Размещено на http://www.allbest.ru/

8

1. Общая классификация процессов пищевых производств

пищевой термический массообмен пастеризация

Основная классификация по закономерностям протекания

Гидромеханические процессы -- это процессы, скорость которых определяется законами механики и гидродинамики. Движущая сила - перепад давления. К ним относятся процессы перемещения жидкостей и газов по трубопроводам и аппаратам, перемешивания в жидких средах, разделения суспензий и эмульсий путем отстаивания, фильтрования, центрифугирования, псевдоожижения зернистого материала.

Теплообменные процессы -- это процессы, связанные с переносом теплоты от более нагретых тел (или сред) к менее нагретым. Движущая сила - разность температур. К ним относятся процессы нагревания, пастеризации, стерилизации, охлаждения, конденсации, выпаривания и т. п. Скорость тепловых процессов определяется законами теплопередачи.

Массообменные, или диффузионные, процессы -- процессы, связанные с переносом вещества в различных агрегатных состояниях из одной фазы в другую. К ним относятся абсорбция и десорбция, перегонка и ректификация, адсорбция, экстракция, растворение, кристаллизация, увлажнение, сушка, сублимация, диализ, ионный обмен и др. Скорость массообменных процессов определяется законами массопередачи.

Механические процессы -- это процессы чисто механического взаимодействия тел. Движущая сила - разность усилий в различных точках материала. К ним относятся процессы измельчения, классификации (фракционирования) сыпучих материалов, прессования и др.

Химические и биохимические процессы -- процессы, связанные с изменением химического состава и свойств вещества, скорость протекания которых определяется законами химической кинетики.

Микробиологические - законы биологической жизнедеятельности микроорганизмов (брожение).

Электрофизические - движущая сила - разность электрических потенциалов. Законы электрического тока.

Классификация по организационно-технической структуре.

-Периодические - через опред промежутки времени загрузка-выгрузка)

-Неперерывные - в проточных аппаратах, все стадии - одновременно, но разобщены в пространстве

-Комбинированные - на отдельных стадиях непрерывно, на других - переодически

Классификация по изменению параметров во времени

-Стационарные - каждый параметр постоянный и зависит только от положения точки в пространстве.

-Не стационарные - параметр зависит не только от положения точки в пространстве, но и во времени

2. Осаждение под действием центробежной силы. Сущность процесса. Физический смысл фактора разделения

Проводят с целью интенсификации разделения пылей, суспензий и эмульсий процесс осаждения проводят под действием центробежной силы.

Для создания поля центробежных сил используют два технических приема: поток жидкости или газа вращается в неподвижном аппарате; поток поступает во вращающийся аппарат и вращается вместе с ним. В первом случае процесс называется циклонным, а аппарат -- циклоном, во втором -- отстойным центрифугированием, а аппарат -- отстойной центрифугой или сепаратором.

Во вращающемся потоке на взвешенную частицу действует центробежная сила, под действием которой частица движется от центра к стенке аппарата со скоростью, равной скорости осаждения. Центробежная сила

G=m wr 2 / r,

где m -- масса частицы, кг; wr -- окружная скорость вращения, м/с; r -- радиус вращения, м.

Фактор разделения (Кц) является важной характеристикой центрифуги, определяющей ее разделяющую способность.

Если сравнить эффективность разделения под действием силы тяжести и центробежной силы, то окажется, что центробежная сила больше силы тяжести в Кц раз.

Кц =w2r/(gr), g - ускорение свободного падения.

Выразив окружную скорость вращения через частоту вращения, получим

Кц =n2r/900,

n - частота вращения

3. Общие признаки массообменных процессов

Основное:

Массообменными процессами называют такие технологические процессы, скорость протекания которых определяется скоростью переноса вещества (массы) из одной фазы в другую конвективной и молекулярной диффузией: абсорбция, перегонка и ректификация, экстракция, сушка, адсорбция, кристаллизация и др. Аппараты, в которых протекают эти процессы, называют массообменными аппаратами.

В массообмене участвуют, как минимум, три вещества: распределяющее вещество (или вещества), составляющее первую фазу; распределяющее вещество (или вещества), составляющее вторую фазу; распределяемое вещество (или вещества), которое переходит из одной фазы в другую.

Массопередача имеет место в процессах абсорбции, перегонки и ректификации, экстракции и выщелачивания, сушки, адсорбции, кристаллизации и др.

Далее - более подробно, мож и не обязательно:

При абсорбции происходит селективное поглощение газов или паров жидкими поглотителями -- абсорбентами, т. е. имеет место переход вещества из газовой или паровой фазы в жидкую.

При перегонке и ректификации жидкая смесь разделяется на составляющие компоненты. Происходит переход веществ из жидкой фазы в паровую и из паровой в жидкую.

При экстракции происходит извлечение одного или нескольких веществ из растворов или твердых веществ с помощью растворителей. При экстракции в системе жидкость--жидкость имеет место переход вещества из одной жидкой фазы в другую жидкую фазу.

Процесс извлечения веществ из твердого тела с помощью растворителя называют выщелачиванием. При выщелачивании вещество переходит из твердой фазы в жидкую.

При адсорбции происходит избирательное поглощение газов, паров или растворенных в жидкостях веществ твердым поглотителем -- адсорбентом, способным поглощать один или несколько компонентов из их смеси. При адсорбции вещества переходят из газовой или жидкой фазы в твердую.

Сушка -- это удаление влаги из твердых или жидких влажных материалов путем ее испарения. В этом процессе имеет место переход влаги из твердого влажного материала в паровую или газовую фазу.

При кристаллизации из жидкой фазы выделяется вещество в виде кристаллов. При этом происходит переход вещества из жидкой фазы в твердую в результате возникновения и роста кристаллов в растворе.

