Технологии производства пищи

Изучение процессов пищевого производства. Гидромеханическая обработка как заготовительный этап. Рассмотрение понятий термической манипуляции, массообмена, фильтрования, псевдоожижения, пастеризации, термодифузии и основного уравнения массопередачи.

Рубрика Производство и технологии
Вид шпаргалка
Язык русский
Дата добавления 05.01.2014
Размер файла 1,2 M

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Диспергирование, как и измельчение, - это наиболее энергоемкая и технически сложная стадия в производстве пигментированных ЛКМ. Для достижения наибольшей эффективности процессов диспергирования на имеющемся оборудовании (устройстве, аппарате) композиция диспергируемого материала при необходимости должна быть подготовлена с помощью процесса, известного под названием оптимизация пигментной пасты. При диспергировании возникают напряжения. Применение механической силы к частице, например, агломерату, называют механическим напряжением.

Диспергирование применяют также при получении цементов, муки, многих пищевых продуктов и кормовых концентратов, при использовании с.-х. ядохимикатов (пестицидов), при сжигании жидкого и твердого топлива и во многих других технологических процессах.

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

Диспергирование жидкости в газовой среде наз. распыливанием, в др. жидкости (не смешивающейся с первой) - эмульгированием (см. Эмульсии). Удиспергирование работа, затрачиваемая на диспергирование, зависит от когезионных характеристик (см. Когезия), особенностей структуры измельчаемого тела и требуемой степени его измельчения, а также поверхностной (межфазной) энергии. Введение в систему ПАВ - диспергаторов, эмульгаторов, понизителей твердости - снижает энергозатраты при диспергировании и повышает дисперсность измельченной фазы. В промышленности и лаб. практике диспергирование твердых тел осуществляют с помощью мельниц разл. типов: шаровых, вибрационных, планетарных, дезинтеграторных, струйных и др. (см. Измельчение).

Для диспергирования жидкостей применяют следующие устройства: гомогенизаторы, в которых жидкая смесь продавливается под высоким давлением (до 35 МПа) через отверстия сечением ок. 10-4 см2 или через узкий кольцевой зазор спец. клапана; коллоидные мельницы, в которых жидкость диспергируется при прохождении через конич. зазор шириной до 25 мкм между статором и ротором, вращающимся с частотой порядка 2.104 об/мин; смесители инжекционного типа и форсунки, работающие по принципу действия струйного насоса (см. Насосы); высокоскоростныемешалки турбинного, пропеллерного и др. типов (см. Перемешивание). Кроме того, диспергирование осуществляют с помощью акустич. и электрич. устройств. К акустич. устройствам относятся, например, ультразвуковые свистки и сирены для эмульгирования, магнитострикц. преобразователи для получения суспензий, волновые концентраторы (в виде распылительной насадки) для генерирования аэрозолей (см. также Ультразвуковые аппараты). Действие ультразвуковых диспергаторов основано на явлении кавитации - образовании в жидкости заполненных газом каверн, или полостей; при их захлопывании возникают ударные волны. приводящие к разрушению твердых тел и эмульгированию жидкости. Работа устройств для электрич. эмульгирования или распиливания основана на сообщении жидкости, точнее пов-сти жидкой диспергируемой фазы при ее истечении через спец. сопло либо разбрызгивающее приспособление избытка электрич. зарядов. Отталкивание одноименных зарядов в поверхностном слое приводит к снижению межфазной энергии, или поверхностного натяжения (см. Поверхностные явления), что способствует диспергированию.

Диспергирование при высоких мех. нагрузках, особенно твердых тел, часто сопровождается физ. и хим. процессами, приводящими к глубоким изменениям состава, структуры и свойств этих тел (см. Механохимия). В случае достаточно сильного понижения удельной своб. поверхностной энергии на границе фаз благодаря воздействию ПАВ или повышению энергии теплового движения диспергирование может происходить самопроизвольно. Такое диспергирование наблюдается вблизи критич. температуры смешения двух жидкостей, при получении смазочно-охлаждающих жидкостей из эмульсолов, при образовании водных дисперсий некоторых гидрофильных минералов (об условиях самопроизвольного диспергирования подробно см. Дисперсные системы).

В зависимости от состава и свойств диспергируемой фазы и дисперсионной среды, а также способа диспергирование ниж. граница размеров частиц измельченного тела может находиться в пределах от неск. десятков до неск. десятых долей мкм, при самопроизвольном диспергирование составляет неск. нм. Дисперсный состав измельченных фаз определяют методами дисперсионного анализа.

Диспергирование широко применяют в произ-ве дисперсных материалов для приготовления изделий по порошковой технологии, минер. вяжущих веществ, полимерных материалов, пигментов, красителей, разл. орг. веществ, пищ. продуктов и лек. препаратов, а также для активации веществ в твердом состоянии. Интенсивное диспергирование горных пород происходит при бурении нефтяных и газовых скважин, абразивном износе деталей машин и механизмов. В прир. условиях диспергирование сопровождает тектонич. процессы, выветривание горных пород, почвообразование.

23. Измельчение

Измельчение - процесс увеличения поверхности твердых материалов путем их раздавливания, раскатывания, истирания и удара. В пищевой промышленности применяют с целью повышения скорости биохимических и диффузионных процессов при переработке фруктов, овощей и т. д. А также в переработке пищевых отходов. Измельчение широко используют в мукомольном, мясном, свеклосахарном, спиртовом, пивоварном, консервном и др. производствах.

Процессы измельчения связаны с затратой большого количества энергии. Расход энергии на измельчение может быть определен из следующих теорий измельчения.

