close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

2588.Процессы и аппараты пищевых производств

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
СТАВРОПОЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Т. В. Вобликова, С. Н. Шлыков, А. В. Пермяков
ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ
ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ
Учебное пособие
Ставрополь
«АГРУС»
2013
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
УДК 664
ББК 34.7:36.81-5
В61
Авторы:
кандидат технических наук, доцент кафедры технологии производства
и переработки с.-х. продукции СтГАУ Т. В. Вобликова;
кандидат технических наук, ст. преподаватель кафедры технологии производства
и переработки с.-х. продукции СтГАУ С. Н. Шлыков;
кандидат технических наук, доцент кафедры механики и технологического
оборудования филиала СКФУ в г. Пятигорске А. В. Пермяков
Рецензенты:
доктор технических наук, доцент, профессор кафедры общественного питания
и товароведения СКФУ В. В. Садовой;
кандидат технических наук, доцент кафедры технологии мяса
и консервирования Н. П. Оботурова
В61
Вобликова, Т. В.
Процессы и аппараты пищевых производств : учебное пособие /
Т. В. Вобликова, С. Н. Шлыков, А. В. Пермяков. – Ставрополь : АГРУС
Ставропольского гос. аграрного ун-та, 2013. – 212 с.
ISBN 978-5-9596-0958-0
Содержит 19 тем дисциплины, в каждой из которых излагаются
теоретические основы процессов пищевых производств, схемы и конструкции
наиболее распространенных типовых аппаратов и машин, а также основные
расчетные формулы. В конце каждой темы приведены вопросы для
самоконтроля.
Для студентов, обучающихся по направлениям подготовки 19.03.02 –
Продукты питания из растительного сырья, 19.03.03 – Продукты питания
животного происхождения, 19.03.04 – Технология продукции и организация
общественного питания, 35.03.07 – Технология производства и переработки
сельскохозяйственной продукции, 15.03.02 – Технологические машины и
оборудование.
УДК 664
ББК 34.7:36.81-5
Рекомендовано к изданию методическим советом Федерального государственного
бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования
«Ставропольский государственный аграрный университет»
(протокол № 10 от 26 июня 2013 г.).
ISBN 978-5-9596-0958-0
© ФГБОУ ВПО Ставропольский государственный аграрный университет, 2013
2
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Оглавление
Общие положения ………………………………………………………………7
ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ........................................................... 13
1. Неоднородные системы и методы их разделения .......................................... 14
1.1. Характеристика неоднородных систем........................................................................................ 14
1.2. Способы разделения неоднородных систем ................................................................................ 16
1.3. Материальный баланс процессов разделения ............................................................................. 17
Вопросы для самоконтроля ................................................................................................................. 17
2. Отстаивание и осаждение ................................................................................. 18
2.1. Отстаивание .................................................................................................................................... 18
2.2. Осаждение в поле центробежных сил .......................................................................................... 20
2.3. Оборудование для отстаивания и осаждения .............................................................................. 21
2.4. Расчет отстойников ........................................................................................................................ 28
Вопросы для самоконтроля ................................................................................................................. 28
3. Фильтрование .................................................................................................... 29
3.1 Общие сведения .............................................................................................................................. 29
3.2. Теория фильтрования .................................................................................................................... 31
3.3. Оборудование для фильтрования ................................................................................................. 32
3.4. Расчет фильтровального оборудования ....................................................................................... 37
Вопросы для самоконтроля ................................................................................................................. 38
4. Разделение газовых неоднородных систем .................................................... 39
4.1. Общие сведения ............................................................................................................................. 39
4.2. Способы очистки газов .................................................................................................................. 41
4.3. Расчет пылеуловителей ................................................................................................................. 46
Вопросы для самоконтроля ................................................................................................................. 47
5. Мембранные процессы ..................................................................................... 48
5.1. Общие сведения ............................................................................................................................. 48
5.2. Теоретические основы разделения обратным осмосом и ультрафильтрацией ........................ 49
5.3. Характеристика мембран .............................................................................................................. 53
5.4. Расчет аппаратов проточного типа ............................................................................................... 55
Вопросы для самоконтроля ................................................................................................................. 56
6. Псевдоожижение ............................................................................................... 57
6.1. Общие сведения ............................................................................................................................. 57
6.2. Физические основы псевдоожижения.......................................................................................... 59
3
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
6.3. Классификация аппаратов с псевдоожиженным слоем ............................................................. 63
Вопросы для самоконтроля ................................................................................................................. 66
7. Перемешивание пищевых сред ........................................................................ 66
7.1. Теоретические основы процесса перемешивания....................................................................... 66
7.2. Способы смешивания .................................................................................................................... 69
7.3. Классификация смесителей и рабочих органов .......................................................................... 74
7.4. Расчет механических мешалок ..................................................................................................... 79
Вопросы для самоконтроля ................................................................................................................. 83
ТЕПЛООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ ..................................................................... 84
8. Теплопередача ................................................................................................... 84
8.1. Теоретические основы теплообмена ............................................................................................ 84
8.2 Теплопроводность ........................................................................................................................... 85
8.3. Тепловое излучение ....................................................................................................................... 86
8.4. Конвективный теплообмен ........................................................................................................... 87
8.5. Связь коэффициента теплопередачи с коэффициентами теплоотдачи..................................... 91
8.6. Движущая сила теплообменных процессов ................................................................................ 93
Вопросы для самоконтроля ................................................................................................................. 94
9. Виды тепловых процессов ................................................................................ 95
9.1. Нагревание ...................................................................................................................................... 95
9.2. Испарение и охлаждение ............................................................................................................... 98
9.3. Конденсация ................................................................................................................................. 100
Вопросы для самоконтроля ............................................................................................................... 101
10. Классификация и устройство теплообменных аппаратов ........................ 102
10.1. Общие сведения ......................................................................................................................... 102
10.2. Рекуперативные теплообменники ............................................................................................ 103
10.3. Регенеративные теплообменники ............................................................................................. 112
10.4. Смесительные теплообменники ............................................................................................... 113
Вопросы для самоконтроля ............................................................................................................... 115
11. Выпаривание .................................................................................................. 117
11.1. Теоретические основы выпаривания ....................................................................................... 117
11.2. Способы выпаривания ............................................................................................................... 118
11.3. Устройство выпарных аппаратов ............................................................................................. 123
11.4. Методика расчета выпарных аппаратов .................................................................................. 127
Вопросы для самоконтроля ............................................................................................................... 128
4
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ .................................................................. 129
12. Основы массопередачи. Абсорбция ............................................................ 129
12.1. Кинетика массопередачи. Движущая сила массообменных процессов ............................... 129
12.2. Материальный баланс массообменных процессов ................................................................. 131
12.3. Основы абсорбции ..................................................................................................................... 133
12.4 Устройство абсорберов .............................................................................................................. 135
12.5. Расчет абсорберов ...................................................................................................................... 138
Вопросы для самоконтроля ............................................................................................................... 139
13. Адсорбция ...................................................................................................... 140
13.1. Адсорбенты, применяемые в пищевых производствах .......................................................... 140
13.2. Равновесие в адсорбционных процессах ................................................................................. 141
13.3. Кинетика адсорбции .................................................................................................................. 142
13.4. Аппараты для адсорбции........................................................................................................... 144
13.5. Ионообменные процессы в пищевых технологиях ................................................................ 146
13.6. Расчет адсорберов ...................................................................................................................... 148
Вопросы для самоконтроля ............................................................................................................... 149
14. Экстракция ..................................................................................................... 150
14.1. Экстракция в системе «жидкость – жидкость» ....................................................................... 150
14.2. Выщелачивание .......................................................................................................................... 152
14.3. Классификация экстракторов ................................................................................................... 153
Вопросы для самоконтроля ............................................................................................................... 157
15. Сушка пищевого сырья ................................................................................. 157
15.1. Общие сведения ......................................................................................................................... 157
15.2. Формы связи влаги с материалом............................................................................................. 159
15.3. Состояния материала при контакте с влажным воздухом ..................................................... 160
15.4. Скорость сушки .......................................................................................................................... 161
15.5. Материальный и тепловой баланс сушки ................................................................................ 163
15.6. Варианты сушильного процесса ............................................................................................... 165
15.7. Основные типы сушилок ........................................................................................................... 167
15.8. Инженерные расчеты сушилок ................................................................................................. 174
Вопросы для самоконтроля ............................................................................................................... 176
16. Перегонка и ректификация........................................................................... 176
16.1. Основы процессов разделения жидких смесей ....................................................................... 176
16.2. Способы перегонки .................................................................................................................... 179
16.3. Материальный и тепловой баланс ректификации .................................................................. 181
16.4. Устройство и характеристика ректификационных колонн .................................................... 183
5
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вопросы для самоконтроля ............................................................................................................... 184
17. Кристаллизация ............................................................................................. 184
17.1. Общие сведения ......................................................................................................................... 184
17.2. Кинетика кристаллизации ......................................................................................................... 185
17.3. Материальный и тепловой балансы кристаллизации ............................................................. 187
17.4. Классификация способов кристаллизации .............................................................................. 189
17.5. Аппараты для кристаллизации ................................................................................................ 189
Вопросы для самоконтроля ............................................................................................................... 193
МЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ...................................................................... 194
18. Измельчение твердого пищевого сырья ..................................................... 194
18.1. Теоретические основы измельчения ........................................................................................ 194
18.2. Законы измельчения .................................................................................................................. 195
18.3. Конструкции измельчителей..................................................................................................... 199
18.4. Мощность процесса ................................................................................................................... 202
18.5. Производительность дробилки ................................................................................................. 203
Вопросы для самоконтроля ............................................................................................................... 204
19. Уплотнение твердых материалов ................................................................ 205
19.1. Теоретические основы уплотнения твердых материалов ...................................................... 205
19.2. Уравнение распределения давления прессования .................................................................. 206
19.3. Оборудование для прессования ................................................................................................ 207
19.4. Инженерные расчеты прессов .................................................................................................. 209
Вопросы для самоконтроля ............................................................................................................... 209
Библиографический список ................................................................................. 210
6
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Общие положения
Основы теории переноса импульса, теплоты, массы. Расчёт машин и
аппаратов
предусматривает
определение
массовых
потоков
перерабатываемых материалов, а также количеств необходимой энергии,
оптимальной площади тепломассообменной поверхности (объёма) аппарата
или продолжительности процесса, основных размеров машин и аппаратов.
Кинетика – это учение о скоростях и механизмах процессов. Общие
кинетические закономерности 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
dV Δ
= = K Δ,
Fd τ R
где
V
F
τ
Δ
R
К
–
–
–
–
–
–
количество массы или энергии;
площадь, через которую проходит масса или энергия;
продолжительность процесса;
движущая сила;
сопротивление;
коэффициент скорости, обратный сопротивлению.
Анализ кинетических закономерностей позволяет оценить условия
процесса и определить оптимальные, соответствующие минимальным
размерам машин и аппаратов.
Анализ процессов и расчёт машин и аппаратов проводят в следующем
порядке: составляют материальный и энергетический балансы процесса;
исходя из статики определяют направление течения процесса и условия
равновесия; вычисляют движущую силу; на основании кинетики определяют
скорость процесса. По данным о скорости процесса и величине движущей
силы при найденном оптимальном режиме процесса определяют основной
размер аппарата – рабочий объём или рабочую площадь поверхности.
По основному размеру определяют все остальные размеры аппарата.
7
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Материальный баланс составляют на основе закона сохранения
массы: количество поступающих материалов ΣGн должно быть равно
количеству конечных продуктов ΣGк , получаемых в результате процесса:
ΣGн = ΣGк .
На основании материального баланса определяют выход продукта,
т. е. выраженное в процентах отношение полученного количества продукта
к максимально возможному. Выход продукта рассчитывают на единицу
затрачиваемого 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 ΣQн , введённой в процесс, должно быть равно количеству
выделившейся энергии:
ΣQн = ΣQк + ΣQп ,
где
ΣQк – количество отводимой теплоты;
ΣQп – потери в окружающее пространство.
Вводимая в процесс теплота ΣQн складывается из теплоты Q1 ,
поступающей с исходным материалом и подводимой теплоносителями Q2 ,
или теплоты физических или химических превращений Q3 .
Количество отводимой теплоты ΣQк
складывается из теплоты,
уходящей с конечными продуктами, и отводимой теплоносителями.
Теория физического и математического моделирования процессов
переноса. Расчетные методики должны создаваться на основе знания
взаимосвязи различных параметров, характеризующих процесс, и их влияния
на скорость протекания процесса. Существует два основных метода изучения
объектов: метод прямого эксперимента и аналитический метод.
Метод
прямого
эксперимента
заключается
в
создании
экспериментальной установки и проведении на ней экспериментов по
специальному плану. Достоинством является получение точного конкретного
8
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
результата;
недостатками
материальных
и
являются
трудовых
значительные
ресурсов,
затраты
производственных
времени,
площадей,
невозможность предсказания поведения объекта в измененных условиях или
обобщения полученных результатов для других объектов.
