ПРОДОЛЖЕНИЕ ЛЕКЦИИ № 4

7. Проектирование технологических процессов

Для системного анализа технологических процессов необходимо установить: номенклатуру элементов; состав элементов каждого типа; набор свойств этих элементов.

Процессы, в том числе и технологические, представляют собой класс технических систем, отличительной особенностью которых является существенная зависимость от времени. Можно предложить следующую иерархическую классификацию элементов технологических процессов: план обработки, этап обработки, операция, переход, ход. План обработки складывается из этапов, этапы из операций, операции из переходов, которые формируются из рабочих и вспомогательных ходов. Перед началом формирования плана необходимо выбрать вид изделия и ее свойства.

Этап обработки представляет собой последовательность операций, принадлежащих к одному технологическому методу и обеспечивающих одинаковое качество обработки. Полный набор этапов, из которых складывается план обработки, зависит от конкретных условий.

Проектирование ТП на уровнях формирования последовательности этапов, операций и переходов складывается из двух фаз: структурного и параметрического синтеза. Структурный синтез должен установить последовательность элементов на соответствующем уровне. Задача параметрического синтеза заключается в формировании свойств элементов, включенных в технологический процесс. Основными операциями параметрического синтеза являются выбор средств технологического оснащения (станков, оборудований, приспособлений) и нормирование, включающее расчет режимов обработки.

Источник информации и степень инвариантности знаний структурного синтеза определяются иерархическим уровнем решаемой проблемы: проектирование схемы производства продукта (набора этапов и операций) или проектирование операционной технологии (набора переходов обработки КТЭ). В первом случае знания существенно зависят от организационно-технической структуры предприятия и его традиций. Эти знания индивидуальны для каждого предприятия. Во втором случае знания черпаются из справочников, методических пособий и нормативных материалов. Знания этого уровня относительно инвариантны и могут с минимальными изменениями использоваться на различных предприятиях.

Автоматизация - закономерный процесс развития общественного производства.

Автоматизация производства на предприятии представляет собой самостоятельную комплексную проблему. К ее решению подталкивает вселяющая страх мировая конкуренция, которая как удав сжимает предприятия, понуждая их принимать соответствующие меры. Автоматизация создает возможности для улучшения условий и подъема плодотворности труда, роста качества продукции, сокращения потребности в рабочей силе и в систематическом повышении дохода, что позволяет изменить тенденцию развития, сохранить старые и завоевать новые рынки и таким образом вырваться из объятий удава.

Без сомнения автоматизация не является новым направлением, в широком смысле этого слова, появление автоматизации относится ко времени промышленной революции. Тогда машины значительно повысили эффективность труда рабочих. Развитие автоматизации характеризуется рядом крупных достижений. Подлинную революцию в автоматизации производства произвели промышленные роботы и персональные компьютеры.

Конечно, автоматизация не единственный способ выйти победителем в конкурентной борьбе. Большие возможности таятся в стимулирующей роли заработной платы. Другим оружием в этой борьбе является участие рабочих в управлении производством и повышении качества продукции. Уместно напомнить здесь японские «кружки качества», которые распространились по всему миру и затрагивают теперь не только вопросы качества, но и снижения стоимости выпускаемой продукции, обеспечения техники безопасности и другие направления. Однако автоматизация является доминирующим средством в достижении успеха в условиях глобализации международных экономических отношений.

На пути автоматизации стоят неблагоприятные аспекты и подводные камни, которые необходимо учитывать. Приступающие к автоматизации следует, прежде всего, уяснить что, заниматься проблемами автоматизации нельзя без предварительной подготовки предметов торговли, технологии и в целом предприятия. Тщательная проработка конструкции предмета торговли, оценка стабильности технологии и надежности, имеющегося на производстве парка оборудования позволяет извлечь наибольшую пользу от применения в производстве промышленных роботов. Предварительная проработка конструкции, анализ и совершенствование предмета торговли и процесса могут быть настолько эффективными, что, в конечном счете, позволяют исключить необходимость применения роботов или другого автоматизированного оборудования.

8. Классификация технологических процессов и аппаратов пищевых производств

Технологическая линия (схема) производства пище­вого продукта состоит из отдельных последовательных технологических операций, которые производятся машинами (аппаратами, агрегатами). Технологическая опе­рация, вы-полняемая в машине (аппарате, агрегате), обеспечивающая заданный технологический режим, на­зывается единичным процессом, или аппаратурно-процессной единицей. При построении технологической схе­мы отдельные единичные процессы соединяют в таком сочетании, которое обеспечивает получение продукта за­данного качества из имеющихся видов сырья. В связи с этим рассмотрим кратко классификацию единичных технологических процессов и возможные их сочетания, применяемые в пищевой технологии, физико-химические закономерности каждого единичного процесса, а также общие принципы выбора рациональной или оптимальной схемы технологического процесса.

Совокупность явлений, происходящих при каждой тех­нологической операции, можно разделить на классы, подклассы, группы, подгруппы, виды и, наконец, единич­ные явления.

Под единичным явлением данной физической приро­ды понимают явление, протекающее в совершенно кон­кретных условиях или режимах, которые однозначно определяют его развитие и конечный результат. Эти усло­вия или режимы обеспечиваются конструктивными харак­теристиками машин и аппаратов. Единичное явление об­ладает только ему одному присущими индивидуальными особенностями.

Признаком класса явлений служит единство их при­роды (например, явления гидромеханические, тепловые и т. д.), подкласса – единство механизма протекания (например, диффузия осуществляется за счет перено­са – молекулярного, конвективного и пр.). Признаком группы явлений выступает общность условий (однознач­ность), которая позволяет выделить из данного класса группу подобных явлений. Численные характеристики условий однозначности определяют данное единичное явление.

Все единичные явления, их классы, группы обладают различными признаками общности. Например, для опи­сания класса явлений можно применить одинаковые балансовые или кинетические уравнения, для подклас­са – общие методы определения постоянных в уравне­ниях описания, для группы – некоторые типовые про­цедуры или типовые планы получения эксперименталь­ных данных.

Классификационная система основных процессов и аппаратов пищевых производств включает шесть клас­сов: гидромеханические, тепловые, массообменные, ме­ханические, химические и биологические (биохимиче­ские). Эти классы можно разделить на пять ступеней (класс - подкласс - группа - подгруппа - вид).

Для некоторых пищевых производств характерно спе­цифическое проявление общих процессов химической технологии и соответствующее им оформление оборудо­вания, которое учитывает свойства пищевых продуктов. При производстве муки и крупы такими процессами яв­ляются кондиционирование зерна, вымол оболочек, обо­гащение крупок, при приготовлении комбикормов - до­зирование и перемешивание, при выработке раститель­ного масла - жаренье и фильтрование. В частности, специфичность перемешивания при производстве хлеба проявляется в требовании не только равномерного рас-пределения по всей массе продукта ингредиентов очень малой концентрации, но и в том, что переме­шивание должно придать тесту должные физические свойства.

В пищевой технологии используются отдельные про­цессы, присущие только этой отрасли: обжарка овощей, рыбы и мяса, бланширование овощей, сульфитирование соков, сбивание эмульсий в структурированные продук­ты, квашение, жиловка мяса, копчение мяса и мясопро­дуктов, замес теста, выпечка хлеба.

При производстве пищевых продуктов с использова­нием зернового сырья важную роль играют механиче­ские процессы: измельчение, сортирование, дозирование, смешивание. Например, на мукомольных, маслоэкстракционных, спиртовых, крахмалопаточных предприятиях исходное сырье неоднократно очищается, сортируется, измельчается и смешивается. На сахарном заводе при очистке диффузионного сока и сиропа на различных эта­пах техно-логического процесса также осуществляются специфические однотипные процессы (дефекация, сату­рация, сульфитация, фильтрация). Такие же одно-типные процессы реализуются при производстве пива, спирта, растительного масла, хлеба, кондитерских изделий, пи­щевых концентратов.

В зависимости от организации различают периодиче­ские и непрерывные технологические процессы. При пе­риодическом процессе сырье после загрузки в аппарат в течение некоторого времени обрабатывается, а затем все образовавшиеся вещества выгружаются. Во время загрузки и выгрузки продукция не производится, что обусловливает большие непроизводительные затраты времени. Кроме того, возможны дополнительные затра­ты времени на совмещение с другими технологическими операциями. Механизация таких процес-сов затруднена, поскольку для их осуществления требуются периодиче­ски действующие механизмы большой мощности. Еще труднее они поддаются автоматизации, так как пара­метры процесса изменяются в значительном диапазоне в течение цикла, и автоматическое управление им воз­можно только на основе заданной программы, соответст­вующей циклу. В связи с этим периодические процессы стараются заменять непрерывными.