Поверхностная теория исходит из того что при измельчении работа расходуется на преодоление сил молекулярного притяжения по поверхностям разрушения материала. Из этой теории следует, что работа, необходимая для измельчения, пропорциональна вновь образующейся поверхности измельчаемого материала.

Объемная теория - при измельчении работа расходуется на деформации материала до достижения предельной разрушающей деформации. Отсюда следует, что работа необходимая для измельчения пропорциональна уменьшению объема кусков материала перед их разрушением.

Полная работа внешних сил выражается уравнением РЕБИНДЕРА

А=Ад + Ап = К1 dV + K2dF,

Где А - работа, затрачиваемая на деформацию объема разрушаемого куска, Дж; Ап - работа затрачиваемая на образование новой поверхности, Дж; К1 - коэффициент пропорциональности равный работе деформирования единицы объема тела; dV - изменение объема разрушаемого тела; К2 - коэффициент пропорциональности равный работе затрачиваемой на образование единицы новой поверхности; dF - приращение вновь образованной поверхности.

На основе закона Гука работу деформации (в Н*м) материала при сжатии можно определить по соотношению

Ад = б2dv/2E

Где б - разрушающее напряжение сжатия, Н/м; dV - уменьшение объема кусков материала в результате их деформации перед разрушением, м3; Е- модуль упругости материала, Н/м2

Как видно из этого уравнения работа затрачиваемая на разрушение материала зависит от разрушающего напряжения и модуля упругости материала.

Получаем

А = [б2dV/(2E0] + К2dF

В случае крупного дробления с малой степенью измельчения можно пренебречь работой, затрачиваемой на образование новой поверхности и учитывая что dV эквивалентно Dв3 получим

А=К1dV = К'1Dв3

Где Dв3 - размер куска.

Это уравнение выражает гипотизу Кика-Кирпичева - работа дробления пропорциональна объему дробимого куска.

Для дробления с большой степенью измельчения можно пренебречь работой, затрачиваемой на деформирование объема куска.

Тогда учитывая что dF эквивалентно Dв2

А= К2dF = K'2Dв2

Это уравнение является выражением гипотезы РИТТИНГЕРА согласно которой работа дробления пропорциональна величине вновь образованной при дроблении поверхности.

24. Основные положения теории подобия формулируются в виде трех теорем

Первая теорема подобия: подобные между собою явления имеют одинаковые критерии подобия.

Вторая теорема подобия: зависимость между переменными, характеризующими явление, может быть представлена в виде зависимости между критериями подобия K1, K2, ..., Kn

f(K1, K2, ..., Kn) = 0

Зависимость называется критериальным уравнением. Помимо критериев подобия в это уравнение могут входить так называемые симплексы - безразмерные отношения однородных физических величин.

Третья теорема подобия: подобны те явления, условия, однородности которых подобны, и критерии, составленные из условий однозначности, численно одинаковы.

Условия однозначности состоят из начальных и граничных условий задачи, или краевых условий. Критерии, полученные из этих условий, называются определяющими.

Возможна такая формулировка третьей теоремы подобия: явления подобны, если определяющие критерии инвариантны (одинаковы).

Критерии, составленные из величин, не входящих в условия однозначности, называются не определяющими. Когда устанавливается подобие, то не определяющие критерии сами собой получаются также одинаковыми. Это следствие установившегося подобия.

Следовательно, теория подобия позволяет, не интегрируя дифференциальных уравнений, получить из них критерии подобия и из опытных данных установить критериальные зависимости, последние будут справедливы для всех подобных между собою процессов.

В начале главы в разделе (15.1) были сформулированы основные три вопроса, которые стоят перед экспериментатором. Теперь можно дать ответ на эти вопросы.

На первый - о том, какие величины надо измерять в опыте - отвечает первая теорема подобия: в опытах надо измерять величины, которые содержатся в критериях подобия изучаемого явления.

На второй вопрос - как обрабатывать результаты опыта - отвечает вторая теорема подобия: результаты опытов надо представлять в виде критериальных зависимостей.

На третий вопрос - какие явления подобны - ответ дает третья теорема подобия: подобны те явления, у которых подобны условия однозначности и равны определяющие критерии.

25. Мембранный метод разделения жидкостных систем

Мембранная технология - принцип организации и осуществления процесса разделения веществ через полупроницаемую перегородку. Он отличается отсутствием поглощения разделяемых компонентов и низкими энергетическими затратами на процесс разделения.

Методы мембранного разделения нашли широкое применение в процессе разделения изомеров. Разделение осуществляется благодаря результирующему влиянию факторов - отношения коэффициентов диффузии и отношения коэффициентов растворимости. Совместное влияние этих величин может быть существенным даже в случае близких веществ. Например, молекулы орто-, мета- и параизомеров ксилола имеют различную площадь поперечного сечения и различные диффузии через полиэтиленовую пленку. Изменяя коэффициент диффузии путем обработки растворителем, нагреванием и тому подобное, можно добиться еще большей разницы и более эффективного разделения веществ.

Аналогичным образом можно разделить растворы сахарозы и глюкозы, а также других Сахаров. В этом случае разделение происходит в основном за счет разницы в значениях коэффициентов диффузии. Примером могут служить отделение глюкозы от сахарозы селективным диализом. В связи с тем что эти вещества имеют свою собственную скорость диализа, смесь двух компонентов хорошо разделяется.

Применяются мембранные методы для получения особо чистых химических реактивов, соединений, селективного выделения ценных либо вредных продуктов реакции. Используемые мембраны называют реакционными. Они могут сочетать функции разделителей на нескольких стадиях производства и собственно химического реактора. Приготовление реакционной мембраны требует нагрузки селективной мембраны соответствующими химическими реагентами, катализаторами, ферментами. Техника жидких мембран позволяет легко вводить в мембрану химические вещества с требуемыми свойствами. Использование мембран с фиксированными ферментами приводит к легкому отделению ферментов. Эти мембраны могут применяться повторно, позволяя эффективнее организовать непрерывный ферментный процесс.

