Остапчук М.В., Рибак А.І. Системи технологій (за видами діяльності)
Подождите немного. Документ загружается.
рівноваги К обчислюється як відношення константи швидкості прямої
пеакції до зворотної при рівновазі, тобто при рівності
- концентрації або парціальні тиски реагуючих компонентів в стані
рівноваги. Для газів константу рівноваги можна виразити через парціальні
тиски реагуючих компонентів Рі, кон-Центоашї компонентів Сі (наприклад, в
моль/
м
3
) та нарешті через
51
їх мольні частки Ni. Відповідно одержують константи рівноваги, які
позначують Кр, Кс, Кn. Вони пов'язані між собою рівняннями
Де p- загальний тиск газової суміші;
N
— приріст числа молей газів після реакції.
Для модельної реакції
Для одержання безрозмірних значень константи рівноваги в формулу
підставляють відносні величини. Наприклад, відношення дійсних
парціальних тисків до стандартних, рівним 0,1 МПа. Для розчинів
користуються мольними концентраціями, або ж концентраціями іонів.
Рівняння для обчислення рівноваги не годиться, оскільки рівноваги
концентрацій звичайно не відомі і визначаються тільки при відомих
початкових концентраціях. Чисельні значення констант рівноваги для різних
реакцій визначаються дослідами або розраховуються аналітично в залежності
від температури та тиску, наведено у вигляді таблиць, номограм в
довідниках. Для їх визначення за дослідними даними константи виражають
через вихід продукту.
Використовуючи принцип Ле-Шательє до конкретних процесів, можна
встановити величину зміни параметрів, які необхідні для виміру стану
системи.
Використовуючи правило фаз Гібса
можна встановити кількість змінних (число ступенів свободи S), які
визначають рівновагу системи при числі компонентів системи K та числі
фаз f
Дисципліна "Процеси та апарати" вивчає рівновагу одиничних процесів та
встанавлює правила побудови ліній рівноваги та ліній робочих концентрацій.
В біохімічних процесах проявлення законів рівноваги має свої особливості,
які будуть розглянуті при аналізі кінетики біохімічних реакцій.
2.3.2. Кінетика технологічних процесів
Кінетика вивчає закономірності зміни характеристик процесу протягом часу.
В основі цієї науки лежить поняття про швидкість процесу. Кінетика зв'язана
з теорією диференціальних рівнянь, термодинамікою та статистичною
фізикою.
52
Теорією диференціальних рівнянь користуються для формального опису
зміни характеристик протягом часу. Термодинаміка дає можливість виз-
начити напрямок процесу, а апарат статистичної фізики лежить в основі
побудови молекулярних кінетичних теорій.
Для складання математичного опису широко використовують кінетичні
рівняння. Спільність різних одиничних процесів заключається в єдності їх
кінетичних закономірностей, які наука про процеси та апарати формулює
таким чином.
Значення швидкості перебігу якого б не було явища дорівнює добутку його
потенціалу на кінетичний коефіцієнт, а спільна Лпгша математичного запису
єдності явищ має вигляд
Де l — швидкість;
L — кінетичний коефіцієнт;
X— потенціал.
Під потенціалом звичайно розуміють міру відхилення системи від
рівноважного стану (градієнти концентрації, тиску, температури та інше).
Під кінетичним коефіцієнтом розуміють швидкість перебігання явищ при
потенціалі, що дорівнює одиниці (коефіцієнти тепловіддачі,
теплопровідності, константи швидкості хімічної реакції і т.д.)
Фізичну або фізико-хімічну кінетику можна уявити як теорію нерівноважних
макроскопічних процесів, які виникають в системах, виведених із стану
термодинамічної рівноваги. Вона вивчає тепло- та масообмінні процеси, а
також подрібнення, розподілення та інші механічні процеси.
Біологічна кінетика вивчає закономірності явищ, які перебігають у живій
природі. Вона поділяється на чотири основних напрямки: біохімічна,
біофізична, мікробіологічна та популяційна кінетика. Для харчових
виробництв найбільше значення має біохімічна кінетика, яка вивчає
швидкості біохімічних реакцій, а її методи дозволяють встановити механізм
ферментативного каталізу.