При непрерывном процессе продукт обрабатывается беспрерывно, начи-ная с момента поступления в аппарат и до выпуска. Основные процессы протекают одновре­менно со вспомогательными и транспортными операция­ми. Каждая точка аппарата характеризуется постоянны­ми значениями параметров, что способствует повыше­нию качества продукции, облегчает контроль процессов и управление ими, создает условия для механизации и автоматизации.

Однако при небольшой производительности и частом изменении ассортимента продукции либо при слишком длительных технических операциях периодические про­цессы могут оказаться более эффективными, чем непре­рывные. Кроме того, процессы, протекающие в условиях высоких давлений и температур при непрерывной орга­низации потоков требуют сложных и дорогостоящих устройств для загрузки и выгрузки. Поэтому целесооб­разно комплексно использовать различные типы органи­зации процессов, стремясь повысить общую эффектив­ность производства. Технические средства при этом должны дополняться рациональной организацией и управлением.

По направлению потоков основного продукта и ра­бочего агента технологические процессы подразделяют на прямоточные и противоточные. Обычно противоточные процессы обеспечивают более высокую разность потенциалов. Но их применение не всегда допускается технологическими условиями либо конструктивными особенностями аппаратов.

При проектировании технологической линии основной задачей выступает определение числа, последова­тельности и вида составляющих ее единичных процес­сов. Во многих случаях разграничение между единич­ными процессами чисто условно. Например, химические и биохимические реакции, как правило, происходят одно­временно с массообменом между фазами и выделением либо поглощением теплоты. Критерием при отнесении к тому или иному классу следует считать цель, на дости­жение которой направлен единичный процесс. Если в ка­честве элемента общего технологического процесса он включает в себя химические превращения и его целью является получение определенного вещества, то он от­носится к единичным химическим процессам. Например, при гидролизе крахмала наряду с превращением крах­мала в сахар происходят процессы диффузии, растворе­ния, фильтрации и пр. Но пос-кольку основной целью здесь является получение сахаров, то процесс гидролиза следует отнести к единичному химическому. При сушке пищевых продуктов во многих случаях происходят хи­мические и биохимические прев-ращения. Однако основ­ная цель сушки – обезвоживание, и этот процесс обычно относят  к единичному массообменному. Аналогично абсорбцию или хемосорбцию, проводимую с целью очи­щения отходящих газов от вредных веществ, относят к единичным типовым массообменным процессам, хотя при этом могут происходить и химические превращения. Типовые процессы  химической  и  пищевой техноло­гии систематизированы. Для большинства  из них раз­работаны методы расчета технологических линий и при­меняемых в них аппаратов.

9. Классификация технологических потоков (связей) пищевых производств

После определения последовательности элементов в технологической схеме необходимо выбрать способ перемещения материалов между аппаратами (транспор­тером, насосами и т. п.) и способ организации потоков продукта, который бы снижал затраты энергии на прове­дение процесса (использование теплоты отходящих пото­ков, естественного напора, противотока, рециркуляции). При этом необходимо учитывать возможность различ­ного оформления единичных элементов с использованием аппаратов и технологических связей разных типов, осу­ществления процессов периодически, полунепрерывно и непрерывно, применения прямотока, противотока и сме­шанных направлений движения материальных и тепло­вых потоков, различных методов интенсификации процессов, составления схем с замкнутыми циклами (рецир­куляцией) и т. д.

Вследствие многовариантности выбора технологиче­ских операций, аппаратов и типов связей однозначного решения при проектировании технологической линии быть не может. Перебор всех вариантов практически не­возможен. Для автоматизации расчетов с помощью ЭВМ технологические процессы, их элементы и связи абстра­гируют и формализуют, т. е. представляют в виде сово­купности уравнений и неравенств (математических мо­делей).

Единичные процессы протекают в аппаратах различ­ного конструктивного оформления. Тем не менее, несмот­ря на многообразие, все аппараты в зависимости от структуры потока разделяют на несколько типов. Для этого используется понятие идеального аппарата. В иде­альных аппаратах одного и того же типа потоки облада­ют общими характеристиками. Например, аппарат с поршневым течением, в котором все частицы продукта движутся с одинаковой скоростью (рис. 4.5, а), называют аппаратом идеального вытеснения. Другим типом иде­ального аппарата является устройство с мешалкой (рис. 4.5,б), в котором поступающий продукт мгновенно перемешивается со всей массой, уже находившейся в объеме.

