Кинетические закономерности технологических процессов.

Условия законы равновесия технологических систем. Физико-химическая кинетика.

Цель работы: изучить к инетични закономерности технологических процессов, условия и законы равновесия технологических систем, научиться принципам наилучшего использования сырья ,сокращение длительности процесса, принципам целесообразного использования энергии, уменьшение энергоемкости отдельных пищевых производств.

 Задача: изучить к инетични закономерности технологических процессов, условия и законы равновесия технологических систем, научиться принципам наилучшего использования сырья ,сокращение длительности процесса, принципам целесообразного использования энергии, уменьшение энергоемкости отдельных пищевых производств.

 

 

  1. Кинетические закономерности технологических процессов. Условия законы равновесия технологических систем. Физико-химическая кинетика.

 

Условия законы равновесия технологических систем.

Каждая технологическая операция является системой типовых процессов (физических, химических, биологических и др.)., В ходе которых сырье или промежуточный продукт постепенно меняет свои характеристики. В то же время каждый из этих типовых процессов можно рассматривать как совокупность (систему) взаимно действующих объектов (твердых тел, жидкостей, газов ). Например, операция мойки сырья в моечной машине является системой таких взаимодействий:

♦       взаимодействие сырья с рабочими органами и стенками машины;

♦       взаимодействие отдельных частей сырья между собой;

♦       взаимодействие сырья с водой (или другим моющим агентом);

♦       взаимодействие воды с рабочими органами и стенками машины.

В более сложных операциях таких взаимодействий может быть гораздо больше. В зависимости от природы явлений, происходящих при взаимодействии различают:

♦       физические системы взаимодействующих тел, когда происходят чисто физические изменения;

♦       химические системы, когда взаимодействия определяются химическими закономерностями;

♦       физико-химические системы;

♦       биологические (в том числе микробиологические) системы;

♦       биохимические системы.

Согласно требованиям второго закона термодинамики любая система взаимодействующих объектов стремится достичь такого состояния, когда запас ее внутренней энергии является минимальным, а энтропия максимальна. Таким положением для взаимодействующих систем являетсясостояние равно веса, при котором воздействие одних факторов компенсируется действием других. Для технологических систем, как совокупности операций, состояние равновесия устанавливается, когда входящие потоки сырья, поступающего на переработку, уравновешиваются выходными потоками готовой продукции и потоками потерь сырья и промежуточного продукта.Равновесное состояние присущ как отдельным операциям, стадиям, так и всему технологическому процессу в целом. Равновесие систем или их частей является динамическим состоянием, т.е. она может устанавливаться только при определенных условиях. При изменении условий равновесие нарушается, а система меняет свое состояние тех пор, пока вновь не установится равновесие, но уже в новых, изменившихся условиях существования системы. Для большинства физических, химических и других систем взаимодействия возможность и условия равновесного состояния определяются законом равновесия (правилом фаз Гиббса), который описывается следующим уравнением:

А + п-Ф,                                          (6)

где  число степеней свободы системы (минимальное количество факторов, которые можно изменять независимо друг от друга без нарушения системы);

 число независимых элементов системы;

п — количество внешних факторов, влияющих на состояние равновесия системы;

Ф — число фаз в системе.

Системам, в которых может устанавливаться состояние равновесия {равновесные системы),присущи общие закономерности, среди которых для технологии имеют важное значение следующие:

1.             Поведение равновесной системы определяется ее запасом внутренней энергии, который измеряется потенциалом и движущей силой системы. Под потенциалом понимается расстояние (отдаленность) системы в определенный момент времени от ее равновесного состояния. Движущей силой является разность потенциалов системы в начальном (или промежуточном) и равновесном состоянии.

Чем дальше удаленная система от состояния равновесия в начале процесса, тем больше ее потенциал и движущая сила, тем с большей скоростью система движется к равновесному состоянию. Эта закономерность широко используется в технологии.

2.           Система, которая находится в состоянии равновесия, сама, без внешнего вмешательства, не может изменить это состояние и будет находиться в нем сколь угодно долго.

3.           Чтобы вывести систему из состояния равновесия, необходимо повлиять на нее извне путем изменения параметров системы (температуры, давления, концентрации и т.п.).

Поскольку состояние равновесия динамической, в равновесной системе могут происходить два противоположных по направлению процессы. Один, направленный на достижение состояния равновесия, называют прямым , а второй — направлен на изменение равновесного состояния, —обратным . Какой из этих процессов будет преобладать в опре ный момент времени, определяется потенциалом системы. Процессы, которые могут протекать в обоих направлениях получили названиеобратных, а те, что не такого свойства — необратимыми .