Біохімічна кінетика має свої особливості, що пов'язані зі специфікою
ферментативних каталітичних реакцій. Ферменти не відрізняються від
звичайних каталізаторів абіогенної природи в тому розумінні, що вони не
порушують рівновагу реакції. Ферментативні реакції забезпечують повний
вихід продуктів без утворення побічних речовин. Швидкість перебігання при
м'яких фізіологічних умовах (рН = 7; t = 37 °С) збільшується в (
10
12
...
10
18
) разів.
53
Кінетика фізико-хімічних процесів вивчає закономірності фізичних та
фізико-хімічних явищ: нагрівання, охолодження, сушіння, сорбції,
перегонки, кристалізації, перемішування, осадження, подрібнення,
гранулювання, розподілу, сепарування і т.д.
Для окремих класів явищ загальний вид кінетичного рівняння може бути
представлений у вигляді відомих законів пепеног.у
Для теплопровідності — законом Фур'є
Для молекулярної дифузії — законом Фіка
Для фільтраційного переносу речовин — законом Дар сі
Перенесення кількості руху (внутрішнє тєртяї - - зякгшпм
Ньютона
Для електропровідності — законом Ома
В цих рівняннях відповідно Q, G,
q
e
, f— кількість теплоти маси, сили тертя,
електрики;
32 k,,k,kl,D,
— коефіцієнти теплопровідності, дифузії,
фільтрації, тертя та інші - є кінетичними
коефіцієнтами; - градієнти концентрації,
температури, швидкості, напруги, тиску, положення, які є потенціалами
переносу.
Наведені кінетичні закономірності описують явища переносу в якийсь тільки
визначений момент часу у визначенній точці простору, тобто в зв'язку з
нестаціонарністю технологічних процесів, які здійснюються у виробничих
машинах та апаратах, градієнти та потенціали не залишаються сталими.
В нестаціонарних умовах явище молекулярної дифузії, яке наприклад має
місце при сушінні, описується рівнянням, відомим під назвою другого закону
Фіка
Щоб одержати залежність концентрації в даній точці системи від часу,
координати, фізичних властивостей с = f (
, х, с), тобто щоб розв'язати це
рівняння, треба задатися умовами однознач-
54
ності. Наприклад, нехай дифузія перебігає в умовах нескінечної пластини
товщиною 1, а концентрація речовин в пластині в початковий момент часу
розподілена рівномірно, тобто
В будь-який час
концентрація дифундуючої речовини на границі розділу
фаз дорівнює нулю
Спільність механізму переоігання - ознака класу явища. Спільність фізичної
природи — ознака типу явища.
При послідовному перебігу декількох явищ кінетичні коефіцієнти
перетворюються. Наприклад, тепловіддача від рідини до стінки через
одиницю поверхні в одиницю часу описується рівнянням
)(
tta
Q
стp 111
1
Теплопровідність через стінку
)(/
t
ст
tG
ст22
1
Тепловіддача від стінки до рідини
a
2
Q
3
)(
t
ст
t
p2
2
Прирівнюючи, одеожимо Q=
),(
tt
QQQ
pp 21
321
— відповідно коефіцієнти
тепловіддачі, теплопровідності та теплопередачі. В цьому випадку коефіцієнт
теплопередачі є комбінацією коефіцієнтів тепловіддачі та теплопровідності.
Одночасно перебіг декількох типів та класів взаємно впливаючих один на
одного явищ призводять до появи складних явищ, які вивчаються
термодинамікою незворотних процесів. Накладення явищ різної природи
приводить до того, що перебігання процесу характеризується новими
кінетичними коефіцієнтами. Відповідно з основним положенням в
термодинаміці незворотних процесів будь-яка течія виникає під дією всіх сил
так звані власні феноменологічні коефіцієнти або взаємні
коефіцієнти.
55
2.4. Технологічні закономірності технології
2.4.1. Використання законів фундаментальних наук
в технології
Основні або загальні завдання в технології (забезпечення заданих або
оптимальних властивостей готової продукції, відповідність виробництва
екологічним умовам та безпеки для працюючих, ресурсо- та
енергозбереження, інтенсифікація, інформаційне забезпечення виробництва
та забезпечення найбільшого прибутку) можуть бути використані тільки при
врахуванні основних технологічних принципів: найкращого використання
сировини, скорочення часу проведення процесів, найкращого використання
енергії, устаткування, технологічної домірності та утилізації відходів.
