Нагревание, испарение, охлаждение и конденсация
Классификация основных процессов
Все процессы пищевой технологии в зависимости от закономерностей их протекания можно свести к пяти основным группам: гидромеханические, теплообменные, массообменные, механические, биохимические. Необходимо дать определения каждому из них.
Гидромеханические процессы – скорость кот. Опред. Законами механики и гидродинамики. К ним относят разделение суспензий и эмульсий, перемешивание в жидких средах, путём отстаивания, фильтрование.
Теплообменные процессы- связанные с переносом теплоты от более нагретых тел, к менее нагретым. Относят процессы нагревания, пастеризации, стерилизации, охлаждения, выпаривания. Движущей силой явл. разность температур.
Массообменные проц.- связанные с переносом в-ва в различных агрегатных состояниях из одной фазы в другую. Относят абсорбцию, десорбцию, перегонка, ректификация, сушка. Движ. силой явл. разность концентраций.
Механические проц.- проц. чисто механич. взаимодействия тел. Относятся- измельчение, сепарирование, классифик. сыпучих матер., прессование.
Химические и биохимич.проц.- связанные с изменением химич. состава и свойств в-ва, скорость протек. кот. опред. зак. химич. кинетики.
Гидромеханические процессы
К гидромеханическим процессам относятся: осаждение взвешенных в жидкой или газообразной среде частиц под воздействием гравитационной силы (осаждение), центробежной силы (центробежное осаждение) или сил электрического поля; фильтрование жидкостей или газов через пористую перегородку под воздействием разности давлений (фильтрование и центробежное фильтрование); перемешивание в жидкой среде; псевдоожижение и др.
Основные свойства пищевых продуктов и сырья
Пищевые продукты представляют собой однородные и неоднородные смеси. К однородным смесям, относятся растворы. Однородные смеси характеризуются концентрацией растворенного вещества.
К неоднородным смесям относятся смеси твердого вещества с жидкостью, смеси нерастворимых одна в другой жидкостей. Для характеристики неоднородных смесей вводят понятие объемной или массовой доли, например твердого вещества в жидкости.
Все свойства веществ пищевых продуктов можно разделить: физические свойства (плотность, удельный вес, вязкость, поверхностное натяжение); теплофизические свойства (удельная теплоемкость, теплопроводность, температуропроводность).
Классификация неоднородных систем
Неоднородными, или гетерогенными, называются системы, состоящие как минимум из двух фаз: дисперсной (внутренней), обычно находящейся в тонкораздробленном состоянии, и дисперсионной (внешней), окружающей частицы дисперсной фазы. Неоднородные системы могут быть суспензиями, эмульсиями, пенами, пылями и дымами, туманами.
Разделение газовых неоднородных систем
Цель очистки газов от взвешенных твердых или жидких частиц - уменьшение загрязненности атмосферы и улавливание из отходящих газов ценных продуктов.
В промышленных условиях пыль может образоваться в результате проведения технологических процессов (сушка некоторых пищевых продуктов, при транспортировании сыпучих материалов, в результате измельчения твердых тел дроблением, истиранием, размалыванием). Для очистки газовых потоков от взвешенных частиц используют несколько способов: гравитационное осаждение, осаждение под действием инерционных и центробежных сил, фильтрование газового потока через пористую перегородку, мокрую очистку в орошаемых водой скрубберах, осаждение в электрическом поле.
Отстаивание и осаждение
Отстаивание – частный случай разделения неоднородных жидкостей или газообразных систем путем выделения твердых или жидких частиц под воздействием гравитационной силы. Этот процесс, который применяют для первичного разделения суспензий, эмульсий и пылей, характеризуется низкой скоростью процесса.
Для интенсификации разделения пыли, суспензий и эмульсий процесс осаждения проводят под действием центробежной силы.
Поле центробежных сил создают при помощи двух технических приемов: поток жидкости или газа вращается в неподвижном аппарате; поток поступает во вращающийся аппарат и вращается вместе с ним. В первом случае процесс называется циклонным, а аппарат – циклоном, во втором – отстойным центрифугированием, а аппарат – отстойной центрифугой или сепаратором.