Большинство физических процессов, имеющих место в пищевых технологиях (измельчение, осаждение, фильтрование, прессование, соление, копчение, сушка и др.), практически необратимыми том, что при их проведении создают такие условия (потенциал), при которых они могут двигаться только в одном направлении. Однако некоторые процессы даже при жестких технологических режимах не проходят до конца. Например, процессы кристаллизации, экстракции, конденсации, абсорбции являются обратимыми. Это является причиной существенных потерь или снижения выхода конечного продукта в некоторых пищевых технологиях. Также обратными являются большинство химических процессов, поэтому задачей технолога является поиск и реализация таких режимов проведения процесса, которые позволяли бы сделать его максимально экономичным и эффективным.

Все обратные физические и химико-технологические процессы имеют место при низком потенциале системы, т.е. вблизи состояния равновесия, при котором скорости течения прямого и обратного процессов уравниваются, поэтому главным технологическим средством ускорения этих процессов является повышение потенциала и движущей силы. Выбор параметров для влияния на ход технологического процесса в равновесных гомо-и гетерогенных системах осуществляется на основе принципа, который впервые был сформулирован выдающимся французским ученым Л -Шательедля химических реакций. Согласно технологических систем он формулируется так: » В системе, выведенной из состояния равновесия влиянием внешнего фактора, происходят изменения, направленные на ослабление действия этого фактора ». Этот принцип является проявлением закона инерции второго закона термодинамики.

Для иллюстрации возможностей его применения для управления ходом процесса в равновесной системе рассмотрим пример модельной экзотермической реакции синтеза продукта Zиз исходных веществ Xи В, которая происходит в газовой фазе:

   к 1

тХ + ПУ ↔ р Q

                                               к 2

где — тепловой эффект процесса;

т, п, р — стехиометрические коэффициенты;

1 , к 2 — константы скоростей соответственно прямой и обратной реакций.

Известно, что основными факторами влияния на химические процессы температура и концентрация реагентов, а для реакций с участием газов, еще и давление. Исходя из этого, для увеличения выхода конечного продукта реакции Zнеобходимо, или:

♦       снизить температуру в зоне реакции;

♦       увеличить концентрацию одного или обоих исходных веществ;

♦       уменьшить концентрацию продукта реакции, выводя его из зоны реакции;

♦       повысить давление в зоне реакции.

 

Экономическая эффективность пищевых производств значительной степени зависит от скорости протекания технологических о процессов. Наука, которая изучает механизм и скорость изменения характе ристик процесса, называется кинетикой. В ее основе лежат за закономерности, обусловливающие скорость процессов. Знание этих кинетических закономерностей необходимо для расчета параметров единичных технологических процессов и аппаратов, в которых они происходят.

Теоретическими и практическими исследованиями большого количества разнообразных процессов было установлено общий кинетический закон: скорость процесса прямо пропорциональна попотенциала и обратно пропорциональна сопротивлению системы. Исходя из этого определения, общее кинетическое уравнение можно записать ты в таком виде:

І = Х / , постановочные  І = Х * 1 ,                         

где — скорость процесса; — потенциал системы;

 О пір системи;

Величину 1 Rможно заменить обратной к ней величиной проводимости — И тогда уравнение получит вид:

І = Х.                                 

Имея данные о потенциале системы, или его движущую силу, на основании этого общего кинетического уравнения можно получить расчетные уравнения для любого технологического процесса.Напомним, что под потенциалом системы понимают степень отклонения системы от равновесного состояния, а движущей силой процесса — разность потенциалов в различных состояниях системы. их определяют через градиенты температуры, давления, концентрации. Проводимость ( ) системы называют коэффициентом скорости процесса, или кинетическим коэффициентом. Под кинетическим коэффициентом понимают скорость процесса, потенциал которого равен единице.Это коэффициенты теплоотдачи, теплопроводности, константы скорости реакции и другие. Они являются производными от многих факторов: природы явлений, условий проведения процесса (режимов), от свойств участников процесса и т.д.., То есть переменными.

Если испытуемый конкретный процесс достаточно изучен и его можно описать дифференциальным уравнением или системой таких уравнений, то характеристики процесса находят аналитическими методами — методами математического моделирования процесса. С помощью современных ЭВМ системы дифференциальных уравнений могут быть вычислены. К сожалению, для многих технологических процессов пищевых производств эти методы не могут быть использованы из-за того, что процессы очень сложной природы и не могут быть точно описаны дифференциальными уравнениями. Поэтому для расчета параметров этих процессов используют критериальные уравнения, в которых большое количество переменных дифференциального уравнения заменяют ограниченным количеством безразмерных комплексов переменных (критериев). Такие уравнения значительно проще для исчисления и поэтому широко используются.