Баромембранные процессы (обратный осмос, ультрафильтрация. микрофильтрация) обусловлены градиентомдавления по толщине мембран, в осн. полимерных, и используются для разделения растворов и коллоидных систем при 5-30 °С. Первые два процесса принципиально отличаются от обычного фильтрования. Если при нем продукт откладывается в виде кристаллич. или аморфного осадка на пов-сти фильтра, то при обратном осмосе и ультрафильтрации образуются два раствора, один из которых обогащен растворенным веществом. В этих процессах накопление данного вещества у пов-сти мембраны недопустимо, т.к. приводит к снижению селективности и проницаемости мембраны (о различии между микрофильтрацией и фильтрованием см. ниже).

26. Генерация теплоты

Суть заключается в том, что горячие жидкости или газ используют для предварительного нагрева жидкости или газа, генерация наиболее приемлема там, где горячую жидкость необходимо осаждать, через промежуточный агент, через воду. Регенерация может проходить по правилам прямого и противоположного тока.

27. Основы теории подобия

Объединение математических методов с экспериментом с помощью теории подобия позволяет распространить результаты единичного опыта на целую группу явлений.

Понятие подобия распространяется на любое физическое явление. Физические явления считаются подобными, если они относятся к одному и тому же классу, протекают в геометрически подобных системах, и подобны все однородные физические величины, характеризующие эти явления.

Однородными называются такие величины, которые имеют один и тот же физический смысл и одинаковую размерность.

Таким образом, для подобных физических явлений в сходственных точках и в сходственные моменты времени любая величина ц? первого явления пропорциональна величине ц?? второго явления, т. е.

ц?=cц·ц??.

При этом каждая физическая величина ц имеет свой множитель преобразования cц? численно отличный от других. Числа подобия, составленные только из заданных параметров математического описания задачи, называются критериями подобия. Анализ уравнений конвективного теплообмена позволяет получить следующие основные критерии подобия:

критерий Рейнольдса, характеризующий режим движения жидкости;

критерий Грасгофа, характеризующий подъемную силу, возникшую вследствие разности плотности жидкости. Здесь в - коэффициент объёмного расширения жидкости;

критерий Прандатля, определяющий физические свойства жидкости.

Подобие физических величин, начальных и граничных условий

Подобие начальных и граничных условий заключается в том, что для начальных и граничных условий должно соблюдаться геометрическое, временное и физическое подобие так же, как и для других сходственных точек натуры и модели.

Рассмотренные константы подобия постоянны для различных сходственных точек подобных систем, но могут изменяться в зависимости от соотношения размеров натуры и модели, т. е. если имеется другая модель, подобная натуре, константы подобия будут другими.

Если подобные величины выразить в относительных единицах, т.е. в виде отношений сходственных величин в пределах одной системы (натуры или модели), то получим инварианты подобия.

28. Аппараты для измельчения, устройство и принцип работы

Шаровая мельница состоит из вращающегося закрытого барабана (фарфорового или металлического), внутри которого размещены стальные или фарфоровые дробящие шары. Мельницы бывают периодического и непрерывного действия. Мельница герметично закрыта со всех сторон и имеет только один загрузочно-разгрузочный плотно закрывающийся люк. После загрузки барабана шарами и измельчаемым материалом мельница приводится во вращательное движение.

Измельчение материала происходит за счет ударного воздействия (шаровая насадка падает на измельчаемый материал), истирания и частично раздавливающего воздействия.

Достоинства шаровой мельницы заключаются в простоте конструкции, простоте эксплуатации и в отсутствии распыления порошка при работе. К недостаткам относится неоднородность конечного продукта (гранулометрический состав), что требует проведения дополнительных операций, таких как просеивание.

Вертикальной шаровой мельницы заключается в следующем: измельчаемое вещество загружается при помощью насоса 6, при вращении ротора твердые частицы материала измельчаются в результате трения о мелющие тела и друг о друга. Готовый продукт выходит через патрубок 7 в верхней части цилиндра. При измельчении в заводских условиях необходимо учитывать, что, к примеру, для корневища ревеня требуются одни усилия, а для измельчения сахара -- другие, намного меньшие. В зависимости от этого подбирается соответствующее оборудование (в первом случае необходима молотковая мельница, а во втором -- шаровая). Имеет значение также и тип корней: для волокнистых корней применяется один тип машин, а для не волокнистых -- другой. Необходимо учитывать и влажность сырья: сырье должно быть обязательно подсушено до остаточной влажности 6--8 %.

Для измельчения лекарственных веществ, образующих ядовитую или раздражающую пыль, применяют наименее пылящие шаровые мельницы. Измельчение ведут в отдельных помещениях, при этом мельницы закрывают специальными кожухами. В процессе измельчения применяют меры личной безопасности, используя специальную одежду для персонала.

29. Основы теории подобия

Объединение математических методов с экспериментом с помощью теории подобия позволяет распространить результаты единичного опыта на целую группу явлений.

Понятие подобия распространяется на любое физическое явление. Физические явления считаются подобными, если они относятся к одному и тому же классу, протекают в геометрически подобных системах, и подобны все однородные физические величины, характеризующие эти явления.

Однородными называются такие величины, которые имеют один и тот же физический смысл и одинаковую размерность.

