ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО РЫБОЛОВСТВУ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО РЫБОЛОВСТВУ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«МУРМАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
УТВЕРЖДАЮ
Проректор по научной работе
________________С.Р.Деркач
"____" _________________ 2014 год
ПРОГРАММА
Вступительных испытаний в аспирантуру по образовательным программам
высшего образования – программам подготовки научно- педагогических
кадров в аспирантуре
Направление: 19.00.00 Промышленная экология и биотехнологии
Направленность (профиль): Процессы и аппараты пищевых производств»
Кафедра – разработчик: «Технологическое и холодильное оборудование»
Факультет: ПТиБ
Мурманск 2014
Лист согласования
1.
Разработчик -Глазунов Евгений Алексеевич, кандидат технических
наук, доцент кафедры ТХО,
2.
Программа вступительных испытаний рассмотрена и одобрена на
заседании кафедры «Технологическое и холодильное оборудование»,
протокол
№ 6 от « 06 » марта 2014 г.
Заведующий кафедрой ТХО
06.03.2014 г.
дата
____________________
подпись
В. А. Похольченко
Программа вступительных испытаний
1. Общие организационно-методические указания
Основные положения и понятия дисциплины ПАПП: основные законы
науки о процессах и аппаратах; методы исследования процессов и аппаратов;
основные положения и теории подобия; механические процессы:
измельчение, сортирование; гидромеханические процессы, осаждение и
фильтрация, мембранные процессы: ультрафильтрация, обратный осмос;
мембранные аппараты, перемешивание жидких сред; тепловые процессы,
основные законы теплопередачи; теплообменные аппараты, выпаривание;
массообменные процессы, основные теории массопередачи; абсорбция и
адсорбция; экстрагирование, кристаллизация, сушка и копчение, перегонка и
ректификация; аппараты для проведения массообменных процессов.
Для проведения вступительных испытания по дисциплине "Процессы и
аппараты пищевых производств" претендент должен:
знать:
- процессы и аппараты;
- технологическое оборудование;
- правила эксплуатации аппаратов;
иметь навыки:
- ведения технологического процесса;
- выбора наиболее прогрессивных способов осуществления процесса;
- выбора или создания наиболее совершенного технологического
оборудования (машины, аппарата);
- построения наиболее рациональной схемы осуществления
технологического процесса;
владеть:
- методами математического и физического моделирования процессов
и аппаратов пищевых производств;
иметь опыт:
экспериментальных
исследований
процессов
пищевой
промышленности.
В процессе вступительных испытаний претендент должен проявить:
- умение и навыки в области методики и техники расчетов аппаратов
пищевых производств с применением ЭВМ,
методики расчета с
периодической и справочной литературой, методики выбора наиболее
эффективного аппарата для заданного процесса;
- умение правильного графического изображения проектируемого
аппарата с соблюдением требований ЕСКД.
2. Тематический план вступительных испытаний
№
Наименование тем и содержание вступительных испытаний
п/п
1
2
1 Основные законы науки о процессах и аппаратах. Классификация и
характеристика процессов пищевой технологии.
2 Методы исследования процессов и аппаратов. Основные
положения и теории подобия.
3 Механические процессы. Измельчение.
4 Сортирование. Электромагнитная сепарация. Прессование.
5 Гидромеханические процессы. Методы разделения неоднородных
систем. Осаждение в гравитационном
поле. Отстаивание.
Осаждение в движущемся потоке жидкости. Осаждение в поле
центробежных сил. Отстойное центрифугирование. Осаждение в
поле электрических сил. Теория псевдоожижения.
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Фильтрация.
Мембранные
процессы:
микрофильтрация,
ультрафильтрация, обратный осмос. Мембранные аппараты.
Перемешивание.
Тепловые процессы. Основные законы теплопередачи. Способы
термической обработки продуктов: нагревание и охлаждение,
замораживание и размораживание, стерилизация, обжарка и
варка.
Выпаривание. Выпарные аппараты
Теплообменники. Конденсаторы и конденсация.
Выпаривание.
Массообменные процессы. Основные теории массопередачи.
Сушка. Копчение и вяление.
Сорбция. Процесс абсорбции. Процесс адсорбции.
Экстрагирование.
Перегонка и ректификация.
3. Методические указания к вступительным испытаниям
Тема 1
Введение. Возникновение и развитие науки о процессах и аппаратах.
Основные законы науки о процессах и аппаратах. Классификация и
характеристика процессов пищевой технологии. Задачи дисциплины. Связь
данной дисциплины с другими дисциплинами.
Литература
[4 стр. 4-15, [3 стр. 5-9, 17-20.
Методические указания
Необходимо рассмотреть развитие науки «Процессы и аппараты
пищевых производств», научный и практический вклад отечественных и
зарубежных учёных. Рассмотреть основные понятия, такие как процесс,
технология, машина, аппарат. При изучении основных групп
технологических процессов обратить внимание на движущую силу,
определяющую протекание каждого процесса.
Вопросы для самопроверки по теме № 1
1. Что называют движущей силой процесса?
2. Какие основные группы процессов выделяют в науке о процессах и
аппаратах?
3. Сформулируйте основные законы, позволяющие создать теорию
любого процесса.
Тема 2
Методы исследования процессов и аппаратов. Основные физикотехнические свойства сырья и продуктов пищевой промышленности.
Основные положения и теории подобия.
Литература
[4 стр. 16-45, [3 стр. 10-17, 28-39.
Методические указания
При расчете любого процесса необходимо учитывать свойства рабочих
тел или теплофизические характеристики обрабатываемых продуктов. К
теплофизическим свойствам относятся: плотность, вязкость, коэффициент
поверхностного натяжения, удельный вес, удельная теплоемкость,
теплопроводность, температуропроводность, коэффициенты объемного и
температурного расширения и т.д. При изучении теплофизических
характеристик необходимо обратить внимание на то, как величины зависят
от температуры и давления, и каким образом они будут меняться в процессе.
При рассмотрении методов изучения технологических процессов
необходимо выделить достоинства и недостатки каждого.
При изучении теории подобия необходимо усвоить понятия критериякомплекса и критерия-симплекса, виды условий однозначности
(геометрические, физические, граничные, временные и начальные),
запомнить формулировки теорем подобия.
Вопросы для самопроверки по теме № 2
1. Что такое вязкость?
2. Какая связь существует между различными единицами вязкости?
3. Что называют теплоёмкостью?
4. Что называют теплопроводностью?
5. Какие существуют методы изучения процессов?
6. В каком случае используется теория подобия для моделирования
процессов?
7. Что такое критерий-симплекс и критерий-комплекс?
8. Сформулируйте теоремы подобия.
9. Что относится к условиям однозначности?
10. Что такое гомохронность?
Тема 3
Механические
процессы.
Измельчение.
Физические
основы
измельчения. Способы измельчения. Дробление твердых материалов.
Классификация способов дробления. Схемы основных типов дробилок.
Дробилки для крупного, среднего и тонкого измельчения. Машины для резки
рыбных продуктов.
Литература
[4 стр. 58-76, [3 стр. 497-512.
Методические указания
При изучении данной темы необходимо ознакомиться с теориями
измельчения: поверхностной, объёмной и Ребиндера.
Вопросы для самопроверки по теме № 3
1. Что называют степенью измельчения?
2. Какие методы измельчения существуют?
3. Опишите основные типы дробилок.
4 Какие процессы называют дроблением и размолом?
5 Назовите способы измельчения материала.
6 В чем отличие крупного, среднего и мелкого дробления, тонкого и
коллоидного помола?
7 Составьте принципиальные схемы щековой, валковой и молотковой
дробилок.
Тема 4
Сортирование. Разделение по размерам и форме частиц. Основы
теории ситового анализа. Методы сортирования. Классификация и принципы
действия машин для просеивания, фракционирования, сортирования рыбы.
Оценка качества сортирования. Электромагнитная сепарация. Прессование.
Назначение и сущность процесса прессования. Основы теории обработки
пищевых продуктов давлением: отжатие жидкости, формование
пластических материалов, прессование (брикетирование). Машины для
обработки материалов давлением. Прессы для отделения жидкости. Прессы
для формовки пластических масс. Прессы для брикетирования материалов.
Применение прессов в рыбной промышленности.
Литература
[4 стр. 16-45, [3 стр. 10-17, 28-39.
Методические указания
В процессе сортирования происходит распределение материалов по
группам (фракциям) в соответствии с их размерами и свойствами. Одним из
видав сортирования является разделение сыпучих смесей с помощью сит на
фракции по форме и размерам частиц.
Просеивающие устройства - сита - делятся на :
 металлические
пробивные,
изготовленные
из
листов
со
штампованными отверстиями;
 металлические (проволочные), сплетенные из круглой металлической
проволоки;
 неметаллические, сплетенные из целковых нитей или капрона.
Форма отверстий может быть различной (круглая, квадратная, прямоугольная) в зависимости от назначения сит.
Сита, выпускаемые нашей промышленностью, стандартизированы и
имеют номер, который означает размер стороны (диаметр) отверстия в миллиметрах. Так, металлическое сито № 05 имеет отверстия с длиной стороны
равной 0,5 мм.
Ситовой анализ проводится для определения фракционного состава
сыпучих материалов. Он осуществляется с помощью специального набора
сит, которые устанавливают друг над другом. Диаметр отверстия в этих
ситах уменьшается постепенно от верхнего сита к нижнему.
Сыпучие материалы принято характеризовать размером сита,
задерживающего их со знаком "плюс". Так сырье, прошедшее через
металлическое сито № 3 и задержанное ситом № 2, обозначается так:
фракция (-3, +2) мм.
Прессование. Сущность процесса заключается во внешнем давлении
на обрабатываемый материал при помощи прессов. При этом могут
преследоваться следующие цели:
1) отделение жидкости от твердого тела, что связано с фильтрацией
отжимаемой жидкости через капиляры осадка. Одновременно наблюдается
уплотнение и брикетирование осадка;
2) придание пластическим телам определенной геометрической формы
(формование и штампование);
3) связывание частиц зернистых материалов в более крупные агрегаты
определенной формы при помощи связующей жидкости и соответствующего давления.
Отделение жидкости. В пищевой промышленности подвергаемые
давлению массы имеют сложную клеточную структуру. Чтобы уменьшить
сопротивление этих структур выделению из них жидкой фазы, перед
отжатием
их
подвергают
предварительной
механической,
гидротермической, тепловой или электрической обработке.
При отжатии на процесс влияют следующие основные факторы:
давление, под которым происходит отжатие и качество материала т.е.
характер его клеточной структуры и степень ее разрушения при
предварительной обработке. Эти показатели характеризуются некоторой
константой С; содержание жидкой фазы х0, измеряемое в массовых
процентах;
продолжительность процесса;
термические условия отжатия;
толщина слоя материала.
При отжатии наблюдаются явления, свойственные процессу фильтрации, описываемых уравнением Пуазейля:
V=Δpd2 nFt/(32 μ l),
где V-расход жидкости, м3/с;
Δp - перепад давлений, Па;
d- диаметр пор, мм;
n- количество пор;
F- площадь поверхности, м2;
t - время, с;
μ - коэффициент динамической вязкости, Па.с;
l - длина пор, мм.
Формование пластических материалов.
Течение пластических вязких тел не подчиняется закону Ньютона для
истинно вязких жидкостей. Бингам предложил для таких тел следующее
уравнение:
P/F= μ (dw/dy)+t0,
где P-усилие сдвига, Н;
F-площадь соприкасающихся слоев, м 2;
dw/dy-градиент скорости, м/с;
μ - динамическая вязкость, Па . с;
t0 - предел текучести, Н/м 2.