Критериальное уравнение для конкретного сложного процесса может быть составлен двумя путями: либо на основании теории подобия из системы дифференциальных уравнений, которые не имеют аналитического решения, либо на основании я — теоремы методом анализа размерностей.Первый путь используется для расчетов известных процессов, а второй — в случае новых или мало изученных процессов.

После составления критериального уравнения с их помощью определяют подобные условия однозначности процесса и создают физическую модель — упрощенную подобие реального процесса.На модели выполняется серия опытов, целью которых является нахождение числовых значений кинетических коэффициентов. Такой способ их вычисления получил название физического моделирования, поскольку при нем используются физические модели. Полученные с помощью критериальных уравнений параметры в дальнейшем используют для проектирования реального процесса или аппарата. Эти расчеты являются задачей учебной дисциплины «Процессы и аппараты пищевых производств».

 Физико-химическая кинетика

Кинетические закономерности широко применяются при изучении физических, физико-химических, химических, биологических и других явлений, имеющих место в пищевых технологиях. В зависимости от природы явлений различают физическую, физико-химическую, химическую и биологическую кинетику. Поскольку в сложных по химическому составу объектах, которыми являются пищевое сырье, во время переработки или хранения очень трудно отделить физические и физико-химические процессы, то их кинетические закономерности изучает физико-химическая кинетика.Следовательно, ее предметом являются закономерности таких распространенных в технологии процессов, как измельчение, разделение, нагрева, охлаждения, дистилляция, кристаллизация, растворение, перемешивание, сушка и т.п.. Для многих из них кинетические закономерности известны как классические законы физики. Например, для целого класса теплообменных процессов скорость переноса теплоты описывается законом Фурье «являются:

 

«Количество тепла, которое переносится в определенной среде, прямо пропорциональна произведению градиента температуры на продолжительность процесса».

Математическим выражением этого закона является уравнение:

 λ DT DX τ  ,

где Q  — количество теплоты

λ   — коэффициент теплопроводности;

DT DX   — градієнт температури;

 τ     длительность процесса.

Для класса массообменных (молекулярно диффузионных) процессов скорость переноса вещества характеризуется законами Фика, первый из которых описывается уравнением:

 DC DX τ  

где    — количество вещества;

   — коэффициент диффузии;

 DC DX  градієнт концентрації.

Подобный математическое выражение имеют другие кинетические законы физики: для фильтрационного переноса вещества — закон Дарси; для переноса количества движения — закон Ньютона; для скорости развития деформации твердых тел — закон Гука; для переноса электрических зарядов — закон Ома и другие. Нетрудно заметить, что эти законы являются проявлениями действия общего кинетического закона. В приведенных выше уравнениях коэффициенты λ   и являются кинетическими коэффициентами, характеризующими природу явления и участников процесса, а произведение градиентов на длительность процесса есть не что иное, как потенциал процесса.

Несмотря на ясный физический смысл и простоту уравнений, они не могут быть использованы для технологических расчетов том, характеризующие «мгновенный» состояние процесса, т.е. состояние системы в определенный момент времени, в определенной точке среды. А потому для характеристики процесса в целом надо интегрировать эти уравнения, задавая численные значения условий однозначности параметров, которые постоянно меняются, поскольку процесс нестационарный, что практически невозможно.

Более того, в технологических объектах при переработке одновременно происходят несколько сложных процессов, которые взаимно влияют друг на друга. Например, во время сушки сырья (плоды, овощи, зерно, м ‘ мясо и т.д.). в ней имеют место и процессы переноса теплоты и переноса вещества (влаги). Оба процесса влияют на ход смежного поэтому это влияние необходимо учитывать.

Теоретически этот взаимное влияние смежных процессов определяется теоремой Онзагера,согласно которой «если и-и процесс испытывает влияние смежного процесса с потенциалом Х к , то и процесс испытывает воздействие процесса и с потенциалом и «. Исходя из этой теоремы, кинетические уравнения для обоих процессов будут иметь такой вид:

для і-го процесу я я = І Х І + ік Х К ;                           

для к -го процесу я к = L к Х к + к і Х і                              

де я я , І к— Скорость процессов и и к ;

 Х я Х К — потенціали процесів і та К;

я , к — кінетичні коефіцієнти процесів і та К;

ик , к і— Кинетические коэффициенты взаимного влияния процессов («взаимные» коэффициенты).