Рис. 4.5. Схемы аппаратов:

а – идеального вытеснения; б – идеального перемешивания; в – ячеечного (1, 2, 3,..... n – номера ячеек)

В действительности всегда есть отклонения от режи­мов идеального вытеснения и идеального смешения. По­этому было введено понятие неидеальных, или реальных, аппаратов. Одним из них является ячеечная модель ап­парата, представляющая реальный аппарат как n по­следовательно соединенных аппаратов идеального сме­шения (рис. 4.5, в). Аппараты идеального смешения и идеального вытеснения являются предельными случаями ячеечной модели при n=1 и n = ∞ соответственно. Другие модели реального аппарата - одно- и двухпараметрические диффузионные, учитывающие явления диф­фузии в про-дольном и продольно-поперечном направле­ниях потока,  а также комбинированные,  состоящие из системы различным образом соединенных аппаратов идеального смешения и идеального вытеснения. Каждая из этих моделей имеет типовое математическое опи­сание.

Вопросам моделирования технологических процессов с использованием понятий идеального и неидеального аппарата посвящены специальные курсы. Нами эти по­нятия будут применяться при рассмотрении синтеза тех­нологических процессов и выбора кинетических характе­ристик. Использование их позволяет представить боль­шой объем информации в наглядной и компактной форме, установить количественные характеристики про­ектируемого технологического процесса наиболее просты­ми и экономными средствами.

Любое пищевое производство можно рассматривать как химико-технологическую систему (ХТС), состоящую из совокупности связанных технологическими потоками машин (аппаратов, агрегатов), в которых осуществля­ются технологические операции, необходимые для пре­вращения сырья в готовый продукт заданного качества. В этом случае аппараты выступают как элементы систе­мы, т. е. части, не подвергающиеся дальнейшему расчле­нению, и анализи-руются только те их свойства, которые определяют взаимодействие с другими элементами или влияют на общие свойства изучаемой системы, а внут­ренние свойства и структура элемента не изучаются.

При анализе и синтезе технологической системы каждый элемент рас-сматривается как технологический оператор, преобразующий физические параметры вход­ных материальных и энергетических потоков х₁, х₂, ..., х_n в физические параметры выходных потоков у₁, у₂, ..., у_n. Качественное преобразование обычно связано с измене­нием состава потоков, т. е. с превращением поступивших продуктов, а количественное – с изменением свойств по­тока.

Модель многомерного технологического оператора имеет вид функциональной зависимости

,

где ,  – векторы физических параметров соот­ветственно входных и  выходных техно­логических потоков;

              –  вектор    конструктивных  параметров i-го элемента системы;

         n, m, р – число входных, выходных и конструк­тивных параметров i-го элемента.

Принципиальная схема технологического оператора приведена на рис. 4.6.

Рис.4.6.  Схема технологического оператора.

Типовые операторы подразделяют на основные и вспомогательные. К основным относятся технологические операторы целевого назначения: химических превраще­ний, межфазного массообмена, смешения и разделения. Вспомогательные технологические операторы (нагрева и охлаждения, сжатия-рас-ширения и изменения агрегат­ного состояния вещества) изменяют энергетическое и фа­зовое состояния технологических потоков. Условные обозначения некоторых типовых операторов (их также называют процессорами) показаны на рис. 4.7. Эти операторы подробно рассмотрены в лекции № 5. В зависимости от за­дачи исследования каждый технологический оператор можно представить одним типовым оператором либо их совокупностью.

Рис. 4.7. Технологические операторы (процессоры): а, б, в. г – основные; д, е, ж – вспомогательные.

Взаимодействие отдельных технологических операто­ров и внешней среды обозначают в виде определенных технологических связей, а каждой технологической свя­зи соответствует физический технологический (матери­альный или энергетический) поток. Основные технологи­ческие связи – последовательная, последовательно-об­водная (байпас), параллельная, обратная (рецикл) и перекрестная (рис. 4.8).

Рис. 4.8. Типы технологических связей:

a – последовательная, б – свобдная (байпас); в – параллельная; г – об­ратная (рецикл); д – перекрестная.

При последовательной технологической связи все тех­нологические потоки проходят через каждый элемент не более одного раза. Такая связь повышает эффектив­ность использования данной группы технологических операторов. Например, последовательное измельчение зерна, масличных семян, какао-бобов с дальнейшим се­парированием применяют для увеличения степени из­мельчения и разделения продуктов.