Течение пластических тел связано с релаксацией. Релаксацией
называется уменьшение напряжения в теле при постоянной, фиксированной
деформации. Для пластически вязких тел время релаксации имеет
определенную продолжительность, характеризующую механические
свойства тела. Под периодом релаксации понимают время, в течение
которого напряжение при постоянной деформации падает в е раз, где е основание натуральных логарифмов.
Прессование (брикетирование).
Прессование происходит в специальных формах (матрицах) при
помощи пуансонов, сжимающих материал. Уплотнение массы характеризуется коэффициентом прессования b:
b=((V1-V2)/V1)100,
где V1 и V2-объем массы до и после прессования, соответственно.
Степень уплотнения массы зависит от величины прилагаемого
давления, свойств массы, конструктивных особенностей пресса и режима
прессования.
Давление прессования связано с величиной уплотнения уравнением,
предложенным Новиковым Д.З.:
b=b0-jln(p/p0),
где b-коэффициент уплотнения, равный отношению объема брикета к
объему твердой фазы в нем при давлении прессования р;
b-то же в исходном продукте при давлении р0;
j-модуль прессуемости, зависящий от свойств вещества..
Данное уравнение выведено для идеального прессования т.е. для
следующих допущений: отсутствуют потери давления о стенки матрицы;
прессованию подвергается масса, состоящая только из твердой фазы и
конструктивные факторы не влияют на процесс.
Вопросы для самопроверки по теме № 4
1. Что такое ситовый анализ материала ?
2. Что такое дифференциальная и интегральная кривые распределения
и как их строят ?
3. Как определяют средневзвешенный диаметр частиц ?
4. Что такое «сход» и «проход» материала?
Тема 5
Гидромеханические процессы. Краткие сведения по гидростатике и
гидродинамике потока. Методы разделения неоднородных систем.
Классификация неоднородных систем. Эффект разделения. Осаждение в
гравитационном поле. Отстаивание. Кинетика осаждения Основы расчета
отстойников. Осаждение в движущемся потоке жидкости. Конструкции
отстойников периодического и непрерывного действия. Осаждение в поле
центробежных сил. Сущность процесса. Центробежная сила и фактор
разделения. Отстойное центрифугирование. Периоды работы отстойной
центрифуги периодического действия. Центрифуги непрерывного действия.
Суперцентрифуги.
Однокамерные
и
многокамерные
сепараторы.
Применение центрифуг, циклонов
и
сепараторов
в рыбной
промышленности.
Осаждение в поле электрических сил. Физическая сущность и
механизм электроосаждения. Работа электрофильтра. Основы расчета электрофильтров. Электрокопчение и электропанирование. Принципиальные
схемы аппаратов для электрокопчения и электропанирования. Теория
псевдоожижения. Критические скорости. Применение "кипящего слоя" в
рыбной промышленности.
Литература
[4 стр. 16-45, [3 стр. 10-17, 28-39. [4], c. 114-125.
Методические указания
В пищевых производствах к гидродинамическим процессам относятся:
разделение неоднородных систем (осаждение и фильтрация), перемешивание
и псевдоожижение сыпучих материалов.
Основой гидродинамических процессов является движение жидкости
или газа. Движущая сила процесса - гидростатическое или
гидродинамическое давление.
Неоднородные (гетерогенные) системы возникают или естественным
путем или в результате производственного процесса. Определение
неоднородной системы (НС). Фазы дисперсионная и дисперсной. Жидкие и
газовые неоднородные системы.
В качестве определяющего размера принимают эквивалентный диаметр
частиц, dэкв .
Этот переход называют инверсией фаз или просто инверсией.
В технологических процессах пищевых производств часто приходится
разделять НС на составные части. Методы разделения выбирают в
зависимости от вида НС, ее физических и химических характеристик. Два
основных метода разделения НС: осаждение и фильтрование. В процессе
осаждения частицы движутся относительно сплошной среды. В зависимости
от взаимного движения фаз различают частицы остаются неподвижными, а
сплошная дисперсионная среда движется через концентрированную
дисперсную фазу или через специальную, пористую перегородку. В чистом
виде ни один из этих процессов не имеет места. Процессы фильтрации в той
или иной степени сопровождаются и осаждением.
Разделение НС производят в гравитационном, центробежном,
электрическом поле и поле сил давления.
Осаждение. Условием для проведения процесса осаждения является
наличие разности плотностей частиц и среды т.е. эффективной плотности
ρэ = ρч-ρс.
Осаждение в гравитационном поле применяется для разделения
суспензий, эмульсий, дымов и пылей. Скорость осаждения при этом не
велика, поэтому процесс осаждения в гравитационном поле не эффективен
для выделения из системы частиц с высокой степенью дисперсности. Силы
действующие на частицу. Коэффициент сопротивления среды зависит от
режима движения частицы, который определяется критерием Рейнольдса Re.
Для ламинарного режима скорость осаждения можно определить по формуле
wос=d2 g(ρч - ρc)g/(18μc), которая носит название формулы Стокса. Для
турбулентного режима можно получить уравнение Wос =5,45 d(ρч - ρc )/ρc)g.
В практике возникает задача обеспечения необходимой производительности
отстойника. Производительность отстойника V можно определить из
выражения V=WосF, где F-площадь поверхности осаждения, м2.
Два метода определения скорости осаждения: метод Стокса и метод
Лященко.
Коэффициент формы f. Стесненное или солидарное осаждение.
Коэффициент l, учитывающий объемную концентрацию. Аппараты для
проведения процесса осаждения. Аппараты для проведения процесса
осаждения в гравитационном поле называются отстойниками. По способу
проведения процесса отстойники разделяются на периодического,
полунепрерывного и непрерывного действия.
Разделение НС методом осаждения в поле центробежных сил называют центробежным отстаиванием. Действующей силой процесса является
центробежная сила, а действующим ускорением - центробежное ускорение,
т.е. а = ω2r, где ω - угловая скорость вращения частицы, 1/с; r - радиус
вращения частицы, м /с.
Применение центробежного осаждения оценивается фактором
разделения - Fr. Фактор разделения представляет собой видоизмененный
критерий Фруда.
Аппараты, применяющиеся для разделения НС в центробежном поле
называются отстойными центрифугами. Основным органом центрифуги
является барабан. Для отстойных центрифуг барабан выполняется сплошным, без отверстий. Все центрифуги условно по величине фактора
разделения делятся на нормальные - с Fr < 3000- и сверхцентрифуги
(ультрацентрифуги), с Fr > 3000.
Устройство и работа циклонов. Пути повышения эффективности
разделения в циклоне. Аэро - и гидроциклон, батарейный циклон. Расчет
циклона.
Вопросы для самопроверки по теме № 5
1. Какие аппараты применяют для улавливания пыли?
2. Устройство и принцип действия циклона.
3. Каковы причины возникновения центробежной силы в циклоне?
4. Что такое фактор разделения?
5. Как влияют скорость газового потока и диаметр циклона на
фактор разделения?
6. С какой целью применяют батарейные циклоны?
7. Что вы понимаете под степенью очистки?
8. Каковы факторы, влияющие на гидравлическое сопротивление
циклона?
9. Чем отличается фиктивная скорость газа от действительной?
10. Что такое критическая скорость газа?
11. При выполнении какого условия твердые частицы переходят во
взвешенное состояние?
12. Что такое порозность слоя?
13. Пределы изменения порозности взвешенного слоя.
14. Как изменяется зависимость порозности слоя от расхода газа?
15. Какие факторы оказывают наибольшее влияние на критическую
скорость?
16. Как изменяется гидравлическое сопротивление слоя в
зависимости от расхода газа?
17. Что такое скорость уноса?
Тема 6
Фильтрация. Теория фильтрации. Стационарная и нестационарная
фильтрация. Классификация фильтрующих перегородок. Фильтрация при
постоянном давлении. Фильтрация при постоянной скорости. Фильтрация
для жидкостей и фильтрация для газов. Фильтрующие центрифуги.
Конструкции фильтров. Использование фильтров в рыбной промышленности. Мембранные процессы: микрофильтрация, ультрафильтрация,
обратный осмос. Мембранные аппараты.
Литература
[4 стр. 16-45, [3 стр. 10-17, 28-39.
Целевая установка
Методические указания
Фильтрация - один из самых распространенных процессов пищевых
производств. В процессе фильтрации поток суспензии проходит через
пористую перегородку (фильтр), способную пропускать жидкость или газ и
задерживать взвешенные частицы.
Чтобы заставить жидкий или газовый поток пройти через пористую
перегородку, необходимо создать перепад давлений по обе стороны
фильтрующей перегородки. В некоторых случаях фильтрация суспензий
проводится в центробежном поле (центрифугирование).
Скорость фильтрации определяется объемом фильтрата, проходящего
через 1 м2 поверхности фильтрующей перегородки в единицу времени:
Сопротивление фильтрации R складывается из сопротивления осадка
Roс и сопротивления фильтрующей перегородки Rп, т.е.
R  Rос  Rп  rh  Rп ,
где h - толщина слоя осадка, м;
r - коэффициент пропорциональности или удельное сопротивление
осадка, Нс/м4.
Объем осадка, образовавшегося на фильтре, равен произведению его
площади F на толщину слоя осадка h.
Cкорость фильтрации может быть выражена дифференциальным
уравнением, проинтегрировав которое в пределах от 0 до  и от 0 до g,
получим g 2  2mg  2K ,
где m 
Rп
P
,м и K 
, м2/с - константы фильтрации, характеризующие
rZ
rZ
условия проведения опыта.
Уравнение описывает процесс фильтрации при постоянном перепаде
давлений. Константы фильтрации вычисляются по результатам
предварительно проведенных экспериментов.
Процессами мембранного разделения смесей, или мембранными
процессами, называются процессы разделения смесей посредством
полунепроницаемых мембран.
Процесс
характеризуется
двумя
основными
параметрами:
проницаемостью и селективностью.
К основным мембранным методам относятся обратный осмос,
ультрафильтрация, испарение через мембрану, диализ, электродиализ,
диффузионное разделение газов.
В основе метода лежит явление осмоса - самопроизвольного перехода
растворителя через полунепроницаемую мембрану в раствор.
Движущей силой обратного осмоса для идеально полунепроницаемой
мембраны является разность давлений Р = Р-.
Для реальных мембран движущая сила выразится как разность
ΔР =Р -(π1-π2),
где π1 —осмотическое давление раствора;
π2 —осмотическое давление фильтрата.
Ультрафильтрация. Это процесс разделения высокомолекулярных и
низкомолекулярных соединений в жидкой фазе с использованием
селективных мембран, пропускающих молекулы низкомолекулярных
соединений.
Ультрафильтрацию применяют для разделения однофазных жидких
систем, в которых молекулярная масса растворенных веществ много раз
превышает массу растворителя.
Испарение через мембрану. Данный процесс наблюдается, когда
разделяемая жидкая смесь соприкасается с мембраной с одной стороны, а
проникающий компонент в виде паров отводится с другой стороны в
вакуум, или поток инертного газа.
Диализ. Это процесс разделения через полунепроницаемые мембраны,
которые малые молекулы и задерживают макромолекулы и коллоидные
частицы.
Электродиализ. Это диализ под действием постоянного электрического
поля в растворе, когда ионы перемещаются к соответствующим электродам,
проникая через ионообменные мембраны. Электрическое поле в десятки раз
ускоряет очистку растворов от электролитов.
Диффузионное
разделение
газов.
Основано
на
различии
коэффициентов диффузии газов в непористых полимерных мембранах под
действием градиента концентрации и подчиняется законам диффузии.
Механизма переноса веществ при мембранном разделении: теория
просеивания, теория молекулярной диффузии, теория капиллярнофильтрационной проницаемости.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
Вопросы для самопроверки по теме № 6
Что называется фильтрацией?
