Процессы и аппараты пищевых производств
         

Процессы и аппараты пищевых производств


Часть II. МАССООБМЕННЫЕ (ДИФФУЗИОННЫЕ) И

МЕХАНИ­ЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

Раздел I. Массообменные (диффузионные) процессы: перегонка, рек­тификация, абсорбция, экстрагирование, экстракция, адсорбция, сушка, кристаллизация и мембранные процессы [I].

В данном разделе студент должен изучить методы физико-химиче­ского разделения газовых, жидких и твердых систем, основанных на пере­носе массы вещества (диффузии) из одной фазы в другую через границу раздела фаз. Изучение необходимо начинать с общей теории массопере­дачи, при этом обратив особое внимание на равновесные зависимости мас­сообменных процессов, законы массопереноса, на механизм переноса массы вещества из одной фазы в другую, движущую силу и коэффициенты скорости массообменных процессов. Необходимо четко представлять и изображать фазовую диаграмму любого массообменного процесса, пони­мать и уметь показать на ней рабочую и равновесную линии.

При расчете массообменных процессов уметь составлять материаль­ные и тепловые балансы, хорошо усвоить общие методы расчета основных размеров аппарата с помощью коэффициентов массопередачи, числа еди­ниц переноса и высоты единицы переноса, числа ступеней изменения кон­центраций, моделирование и оптимизацию этих процессов, общую схему расчета массообменного аппарата.

Процесс перегонки и ректификации (система пар-жидкость): опреде­ление процесса и применение в пищевой промышленности. Равновесие в системах пар-жидкость и изображение равновесных линий идеальных и неидеальных систем в X-Y и T-X,Y диаграммах. Принципиальная схема процесса ректификации для разделения двухкомпонентных смесей, мате­риальный и тепловой балансы, изображение на фазовой диаграмме рабо­чих линий процесса ректификации при минимальном, максимальном и оп­тимальном флегмовых числах, способы определения оптимального флег­мового числа. Знать и уметь изображать схемы ректификации многоком­понентных смесей, схемы только с обогащением и только с исчерпыва­нием, периодической ректификации; схемы процессов разделения, осно­ванные только на разной летучести компонентов смеси; принципиальные кон­струкции ректификационных аппаратов и их расчет.


Процесс абсорбции (система газ-жидкость): определение процесса и применение в промышленности, равновесие в системах газ-жидкость, за­ кон Генри. Принципиальные схемы абсорбционных процессов, материаль­ный баланс, изображение процесса на фазовой диаграмме X-Y. Основ­ные конструкции абсорбционной аппаратуры и методы ее расчета.

Процесс экстрагирования (система жидкость-твердое тело): опреде­ление процесса и использование в пищевой технологии; равновесие в сис­темах жидкость-твердое тело, изображение на фазовой диаграмме рабочей и равновесной линии процесса; принципиальные схемы экстрагирования и их изображение на фазовой диаграмме Y-X; материальный баланс и кине­тика процесса; конструкции экстракционной аппаратуры и ее расчет.

Процесс адсорбции (систем твердое тело-парогазовая или жидкая смесь): определение и промышленное применение процесса, физическая сущность, равновесие при адсорбции, принципиальные схемы процесса адсорбции и их графическое представление,  материальный баланс и кине­тические закономерности, конструкции адсорберов и принципиальные схемы адсорбционных установок непрерывного и периодического дейст­вия.

Процесс сушки (система твердое тело-парогазовая смесь); определе­ние и промышленное применение процесса, равновесие в сушильных про­цессах, свойства влажного воздуха и I-Х диаграмма Рамзина, умение поль­зоваться ей при расчете сушильных процессов.

Принципиальные схемы сушки, материальный баланс и кинетика су­шильных процессов. Классификация и конструкции сушильных аппаратов.

Для закрепления изученного материала необходимо решить 2-3 за­дачи по каждой теме данного раздела [6, 7].

Раздел II. Механические процессы: измельчение и классификация твердых материалов [I].

