МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ АЗЕРБАЙДЖАНСКОЙ РЕСПУБЛИКИ

АЗЕРБАЙДЖАНСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра «Технология пищевых продуктов»

Дисциплина: ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОИЗВОДСТВА

Специальность: İİ 05.04.05 – «Организация и управление промышленности»

Преподаватель: доц., к.т.н. Эльданиз Энвер оглы Байрамов

Лекция № 2

Тема: Важнейшие технологические понятия  и определения.

   План лекции:

1.Основные этапы развития и задачи технологии как науки.

2.Важнейшие технологические понятия  и определения.

3.Связь технологии с экономикой.

    Литература

1. Технология важнейших отраслей промышленности: Учеб. для экономичес-ких спец. вузов /А. M. Гинберг, Б. А. Хохлов, И. П. Дрякина и др.; Под ред. А. М. Гинберга, Б. А. Хохлова. − M.: Высш. шк., 1985.−496 с.,(с.5÷23).

1. Основные этапы развития и задача технологии как науки

Технология (от др.-греч. τέχνη -искусство, мастерство, умение;  λόγος  -  мысль, причина; методика, способ производства) - в широком смысле - совокупность методов, процессов и материалов, используемых в какой-либо отрасли деятельности, а также научное описание способов технического  производства; в узком - комплекс организационных мер, операций и приемов, направленных на изготовление, обслуживание, ремонт и/или эксплуатацию изделия с номинальным качеством и оптимальными затратами, и обусловлен-ных текущим уровнем развития науки, техники и общества в целом.

Технология как самостоятельная отрасль науки во­зникла в конце XVIII в. в связи с развитием крупного машинного производства. Условно технологию делят на механическую и химическую, хотя в современной про­мышленности между ними трудно провести четкую грани­цу. Механическая технология изучает процессы, связан­ные с изменением физических свойств и формы перера­батываемых материалов, а химическая – с химическими превращениями. Однако при химических превращениях, как правило, происходят и физические изменения; изме­нения же физических свойств очень часто связаны с химическими, а в некоторых случаях и с биохимическими превращениями.

Химическая технология - наука весьма разветвлен­ная. В самом общем виде она делится на технологию органических веществ и неорганических. Одной из древ­нейших ветвей технологии органических веществ явля­ется пищевая. По существу, пищевая технология была одной из первых, а мельница – первым пищевым пред­приятием.

В своем развитии химическая технология как наука прошла четыре этапа. На первом этапе, хи­мическая технология (и ее раздел - пищевая) была собранием рецептов и описаний проведения технологи­ческих операций без строгого обоснования выбора того или иного способа. Наука на этом этапе носила описа­тельный характер. Выбор технологических операций и их последовательности производили только на основе сравнения различных вариантов.

На втором этапе, кроме описания методов и техно­логических приемов, предпринимались попытки анализа происходящих физико-химических явлений и обоснования причин, определяющих выбор технологического приема. Наука приобрела качественный характер: тех­нологические процессы выбирались на основе качествен­ного анализа, но без достаточного количественного обо­снования.

На третьем этапе развитие технологии основывалось на учении о единичных процессах, общих для многих технологических приемов в различных отраслях химиче­ской и пищевой технологии. Этот период характеризу­ется более строгим количественным обоснованием вы­бора технологических методов и режимов. Появилась возможность рассчитывать размеры, производительность и другие характеристики машин и аппаратов. Однако вследствие противоречивости требований к технологиче­ским машинам и аппаратам (например, установка, обес­печивающая минимальные затраты энергии, может иметь в то же время очень низкую производительность) их характеристики на этом этапе однозначно не опреде­лялись и выбирались обычно, исходя из практического опыта.