Понятие о фильтрате.
Из чего складывается сопротивление фильтрации?
От чего зависит скорость фильтрации?
Понятие о стационарной и нестационарной фильтрации.
Как влияет толщина слоя осадка на скорость фильтрации?
Виды фильтрующих перегородок.
Что характеризует константы фильтрации К и m?
Методика определения констант фильтрации.
Как изменяется производительность фильтра с течением времени?
Тема 7
Перемешивание. Перемешивание в жидкой среде. Механическое
перемешивание. Расход энергии при механическом перемешивании и
аэрации.
Эффективность
перемешивания.
Конструкции
мешалок.
Применение перемешивающих устройств в рыбной промышленности.
Литература
[4 стр. 16-45, [3 стр. 10-17, 28-39.
Методические указания
Перемешиванием называется процесс приведения
соприкосновение сыпучих, жидких или газообразных тел.
в
тесное
Потребность в перемешивании возникает в производстве всякий раз,
когда требуется интенсифицировать процесс тепло- или массообмена.
Аппараты, предназначенные для перемешивания материалов,
называются смесителями. Устройство, с помощью которого осуществляется
перемешивание материалов в смесителях, называется мешалкой.
Механическое перемешивание жидкостей осуществляется мешалками
различных конструкций. Наибольшее применение получили лопастные,
пропеллерные и турбинные.
При условии геометрического подобия обобщенное критериальное
уравнение для определения мощности на валу мешалки имеет вид
K N  CRe m Fr n .
В тех случаях, когда на поверхности однородной жидкости не
образуется воронка (например, при установке отражательных перегородок);
влияние силы тяжести будет незначительным и уравнение (8.1) можно
упростить:
K N  C Re m .
Вопросы для самопроверки по теме № 7
1. В каких отраслях пищевой промышленности применяется процесс
перемешивания?
2. Почему в инженерных расчетах мешалок скорость движения жидкости в
аппаратах заменяет произведением частоты вращения на диаметр мешалки?
3. Каким прибором определяют частоту вращения мешалки?
4. Как измеряют мощность на валу мешалки?
5. Физический смысл критериев Рейнольсда и Фруда и мощности.
6. Что называется эффективностью перемешивания?
7. Как зависит эффективность перемешивания от режима движения жидкости в аппарате?
Тема 8
Тепловые процессы. Основные законы теплопередачи. Способы
передачи тепла: конвекция, теплопроводность и излучение. Основное
уравнение теплопередачи. Определение расхода теплоносителя. Способы
термической обработки продуктов: нагревание и охлаждение, замораживание
и
размораживание, стерилизация, обжарка
и варка. Нагревание и
охлаждение. Способы нагревания: дымовыми газами, электрическим током,
СВЧэнергия, водяным паром, горячей водой и инфракрасным
излучением. Материальный и энергетический балансы процессов обжарки,
варки и стерилизации. Схемы паровых аппаратов. Способы охлаждения.
Литература
[4 стр. 16-45, [3 стр. 10-17, 28-39.
Методические указания
Процессы, скорость которых определяется скоростью подвода или
отвода тепла, называются теплообменными. К ним относятся нагревание,
охлаждение, конденсация, кипение.
Нагревание
- это повышение температуры обрабатываемых
материалов путем подвода тепла. Охлаждение - понижение температуры
веществ путем отвода от них тепла. Конденсация - сжижение паров путем
отвода тепла. Кипение - перевод в парообразное состояние веществ путем
подвода тепла. Частным случаем испарения является выпаривание растворов путем удаления растворителя в виде паров.
Основной характеристикой теплового процесса является количество
передаваемого тепла, которое определяется из основного уравнения
теплопередачи для установившегося процесса
Q = Ktм F,
где K - средний коэффициент теплопередачи;
tм - средний температурный напор;
F - полная поверхность теплообмена.
Способы передачи тепла.
Теплопроводность - процесс распространения тепла внутри тела
вследствие колебательного движения частиц. Наблюдается в твердых телах и
тонких слоях жидкостей или газов.
Конвекция - перенос тепла вследствие движения и перемешивания
макроскопических объемов газа или жидкости.
Тепловое излучение - распространение тепла в виде электромагнитных
волн.
В большинстве случаев тепло распространяется одновременно двумятремя способами т.е. происходит сложный теплообмен.
Необратимый процесс переноса тепла в пространстве с неоднородным
полем температуры называется теплообменом.
Распространение тепла теплопроводностью происходит в теле с
неоднородным полем температуры. Температурное поле - это совокупность
значений температуры во всех точках области пространства в данный момент
времени. Геометрическое место точек, имеющих одинаковую температуру,
называется изотермической поверхностью. Предел отношения изменения
температура t к расстоянию между изотермическими поверхностями по
нормали n называется температурным градиентом
grad t = lim (t/n) n → 0 = t/n.
Для характеристики интенсивности распространения теплоты в
температурном поле вводят понятия плотности теплового потока, т.е.
количества теплоты, передаваемой через единицу площади изотермической
поверхности в единицу времени q = Q/F, [q] = [Дж/с м2] = [Вт/м2].
Количественную взаимосвязь между температурным полем и
интенсивностью распространения в нем теплоты устанавливает закон Фурье,
или основной закон теплопроводности: количество тепла dQ, переданного
теплопроводностью, пропорционально градиенту температуры t/n, времени
d и площади сечения F теплового потока, т.е. dQ = - t/n dFd , или
плотность теплового потока пропорциональна градиенту температуры в
направлении нормали к изотермической поверхности q = - grad t,
знак “-” показывает, что векторы градиента температуры и плотности
теплового потока —противоположны по направлению.
Коэффициент пропорциональности в уравнениях называется
коэффициентом теплопроводности, который показывает какое количество
теплоты проходит вследствие теплопроводности через 1 м длины нормали к
изотермической поверхности при разности температур 1 град, т.е.  = [
Вт/(м К)].
Теплообмен излучением - процесс переноса тепла в виде
электромагнитных волн. Этот вид теплообмена осуществляется в три этапа: в
начале внутренняя энергия тела преобразуется в лучистую энергию, которая
на втором этапе передается в пространстве, а на третьем этапе лучистая
энергия преобразуется другим телом в теплоту.
Тепловое излучение характеризуется длиной волныи частотой
колебаний . Волны распространяются со скоростью света с = 3 . 108 м/с, а 
= с/. Основное количество энергии при обработке пищевых продуктов
получают в области инфракрасного излучения (длина волны от 0,8 до
800 мкм).
При попадании на поверхность лучистой энергии в количестве Q,
телом поглощается и превращается в тепловую энергию только ее часть Qп;
часть энергии Qо отражается, а часть Qс проходит сквозь тело.
В природе нет ни абсолютно черных, ни абсолютно белых, ни
абсолютно прозрачных тел, поэтому реальные тела называют “серыми”.
Количество тепла, излучаемого единицей поверхности тела в единицу
времени, называют лучеиспускательной способностью тела или
поверхностной
плотностью
потока
излучения.
Экспериментально
зависимость между температурой тела и тепловым излучением была
установлена Стефаном и подтверждена теоретически Больцманом:
лучеиспускательная способность абсолютно черного тела пропорциональна
четвертой степени его абсолютной температуры:
Е0= С0(Т/100)4,
где С0 = 5,67 Вт/(м2.К) - коэффициент излучения абсолютно черного тела.
Соотношение
между
лучеиспускательной
поглощательной
способностью тел устанавливает закон Киргофа: отношение излучательной
способности тел Е к поглощательной А для всех тел одинаково и равно
излучательной способности абсолютно черного тела Ео при той же
температуре и зависит только от температуры: Е/А = Ео.
Количество тепла, переходящее от более нагретого тела к менее
нагретому посредством излучения можно определить по формуле:
Qл = C1-2 F[(T1/100)4- (T2/100)4],
где C1-2 - приведенный коэффициент излучения;
F - площадь поверхности излучения;
T1 - температура более нагретого тела;
T2 - температура нагреваемого тела;
- угловой коэффициент.
При конвективном теплообмене между телом и средой, участвующей в
теплообмене образуется пограничный слой. В пограничном слое тепло
распространяется теплопроводностью, а от пограничного слоя в массу среды
преимущественно конвекцией. Конвективный теплообмен чаще всего
наблюдается между поверхность твердого тела и жидкостью или газом.
Такой теплообмен называется теплоотдачей.
Основным законом теплоотдачи является закон Ньютона: плотность
теплового потока пропорциональна тепловому напору между поверхностью
стенки и омывающей ее, движущейся средой
q = (tж - tс),
где - коэффициент теплоотдачи.
Коэффициент теплоотдачи характеризует интенсивность теплообмена
и показывает какое количество тепла передается от единицы поверхности
теплообмена в окружающую среду в единицу времени при разности
температур теплообменной поверхности и окружающей среды 1К, т.е. [] =
[Вт/м2.К].
Сложный процесс теплообмена в большинстве случаев не может быть
решен с помощью дифференциальных уравнений. Поэтому на практике
пользуются уравнениями подобия.
В большинстве случаев распространение тепла осуществляется
одновременно теплопроводностью, конвекцией и излучением. Такой
теплообмен называется сложным.
Одним из важнейших случаев сложного теплообмена является процесс
распространения тепла одновременно конвекцией и тепловым излучением.
Количество тепла, отдаваемое стенкой в единицу времени при
одновременном распространении тепла конвекцией и лучеиспусканием
определится по формуле
Qо = Qл + Qк =о (tс-tо)F,
где Qл и Qк - количество тепла переданное излучением и конвекцией
соответственно;
F - площадь теплообмена;
tс и tо- температура стенки и окружающей среды;
о - общий коэффициент теплоотдачи.
Теплопередача - это сложный теплообмен между теплоносителями
через твердую стенку. Количество тепла при этом определяется основным
уравнением теплопередачи
Q = Ktм F,
здесь К - коэффициент теплопередачи, характеризующий скорость теплового
процесса от одного теплоносителя к другому.
Физический смысл коэффициента теплопередачи состоит в том, что он
определяет количество тепла передаваемого от одного теплоносителя к
другому через единицу площади разделяющей их стенки в единицу времени
при разности температур между теплоносителями 1 К.
К = 1/(1/1 + / + 1/2),
или
1/К = (1/1 + / + 1/2).
Величина 1/К, обратная коэффициенту теплопередачи, представляет
собой общее термическое сопротивление теплопередачи. Величины 1/1 и
1/2 являются термическими сопротивлениями теплоотдачи, а / термическим сопротивлением стенки.
Движущей силой тепловых процессов является разность температур
между теплоносителями или температурный напор. При движении
однофазных жидкостей вдоль поверхности теплообмена, наибольший
температурный напор Δtб по ходу течения постепенно уменьшается до
наименьшего Δtм.
Средний температурный напор (средней логарифмической разности
температур) как для противотока, так и для прямотока теплоносителей
Δtср = Δtб - Δtм/[ Ln(Δtб/Δtм)]
При фазовом превращении одного из теплоносителей средний
температурный напор определяется по формуле средней логарифмической
разности температур.
При фазовом превращении обоих теплоносителей, средний
температурный напор можно определить как среднюю арифметическую
разность температур.
Наибольшее распространение в пищевой промышленности получили
следующие методы нагревания: водяным паром, промежуточными
теплоносителями, электрическим током.
Нагревание водяным паром.
Для нагревания применяется в основном насыщенный водяной пар под
давлением до 1 - 1,2 МПа.
Расход пара находится из уравнения теплового баланса:
Gct1 + Di = Gct2 + Dсвt2 + Qп ,
Нагревание
электрическим
током.