В этом разделе следует уделить внимание физико-механическим ос­новам измельчения, применению механических процессов в пищевой про­мышленности. Уметь изображать и объяснять принципиальные схемы из­мельчающих и классифицирующих машин.



Контрольные вопросы.

По каждому вопросу студент должен составить краткий конспект и представить преподавателю перед зачетно-экза­ме­на­ци­он­ной сессией.

1.       Виды промышленных массообменных процессов и их особенно­сти.

2.       Диффузионное равновесие и способы выражения состава взаимо­действующих фаз.



3.       Закон массоотдачи Щукарева, его графическая интерпретация.

4.       Основное уравнение массопередачи. Выражение коэффициентов массопередачи через коэффициенты массоотдачи.

5.       Закон молекулярной диффузии для газов (1 закон Фика), жидко­стей и твердых тел.

6.       Дифференциальное урав­нение молекулярной диффузии (2 закон Фика), конвективной диффузии, уравнение массопереноса  через пограничный слой. Критериальное уравнение конвектив­ного мас­сопереноса.

7.       Массоперенос в системах с твердой фазой.

8.       Материальный баланс процессов массопередачи. Рабочая линия процесса и ее изображение на фазовой диаграмме. Оптимальное положение рабочей линии.

9.       Средняя движущая сила массообменных процессов, понятие числа единиц переноса и способы их вычисления.

10.     Понятие высоты единицы переноса и определение высоты на­садки.

11.     Понятие ступени изменения концентраций и определение числа действительных тарелок.

12.     Однократное испарение, простая перегонка, перегонка с водя­ным паром и молекулярная перегонка.

13.     Ректификация. Применение в промышленности. Равновесие в системах пар-жидкость.

14.     Ректификационная установка непрерывного действия для разде­ления двухкомпонентных смесей, материальный баланс, рабочие лини и их изображение на фазовой диаграмме.



15.     Минимальное, максимальное и оптимальное флегмовые числа и способы их расчета.

16.      Тепловой баланс процесса ректификации, расход пара в кубе ко­лонны и воды в дефлегматоре.

17.     Расчет насадочных и тарельчатых колонн.

18.     Схемы ректификации многокомпонентных смесей. Только с обо­гащением или только с исчерпыванием, периодическая ректифи­кация.

19.     Схемы разделения азеотропных смесей и смесей с близкокипя­щими компонентами.

20.     Конструкции ректификационных аппаратов, их расчет. Схемы расположения куба и дефлегматора относительно колонны.

21.     Абсорбция. Применение в пищевой промышленности. Равнове­сие в процессах абсорбции.

22.     Принципиальные схемы в процессах абсорбции (прямоток, про­тивоток, с рециркуляцией фаз) и изображение их на фазовой диа­грамме.

23.     Материальный баланс и кинетические закономерности абсорб­ционных процессов.

24.     Классификация и конструкции абсорберов.

25.     Экстрагирование в сис­теме жидкость-твердое тело. При­менение в пищевой технологии. Требования к экстрагентам.

26.     Диффузионное сопротивление переносу вещества внутри твер­дого тела.

27.     Принципиальные схемы процессов экстрагирования.

28.     Материальный баланс экстрагирования.

29.     Кинетические закономерности процесса экстрагирования.

30.     Классификация и конструкции экстракционной аппаратуры.

31.     Расчет процесса экстрагирования.

32.     Экстракция. Равновесие в системах жидкость-жидкость и изо­бражение его на фазовой и треугольной диаграммах.

33.     Принципиальные схемы процессов экстракции (одноступенча­тая, многоступенчатая в перекрестном токе и противоточная).

34.     Материальный баланс экстракции.


Рабочая линия и ее изображе­ние на  фазовой диаграмме.

35.     Кинетические закономерности процесса экстракции.

36.     Классификация и конструкции экстракционной аппаратуры. Ме­тоды ее расчета.

37.     Адсорбция Применение в пищевой промышленности. Адсор­бенты и требования к ним.

38.     Равновесие в адсорбционных процессах

39.      Принципиальные схемы периодической адсорбции. Уравнение Шилова.