Наконец, на четвертом, современном этапе развития технология использует не только теоретические основы процессов и аппаратов (кинетические закономерности происходящих явлений), но и методы теории систем, теории оптимизации и математическое моделирование. Теория систем дает возможность рассматривать кинети­ческие закономерности на каждой технологической опе­рации и каждом технологическом участке в совокупно­сти и согласовывать их с позиции конечной цели функ­ционирования всей технологической линии. Теория оптимизации, опирающаяся на методы математического моделиро-вания, обеспечивает выбор оптимального, т. е. наилучшего в каком-то смысле, варианта технологиче­ской операции, участка, линии и т. д. В совокупности эти методы позволяют найти такое сочетание технологиче­ских операций, которое обеспечивает получение продук­та заданного качества при наименьших затратах.

В связи с широким внедрением в пищевую техноло­гию автоматических и автоматизированных систем управления появилась необходимость в изучении и ко­личественной оценке еще одной стороны технологиче­ских процессов - их специфических свойств как объек­тов управления. Поскольку автоматизация возможна только на основе строгой формальной количественной оценки переходных процессов и качества функциониро­вания объектов управления, то возникла задача форма­лизации этих процессов, т. е. их математического описа­ния. Это, в свою очередь, требует более глубокого изу­чения физико-химических явлений, наблюдающихся в пищевой технологии, совершенствования принципов рас­чета процессов и аппаратов и т. п. Таким образом, внедрение в отрасль автоматизации стимулирует также развитие и совершенствование чисто технологических приемов, методов и процессов, т. е. способствует разви­тию технологии как науки.

Пищевая технология относится к прикладным отрас­лям знания и отличается от других технологий объектом изучения, предметом и задачами.

Объектом пищевой технологии являются техно­логические линии, операции и процессы производства пищевых продуктов: муки, хлеба, мяса, молока, конфет, вина, консервов и пр.

Предметом пищевой технологии выступает си­стема понятий, категорий, принципов, законов, сложив­шихся в пищевой технологии в процессе ее становления и развития. К предмету пищевой технологии следует от­нести также специфические наименования процессов, продуктов и полуфабрикатов, методы определения их качественных и количественных характеристик, конкрет­ные проявления законов фундаментальных наук в данной технологии, основные закономерности протекания технологических процессов (скорость, равновесие и пр.) и их модели (идеальные объекты). Следует подчеркнуть, что составляющие предмет пищевой технологии понятия могут использоваться и другими науками, но только их совокупность, сведенная в систему и обладающая си­стемными, т. е. наиболее общими и характерными для данной отрасли признаками, является предметом пищевой технологии.

Технология, как и любая другая прикладная наука, является синтетической (интегральной, полипредметной) и основывается на теоретических построениях различных фундаментальных наук.

Теоретические основы технологии включают пара­метрические, морфологические и функциональные опи­сания.

Параметрические описания свойств, признаков и отношений не вскрывают закономерностей технологиче­ских процессов, а только фиксируют их (графическое или другое изображение технологической схемы, машины, аппарата, основные характеристики потоков про­дукта и рабочих агентов и т. п.).

Морфологическое опи­сание определяет взаимосвязи свойств, признаков и их отношений на каждой операции. Это так называемые связи строения, устанавливающие основную направлен­ность процессов. К морфологическим описаниям отно­сятся статические, кинетические и другие закономернос­ти качественного, или количественного характера, с по­мощью которых устанавливают технологические режимы и динамические свойства отдельных стадий производства, а также конструктивные параметры машин и аппаратов.

Функциональное описание устанавливает количествен­ные зависимости между отдельными элементами техно­логического процесса и может быть получено экспери­ментально либо аналитически. Это связи структуры про­изводственного процесса.

Морфологические и функциональные описания со­ставляют содержание пищевой технологии, формализуют статические, кинетические и динамические закономер­ности отдельных процессов и создают необходимые пред­посылки для применения методов и законов фунда­ментальных наук. Эта формализация невозможна без упрощения объекта, «отбрасывания» несущественных характеристик, т. е. без создания идеальных объектов (моделей) пищевой технологии.

