Лекция 1. ВВЕДЕНИЕ В ТЕХНОЛОГИЮ ПРОДУКТОВ ПИТАНИЯ Цель лекции:
advertisement
Лекция 1. ВВЕДЕНИЕ В ТЕХНОЛОГИЮ ПРОДУКТОВ ПИТАНИЯ Цель лекции: познакомить студентов с основными понятиями и законами пищевых производств, указать на принципы оптимизации технологических процессов. Разобрать классификацию пищевых производств. 1.1. Основные понятия и законы пищевых производств. 1.2. Принципы оптимизации технологических процессов. 1.3. Классификация пищевых производств. 1.1. Основные понятия и законы пищевых производств. Пищевые технологии (представляют собой системы знаний о способах воздействия различными орудиями труда на сырье, материалы и полуфабрикаты.) Для получения каждого вида продуктов питания применяют свою совокупность методов обработки сырья, материалов или полуфабрикатов. Основу пищевых технологий составляют специфические технологические операции как совокупности типовых процессов. Что же такое пищевое производство? Пищевое производство (представляет последовательных технологических собой совокупность процессов по переработке сырья растительного или животного происхождения с целью получения пищевых продуктов или фармацевтической продукции с заданными свойствами.) Технологии пищевых производств, изучающие способы пере работки сырья в продукты питания, базируются на закономерностях фундаментальных наук — физики, химии, биологии и др. В основе науки о технологических процессах лежат основные законы природы — закон сохранения массы и закон сохранения энергии. Вместе с тем этой науке присущи свои специфические понятия и законы, которым подчиняются технологические процессы. В основе пищевых технологий лежит сложный комплекс физикохимических, биохимических и микробиологических процессов. Два вида переноса. Изучение многих технологических процессов позволило выявить нечто общее, характерное для всех производств. Этим общим является наличие по крайней мере одного из двух возможных видов переноса на каждой стадии превращения сырья в полуфабрикат или конечный продукт. Это перенос энергии или перенос массы. Фундаментальные законы сохранения массы и энергии, на которых основаны любые наши представления о справедливость такого предположения. Для процессах, подтверждают наглядности рассмотрим следующий пример. Возьмем какой-либо аппарат, в котором осуществляется технологический процесс (рис. 3.1). В аппарат подаются сырье в количестве Ма и Мв и технологические добавки в количестве Мс, а из аппарата выходят готовый продукт в количестве Мд и отходы производства Ме. Воспользовавшись законом сохранения массы, получим Это уравнение будем называть материальным балансом. Из уравнения (3.1) видно, что в процессе производства происходит перенос массы из одних компонентов, входящих в аппарат, в другие. Для жидкости, движущейся в потоке, изменяющем свою конфигурацию (рис. 3.2), уравнение материального баланса (3.1) принимает форму уравнения неразрывности потока Живое сечение - это сечение, заполненное жидкостью. Если при безнапорном движении в трубе наблюдается свободная поверхность движущейся жидкости, то живое сечение соответствует только площади сечения самой жидкости. При напорном движении площадь живого сечения совпадает с площадью сечения трубы. Каждый компонент, входящий в аппарат и выходящий из него, вносит или выносит определенное количество энергии. Это теплота материалов, нагретых до определенной температуры (так называемая внутренняя энергия, или энтальпия) Еа, Ев, Ед и Еф, а также кинетическая энергия движущихся потоков Ес. Наконец, это любой вид энергии, сообщаемой потокам в аппарате для осуществления необходимых преобразований и необратимые потери энергии, которые возникают в результате протекания процессов, например потери теплоты в окружающую среду и потери на трение при прохождении потоков через аппарат Е (рис. 3.3). Рис. 3.3. К уравнению энергетического баланса Закон сохранения энергии в этом случае выразится следующим уравнением: Уравнение (3.3) получило название энергетического баланса аппарата. Очень часто при расчетах реальных аппаратов рассчитывают количество расходуемой теплоты. Поэтому уравнение (3.3) называют еще тепловым балансом аппарата. Заметим, что наиболее часто технологические процессы сопровождаются переносом тепловой энергии — теплоты или переносом кинетической энергии — количества