 

2.             Принципы наилучшего использования сырья, принципах сокращения длительности процесса, принципы целесообразного использования энергии, уменьшение энергоемкости отдельных пищевых производств.

Помимо решения главной задачи технологии — максимального производства продукции заданного назначения и качества при минимальных затратах, при организации пищевых производств необходимо выполнять также ряд обязательных ограничений, а именно: безопасность продукции для потребителя, безопасность производства для окружающей среды и работающих на нем, общественная целесообразность и экономическая эффективность, т.е. получение для производителя максимальной прибыли. Чаще всего об оптимальности варианта технического и технологического решения процесса делают вывод из размера интегрального показателя эффективности производства — себестоимости единицы продукции. Особенностью большинства пищевых производств является то, что основной, иногда доминирующей, составляющей (до 60-80%) себестоимости продукции является стоимость сырья. Поэтому естественно, что ее эффективное использование является крайне важным в пищевой технологии.

Рациональное использование сырья и материалов пищевого производства зависит от многих факторов, в первую очередь, от их соответствия цели производства, от их качества и безопасности, от степени переработки, от состояния технологического оборудования, уровня технологии и другие.Соответствие сырья цели производства означает его пригодность для эффективной переработки в определенные (причиненные) виды продукции определенного назначения и уровня качества.Например, если задачей консервного производства является изготовление маринованных томатов, то в сырьевых решающими требованиями будут однородность томатов с размером, формой, окраской, степенью зрелости. Если производственным заданием предусмотрен выпуск томатной пасты или пюре, то решающими показателями становятся уже не размер и форма, а содержание сухих веществ, количество семян и степень зрелости. При несоблюдении этих требований выход готовой продукции будет уменьшаться, а себестоимость расти. Поэтому при формировании производственных планов и выборе номенклатуры необходимо обязательно исходить из наличия подходящей для этого сырья, а при ограниченности выбора номенклатуры — формировать сырьевую базу именно под заданную номенклатуру.

Чрезвычайно влиятельным фактором на эффективность использования является качество и безопасность продовольственного сырья. От них напрямую зависят качество, безопасность и себестоимость готовой продукции. Основными критериями качества и безопасности пищевого сырья являются: содержание полезных компонентов, наличие посторонних, в том числе и вредных, примесей, наличие дефектов, повреждений, болезней, ведущих к снижению качества продукции, увеличение отходов и потерь сырья.

Содержание полезных компонентов (или компонента) в сырье определяет ее затраты на единицу продукции. Чем выше этот показатель, тем более приемлема сырье, больше выход готовой продукции и меньше затраты сырья. Так, например, при переработке крупного рогатого скота высшей категории упитанности выход мяса и жира достигает 60-65% от живой массы, а от худых — только 40-45%. На производство 1 т 30% томатной пасты расходуется 5,5 т томатов с содержанием сухих веществ 8%, а при использовании плодов с 4% сухих веществ — 11 т. Таким образом, несоответствие сырья технологическим требованиям увеличивает его затраты, а это, в свою очередь, снижает производительность производства (по готовому продукту), приводит к увеличению расходов энергоресурсов, труда, времени, увеличению нагрузки на технологическое оборудование и в конечном итоге — к снижению экономической эффективности производства.

Существенной характеристикой качества продовольственного сырья является наличие и характер посторонних примесей: земли, песка, органических (ботва, солома, листья и др.)., Металлических, сырья других видов подобное. На качество сырья также влияет наличие и количество нестандартной (некондиционной) сырья. К такой относится сырье не соответствует требованиям по форме, размеру, окраске, а также сырье с механическими повреждениями, пораженная вредителями или болезнями.Такое сырье требует сортировки, дополнительной обработки, она неустойчива в хранении, поэтому увеличиваются ее потери и увеличивается количество отходов. Все это негативно влияет на организацию и эффективность производства.

При изготовлении некоторых пищевых продуктов с особыми требованиями по вкусу, аромату, содержанию биологически активных веществ и др. требования к сырью касаются не только ее химического состава (содержание сахаров, кислот, незаменимых факторов, БАР), однородности и кондиционности, но и ее способности сохранять свои показатели течение определенного времени, наличия вредных загрязнений, степени зараженности микроорганизмами. Так, при производстве продуктов для детского и диетического питания, лечебного и специального назначения, натуральных вин, плодовых и овощных соков, некоторых натуральных консервов и молочных продуктов требования к сырью более жесткие и четко определены.

