Використання основних процесів при зберіганні сільськогосподарської продукції
План
1. Класифікація основних процесів.
2. Поняття про баланси процесу.
1. Класифікація основних процесів.
Будь які дії, повязанні із зміною положення сільськогосподарських матеріалів у просторі, їх фізико-хімічних, біологічних змін призводить до видалення вологи та зниження температури, так як такі матеріали знаходяться у певній системі.
Система – сукупність тіл, що взаємодіють між собою. Зміна стану будь- якої системи, її безперервний рух і розвиток, що проходить в природі, лабораторії, суспільстві називається процесом.
Для зміни необхідних параметрів у матеріалі існують певні процеси, що штучно створюються з певною технологічною метою. Технологія – наука про практичне застосування законів фізики, хімії, біології та інших наук для проведення технологічних процесів. Виникла наприкінці XVІІІ ст. як самостійна галузь знань в зв’язку з ростом машинного виробництва.
Технологічний аппарат (від лат. аpparatus- обладнання) – це пристрій, обладнання, що призначене для проведення технологічних процесів.
Машина – пристрій, що виконує механічний рух з метою перетворення енергії або матеріалів. Технологічні машини перетворюють форму, властивості і положення матеріалу, що обробляється.
Протікання будь-якого процесу зв’язано з нерівномірним розподілом деякої величини в просторі, що вивчається. Ця величина П називається потенціалом. Умовою рівноваги є рівність потенціалів.
1. В залежності від основних законів, які є визначальними при протіканні процесу, розрізняють:
Гідромеханічні процеси, швидкість яких визначається законами гідродинаміки – науки про рух рідин і газів. До них відносять: переміщення рідин, стиск і переміщення газів, розділення рідких і газових неоднорідних систем у полі сил тяжіння (відстоювання), у полі центробіжних сил (центрифугування), під дією різниці тисків через пористий шар (фільтрування) і перемішування рідин.
Теплові процеси, швидкість протікання яких визначається законами теплопередачі. Такими процесами, в .т.ч. нижче температури навколишнього середовища, є: нагрівання, охолодження, випаровування і конденсація пари.
Швидкість теплових процесів великою мірою залежить від гідродинамічних умов (швидкостей, режимів руху), за яких відбувається перенесення тепла від одного середовища до іншого.
Масообмінні (дифузійні) процеси характеризуються перенесенням одного або декількох компонентів вихідної суміші з однієї фази в іншу через поверхню розподілу фаз. Найбільш повільною є молекулярна дифузія. До цієї групи процесів відноситься: адсорбція, перегонка (ректифікація), екстракція розчинів, розчинення пористих тіл, кристалізація, абсорбція і сушіння.
Протікання процесів масообміну тісно зв’язано з гідродинамічними умовами фаз на межі їх розділу та часто – разом з паралельними масообмінними процесами відбувається перенесення тепла (теплообмін).
Хімічні (реакційні) процеси, які проходять зі швидкістю, яку визначають закони хімічної кінетики. Хімічним реакціям, як правило, характерні перенесення маси і енергії. Але при цьому необхідно враховувати і гідродинамічні умови.
Механічні процеси описуються законами механіки твердих тіл. Ці процеси застосовуються в основному для підготовки вихідних твердих матеріалів і обробітку кінцевих твердих продуктів, а також для транспортування кускових і сипких матеріалів. До механічних процесів відносять: подрібнення, сортування (класифікація) і змішування твердих речовин.
За способом організації основні процеси поділяють на: періодичні, безперервні і комбіновані. Перевагу слід надавати безперервним процесам.
2. Поняття про баланси процесу.
Технологічні процеси на виробництвах протікають згідно із загальними фізичними, хімічними і фізико-хімічними законами. Застосування цих законів до того чи іншого процесу дозволяє створити теорію процесу.
При розгляді тезнологічних процесів можна виділити такі основні узагальнення, закони і принципи, які будуть застосовані до конкретних процесів:
1) закони збереження маси і енергії;
2) закони рівноваги систем;
3) закони переносу маси і енергії і принцип рушійної сили;
4) принцип оптимізації проведення процесу;
5) принцип масштабного переходу і моделюваня.
Закони збереження маси і енергії
Відкриті М.В.Ломоносовим, Лавуазьє, Майєром і Джоулем. Відіграють в науці про процеси основну роль і набувають форми матеріальних і енергетичних балансів.
