возможно при условии эксплуатации современного высокотехнологичного оборудования.
В перерабатывающих производствах применяются самые разнообразные виды оборудования и техники.
Классификация оборудования перерабатывающих производств осуществляется по следующим признакам:
По характеру воздействия на обрабатываемый продукт;
структуре рабочего цикла;
степени механизации и автоматизации;
принципу сочетания в производственном потоке;
функциональному признаку.
Кроме перечисленных признаков каждому виду оборудования присущи специфические признаки.
В зависимости от характера воздействия на обрабатываемый продукт технологическое оборудование подразделяется на аппараты и машины. В аппаратах осуществляются тепло-, массообменные, физико-химические, биохимические и другие процессы, в результате которых происходит изменение физических, химических свойств и агрегатного состояния обрабатываемого продукта. Характерным признаком аппарата является наличие реакционного пространства или камеры.
В машинах осуществляется механическое воздействие на продукт, в результате чего изменяются его форма и размеры. Конструктивная особенность машин - наличие движущихся исполнительных (рабочих) органов. В некоторых случаях технологическое оборудование является комбинацией машины и аппарата, поскольку в нем одновременно осуществляются механическое, физико-химическое и тепловое воздействия.
По структуре рабочего цикла оборудование может быть периодического, полунепрерывного и непрерывного действия. В оборудовании периодического действия продукт подвергается воздействию в течение определенного времени, после которого он выгружается.
В оборудовании полунепрерывного (циклического) действия загрузка продукта и воздействие на него осуществляются непрерывно в течение всего рабочего цикла, а выгрузка - через определенные промежутки времени.
В оборудовании непрерывного действия загрузка, обработка и выгрузка продукта осуществляются одновременно.
В процессе работы технологическое оборудование выполняет не только основные (измельчение, перемешивание, варка и т.п.), но и вспомогательные (загрузка, перемещение, контроль, выгрузка и т.п.) операции. В зависимости от степени механизации и автоматизации этих операций оборудование бывает неавтоматическое, полуавтоматическое и автоматическое. В неавтоматическом {простом) оборудовании вспомогательные, а также часть основных операций выполняются вручную.
В полуавтоматическом оборудовании все технологические и большинство вспомогательных операций выполняются без участия рабочего. Ручными остаются транспортные и контрольные операции, пуск и останов машины.
В автоматическом оборудовании все основные и вспомогательные операции выполняются оборудованием без участия человека. Частным случаем оборудования автоматического действия являются кибернетические машины (роботы).
По принципу сочетания технологического оборудования в производственном потоке различают отдельные единицы (выполняют одну операцию); агрегаты или комплексы (выполняют последовательно различные операции); комбинированные (выполняют законченный цикл операций) и поточные автоматические системы (выполняют все технологические операции в непрерывном потоке).
Одним из признаков, на основе которого возможна классификация оборудования, является общность функций, выполняемых им в процессе переработки сырья или полуфабрикатов. По этому признаку выделяют следующие укрупненные группы и подгруппы оборудования (табл. 1.):
1. Оборудование для подготовки сырья к переработке:
1.1) для очистки и сортировки;
1.2) мойки и увлажнения;
1.3) шелушения зерна.
2. Оборудование для механической обработки разделением:
2.1) для дробления и измельчения;
2.2) разделения продуктов измельчения зерна;
2.3) выделения из жидких гетерогенных систем взвешенных твердых и коллоидных частиц;
2.4) отделения жидкой фазы.
3. Оборудование для механической обработки соединением:
3.1) для перемешивания в целях получения жидких, сыпучих, тестообразных полуфабрикатов и готовых продуктов;
3.2) формования путем выдавливания, штампования.
4. Оборудование для проведения тепломассообменных процесс:
4.1) для проведения тепловых процессов;
4.2) проведения массообменных процессов;
4.3) сушки и обезвоживания;
4.4) разваривания и варки;
4.5) выпечки и обжарки;
4.6) охлаждения и замораживания.