Аналитический метод заключается в выводе дифференциальных
уравнений математической физики, описывающих процесс. Недостатком
является практическая невозможность получения точного конкретного
результата, а достоинством является описание целого класса явлений.
Достоинства того и другого метода объединяет теория подобия.
Теория подобия – это учение о способах создания моделей, правилах
проведения на них экспериментов, обработки результатов в виде расчетных
зависимостей и определенных границ применимости этих расчетных
зависимостей.
Моделированием называют изучение объекта по его модели с целью
предсказания поведения этого объекта в промышленных условиях. К моделям
предъявляют следующие требования:
1)
модель должна быть адекватна реальному объекту, т. е.
воспроизводить его существенные характеристики;
2)
модель должна иметь существенно меньшие габариты, вес,
стоимость;
3)
эксперименты на модели должны проводиться быстрее, быть более
простыми;
4)
должен быть известен алгоритм перевода расчетной зависимости
для модели в расчетной зависимости для оригинала.
В настоящее время используются три типа моделей:
1)
математические;
2)
реальные физические;
3)
аналоговые.
Математическая
модель
представляет
собой
совокупность
дифференциальных алгебраических и иных уравнений, описывающих
процесс. Эксперимент на такой модели заключается в скорости протекания
9
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
процесса при всех возможных комбинационных параметрах (с помощью
ЭВМ). Достоинством модели являются относительно небольшие затраты
сырья, материалов, площадей, простота внесения изменений в эту модель.
Недостатком модели является невозможность учета будущих явлений.
Реальная физическая модель представляет собой уменьшенную
упрощенную копию оригинала. Достоинство – получение точного результата.
Недостатки – весьма большие затраты и сложность внесения изменений в эту
модель.
Аналоговые модели отличаются от реального объекта по своей
физической сущности, но описываются аналогичными дифференциальными
уравнениями.
Результаты, полученные на модели, можно распространить на реальный
объект в том случае, если сама модель и происходящий в ней процесс подобны
реальным.
Подобными называются явления, происходящие в геометрически
подобных объектах, в которых в сходственных точках системы, в
сходственные моменты времени одноименные параметры пропорциональны.
Геометрически подобными называются объекты, в которых все углы
равны, стороны пропорциональны.
Сходственными точками системы называют точки, отвечающие
геометрическому подобию.
Сходственными
моментами
времени
называются
моменты,
пропорционально отстоящие от начала процесса.
Одноименными
называются
величины,
имеющие
одинаковый
физический смысл и размерность.
Теоремы подобия. Три основные теоремы подобия отвечают на три
основных вопроса:
1)
какие величины измерять в эксперименте;
2)
в каком виде представлять полученные результаты;
3)
на какие явления можно распространять полученные результаты.
10
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
На первый вопрос отвечает теорема Ньютона: подобные явления имеют
численно равные критерии подобия.
Критерий подобия – это безразмерный комплекс, состоящий из
разноименных величин, имеющих физический смысл. Критерий, как правило,
характеризует
соотношение
движущей
силы
в
процессе
с
силами
сопротивления.
(Пример: критерий режима движения жидкости (число Рейнольдса)
Re =
vd
ν
характеризует режим движения жидкости – мера отношения сил
инерции и молекулярного трения в потоке; v – скорость потока, м/с; d –
диаметр трубопровода, м; υ – кинематический коэффициент вязкости, Па·с ).
Кроме критериев подобия, используются симплексы геометрического
подобия. Симплекс представляет собой отношение одноименных величин.
На второй вопрос отвечает теорема Федермана – Букингема: любая
зависимость между переменными, характеризующими процесс, может быть
представлена в виде зависимости между соответствующими критериями
подобия.
Общий вид критериального уравнения
К1 = СК2n ⋅ К3m ⋅ К4p ,
где К1
– определяемый критерий, содержащий искомую величину;
К2, К3, К4
– определяющие критерии;
С
– числовой коэффициент, определяемый экспериментальным
путем;
n, m, p
– показатели степени, определяющиеся экспериментальным
путем.
Критерии формулируются на основе анализа дифференциальных
уравнений
или
методом
размерностей.
Количество
критериальном уравнении определяет π-теорема:
π = N − n,
где
π – количество критериев в критериальном уравнении;
11
критериев
в
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
N – число параметров, характеризующих процесс;
n – число единиц измерения этих параметров в международной системе.
Каждая пара отношения параметров дает в критериальном уравнении
один критерий-симплекс.
На третий вопрос отвечает теорема Кирпичева – Гукмана: подобные
явления описываются одинаковыми дифференциальными уравнениями при
подобных условиях однозначности.
Различают четыре группы условий однозначности:
1) геометрические условия характеризуют конфигурацию объекта и
пропорциональность его основных размеров;
2) физические условия характеризуют свойство объекта рабочих тел;
3) граничные условия характеризуют состояние системы на ее
границах и взаимодействие с окружающей средой;
4) временные условия характеризуют состояние системы во времени.
12
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
Область
гидромеханических
целенаправленности
процессы,
гидромеханические
протекающие
(перемешивание,
процессов
с
процессы
образованием
псевдоожижение,
весьма
широка.
подразделяются
неоднородных
диспергирование,
По
на
систем
пенообразование),
разделением этих систем (осаждение, фильтрование), а также с перемещением
потоков в трубопроводах или аппаратах (рис. 1).
Рисунок 1 – Назначение гидромеханических процессов
В зависимости от закономерностей, характеризующих условия движения потоков, гидромеханические потоки делятся на три группы:
−
движение потоков в трубах и аппаратах;
−
движение частиц в газообразной и жидкой среде (процессы осаждения, диспергирования, перемешивания твердых частиц с
жидкостью);
−
движение жидкостей и газов через слой кусковых или зернистых
материалов (фильтрование, псевдоожижение).
13
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1. Неоднородные системы и методы их разделения
1.1. Характеристика неоднородных систем
Неоднородные, или гетерогенные, системы состоят из двух или
нескольких фаз. Любая неоднородная бинарная система состоит из
дисперсной (внутренней) фазы и дисперсионной среды (внешней) фазы, в
которой распределены частицы дисперсной фазы. В зависимости от
физического состояния фаз различают суспензии, эмульсии, пены, пыли,
дымы и туманы.
В некоторых производствах (биотехнологии, перерабатывающей
промышленности) многие процессы приводят к образованию неоднородных
систем, которые в дальнейшем подлежат разделению.
Пыли – системы, состоящие из газа и распределенных в нем твердых
частиц размерами 3...70 мкм; они образуются преимущественно при
дроблении, смешивании и транспортировке твердых материалов.
Дымы – системы, состоящие из газа и распределенных в нем твердых
частиц размерами 0,3…5 мкм, образующихся при конденсации паров и газов
при переходе их в жидкое или твердое состояние.
Туманы – системы, состоящие из газа и распределенных в нем капель
жидкости размерами 0,3…3 мкм, образующихся в процессах конденсации.
Пыли, дымы, туманы представляют собой аэрозоли.
Суспензии – неоднородные системы, состоящие из жидкости и
взвешенных в ней твердых частиц. В зависимости от размеров твердых частиц
суспензии условно подразделяют на грубые (с размером частиц более
100 мкм), тонкие (с размером частиц 0,5…100,0 мкм), коллоидные растворы
(с размером частиц менее 0,1...0,5 мкм).
Эмульсии – системы, состоящие из жидкости и распределенных в
ней капель другой жидкости, не растворяющейся в первой. Размер частиц
дисперсной фазы может колебаться в широких пределах. Под действием
силы тяжести эмульсии расслаиваются, однако при незначительных
14
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
размерах капель (менее 0,4…0,5 мкм) или при добавлении стабилизаторов
эмульсии становятся устойчивыми и не расслаиваются в течение
длительного времени.
Пены – системы, состоящие из жидкости и распределенных в ней
пузырьков газа. Эти «газожидкостные» системы по своим свойствам близки
эмульсиям.
Для эмульсий и пен характерна возможность перехода дисперсной
фазы в дисперсионную среду, и наоборот. Этот переход, возможный при
определенном массовом соотношении фаз, называют инверсией фаз, или
просто инверсией.
Важнейшими характеристиками неоднородных систем являются:
− весовое или объемное соотношение дисперсной и дисперсионной
фаз;
− размер и форма частиц дисперсионной фазы, которые в основном
зависят от происхождения неоднородной системы или от способов
ее получения;
− токсичность,
агрессивность,
пожароопасность,
химическая
летучесть,
стойкость
взрывои
и
стабильность,
характеризующаяся агрегативной и кинетической устойчивостью
дисперсных систем, которые определяются физическими и
химическими свойствами неоднородных систем.
В большинстве случаев неоднородные системы полидисперсны по
своему составу, т. е. состоят из частиц различных размеров. Поэтому их
принято
характеризовать
фракционным,
или
дисперсным,
составом.
Фракционный состав неоднородных систем определяется ситовым анализом,
методом
седиментации
(осаждение
гидравлической классификацией.
15
в
жидкости)
и
воздушной
или
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1.2. Способы разделения неоднородных систем
Применяют следующие основные способы разделения: осаждение,
фильтрование,
центрифугирование
и
сепарирование.
Выбор
метода
разделения обусловливается размерами взвешенных частиц, разностью
плотностей дисперсной и дисперсионной фаз, а также вязкостью дисперсионной фазы.
Разделение может преследовать различные цели:
− очистка газовой или жидкой фазы от взвешенных в ней
загрязняющих частиц;
− выделение ценных продуктов.
Осаждение – процесс разделения неоднородных смесей на фракции,
при котором взвешенные в жидкости или газе твердые или жидкие частицы
отделяются от сплошной фазы под действием сил тяжести, центробежных или
электростатических. Осаждение, происходящее под действием силы тяжести,
называется отстаиванием.
Фильтрование – процесс разделения суспензий при помощи
пористых, фильтрующих перегородок, способных пропускать жидкость или
газ, но задерживать взвешенные в среде твердые частицы (осадок).
Центрифугирование – процесс разделения неоднородных суспензий и
эмульсий на фракции в поле центробежных сил. Различают отстойное и
фильтрационное центрифугирование.
Отстойное центрифугирование используется для разделения плохо
фильтрующихся суспензий с малой концентрацией, а также для классификации суспензий по крупности и удельному весу частиц.
Фильтрационное центрифугирование применяется для разделения
суспензий, имеющих дисперсионную фазу кристаллической или зернистой
структуры, а также для обезвоживания влажных материалов, поры которых
целиком или частично заполнены жидкостью.
16
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Сепарирование – процесс разделения неоднородных жидких смесей на
фракции, различающиеся по плотности, в поле действия центробежных сил.
Эффективность метода разделения можно оценить по степени очистки
с
η
с
,
с
где с1 и с2 – концентрации частиц в жидкости или газе соответственно до и после
разделения.
Несмотря на общность принципов разделения жидких и газовых
систем, некоторые способы их разделения и применяемое оборудование
имеют специфические особенности.
1.3. Материальный баланс процессов разделения
Неоднородная система состоит из вещества а (дисперсионной фазы) и
взвешенных в ней частиц вещества b (дисперсной фазы). Gсм, Gосв, Gос – масса
исходной смеси, осветленной жидкости и получаемого осадка, кг; хсм, хосв, хос –
содержание вещества b в исходной смеси, осветленной жидкости и осадке,
массовые доли.
При отсутствии потерь уравнения материального баланса имеют вид:
– по общему количеству вещества:
см
– по дисперсной фазе (веществу b):
см см
осв
ос ;
осв осв
ос ос .
Масса осветленной жидкости Gосв и масса осадка Gоc:
осв
см
ос
см
ос
осв
,
ос
см
см
осв
ос
осв
.
Содержание взвешенных частиц в осветленной жидкости и в осадке
выбирается в зависимости от технологических условий процесса разделения.
Вопросы для самоконтроля
1. Назовите
признаки,
которые
лежат
в
основе
классификации
неоднородных систем. Какие вы знаете неоднородные системы?
2. Перечислите методы разделения неоднородных систем.
17
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3. Как оценивается эффективность метода разделения?
4. Какие величины определяются из материального баланса процессов
разделения?
2. Отстаивание и осаждение
2.1. Отстаивание
Отстаивание – частный случай разделения неоднородных жидких или
газообразных систем в результате выделения твердых или жидких частиц под
действием гравитационного поля.
Отстаивание применяется для грубого разделения суспензий, эмульсий
и пыли. Этот способ разделения характеризуется низкой скоростью процесса.
Отстаиванием не удается полностью разделить неоднородную смесь на
дисперсную и дисперсионную фазы.
Рассмотрим движение частицы под действием гравитационной силы в
вязкой среде (рис. 2). На частицу будут действовать сила тяжести G,
архимедова сила А и сила трения T.
