Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Расчет трубчатого теплообменника

1. Общая классификация процессов пищевых производств

1. 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.

2. 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

3. 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 w_r ² / r,

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

Фактор разделения (К_ц) 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 К_ц раз.

К_ц =w²_r/(gr), g – ускорение свободного падения.

Выразив окружную скорость вращения через частоту вращения, получим

К_ц =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 ΣG_в должно быть равно количеству конечных продуктов ΣG_K, получаемых в результате проведения процесса:

ΣG_в=ΣG_K.

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 ΣQ_н, введенной в процесс, должно быть равно количеству выделившейся энергии:

ΣQ_н = ΣQ_к + ΣQ_п,

где ΣQ_к — количество отводимой теплоты; ΣQ_п — потери теплоты в окружающее пространство.

Вводимая в процесс теплота ΣQ_н складывается из теплоты Q₁поступающей с исходными материалами, подводимой, например, теплоносителями, теплоты Q₂ и теплоты физических или химических превращений Q₃

Количество отводимой теплоты ΣQ_к 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 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, чазывают 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 электро-магнитных 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=-λ[dt/dn)]Fdx, (13.5)

где λ— 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, λ уменьшается с повышением температуры. Для большинства твердых тел λ увеличивается с повышением температуры.

6. 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] т. е. коэффициент массопередачи 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 – это последовательные и закономерные изменения в системе (продукте, материале), приводящие к возникновению в ней 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 - 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 — самопроизвольный необратимый процесс переноса теплоты от более нагретых тел (или участков тел) к менее нагретым.

Аппараты, в которых проводят эти процессы, чазывают теплообменными.

Передача теплоты может осуществляться:

-тепловым излучением – теплота передается с помощью электро-магнитных волн

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

Закон Нью́тона — Ри́хмана — 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. Закон утверждает, что

Плотность теплового потока (выражается в Вт/м²) на границе тел пропорциональна их разности температур (так называемый температурный напор):

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 статичесской 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, стандартизировванные 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, мнимизируя 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

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.

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 чер ез 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;