Главная цель технологии достижима только при на­личии количественной оценки совершенства процесса и качества продукции. Получить же эти оценки можно лишь совокупностью методов, с использованием указан­ных трех видов описаний. Отсюда следует, что основным методом технологии является создание идеальных объ­ектов, выявление наиболее существенных связей между их параметрами с последующим выбором известных либо разработкой новых методов для количественной оценки этих связей.

Следовательно, технологией можно назвать отрасль знания прикладного характера, занимающуюся изуче­нием способов производства продуктов, полезных чело­веку, и выбирающую из этих способов наиболее эконо­мичные и наибо-лее совершенные в отношении придания должных качеств вырабатываемому продукту. Законо­мерности протекания технологических процессов основа­ны на фундаментальных законах химии, физики, биоло­гии. Для изучения этих процессов в современных усло­виях широко используют методы математики, экономики, теории управления и пр.

Таким образом, технология - это совокупность при­емов и способов переработки сырья в готовый продукт и в то же время научная дисциплина, разрабатывающая и совершенствующая эти способы.

Исходя из приведенного определения, основной и наиболее общей целью пище­вой технологии является изучение типовых технологических процессов, ассортимента и наиболее эф­фективных способов получения высококачественных пи­щевых продуктов. В соответствии с этим в задачи пище­вой технологии входит:

• обеспечивать заданные или оптимальные свойства (качества) готового пищевого продукта при полной без­вредности его для человека;
• применять для производства продуктов процессы, не наносящие вреда человеку и окружающей среде;
• обеспечивать заданную или оптимальную экономич­ность и надежность функционирования технологических процессов.

Частными задачами пищевой технологии являются:

• поиск новых и наилучшее использование существую­щих видов сырья для получения пищевых продуктов за­данного качества;
• разработка наиболее целесообразных способов и средств воздействия на перерабатываемое сырье и полу­фабрикаты;
• обеспечение наиболее экономичного использования энергии, оборудования и производственных площа­дей;
• совершенствование существующих и разработка новых способов и средств измерения, контроля и управле­ния технологическими процессами, а также методов оценки и расчета технологических  процессов и аппа­ратов;
• совершенствование методов моделирования технологических процессов на основе теории подобия и различ­ных аналогий (физических, математических и пр.). 

2. Важнейшие технологические понятия и определения

К основным технологическим понятиям относятся материальный и энергетический балансы, выход продук­ции, технологическая линия, операция и процесс, аппаратурно-процессная единица (единичный элемент), ин­тенсивность и производительность технологического про­цесса. Несмотря на чисто экономиическую сущность таких понятий, как производительность труда, себестоимость продукции, эти и другие экономические категории ши­роко используются в технологии для сравнительной ха­рактеристики эффективности различных вариантов.

При проектировании технологических линий выбор оптимального варианта возможен только при учете все­го комплекса показателей технологической и экономи­ческой эффективности. Например, расчеты материаль­ных технологических потоков должны сочетаться с энер­гетическими расчетами, так как снижение удельного расхода энергии бывает иногда решающим при выборе варианта технологического процесса.

Материальный и энергетический балансы составляют и для анализа работы существующих линий с целью определения расходов основного продукта и рабочих агентов на каждой технологической операции, расчета выхода, организации учета продукции, повышения ее качества, снижения себестоимости. Материальный ба­ланс выражает закон сохранения массы вещества, со­гласно которому во всякой замкнутой системе масса веществ, вступающих во взаимодействие, равна массе веществ, образующихся в результате этого взаимодей­ствия. Применительно к условиям пищевых производств материальный баланс называют продуктовым расчетом и выполняют его на основе тща-тельного химического анализа сырья и нормируемых потерь ценных компонен­тов. Поскольку в производственных условиях в процессе обработки (переработки) продукта кроме основной реакции происходят и побочные, то учитывают только наиболее существенные превращения, т. е. продуктовый расчет имеет приближенный характер.