Рациональное использование сырья означает также ее комплексную глубокую переработку, под которой понимается наиболее полное, безотходное использование всех потенциальных возможностей сырья. Для пищевых производств это важная проблема. Так, только в консервной промышленности при переработке плодов и овощей отходы составляют ежегодно около 700-800 тыс. т, что создает не только производственные, но и экологические проблемы. К ним относятся выжимки из плодов, овощей и ягод, семян косточки, кисти, шкурки, кочерыгу, ботва, плодоножки. Но эти отходы содержат значительное количество питательных и других ценных веществ и могут быть эффективно переработаны на нужную продукцию. Например, при производстве соков из яблок отходы в виде выжимок составляют 20-40%. В основном эти отходы вывозят на свалки, в лучшем случае используют на кормовые цели. Однако их можно перерабатывать для получения пектина, яблочно-пектиновой пасты, сухих фруктовых порошков, натуральных ароматизаторов и других продуктов, которые наша пищевая промышленность вынуждена импортировать из-за рубежа. Аналогичным примером могут служить отходы томатного производства в виде кожицы и семян. Из этих отходов производят высококачественное масло, пищевые растительные белки, красители и кормовую муку. Подобное положение с отходами наблюдается и в других отраслях АПК.

Внедрение в пищевых производствах глубокой комплексной переработки сырья на основе безотходных технологий позволит значительно расширить ассортимент продукции, снизить затраты сырья, частично решить экологические проблемы производства, а в конечном счете повысить экономическую эффективность работы предприятий.

Наиболее распространенным способом оценки рациональности использования сырья являетсясоставления материального баланса технологических операций и продуктовых расчетов движения сырья по операциям технологического процесса. При составлении материального баланса операций учитывают все компоненты

состава и их теоретически возможен выход на всех технологических операциях [21]. Продуктовые расчеты позволяют учитывать все возможные отклонения выхода продукта от теоретического, вызываемой действием термодинамических, кинетических и других факторов технологического процесса.

Основой продуктовых расчетов является уравнение материального баланса, отражающее закон сохранения массы. Согласно этому закону масса сырья, которое поступает на переработку, равна массе исходных продуктов, отходов и потерь в производстве.

С целью повышения эффективности использования сырья перед технологической наукой и практикой стоит задача четкого определения технологических требований к сырью: ее химического состава, физических и потребительских свойств, устойчивости к факторам транспортировки, хранения и переработки. Это даст возможность направить селекционную работу на создание новых, более эффективных ее видов и сортов, на поиск заменителей импортной и дорогого сырья, на разработку технологий использования местных, нетрадиционных и малоценной сырья.

Принцип рационального использования энергоресурсов и оборудование

Пищевые производства относятся к энергозатратных. В качестве энергоресурсов чаще всего используются горячая водяной пар, горячая вода, электричество, газ, твердое и жидкое топливо.Горячий пар и вода являются основными теплоносителями в технологических процессах нагрева, пастеризации, стерилизации, уваривания, выпаривания, дистилляции, сушки и других. Электрическая энергия используется в приводах технологических машин и механизмов, в транспортных устройствах, в холодильных установках, сушилках и т.п.. При выпечке, обжарке, копчении, сушке применяют природный газ, твердое и жидкое топливо или топочные газы, образующиеся при их сжигании в термоагрегатах. Горячая вода и пар широко применяются для мытья и стерилизации тары, оборудования, для санитарной обработки технологического оборудования, производственных помещений.

Доля стоимости энергоресурсов в себестоимости единицы пищевой продукции может достигать 20-25%. Так, при производстве одной тонны мяса расходуется 50-80 кВт часов электроэнергии и 20-35 тонн пара, а на одну тысячу условных банок консервов соответственно — 7-34 кВт-часов и 160-1090 тонн пара. В связи с этим крупные перерабатывающие предприятия имеют собственные источники энергоснабжения (котельные, электрические подстанции).

Как и в случае с сырьем, основным способом оценки рациональности использования энергоресурсов является составление энергетического баланса. Так, согласно закону сохранения энергии, сумма всех видов энергии в замкнутой системе является постоянной.

В пищевых производствах преобладающим видом энергии является тепловая, поэтому чаще всего состоит тепловой баланс.