5. Оборудование для проведения микробиологических процессов:
5.1) для солодоращения;
5.2) получения биомассы;
5.3) получения вторичных метаболитов.
6. Оборудование для выполнения финишных операций:
6.1) для санитарной обработки тары;
6.2) дозирования и укупоривания;
6.3) инспекции и этикетирования.
Приведенная классификация в большей мере относится к оборудованию пищевых производств и в недостаточной мере характеризует отдельные группы оборудования для переработки сельскохозяйственной продукции. Объясняется это тем, что в целом ряде технологических процессов по переработке сельскохозяйственного сырья применяется оборудование, которое по назначению, устройству и принципу действия очень специфично и требует для своей классификации отдельного подхода. Примером может служить оборудование для предубойного обездвиживания животных, убоя животных и птицы, сбора крови, съема шкур, поэтому оборудование для переработки сельскохозяйственной продукции удобнее классифицировать в зависимости от выполняемого технологического процесса.
Исходя из этого принципа оборудование для переработки сельскохозяйственной продукции подразделяется на:
1) оборудование для переработки продукции растениеводства;
2) оборудование для переработки продукции животноводства.
В свою очередь, вторая группа подразделяется на оборудование для переработки мяса и оборудование для переработки молока. Оборудование для переработки мяса включает в себя следующие группы:
линия убоя скота и птицы;
оборудование для первичной обработки туш свиней;
обработки продуктов убоя скота и птицы;
механической обработки мясного сырья;
тепловой обработки мясного сырья;
упаковывания мяса и мясных продуктов.
При более детальной классификации, например, оборудования для механической обработки мясного сырья оно подразделяется на оборудование для измельчения мяса и шпика, перемешивания мясного сырья, посола мяса и формования мясных продуктов.
Оборудование для переработки молока по общей классификации подразделяется на оборудование:
для транспортирования, приемки и хранения молока;
механической обработки молока;
тепловой обработки молока;
производства сливочного масла;
производства творога;
производства сыра;
производства мороженого;
производства сгущенных молочных продуктов;
производства сухих молочных продуктов;
фасования и упаковывания молока и молочных продуктов.
В качестве примера также можно привести общую классификацию оборудования зерноперерабатывающих предприятий. По функциональному признаку и способу воздействия на продукт оно подразделяется на сепарирующее, весодозирующее, смешивающее, измельчающее, формующее, а также оборудование для гидротермической обработки (ГТО) зерна.
Механическое оборудование предприятий пищевой
промышленности относится к классу технологических машин.
Механическое оборудование предназначено для выполнения
технологических операций по первичной переработке пищевых
продуктов с целью изменения их свойств (структуры, формы,
размеров и т.п.)
Классификация механического оборудования
Технологическая машина представляет собойустройство, состоящее из источника движения, передаточного
механизма, исполнительного механизма и вспомогательных
элементов, объединенных в единое целое станиной или корпусом.
К вспомогательным элементам технологической машины относятся
узлы управления, регулирования, устройства, обеспечивающие
безопасность работы обслуживающего персонала, загрузочные и
разгрузочные устройства и т.п.
корпус
Пульт упр.
М
П.м.
И.м
.
Станина
Классификация механического оборудования
Механическое оборудование предприятий пищевойпромышленности можно классифицировать:
по
по
по
по
функциональному назначению;
количеству выполняемых операций;
структуре рабочего цикла;
степени автоматизации и др.
Классификация механического оборудования
По функциональному назначению:сортировочно-калибровочное;
моющее;
очистительное;
измельчительно-режущее;
месильно-перемешивающее;
дозировочно-формовочное;
прессующее.
Классификация механического оборудования
Сортировочное оборудование применяется для сортировки,калибровки и просеивания сыпучих продуктов, овощей, фруктов и
пр.