Рисунок 2 – Силы, действующие на частицу в вязкой среде
Объем частицы произвольной формы пропорционален линейному
размеру в третьей степени: V = k1l 3 , где k1 – коэффициент, зависящий от формы
частицы; l – характеристический размер частицы (диаметр).
18
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
G = k1l 3ρ т g и подъемная сила A = k1l 3
g,
ж
частицу действуют сила тяжести
ρ
Если плотность твердой частицы ρт, а жидкости (газа, пара) ρж, то на
направленная в сторону, противоположную направлению силы тяжести. Под
действием разности этих сил частица перемещается в жидкости.
На единицу поверхности частицы со стороны жидкости действуют силы
трения T = μж∂v / ∂n , где μж – коэффициент динамической вязкости жидкости;
∂v / ∂n – изменение скорости движения жидкости в направлении, нормальном к
поверхности частицы. Сумма сил трения Т зависит от площади поверхности
частицы k2l2 (где k2 – коэффициент, учитывающий форму частицы) и
составляет T = k2l 2μ ж ∂v / ∂n .
Согласно второму закону механики равнодействующая сил тяжести,
подъемной и трения равна массе частицы, умноженной на ускорение:
k1l 3 ( ρ т − ρ ж ) g − k 2l 2μ ж ∂v / ∂n = k1l 3ρ т dv / d τ.
Это равенство является дифференциальным уравнением осаждения
частиц под действием силы тяжести, которое не может быть решено в общем
виде, поэтому для определения скорости осаждения частиц необходимо его
преобразовать в критериальное уравнение.
Критериальное уравнение, описывающее процесс осаждения:
Re = A( ψAr )
где А
h
n
,
– коэффициент;
– показатель степени, определяемый экспериментальным путем;
ψ – коэффициент формы частицы;
Ar – критерий Архимеда.
Ar = g
l 3 ρ т − ρж
⋅
.
v2
ρж
На основании экспериментальных данных установлены следующие
режимы осаждения частицы в жидкости: ламинарный (Re ≤ 0,2), переходный
(0,2 ≤ Re ≤ 500) и турбулентный (Re ≤ 500). Для каждого режима
экспериментально найдена зависимость вида:
19
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
– для ламинарного режима
Re =
1
ψAr при Re < 1,85 или ψ Ar < 0,33;
18
– для переходного режима
Re = 0,152 ⋅ ( ψAr )
0,715
при 1,85 ≤ Re ≤ 500 или
33 < ψ Ar < 83·103;
– для турбулентного режима
Re = 1,74 ( ψAr )
0,5
при
Re > 500 или ψ Ar > 83·103.
По значению критерия Рейнольдса определяется скорость осаждения
частицы в жидкости под действием силы тяжести
vo =
Reμж
.
lρж
2.2. Осаждение в поле центробежных сил
Процесс разделения гетерогенных систем можно существенно
интенсифицировать, проводя процесс под действием центробежных сил.
Для создания поля центробежных сил обычно используют два
технических приема: первый обеспечивает вращательное движение потока в
неподвижном аппарате, при втором – поток направляют во вращающийся
аппарат, где он начинает вращаться вместе с аппаратом. В первом случае
процесс проводят в циклоне и называют циклонным; во втором – в отстойных
(осадительных)
центрифугах,
а
процесс
называют
отстойным
(осадительным) центрифугированием. Если в отстойной центрифуге
обрабатывается
малоконцентрированная
суспензия,
причем
задачей
обработки является полное удаление частиц дисперсной фазы из жидкости,
т. е. осветление последней (очистка машинных масел от тонких взвесей), то
такая центрифуга называется осветляющей, а процесс центрифугирования
центробежным осветлением.
Интенсивность
центрифугирования
характеризуется
фактором
разделения. Все центрифуги по величине фактора разделения условно делят
20
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
на две группы: нормальные – с фактором разделения Фр < 3000, и
сверхцентрифуги, у которых Фр > 3000.
При центробежном отстаивании действующим ускорением является
центробежное
α
где
,
– угловая скорость вращения частицы, рад/с;
r – радиус вращения частицы, м.
Поэтому для центробежного поля фактор разделения
Фр
где
,
– ускорение свободного падения, м/с .
Скорость осаждения при ламинарном режиме находим из выражения
о
ρч
ρс
,
где d – диаметр частицы;
ρч – плотность частицы;
ρс – плотность среды;
ν – кинематическая вязкость.
2.3. Оборудование для отстаивания и осаждения
Оборудование для отстаивания и осаждения по принципу действия
делится
на
гравитационные
отстойники,
отстойные
центрифуги,
гидроциклоны и сепараторы.
Различают
отстойники
периодического,
непрерывного
и
полунепрерывного действия, причем непрерывно действующие отстойники
делятся на одноярусные, двухъярусные и многоярусные.
Размеры и форма аппаратов периодического действия зависят от
концентрации диспергированной фазы и размеров ее частиц. Чем крупнее
частицы и чем больше их плотность, тем меньший диаметр имеет аппарат.
Скорость отстаивания зависит от температуры, с изменением которой
21
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
изменяется вязкость жидкости, причем скорость осаждения обратно
пропорциональна вязкости, а последняя уменьшается с увеличением
температуры.
Отстаивание применяется для разделения пылей, суспензий и
эмульсий. Этот процесс не обеспечивает извлечения тонкодисперсных частиц
и характеризуется небольшой скоростью осаждения, поэтому он используется
преимущественно для частичного разделения неоднородных систем.
В случае разделения разбавленных суспензий производится осаждение
твердых частиц с целью сгущения твердой фазы или осветления жидкости.
Причем твердую фазу из суспензии можно выделять без разделения частиц по
размерам (собственно отстаивание) или разделять на несколько фракций по
скорости осаждения (классификация).
Лимитирующий работу отстойника слой характеризуется минимальной скоростью прохождения через него осаждающихся твердых частиц.
В случае сгущения суспензии наблюдают два режима:
−
свободное осаждение;
−
стесненное осаждение.
При свободном осаждении концентрация твердой фазы одинакова по
всей высоте зоны осаждения, и только у дна аппарата, на границе с
уплотняющимся
осадком,
наблюдается
скачкообразное
увеличение
концентрации.
Стесненное, или так называемое консолидированное, осаждение
характеризуется переменной концентрацией твердой фазы в зоне осаждения с
плавным увеличением у дна аппарата до концентрации зоны уплотнения.
Отстойник периодического действия представляет собой плоский
бассейн без перемешивающих устройств. Бассейн заполняется суспензией,
которая отстаивается в нем в течение необходимого для разделения времени.
Затем осветленный слой жидкости сливают (декантируют) через штуцера,
расположенные выше слоя осадка. Осевший осадок (шлам) выгружают
вручную.
22
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В
отстойник
полунепрерывного
действия
с
наклонными
перегородками (рис. 3) суспензия подается через штуцер и направляется с
помощью наклонных перегородок попеременно сверху вниз и снизу вверх.
Устройство
перегородок
увеличивает
продолжительность
пребывания
суспензии и площадь поверхности отстаивания. Шлам собирается в
конических бункерах и по мере накопления удаляется из них через краны.
Рисунок 3 – Отстойник полунепрерывного действия
с наклонными перегородками:
1 – корпус; 2 – наклонные перегородки; 3 – бункера
Осветленная жидкость отводится из отстойника через верхний штуцер.
Наибольшее распространение в промышленности получили отстойники
непрерывного действия.
Отстойник для непрерывного разделения эмульсий (рис. 4) состоит из
нескольких частей. Эмульсия подается в левую часть отстойника, откуда
поступает в среднюю сепарационную камеру. Перегородки 2 позволяют
регулировать высоту уровня смеси. В сепарационной части исходная смесь
разделяется на составляющие под действием сил тяжести. Легкая жидкость
поднимается и вытекает из отстойника через верхний штуцер. Тяжелая жидкость
опускается, проходит под правой перегородкой 3 и вытекает через нижний
штуцер. Каналы для выхода жидкости образуют сообщающиеся сосуды.
23
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 4 – Отстойник для непрерывного разделения эмульсий:
1 – корпус; 2 – левая перегородка; 3 – правая перегородка
Центрифуги могут быть с вертикальным и горизонтальным расположением вала и барабана, периодического действия (подвод суспензии и
выгрузка осадка производятся периодически), полунепрерывного (суспензия
подается непрерывно, а осадок выгружается периодически) и непрерывного
действия (подача суспензии и выгрузка осадка осуществляются непрерывно).
Отстойная
центрифуга
периодического
действия
с
ручной
выгрузкой осадка (рис. 5) состоит из барабана, насаженного на вращающийся
вал и помещенного в корпус. Под действием центробежной силы,
возникающей при вращении барабана, твердые частицы осаждаются в виде
сплошного слоя осадка на стенке барабана, а осветленная жидкость
переливается в кожух и удаляется через расположенный внизу патрубок. По
окончании процесса осадок выгружается из центрифуги.
Рисунок 5 – Отстойная центрифуга:
1 – вал; 2 – барабан; 3 – корпус
24
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Процесс в отстойной центрифуге состоит из разделения (осаждения)
суспензии и отжима или уплотнения осадка.
Сепарирование – это процесс разделения продукта на фракции с
различной плотностью во вращающемся сепарирующем устройстве –
барабане, в котором продукт распределяется тонкими слоями между
тарелками.
Более
легкие
частицы
перемещаются
к
оси
вращения
сепарирующего устройства, а более тяжелые – к его периферии. В зазоре
между тарелками частицы с различной плотностью движутся в разных
направлениях.
Тарельчатый сепаратор с внутренними соплами состоит из барабана
и пакета тарелок, заключенных в корпус, который смонтирован на общей раме
с электродвигателем.
Вал с насажденными на него тарелками приводится во вращение
электродвигателем через ременную передачу. Сепаратор снабжен клапанами
для его безразборной промывки. Клапаны автоматически открываются при
снижении частоты вращения за счет накопления осадка.
Вход суспензии в сепаратор осуществляется по внешней кольцевой
трубе (рис. 6). Суспензия поступает под нижнюю перфорированную тарелку,
достигает под действием центробежной силы нижней поверхности тарелки,
частично
разделяется
и
поступает
в
межтарелочное
пространство
вышерасположенной тарелки. Пакет сепарационных тарелок увеличивает
эффект сепарирования за счет сокращения пути свободного осаждения
частиц. Если частица достигла нижней поверхности тарелки, то можно
считать, что она практически выделилась из смеси. Осевшие частицы через
внутренние сопла поступают во внутреннюю кольцевую трубу и выводятся из
сепаратора. Осветленная жидкость выводится по периферийной трубе.
Гидроциклоны применяют для осветления, обогащения суспензий,
классификации твердых частиц по размерам от 5 до 150 мкм, а также для
очистки сточных вод после мойки пищевых агрегатов.
25
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 6 – Схема работы тарелок сепаратора
Корпус гидроциклона (рис. 7) состоит из верхней цилиндрической части
и конического днища. Качество разделения в гидроциклонах зависит от угла
конусности. Оптимальным считают угол, равный 10...15°. При таком угле
удлиняются коническая часть гидроциклона и путь твердых частиц и,
следовательно, увеличиваются время пребывания частиц и качество
разделения.
Рисунок 7 – Гидроциклон:
1 – тангенциальный штуцер; 2 – патрубок; 3 – перегородка;
4 – цилиндрический корпус; 5 – коническое днище;
6 – штуцер для выхода шлама
26
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Суспензия подается тангенциально в цилиндрическую часть и
приобретает вращательное движение. Скорость суспензии на входе в
гидроциклон составляет 5...25 м/с. Под действием центробежной силы
твердые частицы отбрасываются к стенкам гидроциклона и движутся по
спиральной траектории вдоль стенок вниз к штуцеру, через который отводятся
в виде шлама. Осветленная жидкость движется во внутреннем спиральном
потоке вверх вдоль оси гидроциклона и удаляется через патрубки.
Гидроциклоны, применяемые в качестве классификаторов, имеют
диаметр 300...350 мм и высоту 1,0...1,2 м. Для сгущения грубых суспензий
используются гидроциклоны диаметром 100 мм, для сгущения и осветления
тонких
суспензий
–
гидроциклоны
диаметром
10...15
мм,
обычно
объединяемые в общий агрегат, в котором они работают параллельно
(мультигидроциклон).
Сверхцентрифуги (рис. 8) имеют ротор малого диаметра – не более 200
мм, вращающийся с большой скоростью – до 4500 мин–1. Фактор разделения
составляет 15 000. В таких центрифугах разделяют очень тонкодисперсные
суспензии и эмульсии.
Рисунок 8 – Сверхцентрифуга:
1 – корпус; 2 – ротор; 3 – лопасть; 4 – подпятник; 5 – труба; 6 – отверстие для выхода
осветленной жидкости; 7 – шпиндель; 8 – опора; 9 – шкив
27
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2.4. Расчет отстойников
Производительность отстойника по осветленной жидкости Gотс (м3/с)
,
отс
где
– скорость потока жидкости вдоль отстойника, м/с;
b
– ширина отстойника прямоугольного сечения, м;
h
– высота слоя осветленной жидкости, м,
– скорость осаждения частицы, м/с;
– поверхность отстойника, м2.