Осаждение — процесс выделения жидких или твёрдых частиц из газовой или жидкой среды под действием силы тяжести, сил инерции и т.д.
Фильтрование
Фильтрованием называется процесс разделения суспензий, пыли, туманов через пористую перегородку, способную пропускать жидкости или газ, но задерживать взвешенные частицы. Фильтрование осуществляется под действием разности давлений на фильтрующей перегородке или в поле центробежных сил.
По целевому назначению процесс фильтрования может быть очистным или продуктивным. При разделении неоднородных систем возникает необходимость выбор конструкции фильтра или фильтрующей центрифуги, фильтровальной перегородки, режима фильтрования.
Виды фильтрования: фильтрование с образованием осадка, фильтрование с закупориванием пор; промежуточный вид.
Скорость фильтрования суспензии прямо пропорциональна разности давления по обе стороны фильтрующей перегородки (ΔP) и обратно пропорциональна сопротивлению процесса фильтрования.
Оборудование для фильтрации:вакуум-фильтры, например нутч-фильтры;фильтры, работающие под давлением: листовые фильтры, патронные фильтры, фильтр-прессы,В качестве фильтрующих элементов используются хлопчатобумажные (бязь, диагональ), искусственные (капрон, нейлон) и шерстяные ткани, плетеные и штампованные металлические сетки, песок, гравий и пористые керамические материалы.
Псевдоожижение
Псевдоожиженным называется такое состояние двухфазной системы твердые частицы – газ (жидкость), которое характеризуется перемещением твердых частиц относительно друг друга в результате подвода энергии от какого-либо источника.
Псевдоожиженная система, возникшая под воздействием ожижающего агента, получила название псевдоожиженного, кипящего слоя, так как этому слою присущи многие свойства капельной жидкости.
Псевдоожиженный слой образуется при восходящем движении ожижающего агента через слой зернистого материала со скоростью, позволяющей поддерживать слой материала во взвешенном состоянии.
В псевдоожиженном слое проводят смешивание, транспортирование, классификацию сыпучих материалов, теплообмен, сушку, адсорбцию и др.
Перемешивание
Способы перемешивания –механический (с помощью мешалок различных конструкций), - пневматический (сжатым воздухом)
Перемешивание в жидкой среде применяют для получения суспензий и эмульсий. При смешивании пластических и сыпучих материалов ставится задача получения однородной массы основного вещества с различными твердыми, жидкими и пластичными добавками.
При перемешивании интенсифицируются тепловые, диффузионные и биохимические процессы. Для перемешивания используют смесители различных конструкций.
Качество перемешивания характеризуется степенью (равномерностью) смешивания фаз. Равномерность смешивания может изменяться от 0 до 1. при идеальном (полном) смешивании компонентов степень смешивания равна 1.
Перемешивание жидких сред осуществляют несколькими способами: пневматическим, циркуляционным, статическим и механическим при помощи мешалок.
При перемешивании тестообразных масс, в частности при замесе теста для хлебобулочных, кондитерских и макаронных изделий, творога, фарша и др., происходит смешивание различных компонентов. Одновременно полученная смесь разминается, насыщается воздухом и приобретает определенные свойства.
В пищевой технологии смешивание проводят в аппаратах периодического действия, снабженных специальными смешивающими устройствами – рамными, шнековыми, ленточными и другими мешалками.
Для перемешивания сыпучих материалов с целью получения сухих смесей, например сухих соков, молочных смесей и т.п., в пищевых производствах используют смесители, работающие в других отраслях промышленности, или смесители, специально сконструированные для смешивания материалов, различающихся гранулометрическим составом, плотностью, прочностью, физическим состоянием и другими свойствами.
Как правило, смесители классифицируются по принципу действия, скоростным характеристикам и конструктивным признакам.