4. Основные закономерности протекания технологических процессов

Общие кинетические закономерности процессов пищевой технологии, за исключением механических процессов, формулируются в виде общего закона: скорость процесса прямо пропорциональна движущей силе и обратно пропорциональна сопротивлению. Величина, обратная сопротивлению, называется коэффициентом скорости процесса.

Согласно определению общее кинетическое уравнение имеет вид

где V-- количество массы или энергии; F-- площадь, через которую проходит масса или энергия; т -- продолжительность процесса; -- движущая сила; R-- сопротивление; К -- коэффициент скорости, обратный сопротивлению.

В общем случае движущей силой процесса является разность потенциалов, а в частных случаях -- перепад давлений р между входом потока в трубопровод или аппарат и выходом потока из трубопровода или аппарата (для гидромеханических процессов), разность температур между теплоносителями, обменивающимися теплотой (для теплообменных процессов), разность концентраций распределяемого между фазами вещества (для массообменных процессов). Коэффициенты скорости процессов зависят от режимов движения потоков материалов, которые определяются законами гидродинамики.

Материальный баланс составляют на основании закона сохранения массы: количество поступающих материалов УGв должно быть равно количеству конечных продуктов УGK, получаемых в результате проведения процесса:

УGв=УGK.

На основании материального баланса определяют выход продукта, т.е. выраженное в процентах отношение полученного количества продукта к максимально возможному. Выход продукта рассчитывают на единицу затраченного сырья.

Материальный баланс составляют для всех веществ либо для одного вещества за выбранную единицу времени или за одну операцию.

Тепловой баланс составляют на основе закона сохранения энергии: количество энергии УQн, введенной в процесс, должно быть равно количеству выделившейся энергии:

УQн = УQк + УQп,

где УQк -- количество отводимой теплоты; УQп -- потери теплоты в окружающее пространство.

Вводимая в процесс теплота УQн складывается из теплоты Q1 поступающей с исходными материалами, подводимой, например, теплоносителями, теплоты Q2 и теплоты физических или химических превращений Q3

Количество отводимой теплоты УQк складывается из теплоты, уходящей с конечными продуктами и отводимой теплоносителями.

Из теплового баланса определяют расход греющего пара, воды и других теплоносителей.

5. Виды теплообмена. Закон Фурье

Теплообмен -- самопроизвольный необратимый процесс переноса теплоты от более нагретых тел (или участков тел) к менее нагретым.

Теплота (количество теплоты) -- энергетическая характеристика процесса теплообмена, которая определяется количеством энергии, отдаваемой или получаемой телом в процессе теплообмена.

К теплообменным относятся такие технологические процессы, скорость которых определяется скоростью подвода или отвода теплоты: нагревание, испарение (в том числе выпаривание), охлаждение, конденсация.

Аппараты, в которых проводят эти процессы, называют теплообменными.

Передача теплоты может осуществляться:

-теплопроводностью - процесс переноса тепловой энергии от более нагретых участков тела к менее нагретым в результате теплового движения и взаимодействия микрочастиц.

-тепловым излучением - теплота передается с помощью электромагнитных волн

-конвективным теплообменом (теплоотдачей) - процесс теплообмена между поверхностью тела и окружающей средой.

Основной закон теплопроводности - Закон Фурье.

Количество теплоты dQ, переданное теплопроводностью, пропорционально градиенту температуры dt/dn, времени dx и площади сечения dF, перпендикулярного направлению теплового потока:

dQ=-л[dt/dn)]Fdx, (13.5)

где л-- коэффициент теплопроводности среды, Вт/(м К).

Коэффициент теплопроводности веществ зависит от их природы и агрегатного состояния, температуры и давления. Коэффициент теплопроводности газов возрастает с повышением температуры и почти не зависит от давления. Для жидкостей, за исключением воды и глицерина, наоборот, л уменьшается с повышением температуры. Для большинства твердых тел л увеличивается с повышением температуры.

6. Процессы массообмена

Процессы массообмена - процессы, в которых основную роль играет перенос вещества из одной фазы в другую. Движущая сила этих процессов - разность химических потенциалов. Как и в любых других процессах, движущая сила массообмена характеризует степень отклонения системы от состояния динамического равновесия. В пределах данной фазы вещество переносится от точки с большей к точке с меньшей концентрацией. Поэтому обычно в инженерных расчетах приближенно движущую силу выражают через разность концентраций, что значительно упрощает расчеты массообменных процессов.

Массообменные процессы широко используются в промышленности:

-для разделения жидких и газовых гомогенных смесей,

- для их концентрирования,

-для защиты окружающей природной среды (прежде всего для очистки сточных вод и отходящих газов).

Классификация и общая характеристика. Наибольшее распространение получили следующие массообменные процессы:

1. Абсорбция 2. Перегонка и ректификация 3. Экстракция (жидкостная) 4. Адсорбция 5. Ионный обмен 6. Сушка 7. Растворение и экстрагирование из твердых тел 8. Кристаллизация 9. Мембранные процессы

Во всех перечисленных выше процессах общим является переход вещества (или веществ) из одной фазы в другую.

Процесс перехода вещества (или нескольких веществ) из одной фазы в другую в направлении достижения равновесия называют массопередачей.

Перенос вещества внутри фазы - из фазы к границе раздела фаз или наоборот - от границы раздела в фазу - называют массоотдачей (по аналогии с процессом переноса теплоты внутри фазы - теплоотдачей).

Абсорбцией называется процесс разделения, основанный на избирательном поглощении газов или паров жидкими поглотителями - адсорбентами. Этот процесс применяется во многих производствах, в которых из смеси газов необходимо извлечь какое-либо вещество или комплекс веществ. В процессе абсорбции имеет место переход вещества или группы веществ из газовой (паровой) фазы в жидкую. Обратный процесс называется десорбцией.

