Лекція 11. Моделювання явищ переносу та теплових явищ в технологічних процесах харчових виробництв
11.1. Приведіть класифікацію масообмінних процесів.
Процеси перерозподілу маси між фазами і всередині фаз, спричинені намаганням системи прийти у стан фізико-хімічної рівноваги, називають масообмінними, або дифузійними процесами. Рушійною силою масообмінних процесів є різниця хімічних потенціалів. Це поняття введене термодинамікою — наукою, що вивчає умови рівноваги систем.
Масообмінні процеси дуже поширені в промисловості, де вони створюють основу багатьох технологічних процесів. Розрізняють масообмінні процеси:
а) в системі газ (пара) — рідина: абсорбція, ректифікація;
б) в системі газ (пара) —тверде тіло: сушіння, адсорбція газів;
в) в системі рідина — тверде тіло: екстракція з твердих тіл, кристалізація, розчинення;
г) в системі рідина — рідина: рідина екстракція. Абсорбція — процес поглинання компонентів газової суміші
Ректифікація — процес розподілення рідкої суміші на компоненти різної леткості способом багаторазового протитечійного контактування рідкої і парової фаз.
Адсорбція — процес поглинання компонентів газової або рідкої суміші поверхнею твердого тіла (адсорбента).
Сушіння — процес вилучення вологи з вогких матеріалів випаровуванням.
Кристалізація — процес виділення речовин з розчинів або розплавів у вигляді кристалічної твердої фази. Застосовують для одержання чистих кристалічних продуктів (солі, соди, сахарози, глюкози, лактози і т.д.). Зворотний процес — перехід твердих речовин між молекулами рідини (розчинника) — називають розчиненням. Цей процес застосовують в усіх виробництвах.
Екстракція з твердих тіл — процес добування того чи іншого компонента з твердого шпаруватого матеріалу за допомогою вибіркового розчинення.
Рідинна екстракція — процес добування розчиненої в рідині речовини іншою рідиною, що не змішується з першою.
11.2. Вкажіть особливості застосування масообмінних процесів в харчовій промисловості.
У харчовій технології масообмінні процеси мають величезне значення. Ступінь їхньої досконалості визначається досконалістю всієї технологічної лінії. До масообмінних відносять процеси сушіння, екстрагування, кристалізації, сорбції і перегонки (ректифікації). Загальним для них усіх є наявність двох станів або фаз компонентів і перенесення компонентів з однієї фази в іншу.
Якість масообмінного процесу, за умови досягнення основної технологічної задачі, оцінюють витратами теплоти, води, електроенергії, капітальними, експлуатаційними та ін. Найбільш загальною оцінкою є наведені витрати на виробництво одиниці готової продукції.
11.3. Які характерні особливості застосування закону Фіка в технологічних процесах харчової промисловості?
Основні закономірності перенесення речовин з однієї фази в іншу визначає теорія масопереносу, відповідно до якої швидкість масопередачі пропорційна рушійній силі. Її величину можна визначити на основі законів фазової рівноваги. Рушійними силами масопереносу вважають різниці концентрацій, температур і тисків.
Кількість речовини, що переходить у межах однієї фази до границі поділу фаз через поверхню F, перпендикулярну дифузійному потоку, визначається законом Фіка:
де D — коефіцієнт пропорційності (дифузії); Δс - різниця концентрацій (рушійна сила); τ - час перенесення.
Перший закон Фіка:
В системі з градієнтом концентрації речовини dC/dx в напрямку х дифузійний потік J визначається першим законом Фіка:
,
де D – коефіцієнт дифузії (знак "-" вказує на напрямок потоку від більших концентрацій до менших).
У разі градієнту концентрації не лише в напрямку х, треба використовувати загальнішу формулу:
,
де μ - хімічний потенціал.
Другий закон Фіка:
В системі з градієнтом концентрацій речовини dC/dx в напрямку х швидкість зміни концентрації речовини в даній точці, зумовлена дифузією, визначається другим законом Фіка:
