Лекция № 1

Процессы переноса импульса, тепла и массы в технологических схемах производства пищевых продуктов. Анализ технологических схем производства с позиций общих закономерностей процессов переноса.

Любое технологическое производство пищевых продуктов состоит из серии последовательных процессов, в каждом из которых вещества могут претерпевать химические, биохимические или физические изменения. Принимая во внимание тот факт, что любой пищевой продукт состоит из химических элементов, безопасных для жизни человека, то по своей сути, мы имеем дело с веществами определенного химического состава. Соответственно с этим процессы разделяются на химические, биохимические и физические. Под химическими понимаются процессы образования новых веществ из взятых первоначально. Физические процессы заключаются в изменении физических свойств вещества (в том числе формы и размеров) без изменения их химической природы. Таковы, например, процессы растворения, нагревания, измельчения твердых веществ и т.д. Процессы, в которых происходит только изменения формы или размеров веществ без изменения их химической природы и физических свойств, выделяют в отдельную группу механических процессов. К ним относится, например, процессы измельчения, таблетирования, расфасовки пищевых продуктов и др.

Пищевое производство представляет собой сочетание различных химических, биохимических, физических и механических процессов. Многообразие пищевых производств определяется различной химической природой и физических свойств участвующих в них веществ, а так же различным сочетанием отдельных операций.

Эффективность пищевого производства зависит от рационального выбора последовательности технологических операций (технология производства) и правильного подбора оборудования (аппаратурного оформления). Важнейшая забота инженера – правильная постановка и решение задачи аппаратурно-технологического оформления процессов. В связи с огромным и непрерывно расширяю-щимся ассортиментом продукции пищевых и родственных ей отраслей промышленности, решение этой задачи возможно лишь на основе углубленного изучения закономерностей отдельных типовых процессов пищевой технологии. Зная эти закономерности и умея анализировать и рассчитывать отдельные типовые стадии пищевой технологии, можно строить из них любой производственный процесс, а следовательно, и проектировать предприятие.

Вопросы аппаратурно-технологического оформления пищевых процессов выделились в самостоятельный раздел пищевой инженерии. Рассматриваемые традиционно в курсе процессов и аппаратов пищевых производств физические процессы делятся на 4 группы:

1. Механические процессы, заключающиеся в механической обработке твердых материалов (изучение этих процессов основывается на законах механики твердых тел).

2. Гидромеханические процессы, протекающие в подвижных средах (к их числу относится транспортировка жидкостей и газов, а так же получение и разделение жидких и газовых неоднородных систем).

3. Тепловые процессы, в которых определяющую роль играет распространение теплоты (к их числу относится нагревание, охлаждение и выпаривание).

4. Массообменные процессы, в которых определяющую роль играет перенос вещества во взаимодействующих фазах и через границу раздела между ними (к этой группе относятся процессы разделения однородных смесей, растворение, кристаллизация, сушка, экстракция из пористых твердых тел и т.д.).

В ряде процессов наряду с переносом вещества одновременно происходит и перенос теплоты, например, при сушке, в пароконтактных теплообменниках, путем непосредственного контакта жидкости с газом и др. Такие совмещенные процессы рассматриваются как тепломассообменные.

Условия протекания всех процессов в большой степени зависят от величин параметров движения, участвующих в них материальных тел, которые во многом определяют гидродинамическую обстановку в рабочем объеме аппарата. В связи с этим теоретические основы тепло-массообменных процессов включают законы гидродинамики.

Общим для всех процессов является то, что в них происходит перенос вещества или энергии между материальными телами и преобразование энергии из одной формы в другую, т.е. состояние отдельных частей и всей рассматриваемой системы в целом изменяются. Закономерности этих изменений изучает термодинамика.

Таким образом, за исключением механических процессов, общей теоретической основой всех типовых тепло-массообменных процессов в пищевой технологии являются законы термодинамики и гидродинамики.

Общие принципы анализа типовых процессов в пищевой технологии заключаются в том, что в начале, на основе законов сохранения массы и энергии, определяются материальные и энергетические потоки. Затем находится движущая сила процесса как мера отклонения состояния рассматриваемой системы от состояния равновесия, и рассчитываются основные технологические показатели процесса. Все эти расчеты относятся к статике процесса. Далее рассматривается кинетика процесса, которая теснейшим образом связана с его аппаратурным оформлением. Расчет кинетики процессов переноса составляет наиболее сложную, но чрезвычайно важную часть инженерных расчетов. Завершающей стадией является расчет основных размеров аппаратуры и времени проведения определенной технологической операции.

Особенность всех инженерных задач состоит в том, что они допускают множество решений, т.е. в математическом отношении они не определены. Число неизвестных величин практически всегда оказывается больше числа уравнений связи между ними. Поэтому в ходе расчетов рядом величин приходится задаваться. Правильность «волевого» выбора всех величин проверяется последующим пересчетом и соответствующей корректировкой. Поэтому в подавляющем большинстве инженерные расчеты основываются на методе последовательных приближений. Однако одно подтверждение правильности расчета не может служить гарантией приемлемости обосновываемого им инженерного решения. Задача высоквалифицированного специалиста – из множества возможных решений выбрать оптимальное. Под оптимальным понимается решение, обеспечивающее наивыгоднейшее значение параметра, по которому проводится оптимизация. Чаще всего минимизируются экономические затраты. Следовательно, принимая любое решение, инженер обязан установить, с какими затратами оно связано и нельзя ли ту же задачу решить иным, более экономичным методом.

Оптимизация химико-технологических процессов в настоящее время является самостоятельной научной дисциплиной. Принятие оптимальных решений для производства, включающего большое число отдельных типовых процессов, требует системного подхода, учитывающего взаимное влияние этих процессов, а так же систем контроля и управления производством.

Работа с литературой: [1] – стр.65–83, [2] – стр. 49–53.

Практические занятия: На примере машинно-аппаратурной схемы производства, например, пива, рассмотреть, в технологической последовательности, процессы преобразования исходного сырья и аппараты, реализующие данные процессы.