F
Время прохождения τ (с) суспензией отстойника
,
где l – длина отстойника прямоугольного сечения, м.
Вопросы для самоконтроля
1. Какие критерии гидродинамического подобия характеризуют процесс
осаждения?
2. При каких режимах может происходить процесс осаждения?
3. Какие неоднородные системы разделяют методом отстаивания?
4. Что является движущей силой отстаивания? Как она определяется?
5. Какими
методами
можно
повысить
эффективность
разделения
неоднородных смесей по сравнению с отстаиванием?
6. Какое оборудование применяется для разделения неоднородных
смесей?
7. Что является движущей силой в центрифугах, сепараторах и
гидроциклонах?
8. Перечислите методы разделения суспензий и эмульсий.
9. В
каких
случаях
применяют
гидроциклоны,
сверхцентрифуги?
10. В чем заключается расчет отстойников?
28
сепараторы
и
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3. Фильтрование
3.1. Общие сведения
Фильтрованием называется процесс разделения суспензий, пылей,
туманов через пористую перегородку, способную пропускать жидкость или
газ, но задерживать взвешенные в них частицы.
Фильтрование осуществляется под действием разности давлений на
фильтрующей перегородке.
По
характеру
дисперсионной
среды
различают
фильтрование
жидкостей и газов. По целевому назначению процесс фильтрования может
быть очистным или продуктовым.
Очистное фильтрование применяют для разделения суспензий и
очистки растворов от различного рода включений. В этом случае целевым
продуктом является фильтрат. В пищевой промышленности очистное
фильтрование используют при осветлении вина, молока, пива и других
продуктов.
Назначение продуктового фильтрования – выделение из суспензий
диспергированных в них продуктов в виде осадка. Целевым продуктом
служит осадок. Примером такого фильтрования является разделение
дрожжевых суспензий.
Фильтровальные перегородки. В качестве фильтрующих материалов
применяют зернистые материалы – песок, гравий, различные ткани, картон,
сетки, пористые полимерные материалы, керамику и др. Фильтровальная
перегородка представляет собой основную часть фильтра. От правильного
выбора ее зависят производительность фильтра и качество получаемого
фильтрата.
Фильтровальная
перегородка
должна
иметь
минимальное
гидравлическое сопротивление и обеспечивать хорошую задерживающую
способность твердых частиц и получение чистого фильтрата.
Фильтровальные перегородки классифицируются на следующие
группы: по принципу действия различают поверхностные и глубинные
29
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
фильтровальные перегородки; по материалам, из которых они изготовлены, –
хлопчатобумажные, шерстяные, синтетические, стеклянные, керамические и
металлические; по структуре фильтровальные перегородки подразделяются
на гибкие и негибкие.
Виды фильтрования. При разделении суспензий в зависимости от
вида фильтровальной перегородки и свойств самой суспензии фильтрование
может происходить с образованием осадка на поверхности перегородки, с
закупориванием пор перегородки и с тем и другим явлениями одновременно
(промежуточный вид фильтрования).
Фильтрование с образованием осадка на поверхности фильтрующей
перегородки имеет место, когда диаметр твердых частиц больше диаметра пор
перегородки. Этот способ осуществим при концентрации твердой фазы
суспензии более 1 масс. %, когда создаются благоприятные условия для
образования сводиков над входами в поры фильтровальной перегородки.
Образованию сводиков способствует увеличение скорости осаждения и
концентрации твердой фазы в суспензии.
Фильтрование с закупориванием пор происходит, когда твердые
частицы проникают в поры фильтровальной перегородки. Закупоривание пор
твердыми частицами наблюдается уже в начальный период процесса фильтрования, что снижает производительность фильтра. Для поддержания ее на
должном уровне фильтр регенерируют, промывая обратным током жидкости
либо прокаливая металлические фильтровальные перегородки.
Промежуточный вид фильтрования имеет место в случае одновременного закупоривания пор фильтровальной перегородки и отложения осадка
на поверхности фильтровальной перегородки.
Для повышения скорости фильтрования при разделении суспензий с
небольшой концентрацией твердой фазы либо содержащих слизистые
вещества фильтрование проводят в присутствии вспомогательных веществ,
препятствующих закупориванию пор фильтровальной перегородки. Слой
вспомогательного вещества наносят на фильтровальную перегородку перед
30
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
фильтрованием
суспензии.
В
качестве
вспомогательных
веществ
используются тонкодисперсные угли, перлит, асбест, кизельгур, фиброфло,
асканит и другие материалы.
3.2. Теория фильтрования
Движущей силой процесса является разность давлений по обе стороны
фильтровальной перегородки либо центробежная сила.
Разность давлений по обе стороны фильтровальной перегородки
достигают разными способами: созданием избыточного давления над
фильтровальной перегородкой либо подсоединением пространства под
фильтровальной перегородкой к вакуумной линии. В этих случаях
фильтрование происходит при постоянном перепаде давлений, и скорость
процесса,
прямо
пропорциональная
пропорциональная
сопротивлению
разности
осадка,
давлений
и
описывается
обратно
основным
уравнением фильтрования
∆
µ
о
ф.п
,
где V – объем фильтрата, м3;
F – площадь поверхности фильтрования, м ;
τ
– продолжительность фильтрования, с;
∆ – перепад давлений, Па;
μ – динамическая вязкость жидкой фазы, Па·с;
Rо и Rф.п – сопротивление соответственно осадка и фильтровальной
перегородки, м–1.
В
основном
уравнении
фильтрования
разность
давлений ∆
представляет собой движущую силу, а общее сопротивление складывается из
сопротивления осадка и фильтровальной перегородки. Сопротивление осадка
тем больше, чем меньше пористость осадка и больше удельная поверхность
составляющих его твердых частиц; на величину сопротивления осадка влияют
также размер и форма частиц.
31
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Центробежное
фильтрование
–
процесс
разделения
жидких
неоднородных систем в поле центробежных сил в перфорированных роторах
центрифуг. Фильтрование под действием центробежной силы проводится в
фильтрующих центрифугах. В фильтрующей центрифуге разделяемая
суспензия отбрасывается под действием центробежных сил к стенкам ротора,
и фазы разделяются. Жидкая фаза проходит через фильтровальную
перегородку в кожух и отводится из него, а твердая фаза в виде осадка
задерживается на внутренней стороне этой перегородки, а затем удаляется из
ротора. В фильтрующих центрифугах с проницаемыми стенками для
разделения суспензий вместо разности давлений используется центробежная
сила.
Эффективность центробежного разделения, а следовательно, и
эффективность центрифуг характеризуется фактором разделения:
Фр
Однако
фактор
.
разделения
не
является
исчерпывающей
характеристикой центрифуг и их способности к разделению неоднородных
жидких систем. Для оценки этой способности центрифуг используют индекс
производительности центрифуги. Он определяется как произведение площади
осаждения на фактор разделения:
∑
ос
Фр .
3.3. Оборудование для фильтрования
Фильтры
непрерывного
классифицируются
действия.
На
на
первых
фильтры
периодического
осуществляют
любой
и
режим
фильтрования, на вторых – практически лишь режим фильтрования при
постоянной разности давлений. Для проведения процессов фильтрования с
закупориванием пор используют фильтры периодического действия.
32
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
По способу создания разности давлений фильтровальное оборудование
подразделяют на фильтры, работающие под вакуумом, под избыточным
давлением, и комбинированные фильтры.
По взаимному направлению силы тяжести и движения фильтрата
фильтры
могут
быть
с
противоположными,
совпадающими
и
перпендикулярными направлениями силы тяжести и движения фильтрата.
К
достоинствам
фильтров
относятся
большая
поверхность
фильтрования на единицу занимаемой ими площади и отсутствие движущихся
частей в процессе эксплуатации, сокращение затрат рабочей силы, получение
чистого фильтрата; к недостаткам – необходимость в ручном обслуживании,
несовершенная промывка осадка и быстрое изнашивание фильтровальной
ткани.
Нутч-фильтр (рис. 9), работающий как под вакуумом, так и под
избыточным
давлением,
широко
распространен
в
малотоннажных
производствах. Выгрузка из него осадка механизирована. Для сброса осадка
фильтр снабжен перемешивающим устройством в виде однолопастной
мешалки. Для удаления осадка из фильтра на цилиндрической части корпуса
предусмотрен люк.
Суспензия и сжатый воздух подаются через раздельные штуцера,
фильтрат удаляется через спускной кран. Фильтр снабжен предохранительным
клапаном.
Цикл работы фильтра состоит из заполнения его суспензией,
фильтрования суспензии под давлением, удаления осадка с фильтровальной
перегородки при вращающейся мешалке и регенерации фильтровальной
перегородки. В таких фильтрах может проводиться одновременно промывка
осадка.
33
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 9 – Нутч-фильтр с перемешивающим устройством:
1 – привод; 2 – корпус фильтра; 3 – мешалка; 4 – спускной кран;
5 – фильтровальная перегородка; 6 – фильтровальная ткань
Барабанные вакуум-фильтры применяют при непрерывном разделении
суспензий концентрацией 50...500 кг/м3. Твердые частицы могут иметь
кристаллическую, волокнистую, аморфную, коллоидальную структуру.
Производительность фильтра зависит от структуры твердых частиц и
снижается в указанной выше последовательности.
Барабанные вакуум-фильтры (рис. 10) выпускают с внешней и
внутренней фильтрующей поверхностью, которая обтягивается текстильной
фильтровальной тканью. Вращающийся горизонтальный перфорированный
барабан разделен перегородками на несколько секций одинаковой формы,
которые за оборот барабана проходят несколько рабочих зон: фильтрования,
обезвоживания, промывки, удаления осадка и регенерации фильтровальной
ткани.
Устройством,
управляющим
работой
фильтра,
является
распределительная головка, через которую секции барабана в определенной
последовательности подсоединяют к магистралям вакуума, сжатого воздуха и
промывной жидкости.
34
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 10 – Барабанный вакуум-фильтр с распределительной головкой:
1 – перфорированный барабан; 2 – фильтровальная ткань; 3 – ножевое устройство;
4 – секция; 5 – корыто; 6 – мешалка; 7 – труба; 8 – разбрызгиватель;
9 – распределительная головка
В стадии фильтрования зона фильтра под фильтрующей тканью
соединяется с вакуумом и фильтрат, находящийся в корыте, проходит через
фильтровальную ткань. Осадок откладывается на ее поверхности. Промытый
и подсушенный осадок непрерывно срезается ножом. Чтобы взвешенные
частицы не отстаивались, корыто снабжено качающейся мешалкой.
Ленточный фильтр (рис. 11) состоит из рамы, приводного и натяжного
барабанов,
между
которыми
натянута
бесконечная
перфорированная
резиновая лента. Под ней расположены вакуум-камеры, соединенные в
нижней части с коллекторами для отвода фильтрата и промывной жидкости.
За счет вакуума лента прижимается к верхней части вакуум-камер.
К резиновой ленте натяжными роликами
прижимается фильтровальная
ткань, выполненная также в виде бесконечной ленты.
Суспензия подается на фильтровальную ткань из лотка. Фильтрат под
вакуумом отсасывается в камеры и отводится через коллектор в сборник.
Промывная жидкость подается через форсунки на образовавшийся осадок и
отсасывается в камеры, из которых через коллектор отводится в сборник.
35
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 11 – Ленточный вакуум-фильтр:
1 – приводной барабан; 2 – форсунка; 3 – вакуум-камера; 4 – резиновая лента;
5 – лоток; 6 – натяжной барабан; 7 – натяжные ролики; 8 – коллектор
для отвода фильтрата; 9 – коллектор для отвода промывной жидкости;
10 – сборник осадка; 11 – фильтровальная ткань
На приводном барабане фильтрующая ткань отделяется от резиновой
ленты и огибает направляющий ролик. При этом осадок соскальзывает с
фильтровальной ткани и падает в сборник осадка. При прохождении
фильтровальной ткани между роликами она промывается, просушивается и
очищается.
В фильтрующей центрифуге периодического действия (рис. 12)
суспензия загружается в барабан сверху. После загрузки суспензии барабан
приводится во вращение. Суспензия под действием центробежной силы
отбрасывается к внутренней стенке барабана. Жидкая дисперсионная фаза
проходит через фильтровальную перегородку, а осадок выпадает на ней.
Фильтрат по сливному патрубку направляется в сборник. Осадок после
окончания цикла фильтрования выгружают вручную через крышку.