Для пищевого сырья характерен сложный состав. Поэтому при расчетах часто учитывают только массу основных компонентов, не принимая во внимание при­меси во всех видах поступающего сырья. Так, в сахарном производстве выход сахара рассчитывают, исходя из наличия сахара в свекле, которое устанавливают лабо­раторными анализами. Однако при расчете оборудова­ния важными иногда являются показатели, которые для определения выхода продукции не имеют существенного значения (например, при расчете выпарных установок диффузионного сока - количество несахаров).

Продуктовый расчет в пищевых производствах, явля­ющийся основной формой учета готовой продукции, про­изводится на всех этапах технологической линии (схе­мы) и требует значительных затрат труда. Поэтому автоматизация процессов учета (измерения) количества и качества сырья, промежуточных и готовых продуктов выступает важным фактором снижения себестоимости продукции.

Материальный баланс непрерывных процессов со­ставляют для установившегося (стационарного) режи­ма, при котором общая масса веществ, поступивших в аппарат за данный период времени, равна массе ве­ществ, вышедших из аппарата. Предположим, что коли­чество веществ в аппарате постоянно, т. е. их накопле­ния или убыли не происходит. Тогда

,                                                                   (2.1)

где G_i^(вх), G_i^(вых) - соответственно массы продуктов, посту­пающих в аппарат (на данную техноло­гическую   операцию,   в производство и пр.) и выходящих из него;

              п, т - количество  компонентов  продуктов во входном и выходном потоках.

Обычно при проектировании выход готового продук­та является заданным, а количество сырья и вспомога­тельных материалов, необходимых для его производст­ва, определяют из уравнений материального баланса. Продуктовый расчет в этом случае выполняют, исходя из нормативного расхода сырья на единицу (килограмм, тонну, кг-моль) основного продукта, принятого в данном производстве. В результате продуктового расчета вычис­ляют расходные коэффициенты по сырью.

Уравнения материального баланса используют так­же для анализа и математического описания переходных процессов в пищевой технологии. С учетом изменения массы вещества в аппарате или другой емкости уравне­ние матери-ального баланса имеет вид

                                                 (2.2)

где ∆М_i - изменение массы i-го вещества в аппарате за время τ.

Если известно изменение вещества во времени, то уравнение материального баланса принимает такую форму:

 .                                            (2.3)

Наиболее общая форма записи материального балан­са - интегральная:

    ,                                           (2.4)

где τ_k – интервал времени, для которого определяется материальный баланс;

         τ – текущее значение времени.

Приведенные формы записи материального баланса используют для определения статических и динамиче­ских характеристик объектов технологии.

Решение уравнений полного материального баланса позволяет вычислить те характеристики технологических потоков, которые измерить трудно либо принципиально невозможно. При этом используют уравнения кинетики, равновесного состояния и другие описания процесса. В результате расчета обычно строят таблицу баланса веществ.

Энергетический баланс составляют на основе закона сохранения энергии, в соответствии с которым в замкну­той системе сумма всех видов энергии постоянна. Для технологических процессов пищевых производств составляют тепловой баланс (закон сохранения энергии в этом, случае формулируется следующим образом: приход теп­лоты в аппарат за какой-то промежуток времени равен ее расходу).

Тепловой баланс составляют по количеству мате­риальных потоков с учетом тепловых эффектов физиче­ских превращений и химических реакций, а также тепло­вых потерь через стенки аппарата в окружающую среду.

Его рассчитывают по уравнению

,                                      (2.5)

где Q_i ^(вх) – количество теплоты, поступающее в аппарат с материальными потоками;

   Q_i ^(вых) – количество теплоты,  уносимое выходящими потоками;

    Q_i ^(ф.х)– теплота физических или химических процес­сов, происходящих с выделением либо погло­щением теплоты;

   Q_i ^(пот) – потери теплоты в окружающую среду;

 п, т, к, р – количество видов соответственно входных, выходных, внутренних потоков теплоты и те­пловых потерь.

