Процеси і апарати харчових виробництв Електронний підручник
Головна Теоретичні відомості Лабораторні та практичні роботи Тести Додатки Список використаних джерел	1.1 ВСТУП. ЗАГАЛЬНІ ЗАКОНИ ПРОЦЕСІВ ХАРЧОВОЇ ТЕХНОЛОГІЇ
	1. Завдання і зміст дисципліни “Процеси і апарати харчових виробництв”, його зв’язок з іншими дисциплінами. Значення для підготовки спеціалістів з виробництва харчових продуктів. 2. Роль вітчизняних і зарубіжних вчених у розвитку науки про процеси і апарати, вдосконалення обладнання та його автоматизації, в розробці ресурсозберігаючих і природоохоронних технологій. 3. Основні поняття: технологічний процес, технологія, машини і апарати, вхідні і вихідні потоки речовин. Поняття про машини і апарати періодичної і безперервної дії.Основні характеристики машин і апаратів. 4. Класифікація процесів харчової технології. Загальні закони процесів харчової технології. Матеріальні та енергетичні баланси. Швидкості протікання та кінетичні закономірності процесів. 5. Основи теорії подібності і моделювання. Практичне використання основних положень теорії подібності. 6. Принципи оптимізації процесів, ефективність, інтенсивність, питомі витрати енергії. 1. Завдання і зміст дисципліни “Процеси і апарати харчових виробництв”, його зв’язок з іншими дисциплінами. Значення для підготовки спеціалістів з виробництва харчових продуктів Апаратне оформлення харчових виробництв досягло значної технічної досконалості на базі останніх наукових досліджень, загального технічного прогресу та автоматизації виробничих процесів; особливо широко стали використовуватись у харчовій технології досягнення фізики. Техніка високих тисків, високого вакууму, глибокого охолодження, ультразвуку, струмів НВЧ, мембранного розділення міцно зайняла місце в харчовій промисловості. Усе це висуває необхідність науково обґрунтувати різноманітні процеси, пов’язані з виробництвом харчових продуктів. Ці завдання успішно розв’язуються на основі даних науки про процеси та апарати  харчової технології. Завдання курсу  “Процеси та апарати харчових виробництв” полягає в тому, щоб ознайомити студентів з тими процесами й апаратами, які є загальними для всіх харчових технологій. Особливістю курсу є об’єднання на перший погляд розрізнених і не пов’язаних між собою процесів, які мають місце в різних харчових виробництвах (а таких виробництв понад 35), в групи (класи) та розгляд їх на основі єдиних наукових закономірностей, загальних методів аналізу та розрахунків. Пояснимо цю тезу на трьох прикладах: 1) заварювання водою чаїнок з метою одержати напій, збагачений барвними, ароматичними й дубильними речовинами (тривалість процесу – близько 3 хв.);  2) добування олії з насіння соняшнику за допомогою розчинника – бензину (тривалість процесу – близько 3 годин); 3) збагачення барвниковими, ароматичними й дубильними речовинами виноградних спиртів за   рахунок розчинення елементів деревини дуба у виробництві коньяку (тривалість процесу – понад 3 роки). Ці процеси називаються екстрагуванням у системі “тверде тіло – рідина”, коли за допомогою розчинника з твердого тіла добувається один чи декілька компонентів. Вони мають однакову фізичну сутність, теоретичне обґрунтування, але різне апаратурне оформлення.    Сучасне вчення про процеси та апарати спирається на міцний фундамент базисних дисциплін – хімії, фізики, математики, електротехніки, механіки. Однак як наука вчення про процеси та апарати має чітко окреслений предмет, свої теоретичні закономірності, експериментальні та розрахункові методи. 2. Роль вітчизняних і зарубіжних вчених у розвитку науки про процеси і апарати, вдосконалення обладнання та його автоматизації, в розробці ресурсозберігаючих і природоохоронних технологій    Спроби класифікації технологічних процесів хімічної промисловості неодноразово робилися декілька століть тому. Однак потреба в створенні науки про процеси та апарати була сформульована тільки наприкінці ХIХ ст. Д.І. Менделєєвим у його праці “Основи фабрично-заводської промисловості” (1897). У книзі викладено принципи побудови курсу процесів та апаратів, які в подальшому одержали розвиток у працях А.К. Крупського, І.О. Тищенка, трохи пізніше – О.А. Кірова, К.Ф. Павлова, П.Г. Романкова, А.Г. Касаткіна та інших вчених.    