движения. Прежде чем перейти к описанию общих закономерностей любого переноса, выясним причины, по которым вещество или энергия переходят из одного компонента в другой. Но вначале об судим причины, вызывающие распространение вещества или энергии от источника в пределах одного физического тела. Движущая сила процесса. Всякий перенос вещества или энергии не совершается сам по себе. Причиной переноса является наличие в системе неравновесия. Для характеристики этого неравновесия воспользуемся известными из физики (раздел «Электричество») понятиями поля и потенциала. Подобно электрическому полю, образующемуся вокруг точечного заряда в пространстве, точечный источник теплоты образует тепловое температурное поле. Это справедливо для точечного источника любого вида энергии и массы. Полем будем называть совокупность значений какой-либо величины в каждой точке рассматриваемого пространства. Если речь идет об источнике теплоты, то температура в пространстве вокруг него зависит от положения точки и от времени: Если изменений температуры во времени нет, то выражение упрощается и мы говорим о стационарном поле в отличие от первого, нестационарного: Каждая точка электрического поля характеризуется своим потенциалом. Ток возникает между двумя точками поля, если потенциалы в них различны. Таким образом, движущая сила процесса — разница потенциалов в двух точках рассматриваемого пространства. Разность потенциалов в двух точках температурного поля есть разность температур. Аналогично в качестве движущей силы других технологических процессов выступает, например, разность концентраций или разность химических потенциалов. В целом ряде процессов движущей силой является механическая сила. Рассмотрим точечный источник теплоты q‚ в плоском сечении пространства (рис. 3.4). Легко представить вокруг этого источника некоторые криволинейные поверхности, вдоль которых Пусть температура на остается поверхности А постоянной. поддерживается температура Т = const, а на поверхности В — температура на ∆Т выше: Скорость изменения температуры от поверхности А к поверхности В можно охарактеризовать отношением ∆Т к отрезку, на котором это изменение достигнуто. Очевидно, что наибольшая скорость достигается в направлении нормали к поверхности n. Таким образом, отношение ∆Т/∆n характеризует максимальную скорость изменения температуры. Воспользуемся знаниями из математики: Градиент — величина векторная, он показывает, что температура увеличивается в направлении к источнику, т. е. навстречу потоку теплоты. Для трехмерного пространства с осями х, у, z градиент записывается уравнением Подобным образом для характеристики поля концентрации С для одного направления а для пространства Понятие «градиент» является универсальным для характеристики любого поля. Законы переноса массы и энергии. Экономическая эффективность любого производства в значительной степени зависит от скорости протекания технологических процессов. Эта скорость тем больше, чем больше движущая сила, и тем меньше, чем больше сопротивление осуществляемому действию. Эти тривиальные рассуждения можно выразить уравнением Величину 1/R можно заменить проводимостью К, и полученное выражение примет вид Это выражение носит название основного (общего) кинетического уравнения. Зная движущую силу конкретного процесса, воспользовавшись общим кинетическим уравнением, можем получить основное уравнение для любого процесса. Для процесса теплопередачи Тепловой поток — это количество теплоты, переносимое через единицу поверхности в единицу времени, Для процесса массопередачи Для гидродинамических процессов, например для фильтрования, Последнее уравнение известно в литературе как уравнение фильтрования Дарси. Приведенные выше кинетические уравнения различных процессов получены из основного кинетического уравнения, что демонстрирует единство материального мира. Еще более убедительно это единство проявляется при анализе дифференциальных уравнений, описывающих рассмотренные процессы. Анализ общего кинетического уравнения (3.11) показывает, что увеличить скорость процесса можно, увеличивая движущую силу либо уменьшая сопротивление. В этом состоит принцип интенсификации технологических процессов. 