Последовательно-обводная технологическая связь представляет собой усложненный вариант последова­тельной и широко используется во всех процессах пище­вых производств для повышения производительности либо качества отдельных технологических операций.

Параллельные технологические связи обеспечивают высокую производительность всей технологической ли­нии, надежность, гибкость системы, создают непрерыв­ность в линии с периодически работающими машинами и аппаратами. Их используют при получении несколь­ких видов продукта из одного сырья либо одного целе­вого продукта из многих видов сырья. Общий вход при этом равен сумме входов отдельных звеньев, а общий выход - сумме выходов:

;      .

Связи х₀, x_i, у₀, у_i могут быть скалярными и вектор­ными величинами. Эти равенства справедливы для слу­чая, когда составляющие векторов x_i, и y_i представлены в аддитивной форме, допускающей суммирование.

Системы параллельно работающих машин или аппа­ратов называют коллекторными. Общая производитель­ность коллекторной системы ограничена участком с наи­меньшей производительностью на входе либо на выходе. Задачи оптимального распределения нагрузок в парал­лельно работающих аппаратах формулируют в зависи­мости, от расположения участка с наименьшей пропуск­ной способностью. Если ограничена величина входа, то необходимо обеспечить максимальную производитель­ность по заданной входной нагрузке, если выхода – то цель заключается в достижении минимальных затрат, зависящих от входных величин при заданном выходе системы.

Перекрестные технологические связи применяют в пи­щевой технологии для более эффективного использова­ния энергии. Примером может быть сушка пищевых про­дуктов с перекрестной подачей сушильного агента, ко­торую в данном случае можно представить оператором межфазного массообмена.

Обратная (рециклическая) технологическая связь ха­рактеризуется наличием обратного технологического по­тока. Она обеспечивает наиболее полное использование сырья и энергии, способствует интенсификации процесса, созданию благоприятных технологических режимов. В такой системе различают прямые (входные и выход­ные), главный (соединяющий все потоки) и обратный (рециркуляционный) потоки. Системы с обратной связью охватывают группы последовательно и параллельно ра­ботающих аппаратов. Для последовательно работающих аппаратов уравнения обратной связи имеют такой вид:

;     .

Для параллельно работающих аппаратов

.

Величину а называют степенью рециркуляции, 0≤a≤1.

Для характеристики простых замкнутых обратных технологических связей используют коэффициент отно­шения рециркуляции

,

либо коэффициент рециркуляции

,

где G_A, G_B, G_C, G_D, G_E – массовые расходы входного прямого A, главных В и С, выходного прямого D и об­ратного Е технологических потоков (рис. 4.9).

Рис. 4.9. Системы с обратной связью, охватывающие:

а – группу последовательно работающих  аппаратов; б – группу  параллельно работающих аппаратов.

В некоторых случаях под коэффициентом рециркуля­ции понимают отношение обратного потока (рециркулирующего) к прямому входному, т. е. .

Соединяя указанными типами связей (прямой, обвод­ной, параллельной, перекрестной, обратной) различные типы технологических операторов (превращения, разде­ления и пр.), можно синтезировать различные химико-технологические системы. Ввиду многообразия единичных процессов, их аппаратурного оформления и техноло­гических связей число возможных комбинаций, обеспе­чивающих превращение сырья в исходный продукт, до­статочно велико. Задача проектировщика состоит в том, чтобы выбрать среди них в каком-то смысле наилучший технически реализуемый вариант.

Эффективность функционирования ХТС можно повы­сить улучшением функционирования основных техноло­гических операторов, изменением технологических свя­зей между ними, введением дополнительных основных и вспомогательных технологических операторов и новых технологических связей.

          Контрольные вопросы.

1. Дайте определение и понятие технологического процесса.
2. На какие виды подразделены технологические процессы?
3. Что из себя представляет технологическая карта?
4. Какова закономерность развития технологического процесса?
5. Как определяют технико-экономические показатели технологических процессов?
6. Что означает уровень технологических систем?
7. На какие типы подразделены технологические процессы?
8. Как проводят проектирование технологических процессов?
9. Что означает уровень автоматизации?
10. Какое значение имеет автоматизация для экономики страны?
11. Как проводят организацию работ по автоматизации производства?
12. Какие системы стимулирования разработаны для разработки и проведения автоматизации производства?
13. В чём заключается необходимость стимулирования работ по автоматизации производства?