Моечное оборудование – для мытья овощей и другого сырья.
Очистительное оборудование – для очистки корнеклубнеплодов,
рыбы.
Измельчительно-режущее оборудование – для размалывания,
дробления, протирания, разрезания пищевых продуктов.
Месильно-перемешивающее оборудование – для замеса теста,
перемешивания фаршей, взбивания кондитерских смесей и т.п.
Дозировочно-формовочное оборудование – для формовки котлет,
деления масла на порции, раскатки теста и т.п.
Прессующее оборудование – механизмы для получения сока из
фруктов и ягод, производства макаронных изделий и пр.
Классификация механического оборудования
По количеству выполняемых операций:Однооперационные – выполняющие одну технологическую
операцию (картофелечистка - очистка картофеля от кожуры).
Многооперационные – выполняющие технологический процесс,
состоящий из нескольких технологических операций
(посудомоечная машина – мытье посуды горячей водой с
раствором моющего средства, предварительное ополаскивание,
окончательное ополаскивание, стерилизация).
Многоцелевые – выполняющие несколько технологических
процессов с помощью поочередно подсоединяемых сменных
исполнительных механизмов (универсальные кухонные машины
со сменными рабочими органами).
Классификация механического оборудования
По структуре рабочего цикла:Машины периодического действия, в которых загрузку, обработку и
выгрузку продукта осуществляют поочередно, т.е. приступать к
обработке следующей порции продукта можно только после того,
как из рабочей камеры будет выгружен ранее обработанный
продукт. (картофелеочистительные, тестомесильные, взбивальные
машины и др.)
Машины непрерывного действия, в которых процессы загрузки,
обработки и выгрузки продукта в установившемся режиме
совпадают по времени, т.е. продукт непрерывно продвигается от
загрузочного устройства в рабочую камеру, перемещается вдоль нее
и одновременно подвергается воздействию рабочих органов, после
чего удаляется через разгрузочное устройство, т.е. новые порции
продукта подаются в машину до окончания обработки предыдущих и
соответственно сокращется время ее работы (мясорубки,
овощерезки, протирочные машины, просеиватели и др.)
Классификация механического оборудования
По степени автоматизации технологических процессов,выполняемых машиной:
Машины неавтоматического действия. В них технологические
операции (подача продуктов в рабочую камеру, удаление из нее
готовой продукции, контроль за готовностью продуктов)
выполняет оператор, обслуживающий машину.
Машины полуавтоматического действия. Основные
технологические операции осуществляются машиной, ручными
остаются только вспомогательные операции (например, загрузка и
выгрузка продуктов).
Машины автоматического действия. Все технологические и
вспомогательные операции выполняются машинами. Такие
машины можно использовать в технологическом процессе
автономно или в составе поточных линий.
10. Производительность, мощность и КПД машины
Производительность технологическоймашины – это ее способность перерабатывать
определенное количество продукции в единицу
времени (кг/ч, шт./с, м³/ч, т/сут. и т.д.).
11. Производительность, мощность и КПД машины
Теоретическая производительность (Qт) – этоколичество продукции, которое машина может
выпускать в единицу времени при бесперебойной и
непрерывной работе в стационарном режиме.
Б
Е
Q Б z
,
Т
Т P ТT
где Б – количество продукции, выпускаемое машиной за один рабочий
цикл (кг, шт., т и пр.);
z – количество рабочих циклов за единицу времени;
Тр – рабочий цикл машины (ч, с, сут. и пр.);
Е – вместимость рабочей камеры (м³);
Тт – технологический цикл машины (ч, с, сут. и пр.)
(Тт=tз+tо+tв, где tз – время загрузки, tо - время
обработки, tв – время выгрузки продукции из машины).
12. Производительность, мощность и КПД машины
Технологическим циклом машины называютвремя пребывания обрабатываемого объекта в
технологической машине, в течение которого он
проходит обработку от начального состояния до
конечного согласно технологии данного процесса.