36
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 12 – Фильтрующая центрифуга периодического действия:
1 – станина; 2 – перфорированный барабан; 3 – крышка; 4 – кожух; 5 – ступица;
6 – подшипник; 7 – электродвигатель; 8 – шкив с ременной передачей;
9 – дренажная сетка; 10 – фильтрующая ткань
3.4. Расчет фильтровального оборудования
При расчете фильтров принимают следующие допущения: отсутствие
осаждения твердых частиц под действием силы тяжести; отсутствие
изменения сопротивления фильтровальной перегородки в процессе работы;
отсутствие изменения удельного сопротивления осадка. Производительность
зависит
от
скорости
фильтрования,
которая
определяется
режимом
фильтрования, характером перегородки и физико-химическими свойствами
осадка.
Производительность П (м3/с) фильтров
П
ф
пр
р
,
где q – нагрузка на фильтрующую поверхность, м3/м2;
F – площадь фильтрующей поверхности, м2;
τф, τпр, τр – соответственно продолжительность фильтрации, промывки осадка,
разгрузки
и
подготовки
фильтра
к
следующему
циклу,
Производительность центрифуги по суспензии за один цикл (кг).
37
с.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
П
ρ
,
ρ
где ρ – плотность суспензии;
π
– рабочий объем центрифуги или объем загружаемой за
один цикл суспензии, м ;
,
– соответственно внешний и внутренний диаметры барабана, м.
Число циклов работы одного аппарата в сутки
осн
всп
.
Необходимое количество фильтров
общ
Ф
.
Производительность по фильтрату при центробежном фильтровании
П
где
ц
π
ц
ц,
– скорость центробежного фильтрования.
Число аппаратов для обеспечения заданной производительности Побщ
Ф
Побщ
П
,
где Пi – производительность одного аппарата.
Вопросы для самоконтроля
1. Перечислите
параметры,
определяющие
значения
скорости
фильтрования. Запишите основное уравнение фильтрования.
2. Какие неоднородные системы разделяют фильтрованием?
3. Что является движущей силой фильтрования?
4. Какое оборудование применяется для разделения неоднородных систем
методом фильтрования?
5. Какие конструкции фильтров вы знаете?
6. В чем заключается расчет фильтров периодического и непрерывного
действия?
38
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4. Разделение газовых неоднородных систем
4.1. Общие сведения
На перерабатывающих предприятиях широко применяется очистка не
только промышленных газов, но и воздуха, используемого в технологических
целях. Воздух, поступающий для аэрации массы в бродильных и других
биохимических производствах, должен быть очищен от механических
примесей и микроорганизмов, а в ряде случаев стерилен, чтобы не
инфицировать биомассу.
Эффективное разделение неоднородных систем «газ – твердое тело»
имеет не только санитарно-гигиеническое, экологическое, но и большое
экономическое значение. Классификация пылеуловителей представлена на
рисунке
13.
Пылеулавливающие
аппараты
бывают
механические
электрические.
Рисунок 13 – Классификация пылеуловителей
39
и
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
По способу разделения неоднородных систем «газ – твердое тело»
пылеуловители подразделяют на аппараты сухой, мокрой и электрической
очистки
газов.
В
основе
работы
сухих
пылеуловителей
лежат
гравитационные, инерционные и центробежные механизмы осаждения.
Самостоятельную
группу
аппаратов
сухой
очистки
представляют
пылеуловители фильтрационного действия.
В основе работы мокрых пылеуловителей лежит контакт запыленных
газов с промывной жидкостью, при этом осаждение частиц происходит на
капли, поверхность газовых пузырей или пленку жидкости.
В электрофильтрах осаждение частиц пыли происходит за счет
сообщения им электрического заряда.
Эффективность аппаратов для очистки газов оценивается степенью
очистки
µ
100 %,
где V1 и V2 – объемные расходы соответственно запыленного и очищенного газа,
кг/м3;
х1 и х2 – концентрации взвешенных частиц соответственно в запыленном и
очищенном газе.
Эффективность очистки в пылеулавливающих аппаратах определяют
несколькими способами: по содержанию пыли в газах перед газоочистным
аппаратом и на выходе из него; по концентрации пыли в газах перед
аппаратом и количеству уловленной пыли; по количеству уловленной
аппаратом пыли и концентрации пыли в газах, выходящих из аппарата; по
фракционной
эффективности
–
степени
определенного размера.
40
очистки
газов
от
частиц
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4.2. Способы очистки газов
Для очистки газовых потоков от взвешенных частиц используется
несколько способов: гравитационное осаждение; осаждение под действием
инерционных и центробежных сил; фильтрование газового потока через
пористую перегородку; мокрая очистка, которая осуществляется в орошаемых
водой скрубберах; осаждение в электрическом поле.
Гравитационная очистка газов. Для расчета процесса отстаивания
используют те же закономерности, что и для расчета осаждения твердых
частиц в капельной жидкости. Для разделения пылей предназначены аппараты
непрерывного и полунепрерывного действия, основными из которых
являются пылеосадительные камеры. Они предназначены для грубой очистки
газов (диаметр осаждающихся частичек пыли может изменяться в пределах от
1 мм до 100 мк, и достигаемая степень очистки не превышает 40…50 %).
Для сокращения времени осаждения пыли камера конструируется в
виде ряда близко расположенных друг над другом горизонтальных полок. При
прохождении потока газа между полками твердые частицы оседают на их
поверхности, а очищенный газ поступает в выхлопной канал и далее в газоход.
Скорость газового потока в камере ограничена временем отстаивания:
твердые частицы должны осесть на поверхности полок за время пребывания
потока в пылеосадительной камере. Пыль, осевшая на полках, периодически
удаляется скребками или смывается водой.
Очистка газов под действием инерционных и центробежных сил.
Принцип очистки газов под действием инерционных сил заложен в конструкции отстойного газохода, очистка газов под действием центробежных
сил осуществляется в циклонах.
Циклоны.
Наибольшее
распространение
получили
циклоны
конструкции НИИОГаза (рис. 14а). Запыленный газовый поток входит в
циклон через патрубок, расположенный тангенциально к цилиндрической
пылеосадительной камере, проходит по окружности вокруг выходной трубы и
41
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
движется спирально вниз по стенке конуса и затем вверх, в выходную трубу.
Благодаря тангенциальному вводу и наличию центральной выводной трубы
поток начинает вращаться, совершая несколько витков при прохождении
через аппарат. Под действием возникающих центробежных сил взвешенные
частицы отбрасываются к периферии, оседают на внутренней поверхности
корпуса, а затем соскальзывают в коническое днище и удаляются из циклона
через патрубок. Освобожденный от взвешенных частиц поток выводится из
циклона через выводную трубу.
При больших расходах запыленного газа вместо одного циклона
большого диаметра применяют несколько циклонных элементов меньшего
размера, объединенных в одном корпусе. Такие аппараты называют
батарейными циклонами (рис. 14б). Диаметр одиночных циклонов обычно
составляет от 40 до 1000 мм, а элементов батарейных циклонов – от 40 до
250 мм.
Рисунок 14 – Циклоны: а) НИИОгаз:
1 – корпус, 2 – патрубок, 3 – сборник пыли; б) батарейный: 1, 5 – перегородки,
2 – распределитель, 3 – винтовая поверхность, 4, 6, 7 – патрубки
42
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Циклоны
используют
для
улавливания
из
газовых
потоков
распылительных сушилок частиц пищевого сырья: сахара, барды, сухого
молока, дрожжей.
Фильтрование газов через пористые перегородки. В зависимости от
вида фильтровальной перегородки фильтры бывают с мягкими, полужесткими
и жесткими пористыми перегородками.
Фильтры с мягкими фильтровальными перегородками – рукавные,
или мешочные, применяются для очистки газов от пыли.
Мягкие пористые перегородки выполняются из тканевых материалов,
нетканых
волокнистых
материалов,
пористых
листовых
материалов
(металлоткани, пористые пластмассы и резины).
Батарейный рукавный фильтр с фильтрующими элементами из
различных тканевых материалов изображен на рисунке 15. Рукава и мешки
подвешиваются в прямоугольном корпусе к общей раме.
Рисунок 15 – Рукавный фильтр:
1 – рама; 2 – встряхивающий механизм; 3 – корпус; 4 – рукав; 5 – шнек
Запыленный газ поступает снизу внутрь рукавов в открытые торцевые
отверстия. Проходя через боковые цилиндрические поверхности рукавов, газ
фильтруется, а пыль оседает на внутренней поверхности рукавов.
43
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В процессе эксплуатации слой пыли растет, и сопротивление фильтра
увеличивается. Для регенерации фильтра рукава или мешки периодически
встряхивают специальным механизмом.
Фильтры с полужесткими фильтровальными перегородками
обычно состоят из кассет, в которых между сетками зажимается слой
стекловолокна, металлической стружки или других материалов, пропитанный
специальным составом для лучшего улавливания взвешенных в газе частиц.
Кассеты, объединенные в секции, применяют для очистки малозапыленных
газов с содержанием пыли 0,001…0,005 г/м3.
Фильтры
с
жесткими
фильтровальными
перегородками,
изготовленными из пористой керамики, спеченных или спрессованных
металлических порошков, а также пластмасс, используются для тонкой
очистки газов. Фильтровальные элементы могут иметь цилиндрическую
кольцевую или плоскую форму. К фильтрам данной конструкции относится
патронный фильтр с цилиндрическими фильтровальными элементами из
пористой керамики (рис. 16).
Рисунок 16 – Патронный фильтр:
1 – крышка, 2 – коллектор, 3 – решетка, 4 – корпус, 5 – фильтровальный элемент,
6 – днище, 7 – сборник пыли
44
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Мокрая очистка газов применяется тогда, когда допустимы
увлажнение и охлаждение газа, а взвешенные частицы имеют незначительную
ценность. Охлаждение газа ниже температуры конденсации находящихся в
нем паров способствует увеличению плотности взвешенных частиц. Частицы
играют роль центров конденсации и тем самым обеспечивают выделение их из
газового потока. Если взвешенные частицы не смачиваются жидкостью, то
очистка газов в мокрых пылеуловителях малоэффективна. В этом случае для
повышения степени очистки к жидкости добавляют поверхностно-активные
вещества.
Одним из эффективных центробежных аппаратов для мокрой очистки
газа является скруббер Вентури (рис. 17), работа которого основана на
использовании динамического напора газа для распыления вводимой в него
воды. При этом за счет высокой скорости газа (60…100 м/с) в суженном
сечении воздуховода 1 вода тонко распыляется и, увлажняя частицы пыли,
поглощает их. Затем капли воды вместе с пылью выделяются из газового
потока в циклонном сепараторе 2. Степень очистки воздуха с размерами
частиц 0,5…1,5 мкм при этом достигает 99 %.
Рисунок 17 – Схема скруббера Вентури
Осаждение под действием электрического поля. В электрическом
поле тонкодисперсным частицам сообщается электрический заряд, под
действием которого происходит их осаждение. Разделение пылей, дымов,
45
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
туманов в электрическом поле имеет значительные преимущества перед
другими способами осаждения. Для разделения пылей и дымов применяются
сухие фильтры, для разделения туманов – мокрые.
Работа простейшего электрофильтра заключается в следующем.
Газовая смесь поступает внутрь трубчатых электродов или между
пластинами. Благодаря большой разности потенциалов на электродах и
неоднородности электрического поля в слое газа у отрицательного
электрода – катода образуется поток электронов, направленный к аноду.
В результате соударений электронов с нейтральными молекулами газа
газ ионизируется. Такая ионизация называется ударной. В результате
ионизации
образуются
положительные
и
отрицательные
ионы.
Положительные ионы собираются около катода, а отрицательные с большой
скоростью движутся к аноду, заряжая взвешенные в газе частицы и увлекая их
с собой. Частицы пыли или тумана оседают на аноде, покрывая его слоем
осадка.
4.3. Расчет пылеуловителей
Диаметр циклона определяется по условной скорости газа, отнесенной
к полному поперечному сечению цилиндрической части циклона:
,
,
где V – объемный расход газа, прошедшего через циклон, м3/с;
– условная скорость газа, м/с.
Скорость определяют, предварительно задавшись отношением
∆
,
где ∆ – гидравлическое сопротивление циклона, Па;
– коэффициент сопротивления циклона;
ρ – плотность газа, проходящего через циклон, кг/м3.
46
∆
:
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Значение скорости находится в диапазоне 2,5...4 м/с. Степень
улавливания пыли в циклоне зависит, помимо свойств пыли, от диаметра
циклона, а также от скорости газа.
Расчет фильтров для очистки газов от пыли сводится к определению
общей площади
уд
(где V – расход запыленного газа, м3/с;
уд
– удельная
скорость фильтрования, м3/(м2 · с), и количества фильтрующих элементов
n=
при известных диаметре d и длине l рукава.
Расчет
электрофильтров
заключается
в
определении
длины
коронирующих электродов при известных сечении фильтра и количестве
электродов. Величина тока в электрофильтре
,
где i – плотность тока;
L – длина коронирующих электродов.