Диспергирование применяют для измельчения жидких, твердых веществ в жидкости или жидких и твердых веществ в газе для получения дисперсных систем. Диспергирование включает эмульгирование, гомогенизацию и распыление жидкостей газообразной среде.
Пенообразование и взбивание – диспергирование газов в жидкости, используют при приготовлении коктейлей, молочных кремов, суфле, взбитых сливок, мороженного и т.д.
Теплообменные процессы
Теплообмен – самопроизвольный необратимый процесс переноса теплоты от более нагретых тел (или участков тел) к менее нагретым телам.
Теплота (количество теплоты) – энергетическая характеристика процесса теплообмена, которая определяется количеством энергии, отдаваемой или получаемой телом в процессе теплообмена.
К теплообменным процессам, относятся такие технологические процессы, скорость которых определяется скоростью подвода или отвода теплоты: нагревание, испарение (в том числе выпаривание), охлаждение, конденсация. Аппараты, в которых проводят эти процессы, называют теплообменными.
Теплопередача – теплообмен между двумя теплоносителями через разде-ляющую их твердую стенку.
Теплоноситель – движущаяся среда (газ, пар, жидкость), используемая для переноса теплоты.
В процессах теплопередачи участвуют не мене двух сред (веществ) с различной температурой. Среда с более высокой температурой, отдающая при теплообмене теплоту, называется горячим теплоносителем, среда с более низкой температурой, воспринимающая теплоту, называется холодным теплоносителем или хладагентом.
Теплота может передаваться теплопроводностью, тепловым излучением и конвенцией.
Теплопроводностью называется процесс переноса тепловой энергии от более нагретых участков тела менее нагретым в результате теплового движения и взаимодействия микрочастиц. В результате теплопроводности температура тела выравнивается.
Тепловое излучение. Из всей лучистой энергии, которая попадает на поверхность тела, часть ее поглощается телом, часть отражается, а часть проходит через тело. В зависимости от способности тела поглощать или отражать энергию тела могут абсолютно черными (вся лучистая энергия поглощается), абсолютно прозрачные (вся падающая энергия проходить через тело), абсолютно белые (вся падающая энергия отражается телом).
В природе нет абсолютно черных, белых и прозрачных тел. В технике приходится оперировать телами, называемыми серыми.
Конвективный теплообмен (теплоотдача). Теплоотдачей называется процесс теплообмена между поверхностью и окружающей средой.
Интенсивность теплоотдачи характеризуется коэффициентом теплоотдачи, равным отношению плотности теплового потока на поверхности раздела температурного напора между поверхностью теплообмена и средой (теплоносителем).
Различают теплоотдачу при свободной и вынужденной конвенции.
Движущая сила теплообменных процессов - разность температур теплоносителей. Под воздействием этой разности теплота передается от горячего теплоносителя холодному.
Процессы теплообмена в аппаратах непрерывного действия могут осуществляться в прямотоке, перекрестном и смешанном потоках.
Нагревание, испарение, охлаждение и конденсация
Нагреванием называется процесс повышение температуры материалов путем подвода к ним теплоты. В пищевой технологии широко распространены методы нагревания горячей водой или другими жидкими теплоносителями, насыщенным паром, топочными газами и электротоком.
Испарение – процесс превращения жидкости в пар путем подвода к ней теплоты. Наиболее эффективно испаряется жидкость при кипении. Испарение в пищевой технологии используют для охлаждения и опреснения воды, концентрирования растворов. Испарение происходит в испарителях.
Аппараты, применяемые для опреснения воды, называют опреснителями, для повышения растворов – выпарными аппаратами.
Конденсация – переход вещества из паро- или газообразного состояния в жидкое, путем отвода из него теплоты. Процесс осуществляется в специальных аппаратах, называемых конденсаторами.
Процессы конденсации широко используются в пищевой технологии. Конденсацию можно проводить при отводе теплоты от конденсируемых веществ с помощью охлаждающего теплоносителя, отделенного стенкой, либо при непосредственном смешивании конденсируемых паров с охлаждающим теплоносителем – водой. В первом случае происходит поверхностная конденсация, во втором – конденсация смешиванием.