Рабочим циклом машины называют промежуток
времени между двумя последовательными моментами
выхода единиц готовой продукции.
13. Производительность, мощность и КПД машины
Техническая (действительная)производительность (Qтех.) - это среднее
количество продукции, которое выпускает машина в
течение единицы времени в условиях эксплуатации в
соответствии с требованиям технологического
процесса. Техническая и технологическая
производительность связаны соотношением:
QТЕХ. К Т. И.QТ
где Кт.и. – коэффициент технического использования машины;
14. Производительность, мощность и КПД машины
Коэффициент технического использования машины:КТ.И.
Т МАШ.
Т МАШ. Т Т.О. Т ОТК.
где Тмаш. - время эффективной работы машины в стационарном
режиме (ч.);
Тт.о. – время, необходимое для технического обслуживания и ввода
машины в стационарный режим (потери первого рода) (ч.);
Тотк. – время, необходимое на восстановление работоспособности
машины и ввод ее в стационарный режим после отказа
(потери второго рода) (ч.).
15. Производительность, мощность и КПД машины
Эксплуатационная производительность (Qэкс.)– это производительность машины, эксплуатируемой на
данном предприятии, с учетом всех потерь рабочего
времени.
QЭКС. К О. И.QТ
где Ко.и. – коэффициент общего использования машины, учитывающий все
потери машинного времени (в т.ч. простои машины по
организационным причинам), рассчитать точно невозможно.
16. Производительность, мощность и КПД машины
Мощность машины – это энергия, котораяподводится к машине в единицу времени и
характеризует быстроту совершения работы.
Мощность двигателя должна восполнять потери
ее в самом двигателе, в передаточном механизме, на
рабочем валу, передающем движение рабочим
органам, и быть достаточной для того, чтобы рабочий
орган производил работу с заданной скоростью.
17. Производительность, мощность и КПД машины
Общая мощность, которую необходимо передать навходной вал исполнительного механизма,
определяется с учетом потерь в самом механизме и
передачах:
,
PО
PД PТР
,
где Рд – мощность, затрачиваемая на приведение в движение
рабочего органа;
Ртр – мощность, затрачиваемая на перемещение
обрабатываемого объекта;
- КПД, учитывающий потери мощности при ее передаче от
вала двигателя к рабочему органу.
18. Производительность, мощность и КПД машины
При поступательном движении рабочего органа:PД FР.О. Р.О.
PТР FО. О.
где Fр.о. – усилие, приложенное к рабочему органу, Н;
р.о. - линейная скорости движения рабочего органа, м/с;
Fо. - усилие, приложенные к обрабатываемому объекту, Н;
о - линейная скорость движения обрабатываемого объекта
под действием рабочего органа, м/с;
19. Производительность, мощность и КПД машины
При вращательном движении:PД М Р.О. Р.О.
PТР М О. О.
где Мр.о. - вращающий момент, приложенный к рабочему органу, Н м;
р.о. - угловая скорость движения рабочего органа, рад/с;
Мо. - вращающий момент, приложенный к обрабатываемому объекту, Н м;
о
- угловая скорости движения обрабатываемого объекта под
действием рабочего органа, рад/с.
20. Производительность, мощность и КПД машины
Если электродвигатель выбран недостаточной мощности всравнении с предполагаемой нагрузкой, это приведет к
неполному использованию машины (аппарата) или
перегрузке отдельных частей электродвигателя и
преждевременному выходу его из строя.
Если мощность электродвигателя будет превышать
предполагаемую нагрузку, технико-экономические
показатели машины снизятся (увеличится первоначальная
стоимость электропривода, уменьшится КПД и т.д.).
21. Производительность, мощность и КПД машины
КПД технологической машины (аппарата)– это отношение полезной работы (полезно
затраченной энергии) ко всей совершаемой работе
(затраченной энергии).
