I. Введение

История развития науки о процессах и аппаратах. Подавляющее большинство продуктов питания потребляется людьми в переработанном виде. Многие процессы переработки сложны и базируются на использовании современных достижений науки и техники, что связано с необходимостью привлечения знаний самого высокого научно-технического уровня. Фактически все сколько-нибудь заметные научно-технические достижения в оборонной, физико-технической, химико-технологической, биологической и других отраслях знаний рано или поздно используются в пищевой промышленности. Научные основы пищевой промышленности развиваются вместе с общим развитием научной и технической мысли.

Исторически пищевые производства развивались медленно. Например, сахаристые вещества, получаемые из сахарного тростника, были уже известны в XIII в, до н. э. Их производили, например, в Индии и Китае. В священных писаниях Индии встречается слово «сахкара» для обозначения сладких веществ. От него и происходит слово «сахар». В XII в. до н, э. сахар распространяется в Пер­сидской империи, в 330 г. до н. э. он попадает в Македонию в результате завоевания Персии Александром Македонским. В VI—VII вв. н. э. сахар проникает в Северную Африку и Испанию в результате завоевания их арабами и, наконец, в XI—XIII вв. он распространяется по всей Европе. Этот этап распространения сахара связан с походами крестоносцев против мусульман.

Несмотря на то, что мед славянские народы начали потреблять за 6 тыс. лет до н. э., а сахар известен более 25 веков, кондитерские изделия были редкими и дорогими продуктами. Им приписывались целебные свойства. Изготовление кондитерских изделий было сосредоточено преимущественно в аптеках и на кухнях богатых вельмож. Предметами торговли конфеты, засахаренные фрукты, варенье и другие кондитерские изделия становятся лишь в середине XVII в.

Только в начале XIX в. в России был построен первый завод для выработки свекловичного сахара, что привело к развитию производства кондитерских изделий: кондитерские производства вышли из кухонь и аптек на широкий потребительский рынок. К этому же времени относится открытие способа производства патоки и глюкозы из крахмала и сооружение первых паточных заводов.

Один из основных разделов науки о процессах пищевых производств — гидравлика. Изучение каждого процесса переработки жидких и газообразных продуктов не обходится без использования законов гидравлики. И хотя эта наука уже давно выделилась в самостоятельную дисциплину, ее прикладные вопросы включены в данный курс как отдельный раздел, направленный на объяснение гидравлических составляющих сложных процессов, протекающих в машинах и аппаратах пищевых производств.

Гидравлика — одна из самых древних наук. Вначале она развивалась по запросам основных видов деятельности человечества: водоснабжения, кораблестроения, создания гидравлических машин и др.

Первым научным трудом в области гидравлики считается трактат Архимеда (287—212гг. до н.э.) «О плавающих телах», который относят к 250 г. до н. э. В нем изложен открытый им закон. Архимед сделал ряд выдающихся открытий. Среди них — водоподъемная машина в виде архимедова винта, применяемая до наших дней.

Сведения о некоторых законах гидравлики были, видимо, известны и ранее, так как задолго до Архимеда строились оросительные каналы и водопроводы в форме желобов (акведуки). В Римской империи насчитывалось 14 акведуков. Самый древний из них построен в 312г. до н.э. Он имел длину 16,5 км. Самый протяженный акведук имел длину 132 км. Он был построен в г. Карфагене (северо-восточнее современного Туниса) в 76— 138 гг. Одним из самых древних можно считать акведук в Ассирийском царстве Ниневия на территории современного Ирака, построенный в 691 г. до н. э.

В древних Египте, Индии, Китае были построены каналы и водохранилища грандиозных по тем временам размеров. Так, глубина некоторых водохранилищ в Индии достигала 15 м. В Китае в XIII в. н. э. построен Великий канал длиной около 1800 км, который соединял приустьевые участки крупных рек страны. Этот канал реконструирован на месте более старого, проложенного в I веке до н. э. В Риме 2300 лет назад сооружен первый водопровод. В Алжире водопроводы и акведуки строились римлянами в период с I века до н. э. до V века н. э. таким образом, чтобы использовалась энергия падения воды на одном участке акведука для подъема ее на другом.