Таким образом, для подобных физических явлений в сходственных точках и в сходственные моменты времени любая величина ц? первого явления пропорциональна величине ц?? второго явления, т. е. ц?=cц·ц??. При этом каждая физическая величина ц имеет свой множитель преобразования cц? численно отличный от других. Числа подобия, составленные только из заданных параметров математического описания задачи, называются критериями подобия.

Вторая теорема подобия (теорема Бэкингем-Федермана): решение любого дифференциального уравнения, связывающего между собой переменные, влияющие на процесс, может быть представлено в виде зависимости между критериями К подобия. Такие уравнения называются уравнениями обобщенных переменных, или критериальными уравнениями, например

f(К1,К2,К3,...) = 0, (5)

где К1,К2, К3 -- критерии подобия.

Обычно критериальное уравнение записывается в виде зависимости определяемого критерия подобия от определяющих критериев подобия:

К1= f(К2,К3,...), (6)

Например,

К1=АКm2Кn3 (7)

где А, т, п -- эмпирические показатели.

Определяемым критерием является тот критерий, в который входит определяемая величина. Критерии, в которые входят величины, определяющие ход процесса (v,м,с,dэ и т.д.), называются определяющими.

Если какой-либо эффект в исследуемом процессе мало влияет на его протекание, то критерии подобия, характеризующие интенсивность данного эффекта, могут не учитываться. В этом случае процесс по отношению к этому эффекту и к критерию подобия становится автомодельным, т.е. независимым. В соответствии с этой теоремой результаты эксперимента, проведенного на модели, можно представлять в виде критериальных уравнений.

Сущность второй теоремы подобия хорошо определяется следующей формулировкой: определяющие и не определяющие критерии подобных процессов связаны между собой уравнением подобия, которое является безразмерным решением рассматриваемой задачи, справедливым для всех подобных процессов

30. Теплообмен

Среды, участвующие в теплообменном процессе, поступают в пакет пластин и выводятся из него через присоединения, расположенные на плитах теплообменника. Непосредственно за присоединениями располагаются так называемые распределительный и собирающий каналы, которые предназначены для распределения сред в межпластинчатом пространстве и выхода их из теплообменника.

Одноходовый теплообменник

В пластинчатом теплообменнике этого типа весь поток теплоносителя, распределяется равномерно между параллельными каналами, образованными гофрированными пластинами. Направление движения теплоносителей в аппарате может быть как прямоток, так и противоток. Поскольку при противотоке обеспечивается большой среднелогарифмический температурный напор, то этот вариант движения теплоносителей используется чаще. Однако в случае протекания в теплообменнике термолабильных веществ или при близости температур одной из сред к точке замерзания прямоточная схема движения теплоносителей может оказаться предпочтительнее в виду более плавного изменения в этом случае температуры стенки.

Многоходовый теплообменник с равным количеством ходов

Существует возможность с помощью вставки специальных пластин поворачивать потоки в теплообменнике один или несколько раз. Это, так называемая, многоходовая схема пакета пластин обладает тем преимуществом, что увеличивается эффективная длина теплообменной поверхности теплообменника, при этом можно даже при малом температурном напоре реализовать экономически целесообразную конструкцию аппарата.

Многоходовый теплообменник с равным числом ходов на обейх сторонах

При определённых условиях имеет смысл приспосабливать схему распределения потоков теплоносителей в теплообменнике к параметром обеих сред независимо друг от друга. В получаемые таким образом пакетах пластин значительная часть поверхности образует схему "прямоток". Хотя такое решение в отличие от чистого противотока приводит к увеличению требуемой поверхности теплообмена, его преимущество состоит в том, что при этом можно применять пластины меньших размеров и тем самым снизить затраты.

Комбинированные схемы применяются, например, при:

испарении;

конденсации;

теплообмене между теплоносителями существенно различными расходами;

большой разницей перепадов температур "вход-выход" одной из сред;

обработке сред с различной вязкостью.

31. Молекулярная диффузия

Молекулярная диффузия в газах и растворах жидкостей происходит в результате хаотического движения молекул, не связанного с движением потоков жидкости. В этом случае имеет место перенос молекул распределяемого вещества из областей высоких концентраций в область низких концентраций. Кинетика переноса подчиняется в этом случае первому закону Фика, формулировка которого аналогична закону теплопроводности: количество продиффундировавшего вещества пропорционально градиенту концентраций, площади, перпендикулярной направлению диффузионного потока, и времени. Для всей поверхности диффузии S первый закон Фика выразится как

,

где D - коэффициент молекулярной диффузии;

S - поверхность, нормальная к направлению диффузии;

- градиент концентрации вещества на единицу длины пути n диффундирующего вещества.

Коэффициент диффузии показывает, какое количество вещества диффундирует через поверхность 1 м2 в течение 1 с при разности концентраций равной единице на расстоянии 1 м.

Знак минус в правой части уравнения показывает, что при молекулярной диффузии в направлении перемещения вещества концентрация убывает.

Очевидно, что способ выражения концентрации и ее размерность определяют размерность коэффициента диффузии.

Единица измерения величины D:

.

Коэффициент диффузии не является постоянной величиной; численные значения его обычно берут из справочников.

Коэффициент диффузии зависит, прежде всего, от природы вещества и агрегатного состояния систем; так, коэффициент диффузии для газов примерно на четыре порядка выше, чем для жидкостей. Коэффициент диффузии увеличивается с ростом температуры и уменьшается с повышением давления.

Дифференциальное уравнение молекулярной диффузии носит название второго закона Фика (см. 1.6.2).

.

Данное уравнение описывает распределение концентраций вещества в неподвижной среде молекулярной диффузией.

32. Понятие подобия

Понятие подобия, как известно, впервые введено в геометрии. Геометрически подобными называются такие фигуры, у которых сходственные (одноименные) стороны пропорциональны, а сходственные углы равны.

