Тема 2. Способи зневоднення сільськогосподарської продукції

Лекція 3. Використання основних процесів при зберіганні с/г продукції

1. Класифікація основних процесів

2. Поняття про баланси процесу

Будь які дії, повязанні із зміною положення сільськогосподарських матеріалів у просторі, їх фізико-хімічних, біологічних змін призводить до видалення вологи та зниження температури, так як такі матеріали знаходяться у певній системі.

Система – сукупність тіл, що взаємодіють між собою. Зміна стану будь- якої системи, її безперервний рух і розвиток, що проходить в природі, лабораторії, суспільстві називається процесом.

Для зміни необхідних параметрів у матеріалі існують певні процеси, що штучно створюються з певною технологічною метою. Технологія – наука про практичне застосування законів фізики, хімії, біології та інших наук для проведення технологічних процесів. Виникла наприкінці XVІІІ ст. як самостійна галузь знань в зв’язку з ростом машинного виробництва.

Технологічний аппарат (від лат. аpparatus - обладнання) – це пристрій, обладнання, що призначене для проведення технологічних процесів.

Машина – пристрій, що виконує механічний рух з метою перетворення енергії або матеріалів. Технологічні машини перетворюють форму, властивості і положення матеріалу, що обробляється.

Протікання будь-якого процесу зв’язано з нерівномірним розподілом деякої величини в просторі, що вивчається. Ця величина П називається потенціалом. Умовою рівноваги є рівність потенціалів.

1. В залежності від основних законів, які є визначальними при протіканні процесу, розрізняють:

Гідромеханічні процеси, швидкість яких визначається законами гідродинаміки – науки про рух рідин і газів. До них відносять переміщення рідин, стиск і переміщення газів, розділення рідких і газових неоднорідних систем у полі сил тяжіння (відстоювання), у полі центробіжних сил (центрифугування), під дією різниці тисків через пористий шар (фільтрування) і перемішування рідин.

Теплові процеси, швидкість протікання яких визначається законами теплопередачі. Такими процесами, в .т.ч. нижче температури навколишнього середовища, є нагрівання, охолодження, випаровування і конденсація пари.

Швидкість теплових процесів великою мірою залежить від гідродинамічних умов (швидкостей, режимів руху), за яких відбувається перенесення тепла від одного середовища до іншого.

Масообмінні (дифузійні) процеси характеризуються перенесенням одного або декількох компонентів вихідної суміші з однієї фази в іншу через поверхню розподілу фаз. Найбільш повільною є молекулярна дифузія. До цієї групи процесів відноситься адсорбція, перегонка (ректифікація), екстракція розчинів, розчинення пористих тіл, кристалізація, абсорбція і сушіння.

Протікання процесів масообміну тісно зв’язано з гідродинамічними умовами з фазою і на межі їх розділу та часто – з паралельними масообмінними процесами перенесення тепла (теплообміну).

Хімічні (реакційні) процеси, які проходять зі швидкістю, яку визначають закони хімічної кінетики. Хімічним реакціям, як правило, характерні перенесення маси і енергії. Але при цьому необхідно враховувати і гідродинамічні умови.

Механічні процеси описуються законами механіки твердих тіл. Ці процеси застосовуються в основному для підготовки вихідних твердих матеріалів і обробітку кінцевих твердих продуктів, а також для транспортування кускових і сипких матеріалів. До механічних процесів відносять подрібнення, сортування (класифікація) і змішування твердих речовин.

За способом організації основні процеси поділяють на періодичні, безперервні і комбіновані. Перевагу слід надавати безперервним процесам.

2. Технологічні процеси на виробництвах протікають згідно із загальними фізичними, хімічними і фізико-хімічними законами. Застосування цих законів до того чи іншого процесу дозволяє створити теорію процесу.

При розгляді процесів харчової технології можна виділити такі основні узагальнення, закони і принципи, які будуть застосовані до конкретних процесів:

1. закони збереження маси і енергії;

2. закони рівноваги систем;

3. закони переносу маси і енергії і принцип рушійної сили;

4. принцип оптимізації проведення процесу;

5. принцип масштабного переходу і моделюваня.

Закони збереження маси і енергії

Відкриті М.В.Ломоносовим, Лавуазьє, Майєром і Джоулем. Відіграють в науці про процеси основну роль і набувають форму матеріальних і енергетичних балансів.

Рис.2.1 Схема матеріального Рис.2.2 Безперервність (неперервність)

балансу потоку для потокових систем

а) за законом збереження маси, маса поступаючої речовини ΣG_n на вході повинна бути рівна масі речовини на виході ΣG_в. Але в практичних умовах наявні обов’язкові втрати ΣG_з. Тоді рівняння матеріального балансу має вид:

ΣG_n= ΣG_в+ ΣG_з (2.1)

Для забезпечення ефективності протікання процесу необхідно детально розглядати рівняння матеріального балансу. При потребі складають декілька рівнянь матеріального балансу: для системи в цілому і для окремих складових. Баланс складають за одиницю часу.

Для систем, що знаходяться в русі, закон збереження маси виражається рівнянням нерозривності потоку:

F₁ = F₂ , (2.2)

де F₁, F₂- сили,які прикладені до систем;

, - відповідні їх швидкості.

б) енергетичний баланс складають на основі закону збереження енергії, згідно до якого кількість енергії, введеної у процес, рівна кількості енергії, що виділяється.

Проведення зневоднення матеріалів пов’язане із використанням різних видів енергії – механічної, електричної, теплової та інших. Частиною енергетичного балансу є тепловий баланс, який в загальному вигляді має вигляд:

ΣQ_n = ΣQ_в + ΣQ_з. (2.3)

При цьому тепло, яке вводиться в систему:

ΣQ_n = Q₁ + Q₂ + Q₃, (2.4)

де Q₁ – тепло, яке підводиться з вихідними речовинами;

Q₂ – тепло, яке підводиться зовні, наприклад, теплоносій;

Q₃ – тепловий ефект фізичних або хімічних перетворень (якщо тепло під час процесу поглинається, то даний параметр входить у рівняння з від’ємним знаком).

Тепло Q_в, яке відводиться, складається з тепла що виводиться із кінцевим продуктом та з теплоносієм (наприклад з охолоджуючим повітрям).

В енергетичному балансі, крім вказаного тепла, враховуються затрати всіх видів енергії.

Рівняння матеріального і теплового балансу лежать в основі вивчення будь-якого технологічного процесу.

Закони рівноваги системи

Системи, що знаходяться в рівновазі, не змінюють свого стану в часі. Для виведення такої системи із стану рівноваги потрібний вплив на неї зовні – шляхом механічної або теплової дії.

Питання пронапрям зміни в стані системи при зовнішній дії грунтується на двох положеннях термодинаміки: 1) принцип ла-Шательє і 2) правило фаз Гіббса.

1. В системі, виведеній із стану рівноваги, проходять зміни, напрям сил яких протилежний напряму сил, що виводять із стану рівноваги. Використовуючи цей принцип, можна визначити, які параметри потрібно змінити, щоб викликати необхідні для виробництва зміни в стані системи.

2. Правило фаз Гіббса встановлює залежність між числом компонентів системи К, числом фаp f і числом ступенів свободи S.

. (2.5)

Фаза – певна кількість речовини, фізично однорідної по всій масі. Система може складатись з одної або декількох фаз.

Компонент – чисті хімічні сполуки, з яких складаються фази і які можуть переходити з одної фази в іншу.