Возникновение и развитие науки о процессах и аппаратах. Классификация процессов пищевой технологии

Учение о процессах и аппаратах возникло в начале нашего века, одновременно и независимо в нашей стране и в США. В России основы науки о процессах и аппаратах были заложены известными учеными-инженерами А. К. Крупским в Петербургском технологи­ческом институте и И. А. Тищенко в Московском высшем техничес­ком училище. При этом были использованы богатый фактический материал, накопленный в промышленности, и то огромное идейное наследие в области химической технологии, которое оставил Д. И. Менделеев. В 1909 г.

Большой вклад в разработку отдельных разделов науки о про­цессах и аппаратах внесли И. А. Тищенко — автор расчетов выпар­ных установок, Д. П. Коновалов — автор классических исследова­ний в области перегонки жидкостей, опубликовавший в 1924— 1925 гг. курс «Материалы и процессы химической технологии». Одной из главных задач химической технологии, отличающих ее от чистой химии, является установление наивыгоднейшего хода опера­ции и проектирование соответствующих ему заводских приборов и механических устройств — так определил задачи химической техно­логии Д. П. Коновалов.

Все многообразие основных процессов пищевой технологии в зависимости от закономерностей их протекания можно свести к пяти основным группам: гидромеханические, теплообменные, массообменные, механические, биохимические.

Гидромеханические процессы — это процессы, скорость кото­рых определяется законами механики и гидродинамики. К ним отно­сятся процессы перемещения жидкостей и газов по трубопроводам и аппаратам, перемешивания в жидких средах, разделения суспензий и эмульсий путем отстаивания, фильтрования, центрифугирования, псевдоожижения зернистого материала.

Теплообменные процессы — это процессы, связанные с перено­сом теплоты от более нагретых тел (или сред) _к менее нагретым. К ним относятся процессы нагревания, пастеризации, стерилизации, охлаждения, конденсации, выпаривания и т. п. Скорость тепловых процессов определяется законами теплопередачи.

Массообменные, или диффузионные, процессы — процессы, связанные с переносом вещества в различных агрегатных состо­яниях из одной фазы в другую. К ним относятся абсорбция и десорб­ция, перегонка и ректификация, адсорбция, экстракция, растворе­ние, кристаллизация, увлажнение, сушка, сублимация, диализ, ион­ный обмен и др. Скорость массообменных процессов определяется законами массопередачи.

Механические процессы — это процессы чисто механического взаимодействия тел. К ним относятся процессы измельчения, клас­сификации (фракционирования) сыпучих материалов, прессования и др.

Химические и биохимические процессы — процессы, связанные с изменением химического состава и свойств вещества, скорость протекания которых определяется законами химической кинетики.

2.Барботажные массообменные аппараты с колпачковыми, клапанными и чешуйчатыми тарелками. Назначение, устройство, принцип действия и область применения.

Колпачковые тарелки снабжены переливными устройства­ми (например, сливными трубками, рис. 7.10), а проход газа или пара осуществляется через небольшие по высоте патрубки, сверху закрытые колпачками. Пар или газ под действием разности давле­ний под тарелкой и над тарелкой барботирует через прорези в кол­пачке и слой жидкости. В отличие от ситчатых тарелок колпачковые не засоряются твердой примесью, содержащейся в разделяемой смеси, и поэтому широко используются в спиртовой промышлен­ности.

Клапанные тарелки. Над прямоугольным или круглым отвер­стием в тарелке лежит плоский клапан, который при отсутствии давления снизу перекрывает отверстие. Когда давление под тарел­кой возрастает, клапан приподнимается и пропускает газ или пар. Высота подъема клапана в пределах свободы, предоставляемой кронштейнами-ограничителями, зависит от разности давлений. Последнее обстоятельство позволяет поддерживать постоянную скорость движения пара или газа, что делает работу колонны устой­чивой даже при колебаниях давления.

Совершенство тарелок оценивают по достигаемой площади по­верхности контакта фаз, гидравлическому сопротивлению газу или пару, устойчивости работы при колебаниях подачи газа или пара. Колпачковые тарелки по этим показателям совершеннее ситчатых, но уступают клапанным тарелкам

.