40.     Принципиальные схемы непрерывной адсорбции.

41.     Материальный баланс и кинетические закономерности процесса адсорбции.

42.     Адсорбционные установки периодического и непрерывного дей­ствия. Рабочий цикл процесса.

43.     Сушка. Применение в пищевой промышленности. Рав­новесие.

44.     Виды влажных материалов и формы связи влаги с материалом.

45.     Свойства влажного воздуха и диаграмма Рамзина.

46.     Изображение изменения состояния влажного воздуха на диа­грамме I-Х.

47.     Материальный баланс. Кинетика процесса сушки. Время первого и второго периодов сушки.

48.     Теоретическая сушка. Удельные расходы тепла и воздуха. Рабо­чая линия.

49.     Действительная сушка. Тепловой баланс, уравнение рабочей ли­нии.

50.    Варианты конвективной сушки (с промежуточным подогревом, с рециркуляцией, с замкнутой циркуляцией); их изображение на диаграмме Рамзина.

51.     Классификация и конструкции сушильных аппаратов.

52.     Мембранные процессы.

53.     Измельчение и классификация твердых материалов. Применение в пищевой промышленности.

54.     Физические основы измельчения.

55.     Конструкции измельчающих и классифицирующих устройств.

Контрольные работы

Студенты выполняют 2 контрольные работы (по указанию препода­вателя).



Контрольные работы выполняются в единой системе единиц (СИ) с указанием размерности всех величин, встречающихся в задаче. Работа должна быть подписана автором.

Номер варианта студент выбирает по номеру в журнале лаборатор­ных и практических занятий из таблицы данных, составленных к каждой задаче.

Контрольная работа должна содержать титульный лист (номер ра­боты, фамилия, имя, отчество студента, номер группы, шифр, название ра­боты, вариант, дату), полное изложение текста задачи со своими данными, схему процесса или аппарата с указанием направления течения материаль­ных потоков, расчет, эскиз аппарата с основными размерами.

Контрольная работа № 1 [8, 9, 10].

В непрерывнодействующую ректификационную колонну подается Gf (кг/ч) исходной смеси с начальной концентрацией легколетучего компо­нента xf

(% масс.). Содержание легколетучего компонента в дистилляте xd (% масс.), в кубовом остатке xw (% масс.). Давление в колонне атмосфер­ное. Рассчитать диаметр и высоту ректификационной колонны.

Примечание: оптимальное флегмовое число определить, исходя из минималь­ного объема колонны; число действительных тарелок рассчитать методом кинетической кривой; насадочную колонну рассчитать через число единиц переноса и высоту единицы переноса при оптимальном ре­жиме ее работы; при выборе размеров насадки из колец Рашига принять, что оптимальное отношение диаметра кольца насадки к диаметру колонны равно 0,033. Дать технологическую схему ректификационной установки.



                                                                                                        Таблица 1

Контрольная работа № 2 [8, 9, 11].

Рассчитать сушильную установку непрерывного действия производи­тельностью по влажному материалу Gн

(кг/ч) для высушивания влажного материала от начальной влажности сн

(%, масс.) до конечной ск (%, масс.). Влажный материал поступает в сушилку с начальной температурой tн (оС) и выходит с конечной tк (оС).


Сушка осуществляется горячим воздухом с температурой t1 (оС), отработанный воздух выходит с температурой t2 (оС). Тип сушилки и место ее установки заданы в таблице. Объемное напряже­ние по влаге АV [кг/(м3×ч)]. Дать технологическую схему установки и схе­матично изобразить процесс сушки на I-X диаграмме.

В результате расчета сушильной установки определяются:

-          производительность сушилки по сухому материалу;

-          часовой расход воздуха и тепла на сушку для летних и зимних условий;

-          диаметр, длина или высота сушилки;

-          ориентировочная поверхность калорифера;

-          мощность вентилятора.



Таблица 2

Контрольная работа № 3 [6, 7].