Приведенное уравнение теплового баланса можно также записать для нестационарных процессов и в ин­тегральной форме. Так же, как и уравнения материаль­ного баланса, уравнения теплового баланса нестацио­нарных режимов используют для определения динами­ческих свойств машин и аппаратов.

Выходом продукта называется отношение количества фактически полученного конечного продукта G_к к содер­жанию этого продукта в исходном сырье G_н:

                                                                                    (2.6)

За G_н принимается все количество вещества в исход­ном сырье (например, концентрация сахара в диффузи­онном соке). Выход продукта определяет степень совершенства технологического процесса и рассчитыва­ется в каж-дом конкретном случае по-разному. Проще всего определить выход продукта для таких типов про­изводства, в которых готовый продукт получают в ре­зультате смешивания либо накладывания компонентов (в производстве кондитерских изделий, консервов и пр.). За исходное количество продукта берется сумма его компонентов во всех видах сырья.

Выход продукта применительно к химическим реак­циям называют степенью превращения. В процессах массопередачи выход именуют степенью соответствую­щего межфазного перехода, например степенью абсорб­ции, десорбции и т. п. Степень превращения можно выразить как отношение количества израсходо-ванного основного вещества к общему его количеству в начале процесса G_н :

                                                         .                                                            (2.7)

Это выражение применимо для расчета степени пре­вращения любого исходного вещества в гомогенной реак­ции. Если в числителе формулы стоит количество про­дукта, полученного в состоянии равновесия, то выход называется равновесным (х_р), или теоретическим (х_т). Для необратимых процессов, при которых происходит полное химическое превращение или полный переход из одной фазы в другую, х_т = 1. Для обратимых процессов равновесный выход, совпадающий с равновесной сте­пенью превращения, всегда меньше единицы (х_т < 1), так как равновесие наступает при неполном превраще­нии исходных веществ в продукт.

Под технологической операцией понимают совокуп­ность воздействий на обрабатываемый продукт, проис­ходящих в одном месте и в определенное время и при­водящих к заранее заданному изменению характерис-тик или свойств продукта. Каждая технологическая опера­ция выполняется машинами, аппаратами или их ком­плексами (агрегатами), размещенными определенным образом в пространстве и времени.

Агрегатом условимся называть комплекс механизмов и машин, предназначенных для последовательного вы­полнения отдельных технологических опера-ций, пред­ставляющих в совокупности законченный этап техноло­гического процесса.

Законченным этапом (стадией) технологического про­цесса называется совокупность технологических опера­ций, обеспечивающая получение промежуточного про­дукта, т. е. такие изменения качества обрабаты-ваемого сырья или про-межуточного продукта, которым можно или целесообразно дать количественную технологическую или экономическую оценку. Законченность эта­па — понятие относительное. Например, измельчение солода можно назвать законченным этапом технологиче­ского процесса, а измельчение зерна при переработке в муку законченным этапом без последующего выделе­ния целевого продукта быть не может.

Агрегатами в пищевой, промышленности являются комплексы различных механизмов, машин, аппаратов, размещенных компактно в одном месте (тестоприготовительные агрегаты, многовальцо­вые дробилки, измельчители, ректификационные и вы­парные установки, некоторые грануляторы). Агрегата­ми можно также назвать совокупность различных измельчающих и разделяющих машин, выполняющих одну технологичес-кую операцию (молотковые дробилки, валь­цовые станки и рассевы, щеточные и бичевые машины, ситовейки, ситовоздушные сепараторы). Технологиче­ские агрегаты представляют собой отдельные участки технологической линии и могут являться промежуточ­ной ступенью в иерархической системе управления про­изводством.                          