У Росії першу книгу з цього курсу під назвою “Основні процеси та апарати хімічної технології” було написано і видано і 1913 р. професором І.О.Тищенко. У США аналогічна праця Уокера, Льюїса і Мак-Адамса “Принципи науки про процеси та апарати” вийшла в світ у 1923 р. У цьому самому році було видано книгу професора Київського політехнічного інституту  О.А. Кірова, який працював  у галузі харчової промисловості, “Апаратура та основні процеси хімічної технології”. У ній автор відмічає різноманітність процесів та апаратів, які використовуються в харчовій промисловості, та вказує на велике значення цієї науки для розвитку харчової промисловості.    Фундаментальною працею в галузі науки про процеси та апарати є підручних А.Г. Касаткіна “Основні процеси та апарати хімічної технології”, який витримав 9 видань (перше видання вийшло в 1935 р.)    Перший підручник, присвячений основам харчової технології “Процеси та апарати харчових виробництв”, був підготовлений і виданий у 1959 р. українськими вченими під керівництвом професора Київського технологічного інституту  харчової промисловості В.М. Стабніковим.    Серед великої кількості вчених, які плідно працювати в галузі розвитку окремих розділів науки про процеси та апарати останніми десятиріччями, слід назвати О.М. Плановського, М.М. Ліпатова, О.В. Ликова, А.С. Гінзбурга, С.М. Гребенюка, М.О. Гришина, Г.А. Аксельруда, М.І. Беляєва та ін.    Наука про процеси та апарати – це послідовна наукова дисципліна, яка відіграє велику роль у розвитку технології харчових продуктів. Вона невпинно розвивається завдяки  появі нових процесів та бурхливому розвитку обчислювальної техніки. 3. Основні поняття: технологічний процес, технологія, машини і апарати, вхідні і вихідні потоки речовин. Поняття про машини і апарати періодичної і безперервної дії Процес – це послідовні закономірні зміни стану будь-якого тіла або явища, які відбуваються в природі. У курсі “Процеси та апарати харчових виробництв” розглядаються технологічні процеси, які пов’язані з переробкою продуктів природи (сировини) на засоби виробництва і засоби споживання. Технологічні процеси переробки різноманітної сільськогосподарської сировини на харчові продукти здійснюються в апаратах і машинах. В апаратах відбуваються теплообмінні, масообмінні, фізико-хімічні, біохімічні та інші  процеси, що зумовлюють зміни хімічних чи фізичних властивостей або агрегатного стану оброблюваного продукту. Характерною ознакою апарата є наявність реакційного простору або робочої камери. У машинах здійснюється механічний вплив на продукт, властивості якого, як правило, при цьому не змінюються, а змінюється лише форма, розміри й інші фізичні параметри. Особливістю машин є наявність робочих органів, що рухаються та безпосередньо впливають на продукт. Таке розділення технологічного обладнання на машини й апарати умовне, тому що їхній устрій може мати одночасно ті чи інші ознаки. Тому для спрощення термінології в курсі “Процеси та апарати харчових виробництв” умовно прийнято машини відносити до апаратів. 4. Класифікація процесів харчової технології. Загальні закони процесів харчової технології. Матеріальні та енергетичні баланси. Швидкості протікання та кінетичні закономірності процесів Виділяють три основні класифікації процесів харчових виробництв: 1). за основними закономірностями перебігу та рушійною силою; 2) за способами організації процесу або структурою робочого циклу; 3) за зміною параметрів процесу в часі.          За першою ознакою виділяють 7 груп процесів: гідромеханічні, механічні, теплові, масообмінні (дифузійні), хімічні ба біохімічні, мікробіологічні, електрофізичні.    Необхідна умова протікання процесу – наявність рушійної сили. В загальному випадку рушійна сила – це різниця потенціалів у двох точках розглядуваної системи.    Процеси характеризуються загальною залежністю: швидкість процесу прямо пропорційна рушійній силі та обернено пропорційна опору. Це положення може бути представлено у вигляді загального кінетичного рівняння: І = X / R = KX, де,  I – швидкість процесу;  R – опір;  К – провідність (величина, зворотна опору); Х – рушійна сила процесу.     