Если при проведении технологического процесса используются различные виды энергии (тепловая, электрическая), то применяются соответствующие коэффициенты для перевода других видов энергии в тепловую. Надо отметить, что составление теплового баланса требует точных количественных оценок параметров тепловых потоков, тепловых эффектов физических и химических процессов, теплофизических характеристик сырья, готовых и промежуточных продуктов, конструкционных материалов и энергетических потерь. Такие характеристики зависят от многих факторов, а потому не являются постоянными. Поэтому, как правило, используют их ориентировочные значения, которые устанавливают эмпирически на физических моделях или реальных объектах.

Для характеристики рациональности использования энергии именно на технологические нужды иногда рассчитывают коэффициент полезного расходования энергии в отдельных операциях, стадиях или технологическом процессе в целом. Он отражает отношение затрат энергии на проведение технологической операции (стадии, процесса) к общим расходам.

Чтобы повысить КПД и добиться экономии материальных и энергоресурсов, в пищевых производствах внедряются прогрессивные ресурсо-и энергосберегающие технологии и оборудование, разработанные отечественной и мировой технологической наукой. Необходимо подчеркнуть, что на отечественных производствах смена технологий и оборудования происходит крайне медленно.Значительная часть технологий и технологического оборудования устаревшие, не отвечающие современным требованиям. Следствием этого являются затраты энергоресурсов на единицу продукции в несколько раз больше, чем при использовании прогрессивных технологий и оборудования.

Целью принципа рационального использования технологического оборудования относится увеличение выхода продукции с единицы площади или объема рабочей зоны аппарата (агрегата), т.е. увеличение степени использования, загрузки машины. Реализация этого принципа позволяет уменьшить количество единиц оборудования при постоянном объеме выпуска продукции. Тем самым уменьшается амортизационная часть себестоимости. Или, наоборот, при одной и той же численности парка оборудования можно увеличить выпуск продукции, себестоимость которой будет снижаться.

Один из самых распространенных мер рационального использования энергоресурсов и оборудования — организация движения технологических потоков по противоточных или перекрестными схемами, когда входной поток сырья или промежуточного продукта к агрегату подогревается теплом исходящего потока, температуру которого необходимо снизить. Такие схемы широко применяются в конструкциях проточных подогревателей, пастеризаторов, сушилок, ректификационных колонн и т.п..Вторым эффективным способом экономии тепловой энергии является использование вторичных теплоносителей в виде соковой пары, конденсата или других отработанных теплоагентив на тех технологических операциях, на которых их температура еще достаточно. По этому принципу работают многокорпусные вакуум-выпарные установки при производстве концентрированных томатопродуктов.

Существенным фактором рационального использования энергоресурсов и оборудование также строгое соблюдение технологического режима для предотвращения «холостой» работы агрегатов или, наоборот, задержки сырья или промежуточного продукта в агрегате больше нужного времени, для исключения несогласованности параметров исходящих и входящих потоков, приводящих к нарушению стабильности процесса , необходимости операции хранения. В технологических процессах, которые построены по периодической схеме, стабильность процесса достигается либо подбором оборудования с одинаковой производительностью и продолжительностью рабочего цикла (что маловероятно при большом количестве единиц оборудования), или созданием параллельных участков, на которых одна и та же операция выполняется поочередно в разных машинах (участок стерилизации в консервном производстве), либо введением в процесс операции хранения (межоперационные накопители). С внедрением в пищевых производствах оборудование с программным автоматическим управлением достижения стабильности периодического процесса становится возможным и экономически целесообразным. В непрерывных или комбинированных процессах стабильность достигается благодаря четкой согласованности параметров потоков между операциями или использованием операции хранения.

Важным мероприятием для экономии энергии на производстве является уменьшение ее потерь в окружающую среду путем тщательной изоляции паро-и водопроводов, зоны нагрева термоагрегата, теплоизоляции производственных помещений и т.д.

К сверхнормативных расходов энергоресурсов и неэффективного использования оборудования может привести применение некачественной или некондиционного сырья, периодического режима работы оборудования, устаревших технологий и технологического оборудования. Исходя из требований принципов рационального использования энергии и оборудования, вытекают основные задачи проектировщиков технологических процессов и конструкторов технологического оборудования: обеспечение стабильности работы агрегатов и всего процесса в целом, внедрение ресурсо-и энергосберегающих технологий, достижения оптимальной производительности каждого агрегата, максимальная автоматизация управления процессом, безопасные условия работы, низкая стоимость и материалоемкость оборудования, его ремонтопригодность и надежность в работе, легкость в управлении и изменении режимов работы (перепрограммировании).