По способу
превращения
электрической энергии в тепловую различают печи сопротивления,
индукционные и дуговые. Электрические печи сопротивления делятся на
прямого и косвенного действия.
В печах
прямого
действия
нагреваемое
тело
включается
непосредственно в электрическую цепь и нагревается проходящим по нему
током.
В электропечах косвенного действия тепло выделяется специальными
электронагревателями
и
передается
материалу
излучением,
теплопроводностью и конвекцией.
Количество тепла, необходимое для нагревания продукта определяется
из уравнения теплового баланса.
В электрических индукционных печах обогреваемый аппарат является
сердечником соленоида, охватывающего аппарат. При прохождении по
соленоиду переменного электрического тока вокруг него образуется
переменное электромагнитное поле, которое индуцирует в стенках аппарата
электродвижущую силу, в результате чего аппарат нагревается.
При нагревании токами высокой частоты продукт помещается между
обкладками конденсатора. Под действием переменного тока молекулы
колеблются со скоростью, соответствующей частоте электрического поля,
при этом вследствие трения выделяется тепло.
Охлаждение. Для охлаждения обычно используют наиболее доступные
теплоносители - воду, воздух, лед.
Расход охлаждающей воды или воздуха определяется из уравнения
теплового баланса
Конденсация. Различают два вида конденсации поверхностную или
просто конденсацию, при которой пар и охлаждающий агент разделены
стенкой и конденсацию смешением, когда конденсирующие пары
непосредственно соприкасаются с охлаждающим агентом.
Поверхностная конденсация осуществляется в поверхностных
конденсаторах. В общем случае на конденсацию подается перегретый пар.
В этом случае охлаждающая поверхность теплообмена делится на три зоны:
охлаждение перегретого пара, конденсации и охлаждения конденсата.
В результате этого поверхности охлаждения находятся для каждой
зоны в отдельности.
Вопросы для самопроверки по теме № 8
1. Что такое свободная конвекция?
2. Что является движущей силой процесса теплообмена при свободной
конвекции?
3. Какова разница в процессе теплообмена в неограниченном и
ограниченном пространстве?
4. Какова физическая сущность коэффициента теплоотдачи конвекцией
и лучеиспусканием?
5. Как определяется количество тепла, выделенного электрическим
нагревательным элементом?
6. Как экспериментально определить коэффициент теплоотдачи
конвекцией?
7. Как определить коэффициент теплоотдачи с помощью критериального
уравнения?
8. Что характеризуют критерии Нуссельта, Грассгофа, Прандтля?
9. Из чего складывается общее термическое сопротивление при передаче
теплоты от горячего теплоносителя к холодному ?
10. Какие замеры надо сделать, чтобы определить среднюю движущую
силу процесса теплопередачи в теплообменнике?
11.
В чем различие между коэффициентом теплоотдачи и
коэффициентом теплопередачи по физическому смыслу?
12.
Из чего складывается полное гидравлическое сопротивление
теплообменника?
Тема 9
Теплообменники.
Классификация теплообменных
аппаратов.
Требования, предъявляемые к теплообменным аппаратам пищевых
производств.
Регенеративные
и
рекуперативные
теплообменники.
Определение поверхности теплообмена и толщины изоляции аппарата. Калориферы. Конденсаторы и конденсация. Конструкции калориферов и
конденсаторов. Способы интенсификации процессов теплообмена.
Литература
[4 стр. 16-45, [3 стр. 10-17, 28-39.
Методические указания
Аппараты, предназначенные для проведения теплообменных
процессов,
называются
теплообменными
или
теплообменниками.
По принципу действия теплообменные аппараты подразделяются на
рекуперативные, регенеративные и смесительные.
В рекуперативных
теплообменниках рекуператорах тепло
передается от одного теплоносителя к другому через разделяющую их
стенку.
В регенеративных теплообменниках - регенераторах - одна и та же
поверхность попеременно омывается различными теплоносителями. При
этом поверхность сначала нагревается одним теплоносителем, а затем отдает
тепло другому теплоносителю. Таким образом, в регенераторах необходимы
аккумуляторы тепловой энергии, которые заряжаются теплом, а затем
отдают его.
В смесительных теплообменниках передача тепла происходит
непосредственно при соприкосновении и смешении теплоносителей.
Основной задачей при расчете теплообменников является определение
требуемой поверхности теплообмена F, которую определяют из основного
уравнения теплопередачи: Q = K FΔt,
Порядок расчета теплообменного аппарата:
1. Из уравнения теплового баланса определяют недостающие параметры
(расход или температуру одного из теплоносителей);
Тепловой баланс теплообменника можно записать в виде:
Q=Q1=Q2+ Qп, где Q1 и Q2 - тепло отдаваемое первым и получаемое вторым
теплоносителем, соответственно, Вт; Qп - потери тепла, Вт.
Тепловая нагрузка при теплообмене, без изменения агрегатного
состояния определяется по формуле Q = G(cнtн-скtк), где cн и ск - начальная и
конечная удельная теплоемкость теплоносителя, кДж/(кг.К); tн и tк начальная и конечная температура теплоносителя, К; G - массовый расход
теплоносителя.
При фазовом превращении теплоносителя: Q = G(iн-iк), где iн и iкначальная и конечная энтальпия теплоносителя, кДж/кг.
2. Определяют теплофизические параметры (плотность, вязкость
теплоемкость, теплопроводность и т.п.) обоих теплоносителей;
3. Определяют средний температурный напор (в общем случае по
формуле средней логарифмической разности температур);
4. По
соответствующим
уравнениям
подобия
рассчитывают
коэффициенты теплообмена;
5. Выбирают или рассчитывают термические сопротивления стенки и
загрязнений;
6. Определяют коэффициент теплопередачи;
7. Определяют поверхность теплопередачи.
В зависимости от конструктивного исполнения рекуператоры
разделяют на кожухотрубные, двухтрубные, змеевиковые, спиральные,
опосительные, специальные и на трубчатые выпарные аппараты.
Различают
одноходовые
и
многоходовые
кожухотрубные
теплообменники.
Для увеличения интенсивности теплоотдачи применяют многоходовые
теплообменники. В многоходовом теплообменнике пучек труб или
межтрубное пространство (а также и то и другое) разделено перегородками
на несколько секций, что при заданном расходе увеличивает скорость
теплоносителя, а следовательно и интенсивность теплопередачи.
Если разность температур между кожухом и трубами превышает
о
25 С, то температурные напряжения могут вызвать разрушение аппарата.
Поэтому для таких условий применяют кожухотрубные теплообменники с
различными компенсаторами температурных удлинений.
Трубы в трубной решетке размещают несколькими способами: по
сторонам и вершинам правильных шестиугольников; по сторонам и
вершинам квадратов и по концентрическим окружностям. Наибольшее
распространение нашел первый способ размещения труб. В данном случае
при подсчете общего числа труб n исходя из числа труб а, расположенных по
стороне наибольшего шестиугольника: n = 3a(a-1) + 1.
Число труб b, расположенных по диагонали наибольшего
шестиугольника, находят по формуле: b = 2a-1.
При закреплении труб в трубной решетке развальцовкой шаг
размещения t выбирают в зависимости от наружного диаметра труб в
пределах
t = (1,3 -1,5)dн.
При закреплении труб сваркой шаг размещения выбирают равным
t = 1,25dн.
Диаметр кожуха находят по соотношению D = t(b-1) + 4dн.
Длину труб находят исходя из требуемой поверхности F и среднего
диаметра труб d: L = F/(dn).
Рубашечные теплообменники представляют собой сосуд с двойными
стенками. Внутри сосуда
находится один из теплоносителей.
В зарубашечное пространство подается другой теплоноситель. Теплообмен
происходит через стенку, разделяющую теплоносители.
Змеевиковый теплообменник представляет собой сосуд, в который
погружен змеевик. Оба описанных теплообменника относятся к аппаратам
периодического действия. Такие аппараты применяются при небольших
тепловых нагрузках, имеют небольшие поверхности теплообмена и
невысокую интенсивность теплопередачи. Для повышения интенсивности
теплообмена в теплообменник устанавливают различные перемешивающие
устройства.
Пластинчатые
теплообменники
представляют
собой
набор
штампованных пластин, которые собираются при помощи болтовых
соединений. Теплообменник обеспечивает высокую интенсивность
теплообмена, возможность создания больших теплообменных поверхностей,
возможность очистки и малые габариты аппарата.
Спиральные теплообменники представляют собой
поверхность
теплообмена, образованную двумя пластинчатыми спиралями.
Вопросы для самопроверки по теме № 9
1. Назовите основные виды теплообменников.
2. Чем отличается конденсатор от охладителя ?
3. Приведите порядок расчета теплообменного аппарата.
4. Приведите возможные пути повышения эффективности работы
теплообменного аппарата.
Тема 10
Выпаривание. Теоретические основы процесса выпаривания. Понятие
о греющем, вторичном и экстра паре. Изменение свойств раствора при
сгущении. Однокорпусная установка. Материальный и тепловой балансы
выпаривания. Выбор числа корпусов. Классификация выпарных аппаратов.
Примеры использования выпарных установок в пищевой промышленности.
Литература
[4 стр. 16-45, [3 стр. 10-17, 28-39.
Методические указания
Выпаривание - процесс концентрации растворов путем удаления
летучего растворителя.
Выпаривание производят при температуре кипения, т.е. при условиях,
когда давление над раствором равно давлению в рабочем объеме аппарата.
Для нагревания раствора до температуры кипения как правило
используют водяной пар, который называют греющим или первичным паром.
Вторичным (соковым) паром называется пар, образующийся из
выпариваемых растворов.
При данном давлении температура кипения раствора tр выше
температуры, находящегося над раствором насыщенного пара tвп на величину
физико-химической депрессии Δф.
Процесс выпаривания можно проводить под атмосферным и
избыточным давлением или под вакуумом.
При выпаривании под атмосферным давлением вторичный пар отводят
в атмосферу. Этот способ является наиболее простым, но не экономичным в
тепловом отношении.
При выпаривании под избыточным давлением вторичный пар имеет
высокую температуру и его часто используют для нагревания различных
теплообменных аппаратов.
При выпаривании под вакуумом температура кипения раствора
снижается, что позволяет использовать для нагревания раствора пар низкого
давления. Применение вакуум-выпарных аппаратов позволяет также
уменьшить поверхность теплообмена и габариты аппарата.
Выпаривание может осуществляться в одном аппарате (однокорпусная
выпарная остановка), либо в ряде последовательно соединенных аппаратах
(многокорпусная установка).
В однокорпусных выпарных установках тепло греющего пара
используется однократно, а вторичный пар обычно не используется.
В многокорпусных установках вторичный пар предыдущего корпуса
используется в качестве греющего пара для последующего корпуса, в
котором раствор кипит при более низком давлении.
Различают также выпарные аппараты периодического и непрерывного
действия.
Однокорпусная выпарная установка применяется, когда необходимо
выпарить относительно небольшое количество воды и когда экономия тепла
не имеет большого значения.
При расчете выпарной установки определяют:
1) Количество выпаренной воды при заданных начальной и конечной
концентрациях;
2) Расход греющего пара;
3) Поверхность нагрева выпарного аппарата.
Согласно материальному балансу количество сухих веществ в растворе
до и после выпаривания остается постоянным: G(Bн/100) = (G —W)(Bк/100),
откуда количества выпаренной воды: W = G(1-Bн/Bк),
где G —количество раствора поступившего на выпаривание, кг/с;
Bн и Bк —начальная и конечная концентрации раствора, %масс;
W —количество выпаренной воды, кг/с.
Расход греющего пара определяют из уравнения теплового баланса
Отношение расхода пара к количеству выпаренной воды называют
удельным расходом пара. На практике считают, что на образование 1 кг
вторичного пара в однокорпусной выпарной установке расходуется 1,1 1,2 кг первичного пара.