До гідромеханічних процесів відносять ті процеси, які відбуваються в рідинних (або газових) системах під зовнішнім впливом. Швидкість цих процесів визначається законами гідро- та аеродинаміки. Рушійною силою гіромеханічних процесів є перепад тиску: Хr = ∆Р або відцентрова сила.    Гідромеханічні процеси поділяються на  процеси утворення неоднорідних рідинних та газових систем (перемішування, диспергування, піноутворення, псевдозрідження, емульгування, гомогенізація) та їх розділення (осадження, фільтрування, центрифугування, мембранні методи, електроосаджування). Механічні процеси описуються і підпорядковуються законам механіки твердих тіл. Рушійною силою механічних процесів є різниця зусиль у різних точках оброблюваного об’єкту Хм = ∆F, тобто сили механічного тиску або відцентрові сили. Сюди відносять процеси подрібнювання, пресування, сортування, перемішування сипких матеріалів.    До теплових процесів відносяться процеси, які підпорядковані законам теплопереносу(термодинаміки). Рушійною силою цих процесів є різниця температур Хт = ∆t. Теплові процеси, в свою чергу, поділяються на процеси без зміни агрегатного стану (нагрівання, охолодження); зі зміною агрегатного стану (кипіння, конденсація, пастеризація, варіння, смаження). Масообмінні процеси характеризуються перенесенням (переходом) одного або декількох компонентів вихідної речовини з однієї фази в іншу. Рушійною силою масообмінних процесів є різниця концентрацій  Хмо = ∆С. Виділяють такі масообмінні процеси: адсорбцію (вибіркове поглинання газів, пари або розчинених речовин твердим поглиначем), абсорбцію (поглинання газів чи пари рідким поглиначем), перегонку (рідка суміш розділяється на складові компоненти), екстрагування (видалення одного або декількох компонентів з розчинів або твердих речовин за допомогою розчинників), кристалізацію ( перехід речовин з рідкої фази в тверду в результаті виникнення і росту кристалів в розчині), сушіння (видалення вологи з рідких або вологих матеріалів шляхом її випаровування). Хімічні та біохімічні процеси – це процеси, пов’язані зі зміною хімічного складу і властивостей речовин; швидкість їхнього протікання визначається законами хімічної кінетики. Мікробіологічні процеси підпорядковуються біологічним законам життєдіяльності мікроорганізмів. Приклади таких процесів – сквашування молока, виготовлення дріжджів тощо. Електрофізичні процеси здійснюються під впливом електричного струму. Рушійною силою цих процесів є різниця електричних потенціалів Хел = ∆U. У курсі “Процеси та апарати харчових віиробництв” вивчаються перші чотири групи процесів. Серед них розглядаються і електрифізичні методи оброблення харчових продуктів. Хімічні, біохімічні та мікробіологічні процеси  розглядаються в спеціальних курсах.    Якщо процес характеризується ознаками двох основ (наприклад, масообміну і термодинаміки), то належність до того чи іншого класу визначається його цілеспрямованістю. Наприклад, при сушінні одночасно можуть відбуватися масообмін і теплообмін, однак головна мета прогресу  полягає в дифузійному видаленні вологи, тому його відносять до класу масообмінних процесів. За способом  організації всі процеси поділяють на періодичні, безперервні та комбіновані. Періодичні процеси проводяться в апаратах, які працюють у циклічному режимі. Цикл  починається із завантаження апарата вихідними речовинами. В апараті ведеться процес  перероблення, і через визначених проміжок часу, достатній для закінчення процесу, готовий продукт вивантажується з апарата. Для періодичних процесів характерно те, шо всі їхні стадії протікають в одному місці, в різний час; при цьому стан матеріалу, що обробляється, і параметри процесу змінюються за часом. Безперервні або поточні процеси відбуваються в проточних апаратах, у яких надходження вихідної сировини та вивантаження готової продукції відбувається безперервно. Усі стадії безперервного процесу відбуваються одночасно, але вони роз’єднані в просторі. Комбіновані процеси – це процеси, які на окремих стадіях відбуваються безперервно, а на інших стадіях – періодично. Організація виробництва за безперервною схемою має переваги: стабільність якості готового продукту, відсутність витрат часу на завантаження та вивантаження апаратів, компактність обладнання, зниження енергетичних витрат. Крім цього, безперервні