Ректификацией называется процесс разделения смеси жидкостей, имеющих различные температуры кипения при соответствующем давлении, на чистые или обогащенные составляющие в результате противоточного движения потоков пара и жидкости. Процесс имеет большое значение в тех производствах, в которых необходимо частичное или полное разделение жидких однородных смесей на чистые компоненты или их группы. В процессе ректификации имеет место переход вещества или группы веществ из жидкой фазы в паровую и наоборот.

Экстракцией называется процесс разделения, основанный на извлечении растворенного в одной жидкости вещества или группы веществ другой жидкостью, которая не смешивается или только частично смешивается с первой. Процесс применяется в тех случаях, когда из раствора необходимо извлечь растворенное вещество или группу веществ. В этом процессе имеет место переход вещества из одной жидкой фазы в другую жидкую фазу.

Адсорбцией называется процесс разделения, основанный на избирательном поглощении газов, паров или растворенных в жидкостях веществ твердым пористым поглотителем - адсорбентом, способным поглощать одно или несколько веществ из их смеси. Процесс используется в тех производствах, где из смеси газов, паров или растворенных веществ необходимо извлечение того или иного вещества. В этом процессе вещества переходят из газовой или жидкой фаз в твердую. Обратный процесс называется десорбцией.

Ионнообменный процесс представляет собой процесс извлечения вещества из раствора, основанный на способности некоторых твердых веществ (ионитов) обменивать свои подвижные ионы на ионы извлекаемого вещества. Процесс применяется для извлечения веществ из растворов, имеющих низкую концентрацию. В этом процессе вещества переходят из жидкой фазы в твердую.

Сушкой называется процесс удаления влаги из твердых влажных материалов путем ее испарения. Процесс необходим для тех производств, в которых влажные природные вещества предварительно до их переработки или готовые вещества в последней стадии производства должны быть обезвожены. В этом процессе имеет место переход влаги из твердого влажного материала в паровую или газовую фазу.

Кристаллизацией называется процесс разделения, основанный на выделении вещества в виде твердой фазы (кристаллов) из жидкой фазы. Процесс имеет место в тех случаях, где требуется получение веществ повышенной чистоты. В этом процессе происходит переход вещества из жидкой фазы в твердую фазу. Обратный процесс - растворение.

Мембранное разделение основано на способности определенных тонких пленок (полупроницаемых мембран) пропускать одни вещества и задерживать другие. В этом процессе вещества переходят через полупроницаемую мембрану из исходной жидкости или газа в жидкую или газовую фазу, находящуюся за мембраной.

Скорость процесса [в кг/(м2 * с)] равна движущей силе Д, деленной на сопротивление R:

dМ/dF = Д/R

где dМ - количество вещества, перешедшего из одной фазы в другую в единицу времени; dF - поверхность контакта фаз.

Обозначив 1/R = К, получим основное уравнение массопередачи

dМ =К ДdF

Коэффициент К - коэффициентом массопередачи (по аналогии с процессом теплопередачи) характеризует скорость процесса переноса вещества из одной фазы в другую.

Размерность коэффициента массопередачи:

[К]= [dМ/ДdF]= [кг/с·Д·м2]

К показывает, какое количество распределяемого вещества переходит из фазы в фазу в единицу времени через единицу поверхности контакта фаз при движущей силе, равной единице. Размерность движущей силы Д может быть различной, а от нее зависит и размерность К.

Обычно уравнение массопередачи применяют для определения поверхности F контакта фаз, а исходя из этой поверхности - размеров массообменных аппаратов.

F=М / (КД)

7. Процесс, приводящий к возникновению новых свойств

Машина - механизм (или сочетание механизмов и вспомогательных устройств), предназначенный для преобразования механической энергии в полезную работу. Например, дробилка, резательная машина. В хлеборезательной машине энергия преобразуется в полезную работу, связанную с образованием кусков хлеба за счет осуществления процесса резания.

Аппарат - это устройство или приспособление, предназначенное для проведения того или иного физического процесса. Например варочный колет, кипятильник. Условно принято все рассматриваемые машины относить к аппаратам.

8. Фильтрование

Фильтрование - процесс разделения суспензий или аэрозолей при помощи фильтровальных перегородок (ФП), пропускающих жидкость или газ, но задерживающих твёрдые частицы. Ф. осуществляется в специальных аппаратах - фильтрах

Сущность фильтрации заключается в продавливании суспензии через поры полупроницаемой перегородки, через которую проходит жидкая среда (например, масло) и не проходит (или почти не проходит) суспензированная в нем дисперсная фаза (белковые и слизистые вещества, мыло, отбельный порошок и проч.).

Рабочим элементом любого фильтрующего аппарата является полупроницаемая перегородка, материал для которой необходимо подбирать весьма тщательно, с учетом свойств фильтруемой жидкости и отделяемого осадка.

При работе с маслами обычно применяют в качестве фильтрующих перегородок ткани: бязь, бумазею и чаще всего бельтинг (хлопчатобумажная диагоналевая ткань, очень прочная, рассчитанная на то, чтобы выдерживать давление до 10 кг/см.кв.); кроме того, для отделения от особо тонких осадков - фильтровальную бумагу.

9. Теплообмен

Теплообмен -- самопроизвольный необратимый процесс переноса теплоты от более нагретых тел (или участков тел) к менее нагретым.

Теплота (количество теплоты) -- энергетическая характеритика процесса теплообмена, которая определяется количеством энергии, отдаваемой или получаемой телом в процессе теплообмена.

К теплообменным относятся такие технологические процессы, скорость которых определяется скоростью подвода или отвода теплоты: нагревание, испарение (в том числе выпаривание), охлаждение, конденсация.

Аппараты, в которых проводят эти процессы, называют теплообменными.

Передача теплоты может осуществляться:

-теплопроводностью - процесс переноса тепловой энергии от более нагретых участков тела к менее нагретым в результате теплового движения и взаимодействия микрочастиц.

