Принцип інтенсифікації технологічних процесів

Під інтенсифікацією технологічного процесу розуміється збільшення швидкості його перебігу наслідком чого є зростання продуктивності за одиницю часу. Згідно з загальним кінетичним законом (10) цього можна досягти збільшенням потенціалу процесу, збільшенням кінетичного коефіцієнту або одночасним збільшенням обох факторів. В практиці харчових виробництв використовуються окремі або всі ці способи інтенсифікації в залежності від особливостей конкретного процесу.

При використанні в якості фактора інтенсифікації потенціалу процесу необхідно мати на увазі (п.2.2.4), що поведінка рівноважної системи обумовлюється не тільки значенням потенціалу, а й значенням рушійної сили — віддаленістю системи від стану рівноваги:

де: АХ — рушійна сила;

Хт — поточний потенціал системи в момент часу т ; X — потенціал системи в стані рівноваги.

Виходячи з рівняння (37), збільшити рушійну силу можна трьома шляхами: збільшенням поточного потенціалу Х_х ,зниженням потенціалу рівноваги Х_р або одночасною зміною обох потенціалів. На практиці частіше використовується спосіб, що полягає в максимально можливому збільшенні початкового потенціалу (Х_о) при т — 0 . Це досягається за рахунок збільшення градієнтів переносу — градієнту температури, тиску, концентрації, напруги струму або іншої переносимо! субстанції.

Згідно з молекулярно-кінетичною теорією взаємодії підвищення температури в зоні реакції призводить до збільшення швидкості руху молекул (іонів, атомів), через що зростає ймовірність їх зіткнення і взаємодії. Крім того, підвищення температури збільшує внутрішню енергію взаємодіючих часток, а це збільшує кількість ефективних контактів між ними. За правилом Ареніуса - Ванпг-Гоффа підвищення температури в зоні реакції на 10° С збільшує швидкість реакції в 2—4 рази. Таким чином, вплив підвищення температури на швидкість процесу має комплексний характер. Воно впливає як на потенціал, так і на кінетичний коефіцієнт. Проявом останнього є зростання коефіцієнтів дифузії, тепло- та масообміну й ін.

Шляхом підвищення температури інтенсифікують процеси термічного сушіння, уварювання, випарювання, розчинення, десорбції та інших. Для цього підвищують температуру в робочій зоні або попереднім нагрівом продуктів, або підігрівом робочої зони за допомогою барботування гарячої пари, змійовиків або обігрівальних кожухів. У випадку зворотніх процесів — конденсації, кристалізації, абсорбції, адсорбції, сублімації збільшення швидкості процесу досягають зниженням температури в робочій зоні. Це можливо шляхом попереднього охолодження продукту або безпосереднім охолодженням робочої зони апарата.

Значно більшого ефекту інтенсифікації можна досягнути шляхом одночасного поєднання впливу температури і тиску. Найчастіше таке поєднання використовується при проведенні процесів, частина або всі компоненти яких знаходяться в газовій фазі. Наслідком збільшення тиску є підвищення парціальних тисків газових компонентів, що рівнозначно збільшенню їх концентрації. Для гомогенного процесу в газовій фазі швидкість реакції прямо пропорційна відносному тиску в ступеню, що дорівнює порядку реакції, тобто:

и = кр^я , (38)

де: к — кінетичний коефіцієнт, залежний від константи швидкості та рушійної сили процесу;

р — відносний тиск (відношення фактичного тиску до атмосферного);

п — значення порядку реакції.

Якщо має місце гетерогенний процес, то на його швидкість впливає також інтенсивність фазової взаємодії компонентів, яка пропорційна площі фазового контакту. В цьому випадку функціональна залежність описується таким рівнянням:

о = кРАр , (39)

де: Р — площа фазового контакту;

Ар ~ рушійна сила (різність парціальних тисків компонентів).