1.2. Принципы оптимизации технолоических процессов Технологический процесс может быть осуществлен при различных параметрах. При этом затраты энергии, скорость процесса, а следовательно, выход продукции, затраты живого труда, материалов и т. д. различны. Совершенствование производства направлено на поиск таких режимов, при которых затраты были бы наименьшими, а выход — наибольшим. Такой поиск называется оптимизацией, а режим работы аппарата в наилучших условиях — оптимальным. Для оценки эффективности процесса на основания экспериментальных и теоретических исследований выводится критерий оптимизации, куда входят параметры, противоположно влияющие на процесс. Оптимизация при этом будет означать поиск компромисса между этими параметрами. Начнем с того, что каждый процесс может быть периодическим или непрерывным. Для промышленных производств наиболее предпочтительны непрерывные процессы. соответствующих Это аппаратов, и и более снижение высокая затрат производительность на автоматизацию управления процессом, и постоянство качественных показателей выходящей продукции. При периодической работе аппарата возникают большие потери теплоты и механической энергии. Это связано с остановкой аппарата для его разгрузки, а затем с пуском его в работу и выводом на рабочий режим. Первый принцип оптимизации технологических процессов постулировал проф. В. Н. Стабников с сотрудниками: «Оптимально организованный процесс — это, как правило, непрерывный, автоматически управляемый процесс». В каждом непрерывном процессе можно по-разному организовать движение взаимодействующих потоков. Можно направить потоки навстречу друг другу (противоток); можно направить их в одном направлении (прямоток); можно организовать перекрестное движение потоков. Вопрос о преимуществах способа организации движения взаимодействующих потоков должен решаться с учетом конкретных условий. Однако в большинстве случаев оптимальным взаимодействующих потоков. является противоточное движение Кроме направления движения потоков интенсивность процесса переноса зависит также от площади поверхности, через которую происходит перенос. Если взаимодействующие потоки перемешиваются, то интенсивность тем выше, чем чаще встречаются друг с другом свежие, ранее не вступавшие в контакт их части. Поверхность контакта как бы непрерывно обновляется. Этот процесс тем лучше, чем выше турбулизация потоков и скорость их движения. Поверхность контакта можно увеличить, если распылять один компонент в другом, например жидкость в газе. Оптимизация процесса (предполагает также максимальную утилизацию теплоты. Поэтому покидающие аппарат потоки, имеющие высокую температуру, могут быть использованы для подогрева других потоков, участвующих в производстве.) Кроме того, современное производство немыслимо без решения проблем охраны окружающей среды, исключения вредных выбросов. Наши представления об оптимальных процессах сегодня тесно связаны с созданием замкнутых безотходных энергосберегающих технологий, с полной утилизацией отходов и рекуперацией теплоты. Наибольшие трудности расчета связаны с определением кинетического коэффициента переноса, учитывающего сопротивление. Этот коэффициент зависит от множества факторов: свойств взаимодействующих фаз, скорости их движения и, самое главное, режима движения на границах раздела. Несмотря на наличие большого объема экспериментальных сведений о различных конкретных процессах, современная наука о процессах и аппаратах еще не располагает единой аналитической теорией расчета кинетических коэффициентов. Рекуперация – (вторичное использование тепла) 1.3. Классификация основных процессов Все процессы по движущей силе и типу переноса можно разделить следующим образом (табл. 3.1). Данная классификация затрагивает лишь основные процессы пищевых производств. Сюда не вошли процессы, характерные для отдельных отраслей, например химические, биохимические, микробиологические и т. д., которые изучаются в разделах специальной технологии. Контрольные вопросы 1. Что изучает пищевая технология? 2. Дать определение пищевому производству. 3. Какие процессы лежат в основе пищевых технологий? 4. На что указывает уравнение материального баланса? 5. Для какого вещества применяют уравнение неразрывности потока? 6. Что такое живое сечение? 7. Каким уравнением рассчитывают количество расходуемой теплоты? 8. Что такое оптимизация? 9. Выделить классы основных процессов пищевых производств.