Загальним інтегральним показником довершеності технологічного процесу є
питомі або зведені затрати на одиницю готової продукції при обмеженнях за
якістю продукції, відсутності або мінімально можливого нанесення шкоди
довкіллю та додержання правил техніки безпеки. Додержання цих
технологічних принципів можливе тільки з урахуванням фундаментальних
фізи-ко-хімічних та біологічних законів одиничних процесів, законів
економіки та кібернетики (керування). Будь-яке технологічне рішення не
повино суперечити основним законам науки, відповідати сучасним її
досягненням, а також відповідати сучасному стану техніки та сприяти
соціальному прогресу.
У зв'язку з суперечністю деяких вимог вибір оптимального варіанту
технологічного процесу можливий прямим перебором великого числа
варіантів або використанням сучасних методів оптимізації складних систем з
використанням обчислювальної техніки, які знижують затрати на пошук
найкращого варіанту.
Розглянемо послідовність принципів найкращого використовування
сировини, підвищення швидкості процесів, найкращого використання
устаткування та енергії, оптимального варіанту та утилізації відходів.
Використання законів фундаментальних наук іноді дозволяє знайти єдине
правильне рішення. В технології, яка спирається на цілу систему принципів
фундаментальних наук, необхідно враховувати суперечність різних
принципів, які до того ж обумовлюються конкретними місцем та часом, це
зробити важко.
56
Рекомендації, що засновані на різних технологічних принципах, можуть
суперечити вимогам деяких фізико-хімічних або біологічних
закономірностей. Наприклад, додержуючись принципу підвищення
швидкості перетворення речовин, треба збільшити поверхню фазового
контакту реагуючих фаз. Проте розвинена поверхня контакту в разі значного
теплового ефекту реакції може привести до надлишкового перегріву системи
та до роботи при температурах невигідних для положення рівноваги. Іншим
прикладом може бути небажаність використання теплового протитоку з
точки зору якості кінцевого продукту або стійкості конструктивних
матеріалів устаткування.
Крім того, основні закони фізики, хімії, біології, економіки та кібернетики
часто мають лише якісні характеристики для технологічного процесу. Для їх
ефективного використання потрібна кількісна оцінка. Наприклад, при
розрахунках одиничних процесів треба знати константи швидкостей реакції,
коефіцієнти тепло та масообміну, властивості проміжних продуктів і робочих
агентів в конкретних умовах даної технологічної операції, а при виборі
оптимального рішення треба ще й визначити метод розв'язання поставленої
задачі.
Найбільш економічний (оптимальний) процес повинен проходити з найбільш
можливою швидкістю на всіх етапах при максимальному використанні
сировини, мінімальних витратах енергії (ресурсоенергозбереження) та при
високому виході кінцевого продукту з одиниці об'єму або робочої площі
устаткування. В промисловості через велику вартість, обмежені терміни
зберігання сировини суттєвим є принцип найкращого використання
сировини. Основоположним для збільшення швидкості перетворень є
принцип збільшення різниці потенціалів. Необхідно також враховувати опір
системи перетворенню сировини в готові продукти. Зменшення опору сприяє
найкращому використанню енергії та устаткування. Принцип оптимального
варіанту полягає в усуненні суперечностей, які виникають при використанні
перших чотирьох принципів, а також забезпеченні безперервності, зручності
обслуговування, можливості керування та ін. Кількісні оптимальні рішення
можна одержати складанням відповідних математичних моделей, які
дозволяють використати один із можливих методів оптимізації складних
систем з наступним розрахунком на ЕОМ.
57
2.4.2. Принципи ресурса- ma енергозбереження в технології
Вартість сировини, тобто речовини з якої виробляють готову продукцію
складає значну частину вартості виробництва. У зв'язку з цим для всіх без
винятку виробництв максимальне використання сировини є одним із
основних засобів зниження питомих затрат на виготовлення продукції.