Понятие подобия распространяется на любое физическое явление. Физические явления считаются подобными, если они относятся к одному и тому же классу, протекают в геометрически подобных системах, и подобны все однородные физические величины, характеризующие эти явления. Однородными называются такие величины, которые имеют один и тот же физический смысл и одинаковую размерность. Таким образом, для подобных физических явлений в сходственных точках и в сходственные моменты времени любая величина ц? первого явления пропорциональна величине ц?? второго явления, т. е. При этом каждая физическая величина ц имеет свой множитель преобразования cц? численно отличный от других.

Аналогично геометрическому подобию уравнения, описывающие подобные физические явления, после приведения их к безразмерному виду становятся тождественно одинаковыми. При этом в сходственных точках все одноименные безразмерные величины, в том числе и безразмерные параметры, будут равны.

Приведем к безразмерному виду дифференциальное уравнение теплоотдачи. Если ввести обозначение ?=t--tc, то (10.2) можно записать в форме

Выберем какой-либо характерный геометрический размер l0 и избыточную температуру стенки ?c=tс--tж в качестве величин приведения. Обозначим безразмерные величины и, тогда y=l0·Y и ?=?0·и. Подставляя полученные выражения для у и ? в уравнение (10.4), запишем

Окончательно

Помимо безразмерной температуры и и координаты Y, в уравнение входит безразмерный комплекс , составленный из разнородных физических величин, характеризующих явление теплоотдачи. Согласно свойству подобных физических явлений, этот комплекс должен иметь одинаковые значения для всех подобных систем. Такие комплексы носят название чисел подобия. Полученный безразмерный комплекс называется числом Нуссельта и представляет собой безразмерный коэффициент теплоотдачи. Числа подобия, составленные только из заданных параметров математического описания задачи, называются критериями подобия. Анализ уравнений конвективного теплообмена позволяет получить следующие основные критерии подобия:

Критерии, составленные из величин, определяющих характер процесса, но не включающие искомых величин, называются определяющими, а критерии, включающие искомые величины, - не определяющими. Так, при расчёте конвективного теплообмена критерий Nu не является определяющим, так как в него входит искомая величина б. Критерии же Re и Pr в этих же расчётах - определяющие. Третья теорема подобия. В наиболее распространенной формулировке третья теорема имеет следующий вид: необходимыми и достаточными условиями для создания подобия являются пропорциональность сходственных параметров, входящих в условия однозначности, и равенство критериев подобия сопоставляемых явлений.

Третья теорема подобия именуется также обратной теоремой подобия или теоремой Кирпичева-Гухмана.

u=iR+Ldi/dt

Напомним понятия условий однозначности. Известно, что дифференциальное уравнение в общем виде описывает бесконечное множество процессов, относящихся к данному классу. Так, например, дифференциальное уравнение описывает изменение тока во времени в цепи с активным сопротивлением R и индуктивностью L при включении ее на u=const. Условия, определяющие индивидуальные особенности процесса или явления и выделяющие из общего класса конкретный процесс или явление, называются условиями однозначности. К ним относятся следующие, не зависящие от механизма самого явления, факторы и условия:

· геометрические свойства системы, в которой протекает процесс;

· физические параметры среды и тел, образующих систему;

· начальное состояние системы (начальные условия);

· условия на границах системы (граничные или краевые условия);

· взаимодействие объекта и внешней среды.

33. Мембранные аппараты

Мембранные аппараты применяют для разделения (очистки, концентрирования) тузлуков, бульонов и др. Основной рабочий орган оборудования -- пористая мембрана, изготовленная на основе полимерных материалов, металла и керамики. При мембранном разделении исходный раствор разделяется на концентрат и фильтрат (пермеат). Движущей силой мембранного разделения в конкретных случаях может быть разность давлений, температуры, концентрации, электрических потенциалов.

Как уже отмечалось, в рыбной отрасли наибольшее применение находит баромембранное разделение под действием разности давлений -- микрофильтрация, ультрафильтрация и обратный осмос. Для их осуществления используют мембраны с порами различных размеров. Микрофильтрацию проводят для разделения растворов с частицами размером 0,02... 10 мкм, ультрафильтрацию-- 0,001...0,02 мкм и обратный осмос -- 0,0001...0,001 мкм. Мембранный аппарат состоит из корпуса, мембраны, дренажного узла, крепежных деталей, конструктивных элементов для ввода исходного раствора и вывода концентрата и фильтрата, их перемешивания и др. Для баромембранного разделения применяют четыре типа мембранных аппаратов: плоскорамные, трубчатые, рулонные и с полыми волокнами. Промышленные мембранные аппараты представляют собой наборы (пакеты, блоки, комплексы мембранных элементов: ячеек, секций, модулей). Мембранный аппарат обычно является частью мембранной установки. Кроме мембранных аппаратов в состав установки входят насосы, дозирующие устройства, емкости для исходного раствора, пермеата, концентрата и моющих растворов, соединительные трубопроводы и контрольно-измерительные приборы. Мембранные установки бывают периодического и непрерывного действия.

34. Массоотдача. Закон Щукарева

Этот закон формулируется так: количество вещества, перенесенного потоком от поверхности раздела фаз (контакта фаз) в воспринимающую фазу или в обратном направлении, прямо пропорционально разности концентраций у поверхности контакта фаз и в ядре потока воспринимающей фазы, площади поверхности контакта фаз и продолжительности процесса.