процеси легше піддаються автоматичному контролю та управлінню. З цієї причини всі виробництва організуються як безперервно діючі. Періодичні процеси використовуються на малих переробних виробництвах, під час створення нових і модернізованих видів продукції, одержання окремих дослідних партій. За третьою ознакою  - змінами параметрів процесу (температури, швидкості, концентрації, консистенції) в часі всі процеси поділяються на  усталені (стаціонарні) та неусталені (нестаціонарні). В усталених процесах значення кожного з параметрів, що їх характеризують, постійні в часі і й залежать лише від положення даної точки системи в просторі. У загальному вигляді це уявляється так: П = ƒ ( х, у, z)    де, П – будь-який параметр системи, який є значущий для процесу;            х, у, z -  координати системи.    У неусталених процесах параметри, що їх характеризують, залежать не тільки від положення точки системи в просторі, а й від часу: П = ƒ(х, у, z, τ) де,  τ –тривалість процесу. Більшість періодичних процесів відноситься до неусталених. Як правило,      безперервні процеси є стаціонарними, тому що в кожну мить часу в кожній конкретній точці системи параметри процесу залишаються постійними. Загальні закони процесів харчової технології Технохімічні процеси харчових виробництв відбуваються відповідно до загальних фізичних, хімічних та фізико-хімічних законів. Застосування цих законів до того чи іншого процесу дає  змогу створити теорію цього процесу і методи проектування апаратів для його проведення. Під час розгляду процесів харчової технології можна виділити такі основні узагальнення, закони та принципи: - закон збереження маси; - закон збереження енергії; - закон перенесення маси та енергії та принцип рушійної сили; - закони масштабного переходу і моделювання; - принцип оптимізації проведення процесу. Закон збереження маси в науці про процеси та апарати  набуває форми матеріального балансу: кількість матеріалів, що надходить в апарат, повинна дорівнювати кількості кінцевих продуктів, отриманих в результаті проведення процесу. Якщо в апарат (рис. 1.2) надходять компоненти А,В,С, а виходять із нього – Д і Е, то матеріальний баланс можна записати в такому вигляді: mΑ + mΒ  + mС = mД + mЕ,, де, mΑ, mΒ, mС, mД,mЕ, - маси компонентів А, В, С, Д і Е. 1.1. Закон збереження маси    Якщо під час проведення процесу мають місце втрати речовин (наприклад, з вологою), то mд – маса речовини,отриманої внаслідок процесу (готового продукту), а mЕ – маса втраченої під час процесу речовини. На основі матеріального  балансу визначають вихід продукту Z, тобто відношення маси готового продукту до маси вихідних продуктів, виражений у відсотках: Z = 100 mД / (mA + mВ + mC). Матеріальний баланс можна обчислити сумарно для всіх сировинних компонентів або окремо для будь-якого з них. Матеріальний баланс можна скласти як для одного апарата, так і для групи їх. Закон збереження енергії. Енергетичний баланс складають на основі закону збереження енергії: кількість енергії, введеної в процес (прихід енергії) дорівнює кількості виділеної енергії (витрата). При цьому  мається на увазі теплова, механічна, електрична та інші види енергії. Найчастіше в практиці складають енергетичний баланс  на прикладі теплового (рис. 1.3.)              1.2. Схема матеріального  балансу 1.3. Схема теплового балансу     Якщо позначити кількість теплоти, введеної в процес із вихідними продуктами А,В,С у вигляді фізичної теплоти через QA, QB, QC;  теплоту, яка вводиться в процес з теплоносієм через Q3; тепловий ефект фізичних або хімічних перетворень через QВН; фізичну теплоту, виведену з процесу з компонентами Д і Е через QД і QЕ; втрати теплоти (в основному  - у навколишнє середовище) через QВТ, то  тепловий баланс може бути представлений рівнянням: QА + QВ + QС + QЗ ± Qвн = QЕ + QД +QВ З цього рівняння, як правило, визначають кількість теплоти ОЗ, яку необхідно підвести в процес для його реалізації. Закони перенесення маси та енергії та принцип рушійної сили. Під час різних технологічних операцій головна роль належить процесам перенесення. У гідромеханічних процесах об’єктом перенесення є рухома маса речовин, у теплових – теплова енергія, у масообмінних- той чи інший компонент, що переходить з однієї фази в іншу. Ефективність перенесення маси та енергії в цих процесах  залежить від їх швидкості. Швидкість процесу – це об’єм рідини або газу, кількість теплоти або речовини, що передається в апараті через одиницю площі за одиницю часу.    