Основними показниками якості сировини вважають наявність або
концентрація в ній корисної речовини. Наприклад, в залізній руді міститься
(50...70)% заліза, в мідній — (0,5...3,0)% міді, в марганцевій — (20...50)%
марганцю, урану в урановій руді міститься біля 1%. В цукровому буряку
міститься (16...24)% цукру. Вихід м'яса складає біля 50% від живої ваги
тварини і т.п.
Крім основної сировини використовують допоміжну, яка полегшує
вилучення цільового продукту: розчинники при екстрагуванні,
піноутворювачі при флотації, поглиначі при адсорбції небажаних речовин.
Наприклад, для вилучення олії із рослинної сировини на кожну тону
сировини витрачають 8 кг бензину.
Вода є дуже важливою допоміжною сировиною, оскільки в більшості
виробництв без використання води неможливе виробництво взагалі. Не
меншу роль як робочий агент грає повітря.
Комплексне використання сировини полягає в переробці всіх складових
частин сировини без відходів. Комплексне використання сировини частково
розв'язує питання про екологію виробництва, бо при цьому не потрібні
затрати на будівництво очисних споруд.
Вважають, що кожні 11 років потреба в сировині у світі подвоюється.
Людство вже давно використовує природні ресурси — вугілля, торф, нафту,
гази, руди, мінерали, різні солі. А вартість сировини становить (60...70)%
собівартості продукту. І хоч поки що підприємства забезпечуються всіма
видами сировини, нестача деяких починає відчуватись, і виникає проблема
матеріальних ресурсів. Є декілька способів їх розв'язання:
■ використання доступної сировини (природного газу, продуктів
нафтопереробки тощо);
■ використання концентрованої сировини (з великим вмістом корисних
компонентів). Концентрують таку сировину на збагачувальних фабриках, в
результаті цього стають дешевшими транспортування і переробка сировини,
забезпечується швидке проведення хімічних реакцій та більший вихід
продукту;
58
■ заміна харчової сировини нехарчовою. Так, замість жиру для добування
миючих засобів використовують парафіни нафти, етиловий спирт добувають
не з картоплі, пшениці і жира, а з етилену тощо. Для добування 1000 т
натурального каучуку необхідна праця 15500 робітників, а для такої ж
кількості синтетичного — тільки 15 робітників. Як бачимо, цей напрямок
пов'язаний із зменшенням матеріальних та трудових затрат.
При складанні матеріального балансу враховують всі корисні речовини в
сировині та їх теоретично можливий вихід на всіх технологічних операціях
(основні, допоміжні, інертні). Складання балансу або продуктового
розрахунку є важливим та першим етапом як аналізу так і синтезу
технологічної схеми виробництва.
На відміну від матеріального балансу, який складають для дослідження та
розрахунку одиничних процесів, продуктовий розрахунок більш близький до
дійсних умов проведення процесу, оскільки враховує втрати на всіх етапах
технологічного процесу. Продуктові розрахунки враховують всі можливі
відхилення від теоретичного виходу основного продукту, які виникають за
термодинамічними (стан рівноваги зворотного ходу реакцій не дозволяє
доводити основні перетворення до кінця), кінетичними (теоретична
можливість перетворення не досягається через низькі швидкості реакцій) та
іншими причинами, обумовленими самим механізмом процесу (наприклад,
побічні реакції зменшують вихід основного продукту). За основу
матеріального балансу беруть одиницю маси продукту або кількість
продукту, який одержують протягом певного періоду (година, доба, рік).
Основні або головні показники якості сільськогосподарської сировини
пов'язані з можливостями вилучення певних компонентів (цукру, олії,
крохмалю тощо), тому високий вміст потрібного компоненту, мінімальна
кількість домішок, відсутність пошкоджень, які ведуть до втрат при
зберіганні сировини та погіршенню якості продукції є важливими
показниками якості сировини. Якість руд визначається вмістом основного
компоненту (заліза, міді, урану тощо).
Завищені витрати сировини приводять до зниження потужності
технологічних ліній по готовому продукту. Для тих галузей промисловості, в
яких потужність визначається кількістю переробленої сировини за одиницю
часу, від якості сировини залежить кількість виробленої продукції та міра
використання устаткування. Завищені витрати сировини приводять до
збільшення
59
витрат пального, електроенергії, води на одиницю продукції, тобто
приводять до збільшення собівартості продукції.