Согласно теории диффузионного пограничного слоя распределяемое вещество переносится из ядра потока жидкости к поверхности раздела фаз непосредственно конвективными потоками жидкости и молекулярной диффузией. В рассматриваемой системе различают ядро потока и пограничный диффузионный слой. В ядре перенос вещества осуществляется преимущественно потоками жидкости или газа. По мере приближения к пограничному диффузионному слою турбулентный перенос снижается и начинает увеличиваться перенос за счет молекулярной диффузии. При этом появляется градиент концентрации распределяемого вещества, растущий по мере приближения к границе. Таким образом, область пограничного диффузионного слоя -- это область появления и роста градиента концентрации, область увеличения влияния скорости молекулярной диффузии на общую скорость массопередачи.

Примем, что распределяемое вещество М переходит из фазы (1, в которой его концентрация выше равновесной, в фазу L.

Если концентрации вещества в ядрах фаз принять равными у. и Хр а концентрации на поверхности раздела фаз -- соответственно \\ и хг, то процесс массоотдачи вещества из ядра фазы G к поверхности раздела фаз и от поверхности раздела фаз в ядро фазы L можно записать так:

где Bx,By, -- коэффициенты массоотдачи, характеризующие перенос вещества конаотивными и диффузионными потоками одновременно; концентрации уфи хф предполаются равными равновесным, т. е.

Коэффициент массооотдачи показывает, какое количество вещества передается от поверхности контакта фаз площадью в 1 м ' в ядро воспринимающей фазы или в обратном направлении в течение единицы времени при разности движущих сил, равной единице

35. Классификация неоднородных систем и способы их разделения

Классификация и основные характеристики неоднородных систем

Неоднородными, или гетерогенными, называют системы, состоящие, по меньшей мере, из двух фаз. При этом одна из фаз является сплошной, а другая - дисперсной, распределенной в первой в раздробленном состоянии: в виде капель, пузырей, мелких твердых частиц и т. д. Сплошную фазу часто называют дисперсионной средой.

В зависимости от физического состояния фаз различают следующие бинарные гетерогенные системы: суспензии, эмульсии, пены, пыли, дымы и туманы.

Суспензия-система, состоящая из жидкости и взвешенных в ней твердых частиц. В зависимости от размеров частиц суспензии условно подразделяют на грубые (с частицами размером более 100 мкм), тонкие (содержащие частицы размером 0,1-100 мкм) и коллоидные растворы (с частицами менее 0,1 мкм).

Эмульсия-система, состоящая из жидкости и распределенных в ней капель другой жидкости, не растворяющейся в первой.

Пена - система, состоящая из жидкости и распределенных в ней пузырьков газа.

Пыль - система, состоящая из газа и распределенных в нем твердых частиц размером более 5 мкм. В процессах химической технологии пыль образуется преимущественно при дроблении, смешивании и транспортировании твердых материалов.

Дым-система, состоящая из газа и распределенных в нем твердых частиц размером менее 5 мкм; образуется при горении.

Туман-система, состоящая из газа и распределенных в нем капель жидкости размером менее 5 мкм.

Пыли, дымы и туманы представляют собой аэродисперсные системы и носят общее название - аэрозоли.

Методы разделения неоднородных систем

Процессы, связанные с разделением неоднородных систем, играют большую роль в химической технологии при подготовке сырья и очистке готовых продуктов, при очистке сточных вод и отходящих газов, а также при выделении из них ценных компонентов.

Применяют следующие основные методы разделения: осаждение, фильтрование и мокрую очистку газов.

Осаждение - процесс разделения, при котором взвешенные в жидкости или газе твердые или жидкие частицы отделяются от сплошной фазы под действием сил тяжести (отстаивание), центробежной силы (циклонный процесс и центрифугирование), сил инерции, электростатических сил (очистка газов в электрическом поле).

Фильтрование - процесс разделения с помощью пористой перегородки, способной пропускать жидкость или газ, но задерживать взвешенные частицы. Движущей силой процесса фильтрования является разность давлений. В случаях, когда разность давлений создается центробежными силами, процесс называют центробежным фильтрованием.

Мокрая очистка газов - процесс разделения, основанный на улавливании взвешенных в газе частиц жидкостью. Улавливание осуществляется, как правило, под действием сил инерции.

Выбор метода разделения зависит от концентрации дисперсных частиц, их размера, требований к качеству разделения, а также от разницы плотностей дисперсной и сплошной фаз и вязкости последней.

36. Измельчение. Назначение и сущность процесса. Классы и степень измельчения

Измельчение -- это процесс уменьшения размеров частиц твердого тела до требуемых размеров путем механического воздействия.

По размеру измельчённого продукта измельчение разделяют на два типа(класса):

· Дробление: грубое -крупное(300-100 мм), среднее (100-25 мм) и мелкое (25-1 мм).

Цель дробления -- получение кускового продукта необходимой крупности, а также подготовка к помолу.

· Помол: грубый (1000--500 мкм), средний (500--100 мкм), тонкий (100-40 мкм) и сверхтонкий-коллоидный (< 40 мкм).

Цель помола -- увеличение дисперсности твёрдого материала, придание ему определённого гранулометрического состава и формы частиц, дезагрегирование.

Граница между измельчением (помолом) и дроблением условна.

Оборудование для измельчения также делится на дробилки и мельницы.

Так, для крупного и среднего дробления предпочтительны методы раздавливания и раскалывания, а для тонкого измельчения - методы удара, истирания и их сочетание

Отношение диаметров кусков исходного и измельченного материала

dH / dK = i

называется линейной степенью измельчения, а отношение

dH3 / dK3 = i 0

наз. объемной степенью измельчения. Под dН и dK подразумеваются размеры наибольших кусков

Степенью измельчения п называют отношение поперечного размера наиболее крупных кусков до измельчения D к поперечному размеру наиболее крупных кусков после измельчения d, или

П = D/d.