-тепловым излучением - теплота передается с помощью электромагнитных волн

-конвективным теплообменом (теплоотдачей) - процесс теплообмена между поверхностью тела и окружающей средой.

Закон Ньютона--Рихмана -- эмпирическая закономерность, выражающая тепловой поток между разными телами через температурный напор.

Теплоотдача -- это процесс теплообмена между теплоносителем и твёрдым телом.

Теплопередача -- это процесс передачи тепла от одной среды к другой через разделяющую их стенку.

10. Классификация по изменению параметров во времени

Стационарные - каждый параметр постоянный и зависит только от положения точки в пространстве.

Не стационарные - параметр зависит не только от положения точки в пространстве, но и во времени

11. Псевдоожижение

Это процесс, подобный сжижению, в котором вещество, состоящее из зернистых частиц, переводится из состояния со свойствами, подобными свойствам твёрдой статической массы, в состояние со свойствами, подобными свойствам динамической жидкой массы.

Как правило этот процесс происходит, когда жидкость (капельная жидкость или газ) движется вверх через зернистый материал. Данный процесс псевдоожижения основан на действии (противодействии) сил: аэродинамического лобового сопротивления и гравитационных сил.

Так же создание псевдоожиженного слоя возможно в результате действия (противодействия) сил: аэродинамического лобового сопротивления и центробежных сил. Данный принцип применен в аэродинамическом диспергаторе.

Когда поток газа вводится через дно смеси зернистого материала с жидкостью или газом, этот поток будет двигаться вверх через пустоты между зёрнами материала. При низких скоростях газа, силы аэродинамического лобового сопротивления каждого из зёрен, действующие со стороны потока газа, также невелики, и поэтому слой остаётся в связанном состоянии. При увеличении скорости потока газа силы аэродинамического лобового сопротивления, действующие на зёрна, возрастают и начинают противодействовать силам гравитации, что принуждает слой к увеличению его объёма. Последнее обусловлено тем, что твёрдые зёрна стремятся двигаться друг от друга. Дальнейшее увеличение скорости потока приводит к тому, что объём достигает некоторого критического значения, при котором поднимающие зёрна вверх силы аэродинамического лобового сопротивления становятся равными гравитационным силам, тянущим зёрна вниз. Это приводит зёрна к тому, что они «висят» в потоке газа или жидкости. При критическом объёме слой обладает свойствами жидкости. При дальнейшем увеличении скорости потока газа, «единая плотность» («средняя плотность») слоя будет продолжать уменьшаться, и процесс псевдоожижения будет становиться более интенсивным до тех пор, пока зёрна не перестанут образовывать единый слой и частицы не начнут подниматься вверх, увлекаемые потоком газа.

Псевдоожиженный слой ведёт себя подобно жидкости или газу. Подобно воде в ведре слой будет принимать форму занимаемой ёмкости, его поверхность остаётся перпендикулярной гравитационным силам; зёрна с плотностью, меньшей чем «единая плотность» слоя будут подниматься на поверхность, в то время как объекты с плотностью более высокой чем «единая плотность» слоя опускаются на дно. Эти свойства позволяют транспортировать массу из твёрдых зёрен по трубам как жидкости, не прибегая к помощи механического транспорта (в частности, ленточных конвейеров). Свойства псевдоожиженной массы зёрен используются также в системах выгрузки раствора цемента в автоцементовозах.

В качестве наиболее простого обыденного примера применения псевдоожижения можно привести аппарат для приготовления попкорна. Зёрна попкорна, стандартизированные и почти одинаковые по массе и форме, зависают в потоке горячего воздуха, поднимающегося со дна камеры. Интенсивное перемешивание частиц попкорна, подобно перемешиванию кипящей жидкости, позволяет выровнять температуру по всему объёму камеры, минимизируя количество подгоревших зёрен. После «взрыва», теперь уже увеличенные зёрна под действием сил аэродинамического лобового сопротивления поднимаются наверх, и выталкиваются во внешнюю ёмкость, в то время как «не взорвавшиеся» зёрна движутся на дно камеры.

Число псевдоожижения- отношение скорости потока воздуха, лежащего в диапазоне между 1-й и 2-й критическими скоростями к 1-й критической скорости

Кп = Vo/V'кр ? 2

12. Понятие критической скорости

Скорость газа, при которой начинается псевдоожижение, называется критической скоростью псевдоожижения Wкр. Начиная с Wкр перепад давления в слое =const, т.к. при увеличении скорости газа W слой свободно увеличивается в объеме, т.е. порозность его растет.

При дальнейшем увеличении скорости газа наступает второе критическое состояние слоя зернистого материала - начало уноса частиц. Скорость газа, соответствующая началу уноса,называется скоростью витания Wвит, порозность при этом достигает максимального значения =1, взвешенный слой прекращает свое существование.

13. Классификация процессов по кинетическим закономерностям

Гидромеханические процессы -- это процессы, скорость которых определяется законами механики и гидродинамики. Движущая сила - перепад давления. К ним относятся процессы перемещения жидкостей и газов по трубопроводам и аппаратам, перемешивания в жидких средах, разделения суспензий и эмульсий путем отстаивания, фильтрования, центрифугирования, псевдоожижения зернистого материала.

Теплообменные процессы -- это процессы, связанные с переносом теплоты от более нагретых тел (или сред) к менее нагретым. Движущая сила - разность температур. К ним относятся процессы нагревания, пастеризации, стерилизации, охлаждения, конденсации, выпаривания и т. п. Скорость тепловых процессов определяется законами теплопередачи.

Массообменные, или диффузионные, процессы -- процессы, связанные с переносом вещества в различных агрегатных состояниях из одной фазы в другую. К ним относятся абсорбция и десорбция, перегонка и ректификация, адсорбция, экстракция, растворение, кристаллизация, увлажнение, сушка, сублимация, диализ, ионный обмен и др. Скорость массообменных процессов определяется законами массопередачи.