3.Основные свойства пищевых продуктов, сырья, воды, пара и влажного воздуха. Физические и теплофизические
параметры.

Многие пищевые продукты представляют собой однородные и неоднородные смеси.

К однородным смесям относятся растворы, например сахарные, водно-спиртовые, соки и т. д. Однородные смеси характеризуются концентрацией растворенного вещества.

К неоднородным относятся смеси твердого вещества с жидко­стью, а также смеси различных нерастворимых одна в другой жид­костей. Для характеристики неоднородных смесей вводят понятие объемной или массовой доли, например доли твердого вещества в жидкости.

Все свойства веществ можно разделить на физические (плот­ность, удельный вес, вязкость, поверхностное натяжение и др.) и теплофизические (удельная теплоемкость, теплопроводность, тем­пературопроводность и др.). Данные об этих свойствах для различ­ных веществ и растворов в зависимости от температуры и давления приводятся в справочниках.

Рассмотрим основные свойства веществ.

Плотность q — это отношение массы М тела (вещества) к его объему V. Описывается формулой q=MIV и выражается в кило­граммах на 1 м³, тоннах на 1 м³ или граммах на 1 см³.

Плотность представляет, собой величину, обратную удельному объему v, т. е. объему, занимаемому единицей массы вещества; q=l/v_yB, где v_ya=V/M.

Плотность раствора зависит от его концентрации С

Отношение плотностей двух веществ называется относи­тельной плотностью.

Удельный вес — это отношение веса тела (вещества) к его объ­ему. В отличие от плотности удельный вес не является физико-химической характеристикой вещества, так как зависит от места измерения. Между удельным весом и плотностью существует соот­ношение

Вязкость — это свойство газов и жидкостей сопротивляться дей­ствию внешних сил, вызывающих их течение.

Поверхностное натяжение — это величина, численно равная работе, которую нужно затратить для того, чтобы при постоянной температуре увеличить на единицу площади поверхность раздела фаз.

Поверхностное натяжение зависит от температуры и умень­шается с повышением ее.

Теплоемкость — это отношение количества теплоты, подводи­мой к веществу, к соответствующему изменению его температуры. Теплоемкость единицы количества вещества называется удельной теплоемкостью. В расчетах используют массовую, объемную и мольную удельные теплоемкости.

Удельная теплоемкость зависит от того, при каком процессе (изобарном, изохорном, адиабатном, политропическом, изотерми­ческом) происходит обмен энергией между веществом и окружаю­щей средой..

Массовая удельная теплоемкость показывает, какое количество теплоты надо сообщить веществу массой 1 кг, чтобы повысить его температуру на один градус.

Теплоемкость жидкостей и газов зависит от температуры и уве­личивается с повышением ее.

Теплопроводность — это перенос энергии от более нагретых участков тела к менее нагретым в результате теплового движения и взаимодействия микрочастиц, приводящий к выравниванию темпе­ратуры тела.

Интенсивность теплопроводности в твердых материалах, жидко­стях и газах характеризуется коэффициентом теплопроводности λ, который является теплофизическим параметром вещества и пока­зывает, какое количество теплоты проходит через 1 м² поверхности в течение 1 ч при градиенте изменения температур в направлении, перпендикулярном к изотермической поверхности, равном 1.

4.Виды отстойников и их схемы. Производительность отстойника. Назначение, устройство, принцип действия и
область применения.

Оборудование для отстаивания и осаждения по принципу дей­ствия делится на гравитационные отстойники, отстойные центрифу­ги, гидроциклоны и сепараторы.

Отстойники бывают периодического, непрерывного и полуне­прерывного действия.

Отстойник периодического действия представ­ляет собой плоский бассейн без перемешивающих устройств. Бас­сейн заполняется суспензией, которая отстаивается в нем в течение необходимого для разделения времени. Затем осветленный слой жидкости сливают (декантируют) через штуцера, расположенные выше слоя осадка. Осевший осадок (шлам) выгружают вручную.