По выражению Ек
31
9,54
(где
– отношение плотности
воздуха при данных условиях к его плотности при 25 ºС и давлении 0,1 МПа)
находят критический градиент потенциала, а зная расстояние между
электродами, определяют разность потенциалов на электродах.
Вопросы для самоконтроля
1. Чем характеризуется эффективность очистки газовых потоков от
взвешенных частиц?
2. Частицы каких размеров могут быть выделены из газовых потоков под
действием гравитационных сил?
3. В каких аппаратах происходит разделение газовых неоднородных
смесей под действием инерционных и центробежных сил?
4. В чем достоинства циклонного процесса?
5. От каких факторов зависит степень очистки газа в циклонах?
47
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
6. Какие фильтры применяют для очистки газовых потоков?
7. В чем заключается мокрая очистка газов? Какова степень очистки?
8. Назовите принцип, на котором основано осаждение в электрическом
поле.
5. Мембранные процессы
5.1. Общие сведения
К основным мембранным процессам относятся обратный осмос и
ультрафильтрация.
Обратный осмос – это способ разделения растворов путем их
фильтрования
под
давлением
через
полупроницаемые
мембраны,
пропускающие растворитель и задерживающие молекулы или ионы
растворенных веществ.
Ультрафильтрацией
фракционирования
и
называется
процесс
концентрирования
растворов
разделения,
с
помощью
полупроницаемых мембран. При этом жидкость непрерывно подается в
пространство над мембраной под давлением 0,1…1,0 МПа.
При ультрафильтрации исходный раствор разделяется на два
принципиально
новых
продукта:
низкомолекулярный
(фильтрат)
и
высокомолекулярный. Фильтрат проходит сквозь мембрану и удаляется через
дренажную систему, а высокомолекулярный продукт концентрируется.
Ультрафильтрация позволяет выделять молочные белки из вторичных
продуктов молочной промышленности и ценные вещества из других пищевых
растворов, получать дополнительные резервы производства продуктов
питания.
Применение мембранных процессов в пищевой технологии позволяет
значительно снизить энергоемкость процессов обезвоживания фруктовых и
овощных соков, сиропов, экстрактов по сравнению с процессами выпаривания
48
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
или вымораживания, улучшить качество и повысить выход получаемых
продуктов.
Выход фруктовых соков из исходного продукта при ультрафильтрации
увеличивается до 95…99 %.
Ультрафильтрацией обезжиренного молока получают молочный
концентрат, который используется в производстве различных видов сыров,
творожных масс и кисломолочных продуктов, что увеличивает выход
продукции.
Ультрафильтрация сырого сахарного сока позволяет получить чистый,
свободный
от
коллоидов
фильтрат,
идущий
непосредственно
на
кристаллизацию сахарозы.
Ультрафильтрация успешно заменяет пастеризацию пива. При этом из
пива удаляются бактерии и высокомолекулярные вещества, ухудшающие его
качество
и
снижающие
стабильность.
Стоимость
обработки
пива
ультрафильтрацией в 2,5 раза ниже, чем пастеризацией.
5.2. Теоретические основы разделения обратным осмосом
и ультрафильтрацией
В основе метода разделения растворов обратным осмосом лежит
явление самопроизвольного перехода растворителя через полупроницаемую
мембрану в раствор (рис. 18). Если давление над раствором ниже
осмотического (р < π), то растворитель будет переходить в раствор до
достижения осмотического равновесия в системе.
Равновесное состояние наступает, когда гидростатическое давление
между раствором и растворителем, определяемое разностью уровней, станет
равным осмотическому давлению (р = π).
49
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 18 – Схема разделения раствора обратным осмосом
Если после достижения осмотического равновесия со стороны раствора
приложить давление, превышающее осмотическое (р > π), то растворитель
начнет переходить из раствора в обратном направлении. В этом случае будет
иметь место обратный осмос. Растворитель, прошедший через мембрану,
называют фильтратом.
Движущей силой процесса обратного осмоса является перепад давления
Δp = p − π1 , где р – избыточное давление под раствором; π1 – осмотическое
давление раствора.
Если в процессе обратного осмоса наблюдается некоторый переход
через мембрану растворенного вещества, то при расчете движущей силы
следует учитывать осмотическое давление фильтрата π2, прошедшего через
мембрану. Тогда Δp = p − ( π1 − π2 ) = p − Δπ.
Для приближенного расчета осмотического давления может быть
использована формула Вант-Гоффа:
π = хRT,
где х – мольная доля растворимого вещества;
R – газовая постоянная;
Т – абсолютная температура раствора, К.
Давление
в
обратноосмотических
установках
должно
быть
значительно больше осмотического, так как эффективность процесса
50
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
определяется движущей силой – разностью между рабочим и осмотическим
давлением. Так, например, при осмотическом давлении морской воды,
содержащей 35 % солей, равном 2,45 МПа, рабочее давление в
опреснительных установках должно составлять около 7,85 МПа (80 атм).
Ультрафильтрацию применяют для разделения систем, в которых
молекулярная масса растворенных в растворителе компонентов значительно
превышает молекулярную массу растворителя. Для разделения водных
растворов ультрафильтрацию применяют, когда растворенные компоненты
имеют молекулярную массу 500 и выше.
Движущей силой ультрафильтрации является разность рабочего и
атмосферного давления. Обычно ультрафильтрацию проводят при невысоких
давлениях, равных 0,1…1,0 МПа.
Ультрафильтрация протекает под действием перепада давлений до и
после мембраны.
В зависимости от назначения процесса ультрафильтрации применяют
мембраны,
которые
низкомолекулярные
пропускают
растворитель
соединения
(при
и
преимущественно
разделении
высоко-
и
низкомолекулярных соединений), растворитель и определенные фракции
высокомолекулярных
высокомолекулярных
соединений
(при
соединений),
только
фракционировании
растворитель
(при
концентрировании высокомолекулярных соединений).
Разделение обратным осмосом и ультрафильтрацией происходит без
фазовых превращений. Работа расходуется на создание давления в жидкости и
продавливание ее через мембрану:
Ам
Ас
Апр ,
где Ас – работа на сжатие жидкости, Дж;
Апр – работа на продавливание жидкости через мембрану, Дж.
Так как жидкость несжимаема, величиной Ас обычно пренебрегают.
Работа на продавливание жидкости определяется по формуле
Апр
51
∆р ,
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
где ∆р – перепад давления на мембране;
V – объем продавливаемой жидкости.
Разделение
методами
обратного
осмоса
и
ультрафильтрации
принципиально отличается от обычного фильтрования. При обратном осмосе
и ультрафильтрации образуются два раствора: концентрированный и
разбавленный, в то время как при фильтровании осадок откладывается на
фильтровальной
перегородке.
В
процессе
обратного
осмоса
и
ультрафильтрации накопление растворенного вещества у поверхности
мембраны (вследствие концентрационной поляризации) недопустимо, так как
при этом резко снижаются селективность (разделяющая способность) и
проницаемость (удельная производительность) мембраны, сокращается срок
ее службы.
Селективность и проницаемость мембран – наиболее важные
технологические свойства.
Селективность φ (%) процесса разделения на полупроницаемых
мембранах определяется по формуле
φ
100
1
100,
где х1, х2 – концентрации растворенного вещества соответственно в исходном
растворе
и
фильтрате.
Иногда
φ
называют
коэффициентом
солезадержания.
Проницаемость G [в л/(м2 · ч)] при данном давлении выражается
соотношением
,
где V – объем фильтрата, л;
F – рабочая площадь поверхности мембраны, м2;
– продолжительность процесса, ч.
52
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
5.3. Характеристика мембран
Мембрана
–
полупроницаемая
перегородка,
пропускающая
определённые компоненты жидких и газовых смесей.
Мембраны должны обладать следующими свойствами: высокой
разделяющей
способностью
(селективностью),
высокой
удельной
производительностью (проницаемостью), постоянством своих характеристик
в процессе эксплуатации, химической стойкостью в разделяющей среде,
механической
прочностью,
невысокой
стоимостью.
Полупроницаемые
мембраны, с помощью которых осуществляется процесс разделения водных
растворов, являются основной частью мембранного аппарата и определяют
технологические,
технические
и
эксплуатационные
характеристики
аппаратов.
Мембраны изготавливаются из различных материалов: полимерных
материалов, пористого стекла, графитов, металлической фольги и т. д. От
материала мембраны зависят ее свойства (химическая стойкость, прочность) и
структура.
Мембраны подразделяют на пористые и диффузионные.
Наибольшее распространение получили мембраны из полимерных
пленок.
Через непористые мембраны растворитель и растворенные вещества
проникают под действием градиента концентраций молекулярной диффузией.
Поэтому эти мембраны называют диффузионными. Они представляют собой
квазигомогенные гели. Скорость диффузии компонентов через эти мембраны
зависит от энергии активации при взаимодействии частиц компонентов с
материалом мембран. Скорость диффузии также зависит от подвижности
отдельных звеньев мембранной матрицы и от размеров диффундирующих
частиц. Скорость тем выше, чем сильнее набухает мембрана.
53
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Скорость диффузии молекул через диффузионную мембрану прямо
пропорциональна коэффициенту диффузии, который зависит от размеров
молекул и их формы.
Диффузионные мембраны применяются для разделения компонентов с
близкими свойствами, но с молекулами различных размеров.
Так как диффузионные мембраны не имеют капилляров, они не
забиваются и их проницаемость остается постоянной в процессе разделения.
Диффузионные мембраны обычно применяют для разделения газовых
и жидких смесей методом испарения через мембрану.
Для проведения процессов обратного осмоса и ультрафильтрации
применяются
пористые
мембраны,
изготовляемые
в
основном
из
полимерных материалов. Полимерные мембраны могут быть анизотропными
и изотропными.
Мембрана
с
анизотропной
структурой
состоит
из
тонкого
поверхностного слоя на микропористой «подложке». Разделение происходит
на поверхностном активном слое, и практически весь перепад давления
приходится на этот слой.
Изотропные
мембраны
образуются
при
облучении
тонких
полимерных пленок заряженными частицами с последующим травлением
химическими реагентами. В последнее время выпускаются изотропные
мембраны на основе поликарбонатных пленок.
В настоящее время в промышленности применяются следующие
полимерные мембраны: целлюлозные, на основе эфиров целлюлозы,
акрилонитриловые, нейлоновые, поливинилхлоридные, изготовленные на
основе поликарбонатов и полисульфонов.
Промышленные аппараты для обратного осмоса и ультрафильтрования
должны иметь необходимую рабочую поверхность мембран, быть простыми в
сборке и монтаже ввиду необходимости периодической замены мембран.
Различают аппараты, в которых фильтровальные элементы выполнены в
виде плоских камер, труб и в виде спирали.
54
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В аппарате с плоскими камерами (рис. 19а) фильтровальный элемент
состоит из двух мембран 1, уложенных по обе стороны плоского пористого
материала – дренажа 2. Дренажные листы расположены на некотором
расстоянии один от другого, образуя пространство для потока разделяемого
раствора. Пакет фильтровальных элементов зажимается двумя фланцами 3,
которые
стягиваются
последовательно
между
проходит
собой
через
болтами.
все
Разделяемый
фильтровальные
раствор
элементы,
концентрируется при этом и уходит из аппарата, а прошедший через мембрану
фильтрат отводится из дренажных слоев в сборник.
Рисунок 19 – Схема работы мембранных фильтровальных элементов
Трубчатый фильтровальный элемент (рис. 19б) состоит из мембраны 3 и
дренажного каркаса. Дренажный каркас выполнен из перфорированной трубы
1, обеспечивающей прочность элемента и отвод фильтрата, и пористой
подложки 2, предотвращающей вдавливание мембраны в дренажные
отверстия трубы под действием рабочего давления. Такие элементы собирают
в цилиндрический кожух подобно трубам в кожухотрубном теплообменнике.
5.4. Расчет аппаратов проточного типа
Расчет заключается в определении площади поверхности фильтрования при заданной производительности.
Материальный баланс процесса по растворенному компоненту
55
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Фу,
н н
по всему веществу
Ф,
н
где Lн, Li – расход жидкости, соответственно поступающей в аппарат и в
произвольном поперечном сечении аппарата, кг/ч;
хн, хi – концентрация растворенного вещества соответственно в поступающей жидкости и в произвольном сечении аппарата, мас. доли;
Ф
– расход фильтрата, кг/ч;
у
– концентрация
растворенного
вещества
в
фильтрате
до
рассматриваемого сечения, мас. доли.
Концентрация растворенного вещества в фильтрате (в мас. долях)
равна
Ф
.
Ф
Проницаемость мембраны в рассматриваемом сечении аппарата
[кг/(м ч)]
Ф
,
где F – рабочая площадь поверхности мембраны, м2.
Вопросы для самоконтроля
1. В чем сущность процессов обратного осмоса и ультрафильтрации?
2. Какой процесс лежит в основе обратного осмоса? Что является
движущей силой процессов обратного осмоса и ультрафильтрации?
