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.

Теорією диференціальних рівнянь користуються для формального опису зміни ха­рактеристик протягом часу. Термодинаміка дає можливість виз­начити 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 (... ) разів.

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, , f— кількість теплоти ма­си, сили тертя, електрики; — 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-

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

Теплопровідність через стінку

Тепловіддача від стінки до рідини

Прирівнюючи, одеожимо Q=

 

 

— 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.