Усі процеси можуть протікати тільки під дією певної рушійної сили, яка завжди є різницею потенціалів, характерних для даного виду процесів.    Розглядаючи процеси різного характеру (гідромеханічні, теплові, дифузійні), неважко помітити, що їх кінетичні закономірності характеризуються загальною залежністю: швидкість процесу прямо пропорційна рушійній силі та обернено пропорційна опору.    Якщо в одному й тому самому апараті декілька процесів протікають одночасно (наприклад, нагрівання продукту під час сушіння), то швидкість кожного з процесів прямо пропорційна відповідній рушійній силі, але залежить також і від інших сил. Із цих процесів виділяють головний, від інтенсифікації якого залежать кінцеві результати процесу. Закони рівноваги. Сукупність тіл, що взаємодіють, називають системою. Якщо система знаходиться в рівновазі, то ніяких процесів у ній не відбувається. Процес виникає тоді, коли система виходить зі стану рівноваги. Якщо в апараті знаходиться рідина, температура якої дорівнює температурі навколишнього повітря, то теплообміну між стінкою апарата, рідиною й повітрям не буде, поки по обидва боки стінок апарата температура буде однакова. Теплообмін виникає тоді, коли в апарат налити рідину, температура якої вища за температуру навколишнього повітря. Причиною виникнення  процесу теплообміну є різниця температур рідини і стінок апарата.  У цьому випадку система виходить зі стану рівноваги і з’являється рушійна сила, яка прагне повернути цю систему до рівноваги. Коли система наближається до рівноваги, рушійна сила зменшується. У стані рівноваги вона дорівнює нулю і процес припиняється, тобто ∆t = 0 і О = 0 Основи теорії подібності і моделювання. Практичне використання основних положень теорії подібності Вивчати процеси з метою виведення рівнянь, потрібних для їх аналізу та розрахунку, можна чисто теоретично. Цей найбільш бажаний шлях дослідження зводиться до складання  (на основі загальних законів фізики та хімії) і розв’язання математичних залежностей, найчастіше диференціальних рівнянь, що повністю описують процес. Прикладом важливих для практики розрахункових залежностей, які дістали розв’язанням відповідних диференціальних рівнянь, є основні рівняння  гідростатики і гідродинаміки (рівняння Бернулі).    Проте багато процесів харчових виробництв залежать від великої кількості робочих параметрів (тиску, швидкості, температури, в’язкості, густини, геометричних розмірів тощо), залежність між якими або не піддається точному математичному опису, або призводить до важко розв’язуваних диференціальних рівнянь. Прикладом можуть бути рівняння Нав’є – Стокса, розв’язання яких можливе тільки для окремих практичних задач. У таких випадках для встановлення зв’язку між величинами, що характеризують процес, звертаються до експериментального дослідження, яке здійснюють не на натурних об’єктах (апаратах або машинах), а на їхніх моделях. Однак, щоб одержані результати дослідів можна було перенести на натурні об’єкти, сама модель, а також методика проведення досліджень і оброблення одержаних результатів мають відповідати певним умовам. Ці умови встановлює теорія подібності – учення про методи наукового узагальнення експерименту. Вона дає теоретичну базу для побудови моделей апаратів і відповідає на такі запитання: · які величини треба вимірювати під час проведення дослідів ? · як опрацювати одержані дані ? · як побудувати модель, подібну до натурного об’єкта ?    Отже, методи теорії подібності лежать в основі масштабування та моделювання процесів.    Умови подібності між моделлю і натурним об’єктом передбачають подібність геометричних розмірів, полів фізичних величин і властивостей системи на її межах. При цьому у натурного зразка і моделі мають бути постійні відношення однорідних величин, які називають константами подібності. Так, константа геометричної подібності натурного і модельного трубопроводів буде: СL = L2 / L1 = d2 / d1, де  L2, d2  і  L1, d1 – довжини і діаметри цих трубопроводів.    