Поверхность нагрева выпарного аппарата определяется из основного
уравнения теплопередачи.
Многокорпусные выпарные установки состоит из нескольких
однокорпусных, соединенных последовательно при этом вторичный пар
предыдущего корпуса используется в качестве греющего пара для
последующего корпуса, в котором раствор кипит при более низком давлении.
В многокорпусных установках, в которых головные корпуса работают под
давлением, а хвостовой корпус под разряжением, благодаря использованию
тепла значительно снижается удельный расход пара. Однако снижение
удельного расхода пара происходит не прямо пропорционально. Так при
переходе от однокорпусной к двухкорпусной установке экономия пара
составляет 50 %, а при переходе от четырех к трехкорпусной всего 10 %.
Предельным должно быть число корпусов, при котором полезная разность
температур имеет минимально возможные значения (не ниже 5 - 7 градусов).
Обычно промышленные выпарные установки имеют не более пяти
корпусов.
На большинстве предприятий применяются многокорпусные выпарные
установки с прямоточным движением пара и продукта. Обычно в таких
установках не весь вторичный пар направляется на обогрев последующего
корпуса. Часть вторичного пара отбирается на обогрев других
теплообменных аппаратов. Такой пар называют экстрапаром.
Использование экстрапара значительно повышает эффективность
использования тепла в производстве.
Наиболее простым методом расчета многокорпусной выпарной
установки является метод Классена. При расчете принимают следующие
допущения:
1) раствор поступает в корпус перегретым, а эффект самоиспарения
компенсируется тепловыми потерями;
2) 1 кг греющего пара выпаривает из раствора 1 кг воды, т.е. образует
1 кг вторичного пара.
Метод дает вполне удовлетворительные результаты для расчета двух и
трехкорпусных установок. Погрешность в определении выпаренной воды и
расхода пара возрастает с увеличением числа корпусов.
При минимальной общей поверхности нагрева всех корпусов полезную
разность температур определяют пропорционально отношению (Q/K)0,5
При расчете выпарной установки с минимальной общей поверхность
теплопередачи, поверхности отдельных корпусов могут значительно
отличаться друг от друга. По конструктивным соображениям желательно
иметь распределение полезной разности температур, обеспечивающее
одинаковые поверхности теплообмена отдельных корпусов установки.
Из условия одинаковой поверхности нагрева полезная разность
температур распределяется пропорционально отношению Q/K.
Вопросы для самопроверки по теме № 10
1. Что такое выпаривание ?
2. Как меняются свойство продуктов при выпаривании ?
3. Методы выпаривания.
4. Что такое температурная депрессия и каких видов она бывает ?
5. В чем разница между полной и полезной разницей температур ?
6. Из его складывается тепловой баланс выпарной установки ?
7. Опишите устройство однокорпусной выпарной установки.
8. Многокорпусные выпарные установки.
9. Виды выпарных аппаратов.
10.Порядок расчета выпарной установки.
Тема 11
Массообменные процессы. Основные теории массопередачи. Общие
сведения и закономерности массообменных процессов. Равновесие между
фазами. Материальный баланс при массопередаче и уравнение рабочей
линии процесса. Молекулярная и конвективная диффузия. Понятие о
термодиффузионных процессах. Применение массообменных аппаратов в
пищевой промышленности.
Литература
[4 стр. 16-45, [3 стр. 10-17, 28-39.
Методические указания
Массообменные процессы - это процессы,
сущность которых
составляет перенос вещества из одной фазы в другую.
К ним относятся: Сушка - удаление влаги из влажных материалов
путем ее испарения. К сушке можно отнести и процесс копчения. При
копчении процесс сушки сопровождается замещением удаленной влаги
компонентами дыма, обладающими антисептическими свойствами, что
повышает стойкость продуктов при хранении и придает им специфический
ароматный вкус.
Сорбционные процессы (абсорбция, адсорбция и десорбция) - процесс
поглощения каким-либо телом газов, паров или растворенных веществ из
окружающей среды.
Экстрагирование - извлечение из сложного по составу вещества
(твердого или жидкого) одного или нескольких компонентов с помощью
растворителя, обладающего избирательной растворимостью.
Кристаллизация - возникновение и рост кристаллов.
Перегонка - однократное частичное испарение жидкой смеси и
конденсация образующихся паров. Ректификация - многократное частичное
испарение жидкой смеси и конденсация образующихся паров с целью
разделения компонентов, входящих в жидкую смесь.
Массопередача - это массообмен между двумя фазами, разделенными
поверхностью раздела.
Перенос массы в каждой из фаз может осуществляться двумя
способами: молекулярной диффузией и конвективным переносом или
массоотдачей. Первый способ связан с тепловым движением структурных
частиц (атомов, молекул и др), второй - с перемещением молярных объемов
среды, т.е. объемов, состоящих из большого числа частиц.
В общем случае процесс массопередачи состоит из трех
последовательных этапов: диффузии компонента к межфазной поверхности,
перехода через нее и диффузии в объем второй фазы.
Движущей силой массопередачи является разность концентраций
компонента в данной фазе, т.е. рабочей концентрации и концентрацией
компонента, равновесной с другой фазой. Количество вещества, переходящее
из одной фазы в другую, называют диффузионным потоком.
Основное уравнение массопередачи записывается в виде:
M= K ΔC F,
где M - количество вещества, кг/с;
K - коэффициент массопередачи, кг/(м2.с.кг/м3);
ΔC - движущая сила, кг/м3;
F - площадь поверхности массопередачи, м2.
Основным условием протекания процесса является нарушение
равновесия между фазами из-за изменения температуры или давления.
Процесс при этом будет происходить до восстановления равновесия. При
приближении системы к состоянию равновесия движущая сила и скорость
процесса уменьшается. В состоянии равновесия существует определенная
зависимость
между
концентрациями
компонентов
в
обеих
фазах. Любой
концентрации X вещества в фазе L соответствует
определенная равновесная концентрация этого вещества Yр в фазе G .
Равновесие между фазами графически выражается на Y-X диаграмме
кривыми равновесия. Конкретный вид закона определяется природой и
концентрацией компонентов.
Классификация массообменных процессов проводится по следующим
признакам: по агрегатному состоянию фаз, по способу контакта и характеру
взаимодействия.
Массообменные процессы в пищевой промышленности могут
протекать в системе с твердым телом (твердое тело - жидкость, твердое
тело - газ) к ним относятся кристаллизация, экстракция, адсорбция, сушка,
сублимация, ионный обмен. И процессы без твердой фазы (жидкость жидкость,
жидкость - газ), к ним можно отнести
жидкостную
экстракцию, ректификацию, абсорбцию, сушку жидких продуктов.
По способу контакта различают процессы с непосредственным
контактом, контактом через мембраны и контактом без границы раздела
фаз. Способ контакта через мембраны позволяет проводить процесс в
системе газ - газ. Он основан на растворении одного компонента на пористой
мембраной, диффузии его через мембрану и испарении с другой стороны
(выделение этилового спирта из водного раствора).
По способу взаимодействия фаз различают периодические и
непрерывные процессы, последние подразделяются на противоточные,
прямоточные, смешения и комбинированные.
Уравнение Y = (L/G) X + (GYк - Xн)/G называется уравнением рабочей
линии и показывает, что концентрация вдоль поверхности меняется по
линейному закону.
Если рабочая линия расположена под линией равновесия, то для
любой точки yс<yсР и xс>xсР, следовательно компонент из жидкой фазы будет
переходить в газовую. Т.е. по расположению рабочей линии можно судить о
направлении процесса. По таким диаграммам можно определять основные
параметры процесса.
Молекулярная диффузия осуществляется в результате движения
молекул какого-либо компонента из области высоких концентраций в
область с меньшей концентрацией.
Молекулярная диффузия описывается первым законом Фика:
количество вещества dM, продиффундировавшего за время d через
элементарную поверхность dF, нормальную к направлению диффузии,
пропорционально градиенту концентрации dC/dx этого вещества:
dM = -D dF d (dC/dx) или
M = -D F  (dC/dx),
2
где D - коэффициент диффузии, м /с.
Коэффициент диффузии характеризует способность данного вещества
проникать вследствие диффузии в неподвижную среду и определяется
опытным путем.
Конвективная диффузия представляет собой перенос распределяемого
компонента в движущейся фазе (жидкость, газ) при турбулентном режиме.
В ядре потока вещество перемещается к границе раздела фаз за счет
перемещения молярных частей среды т.е. конвективной диффузии.
Конвективная диффузия подчиняется закону Щукарева: количество вещества
dM, переносимого за время d через элементарную поверхность dF,
пропорционально разности концентрации у поверхности раздела фаз сп и в
ядре потока воспринимающей фазы - с:
dM = (cп- с)dFd,
где - коэффициент массоотдачи, т.е. количество вещества, передаваемого за
единицу времени через единицу поверхности раздела фаз, при разности
концентраций между поверхностью раздела и ядром потока равной 1 кг/м3.
Термодиффузия - перемещение частиц вещества за счет разности
температур.
В результате
термодиффузии
происходит
разделение
компонентов. Разность температур в твердом теле вызывает поток массы
вещества.
Массопроводность или внутренняя диффузия. Данный перенос
вещества осуществляется внутри твердого вещества и описывается законом,
аналогичным теплопроводности или первым законом Фика.
Целью инженерных расчетов является определение поля
концентраций распределяемого компонента в твердом теле и количества
передаваемой массы по истечению любого количества времени.
Движущей силой массообменных процессов является положительная
разность между рабочей и равновесной концентрациями в любой из фаз.
Движущая сила редко бывает постоянной, она меняется вдоль
поверхности раздела фаз. Для расчетов необходимо знать среднюю
движущую силу yср или xср.
В простейшем случае, при линейной равновесной зависимости,
средняя движущая сила определяется как среднелогарифмическая между
движущими силами в начале и в конце поверхности фазового контакта.
Вопросы для самопроверки по теме № 11
1. Назовите виды массообменных процессов.
2. Что является движущей силой массообменного процесса ?
3. Как определить число ступеней концентрации ?
4. Назовите способы переноса вещества.
5. определите способы интенсификации массообенных процессов.
6. Как рассчитать движущую силу процесса ?
Тема 12
Сушка.
Способы
обезвоживания влажных материалов.
Закономерности кинетики процесса обезвоживания продуктов. Свойства
влажного воздуха. Диаграмма
состояния влажного воздуха Л.К.Рамзина.
Изображение основных процессов на диаграмме (нагревание и охлаждение,
сушка и увлажнение). Материальный и тепловой балансы конвективной
сушки. Процессы, происходящие в теоретической
и действительной
сушилке. Кинетика сушки. Динамика сушки. Кривые сушки и скорости
сушки. Классификация и схемы сушилок. Применение сушки пищевой
промышленности.
Копчение и вяление. Копчение и вяление как разновидность процесса
сушки. Общие сведения о тепло - и массопереносе при копчении и вялении.
Топливо, используемое в процессе копчения. Дымогенерация и дымогенераторы. Коптильная жидкость. Схемы коптильных установок. Копчение в
электростатическом поле. Внешний и внутренний массоперенос коптильных
комплектов. Продолжительность горячего и холодного копчения.
Литература
[4 стр. 16-45, [3 стр. 10-17, 28-39.
Методические указания
Сушка - способ консервирования путем тепловой обработки продукции
при котором удаляется значительное количество влаги, что замедляет
жизнедеятельность бактерий и повышает сроки хранения. При копчении
процесс сушки сопровождается замещением удаленной влаги компонентами
дыма, обладающими антисептическими свойствами, это повышает стойкость
продуктов при хранении и придает им специфический ароматный вкус.