Рассчитать диаметр и высоту насадки абсорбера для улавливания из воздуха компонента А поглотителем В. Рассчитать также расход поглоти­теля в м3/ч, если расход газовой смеси в рабочих условиях V (м3/ч) с кон­центрацией компонента А yн (%, объемн.), степень улавливания составляет a (%). Концентрация компонента А в поглотителе В на входе в абсорбер Хн = 0, а на выходе составляет n % от максимально возможной в данных ус­ловиях, т.е. от равновесной с входящим газом. Уравнение линии равнове­сия имеет вид Y* = f(X), где Y[кмоль А/кмоль воздуха], X [кмоль А/кмоль В]. Скорость газа в абсорбере w (м/с), коэффициент массопередачи KX [кмоль А/(м2×ч×кмоль А/кмоль В)], коэффициент смачиваемости насадки y = 0,88. В качестве насадки используются керамические кольца Рашига размером 25х25х3, давление в колонне P (МПа) и температура 20 оС. Дать принципиальную схему абсорбера и фазовую диаграмму Y-X.



Таблица 3

Литература

1. Стабников В.Н., Лысянский В.М., Попов В.Д. Процессы и аппараты пищевых производств. – М.: Агропромиздат, 1985. – 510 с.



2. Кавецкий Г.Д., Королев А.В. Процессы и аппараты пищевых произ­водств. – М.: ВО «Агропромиздат», 1991. – 432 с.

3. Липатов Н.Н. Процессы и аппараты пищевых производств. - М.: Экономика, 1987. – 272 с.

4. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической техноло­гии. – М.: Госхимиздат, 1971. – 784 с.

5. Плановский А.Н., Николаев П.И. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. – М.: Химия, 1987. – 496 с.

6. Процессы и аппараты пищевых производств: Примеры и задачи / А.П. Николаев, А.С. Марценюк, Л.В. Зоткина и др. -  Киев: Вища шк., 1992. – 232 с.

7. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу ПАХТ. – Л.: Химия, 1987. – 575 с.

8. Лунин О.Г., Вельтищев В.Н., Березовский Ю.М. и др. Курсовое и дипломное проектирование технологического оборудования пищевых производств. – М.: Агропромиздат, 1988. – 321 с.

9. Процессы и аппараты химической технологии / Под ред. Ю.И. Дытнерского. - М.: Химия, 1983. – 272 с.

10. Расчет ректификационной колонны: Метод. рекоменд. / Сост. Т.В. Павлова. - Тамбовский ин-т хим. маш. - Тамбов, 1975. – 32 с.

11. Расчет конвективных сушилок: Метод. рекоменд. / Сост. Т.В. Павлова. - Тамбовский ин-т хим. маш. - Тамбов, 1979. – 24 с.

12. Процессы и аппараты пищевых производств: Лабораторный прак­тикум / Под общей редакцией В.Н. Стабникова. – Киев: Вища шк., 1986. – 175 с.

13. Массопередача в системах с жидкой фазой: Лабор. работы. / Сост. Е.И. Преображенский, В.А. Набатов, В.Н. Куприянов, В.Н. Ладыжский. - Тамбовский ин-т хим. маш. - Тамбов, 1983. – 16 с.

14. Массообменные процессы с твердой фазой: Лабор. работы. / Сост. Т.В. Павлова, В.Б. Коробов, В.М. Нечаев, В.Н. Ладыжский. - Тамбовский ин-т хим. маш. - Тамбов, 1981. – 20 с.

15. Лебедев П.Д., Щукин А.А. Теплоиспользующие уста­новки про­мышленных предприятий. – М.: Энергия, 1970. – 408 с.

16. Колонные аппараты: Каталог. – М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1987. – 28 с.

17. Колонные аппараты: Каталог. – М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1978. – 30 с.

Учебное издание

ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ

(массообменные (диффузионные) и механические процессы)

Программа, методические указания и контрольные работы

для студентов заочного отделения специальности 1706

С о с т а в и т е л и:

Набатов Вячеслав Александрович;

Мозжухин Андрей Борисович;

Сергеева Елена Анатольевна.

Под общей редакцией Коновалова Виктора Ивановича.