Механические процессы -- это процессы чисто механического взаимодействия тел. Движущая сила - разность усилий в различных точках материала. К ним относятся процессы измельчения, классификации (фракционирования) сыпучих материалов, прессования и др.

Химические и биохимические процессы -- процессы, связанные с изменением химического состава и свойств вещества, скорость протекания которых определяется законами химической кинетики.

Микробиологические - законы биологической жизнедеятельности микроорганизмов (брожение)

Электрофизические - движущая сила - разность электрических потенциалов. Законы электрического тока.

14. Перемешивание в жидкой сред е применяется для получения суспензий, эмульсий и гомогенных систем (растворов), а также для интенсификации тепловых, диффузионных и биохимических процессов

Смешиванием называется процесс соединения объемов различных веществ с целью получения однородной смеси, т.е.создания равномерного распределения частиц каждого компонента во всем объеме под действием внешних сил.

Устройства, с помощью которых осуществляется этот процесс, называют смесителями, а их рабочие органы -мешалками. В зависимости от агрегатного состояния смешиваемых веществ (компонентов) требуется различное аппаратурное оформление.

Наиболее просто получить систему « жидкость-жидкость» в виде раствора или однородной эмульсии. С помощью насоса эмульсатора готовят заменители цельного молока. Несколько труднее получить устойчивую взвесь (суспензию), представляющую собой смесь жидкой фазы с твердой.

Трудности встречаются при смешивании твердых веществ; среди них легче смешиваются сыпучие и зернистые материалы. Практически не смешиваются длинноволокнистые материалы.

Смеси (кроме жидких) представляют собой механические системы из сыпучих (зернистых или волокнистых) материалов, крайними состояниями являются полное смешивание или полное распределение.

Для перемешивания используются смесители различных конструкций.

Процесс смешивания материалов зависит от конструкции смесителя и заключается в выравнивании концентраций каждого из компонентов смеси по всему объему рабочей камеры с образованием однородной смеси

Способы смешивания.

Перемешивание производят разными способами. Наиболее распространено перемешивание при помощи:

-движущихся лопастей;

-вращения камеры

(резервуара) смесителя;

-пропускания массы через сопла;

-сжатого воздуха, пара или жидкости;

-вибраций, ультразвука, электрогидравлического эффекта и др.

Первые три способа называют механическими, четвертый -пневматическим, последние - кавитационными или импульсными. Смешивание может быть основным или сопутствующим технологическим процессом.

Процесс смешивания складывается из элементарных процессов:

-образование в массе слоя скользящих друг по другу плоскостей

-срезающее смешивание;

-перемешивание групп частиц из одного положения в другое

-конвективное смешивание;

-перемена позиции единичными частицами слоя

-диффузионное смешивание;

-рассеяние единичных частиц под влиянием их столкновений или ударов о стенки аппарата

-ударное смешивание;

-деформация и растирание частиц

-измельчение.

Пневматическое перемешивание осуществляется с помощью сжатого газа (в большинстве случаев воздуха), пропускаемого через слой перемешиваемой жидкости.

Циркуляционное перемешивание осуществляется с помощью насоса, перекачивающего жидкость по замкнутой системе «смеситель -насос-смеситель».

Интенсивность циркуляционного перемешивания зависит от кратности циркуляции, т. е. отношения подач и циркуляционного насоса в единицу времени к объему жидкости в аппарате. В ряде случаев вместо насосов могут применяться паровые инжекторы.

Статическое смешивание жидкостей невысокой вязкости, а также газа с жидкостью осуществляется в статических смесителях за счет кинетической энергии жидкостей или газов.

Статические смесители устанавливают в трубопроводах перед реактором или другой аппаратурой или непосредственно в реакционном аппарате.

Механическое перемешивание используют для получения гомогенных и гетерогенных систем, а также для интенсификации гидромеханических процессов (диспергирования), тепло- и массообменных, биохимических процессов в системах « жидкость-жидкость» , « газ-жидкость» и « газ-жидкость-твердое тело» . Осуществляют его с помощью различных перемешивающих устройств-мешалок. Мешалка представляет собой комбинацию лопастей, насаженных на вращающийся вал.

15. Пастеризация

Пастеризация -- процесс одноразового нагревания чаще всего жидких продуктов или веществ до 60 °C в течение 60 минут или при температуре 70--80 °C в течение 30 мин. Технология была предложена в середине XIX века французским микробиологом Луи Пастером. Применяется для обеззараживания пищевых продуктов, а также для продления срока их хранения.

При такой обработке в продукте погибают вегетативные формы микроорганизмов, однако споры остаются в жизнеспособном состоянии и при возникновении благоприятных условий начинают интенсивно развиваться. Поэтому пастеризованные продукты (молоко, пиво и др.) хранят при пониженных температурах в течение ограниченного периода времени. Считается, что пищевая ценность продуктов при пастеризации практически не изменяется, так как сохраняются вкусовые качества и ценные компоненты (витамины, ферменты).

В зависимости от вида и свойств пищевого сырья используют разные режимы пастеризации.

Различают:

длительную (при температуре 63--65 °C в течение 30--40 мин)

короткую (при температуре 85--90 °C в течение 0,5--1 мин)

мгновенную пастеризацию (при температуре 98 °C в течение нескольких секунд).

Критерий Пастера.

Для оценки эффекта пастеризации Г.А. Кук ввел критерий Пастера, который представляет собой отношение действительной продолжительности пребывания продукта при бактерицидной температуре к теоретической:

где - действительное время нахождения продукта при температуре пастеризации.

Идеальным вариантом проведения пастеризации является условие, при котором Ра=1.

При Ра > 1 продукт при температуре пастеризации находится более продолжительный период, чем максимально возможный период, определённый условиями пастеризации. При этом могут существенным образом изменяться физико-химические свойства продукта, что не желательно.