Принцип интенсификации технологических процессов

Во интенсификацией технологического процесса понимается увеличение скорости его протекания следствием чего является рост производительности за единицу времени. Согласно общему кинетическим законом этого можно достичь увеличением потенциала процесса, увеличением кинетического коэффициента или одновременным увеличением обоих факторов. В практике пищевых производств используются отдельные или все эти способы интенсификации в зависимости от особенностей конкретного процесса.

При использовании в качестве фактора интенсификации потенциала процесса необходимо иметь в виду, что поведение равновесной системы определяется не только значением потенциала, но и значением движущей силы — удаленностью системы от состояния равновесия:

Исходя из уравнения, увеличить движущую силу можно тремя путями: увеличением текущего потенциала   Х т , снижением потенциала равновесия Х г или одновременным изменением обоих потенциалов. На практике чаще используется способ, который заключается в максимально возможном увеличении первоначального потенциала (Х 0 ) при т = 0-Это достигается за счет увеличения градиентов переноса — градиенту температуры, давления, концентрации, напряжения тока или иной переносим субстанции.

Согласно молекулярно-кинетической теорией взаимодействия повышение температуры в зоне реакции приводит к увеличению скорости движения молекул (ионов, атомов), из-за чего возрастает вероятность их столкновения и взаимодействия. Кроме того, повышение температуры увеличивает внутреннюю энергию взаимодействующих частиц, а это увеличивает количество эффективных контактов между ними. По правилу Аррениуса — Банг-Гоффа повышение температуры в зоне реакции на 10 ° С увеличивает скорость реакции в 2-4 раза. Таким образом, влияние повышения температуры на скорость процесса имеет комплексный характер. Оно влияет как на потенциал, так и на кинетический коэффициент. Проявлением последнего является рост коэффициентов диффузии, тепло-и массообмена и др..

Путем повышения температуры интенсифицируют процессы термической сушки, уваривания, выпаривание, растворение, десорбция и других. Для этого повышают температуру в рабочей зоне или предварительным нагревом продуктов или подогревом рабочей зоны с помощью барботирования горячего пара, змеевиков или обогревательных кожухов. В случае обратных процессов — конденсации, кристаллизации, абсорбции, адсорбции, сублимации увеличение скорости процесса достигают снижением температуры в рабочей зоне. Это возможно путем предварительного охлаждения продукта или непосредственным охлаждением рабочей зоны аппарата.

Значительно большего эффекта интенсификации можно достичь путем одновременного сочетания влияния температуры и давления. Чаще всего такое сочетание используется при проведении процессов, часть или все компоненты которых находятся в газовой фазе. Следствием увеличения давления является повышение парциальных давлений газовых компонентов, что равнозначно увеличению их концентрации.

Сочетание изменения температуры и давления широко используется в пищевых технологиях при проведении сорбционных, химических, гидравлических и других процессов. Так, например, в сахарной промышленности, вино-и пиворобному, безалкогольном производствах для ускорения насыщения растворов углекислотой повышают ее давление и снижают температуру жидкой фазы. Для интенсификации процессов сушки, выпаривания, уваривания сочетают повышение температуры до наиболее возможного предела со снижением давления (вакуумированием). В процессах конденсации, наоборот, снижают температуру и повышают давление. Для ускорения фильтрации и мембранных процессов давление или увеличивают над мембраной, или уменьшают под ней.

Но наиболее распространенным в пищевых технологиях способом интенсификации является изменение концентраций взаимодействующих компонентов, обеспечивающих ее или повышением начальной концентрации исходных компонентов, или уменьшением равновесной за счет отвода целевого продукта из рабочей зоны. Для повышения начальной концентрации, в зависимости от агрегатного состояния компонентов, производят сортировку, очистку, обогащения твердых видов сырья, а в случае жидкостей или газов — концентрирование, очистка от вредных примесей, повышение давления. Отвод целевого продукта можно осуществлять различными способами в зависимости от его агрегатного состояния: твердого — осаждением, фильтрованием, центрифугированием; газо-или парообразного — удалением, конденсацией, избирательной адсорбцией или абсорбцией; жидкого — кристаллизацией, диализом, отсосом подобное.

В гетерогенных процессах увеличению движущей силы способствует росту и обновление поверхности фазовых контактов реагирующих веществ. Это приводит к увеличению вероятности контактов и взаимодействия реагентов, что равнозначно повышению концентрации. Увеличение поверхности фазовых контактов в гетерогенной системе «газ — жидкость» обычно достигают такими средствами, как:

♦ образованию тонкого слоя или пленки жидкости путем ее распределения на поверхности насадок или других носителей (барабанные сушилки, насадочные абсорберы, пленочные выпарные аппараты);

♦       создание жидкого аэрозоля путем распыления, разбрызгивания жидкости в определенном рабочем объеме газа (распылительные сушилки, льдогенераторы, коптильные агрегаты с редкими аэрозолями);

♦       диспергирования газовой фазы в жидкости (реакторы-барботер, тарельчатые ректификационные аппараты, сатураторы, пенные аппараты с взвешенным слоем).