Более точно под степенью измельчения следует понимать отношение диаметра Dcp средневзвешенного исходного продукта к диаметру dcp средневзвешенного дробленого продукта.

Общее назначение процессов измельчения

· увеличение поверхности контакта измельчаемого ТМ(твердого материала) для осуществления ряда химических, физических, физико-химических процессов, если именно поверхность межфазного контакта определяет интенсивность процесса в целом (многие каталитические и некаталитические гетерогенные процессы и т.д.);

· применение ТМ в последующих конкретных технологических процессах, если их возможно осуществить с ТМ только в тонкоизмельчённом состоянии (составление композиций и др.);

· выделение ("вскрытие") целевого компонента, изначально существующего в твёрдой породе в смеси с ней (например, процессы выщелачивания в горнометаллургии или полимерных технологиях).

Сущность процесса измельчения (дробления и помола) заключается в разрыве поверхностного слоя материала, связь частиц которого определяется поверхностной энергией, и в разъединении внутренних частиц вещества, которые связаны между собой объемными силами сцепления. При дроблении крупных кусков на несколько частей поверхностная энергия в сравнении с объемными силами ничтожна. При помоле материала главное значение имеет поверхностная энергия.

37. Определение средней разности температуры при теплообмене

Движущей силой тепловых процессов является разность температур. Любой теплообменный процесс характеризуется законом передачи теплоты, составляет сущность всех тепловых процессов проходящих без изменения/с изменением агрегатного состояния вещества, количество теплоты передаваемой за какой либо промежуток времени.

фdi

(коэффициент теплопередачи, площадь поверхности, разность температур между нагреваемой средой и греющим агентом, температурный напор, продолжительность нагрева)

Количество теплоты передаваемое за промежуток времени

38. Материальный баланс процесса разделения

Основными методами разделения неоднор. с-м пищевой технологии явл. осаждение и фильтрование.

Осаждение - процесс разделения жидких и газовых неоднор. с-м под действием гравитац. сил (отстаивание), центробежных сил, центрифугирования и сил электр. поля.

Фильтрование - процесс разделения жидких и газовых неоднор. С-м (смесей) с использованием перегородки задерживания частицы.

Материальный баланс процессов разделения.

При отсутствии потерь в-ва матер. баланс процессов разделен. у общего кол-ва в-в:

Gсусп = Gпрод+Gосадка

где Gc - кол-во исходной суспензии, Gп - кол-во продукта (осветлен. жидкости), Gо - кол-во осадка.

По кол-ву взвешенных частиц дисперсной фазы:

Gc*xc = Gп*Хп+Gо*Хо

где Хс - концентрация дисперсн. фазы в исх. сусп. %масс или долях, Хп - содержание (концентр.) дисп. фазы в продукте (очищенном), Хо - в осадке %массы. Решение с-мы этих ур-ний получим кол-во очищенного продукта:

Gп = Gc((Хо-Хс)/(Хо-Хп))

Gо = Gc((Хс-Хп)/(Хо-Хп)).

39. Критериальное уравнения для свободной и вынужденной конвекции при ламинарном и турбулентном движении жидкости

3 способа передачи теплоты:

Теплопроводность - молекулярный перенос теплоты в сплошной среде, вызванный разностью температур.

Конвекция - процесс переноса теплоты при перемещении макроскопических объёмов жидкости или газа из областей с одной температурой в область с другой, при этом перенос теплоты неразрывно связан с переносом вещества. Процессы конвекции сопровождаются теплопроводностью, этот совместный процесс называется конвективный теплообмен.

Тепловое излучение - процесс переноса теплоты, обусловленный превращением внутренней энергии вещества в энергию излучения, переносом её в вид электромагнитных волн и поглощением веществом.

Конвекция:

-свободная - вынужденная

При движении среды у поверхности твердого тела за счет разности температур возникает конвективный теплообмен. Количество теплоты в этом случае определяется законом Ньютона:

На теплообмен влияют режимы течения: ламинарный и турбулентный. Первый характеризуется спокойным, струйчатым движением, второй -- неупорядоченным, вихревым.

Основные критерии теплового подобия

-критерий нусельта:

-критерий Фурье:

Fo=ai/l2

-критерий Пекрье:

Pe=vl/а

-критерий Прандтля:

Pr=/а

-критерий Грассгофа:

Тепловые процессы происходящие без изменения агрегатного состояния(естественная конвекция)

В этом случае теплоотдача должна зависеть от формы и размеров поверхности нагрева или охлаждения, температуры этой поверхности, физических свойств теплоносителя (м, с, л, c и др.). Очевидно, что при естественной конвекции скорость движении теплоносителя может быть выражена как функция этих факторов. Поэтому критерий Рейнольдса из обобщенного уравнения теплоотдачи при естественной конвекции может быть исключен, а критериальное уравнение для этого случая теплообмена выглядит так

Nu = A(GrPr)m, (1.7)

При ламинарном движении жидкости и вынужденной конвекции Re?2300):

Nu = 0,17Gr0,1 Re0,35Pr0,43(Pr/Prст)0,25 еl

где Gr - критерий Грасгофа, характеризующий соотношение между подъемной силой, возникающей вследствие разности плотностей неравномерно нагретой среды, и силой молекулярного трения; еl - поправочный коэффициент, учитывающий влияние начального термического участка трубы; Nu - число Нуссельта характеризует интенсивность теплоотдачи между твердой стенкой и жидкостью и определяет отношение термического сопротивления теплопроводности слоя жидкости некоторой толщиной к термическому сопротивлению теплоотдачи; Re - характеризует характер движения жидкости около твердой стенки и определяет соотношение сил

При турбулентном движении и вынужденной конвекции (при Re>10000):

Nu = 0,021 Re0,8Pr0,43(Pr/Prс)0,25еl

где еl - коэффициент длины, обычно равный единице; Re - критерий Рейнольдса, характеризующий режим движения жидкости; Pr - критерий Прандтля, определяющий физические свойства жидкости. В множителе (Pr/Prc)0,25, который входит в уравнение подобия конвективного теплообмена, Pr и Prc - числа Прандтля среды при средних температурах пограничного слоя tm и наружной поверхности емкости tc изменения происходят: при конденсации, плавлении и отвердевании, замораживании и размораживании, при кипении жидкостей.