Рисунок 3.1 - Схема матеріального Рисунок 3.2 - Безперервність (неперервність)
балансу потоку для потокових систем
а) за законом збереження маси, маса поступаючої речовини на вході повинна бути рівна масі речовини на виході
. Але в практичних умовах наявні обов’язкові втрати
. Тоді рівняння матеріального балансу має вид:
Для забезпечення ефективності протікання процесу необхідно детально розглядати рівняння матеріального балансу. При потребі складають декілька рівнянь матеріального балансу: для системи в цілому і для окремих складових. Баланс складають за одиницю часу.
Для систем, що знаходяться в русі, закон збереження маси виражається рівнянням нерозривності потоку:
де F1, F2- сили, які прикладені до систем;
w1,w2 - відповідні їх швидкості.
б) енергетичний баланс складають на основі закону збереження енергії, згідно до якого кількість енергії, введеної у процес, рівна кількості енергії, що виділяється.
Проведення зневоднення матеріалів пов’язане із використанням різних видів енергії – механічної, електричної, теплової та інших. Частиною енергетичного балансу є тепловий баланс, який в загальному вигляді має вигляд:
При цьому тепло, яке вводиться в систему:
де Q1 – тепло, яке підводиться з вихідними речовинами;
Q2 – тепло, яке підводиться зовні, наприклад, теплоносій;
Q3 – тепловий ефект фізичних або хімічних перетворень (якщо тепло під час процесу поглинається, то даний параметр входить у рівняння з від’ємним знаком).
Тепло QB, яке відводиться, складається з тепла що виводиться із кінцевим продуктом та з теплоносієм (наприклад з охолоджуючим повітрям).
В енергетичному балансі, крім вказаного тепла, враховуються затрати всіх видів енергії.
Рівняння матеріального і теплового балансу лежать в основі вивчення будь-якого технологічного процесу.
Закони рівноваги системи.
Системи, що знаходяться в рівновазі, не змінюють свого стану в часі. Для виведення такої системи із стану рівноваги потрібний вплив на неї зовні – шляхом механічної або теплової дії.
Питання про напрям зміни в стані системи при зовнішній дії грунтується на двох положеннях термодинаміки: 1) принцип ла-Шательє і 2) правило фаз Гіббса.
1) В системі, виведеній із стану рівноваги, проходять зміни, напрям сил яких протилежний напряму сил, що виводять із стану рівноваги. Використовуючи цей принцип, можна визначити, які параметри потрібно змінити, щоб викликати необхідні для виробництва зміни в стані системи.
Правило фаз Гіббса встановлює залежність між числом компонентів системи К, числом фаз f і числом ступенів свободи S.
Фаза – певна кількість речовини, фізично однорідної по всій масі. Система може складатись з одної або декількох фаз.
Компонент – чисті хімічні сполуки, з яких складаються фази і які можуть переходити з одної фази в іншу.
Стан системи визначається сукупністю її інтенсивних властивостей – параметрів, якими можуть бути тиск, температура, концентрація, питомий об’єм.
Кількість незалежних параметрів, що може бути вибране довільно і визначає значення решти параметрів, носить назву числа ступенів вільності.
Приклад використання принципу Ла-Шательє.
Закрита посудина з поршнем у верхній частині. В посудину наливається вода, над поверхнею якої під поршнем знаходиться пара. При опусканні поршня створюється тиск. При збереженні ізотермічних умов в системі повинен початись протидіючий процес – конденсація пари.
Приклад використання правила Гіббса.
Закрита посудина з розчином етилового спирту у воді. В цій системі число фаз – дві: пара і рідина. Число компонентів – два: спирт і вода. Значить число ступенів свободи – два.
Параметри стану системи: температура, тиск і концентрація спирту. Значить із цих трьох параметрів ми можемо довільно встановити два, наприклад, концентрацію і температуру. Тиск же, який визначається природою системи, встановлюється незалежно від нас.