Охлаждение – процесс понижения температуры материалов путем отвода от них теплоты. Для охлаждения газов, паров, жидкостей до 15...200С в пищевой технологии используют воду и воздух. Для охлаждения продуктов до низких температур используют низкотемпературные хладагенты – холодильные растворы, хладоны (фреоны) аммиак, диоксид углерода и другие.
Теплоиспользующие аппараты, применяемые в пищевых производствах для проведения теплообменных процессов, называются теплообменниками. Конструкции теплообменников весьма разнообразны, что объясняется разным назначением аппаратов и неодинаковыми условиями проведения процессов.
Выпаривание – процесс концентрирования растворов твердых нелетучих или мало летучих веществ путем испарения летучего растворителя и отвода образовавшихся паров. В промышленности выпаривание обычно проводят при кипячении.
При выпаривании растворов твердых веществ в некоторых пищевых производствах достигают насыщения раствора; при дальнейшем удалении растворителя из такого раствора происходит кристаллизация, в результате которой выделяется растворенное вещество.
Выпаривание применяют для повышения концентрации разбавленных растворов или выделения из них растворенного вещества путем кристаллизации.
Процесс выпаривания широко используется в сахарном и консервном производстве при концентрировании сахарных и томатных соков, молока и др. В пищевой технологии выпаривают, как правило, водные растворы.
Выпаривание проводят в выпарных аппаратах непрерывного и периодического действия. Аппараты периодического действия используют в основном в малотоннажных производствах.
Выпаривание осуществляется как под вакуумом, так и при атмосферном и избыточном давлении.
ВЫПАРНЫЕ АППАРАТЫ.
Классификация и устройство. Выпарные аппараты можно классифицировать следующим образом.
1. По принципу действия — на аппараты периодического и непрерывного действия. Периодические аппараты имеют ряд преимуществ перед непрерывными; при одной и той же начальной и конечной концентрациях раствора в них достигаются более высокие коэффициенты теплопередачи; облегчается перекачка концентрированного вязкого раствора, так как ее можно осуществить после концентрирования при атмосферном или повышенном давлении (в вакуум-выпарных аппаратах непрерывного действия откачка вязкого раствора затруднена, особенно из последней ступени). Однако эти установки могут использоваться лишь при небольших производительностях.
2. По первичному теплоносителю — на аппараты с паровым, газовым (продукты сгорания, горячий воздух и др.), жидкостным (вода, масло и. др.) теплоносителем, а также с электрическим обогревом. В промышленной практике чаще всего применяют обогрев паром, обеспечивающий высокий коэффициент теплоотдачи наряду с удобством регулирования установки.
3. По совмещению стадий нагрева и парообразования — на аппараты, в которых эти стадии совмещены, аппараты с вынесенной зоной парообразования и с вынесенной поверхностью нагрева. Последние два типа аппаратов применяют для предотвращения интенсивных отложений на поверхности нагрева.
4. По подвижности поверхности нагрева — на аппараты с неподвижной и подвижной поверхностью нагрева. Применение последней вызвано стремлением интенсифицировать процесс теплообмена. Подвижность поверхности нагрева обеспечивается ее вращением или вибрацией. В таких аппаратах скорость движения жидкости относительно поверхности нагрева высока, вследствие чего существенно повышается интенсивность теплообмена; отложения уменьшаются либо предотвращаются полностью. При этом существенно повышается степень концентрирования растворов.
5. По способу организации движения раствора – на аппараты с естественной и принудительной циркуляцией, однократной и многократной. Естественная циркуляция может осуществляться в объеме аппарата либо обеспечиваться специальными, циркуляционными трубами. Принудительная циркуляция организуется с помощью насосов, мешалок или подачи пара (газа). Циркуляция (перемещение) раствора может создаваться также путем вращения либо обеспечиваться специальными циркуляционными трубами. Принудительная циркуляция организуется с помощью насосов, мешалок или подачи пара (газа). Циркуляция (перемещение) раствора может создаваться также путем вращения либо вибрацией поверхности нагрева.
