Кінетичні закономірності технологічних процесів

Економічна ефективність харчових виробництв значною мірою залежить від швидкості перебігу технологічних процесів.

Наука, яка вивчає механізм та швидкість зміни характеристик процесу, називається кінетикою.

В її основі лежать закономірності, що обумовлюють швидкість процесів. Кінетичні закономірності необхідно знати для розрахунку параметрів технологічних процесів і апаратів, в яких відбуваються ці процеси.. Теоретичними та практичними дослідженнями було встановлено основний кінетичний закон – швидкість процесу прямо пропорційна потенціалу і зворотно пропорційна опору системи, який можна записати у наступному вигляді

І = ; або І =

Де: І – швидкість процесу;

Х – потенціал системи;

R – опір системи.

Якщо опір системи замінити зворотною до неї величиною провідності – L, тоді рівняння отримає вигляд:

І =

Маючи дані про потенціал системи, або його рушійну силу, за допомогою цього загального кінетичного рівняння можна отримати розрахункові рівняння для будь-якого технологічного процесу.

Потенціал системи – це міра відхилення системи від рівноважного стану, а рушійна сила процесу – це різниця потенціалів у різних станах системи, які визначають через градієнти температури, тиску, концентрації. Провідність системи (L) називають коефіцієнтом швидкості процесу, або кінетичним коефіцієнтом. Під кінетичним коефіцієнтом розуміють швидкість процесу, потенціал якого дорівнює одиниці. Це коефіцієнти теплопередачі, теплопровідності, константи швидкості реакції та ін. Вони є похідними, тобто змінними, і залежать від багатьох факторів – режимів проведення процесу, властивостей учасників процесу та ін.

Фізико-хімічна кінетика

В залежності від природи явищ розрізняють фізичну, фізико-хімічну, хімічну та біологічну кінетику. Оскільки в харчовій промисловості під час переробки або зберігання сировини важко відокремити фізичні і фізико-хімічні процеси, то їх кінетичні закономірності вивчає фізико-хімічна кінетика. Предметом її дослідження є закономірності таких поширених у технології процесів, як подрібнення, розділення, нагрівання, охолодження, дистиляція, кристалізація, перемішування, сушіння тощо. Для багатьох з них кінетичні закономірності відомі як класичні закони фізики.. Наприклад, для цілого класу теплообмінних процесів швидкість переносу теплоти описується законом Фур’є, який гласить, що «Кількість тепла, яке переноситься в певному середовищі, прямо пропорційна добутку градієнту температури на тривалість процесу».

Q =

де: Q – кількість теплоти;

λ – коефіцієнт теплопровідності;

– градієнт температури;

– тривалість процесу.

Для класу масообмінних (молекулярно-дифузійних) процесів швидкість переносу речовини характеризується законами Фіка, перший з яких описується рівнянням:

G = D

де: G – кількість речовини;

D – коефіцієнт дифузії;

– градієнт концентрації;

– тривалість процесу.

Подібний математичний вираз мають інші кінетичні закони фізики:

– для фільтраційного переносу речовини – закон Дарсі; для переносу кількості руху – закон Ньютона; для швидкості розвитку деформації твердих тіл – закон Гука; для переносу електричних зарядів – закон Ома та ін. Всі ці закони є проявленням дії загального кінетичного закону. В наведених рівняннях коефіцієнти λ і D є кінетичними коефіцієнтами, що характеризують природу явища і учасників процесу, а добуток градієнтів на тривалість процесу є потенціалом процесу.

Дані рівняння не можуть бути використані для технологічних розрахунків тому, що характеризують «миттєвий» стан процесу, тобто в певний момент і в певній точці середовища. Тому, для характеристики процесу в цілому необхідно інтегрувати ці рівняння, задаючи чисельні значення умов однозначності параметрів, які постійно змінюються. Крім того, в технологічних об’єктах під час переробки одночасно відбувається декілька складних процесів, які взаємно впливають один на одного. Наприклад, під час сушіння (плоди, овочі, зерно, м'ясо) в ній мають місце і процеси переносу теплоти і переносу вологи Обидва процеси впливають на процес сушіння і тому їх необхідно враховувати. Теоретично вплив суміжних процесів визначається теоремою Онзагера: «якщо і-й процес відчуває вплив суміжного процесу k з потенціалом Х_k, то і процес k відчуває вплив процесу і з потенціалом Х_і». Виходячи з цієї теореми, кінетичні рівняння для обох процесів будуть мати

наступний вигляд:

– для і-го процесу І_і =

– для k-го процесу І_k =

де: І_і , І_k – швидкість процесів і та k;

Х_і, Х_k – потенціали процесів і та k;

L_і, L_k – кінетичні коефіцієнти процесів і та k;

L_іk, L_kі – кінетичні коефіцієнти взаємного впливу процесів.

Наявність взаємного впливу суміжних процесів ускладнює розрахунки їх параметрів, а тому на практиці їх знаходять експериментальним шляхом.