При Ра < 1 эффект пастеризации не будет достигнут.

Поэтому эффективность пастеризации зависит также от количественного и качественного состава микрофлоры жидкостей, которые подвергаются пастеризации.

Существуют три режима пастеризации[1, стр.306].:

продолжительная - при температуре 63...65 °С на протяжении 20...30 мин.,

кратковременная (быстрая) - при 75 °С экспозиция, длящаяся от нескольких секунд до 5 мин.,

мгновенная (или высокотемпературная) -при 90...93 °С без выдержки.

Выбор режимов пастеризации определяется технологическими условиями и свойствами продукта. В подавляющем большинстве случаев пастеризацию следует проводить в кратковременном или мгновенном режиме. Тем не менее, если продукт содержит компоненты, которые отличаются низкой термостойкостью (под действием высоких температур быстро разрушаются), то следует применять продолжительную пастеризацию.

16. Классификация по организационно-техническому признаку

Классификация по организационно-технической структуре.

- Периодические - через опред. промежутки времени загрузка-выгрузка)

- Неперерывные - в проточных аппаратах, все стадии - одновременно, но разобщены в пространстве

- Комбинированные - на отдельных стадиях непрерывно, на других - переодически.

17. Виды теплообмена. Закон Стефана-Больцмана

Теплообмен -- самопроизвольный необратимый процесс переноса теплоты от более нагретых тел (или участков тел) к менее нагретым.

Теплота (количество теплоты) -- энергетическая характеритика процесса теплообмена, которая определяется количеством энергии, отдаваемой или получаемой телом в процессе теплообмена.

К теплообменным относятся такие технологические процессы, скорость которых определяется скоростью подвода или отвода теплоты: нагревание, испарение (в том числе выпаривание), охлаждение, конденсация.

Аппараты, в которых проводят эти процессы, называют теплообменными.

Передача теплоты может осуществляться:

-теплопроводностью - процесс переноса тепловой энергии от более нагретых участков тела к менее нагретым в результате теплового движения и взаимодействия микрочастиц.

-тепловым излучением - теплота передается с помощью электромагнитных волн

-конвективным теплообменом (теплоотдачей) - процесс теплообмена между поверхностью тела и окружающей средой.

Закон Стефана -- Больцмана -- закон излучения абсолютно чёрного тела. Определяет зависимость мощности излучения абсолютно чёрного тела от его температуры. Формулировка закона:

Мощность излучения абсолютно чёрного тела прямо пропорциональна площади поверхности и четвёртой степени температуры тела:

P = SеуT4,

где е - степень черноты (для всех веществ е < 1, для абсолютно черного тела е = 1)

18. Понятие термодиффузии

Термодиффузия (термическая или тепловая диффузия) - диффузия, обусловленная наличием в среде (растворе, смеси) градиента температуры. При термодиффузии концентрация компонентов в областях пониженной и повышенной температур различна.

Если разность темп-р поддерживается постоянной, то вследствие Т. в объёме смеси возникает градиент концентрации, что вызывает также и обычную диффузию. В стационарных условиях при отсутствии потока в-ва Т. уравновешивается обычной диффузией, и в объёме возникает разность концентраций, к-рая может быть использована для разделения изотопов.

В бинарной смеси при пост. давлении в отсутствие внеш. сил полный диффуз. поток в-ва равен:

ji= -nD12grad ci-n(Dt/T)gradT,

где D12 - коэфф. диффузии, Dt - коэфф. Т., n - число ч-ц смеси в ед. объёма,

ci=ni/n

концентрация ч-ц i-того компонента (i=1, 2).

Распределение концентрации в стационарном состоянии может быть найдено из условия ji=0, откуда

gradci=-(kT/T)gradT,

kT=DT/Dl2

Коэфф. Т. сильно зависит от межмолекулярного взаимодействия, поэтому его изучение позволяет исследовать межмол. силы в газах.

19. Основы теории моделирования. Математическое моделирование

Моделирование - метод изучения процессов и аппаратов, в кот. вместо оригинала исследуется модель, а рез-ты исследования переносятся на оригинал.

Математическое моделирование - изучение процессов на основе составления уравнений, цель: выявление влияния изменения основных параметров процесса на его ход и определения оптимальных условий при процессе.

2 подхода:

- детерминированный основан на детальном обследовании явлений, предопределенных ход исследованного процесса(требуется большое кол-во данных)

- стохастический - использ. данные на входе и на выходе процесса

3 составляющих:

1)формализация (составление уравнений)

2)выбор способа решения уравнений

3)установление адекватности принятие модели по отношению к реальному аппарату

Основные положения теории подобия(условия):

1)процессы, происходящие в модели и натур. аппарате должны описываться одинаково дифференциальными или критериальными уравнениями

2)модель должна быть геометрич. подобна натуральному образцу

3)значение начальных и граничных условий в ходе процесса, выражается в виде критериев, должны быть одинаковы для модели и натурального образца

4)все критерии, безразмерные комплексы физических и геометр. величин, оказывающих влияние на процесс во все сходных точках модели и натурального образца должны быть равны

20. Скорость фильтрования. Основные виды фильтров

скорость фильтрования - объем фильтрата, получаемый за единицу времени с единицы поверхности фильтра. Скорость фильтрования прямо пропорциональна разности давлений , обратно пропорциональна вязкости фильтрата и сопротивлению фильтрующей среды, т.е. сумме сопротивлений слоя осадка и фильтрующей перегородки. В большинстве случаев существенно больше . Толщина осадка , а следовательно и его сопротивление в процессе фильтрования увеличивается, в том числе и за счет его сжатия под действием и закупорки каналов мелкими частицами.

Если тела образуют замкнутую систему и между ними происходит только теплообмен, то алгебраическая сумма полученных Qn и отданных Q0 энергий равна нулю:

Qn + Q0 =0

Полученная Qn и отданная Q0 теплоты численно равны, но Qn берется со знаком плюс, a Q0 - со знаком минус.