В качестве сушильных агентов при сушке применяются воздух и
дымовые газы. Для сушки пищевой продукции применяют только воздух.
Для копчения продуктов применяют дымовоздушную смесь.
Влага, находящаяся в продукте, подразделяется на несвязанную
(поверхностную и капиллярную) и связанную (осмотическую и химическую).
При сушке и копчении удаляется несвязанная влага.
Химически связанная влага представляет собой прочно связанную с
материалом в точных количественных соотношениях. Как правило
химически связанная влага при сушке не удаляется.
Физико-химическими силами связана адсорбционная и осмотическая
влага. Адсорбционная влага абсорбируется поверхностью капилляров.
В процессе сушки адсорбционная влага удаляется лишь частично.
Осмотическая влага, находящаяся внутри клеток, удаляется быстрее
адсорбционной.
Физико -механически удерживается влага внутри капилляров
(капиллярная) и на поверхности материала (поверхностная). Эта влага
обладает наименьшей энергией связи и называется свободной или
несвязанной и удаляется из продукта в первую очередь.
Сушка осуществляется двумя основными способами:
- нагреванием влажных материалов через твердую непроницаемую
перегородку или контактной сушкой;
- нагреванием влажных материалов путем непосредственного контакта
с теплоносителем или газовая и воздушная конвективная сушка.
Иногда тепло подводится материалу токами высокой частоты
(диэлектрическая сушка) или инфракрасными лучами (инфракрасная сушка).
Сушка при глубоком вакууме в условиях отрицательных температур
называется сублимационной сушкой.
Для оценки влаги в материале используют понятия: влажность
материала относительно общей массы w, влажность материала относительно
абсолютно сухого материала wc и влагосодержание материала u.
Влажность материала относительно общей массы - это отношение
массы влаги к общей массе.
Влажность материала относительно абсолютно сухого материала - это
отношение массы влаги к массе его сухой части.
Влагосодержание материала - это отношение массы влаги к массе
материала, относительно общей массы и относительно абсолютно сухого
материала.
Свойства влажного воздуха как сушильного агента определяются
абсолютной и относительной влажностью, влагосодержанием, энтальпией,
температурой и др.
Для расчетов процесса сушки и копчения удобнопользоваться I-x
диаграммой, построенной Л.К.Рамзиным в 1918 году. Диаграмма построена в
косоугольной системе координат с углом 135 о между осями. На диаграмме
нанесены линии постоянной температуры, энтальпии, влагосодержания и
пучок кривых постоянной относительной влажности, выходящих из точки с
координатами x = 0, t = -273,15 oC.
С помощью диаграммы можно проследить изменение состояния
влажного воздуха в различных процессах.
При взаимодействии влажного воздуха и материала влага из воздуха
будет переходить в материал или наоборот до достижения равновесия.
Влажность материала в этом равновесном состоянии называется равновесной
влажностью. Равновесная влажность является функцией парциального
давления водяного пара при данной температуре. Меняя парциальное
давление при постоянной температуре можно получить кривую, называемую
изотермой сорбции влаги.
Для большинства материалов равновесная влажность не зависит от
температуры, а зависит только от относительной влажности воздуха.
Следователь, что при помощи сушильного агента с определенной
относительной влажностью невозможно удалить всю влагу из материала.
Материал будет характеризоваться равновесной влажностью. Поэтому
вводится понятие удаляемая влага.
При сушке влага перемещается в материале в направлении от центра к
периферии, где материал омывается сушильным агентом. Это диффузионный
процесс, движущей силой которого является разность концентраций влаги в
различных слоях материала. Однако этот процесс осложняется тепловым
воздействием. Основное уравнение влагопроводности выглядит аналогично
уравнению Фурье.
Влага может перемещаться в материале как в виде жидкости
(осмотическая влага), так и в виде пара (адсорбционно-связанная влага).
Наряду с концентрационным при сушке имеет место и температурный
градиент,
в
результате
которого
наблюдается
действие
термовлагопроводности. Влага при этом перемещается в направлении потока
тепла, т.е. внутрь материала.
Суммарной количество влаги, перемещенное влагопроводностью и
термовлагопроводностью, при обычной конвективной сушке равно разности
m = mw - mt так как направление потоков влаги противополрожно.
Сушка состоит из трех этапов: перемещения влаги внутри материала из
центра к поверхности, парообразования и перемещения пара от поверхности
в окружающую среду.
Движущей силой диффузии влаги в окружающую среду является
разность парциальных давлений водяного пара на поверхности материала, в
пограничном слое рн и в окружающей среде рв.
Для анализа изменения влажности и температуры материала строят
кривые сушки. Кривой сушки называется графическая зависимость
влажности или влагосодержания материала от времени проведения
процесса, т.е.
W = f().
С помощью кривой сушки можно оценить величину скорости сушки,
под которой понимают уменьшение влажности материала в единицу
времени. Скорость сушки определяют графическим дифференцированием
кривой сушки и представляют графически как зависимость dW/d=f(W).
В процессе сушки можно выделить несколько характерных периодов.
В начальный момент времени температура материала поднимается от tн до tм
и скорость сушки увеличивается до максимального значения. В следующий
период времени скорость сушки и температура материала постоянны. При
достижении некоторой критической влажности Wкр скорость сушки начинает
уменьшаться и, по мере приближения влажности материала к равновесной
Wp, стремиться к нулю. Температура материала при этом растет и
приближается к температуре сушильного агента.
Весь период сушки обычно делят на периода: 1 - период постоянной
скорости сушки, соответствующий изменению влажности от Wн до Wкр;
2 -период падаюшей скорости сушки, соответствующий изменению
влажности от Wкр до конечного значения W2.
В первый период из материала испаряется несвязанная поверхностная
влага. На ее место поступает из внутренних слоев материала. Воздух
полностью насыщается влагой и температура его и поверхности материала
становится равной температуре мокрого термометра.
Движущей силой процесса в первый период является разность
парциальных давлений. Продолжительность периода определяется с
помощью уравнения массотдачи.
С течением времени влажность материала достигает критической.
На поверхности появляются сухие участки. Интенсивность обезвоживания
начинает определяться скоростью диффузии влаги из внутренних слоев на
поверхность, причем теплота передается теплопроводностью через сухой
слой, температура которого возрастает. Скорость сушки уменьшается и
зависит от структуры и вида материала и форм связи влаги с материалом.
Начинается второй период - период падающей скорости сушки. Во второй
период удаляется физически связанная влага.
Расчет продолжительности второго периода сушки обычно проводится
приближенным методом, предложенным А.В.Лыковым.
Общая продолжительность сушки равна  = 1+2.
Вопросы для самопроверки по теме № 12
1. Какой процесс называют сушкой?
2. Что такое влагосодержание материала?
3. Что называют скоростью сушки?
4. Что является движущей силой процесса сушки?
5. Что такое равновесное влагосодержание материала?
6. Что такое критическое влагосодержание материала?
7. Что характеризует кривая сушки?
8. На какие характерные участки можно разбить кривую сушки?
9. Что характеризует кривая скорости сушки?
10. Как определяется начальное влагосодержание материала.
11. В чем преимущество сушки во взвешенном слое по сравнению с сушкой того же материала в неподвижном слое?
12. Справедливы ли при сушке во взвешенном слое представления о периодах постоянной и падающей скоростей сушки?
13. Чем теоретическая сушилка отличается от действительной, и как
изображаются на диаграмме Рамзина теоретический и действительный
процессы сушки?
14. В чем заключается физическая сущность передачи тепла
инфракрасными лучами?
15. Свойства различных тел в отношении лучистой энергии.
Тема 13
Сорбция. Основные сведения. Процесс абсорбции. Рабочая линия
процесса абсорбции. Движущая сила процесса абсорбции. Влияние
температуры и давления в аппарате на процесс абсорбции. Процесс
адсорбции. Материальный баланс адсорбции. Основы расчета адсорбентов.
Адсорбенты и их свойства. Регенерация адсорбентов. Адсорбционные
установки.
Литература
[4 стр. 16-45, [3 стр. 10-17, 28-39.
Методические указания
Сорбционным процессом называется процесс поглощения каким-либо
телом газов, паров или растворенных веществ из окружающей среды.
Абсорбция - это избирательный процесс поглощения одного или
нескольких компонентов газовой смеси жидким поглотителем (абсорбентом).
Адсорбция - это процесс поглощения газов или паров поверхностью
твердого тела (адсорбента).
Десорбция - процесс выделения газа или паров поглотителями.
Поглощение газов или паров при абсорбции может происходить либо
за счет растворения газов в жидкости (физическая абсорбция), либо за счет
химической реакции с абсорбентом (хемосорбция).
Процесс адсорбции описывается законом Генри, который
устанавливает зависимость между растворимостью газов и их парциальным
давлением
x =p,
где x — количество растворенного газа;
 — коэффициент Генри;
p — парциальное давление газа.
Коэффициент Генри зависит от свойств газа и абсорбента и
температуры процесса.
Движущей силой процесса, как и любого массобменного процесса,
является разность концентраций, которая в данном случае пропорциональна
парциальному давлению газа. Поэтому движущую силу можно выразить как
разность парциальных давлений компонентов в газавой pг и жидкой pж фазах.
Если pг>pж, то компонент из газовой фазы переходит в жидкую, т.е.
наблюдается процесс собственно абсорбции, если pг<pж, то компонент
переходит из жидкой фазы в газовую - процесс десорбции.
Движущую силу абсорбции можно выразить как разность между
парциальными давлениями компонента в газовой pг фазе и находящимся в
равновесии с абсорбентом pр. Чем больше разность парциальных давлений
рг-рр, тем интенсивней протекает процесс перехода компонента из газовой
фазы в жидкую. По мере приближения к состоянию равновесия движущая
сила процесса и скорость процесса уменьшается.
Парциальное давление компонента пропорционально его концентрации
и движущая сила может быть представлена через разность концентраций в
жидкой и ли газовой фазах:
y=y-yр и x=xр-x,
где y —количество компонента в газовой фазе;
x —количество компонента в жидкой фазе.
Уравнение фазового равновесия для абсорбции имеет вид y = Hx. Для
идеальных растворов величина H = Const и линия равновесия является
прямой. Для концентрированных растворов данная зависимость
представляется кривой линией, которую называют кривой равновесия и
строят на основе экспериментальных данных.
Уравнение материального баланса устанавливает зависимость между
концентрацией поглощаемого компонента в обеих фазах и количеством
носителя. Линия, соответствующая этому уравнению, построенная в
координатах X-Y будет прямой линией. Эту линию называют рабочей линией.
Для абсорбции рабочая линия проходит выше линии равновесия. Расстояние
по вертикали между рабочей линией и линией равновесия определяет
движущую силу процесса и показывает, как она меняется по высоте
аппарата.
Построение рабочей линии абсорбера дает возможность графически
определить число ступеней концентрации.
Процесс физической абсорбции протекает с выделением тепла, а,
следовательно, с повышением температуры абсорбента и газовой смеси. При
значительном росте температуры возможно сильное понижение
растворимости
газов.
Поэтому
для
поддержания
заданной
производительности иногда необходимо прибегать к охлаждению.
Количество
вещества,
поглощаемого
при
абсорбции
прямопропорционально поверхности контакта газовой и жидкой фаз F,
движущей силе процесса, и коэффициенту пропорциональности,
называемому коэффициентом массопередачи К.
M = Kр F(pг-pр) = KY F(Y-Yp) = KX F(Xp-X).
Коэффициент массопередачи при абсорбции характеризует массу
вещества, переданную в единицу времени через единицу поверхности
контакта фаз при движущей силе, равной единице. Если движущая сила
выражена как разность концентраций, то К = [кг/(м2.с.МПа)], если движущая
сила выражена как разность концентраций, то К = [ кг/(м2.с. кг/м3)] = [м/с].