Размеры и форма отстойников зависят от концентрации дисперс­ной фазы и размеров частиц. С увеличением плотности и размеров частиц размеры отстойника уменьшаются. Продолжительность отстаивания зависит от вязкости дисперсионной фазы, которая сни­жается с повышением температуры. Поэтому для ускорения про­цесса отстаивания суспензию подогревают (если это не противоре­чит технологии).

Непрерывнодействующий отстойник с гребковой мешалкой (рис. 7.3) представляет собой цилиндрический резервуар с коническим днищем и внутренним кольцевым желобом вдоль верхнего края отстойника. Мешалка с наклонными лопастями, на которых расположены гребки для пере­мещения осадка к разгрузочному люку, вращается с переменной частотой от 0,02 до 0,5 мин"¹.

Суспензия непрерывно подается по трубе в середину резервуара. Осветленная жидкость переливается в кольцевой желоб и отводится из отстойника. Шлам удаляется при помощи диафрагменного насо­са. Извлечение жидкости из шлама, если она является ценной для производства или ее извлечение необходимо по технологическим условиям, производится в установке для противоточной промывки. В таких отстойниках достигаются равномерная плотность осадка, эффективное его обезвоживание. Недостатком гребковых отстой­ников является их громоздкость.

В многоярусных отстойниках, которые представ­ляют собой несколько отстойников, поставленных один на другой, или цилиндрический резервуар с коническим днищем, внутри кото­рого имеются конические перегородки, разделяющие отстойники на ярусы (рис. 7.4)/В результате этого значительно снизилась гро­моздкость и увеличилась площадь поверхности отстаивания. Такие отстойники используют на сахарных заводах для сгущения сатурационных соков.

Отстойник имеет общий вал, на котором расположены гребковые мешалки. Суспензия через распределительное устройство подается по трубам в стаканы каждого яруса отстойника. Осветлен­ная жидкость собирается через кольцевые желоба в коллектор. Ярусы соединены стаканами для удаления шлама. Стакан каждого вышерасположенного яруса опущен нижним концом в слой шлама нижерасположенного яруса. Таким образом ярусы отстойника

последовательно соединены по шламу. Шлам удаляется только из нижнего яруса через разгрузочный конус, в котором установлен скребок.

Отстойник для непрерывного разделения эмульсий (рис. 7.5) состоит из нескольких частей. Эмульсия подается в левую часть отстойника, откуда поступает в среднюю сепарационную камеру. Перегородки 2 позволяют регулировать высоту уровня смеси. В сепарационной части исходная смесь разде­ляется на составляющие под действием сил тяжести. Легкая жид­кость поднимается и вытекает из отстойника через верхний штуцер. Тяжелая жидкость опускается, проходит под правой перегородкой 3 и вытекает через нижний штуцер. Каналы для выхода жидкости образуют сообщающиеся между собой сосуды.

5.Законы сохранения массы и энергии. Законы равновесия системы. Принцип движущей силы и законы переноса
массы и энергии.

Равновесие. Равновесные системы. Если в любой точке рассмат­риваемой системы или поля потенциал одинаков, т. е. движущая сила переноса равна нулю, то говорят, что нет причин для переноса. Система находится в равновесии. Отсутствие потенциала свиде­тельствует о равновесии в системе.

Следовательно, перенос возможен, только если система не нахо­дится в состоянии равновесия, а движущая сила переноса тем боль­ше, чем дальше от состояния равновесия находится система. Это положение, справедливое для любых процессов, особенно важно при выражении движущей силы процессов переноса массы.

Законы переноса массы и энергии. Основное кинетическое уравне­ние. Экономическая эффективность всякого производства в значи­тельной степени зависит от скорости протекания технологических процессов. Эта скорость тем больше, чем больше движущая сила, и тем меньше, чем больше сопротивление осуществляемому дей­ствию. Эти простые рассуждения можно сформулировать уравне­нием

где у — скорость протекания процесса; R — сопротивление; Δ— движущая сила.

Величину 1/R можно заменить проводимостью к, и полученное выражение изменит вид:

Это выражение носит название основного (общего) кинетического уравнения. Зная движущую силу конкретного процесса, воспользо­вавшись общим кинетическим уравнением, можно написать основ­ное уравнение для любого процесса.

Так, для процесса теплопередачи можно записать