Итак, изменить внутреннюю энергию системы можно двумя способами: путем совершения работы (дельта U1 = A) и путем сообщения системе количества теплоты (дельта U2 = Q).

21. Основные понятия теории моделирования

Моделирование - это процесс замещения изучаемого объекта другим с целью получения информации о важнейших свойствах объекта-оригинала с помощью объекта-модели, т.е. моделирование, может быть еще определено как представление объекта моделью для получения информации об этом объекте путем проведения экспериментов с его моделью.

В основе моделирования лежит теория подобия, которая утверждает, что абсолютное подобие может иметь место лишь при замене одного объекта другим точно таким же. При моделировании абсолютное подобие не имеет места, поэтому необходимо стремятся к тому, чтобы модель достаточно хорошо отображала исследуемую сторону функционирования объекта.

Классификация видов моделирования

В качестве одного из первых признаков классификации видов моделирования можно выбрать степень полноты модели и разделить модели в соответствии с этим признаком на полные, неполные и приближенные. В основе полного моделирования лежит «полное» подобие, которое проявляется как во времени, так и в пространстве. Для неполного моделирования характерно неполное подобие модели изучаемому объекту. В основе приближенного моделирования лежит приближенное подобие, при котором некоторые стороны функционирования реального объекта не моделируются совсем.

Классификация видов моделирования

В зависимости от характера изучаемых процессов все виды моделирования могут быть разделены на детерминированные и стохастические, статические и динамические, дискретные, непрерывные и дискретно непрерывные.

Детерминированное моделирование отображает процессы, в которых предполагается отсутствие всяких случайных воздействий.

Стохастическое моделирование отображает вероятностные процессы и события. В этом случае анализируется ряд реализаций случайного процесса, и оцениваются средние характеристики, т. е. набор однородных реализаций.

Статическое моделирование служит для описания поведения объекта в какой-либо момент времени, а динамическое моделирование отражает поведение объекта во времени.

В зависимости от формы представления объекта можно выделить мысленное и реальное моделирование.

Мысленное моделирование часто является единственным способом моделирования объектов, которые либо практически нереализуемы в заданном интервале времени, либо существуют вне условий, возможных для их физического создания. Мысленное моделирование может быть реализовано в виде наглядного, символического и математического. При наглядном моделировании, на базе представлений человека о реальных объектах создаются различные наглядные модели, отображающие явления и процессы, протекающие в объекте. В основу гипотетического моделирования исследователем закладывается некоторая гипотеза о закономерностях протекания процесса в реальном объекте, которая отражает уровень знаний исследователя об объекте и базируется на причинно-следственных связях между входом и выходом изучаемого объекта. Гипотетическое моделирование используется, когда знаний об объекте недостаточно для построения формальных моделей.

Аналоговое моделирование основывается на применении аналогий различных уровней. Наивысшим уровнем является полная аналогия, имеющая место только для достаточно простых объектов. С усложнением объекта используют аналогии последующих уровней, когда аналоговая модель отображает несколько либо только одну сторону функционирования объекта.

Существенное место при мысленном наглядном моделировании занимает, макетирование. Мысленный макет может применяться в случаях, когда протекающие в реальном объекте процессы не поддаются физическому моделированию, либо может предшествовать проведению других видов моделирования.

В основе построения мысленных макетов также лежат аналогии, однако обычно базирующиеся на причинно-следственных связях между явлениями и процессами в объекте. Если ввести условное обозначение отдельных понятий, т. е. знаки, а также определенные операции между этими знаками, то можно реализовать знаковое моделирование и с помощью знаков отображать набор понятий - составлять отдельные цепочки из слов и предложений. Используя операции объединения, пересечения и дополнения теории множеств, можно в отдельных символах дать описание какого-то реального объекта.

Для исследования характеристик процесса функционирования любой системы математическими методами, включая и машинные, должна быть проведена формализация этого процесса, т. е. построена математическая модель.

Под математическим моделированием следует понимать процесс установления соответствия данному реальному объекту некоторого математического объекта, называемого математической моделью, и исследование этой модели, позволяющее получать характеристики рассматриваемого реального объекта. Вид математической модели зависит как от природы реального объекта, так и задач исследования объекта и требуемой достоверности и точности решения этой задачи. Любая математическая модель, как и всякая другая, описывает реальный объект лишь с некоторой степенью приближения к действительности. Математическое моделирование для исследования характеристик процесса функционирования систем можно разделить на аналитическое, имитационное и комбинированное.

Для аналитического моделирования характерно то, что процессы функционирования элементов системы записываются в виде некоторых функциональных соотношений (алгебраических, интегральных, дифференциальных, конечно-разностных и т. п.) или логических условий. Аналитическая модель может быть исследована следующими методами: а) аналитическим, когда стремятся получить в общем виде явные зависимости для искомых характеристик; б) численным, когда, не умея решать уравнений в общем виде, стремятся получить числовые результаты при конкретных начальных данных; в) качественным, когда, не имея решения в явном виде, можно найти некоторые свойства решения (например, оценить устойчивость решения).

Наиболее полное исследование процесса функционирования системы можно провести, если известны явные зависимости, связывающие искомые характеристики с начальными условиями, параметрами и переменными. Однако такие зависимости удается получить только для сравнительно простых систем. При усложнении систем исследование их аналитическим методом наталкивается на значительные трудности, которые часто бывают непреодолимыми. Поэтому, желая использовать аналитический метод, в этом случае идут на существенное упрощение первоначальной модели, чтобы иметь возможность изучить хотя бы общие свойства системы. Такое исследование на упрощенной модели аналитическим методом помогает получить ориентировочные результаты для определения более точных оценок другими методами.