Следовательно,
коэффициент
полезного
действия характеризует величину потерь и величину
полезно затраченной энергии и является одним из
критериев степени совершенства преобразования
электрической (тепловой и др.) энергии в
механическую и обратно.
22. Производительность, мощность и КПД машины
Потери энергии в машинах и аппаратахпроисходят:
в технологическом процессе;
при работе механизмов на холостом ходу;
при наличии сил трения в кинематических парах;
в результате рассеивания энергии при
деформации и вибрации деталей и машин;
при выбросах в окружающую среду и т.д.
пищевых производств»
Принятые условные обозначения
– работа, Дж;
– удельная поверхность зернистого слоя, м 2 /м 3 ,
b – коэффициент температуропроводности, м 2 /с;
– удельная теплоемкость вещества, Дж/(кг·с);
– коэффициент диффузии, м/с 2 ;
– диаметр, м;
– поверхность теплообмена, м 2 ;
– площадь поперечного сечения, м 2 ;
g – ускорение свободного падения, м/с 2 ;
H – напор насоса, высота, м;
h – высота, м; удельная энтальпия, Дж/кг;
– коэффициент скорости процесса (теплопередачи, Вт/(м 2 /К),
(массопередачи, кг/(м 2 ·с·ед. движ. силы);
– длина, м;
L – работа;
– массовый расход, кг/с;
– масса вещества, кг;
– частота вращения, с -1 ;
– мощность;
Р – сила, Н;
р – гидростатическое давление, Н/м 2 ;
Q – количество вещества, тепла (тепловой поток), Дж;
q – удельный тепловой поток, Дж/м 2 ;
– радиус, м;
Т – абсолютная температура, К;
– периметр, м;
– объем, м 3 ;
v – удельный объем, м 3 /кг ;
– объемный расход, м 3 /с;
– мольная, массовая, относительная массовая доля компонента жидкости в растворе;
– мольная, массовая, относительная массовая доля компонента газа в смеси;
– коэффициент теплоотдачи, Вт/(м 2 /К);
– коэффициент массоотдачи, кг/(м 2 ·с·ед. движ. силы);
– толщина стенки, пленки жидкости, пограничного слоя, зазор, м;
– порозность зернистого слоя, относительная шероховатость поверхности;
φ – угол, химический потенциал;
η – КПД системы, установки;
– коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К);
μ – динамический коэффициент вязкости, Па·с;
– безразмерная температура;
– плотность вещества, кг/ м 3 ;
– коэффициент поверхностного натяжения, Н/м;
τ – время, с;
– коэффициент местного сопротивления.
Лекция 1. Общие положения
Совокупность тел, взаимодействующих между собой, представляет систему . Изменение состояния какой-либо системы, ее беспрерывное движение и развитие, происходящие в природе, производстве, лаборатории, обществе представляют собой процесс.
Нами будут рассматриваться процессы, создаваемые в определенных технологических целях.
Технология – наука о практическом применении законов физики, химии, биологии и других базисных наук для проведения технологических процессов. Эта наука возникла как самостоятельная отрасль знания в конце XVIII века в связи с ростом крупного машинного производства.
В пищевой промышленности осуществляются разнообразные процессы, в которых исходные материалы в результате взаимодействия претерпевают глубокие превращения, сопровождающиеся изменением агрегатного состояния, внутренней структуры и состава веществ. Совместно с химическими реакциями имеют место многочисленные механические, физические и физико-химические процессы. К ним относятся: перемешивание газов, жидкостей, твердых материалов; измельчение и классификация; нагревание, охлаждение и перемешивание веществ; разделение жидких и газовых неоднородных смесей; перегонка однородных многокомпонентных смесей; выпаривание растворов; сушка материалов и др. При этом тот или иной способ проведения того или иного процесса часто определяет возможность осуществления, эффективность и рентабельность всего технологического процесса в целом.