Константи подібності густин  ρ, в’язкості μ, тисків р, швидкостей ν натурного  і модельного потоків у подібних точках і в подібні моменти часу будуть: сρ = ρ2 /ρ1;    сμ = μ2 / μ1;   ср = р2 / р1;   сν = ν2 / ν1.    Якщо при проведенні процесу властивості системи змінюються з часом, то  константа часової подібності сτ = τ2 / τ1 вказує на те, що частинки рідини в натурному і модельному трубопроводах або апаратах проходять геометрично подібні траекторії за проміжки часу, які перебувають у постійних відношеннях.    Подібність геометричних і фізичних параметрів є необхідною, але недостатньою умовою подібності натурного об’єкта і моделі. Необхідно також, щоб в аналогічних точках геометрично подібних потоків відношення діючих сил були однакові. Під  час проектування та експлуатації апаратури суттєву роль відіграє одне з основних положень науки про процеси та апарати – положення про вплив розмірів апарата на процес, який у ньому відбувається. Дослідження процесів та апаратів  з економічних міркувань проводиться звичайно на лабораторних стендах та апаратах невеликих розмірів. Результати цих досліджень можна переносити на великорозмірні апарати тільки з урахуванням вимог теорії подібності та моделювання. При цьому результати повинні бути узагальнені у вигляді залежності між критеріями подібності, що характеризують процес із різних сторін. При кожному критеріальному рівнянні повинно бути зазначено, в яких межах зміни критеріїв ним можна користуватись. Принципи оптимізації процесів, ефективність, інтенсивність, питомі витрати енергії Для проведення будь-якого процесу в його апаратурному оформленні завжди виникає можливість вибрати декілька варіантів вирішення. Один із них найбільш раціональний. Вибір найдоцільнішого варіанта набув назву  оптимізації. Для оцінювання оптимуму  процесу необхідно обрати критерій оптимізації. Найчастіше за критерій оптимізації приймають  мінімум часу і затрат на виробництво продукції. Цього мінімуму  досягають доцільним напрямом процесу і його апаратурним оформленням. Кожний технологічний процес  потребує індивідуального підходу, але є загальні, універсальні рішення оптимізації для багатьох процесів, які можуть бути сформульовані так. 1. Безперервність процесу. Процеси технології харчових продуктів поділяють на періодичні  та безперервні . Як уже було зазначено, безперервні процеси порівняно з періодичними забезпечують вищу продуктивність апарата, одержання однорідного продукту високої якості, рівномірність споживання теплоти, води та електроенергії, безпечніші умови праці та можливість автоматизації процесу. Оптимально організований процес – це, як правило, безперервний, автоматично керований процес. 2. Протитечійність потоків обміну. На практиці в безперервних теплових та масообмінних процесах трапляються такі схеми руху взаємодіючих середовищ: протитечія, прямотечія, перехресна течія і змішана течія. Аналіз процесів обміну теплотою і масою показує, що найсприятливішим є протитечійний процес. Тому можна сформулювати таке твердження: під час проведення обмінних процесів у безперервному потоці оптимальним є процес, що відбувається в протитечії. 3. Оновлення поверхні контакту фаз. В апаратах для перенесення  теплоти або маси оптимальним є варіант, який передбачає турбулентний режим і забезпечує максимальне зіткнення контактуючих середовищ при безперервному поновленні контакту фаз. 4. Використання вихідної теплоти. Найпоширенішим теплоносієм у харчових виробництвах є водяна пара.  В ряді процесів при їх проведення виникає вторинна пара меншого тиску. Так, у багатокорпусних випарних установках пара, яка використовується для обігріву, надходить тільки на обігрівання першого корпусу, інші корпуси обігріваються вторинною парою попередніх. Значну економію теплової енергії дає утилізація теплоти продуктів згорання палива, що надходить у процесах сушіння. Питання для самоконтролю 1. Що вивчає дисципліна «Процеси і апарати харчових виробництв? 2. Що таке процес? 3. Що таке апарат? 4. Як класифікують процеси за основними закономірностями перебігу та рушійною? 5. Що є рушійною силою теплових процесів? 6. Які процеси належать до масообмінних? 7. Що являє собою принцип оптимізації процесу?
		На початок	Наступна тема