3. Чем принципиально отличается ультрафильтрация от обычного
фильтрования?
4. Какие мембраны используют в процессах обратного осмоса и
ультрафильтрации? Какими свойствами должны обладать мембраны?
5. Какие вы знаете конструкции аппаратов для проведения процессов
обратного осмоса и ультрафильтрации?
6. В чем заключается расчет аппаратов?
56
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
6. Псевдоожижение
6.1. Общие сведения
Псевдоожижением называют такое состояние двухфазной системы
«твердые частицы – газ (жидкость)», которое характеризуется перемещением
твердых частиц относительно друг друга за счет подвода энергии от
какого-либо источника.
Система, возникающая под действием ожижающего агента, получила
название псевдоожиженного, или кипящего, слоя, так как этому слою
присущи многие свойства капельной жидкости.
Псевдоожиженный слой образуется при восходящем движении
ожижающего агента через слой зернистого материала со скоростью,
позволяющей поддерживать слой материала во взвешенном состоянии.
В последние годы процессы в псевдоожиженном слое получили
широкое
распространение
В псевдоожиженном
слое
во
многих
проводятся
отраслях
промышленности.
процессы
смешивания,
транспортировки, классификации сыпучих материалов, теплообмена, сушки,
адсорбции и другие. Это объясняется следующими его достоинствами:
− происходит
интенсивное
перемешивание
твердой
фазы,
приводящее к выравниванию температур и концентраций в
рабочем объеме аппарата, что исключает локальный перегрев
твердых частиц, препятствующий оптимальному проведению
процесса и влияющий на качество продукции;
− текучесть псевдоожиженного слоя позволяет создавать аппараты
непрерывного действия с непрерывным вводом и отводом
отработанной твердой фазы;
− происходят резкое увеличение площади поверхности тепло- и
массопередачи и снижение диффузионных сопротивлений в
псевдоожиженном слое за счет использования частиц малого
57
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
диаметра с большой удельной поверхностью, что позволяет
увеличить производительность аппаратов при проведении ряда
сорбционных, тепловых и других процессов;
− коэффициенты теплоотдачи и эффективная теплопроводность от
псевдоожиженного слоя к поверхностям нагрева достаточно
высоки,
что
позволяет
интенсифицировать
теплообменные
процессы и уменьшить рабочие объемы теплообменных аппаратов;
− в
аппаратах
с
псевдоожиженным
слоем
гидравлическое
сопротивление невелико и не зависит от скорости ожижающего
агента в пределах существования псевдоожиженного слоя;
− диапазон свойств твердых частиц и ожижающих агентов (газы,
пары, капельные жидкости) достаточно широк и включает в том
числе пастообразные материалы и суспензии;
− аппараты для проведения процесса довольно просты, легко
механизируются и автоматизируются.
Наряду с большими достоинствами методу проведения процессов в
псевдоожиженном слое присущи и недостатки:
− вследствие интенсивного перемешивания твердой фазы в пределах
одной секции движущая сила по сравнению с максимально
возможной снижается;
− время пребывания частиц и ожижающего агента в пределах одной
секции неравномерно;
− частицы в псевдоожиженном слое интенсивно истираются;
− пыль, образующаяся при истирании частиц, уносится, и рабочая
скорость ожижающего агента ограничивается скоростью уноса
твердых
частиц
из
слоя.
Это
вызывает
необходимость
устанавливать пылеулавливающие устройства;
− при псевдоожижении частиц диэлектрических материалов возможно возникновение зарядов статического электричества, что
приводит к взрывоопасности установки.
58
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
6.2. Физические основы псевдоожижения
Рассмотрим образование псевдоожиженного слоя. В вертикальном
аппарате
(рис.
20),
снабженном
поперечной
перфорированной
газораспределительной решеткой, помещен слой тонкодисперсного твердого
материала. Сжижающий агент – газ – подается в нижнюю часть аппарата под
газораспределительную решетку. Перепад давления в слое измеряется
дифференциальным манометром.
Рисунок 20 – Аппарат для псевдоожижения:
1 – корпус; 2 – перфорированная решетка; 3 – манометр
Состояние двухфазной системы наглядно изображается в виде кривой
псевдоожижения (рис. 21). Эта кривая выражает зависимость перепада
давления в слое Δр от скорости сжижающего агента v:
Δр Н 0 = f (v )
где Н0 – высота неподвижного слоя, м.
59
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 21 – Кривая псевдоожижения
При невысоких скоростях газа слой зернистого материала на решетке
остается неподвижным, происходит фильтрация газа через слой (кривая ОК на
рисунке 21). С увеличением скорости газа перепад давления в слое возрастает
и в определенный момент масса зернистого материала в слое уравновешивается гидродинамическим давлением потока газа – наступает гидродинамическое равновесие. В условиях гидродинамического равновесия начинается взаимное пульсационное перемещение частиц. Излом в точке К1
соответствует переходу неподвижного слоя в псевдоожиженное состояние.
Абсцисса точки К1 определяет скорость газа, при которой начинается псевдоожижение, а ордината – перепад давления в этой точке. Скорость газа (жидкости) v0, при которой слой зернистого материала переходит в псевдоожиженное состояние, называется скоростью начала псевдоожижения. При
дальнейшем увеличении скорости газа слой расширяется, интенсивность
перемешивания частиц возрастает, но перепад давления остается постоянным.
При определенной так называемой второй критической скорости vв, или
скорости уноса, гидродинамическое равновесие нарушается. Эта скорость
является верхним пределом существования псевдоожиженного слоя. При
v > vв частицы уносятся из слоя, в результате этого снижается их массовое
количество и уменьшается энергия, необходимая для поддержания твердой
фазы во взвешенном состоянии.
60
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Реальная кривая псевдоожижения несколько отличается от идеальной.
Для реальной кривой характерно наличие пика давления Δрп – момент
перехода в псевдоожиженное состояние, который объясняется затратой
дополнительной энергии на преодоление сил сцепления между частицами.
Величина пика давления зависит от формы и состояния поверхности частиц.
Реальная кривая псевдоожижения обнаруживает гистерезис – так
называемые
линии
прямого
и
обратного
хода,
которые
получают
соответственно при постепенном увеличении и уменьшении скорости газа.
Эти линии вблизи точки К не совпадают, причем на линии обратного хода
отсутствует пик давлений и она, как правило, располагается ниже линии
прямого хода. Участок кривой обратного хода левее точки К соответствует
более рыхлой упаковке частиц, возможной для неподвижного слоя. Вправо от
точки К эти линии совпадают. В реальных условиях перепад давления может
не быть строго постоянным. Он может монотонно возрастать, а также
колебаться около некоторого среднего значения.
Форма кривой псевдоожижения отражает состояние слоя.
Пределы существования псевдоожиженного слоя, таким образом,
ограничены скоростью начала псевдоожижения и скоростью уноса.
Отношение рабочей скорости к скорости начала псевдоожижения W = v v0
называется числом псевдоожижения. Число псевдоожижения характеризует
состояние псевдоожиженного слоя и интенсивность перемешивания частиц в
нем.
Характеристики
псевдоожиженного
слоя
зависят
от
числа
псевдоожижения.
Псевдоожижение слоя может быть однородным и неоднородным.
Однородное псевдоожижение имеет место при псевдоожижении слоя
капельной
жидкостью.
Для
неоднородного
псевдоожиженного
слоя
характерно наличие в слое газовых пузырей (рис. 22а). При небольших числах
псевдоожижения неоднородность слоя не сказывается отрицательно на его
характеристиках.
Движущиеся
газовые
пузыри
интенсифицируют
перемешивание частиц в слое. Однако при увеличении числа псевдоожижения
61
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
неоднородность слоя возрастает: увеличивается размер пузырей и начинается
интенсивный выброс (унос) частиц из слоя. Поперечный размер пузырей
достигает размера аппарата. Возникает так называемый поршневой режим,
при котором ухудшается равномерность контакта между газом и частицами
материала.
При газовом псевдоожижении, особенно влажных, мелких и слипающихся частиц, может также наблюдаться каналообразование (рис. 22б), при
котором часть газа «проскакивает» через слой. Предельным случаем
каналообразования является образование фонтанирующего слоя. При
фонтанировании поток газа (или жидкости) прорывается через слой по каналу,
возникающему близ оси аппарата.
а)
б)
Рисунок 22 – Структура неоднородного псевдоожиженного слоя (a),
каналообразование в слое (б)
Различают псевдоожижение в плотной и разбавленной фазах.
Псевдоожижение в плотной фазе наблюдается, когда скорость газа
находится в пределах между скоростью начала псевдоожижения vО и
скоростью уноса vв. При v > vв происходит пневмотранспорт частиц из слоя.
62
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
6.3. Классификация аппаратов с псевдоожиженным слоем
По
принципу
действия
аппараты
бывают
периодического
и
непрерывного действия. В аппаратах непрерывного действия происходит
взаимодействие
газового
потока
с
зернистым
материалом,
который
непрерывно вводится в аппарат и выводится из него. Аппараты могут
реализовать взаимодействие прямо-, противо- и перекрестных потоков агента
и материала.
В
цилиндрический
противоточный
аппарат
непрерывного
действия (рис. 23а) ожижающий газовый поток поступает снизу под
газораспределительную решетку, а зернистый материал – в верхнюю часть
аппарата.
Для
поддержания
определенного
уровня
материала
на
газораспределительной решетке и вывода его из аппарата служит переточный
патрубок.
Вертикальные цилиндрические силосы (рис. 23б) используют для
накопления
и
усреднения
больших
партий
зерновых
материалов.
Псевдоожиженный слой создается газом (воздухом), поступающим во
внутреннюю
полость
между
двумя
днищами,
которая
разделена
концентрической перегородкой на внешнее и внутреннее кольца. Во внешнее
кольцо подается примерно в 2 раза больше газа, чем во внутреннее. За счет
разного количества газа, подаваемого во внешнее и внутреннее кольца, в
силосе
создается
направленная
циркуляция
зернового
материала
от
периферии к оси аппарата, способствующая его перемешиванию.
В конических аппаратах (рис. 23в) уменьшение скорости снизу вверх
позволяет псевдоожижать полидисперсные материалы. Газ подается через
небольшое отверстие внизу аппарата с большой скоростью. Это позволяет при
необходимости работать без газораспределительной решетки, что особенно
важно при псевдоожижении комкующихся и слипающихся материалов. При
значительном угле конусности аппарата струя газа может оторваться от стенок
аппарата и образовать сплошной канал. По этому каналу будет двигаться с
63
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
большой скоростью поток газовзвеси, образующий над поверхностью слоя
фонтаны твердых частиц. Такой слой называется фонтанирующим.
Рисунок 23 – Схемы аппаратов с псевдоожиженным слоем:
а – цилиндрический противоточный непрерывного действия; б – с направленной
циркуляцией (силос); в – конический; г – с перемешивающим устройством;
д – устройство пневмотранспорта:
1 – шлюзовой затвор; 2 – бункер; 3 – пневмолиния; 4 – циклон
В аппаратах
с фонтанирующим
слоем возникает
интенсивная
циркуляция зернистого материала от оси к его стенкам.
При
псевдоожижении
мелких
частиц
диаметром
25...40
мкм,
обладающих склонностью к агломерации, слипанию и электризации, для
64
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
улучшения перемешивания и разрушения застойных зон, а также для
интенсификации
газомеханический
процессов
способ
тепло-
и
массообмена
псевдоожижения.
При
используют
этом
способе
дополнительную энергию вводят в слой посредством различного рода
перемешивающих устройств и вибраторов (рис. 23г).
На рисунке 23д показано устройство для пневмотранспорта
зернистого материала в разбавленной псевдоожиженной фазе. Зернистый
материал дозируется в пневмолинию с помощью шлюзового затвора.
Разделение псевдоожиженного слоя на зернистый материал и газ
происходит на новом уровне в циклоне.
Для снижения обратного перемешивания зернистого материала, которое
приводит к снижению движущей силы и выравниванию температур процесса,
в противоточных аппаратах непрерывного действия применяют секционирование (рис. 24), т. е. разделяют весь слой зернистого материала по высоте
перфорированными перегородками (возможно насадкой). Перетекание
зернистого материала из верхних секций в нижние происходит под действием
гравитационной силы через специальные переточные устройства либо через
отверстия в горизонтальных перегородках (провальных тарелках).
Рисунок 24 – Секционный аппарат непрерывного действия:
1 – корпус; 2 – газораспределительная решетка; 3 – переточное устройство
65
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вопросы для самоконтроля
1. Какое
состояние
слоя
зернистого
материала
называют
псевдоожиженным? Как оно достигается?
2. Какими преимуществами и недостатками обладает псевдоожиженный
слой?
3. Почему при анализе псевдоожижения слоя полидисперсного зернистого
материала оперируют понятием области псевдоожижения?
4. Чем реальные кривые псевдоожижения отличаются от идеальной
кривой?