В
технике используют
следующие принципиальные схемы
абсорбционных процессов: прямоточные, противоточные, одноступенчатые с
рециркуляцией и многоступенчатые с рециркуляцией.
Многоступенчатые схемы с рециркуляцией могут включать прямоток,
противоток, рециркуляцию жидкости и рециркуляцию газа. Большое
практическое значение имеет многоступенчатая противоточная схема с
рециркуляцией жидкости в каждой ступени
Десорбция, т.е. процесс выделения газа или паров поглотителями,
осуществляется путем взаимодействия встречных потоков регенерируемого
абсорбента и десорбирующего газа, обычно водяного пара, нагреванием
абсорбента или понижением давления. Десорбция является процессом,
обратным абсорбции.
Адсорбция - это процесс поглощения газов или паров поверхностью
твердого тела (адсорбента).
Характерной особенностью адсорбции является избирательность и
обратимость. Различают физическую и химическую адсорбцию. Физическая
адсорбция имеет место при взаимном притяжении молекул адсорбтива и
адсорбента под действием сил Ван-дер-Ваальса. При поглощении паров
адсорбция может сопровождаться конденсацией паров, при этом поры
адсорбента заполняются жидкостью - происходит капиллярная конденсация,
возникающая вследствие снижения давления.
Химическая адсорбция характеризуется образованием химических
связей между молекулами поглощенного вещества и адсорбента, что
является результатом химической реакции.
Материальный баланс непрерывной адсорбции запишется следующим
образом:
L(xк-xн) = G(yн-yк),
где обозначения те же, что и в выше рассмотренных формулах.
Движущей силой процесса является разность концентраций сорбтива в
газовой и равновесной фазах:
 y = y - yр .
При адсорбции равновесная концентрация выразится уравнением
Фрейндлиха
x = K (yр)1/n ,
где x - концентрация сорбтива в поглотителе;
yр - равновесная концентрация в газовой фазе;
К и n - постоянные для заданной температуры.
Основное уравнение массопередачи имеет следующий вид:
M = KC F,
где М - масса адсорбированного вещества;
К - коэффициент массопередачи;
C - средняя разность концентраций;
 - время;
F - площадь поверхности абсорбента.
При расчетах процесса адсорбции удобнее рассматривать объемный
коэффициент массопередачи: КYV = М/(Y.V) где Y = Y1-Yp - движущая сила
процесса, здесь Y1- концентрация влаги на входе в аппарат, кг/кг; Ypравновесная концентрация, кг/кг; V = НS - объем адсорбента, м3, здесь Н высота слоя, м; S - площадь сечения аппарата, м2;  - порозность слоя (=0,4).
Для процесса адсорбции диффузионные сопротивления внутри твердой
фазы малы по сравнению с внешним диффузионным сопротивлением,
поэтому, с некоторым допущением принимают КYV=YV, где YV - объемный
коэффициент масоотдачи.
Значение коэффициента массоотдачи YV можно определить по
уравнениям подобия.
Основными характеристиками адсорбентов являются:
1. Удельная поверхность - величина поверхности приходящаяся на
единицу массы или объема адсорбента;
2. Активность адсорбента - предельное количество вещества, которое
может поглотить единица массы адсорбента.
Адсорбенты характеризуются также плотностью, пористостью,
эквивалентным диаметром гранул, гранулометрическим составом и
механической прочностью.
Различают истинную и, кажущуюся к и насыпную н плотность.
Истинная плотность и - масса единицы объема вещества из которого
состоит адсорбент.
Кажущаяся плотность к - отношение массы гранулы к ее объему.
Насыпная плотность н - масса единицы объема слоя.
Пророзность слоя адсорбента это доля объема слоя не занятая гранулами
Пористость гранул это объемная доля пустот в грануле
Вопросы для самопроверки по теме № 13
1 Какой процесс называют сорбцией?
2 Что такое абсорбция?
3 Что такое адсорбция?
4 Что такое десорбция?
5 Что является движущей силой процесса?
6 Как определить материальный баланс процесса абсорбции?
7 Как определить материальный баланс процесса адсорбции?
8 Как определить тепловой баланс процесса абсорбции?
9 В чем заключается физическая сущность сорбционных процессов?
10 Что такое изотерма адсорбции ?
11 Как оценивается эффективность работы аппарата ?
12 Какие используют принципиальные схемы абсорбционных процессов ?
Тема 14
Экстрагирование. Сущность и назначение процесса экстрагирования.
Экстрагирование в системе твердое тело-жидкость.
Основы теории
экстрагирования. Классификация и конструкция экстрактов. Материальный и
тепловой балансы процесса экстрагирования. Способы интенсификации
процесса
экстракции.
Применение
экстракторов
в
пищевой
промышленности.
Литература
[4 стр. 16-45, [3 стр. 10-17, 28-39.
Методические указания
Процесс экстракции - это процесс извлечения ценных веществ,
входящих в состав сложного твердого тела чаще всего пористой структуры и
органического происхождения.
Процесс экстракции происходит в результате непрерывного движения
молекул растворителя и растворенного вещества. Чем выше температура, тем
интенсивнее это движение и тем скорее произойдет выравнивание
концентрации во всех точках объема, занимаемого раствором. Поэтому
процесс экстракции стремятся вести при возможно более высокой
температуре, которая в общем случае лимитируется технологическими
соображениями.
Для большей эффективности процесса важно иметь измельченное
сырье, так как в этом случае увеличивается удельная (отнесенная к единице
массы сырья) активная поверхность. Однако степень измельчения
ограничивается гидродинамическими условиями, создающимися в том или
ином аппарате. Очень маленькие частицы будут уноситься экстрагирующей
жидкостью, забивать фильтрующие сита, загрязнять экстракт и т.д.
Процесс, осуществляемый в экстракторах непрерывного или
периодического действия, является нестационарным, так как концентрация
сока в любой точке обрабатываемого материала
и в движущейся
экстрагирующей жидкости непрерывно изменяется во времени.
Извлечение жидкостью из пористого тела каких - то веществ,
растворенных в жидкости, которая заполняет поры, определяется двумя
взаимосвязанными процессами. Один из них обеспечивает подвод вещества
из глубинных слоев сырья к поверхности, второй – переход этого вещества с
поверхности материала в поток экстрагирующей жидкости.
Интенсивность перехода вещества с поверхности частицы в поток
обусловлена разностью концентраций вещества на поверхности частицы и в
потоке жидкости. Обычно закон конвективного массообмена задают
упрощенно в виде закона Ньютона
qп() = [Cп() – Сс()],
где  - коэффициент массоотдачи, м/с;
qп() – плотность потока вещества через время  после начала процесса
с единицы поверхности частицы, (кг/м2с);
Сп() – концентрация растворенного вещества в поверхностном слое в
момент времени , кг/м3;
Сс() – концентрация экстрагирующей жидкости (диффузионного сока)
в данный момент времени, кг/м3.
Коэффициент массоотдачи  численно равен количеству вещества,
отдаваемого единицей площади в единицу времени при разности
концентраций вещества на поверхности тела и в окружающей среде, равной
единице.
По закону сохранения массы это количество вещества должно быть
равно тому его количеству, которое подводится к единице площади тела в
единицу времени в результате происходящего внутри тела диффузионного
процесса. Для слоев, непосредственно примыкающих к поверхностным, в
соответствии с законом А. Фика формулируют граничные условия третьего
рода.
Характеристикой дисперсности обрабатываемого материала может
служить функция распределения характеристического размера частицы R.
Если в полидисперсной смеси меняется и форма частиц, то
решениеС(R,) получают для той или иной формы с учетом распределения
частиц, а затем с учетом объемной или массовой доли фракции определенной
формы находят усредненную для всей смеси концентрацию.
В.М. Лысянский предложил интервально – итерационный метод
расчета процесса диффузии, приняв гипотезу о возможности
апроксимировать на каком – то небольшом участке процесса изменение
концентрации экстрагирующей жидкости линейной зависимостью.
Используя априорную информацию о величине коэффициентов
концентрациопроводности и массоотдачи на каждом интервале, В.М.
Лысянский определяет расчетную процедуру, как ряд последовательных
расчетов каждого интервала. Результат расчета предыдущего интервала
принимается за начальные условия для расчета последующего интервала.
Этот метод позволяет при достаточно большом числе интервалов учесть
зависимость кинетических коэффициентов от концентрации, температуры и
других факторов.
Обычно задачу еще более упрощают, полагая, во первых, что
коэффициенты D и  могут быть приняты за величины постоянные, не
зависящие от концентрации и температуры, во вторых, изменение
концентрации экстрагирующей жидкости определяют из опыта,
аппроксимируют полученные экспериментальные данные какой – либо
зависимостью и вводят соответствующую функцию в граничные условия.
Некоторые авторы считают, что изменение концентрации
экстрагирующей жидкости можно для некоторых экстракционных процессов
описать экспоненциальной зависимостью
Уравнение материального баланса можно записать в виде равенства:
d()=dCc,
гдеС() – среднеобъемная концентрация в твердой фазе ко времени ;
 - отношение объема экстрагирующей жидкости W к объему раствора
внутри материала, подвергавшегося обработке, V.
Для анализа и расчета процесса экстракции необходимо знать числовые
значения коэффициентов D и 
Вопросы для самопроверки по теме № 14
1
2
3
4
5
6
7
Какой процесс называют экстракцией?
Что является движущей силой процесса?
Как рассчитать материальный баланс процесса ?
Как рассчитать тепловой баланс процесса ?
В чем заключается физическая сущность процесса?
Как оценивается эффективность работы аппарата ?
Какие используют принципиальные схемы экстрасторов ?
Тема 15
Перегонка и ректификация. Сущность и назначение процесса
перегонки. Классификация бинарных смесей. Основные законы перегонки.
Простая перегонка. Понятие о дефлегмации. Ректификация. Материальный и
тепловой балансы процесса ректификации. Определение расхода греющего
пара и охлаждающей воды для ректификационной установки. Схема
установки конструкции ректификационных аппаратов.
Литература
[4 стр. 16-45, [3 стр. 10-17, 28-39.
Методические указания
Перегонка и ректификация — наиболее распространенные методы
разделения жидких однородных смесей, состоящих из двух или нескольких
летучих компонентов.
Процессы перегонки и ректификации основаны на различной
летучести компонентов смеси при одной и той же температуре. Компонент
смеси, обладающий большей летучестью, называется легколетучим, а
компонент,
обладающий
меньшей
летучестью,
труднолетучим.
Соответственно легколетучий компонент кипит при более низкой
температуре, чем труднолетучий. Поэтому их называют также
низкокипящим и высококипящим компонентами.
В результате перегонки или ректификации исходная смесь разделяется
на дистиллят, обогащенный легколетучим компонентом, и кубовый остаток,
обогащенный трудно летучим компонентом. Дистиллят получают в
результате конденсации паров в конденсаторе-дефлегматоре. Кубовый
остаток получают в кубе установки.
В простейшем случае исходная смесь состоит из двух компонентов.
Такая смесь называется бинарной. Число степеней свободы бинарной смеси
С= К + 2-Ф = 2 + 2-2= 2,
Состояние системы определяют три независимых параметра: давление
р, температура t, концентрация х. При выборе любых двух параметров
определяется значение третьего. Следовательно, равновесную зависимость
можно представить, используя две переменные величины (р и х, t и х, р и t, x
и у).
В зависимости от взаимной растворимости компонентов бинарные
смеси можно разделить на смеси с неограниченной растворимостью
компонентов, с взаимно нерастворимыми компонентами, с частичной
растворимостью компонентов друг в друге.