Для осуществления процессов необходимы машины и аппараты, иными словами процесс должен иметь определенное аппаратурное оформление.
Устройство, созданное человеком и выполняющее механическое движение для преобразования энергии, материалов и информации с целью полной замены или облегчения физического и умственного труда человека, увеличения его производительности, называется машиной .
Машины, предназначенные для преобразования обрабатываемого предмета (продукта), состоящего в изменении его размеров, формы, свойств или состояния, называются технологическими . К ним относятся также и аппараты.
Машины и аппараты, различающиеся по своему технологическому назначению и конструктивному оформлению, состоят в основном из типовых деталей и узлов.
Характерной особенностью машин является наличие неподвижных и движущихся элементов, включающих в себя рабочие органы, валы, подшипники, корпуса (станины), привод и т.п.
Аппараты состоят, как правило, из неподвижных элементов: обечаек, крышек, опор, фланцев и др.
Под словом «аппарат» понимается любое устройство, в котором протекает технологический процесс. Чаще всего аппарат является сосудом, снабженным различными механическими приспособлениями. Однако некоторые из рассматриваемых в дисциплине устройств, представляют собой типичные рабочие машины, например: центробежный экстрактор, дозатор, дробилку.
К числу основных аппаратов относятся тарельчатые и насадочные колонны, применяемые не только для проведения процессов ректификации, но и абсорбционных и экстракционных процессов и т.п.
Насосы, компрессоры, фильтры, центрифуги, теплообменники и сушилки также относятся к числу основных аппаратов и машин, которые в различных сочетаниях составляют типовое оборудование большинства пищевых производств.
Таким образом, в дисциплине «Процессы и аппараты пищевых производств» изучается теория основных процессов, принципы устройства и методы расчета аппаратов и машин, используемых для проведения технологических процессов .
Анализ закономерностей протекания основных процессов и разработка обобщенных методов расчета аппаратов производится исходя из фундаментальных законов природы, физики, химии, термодинамики и других наук. Курс построен на основе выявления аналогии внешне разнородных процессов и аппаратов независимо от отрасли пищевой промышленности, в которой они используются.
Идея об общности ряда основных процессов и аппаратов, применяемых в различных производствах, была высказана в России профессором Ф.А. Денисовым. В 1828 году он опубликовал «Пространное руководство к общей технологии или познанию всех работ, средств, орудий и машин, употребляемых в различных производствах». В этом труде основные процессы раскрываются с общих научных позиций, а не с точки зрения применения к тому или иному производству. Преимуществом такого обобщенного подхода к изучению процессов является то, что на основе использования законов базисных дисциплин (математики, физики, механики, гидродинамики, термодинамики, теплопередачи и др.) изучаются общие закономерности протекания процессов независимо от того, в каком производстве этот процесс используется.
Необходимость обобщенного изучения процессов и аппаратов была поддержана Д.И. Менделеевым, который в 1897 году опубликовал книгу «Основы фабрично-заводской промышленности». В ней он изложил принципы построения курса «Процессы и аппараты» и дал классификацию процессов, которая используется до сих пор.
Основываясь на идеях Д.И. Менделеева, профессор А. К. Крупский ввел новую учебную дисциплину по расчету и проектированию основных процессов и аппаратов в Петербургском технологическом институте.
Значительное развитие наука о процессах и аппаратах получила в трудах наших российских ученых: В.Н. Стабников, В.М. Лысянский, В.Д. Попов, Д. П. Коновалова, К. Ф. Павлова, А. М. Трегубова, А. Г. Касаткина, Н.И. Гельперина, В.В. Кафарова, А.Н. Плановского, П.Г. Романкова, В.Н. Стабникова и др.
За время становления курса «Процессы и аппараты пищевых производств» в него вошли четыре основные группы процессов: механические, гидромеханические, тепловые и массообменные. И при этом рассматриваются не только процессы, но и аппараты, в которых протекают эти процессы.