При виробництві продуктів з особливими вимогами до смаку та аромату
(вина, соки і ті.) уважно ставляться до підбору сортів з відповідним складом
органічних кислот, цукру та інших компонентів, які забезпечують
передбачені стандартами показники якості готового продукту. Особливе
значення має вибір таких видів сировини, які мають більші періоди
зберігання, оскільки при підвищенні припустимих періодів зберігання якісні
показники готового продукту або вихід його зменшуються. Поряд з чистотою
сировини та відсутністю вад і пошкоджень важливе значення ма-ють
стандартні розміри та правильна форма сировини. Для вироблення деяких
видів продукції спеціально підбирають та вирощують сорти городини та
садовини певної форми з незначною глибиною залягання очок, з
оптимальною товщиною шкірки тощо.
В таких виробництвах якість сировини визначає рівень механізації та
автоматизації процесів очищення. В консервній галузі механізація процесів
можлива при правильній формі та стандартних розмірах городини та
садовини. При неправильній формі та різних порушеннях (вадах)
використовується ручне доочищення, яке значно знижує ефективність,
приводить до перевитрат сировини та підвищенню собівартості продукції.
Особливі вимоги до якості сировини ставляться при виробництві дієтичних
продуктів та продуктів дитячого харчування, які пов'язані з суворими
обмеженнями у використанні добрив та ядохімікатів при вирощуванні та при
рільничій обробці землі.
З розвитком технологічних процесів, розширенням асортименту продукції,
підвищенням рівня механізації та автоматизації вимоги до якості сировини
не тільки підвищуються, а зовсім змінюються.
Вимоги до виведення нових сортів плодів, зерна, олійних та інших культур
ставляться перед селекціонерами. Хімічний склад, фізичні властивості та
форма сировини повина відповідати новим прогресивним технологіям та
забезпечувати одержання продукції підвищеної якості.
Синтез їжі з неорганічних речовин поки є більше теоретичною науковою
проблемою, але породжує проблему знаходження нових видів сировини. Є
деякі успіхи в перетворенні природних органічних речовин шляхом
використання хімічних та мікробіологічних методів обробки. Технологія в
основному складається з
60
операцій по виведенню з органічних сполучень окремих складових частин та
комбінації їх для створення продуктів з новими поживними та смаковими
властивостями з непридатної для виготовлення харчів сировини. Створенням
таких технологій можна збільшити харчові ресурси та особливо ресурси
білку. Найбільш відомим продуктом є штучна чорна ікра (кав'яр). Основним
напрямком досліджень цієї проблеми вважають пошук ефективних методів
одержання та використання білків мікробіологічного походження, а також
одержання білків із риби, сої, насіння олійних культур, водоростів,
вторинних молочних продуктів та ін.
При розширенні виробництва білків рослинного походження можна буде
замінити значну частину м'яса при виробництві м'ясних продуктів та молока.
Для одержання харчового білка поряд з продуктами рослинного походження
є можливість використати малоцінні продукти тваринного походження
(малоцінну рибу та інші морські організми).
Важливим джерелом білка є дріжджі. З хлібопекарських дріжджів можна
одержати чисті білки та амінокислоти у вигляді порошку для збагачення
різних мучних продуктів та кулінарних виробів.
Промисловість споживає значну кількість енергії, яка витрачається на
безпосереднє проведення технологічних операцій, транспортування та інші
допоможні операції. Витрати енергії визначають кількість кіловат-годин на
одиницю (маса, об'єм, штука) продукції — для електричної енергії та
кількістю палива і теплоти на одиницю продукції — для теплової.
Електрична енергія використовується головним чином для приводу машин та
апаратів, транспортуючих пристроїв, а іноді для перетворення в теплову.
Теплова енергія використовується в основному для технологічних операцій
нагрівання, стерилізації, пастеризації, плавлення, сушіння, випаровування,
ректифікації і т.д. Теплова енергія частіше всього використовується у вигляді
пари або гарячої води. Енергоємні ' підприємства (хімічні, металургійні,
цукрові заводи) як правило мають свої котельні значної потужності та навіть
електростанції. В такому випадку витрати енергії визначаються одним
показником.