Поєднання зміни температури і тиску широко використовується в харчових технологіях при проведенні сорбційних, хімічних, гідромеханічних та інших процесів. Так, наприклад, у цукровій промисловості, вино- і пиворобному, безалкогольному виробництвах для прискорення насичення розчинів вуг-лекислотою підвищують її тиск та знижують температуру рідкої фази. Для інтенсифікації процесів сушіння, випарювання, уварювання поєднують підвищення температури до найбільш можливої межі зі зниженням тиску (вакуумуванням). У процесах конденсації, навпаки, знижують температуру і підвищують тиск. Для прискорення фільтрування та мембранних процесів тиск або збільшують над мембраною, або зменшують під нею.

Але найбільш поширеним у харчових технологіях способом інтенсифікації є зміна концентрацій взаємодіючих компонентів, її забезпечують або підвищенням початкової концентрації вихідних компонентів, або зменшенням рівноважної за рахунок відведення цільового продукту з робочої зони. Для підвищення початкової концентрації, в залежності від агрегатного стану компонентів, проводять сортування, очищення, збагачення твердих видів сировини, а у випадку рідин або газів — концентрування, очищення від шкідливих домішок, підвищення тиску. Відведення цільового продукту також можна здійснювати різними способами в залежності від його агрегатного стану, твердого — осадженням, фільтруванням, центрифугуванням; газо- або пароподібного — видаленням, конденсацією, вибірковою адсорбцією або абсорбцією; рідкого — кристалізацією, діалізом, відсмоктуванням тощо.

В гетерогенних процесах збільшенню рушійної сили сприяє зростання або оновлення поверхні фазових контактів реагуючих речовин. Це призводить до збільшення ймовірності контактів та взаємодії реагентів, що рівнозначно підвищенню концентрації. Збільшення поверхні фазових контактів в гетерогенній системі "газ — рідина" зазвичай досягають такими засобами, як:

♦ утворення тонкого шару або плівки рідини шляхом її розподілу на поверхні насадок або інших носіїв (барабанні сушарки, насадкові абсорбери, плівкові випарні апарати);створення рідкого аерозолю шляхом розпилювання,розбризкування рідини в певному робочому об'ємі газу(розпилювальні сушарки, льодогенератори, коптильні агрегати з рідкими аерозолями);

♦ диспергування газової фази в рідині (реактори-барботери, тарілчасті ректифікаційні апарати, сатуратори, пінні апарати з завислим шаром).

В гетерогенних системах "газ — тверде тіло" або "рідина — тверде тіло" збільшення поверхні фазових контактів забезпечується такими засобами:

♦ зменшенням розміру часток твердої фази та рівномірним її розподілом в робочому об'ємі рідини або газу;

♦ інтенсивним механічним перемішуванням подрібненої твердої фази у робочому об'ємі;

♦ створення завислого ("киплячого") шару подрібненої твердої фази шляхом продування через нього газу або пропусканням потоку рідини.

Ці засоби збільшення або оновлення поверхні фазових контактів широко використовуються в конструкціях багатьох технологічних машин та агрегатів для сушіння, коптіння, соління, очищення, освітлення харчових продуктів.

Інтенсифікацію технологічних процесів можна, як зазначено вище, забезпечити також шляхом збільшення кінетичних коефіцієнтів. Розроблено велику кількість таких способів прискорення перебігу перетворень. В їх основу покладено руйнування або зменшення товщини прикордонного рівноважного шару, зміну властивостей або структури взаємодіючих у процесі компонентів. Для руйнації чи зменшення рівноважного шару, що утворюється на межі розділення фаз, використовують різні методи збуджень: вібрацію, турбулізацію, активацію поверхні, імпульсні зміни (пульсацію) температури, тиску, напруги тощо.

Для збільшення кінетичних коефіцієнтів шляхом зміни властивостей або структури компонентів необхідно викликати зміни на їх міжмолекулярному, молекулярному та атомарному рівнях. Це можливо здійснити за допомогою електричних та магнітних полів, іонізуючих випромінювань, світлових та акустичних збуджень, теплового удару тощо. Розвиток фундаментальних наук постійно доповнює арсенал цих методів.