40. Массоопередача, массоотдача и массопроводность. Основное уравнение массопередачи

Массопередача - массообмен через поверхность раздела или проницаемую стенку между двумя веществами или фазами.

Массоотдача - конвективный массообмен между движущейся средой и поверхностью раздела с др. средой (твердым телом, жидкостью или газом).

Массопроводность (диффузия) - объектом изучения является распределение концентрации с(x,t) ключевого вещества в некоторой среде. Главным образом, рассматриваются распределения жидкости в другой жидкости или газа в другом газе. Хорошей наглядной моделью является диффузия чернил в воде, где концентрация чернил соответствует «темноте» чернильно-водяной смеси.

Основное уравнение массопередачи.

Известны два вида переноса вещества - молекулярная и конвективная диффузия Молекулярная диффузия обусловлена переносом молекул вещества из области с большей концентрацией в область с меньшей концентрацией и протекает в неподвижной среде или ламинарных пограничных слоях.

Скорость переноса вещества из одной фазы в другую dM пропорциональна движущей силе процесса D, характеризующей степень отклонения систем от состояния равновесия, и поверхности контакта фаз dF .

Следовательно:

( 4 )

где К коэффициент масссопередачи.( аналогично с теплопередачей)

Коэффициент массопередачи характеризует массу вещества, переданную из одной фазы в другую в единицу времени через единицу поверхности контакта фаз при движущей силе процесса, равной единице.

Коэффициент массопередачи отражает уровень интенсификации процесса: чем больше величина К, тем меньше их размеров требуется аппарат для передачи заданного количества вещества. Одновременно следует воздействовать и на величину поверхности контакта фаз, стремясь ее максимальному развитию и обновлению в единице объема аппарата. Наибольшее влияние на интенсивность массоперенос оказывают гидродинамические и конструктивные факторы.

41. Перемешивание. Критерий мощности

Перемешивание - способ получения однородных смесей и(или) интенсификации тепло- и массообмена в хим. аппаратуре. В соответствии с агрегатным состоянием B-B или материалов различают Перемешивание жидких сред и перемешивание твердых сыпучих материалов. П. производится преим. в емкостных аппаратах с перемешивающими устройствами (обычно мешалками). Процесс заключается в распределении растворенных в-в, взвешенных частиц и теплоты, а также в диспергировании капель и пузырьков в жидкости путем приведения ее в вынужденное движение. При этом возникает циркуляц. течение жидкости по окружности и(или) в меридиональном направлении, сопровождающееся появлением напряжений сдвига. Характер и интенсивность перемешивания зависят от конструкций аппаратов и мешалок.

Перемешивающие устройства

Перемешивающие устройства применяются в химической промышленности для следующих целей:

· получение однородных растворов;

· получение эмульсий и суспензий;

· увеличение поверхности межфазного контакта;

· интенсификация процессов тепло- и массопередачи.

Известны три основных способа перемешивания:

1. Пневматическое.

2. Гидравлическое.

3. Механическое.

Критерий мощности.

p - плотность среды, кг/м3

u - скорость тела

42. Основные положения расчета теплообменных аппаратов

Диаметр корпуса цилиндрического кожухотрубного теплообменника

D=(1,3…1,5)(b-1)dн+4 dн ,

где b - число труб, расположенных по диагонали наибольшего шестиугольника;

b=2а-1

(здесь а - количество труб, расположенных

по стороне наибольшего шестиугольника);

dн - наружный диаметр трубы.

Общее количество и длина труб в теплообменнике

n=3a(a-1)+1.

Длина труб в при известном диаметре определяется в зависимости

от площади поверхности теплообмена:

L=F/(р dcрn).

Расход греющего пара

D=Q/(i"-i'),

где Q - количество теплоты, переданной потребителям;

i";i' -энтальпия пара и конденсата соответственно.

Гидравлическое сопротивление теплообменника

ДР=(лl/d+Уе)V2с/2,

где л - коэффициент трения;

l - длина трубы;

d - диаметр трубы;

Уе - сумма коэффициентов местных сопротивлений;

V - скорость среды;

с - плотность среды.

Классификация теплообменных аппаратов:

- рекуперативные теплообменники

- теплообменники типа "труба в трубе"

- погружные змеевиковые теплообменники

- оросительные теплообменники

- пластичные теплообменники

- регенеративные теплообменники

43. Основное уравнение массопередачи

Известны два вида переноса вещества - молекулярная и конвективная диффузия Молекулярная диффузия обусловлена переносом молекул вещества из области с большей концентрацией в область с меньшей концентрацией и протекает в неподвижной среде или ламинарных пограничных слоях.

Скорость переноса вещества из одной фазы в другую dM пропорциональна движущей силе процесса D, характеризующей степень отклонения систем от состояния равновесия, и поверхности контакта фаз dF .

Следовательно:

( 4 )

где К коэффициент масссопередачи.( аналогично с теплопередачей)

Коэффициент массопередачи характеризует массу вещества, переданную из одной фазы в другую в единицу времени через единицу поверхности контакта фаз при движущей силе процесса, равной единице.

...

Подобные документы

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.