Создание гидравлики как теоретической науки связано с Российской академией наук и ее двумя академиками — Л. Эйлером (1707-1783) и Д. Бернулли (1700-1782). Эйлером составлена основная система уравнений движения иде­альной жидкости. Его теория лопаточных гидравлических машин основана на признании эквивалентности различных форм механической энергии жидкости — статической и динамической. Возможности этой теории были оценены лишь спустя 100 лет, когда в 1835 г. инженер А. А. Саблуков создал центробежный насос.

С именем Д. Бернулли связано основное уравнение гидродинамики—уравнение сохранения механических форм энергии жидкости. Оно используется в большинстве гидродинамических задач.

Велики заслуги и других ученых: А. Шези (1718—1798), изучавшего равномерное движение жидкости; Д. Вентури (1746—1822), исследовавшего истечение жидкости через отверстия и насадки; Ю. Вейсбаха (1806—1871), известного работами в области сопротивления движению жидкости; О. Рейнольдса (1842—1912), внесшего большой вклад в изучение режимов движения жидкостей. Д. И. Менделеев (1834—1907) в своей работе «О сопротивлении жидкости и воздухоплавании» в 1880 г. сделал важные выводы о наличии ламинарного и турбулентного режимов ее движения.

Н.Е.Жуковский (1847—1921) создал теорию гидравлического удара в водопроводных трубах. Благодаря этому труду Москва навсегда освободилась от разрывов трубопроводов вследствие гидравлических ударов, от которых ранее постоянно страдала. Он создал также теорию движения наносов в реках и разработал основополагающие предложения в области фильтрации, стал основоположником современной гидроаэродинамики.

В 1791 г. в Петербурге А. Колмаков издал книгу «Карманная книжка для вычисления количества воды, протекающей через трубы, отверстия», которая служила первым справочником по гидравлике. Первое в России учебное пособие по гидравлике выпущено в 1836 г. П. П. Мельниковым под на_г званием «Основания практической гидравлики, или о движении воды в различных случаях». В 1904 г. профессором И. Н. Куколевским опубликована разработанная им теория подобия гидродинамических насосов.

В развитие отечественного гидромашиностроения большой вклад внесли профессора Т. М. Башта, С. С. Руднев, В. Н. Прокофьев, Ю. Е. Захаров, Е. В. Герц, А. И. Кудрявцев и др. Их усилиями созданы типовые схемы малогабаритных высокоэффективных и надежных гидро- и пневмоприводов для самых различных областей машиностроения: станочного, энергетического, сельскохозяйственного, дорожных и строительных машин и др.

Идея общности ряда основных процессов и аппаратов, применяемых в различных химических производствах, в России была высказана профессором Ф. А. Денисовым. В 1828 г. он опубликовал труд «Пространное руководство к общей технологии или к познанию всех работ, средств, орудий и машин, употребляемых в различных химических искусствах». В этом труде основные процессы пищевых производств раскрываются с общих научных позиций, а не с точки зрения применения в сахарном или пивоваренном производстве. Преимущество такого обобщенного подхода к изучению процессов состоит в том, что на основе использования знаков базисных дисциплин (механика, гидродинамика, термодинамика, физика, математика и др.) изучаются общие закономерности протекания процессов независимо от того, в каком производстве этот процесс используют.

Идея обобщенного изучения процессов и аппаратов была поддержана Д.И.Менделеевым, который в 1897г. 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 вводит приблизительно в это же время новую учебную дисциплину по расчету и проектированию основных процессов и аппаратов в Петербургском

технологическом институте. В 1909 г. он изложил в своем труде «Начальные главы учения о проектировании по химической технологии» основополагающие идеи науки о процессах и аппаратах. Эта книга была, по существу, одной из первых попыток обобщения теории основных физических и физико-химических процессов вне зависимости от отрасли промышленности. В США аналогичный труд Уоркера, Льюиса и Мак-Адамса «Принципы науки о процессах и аппаратах» вышел в 1923 г. Одновременно с А. К. Крупским курс по процессам и аппаратам начинает преподавать профессор И. А. Тищенко в Московском высшем техническом училище. Он был крупным специалистом по выпариванию. В 1911г. И. А. Тищенко публикует книгу «Теория расчета многокорпусных выпарных аппаратов», в 1913 г. издает курс лекций «Основные процессы и аппараты химической технологии». Из зарубежных ученых, внесших вклад в становление этой науки, следует отметить американцев В. Бэдже-ра и В. Мак-Кеба, выпустивших в 1931 г. монографию «Основные процессы и аппараты химических производств». ' Всестороннее развитие наука о процессах и аппаратах получила в трудах А. Г. Касаткина, В. В. Кафарова, А. Н. Пла-новского, Н. И. Гельперина, П. Г. Романкова, Ю. Л. Дытнерского, В. Н. Стабникова, А. С. Гинзбурга, Г. Д. Кавецкого, С. М. Гребенюка и др.