Численный метод позволяет исследовать по сравнению с аналитическим методом более широкий класс систем, но при этом полученные решения носят частный характер. Численный метод особенно эффективен при использовании ЭВМ.

В отдельных случаях исследования системы могут удовлетворить и те выводы, которые можно сделать при использовании качественного метода анализа математической модели. Такие качественные методы широко используются, например, в теории автоматического управления для оценки эффективности различных вариантов систем управления.

При имитационном моделировании реализующий модель алгоритм воспроизводит процесс функционирования системы во времени, причем имитируются элементарные явления, составляющие процесс, с сохранением их логической структуры и последовательности протекания во времени, что позволяет по исходным данным получить сведения о состояниях процесса в определенные моменты времени, дающие возможность оценить характеристики системы.

Основным преимуществом имитационного моделирования по сравнению с аналитическим является возможность решения более сложных задач.

Имитационные модели позволяют достаточно просто учитывать такие факторы, как наличие дискретных и непрерывных элементов, нелинейные характеристики элементов системы, многочисленные случайные воздействия и др., которые часто создают трудности при аналитических исследованиях. В настоящее время имитационное моделирование - наиболее эффективный метод исследования больших систем, а часто и единственный практически доступный метод получения информации о поведении системы, особенно на этапе ее проектирования.

Когда результаты, полученные при воспроизведении на имитационной модели процесса функционирования системы, являются реализациями случайных величин и функций, тогда для нахождения характеристик процесса требуется его многократное воспроизведение с последующей статистической обработкой информации и целесообразно в качестве метода машинной реализации имитационной модели использовать метод статистического моделирования.

Комбинированное (аналитико-имитационное) моделирование при анализе и синтезе систем позволяет объединить достоинства аналитического и имитационного моделирования. При построении комбинированных моделей проводится предварительная декомпозиция процесса функционирования объекта на составляющие подпроцессы и для тех из них, где это возможно, используются аналитические модели, а для остальных подпроцессов строятся имитационные модели.

При реальном моделировании используется возможность исследования различных характеристик либо на реальном объекте целиком, либо на его части. Реальное моделирование является наиболее адекватным, но при этом его возможности с учетом особенностей реальных объектов ограничены.

Натурным моделированием называют проведение исследования на реальном объекте с последующей обработкой результатов эксперимента на основе теории подобия. При функционировании объекта в соответствии с поставленной целью удается выявить закономерности протекания реального процесса. Такие разновидности натурного эксперимента, как производственный эксперимент и комплексные испытания, обладают высокой степенью достоверности. Отличие эксперимента от реального протекания процесса заключается в том, что в нем могут появиться отдельные критические ситуации и определяться границы устойчивости процесса.

Одна из разновидностей эксперимента - комплексные испытания, которые также можно отнести к натурному моделированию, когда вследствие повторения испытаний изделий выявляются общие закономерности о надежности этих изделий, о характеристиках качества и т. д. В этом случае моделирование осуществляется путем обработки и обобщения сведений, проходящих в группе однородных явлений.

Наряду со специально организованными испытаниями возможна реализация натурного моделирования путем обобщения опыта, накопленного в ходе производственного процесса, т. е. можно говорить о производственном эксперименте. Здесь на базе теории подобия обрабатывают статистический материал по производственному процессу и получают его обобщенные характеристики.

Другим видом реального моделирования является физическое, отличающееся от натурного тем, что исследование проводится на установках, которые сохраняют природу явлений и обладают физическим подобием. В процессе физического моделирования задаются некоторые характеристики внешней среды и исследуется поведение либо реального объекта, либо его модели при заданных или создаваемых искусственно воздействиях внешней среды. Физическое моделирование может протекать в реальном и нереальном (псевдореальном) масштабах времени, а также может рассматриваться без учета времени.

С точки зрения математического описания объекта и в зависимости от его характера модели можно разделить на модели аналоговые (непрерывные), цифровые (дискретные) и аналого-цифровые (комбинированные). Под аналоговой моделью понимается модель, которая описывается уравнениями, связывающими непрерывные величины. Под цифровой понимают модель, которая описывается уравнениями, связывающими дискретные величины, представленные в цифровом виде. Под аналого-цифровой понимается модель, которая может быть описана уравнениями, связывающими непрерывные и дискретные величины.

22. Диспергирование

Диспергирование (от лат. dispergo - рассеиваю, рассыпаю) тонкое измельчение твердого тела или жидкости, в результате которого образуются дисперсные системы: порошки, суспензии, эмульсии, аэрозоли.

Диспергирование жидкостей в газах (воздухе) обычно называется распылением, а в жидкостях - эмульгированием. Диспергирование твердых материалов производят с помощью мельниц различной конструкции (шаровых, вибрационных, коллоидных, струйных и др.), звуковых и ультразвуковых вибраторов.

Основной способ измельчения твердых материалов - механическое диспергирование. Над системой в этом случае совершается внешняя механическая работа, и в процессе дробления происходит преодоление межмолекулярных сил и накопление поверхностной энергии. Механическое диспергирование осуществляют различными способами: истиранием, раздавливанием, раскалыванием, распылением, барботажем (пропусканием струи воздуха, пара или газа через жидкость), встряхиванием, взрывом и т. п.

Для диспергирования не очень прочных материалов в настоящее время достаточно широко применяют ультразвуковой метод.

При диспергировании жидкостей применяют турбулентное (вихревое) перемешивание, различного рода гомогенизаторы - аппараты для получения однородных эмульсий. В лабораториях и аптеках для диспергирования широко используют ступы.

Диспергирование имеет место в процессе производства лакокрасочных материалов всегда, когда необходимо ввести пигменты и/или наполнители. Диспергирование в данном случае означает разрушение агломератов пигмента, агломератов кристаллитов или первичных частиц или агрегатов и их распределение в жидкой фазе, обычно в растворе пленкообразователя или при производстве порошковых материалов в расплаве полимера.

...