На жаль витрати енергії на виробництво харчових продуктів в Україні майже
в 2,4 рази більші, ніж в Європі.
Ефективність використання енергії в технологічному процесі встановлюється
за допомогою енергетичного балансу. Основою служить закон зберігання
маси та енергії, математичне формулювання якого було неведено раніше.
61
Частку використання теплоти в технологічному процесі або технологічній
операції зображають тепловим ККД або коефіцієнтом використання енергії,
під яким розуміють відношення кількості теплоти, що використана на
ведення технологічної операції Qт, до загальної кількості витраченої теплоти
Qз
Якщо при проведенні процесу енергія підводиться або відводиться в іншій
формі, то в загальному балансі вона враховується за допомогою відповідних
еквівалентів теплоти. В цьому разі кількість енергії, підведеної до системи, та
одержаної в результаті перетворень (відвід теплоти), повино бути рівним
кількості, яка витрачається на проведення окремих етапів процесу, перетво-
рюється в інші види енергії та відводиться із системи матеріальними
потоками, а також втрачається в навколишнє середовище (втрати теплоти).
Для складання теплового балансу необхідно мати кількісні значення питомих
теплоємностей, які беруть участь в процесі обміну речовин, теплових ефектів
хімічних реакцій (з термохімічних розрахунків) та теплоти фазових
перетворень.
На основі цих даних, а також хімічного складу та кількості речовин (витрат)
в окремих потоках можна розрахувати теплову частку різних перетворень,
які уявляють собою статті приходу та витрат (балансу) теплоти окремих
етапів та всього технологічного процесу.
Теплові втрати визначаються за відомими формулами, проте вони залежать
від умов проведення процесу (потоки матеріалів, товщини стінок та ізоляції).
В попередньому балансі їх значення використовують як приблизні, що
встановлені за даними аналогічних реалізованих раніше процесів. Подібні
приблизні значення приймаються і для визначення витрат електроенергії
(подрібнення, сортування, перемішування, транспортування).
Економії енергії досягають створенням більш сучасних видів устаткування,
використанням менш енергоємких технологічних операцій, багатократним
використанням теплоти, зменшенням втрат теплоти в довкілля.
Наприклад, в процесі подрібнення твердих тіл вихідний подрібненний
продукт повинен містити фракції тільки заданного "непереподрібненого"
продукту, а в процесі сушіння — не пересушувати тощо. "Переподрібнення"
та "пересушування" пов'я-
62
зані з надлишковими витратами енергії, а крім того можуть привезти до
одержання некондиційного продукту. Одним із засобів економії енергії є
вилучення з потоку початкового продукту частинок необхідної кінцевої
якості (розмірів, вологості) перед тим, як направити матеріал на подальшу
переробку, тобто вилучення будь-якого цільового компоненту з початкового
потоку.
Розповсюдженим засобом скорочення втрат енергії є використання
відпрацьованих теплоносіїв на інші технологічні операції, проведення яких
можливе при більш низьких температурах, а також широко відомий в
промисловості метод багатократного використання теплоти основного
потоку (охолодження дефлегматорів потоком продукту, багатокорпусні
випарні установки та інш.). Можливо також зменшити втрати теплової
енергії найкращим сполученням (поєднанням) напрямків потоків, заміна
випарювання виморожуванням вологи, старанна ізоляція гарячих поверхонь
та ін.
2.4.3. Принцип інтенсифікації процесів
Для інтенсифікації процесу (збільшення швидкості, підвищення потужності
тощо) відповідно наведенним вище закономірностям треба збільшити
різницю потенціалів, кінетичні коефіцієнти (константи), поверхню контакту
фаз. Розглянемо ці засоби більш конкретно.
Під інтенсифікацією звичайно розуміють скорочення часу технологічної
операції. Засоби інтенсифікації визначимо виходячи з відомих теоретичних
уявлень про основні технологічні процеси, які використовуються в
технології. Загальні уяви про викладені вище закономірності технологічних
процесів можуть бути виражені одним відомим феноменологічним лінійним
рівнянням, відповідним першому закону термодинаміки
Де q — щільність потоку теплоти або маси;
К — кінетичний коефіцієнт (залежний від фізико-хімічних властивостей