Предмет курса. Пищевая промышленность включает много различных по назначению производств: крахмалопаточное, бродильное, хлебопекарное, производство сахара, мучных кондитерских и макаронных изделий и т. д. К пищевой промышленности относится также производство напитков, различных добавок, табачных изделий, мыла и моющих Средств на жировой основе, производство парфюмерной и косметической продукции.

Однако при всем разнообразии технологических процессов в пищевой промышленности многие из них являются общими для различных производств. В любом пищевом производстве встречается перемешивание. Его цель — обеспечить хороший контакт между различными веществами и таким образом интенсифицировать процесс либо растворения, либо химической реакции, либо поглощения одного вещества другим, либо теплообмена и т. д. Во многих производствах (сахарном, кондитерском, консервном и др.) применяют выпаривание для повышения концентрации сухих веществ в растворе, например для обеспечения кристаллизации сахара, глюкозы и фруктозы. При хранении и переработке зерна, в консервном, макаронном, сахарном, кондитерском и во многих других производствах используют сушку.

Таким образом, процессы пищевых производств могут быть разделены на общие и специфические. Приоритет в изучении курса отдается процессам, имеющим общий характер и применимым в нескольких производствах.

Процессы и аппараты, как в пищевых производствах, так и в химической технологии не имеют принципиальных различий. В них используются одни и те же фундаментальные законы и методы расчета оборудования. Тем не менее специфика, связанная с пищевыми производствами, находит естественное отражение в изложении курса, в методиках расчета ряда процессов и аппаратов, в конструкциях аппаратов и машин.

Под термином процесс, который произошел от латинского слова processus (продвижение), в изучаемом курсе понимают производственный процесс, когда исходные материалы в результате физического, химического, механического и других воздействий превращаются в пищевые продукты. Эти превращения сопровождаются изменением агрегатного состояния, внутренней структуры и химического состава вещества.

Процессы протекают в технологических аппаратах (от латинского слова apparatus — прибор, оборудование) или в машинах. Чаще всего аппарат представляет собой емкость, в которой неподвижно располагаются различные трубы, решетки, полки, кольца, тарелки, сепараторы для отделения капелек жидкости и т. д. Иногда в аппаратах монтируют вращающиеся механизмы для перемешивания жидких сред. В отличие от них машина — это механизм с внешним приводом, совершающий рабочими органами те же самые операции, которые выполняет человек подобными орудиями труда для совершения подобной работы.

Курсом «Процессы и аппараты пищевых производств» рассматриваются следующие основные вопросы.

1. Изучение теории основных процессов пищевых производств и движущих сил, под действием которых они протекают.

2. Изучение методов расчета аппаратов и машин. Теоретические расчеты позволяют анализировать конкретный процесс, находить его оптимальные параметры и оптимальную конструкцию аппаратов для осуществления процесса.

3. Ознакомление с устройством и принципом действия различных промышленных аппаратов, в которых осуществляются технологические процессы. Это одна из основных задач курса «Процессы и аппараты пищевых производств». Студент должен научиться грамотно, изображать принципиальные схемы аппаратов, знать сравнительные характеристики и области рационального применения типовых аппаратов, принципы выбора аппаратов и оптимальных условий их работы, ориентироваться в современных тенденциях при конструировании аппаратов.

4. Изучение закономерностей перехода от лабораторных процессов к промышленным. Знание закономерностей Переноса полученных на модели данных на объект натурной величины необходимо для проектирования большинства современных производственных процессов пищевой технологии.

Овладение данной дисциплиной позволит осуществлять в производственных условиях наилучшие технологические режимы, повышать производительность аппаратуры и улучшать качество продукции; даст возможность разрабатывать более рациональные технологические схемы и типы аппаратов при проектировании новых производств, правильно оценить результаты научных исследований в лабораторных условиях и реализовать их на практике.