6. По расположению зоны испарения — на аппараты, в которых испарение раствора производится либо внутри труб, либо в объеме аппарата. При этом жидкость может находиться снаружи поверхности нагрева или же внутри ее.
7. По степени заполнения сечения труб — на аппараты с заполненным и незаполненным сечением. К последним относятся аппараты со вставками и пленочные. Пленочные выпарные аппараты получают в настоящее время все более широкое распространение благодаря тому, что обладают высокой интенсивностью теплообмена при малых температурных напорах. По способу движения пленки такие аппараты подразделяются на аппараты с ниспадающей и восходящей пленкой, а также пленкой, движущейся под действием центробежных сил.
8. По направлению движения пара и жидкости — на аппараты, в которых жидкость движется снизу вверх или же сверху. Аппараты с ниспадающей пленкой также подразделяются по направлению движения вторичного пара — вверх или вниз. Последний способ благоприятно сказывается на режиме теплообмена, так как движение пара и пленки в одном направлении способствует увеличению скорости пленки и ее турбулизации.
9. По ориентации поверхности нагрева — на аппараты, в которых поверхности нагрева располагаются вертикально, горизонтально или наклонно.
Конструкции выпарных аппаратов весьма разнообразны, что не всегда диктуется необходимостью. Число действительно эффективных и необходимых типов аппаратов может быть существенно уменьшено, хотя для ряда растворов и условий производства не созданы необходимые выпарные аппараты. Это, в частности, относится к аппаратам предельного выпаривания.
Массообменные процессы
Массообменными называют такие технологические процессы, скорость протекания которых определяется скоростью переноса вещества (массы) из одной фазы в другую конвективной молекулярной диффузией. К ним относятся абсорбция, перегонка и ректификация, экстракция, сушка, адсорбция, кристаллизация и др. Аппараты, в которых протекают эти процессы, называются массообменными.
При абсорбции наблюдается селективное поглощение газов или паров жидкости поглотителями – абсорбентами, т.е. вещество переходит из газовой или паровой фазы в жидкую фазу.
Процессы абсорбции в технике применяются для разделения углеродистых газов и получения соляной и сернистых кислот, аммиачной воды, очистки отходящих газов с целью улавливания ценных продуктов или обезвреживания газовых выбросов. Аппараты для проведения процессов абсорбции называются абсорберами.
В технике используют следующие принципиальные схемы абсорбционных процессов: прямоточные, противоточные, одноступенчатые с рециркуляцией и многоступенчатые с рециркуляцией.
При перегонке и ректификациижидкая смесь разделяется на составляющие компоненты. Вещество переходит из жидкой фазы в паровую фазу и из паровой в жидкую фазу.
Перегонка и ректификация – наиболее распространенные методы разделения жидких однородных смесей, состоящих из двух или нескольких летучих компонентов.
Процессы перегонки и ректификации широко применяют в пищевой промышленности: получение технического и пищевого этилового спирта; производство ароматических веществ и др. Перегонку используют для грубого разделения смесей, а для более полного разделения смесей, применяют ректификацию.
Перегонка представляет собой процесс однократного испарения жидкой смеси и конденсации образовавшихся паров.
Простая перегонка может проводиться: - с отбором фракций, - с дефлегмацией, - с водным паром - под вакуумом.
Ректификация представляет собой разделение смеси на составляющие ее компоненты путем многократного частичного испарения жидкости и конденсации паров.
Экстракциейв системе «жидкость – жидкость» называется процесс извлечения растворенного вещества или веществ из жидкости при помощи специальной другой жидкости, не растворяющейся или почти не растворяющейся в первой, но растворяющей экстрагируемые компоненты.
При этом в системе жидкость – жидкость вещество переходит из одной жидкой фазы в другую жидкую фазу.