Смеси с неограниченной растворимостью компонентов по своему
поведению делятся на идеальные и реальные (растворы).
Идеальными смесями называют такие, смещение компонентов
которых происходит без выделения и поглощения теплоты и без изменения
объема смеси.
Идеальные смеси подчиняются з а к о н у Р а у л я , который гласит, что
парциальное давление компонента в паре пропорционально мольной доле
компонента в жидкости:
РА = РАx; pB = РB(1-х),
где рА, рв - парциальные давления компонентов А и В;
х, (1 - х) - мольные доли компонентов А и В в жидкой смеси.
При постоянной температуре парциальное давление компонентов и
общее давление паров над жидкой смесью находятся в линейной
зависимости от мольной доли х легколетучего компонента.
Согласно закону Дальтона парциальное давление компонента в паре
пропорционально мольной доле этого компонента в паре.
В этом случае равновесную зависимость можно представить в
координатах t - х, у или у-х. Зная температуры и рассчитав величины х и у,
строится диаграмма, характеризующая равновесие в системе.
Для определения состава пара по известному составу жидкости xl из
точки на оси абсцисс, соответствующей концентрации жидкости, проводят
вертикаль до пересечения с линией кипения. Далее из точки пересечения
проводят горизонталь до пересечения с линией конденсации пара. Абсцисса
точки пересечения определит состав равновесного пара ypl.
При одной и той же температуре кипения концентрация легколетучего
компонента в парах больше его концентрации в равновесной с парами
жидкости. Это свойство систем жидкость - пар подчиняется п е р в о м у
з а к о н у К о н о в а л о в а : пар обогащается тем компонентом, добавление
которого к жидкости повышает давление пара над этой жидкостью или
снижает ее температуру кипения.
С жидкостью, состоящей только из легколетучего компонента,
находится в равновесии пар, состоящий также только из этого компонента.
Соответственно крайние точки кривой равновесия расположены в
противоположных углах квадрата. Кривая равновесия и диагональ квадрата
ограничивают область существования жидкой и паровой фаз.
Реальные жидкие смеси характеризуются теплотами смешения
компонентов, изменением объема при смешении, и их поведение в
большинстве случаев не подчиняется закону Рауля. В этих смесях следует
учитывать силы взаимодействия молекул паровой фазы, их собственный
объем и т. д.
Отклонение от закона Рауля может быть положительным или
отрицательным. В случае положительного отклонения общее давление над
раствором больше, чем следует по закону Рауля для идеальных смесей, а при
отрицательном - меньше. В первом случае линия общего давления проходит
выше прямой для идеального раствора, во втором случае - ниже.
Изменение парциальных давлений в зависимости от концентрации
также изображают выпуклыми или вогнутыми кривыми. Диаграммы
фазовых равновесий для реальных растворов строят на основании
экспериментальных данных.
Количественные отклонения от закона Рауля могут быть так велики,
что ряд смесей при определенных концентрациях имеет постоянную
температуру кипения. При этой температуре согласно закону Коновалова
состав равновесного пара над жидкой смесью равен составу жидкой смеси, т.
е.
ур = х. Такие смеси называют азеотропными. Они могут быть с максимальной или минимальной температурой кипения по сравнению с жидкой
смесью других составов.
Состав азеотропных смесей зависит от давления (температуры).
Согласно закону Вревского при повышении температуры азеотропной смеси,
обладающей максимумом давления пара в смеси, увеличивается
относительное содержание того компонента, парциальная мольная теплота
испарения которого больше, а для смеси с минимумом давления пара содержание компонента, парциальная мольная теплота испарения которого
меньше.
Согласно этому закону азеотропная смесь может быть разделена
перегонкой или ректификацией путем изменения давления.
Смеси взаимно нерастворимых или ограниченно растворимых
жидкостей (взаимно нерастворимыми считаются жидкости, обладающие
незначительной растворимостью друг в друге). В случае полной нерастворимости компонентов А и В силы взаимодействия молекул этих компонентов
равны нулю, а каждый из них ведет себя независимо от другого). Такие
смеси кипят при давлении
Р = РA + PB.
При нерастворимости компонентов парциальное давление любого
компонента равно давлению его насыщенного пара при той же температуре.
Температура кипения смеси tcм не зависит от состава жидкой смеси.
Температура кипения смеси всегда ниже температур кипения чистых
компонентов.
Перегонка представляет собой процесс однократного частичного
испарения жидкой смеси и конденсации образовавшихся паров.
Простая перегонка может проводиться с отбором фракций, с
дефлегмацией, с водяным паром или под вакуумом (молекулярная
перегонка).
Фракционная перегонка заключается в постепенном испарении
жидкости, находящейся в перегонном кубе.
Образовавшиеся пары
отводятся в холодильник и там конденсируются, а дистиллят собирается в
сборнике. Кубовый остаток удаляется из куба после окончания процесса.
Обогрев куба осуществляется насыщенным водяным паром или дымовыми
газами.
При испарении смеси содержание легколетучего компонента в
дистилляте непрерывно уменьшается от максимального в начале до
минимального в конце перегонки. Это позволяет получать несколько
фракций дистиллятов различного состава, собирая их в разные сборники.
Способ перегонки с разделением смеси на несколько фракций, в различной
степени обогащенных летучим компонентом, называется фракционной
перегонкой.
При простой перегонке образующийся пар отводится из куба и в
каждый данный момент находится в равновесии с оставшейся жидкостью.
Простая перегонка с дефлегмацией проводится для увеличения
степени разделения исходной смеси. В этом случае пары, уходящие из
перегонного куба, поступают в дефлегматор, где частично конденсируются.
При частичной конденсации образуется флегма, обогащенная труднолетучим
компонентом, которая сливается обpaтно в куб и взаимодействует с
выходящими из куба парами.
Пары обогащенные легколетучим компонентом, поступают в
конденсатор. Дистиллят собирается в сборниках. Кубовый остаток удаляют
из перегонного куба после достижения заданной концентрации xw .
Перегонку с водяным паром проводят с целью понижения температуры кипения исходной смеси веществ, кипящих при температурах свыше
100 °С, компоненты которой нерастворимы в воде. При такой перегонке
отгоняемый компонент получается обычно в виде смеси с водой при
температуре кипения или атмосферном давлении - меньшем, чем
температура кипения воды.
Общее давление паров над смесью равно сумме давлений чистых
компонентов при той же температуре (Р = РА + РВ)- Следовательно при
атмосферном давлении парциальное давление водяного пара над смесью
РВ = Р- РА< P.
Молекулярная перегонка протекает путем испарения жидкости с ее
поверхности. Процесс осуществляется на близрасположенных поверхностях
испарения и конденсации, причем расстояние между ними (обычно 20...
30 мм) должно быть меньше длины свободного пробега молекул. В этом
случае отрывающиеся от поверхности испарения молекулы летучего
компонента попадают на поверхность конденсации и конденсируются на
ней. Разность температур между поверхностями испарения и конденсации
порядка 100 °С.
Вопросы для самопроверки по теме № 15
1
2
3
4
5
6
7
8
Какой процесс называют перегонкой?
Какой процесс называют ректификацией?
Что является движущей силой процесса?
Как рассчитать материальный баланс процесса ?
Как рассчитать тепловой баланс процесса ?
В чем заключается физическая сущность процесса?
Как оценивается эффективность работы аппарата ?
Какие используют принципиальные схемы аппаратов ?
Вопросы вступительным испытаниям
1. Основные понятия и определения (процесс, технология, основные группы
процессов).
2. Теория подобия. Основные понятия о моделировании процессов.
3. Методы моделирования.
4. Основные требования, предъявляемые к аппаратам пищевых производств.
5. Измельчение.
6. Устройство и работа основных типов дробилок.
7. Сортирование.
8. Перемешивание в жидкой среде. Основы расчета механических мешалок.
9. Механическое, струйное и пневматическое перемешивание.
10.Взвешенный слой.
11.Неоднородные системы,
их классификация. Методы разделения
неоднородных систем.
12.Осаждение в гравитационном поле.
13.Аппараты для осаждения в гравитационном поле, производительность
отстойника.
14.Осаждение в центробежном поле.
15.Отстойные центрифуги, циклоны.
16.Электроосаждение.
17.Фильтрование. Типы фильтрационных процессов.
18.Основные типы фильтрационных аппаратов.
19.Центробежное фильтрование.
20.Диаграмма влажного воздуха (диаграмма Рамзина).
21.Теплообменные процессы. Способы передачи теплоты.
22.Теплопроводность. Закономерности процесса.
23.Конвективный теплообмен.
24.Теплообмен излучением.
25.Теплопередача через плоскую стенку.
26.Средний температурный напор.
27.Основы расчета теплообменных аппаратов.
28.Виды теплообменных аппаратов.
29.Теплопередача через цилиндрическую стенку.
30.Основное уравнение теплопередачи.
31.Выпаривание.
32.Однокорпусная выпарная установка.
33.Тепловой и материальный балансы процесса выпаривания.
34.Полная и полезная разница температур. Депрессия.
35.Многокорпусная выпарная установка.
36.Аппараты для процесса выпаривания.
37.Массообменные процессы.
38.Способы передачи вещества.
39.Основные закономерности внешнего массообмена.
40.Основные закономерности массопроводности.
41.Рабочая линия, линия равновессия, число ступеней концентрации.
42.Сушка и копчение. Основные понятия и определения.
43.Кинетика сушки.
44.Теоретическая сушка.
45.Действительная сушка. Материальный и тепловой балансы.
46.Сорбционные процессы.
47.Абсорбция.
48.Адсорбция.
49.Виды абсорберов.
50.Виды адсорберов.
51.Экстракция.
52.Простая перегонка.
53.Ректификация.
54.Кристаллизация.
Рекомендуемая литература
№
п/
п
1
1
Название учебников, учебных пособий и
других источников
2
Процессы и аппараты пищевых
Авторы
(под ред.)
Издательство
Год
издания
3
4
5
СПб.: Гиорд
2007
А. Н. Остриков
Ю. Т. Глазунов, А. М.
Ершов,
М. А. Ершов
2
Моделирование процессов пищевых
производств
3
Процессы и аппараты пищевых производств
Кавецкий Г.Д., Королев
А.В.
4
Процессы и аппараты пищевых производств
Стабников В.Н.,
Лысянский В.М.
5
Процессы и аппараты химической
нефтехимической технологии
6
Процессы и аппараты пищевых производств
7
8
9
10
11
Тепловое рыбообрабатывающее
оборудование предприятий и промысловых
судов. Часть 1. Оборудование для копчения и
вяления рыбы
Процессы и аппараты пищевых производств:
Метод. указ. по курсовому проектир. Часть1:
Процессы и аппараты пищевых производств:
Методические указания по курсовому
проектированию. Часть II
Проектирование процессов и аппаратов
рыбообрабатывающих производств
Примеры и задачи по курсу процессов и
аппаратов химической технологии.
и
Плановский А.Н.,
Николаев П.И.
Стабников В.Н., Баранцев
В.И.
М.: Колос
М.
Агропромизд
ат
М.
Агропромизд
ат
2008
1991
1985
М. Химия
1987
М.Пищ.пром
1983
Ершов А.М., Бохан В.Н.,
Мартышевский В.И.
МВИМУ
Мурманск
1990
Калинин Ю.Ф., Ершов
А.М., Бохан В.Н.
МВИМУ. Мурманск
1991
Калинин Ю.Ф., Ершов
А.М., Бохан В.Н.
МВИМУ. Мурманск
1991
Бохан В.Н.
Мурманск,
(МГАРФ).
1992
Павлов К.Ф., Романков
П.Г., Носков А.А.
Ленинград.
«Химия»
1987