1.3. Классификация основных процессов, машин и аппаратов
пищевых производств
Несмотря на все многообразие процессов пищевой технологии в зависимости от закономерностей их протекания можно свести к пяти основным группам: гидромеханическим, теплообменным, массообменным, механическим, биохимическим.
Гидромеханические процессы - это процессы, скорость которых определяется законами механики и гидродинамики. К ним относятся процессы перемещения жидкостей и газов по трубопроводам и аппаратам, перемешивания в жидких средах, разделения суспензий и эмульсий путём отстаивания, фильтрования, центрифугирования и т.п.
Теплообменные процессы – это процессы, связанные с переносом теплоты от более нагретых тел (или сред) к менее нагретым. К ним относятся процессы нагревания, пастеризации, стерилизации, охлаждения, выпаривания и т.п.
Массообменные или диффузионные процессы – это процессы, связанные с переносом вещества в различных агрегатных состояниях из одной фазы в другую. К ним относятся абсорбция и десорбция, перегонка и ректификация, адсорбция, экстракция, растворение, кристаллизация, увлажнение, сушка, сублимация, диализ, ионный обмен и т.п. Скорость массообменных процессов определяется законами массопередачи.
Механические процессы – это процессы чисто механического взаимодействия тел. К ним относятся процессы измельчения, классификации (фракционирования) сыпучих материалов, прессования и др.
Химические и биохимические процессы – это процессы, связанные с изменением химического состава и свойства вещества, скорость протекания которых определяется законами химической кинетики.
Все перечисленные процессы, кроме механических, подчиняются общему кинетическому уравнению, которое имеет вид:
Как следует из уравнения, скорость процесса прямо пропорциональна движущей силе и обратно пропорциональна сопротивлению. Величина обратная сопротивлению называется коэффициентом скорости процесса. В общем случае движущей силой процесса является разность потенциалов.
Анализ кинетических закономерностей позволяет проанализировать условия процесса и определить оптимальные, соответствующие минимальным размерам машин и аппаратов.
По данным о скорости процесса и величине движущей силы при найденном оптимальном режиме процесса определяют основной размер аппарата - рабочий объём или рабочую площадь поверхности.
Материальный баланс составляется на основании закона сохранения массы: количество поступающих материалов должно быть равно количеству конечных продуктов, получаемых в результате проведения процесса:
На основании материального баланса определяют выход продукта, т.е. выраженное в процентах отношение полученного количества продукта к максимально возможному. Выход продукта рассчитывают на единицу затраченного сырья.
Материальный баланс составляется для веществ либо одного вещества за выбранную единицу времени или за одну операцию. Выход продукта рассчитывают на единицу затраченного сырья.
Материальный баланс составляется для всех веществ либо одного вещества за выбранную единицу времени или за одну операцию.
Тепловой баланс составляется на основе закона сохранения энергии. Количество энергии, введенное в процесс, должно быть равно количеству выделившейся энергии:
,
где: Qk-количество отводимой теплоты;Qn-потери теплоты в окружающее пространство.
Вводимая в процессе теплота складывается из теплоты, поступающей с исходными материалами, подводимой, например, теплоносителями, теплоты физических или химических превращений.
Количество отводимой теплоты складывается из теплоты, уходящей с конечными продуктами и отводимой теплоносителями. Из теплового баланса определяют расход греющего пара, воды и других теплоносителей.
По величинам, характеризующим рабочие и равновесные параметры, определяют движущую силу процесса, затем рассчитывают кинетику процесса и определяют коэффициент скорости процесса.
Как правило, в аппаратурно-технологических линиях должны использоваться стандартные аппараты и машины. Типовая аппаратура довольно проста по устройству и состоит из элементов, которые применяются и в более сложной аппаратуре.
Организации-разработчики аппаратуры для пищевой и смежных отраслей промышленности проводят типизацию и нормализацию оборудования, позволяющие сократить расходы на проектирование, снизить стоимость и организовать серийное производство. Основными руководящими документами при проектировании пищевого оборудования являются государственные стандарты, отраслевые нормали, технические условия, инструкции и нормы.
Однако ряд пищевых производств имеет свои специфические особенности, что заставляет разрабатывать и изготавливать нетиповую как по конструкции, так и по материалам аппаратуру. В ряде случаев при создании новых интенсивных аппаратурно-технологических линий используются высокоэффективные, разработанные по специальным заказам нестандартные машины и аппараты.
Машины и аппараты должны работать в оптимальных условиях. Определение таких условий связано с выбором критерия оптимальности, который может зависеть от оптимальных значений ряда параметров (температура, давление, расход, степень очистки и т.д.) Часто используют экономические критерии оптимальности, отражающие основные технические характеристики процесса, энергетические, трудовые и другие затраты. Применяются также технологические, термодинамические, статистические и другие критерии.
Выбор материала для изготовления оборудования пищевых производств начинается с изучения рабочих условий, в которых предстоит работать оборудованию: давления, температуры, коррозионной агрессивности среды и других факторов. При этом учитываются важнейшие свойства материала: прочность, тепловая и химическая стойкость, физические свойства, а также технологические характеристики.
Под интенсивностью процесса понимают результат его, отнесенный к единице времени и единице поверхности или объема аппарата. Интенсивность процесса характеризуется количеством энергии или массы, прошедшей в единицу времени через единицу поверхности или единицу рабочего объема аппарата. Интенсивность процесса прямо пропорциональна движущей силе. Мерой интенсивности процесс является коэффициент его скорости.