Во многих случаях экстракцию применяют в сочетании с ректификацией. Расход теплоты на ректификацию уменьшается, с увеличением концентрации исходного раствора. Предварительное концентрирование раствора экстракцией позволяет сократить расход теплоты на разделение исходной смеси.
Процесс извлечения из твердого тела с помощью растворителя называется выщелачиванием. При этом вещество переходит из твердой фазы в жидкую фазу.
В пищевой промышленности выщелачиванием обрабатывают капиллярно-пористые тела растительного или животного происхождения.
Выщелачивание – основной процесс свеклосахарного производства. Для выщелачивания может использоваться вода, водно-спиртовой раствор. С помощью бензина извлекают растительное масло из подсолнечника и сои.
За выщелачиванием в технологической схеме часто следуют процессы фильтрования, выпаривания и кристаллизации.
При адсорбциипроисходит избирательное поглощение газов, паров или растворенных в жидкостях веществ, твердым поглотителем – адсорбентом, способным поглощать один или несколько компонентов из их смеси.Процесс используется во многих производствах, где из смеси газов, паров или растворенных веществ необходимо извлечь тот или иной компонент. Вещества переходят из газовой или жидкой фазы в твердую фазу.
В пищевой технологии адсорбцию используют для очистки диффузионного сока и сахарных сиропов в сахарном производстве, осветлении пива и фруктовых соков, очистки от органических и других соединений спирта, сиропов в крахмалопаточном производстве и др.
Сушка – это удаление влаги из твердых или жидких влажных материалов путем ее испарения. В этом процессе имеет место переход влаги из твердого влажного материала в паровую или газообразную фазу. Это сложный теплообменный процесс. Скорость его определяется скоростью внутридиффузионного переноса влаги в твердом теле.
В производстве многих пищевых продуктов сушка, как правило, является обязательной операцией и представляет собой достаточно энергоемкую технологическую стадию процесса. От аппаратно-технологического оформления и режима сушки зависит в большой степени качество продукта.
Сушке может предшествовать удаление влаги из материалов другими методами, например отжимом на прессах, центрифугированием. Однако механическим способом может быть удалена только часть свободной воды.
Метод и тип сушилки выбирают на основе комплексного анализа свойств пищевых материалов как объектов сушки.
Требования, предъявляемые к выбору рационального метода сушки и типа сушилки, заключается в достижении самых высоких технико-экономических показателей работы сушилки при получении продукта с заданными свойствами, обеспечении надежности работы, снижении или исключении газовых выбросов в атмосферу.
Виды сушки: конвективная, контактная, диэлектрическая, сублимационная, радиационная, акустическая, инфракрасная, микроволновая.
При кристаллизациииз жидкой фазывыделяется вещество в виде кристаллов. При этом происходит переход вещества из жидкой фазы в твердую фазу в результате возникновения и роста кристаллов в растворе.
В пищевой технологии выделение твердой фазы из растворов или расплавов в виде кристаллического продукта является завершающей стадией технологического процесса получения сахарозы, глюкозы, соли и других кристаллических продуктов.
Производственный технологический процесс кристаллизации состоит из нескольких стадий: кристаллизация, отделение кристаллов от маточных растворов, перекристаллизация (если требуется), промывка и сушка кристаллов.
Десорбция – процесс выделения поглащенного газа из абсорбента, который производят с целью регенерации поглотителя для его повторного использования либо получения ранее уловленного компонента в чистом виде.
Массопередача - процесс перехода вещества (или нескольких веществ) из одной фазы в другую в направлении достижения равновесия.
В массообмене участвуют как минимум три вещества: распределяющее вещество (или вещества), составляющее первую фазу; распределяющее вещество (или вещества), составляющее вторую фазу; распределяемое вещество (или вещества), которое переходит из одной фазы в другую.
В процессах массопередачи следует различать несколько случаев массообмена: между потоком газа или пара и потоком жидкости; между потоками жидкости; между потоками жидкости твердой фазой; между потоками газа или пара и твердой фазой.
Механические процессы