В гетерогенных системах «газ — твердое тело» или «жидкость — твердое тело» увеличение поверхности фазовых контактов обеспечивается следующими средствами:

♦       уменьшением размера частиц твердой фазы и равномерным их распределением в рабочем объеме жидкости или газа;

♦       интенсивным механическим перемешиванием измельченной твердой фазы в рабочем объеме;

♦       создание взвешенной («кипящего») слоя измельченной твердой фазы путем продувки через него газа или пропусканием потока жидкости.

Эти средства увеличения или обновления поверхности фазовых контактов широко используются в конструкциях многих технологических машин и агрегатов для сушки, копчения, соления, очистка, освещение пищевых продуктов.

Интенсификацию технологических процессов можно, как указано выше, обеспечить также путем увеличения кинетических коэффициентов. Разработано большое количество таких способов ускорения хода преобразований. В их основу положены разрушение или уменьшение толщины пограничного равновесного слоя, изменение свойств или структуры взаимодействующих в процессе компонентов.Для разрушения или уменьшению равновесного слоя, который образуется на границе раздела фаз, используют различные методы возмущений: вибрацию, турбулизации, активацию поверхности, импульсные изменения (пульсацию) температуры, давления, напряжения и т.п..

Контрольные вопросы

 

1.   Приведите кинетические закономерности технологических процессов.

2.   Опишите уравнения физико-химической кинетики.

3.   Что такое принцип Ла Шателье?

4.   Какие условия равновесия системы?

5.   Опишите закон Фуре.

6.   Приведите определение и математическое выражение закона Ньютона.

7.   Приведите определение и математическое выражение закона Дарси.

8.   Приведите определение и математическое выражение закона Гука.

9.   Приведите определение и математическое выражение закона Ома.

10. Охарактеризуйте принцип рационального использования сырья.

11. Охарактеризуйте принцип интенсификации технологических процессов.

12. Охарактеризуйте принцип рационального использования энергоресурсов и оборудования.

13. Охарактеризуйте принцип сокращения длительности процесса.

Posted in Загальні технології харчових виробництв
Перелік предметів:
  1. Інформаційні технологіі в галузі
  2. Інформаційні технологіі в системах якості стандартизаціісертифікаціі
  3. Історія української культури
  4. Бухоблік у ресторанному господарстві
  5. Діловодство
  6. Мікропроцесорні системи управління технологічними процесами
  7. Науково-практичні основи технологіі молока і молочних продуктів
  8. Науково-практичні основи технологіі м’яса і м’ясних продуктів
  9. Організація обслуговування у підприємствах ресторанного господарства
  10. Основи наукових досліджень та технічноі творчості
  11. Основи охорони праці
  12. Основи підприємницькоі діяльності та агробізнесу
  13. Політологія
  14. Технологічне обладнання для молочноі промисловості
  15. Технологічне обладнання для м’ясноі промисловості
  16. Технологічний семінар
  17. Технологія зберігання консервування та переробки молока
  18. Технологія зберігання консервування та переробки м’яса
  19. Технологія продукціі підприємств ресторанного господарства
  20. Технохімічний контроль
  21. Технохімічний контроль
  22. Управління якістю продукціі ресторанного господарства
  23. Вища математика 3к.1с
  24. Вступ до фаху 4к.2с.
  25. Загальні технології харчових виробництв
  26. Загальна технологія харчових виробництв 4к.2с.
  27. Мікробіологія молока і молочних продуктів 3к.1с
  28. Математичні моделі в розрахунках на еом
  29. Методи контролю харчових виробництв
  30. Основи фізіології та гігієни харчування 3к.1с
  31. Отримання доброякісного молока 3к.1с
  32. Прикладна механіка
  33. Прикладна механіка 4к.2с.
  34. Теоретичні основи технології харчових виробництв
  35. Технологія зберігання, консервування та переробки м’яса
  36. Фізика
  37. Харчові та дієтичні добавки
  38. Фізичне виховання 3к.1с

На русском

  1. Методы контроля пищевых производств
  2. Общая технология пищевых производств
  3. Теоретические основы технологий пищевых производств
  4. Технология хранения, консервирования и переработки мяса
LiveInternet