Совершенство технологической операции определя­ется главным образом наличием условий для выполне­ния заданных воздействий на обрабатываемый продукт. Эти условия, в свою очередь, определяются техноло­гическими режимами, а те – конструктивными характе­ристиками машин и аппаратов и возможностью их из­менения в соответствии с технологической необходимо­стью.

Под технологическим режимом понимают совокуп­ность численных значений основных параметров, харак­теризующих среду или рабочую зону, в которой происхо­дит данная технологическая операция. Для химико-тех­нологических процессов такими параметрами являются температура, давление, концентрации взаимодействую­щих веществ, способ и степень перемешивания реаген­тов, в некоторых случаях – рассто-яние между рабочими поверхностями, частота колебаний, амплитуда и состоя­ние поверхности, другие характеристи-ки рабочих орга­нов. Технологические режимы определяются не только конкретными численными значениями параметров, но и характером их изменения во времени и пространстве (в объеме аппарата). Например, изменение температуры агента в процессе сушки непрерывно или по ступеням по данной программе, изменение давлений (температур) по  корпусам  в многокорпусных  выпарных  аппаратах и т. д.

Технологические режимы каждой операции, обору­дование и система управления являются единым ком­плексом, направленным на достижение основной цели технологического процесса – получение продукта за­данного качества. Поэтому при проектировании и экс­плуатации машин, аппаратов, агрегатов и систем управ­ления пищевой технологии следует исходить из основной цели производства.

К современным машинам, аппаратам и агрегатам, кроме технологических требований, т. е. выполнения та­ких воздействий на исходные продукты, которые обеспе­чивали бы заданные либо наилучшие свойства конечного (выходного) продукта, предъявляют также требования минимальной удельной стоимости, надежности, устойчи­вости, управляемости и безопасности при обслуживании.

Под производительностью аппарата или машины по­нимают количество продукции, произведенной в единицу времени. При этом термин «произведенная продукция» может иметь разное толкование. Например, производи­тельность сушилок оценивают по количеству сухого про­дукта, влажного (исходного) продукта или по количе­ству испаренной влаги. Поэтому следует всегда уточнять, по какому продукту определяется производительность маши-ны.

Кроме производительности машины, агрегата или технологического участка (технологической линии), сле­дует различать производительность, труда – важнейшую экономическую категорию, которая определяется коли­чеством продукции, произведенной работником в едини­цу времени, или количеством времени, затраченным на  производство единицы продукции. Производительность труда может иметь денежное, натуральное (масса, объ­ем, штуки) либо условно-натуральное (консервы в пере­воде в условные банки) выражение и определяется по формуле

                                                      ,                                                           (2.8)

где   О_пр  – объем производства;

          Ч_р – численность работающих (производственно-промышленный персонал).

Под интенсивностью процесса понимают количество продукта, произведенное в единицу времени (производительность), отнесенное к рабочему объему аппарата, единице длины или площади рабочего органа. Иногда интенсивность отождествляют с удельной производитель­ностью, а также со скоростью превращения или измене­ния характеристик продукта при технологической обра­ботке.

Интенсивность процессов можно увеличить пере­мешиванием (турбулизацией реагирующей системы), повышением температуры и концентрации, переводом системы из многофазной в однофазную. С целью интенси­фикации технологических процессов разрабатывают так­же новое, более совершенное и реконструируют существующее технологическое оборудование, внедряют в производство системы и средства управления и контроля, автоматизируют процессы.

Знание основных закономерностей пищевой техноло­гии существенно облегчает выявление такого технологи­ческого режима, который позволил бы проводить процесс наиболее эффективно, т. е. с наибольшей интенсивностью до наивысшего выхода продукта при заданном его ка­честве. Используя известные численные закономерности изменения свойств обрабатываемого продукта, можно целенап-равленно управлять технологическим процессом.

ПРОДОЛЖЕНИЕ СЛЕДУЕТ