2.5. Принцип оптимального варіанта (принцип оптимізації)

Цей принцип отримав таку назву тому, що сутність його полягає саме в виборі серед багатьох можливих варіантів одного або декількох, які є найбільш придатними, оптимальними для конкретних умов підприємства, технологічного процесу або окремої операції. В якості критеріїв відбору можуть бути різні показники: собівартості, продуктивності, доступності, якості, безпеки, технічної досконалості тощо. Принцип може бути застосований до вибору того чи іншого варіанту технологічного процесу; технологічної лінії; варіантів компонування складових лінії; типу і продуктивності машин і апаратів в складі лінії; параметрів режиму; видів сировини і матеріалів; номенклатури продукції; варіантів рецептури й т.ін. У кожному конкретному випадку він зводиться до вибору того варіанту процесу, лінії, машини, режиму чи інших складових процесу, які б забезпечували успішне виконання виробничого завдання при оптимальних витратах.

У технологічній практиці цей принцип використовують найчастіше при проектуванні, модернізації або дослідженні процесів. Завдання оптимізації варіанта можна вирішувати різними методами: експериментальними, експертними або аналітичними. При невеликій кількості можливих варіантів проводять їх експериментальну перевірку (перебір) на реальних або модельних об'єктах. Таким шляхом, наприклад, обирають варіанти компонування і розміщення обладнання, вибір варіантів сировини, технологічного режиму та його параметрів, рецептури складу тощо. При неможливості або недоцільності експериментальної перевірки, а також в разі невизначеності, недостатності вихідних даних про варіанти користуються експертними оцінками, тобто вибір ґрунтується на судженнях експертів — висококваліфікованих фахівців, які мають досвід у вирішенні подібних завдань.

При великій кількості варіантів і можливості представлення їх у формалізованому виді (математичних рівнянь) використовують математичні (аналітичні) методи, частіше всього методи лінійного та нелінійного програмування, методи функціонально-вартісного аналізу, методи теорії масового обслуговування та інші. Спочатку всю сукупність варіантів досліджують методами факторного, кластерного або логічного аналізу для групування варіантів за певними критеріями. Завдяки такій процедурі проводиться "просіювання" варіантів, зменшення їх кількості або формування певного числа однорідних груп варіантів. Далі для кожного з варіантів (або груп) складають математичний опис у вигляді систем рівнянь та нерівнянь за вибраним методом оптимізації і обчислюють ці системи за допомогою комп'ютерних технологій.

Математичні методи дають можливість отримувати точні кількісні оцінки того чи іншого варіанта, але, на жаль, тільки за одним критерієм. Якщо ж треба мати оцінку за декількома критеріями, то вибирають компромісний варіант.

Використання принципу оптимального варіанта дає можливість об'єктивного обґрунтування доцільності та економічної ефективності впровадження в харчових виробництвах новітніх досягнень науки, техніки, передового досвіду; оптимальних параметрів технологічних режимів; високопродуктивного обладнання; ресурсо- та енергозберігаючих технологій, комплексної механізації і автоматизації; сучасних інформаційних управляючих систем і технологій. Саме цей принцип забезпечує в умовах конкретного виробництва обрання того варіанта процесу, в якому оптимально враховуються вимоги законів фундаментальних наук, економіки і управління і завдяки цьому досягається головна мета виробництва — випуск запланованої продукції в заданому обсязі потрібного рівня якості при мінімальних витратах.

Читайте також:

<== попередня сторінка	\|	наступна сторінка ==>
Принцип раціонального використання енергоресурсів та устаткування	\|	Фондові біржі як суб'єкт економічних відносин.

Не знайшли потрібну інформацію? Скористайтесь пошуком google:

Генерація сторінки за: 0.012 сек.