Закони переносу маси і енергії і принцип рушійної сили
Клас різноманітних за будовою тіла і розмірами безхребетних тварин типу членистоногих. Більшість представників цього класу хижаки. Рослину їжу споживають деякі види кліщів. Вони висмоктують сік з листків, тому посилюються транспірація, зменшується кількість хлорофілу, послаблюється фотосинтез. Найбільш поширеними шкідниками сільськогосподарських культур серед з павукоподібних є: звичайний павутинний кліщ, який повсюдно поширений, живиться багатьма рослинами; хлібний, або зерновий кліщ поширений повсюдно, пошкоджує зернові культури і злакові трави, спричинює пустоколостність.
Для інтенсифікації виробництва необхідно, щоб технологічні процеси протікали з якомога більшою швидкістю. Цю швидкість можна визначити.
Для процесів гідродинамічних, тепло- і масообмінних кінетичні рівняння аналогічні.
Для теплових процесів кінетичне рівняння має вигляд:
де Q- кількість тепла, Дж;
F –поверхня теплообміну, м2;
- час, с;
К – коефіцієнт теплопередачі, Вт/м2 К;
- різниця температур (рушійна сила процесу);
R=1/К – опір переносу тепла.
Для масообмінних:
де dm – маса речовини, переданої за час d , кг;
F – площа поверхні теплообміну, м2;
К’ – коефіцієнт, що характеризує інтенсивність передачі маси (коефіцієнт провідності), кг/м2 с кг/м3
– рушійна сила процесу масопередачі, що виражена різницею концентрацій, кг/м3;
R’ =1/K’ – опір масопередачі.
Для гідродинамічних, наприклад, для фільтрації кінетичне рівняння має вигляд:
де V- об’єм фільтрату,м3;
F – площа поверхні фільтра, м2;
Rг – гідравлічний опір фільтра;
Кг=1/Rг – коефіцієнт провідності фільтруючого середовища;
- рушійна сила процесу (різниця тисків), Па.
Таким чином, всі кінетичні рівняння можуть бути приведені до виду:
де І – швидкість протікання процесу;
Х– рушійна сила процесу (різниця тиску, температури, концентрації);
l – коефіцієнт провідності, величина, обернена опору.
Єдність кінетичних рівнянь гідромеханічних, теплових і масообмінних процесів носить назву "потрійної аналогії".
Принцип оптимізації проведення процесу
При проведенні будь-якого процесу виникає декілька варіантів вирішення. Один з них буде найбільш доцільним. Вибір найдоцільнішого варіанта одержав назву оптимізації.
Як критерій оптимізації найчастіше вибирають мінімум часу і затрат на виробництво продукції. Цей критерій зв’язаний з вартістю енергії, робочої сили, матеріалів. Мінімум вартості досягається вибором доцільного проведення процесу і його апаратурного оформлення.
Є деякі загальні, універсальні рішення, які можуть бути застосовані для оцінки оптимальності процесу: а) безперервність процесу; б) протитечійність ; в) оновлення поверхні фаз; г) використання вторинного тепла.
Процеси діляться на безперервні і періодичні. При безперервному процесі поступання вихідних матеріалів в аппарат і вивантаження кінцевих продуктів проводяться одночасно і безперервно. Періодичні процеси проводяться в апаратах, в які через визначені проміжки часу завантажуються вихідні матеріали; після їх обробки з цих апаратів вивантажуються кінцеві продукти. Оптимально організований процес – це, як правило, безперервний процес, що автоматично управляється.
В безперервному потоці можливі такі напрямки потоків, що взаємодіють між собою:
1) протитечія
2) прямотечія
3) перехресні потоки.
З точки зору тепло- і масообміну найбільш доцільна протитечія. При здійсненні обмінних процесів в безперервному потоці оптималним є процес, що здійснюється в протитечії.
Найбільш оптимальним є варіант, що передбачає турбулентний режим і забезпечує максимальний контакт середовищ при безперервному оновленні поверхні контакту.
Водяна пара як найбільш розповсюджений тепловий агент має властивість постійного тепловмісту при зміні тиску. Отже можна використати вторинну пару, яка утворюється при проведенні деяких процесів, для виробництва. Це дає значну економію енергію.
Закони масштабного переходу і моделювання.
Велике значення має положення про вплив розмірів апарата на процес, що в ньому проходить. Для переносу результатів досліджень від малих апаратів до апаратів промислових використовується теорія моделювання. Вона витікає з теорії подібності. Вона дає вказівки про принципи фізичного і математичного моделювання процесів та апаратів.