5.1.Основные понятия теории массопередачи.

Процессы переноса массы вещества или диффузионные процессы при трансформации сырья в готовую продукцию широко распространены в пищевых технологиях. Практически всегда эти процессы происходят в тепловом поле. В зависимости от интенсивности этого поля можно условно говорить о процессах массопередачи, когда температура оказывает не столь существенное влияние на ход технологического процесса и практически в ходе его остается постоянной или меняется незначительно, и о процессах тепломассопередачи, когда процесс значительно ускоряется под действием температуры

В процессе обработки пищевые среды, многие из которых являются коллоидными капиллярно-пористыми телами, часто подвергаются увлажнению при нагревании или охлаждении. При этом происходит не только передача тепловой энергии, но и перемещение вещества, т.е. массоперенос или диффузия.

Диффузия – это самопроизвольный процесс проникновения одного вещества в другое до момента наступления равновесного распределения концентраций этих веществ. Диффузия может быть молекулярной, возникающей за счет теплового движения молекул; и молярной, когда перенос вещества осуществляется за счет перемешивания отдельных частей.

Переход веществ из одной фазы в другую под влиянием молекулярной или молярной диффузии называется массообменным процессом или массообменом. К массообменным процессам относятся:

- абсорбция и адсорбция газов и паров;

- десорбция газов;

- экстракция жидких и твердых веществ;

- перегонка жидкостей;

- кристаллизация и растворение;

- сушка влажных материалов и др.

Абсорбция – это поглощение вещества из раствора или смеси газов всем объемом поглотителя – твердым телом или жидкостью.

Адсорбция – это поглощение вещества на поверхности раздела фаз.

Экстракция – это извлечение жидкостью из твердого или жидкого вещества одного или нескольких компонентов (например, сахара водой или жира растворителями и пр.).

Сушка – это процесс удаления влаги из материалов под действием температуры.

Кристаллизация - это процесс зарождения и роста кристаллов при переходе вещества из газообразного или жидкого состояния в кристаллическое.

Ректификация – это процесс разделения многокомпонентных жидких смесей путем непрерывного обмена между жидкой и газообразной фазами, находящимися в противотоке.

Во всех этих процессах, независимо от того, в каких фазах происходит массообмен, вещества которыми обмениваются фазы, должны переместиться к поверхности раздела фаз, пройти эту поверхность раздела и проникнуть в другую фазу.

Диффузия называется концентрационной, наблюдаемой в смесях с различной концентрацией компонентов, когда каждый компонент движется в направлении меньшей концентрации до момента ее выравнивания. Концентрация в любой точке рассматриваемого пространства является функцией координат и времени, , и определяет поле концентраций

Практическим примером массообменного процесса является извлечение сахара из свекловичной стружки, которое осуществляется диффузионным способом.

Движущей силой процесса является разность концентраций. Для диффузии сахара из стружки в воду или диффузионный сок в аппарате должна поддерживаться разность между концентрациями сахара в стружке и диффузионном соке, что достигается при их встречном движении [27].

Основной закон молекулярной диффузии (закон Фика) устанавливает связь между количеством экстрагируемого вещества и основными параметрами процесса в массе частиц, , где - количество вещества, продифузировавшего через единичную площадь за единицу времени ; - коэффициент диффузии; - градиент концентрации вещества.

Коэффициент диффузии является физическим параметром материала и численно равен массе вещества, диффундирующего через единицу площади за единицу времени при градиенте концентрации равном 1. Он зависит от температуры, вязкости растворителя, размера частиц вещества.

При использовании закона Фика принимается допущение, что стружка однородна по толщине и массовая доля сахара внутри стружки меняется линейно.

Массоотдача. Перенос вещества из глубины фазы к поверхности раздела сред или от поверхности раздела в глубину другой фазы называется массоотдачей. В движущейся жидкости наряду с молекулярной диффузией имеет место перемещение молярных, т.е. состоящих из большого числа молекул, частей среды. Этот вид переноса называется конвективной диффузией. Конвективная диффузия зависит от градиента концентраций, физико-механических свойств среды и параметров ее движения.

Процесс массоотдачи описывается следующим уравнением , где - коэффициент массоотдачи, м/сек; - концентрация на границе раздела фаз и в ядре потока.

Массопередача. Для процесса массопередачи при стационарных условиях используется следующее уравнение , где - коэффициент массопередачи; - разность концентраций в ядрах потоков первой и второй фаз.

На границе твердое тело-жидкость количество вещества перенесенного со стороны твердого тела в соответствии с законом Фика . Количество вещества, переносимое от поверхности раздела сред в жидкую фазу . Отсюда следует выражение, которое описывает массообмен на границе твердое тело – жидкость, .

Термодиффузия. К термодиффузии относится молекулярная диффузия, вызванная неоднородным распределением температуры в смеси.

При изотермных условиях интенсивность концентрационной диффузии характеризуется плотностью потока массы вещества.

Плотность диффузионного потока вещества, т.е. количество вещества, диффундирующего в единицу времени через единичную площадку концентрационной поверхности прямо пропорционально градиенту концентраций.

Плотность диффузионного потока при наличии всех видов диффузий определяется уравнением , где - плотность потока массы, учитывающая концентрационную диффузию; - плотность (концентрация) i-го компонента; - коэффициент взаимной молекулярной диффузии, м²/с; - градиент концентрации, направленный в сторону ее увеличения; - направление нормали к поверхности одинаковой концентрации вещества; - плотность потока массы, учитывающая термодиффузию; - плотность смеси, - плотности компонентов; - термодиффузионное отношение; - коэффициент термодиффузии; - температурный градиент; - молекулярные массы компонентов; - градиент полного давления. Знак минус в уравнении указывает, что перенос вещества происходит в сторону меньшей концентрации.

В движущейся среде вещество переносится не только путем молекулярной диффузии, но и конвекцией. При перемещении объема смеси плотностью со скоростью осуществляется конвективный перенос массы смеси .

Суммарная плотность потока массы и ее составляющие являются векторными величинами.

Коэффициент температуропроводности равен , где - удельная теплоемкость влажного тела.