5. На что расходуется энергия газового потока при псевдоожижении слоя
зернистого материала?
6. Какие бывают конструкции аппаратов с псевдоожиженным слоем?
7. Перемешивание пищевых сред
7.1. Теоретические основы процесса перемешивания
Перемешивание в жидкой среде 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.
66
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Наиболее просто получить систему «жидкость – жидкость» в виде
раствора или однородной эмульсии. 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.
Степень однородности смеси. Состояние полного смешивания,
определяемое статистически, является неупорядоченным состоянием. Это
такое состояние, при котором вероятность нахождения частицы данного
компонента в произвольной точке есть постоянная величина, равная доле
этого компонента во всей массе. Неупорядоченное состояние может быть
достигнуто в технологической операции смешивания.
При смешивании сухих компонентов с влажными увеличение
относительной
влажности
до
14...15
%
способствует
повышению
однородности смеси. Дальнейшее увеличение влажности требует увеличения
времени смешивания.
При смешивании сыпучих компонентов большое значение имеют
соотношения показателей их плотностей и объемов. Чем это соотношение
ближе к единице, тем быстрее и легче происходит процесс.
Чем меньше размеры частиц компонентов и чем более выравненным
является их гранулометрический состав, тем легче получить заданную
однородность смеси. Если средние размеры частиц одного компонента
67
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
значительно отличаются от размеров частиц другого, то однородную смесь
получить трудно.
Под термином «соотношение компонентов» понимается отношение
количества большего компонента к меньшему. Чем меньше это соотношение
(в пределе равно единице), тем быстрее при всех прочих равных условиях
достигается заданная степень однородности.
Количественной
характеристикой
завершенности
процесса
смешивания является степень однородности смеси, представляющая собой
массовое отношение содержания контрольного компонента в анализируемой
пробе к содержанию того же компонента в идеальной смеси (рецептурной),
выраженное в процентах или долях единицы.
Для определения степени однородности θ на основе анализа взятых
проб применяют различные формулы:
∑
θ
при
θ
при
/ ,
∑
/ ,
где n – число проб;
В0 – доля меньшего компонента в идеальной (расчетной) смеси;
Вt – доля меньшего компонента в пробе.
Об
однородности
Применительно
к
смеси
судят
обозначениям
по
коэффициенту
вышеназванных
вариации.
формул
степень
однородности будет
θ
О
степени
100 ∑
однородности
/ .
можно
судить
по
отношению
среднеквадратических отклонений
θ
э
,
где φ – среднеквадратическое отклонение теоретического распределения;
φэ – среднеквадратическое отклонение эмпирического распределения.
68
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Разбросанность теоретического распределения ( φ ) всегда меньше,
чем у эмпирического, и поэтому степень однородности меняется от 0 до 1.
Показатель φ однородности характеризует рассматриваемую смесь
как статическую систему.
Важными характеристиками перемешивающих устройств являются
эффективность перемешивающего устройства и интенсивность его действия.
Эффективность перемешивающего устройства характеризует качество
проведения процесса перемешивания. Например, в процессах получения
суспензий
эффективность
перемешивания
характеризуется
степенью
равномерности распределения твердой фазы в объеме аппарата. На
эффективность смешивания влияют плотность исходных компонентов,
гранулометрический состав (форма, размеры, дисперсионное распределение
по степени крупности для неоднородных компонентов) частиц компонентов
смеси, состояние их поверхности, влажность компонентов, силы трения и
адгезии поверхности частиц и т. д.
Интенсивность перемешивания определяется временем достижения
заданного технологического результата или числом оборотов мешалки при
фиксированной продолжительности процесса (для механических мешалок).
Чем выше интенсивность перемешивания, тем меньше времени требуется для
достижения заданного эффекта перемешивания. Интенсификация процессов
перемешивания
приводит
к
уменьшению
размеров
проектируемой
аппаратуры и увеличению производительности действующей.
7.2. Способы смешивания
Перемешивание
производят
разными
способами.
распространено перемешивание при помощи:
−
движущихся лопастей;
−
вращения камеры (резервуара) смесителя;
−
пропускания массы через сопла;
69
Наиболее
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
−
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. Для равномерного распределения в слое
жидкости газ подают в смеситель через барботер, который представляет собой
ряд перфорированных труб, расположенных у днища смесителя по
окружности или спирали, или центральную циркуляционную трубу при
циркуляционном (эрлифтном) перемешивании. Пузырьки газа увлекают за
собой вверх по трубе жидкость, находящуюся в сосуде, которая затем
опускается вниз в кольцевом пространстве между трубой и стенками
аппарата, обеспечивая циркуляционное перемешивание жидкости.
При расчете пневматических мешалок определяют необходимое
давление и расход газа. Давление газа рассчитывают с помощью уравнения
Бернулли
70
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ρж g
0,5ρГ
ℓ
1
∑
м.с
,
где h – высота столба перемешиваемой жидкости, м;
ρж и ρГ – плотность перемешиваемой жидкости и газа, кг/м3;
υ – скорость воздуха в трубе (υ = 20...40 м/с);
λ – коэффициент трения;
ℓ и d – длина и диаметр трубы, м;
∑
м.с
– сумма коэффициентов местных сопротивлений;
р0 – давление над жидкостью в аппарате, Па.
Объемный расход газа V (м3/ч) определяется по эмпирической формуле
k
,
где k – опытный коэффициент (при слабом перемешивании k = 0,24…0,30, при
малоинтенсивном k = 0,35…0,50 и интенсивном k = 0,45…0,60);
F – поверхность спокойной жидкости в аппарате, м2;
p – давление воздуха, Па.
Циркуляционное перемешивание осуществляется с помощью насоса,
перекачивающего жидкость по замкнутой системе «смеситель – насос –
смеситель».
Интенсивность циркуляционного перемешивания зависит от кратности
циркуляции, т. е. отношения подачи 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.
Простейшими статическими смесителями являются устройства с
винтовыми вставками различной конструкции. Цилиндрический статический
смеситель предназначен для перемешивания газа и жидкости, имеет вставные
71
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
элементы,
представляющие
собой
разнозакрученные
пластины
из
нержавеющей стали, установленные последовательно встык в корпусе
смесителя.
К статическим смесителям относится и вихревой эмульсор для
получения эмульсии жирофосфатной смеси в обезжиренном молоке.
Вихревой эмульсор обеспечивает высокую эффективность эмульгирования
при давлении 0,3…0,36 МПа, прост в изготовлении и эксплуатации. Принцип
его действия заключается в использовании эффекта центробежной форсунки
при каскадном истечении жидкости. Получаемая эмульсия с размером частиц
до 3 мм не расслаивается в течение 24 ч.
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.
Механическое перемешивание осуществляется с помощью мешалок,
которым сообщается вращательное движение либо непосредственно от
электродвигателя, либо через редуктор или клиноременную передачу.
При медленном движении в вязкой среде тела любой формы в тонком
слое жидкости, примыкающем к его поверхности, образуется ламинарный
пограничный слой, форма и толщина которого зависят от формы и размеров
тела. При увеличении скорости движения происходит отрыв пограничного
слоя от поверхности тела в точках, где скорость жидкости является
наибольшей, например у кромок вертикальной пластины, и образование
турбулентного следа за движущимся телом. Начало отрыва пограничного слоя
характеризуется резким возрастанием сопротивления среды движению тела.
Окружная скорость имеет наибольшее значение на периферии
мешалки, так как эта величина пропорциональна диаметру мешалки. В данной
72
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
области, как следует из уравнения Бернулли, образуется зона пониженного
давления, куда устремляется жидкость, находящаяся в аппарате.
Радиальные потоки, возникающие под действием центробежных сил
при
вращательном
движении
мешалки,
приводят
к
интенсивному
перемешиванию содержимого аппарата. Задача внешнего обтекания тел в
условиях перемешивания может быть решена с помощью уравнений Навье –
Стокса и неразрывности потока.
Мешалки являются одним из основных элементов аппарата для
перемешивания жидких сред. Они предназначены для передачи механической
энергии перемешиваемой среде.
По типу создаваемого мешалкой потока жидкости в аппарате
различают мешалки, обеспечивающие тангенциальное, радиальное, осевое
и смешанное течения. При тангенциальном течении жидкость в аппарате
движется
преимущественно
по
концентрическим
окружностям,
параллельным плоскости вращения мешалки. Перемешивание происходит
за
счет
вихрей,
возникающих
на
кромках
мешалки.
Качество
перемешивания будет наихудшим, когда скорость вращения жидкости
равна скорости вращения мешалки. Радиальное течение характеризуется
направленным движением жидкости от мешалки к стенкам аппарата
перпендикулярно оси вращения мешалки.
При высоких скоростях вращения мешалок перемешиваемая жидкость
вовлекается в круговое вращение и вокруг вала образуется воронка, глубина
которой увеличивается с возрастанием числа оборотов и уменьшением
плотности и вязкости среды. Для предотвращения образования воронки в
аппарате помещают отражательные перегородки, которые, кроме того,
способствуют возникновению вихрей и увеличению турбулентности системы.
Образование воронки можно предотвратить и при полном заполнении
жидкостью аппарата, т. е. при отсутствии воздушной прослойки между
перемешиваемой жидкостью и крышкой аппарата, а также установке вала
мешалки
эксцентрично
к
оси
аппарата
73
или
применении
аппарата
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
прямоугольного
сечения.
Помимо
этого
отражательные
перегородки
устанавливают во всех случаях при перемешивании в системах «газ –
жидкость». Применение отражательных перегородок, а также эксцентричное
или наклонное расположение вала мешалки приводит к увеличению
потребляемой мощности.
7.3. Классификация смесителей и рабочих органов
Смешивание осуществляется в смесителях следующих типов: шнековых, лопастных, барабанных, пневматических (сжатым воздухом) и
комбинированных.
Смесители классифицируются (рис. 25):
− по расположению аппарата: вертикальные, горизонтальные,
наклонные, специальные;
− по
виду
среды:
для
жидких,
сыпучих,
высоковязких
и
пенообразных материалов;
− по
принципу
действия:
механические,
пневматические,
эжекторные, циркуляционные и специальные;
− по конструктивному признаку: рамные, шнековые, лопастные,
пропеллерные (винтовые), турбинные, якорные.
Для тонкого измельчения и перемешивания мясного сырья используют
куттер-мешалку. Кусковые вязкие и вязкопластичные продукты (мука, мясо,
мясной фарш, творожно-сырковая масса) перемешивают шнеками, лопастями
в барабанных и других смесителях. Жидкие продукты (молоко, сливки,
сметана и др.) перемешивают в емкостях с лопастными, пропеллерными и
турбинными мешалками.
74
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 25 – Классификация смесителей
Для смесителя конфигурацию и форму лопастей выбирают учитывая
состояние
перемешиваемой
массы,
ее
объем,
толщину
слоя,
производительность, соотношение смешиваемых компонентов, степень
однородности, способ загрузки и выгрузки продукта.
Все перемешивающие устройства можно разделить на две группы: в
первую входят лопастные, турбинные и пропеллерные, во вторую –
специальные: винтовые, шнековые, ленточные, рамные, ножевые и др.,
предназначенные для перемешивания пластичных и сыпучих масс.
75
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
По
частоте
рабочего
органа
перемешивающие
устройства
подразделяют на тихо- и быстроходные.
Применяемые мешалки разделяются на быстроходные, используемые
для перемешивания жидких сред при турбулентном и переходном режимах
движения жидкости, тихоходные, используемые для перемешивания жидких
сред при ламинарном режиме движения жидкости, и специальные.
Тихоходные мешалки применяют в основном для гомогенизации и
усреднения
высоковязких
и
неньютоновских
сред,
интенсификации
тепломассообмена и для осуществления других технологических операций.
Тихоходные мешалки используются только в гладкостенных аппаратах,
исключением является шнековая мешалка, которую используют в аппаратах с
циркуляционной трубой и с отражательными перегородками.
Лопастные (рис. 26а, б), ленточные, якорные и шнековые мешалки
относятся к тихоходным: частота их вращения составляет 30...90 об/мин,
окружная скорость на конце лопасти для вязких жидкостей – 2...3 м/с.
Преимущества лопастных мешалок – простота устройства и невысокая
стоимость. К недостаткам относится создаваемый слабый осевой поток
жидкости, что не обеспечивает полного перемешивания во всем объеме
смесителя. Усиление осевого потока достигается при наклоне лопастей под
углом 30° к оси вала.
Якорные мешалки имеют форму днища аппарата. Их применяют при
перемешивании вязких сред. Эти мешалки при перемешивании очищают
стенки и дно смесителя от налипающих загрязнений.
Шнековые мешалки имеют форму винта и применяются, как и
ленточные, для перемешивания вязких сред.
К быстроходным относятся пропеллерные и турбинные мешалки:
частота их вращения составляет от 100 до 3000 об/мин при окружной скорости
3...20 м/с.
76
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 26 – Типы мешалок: а – трехлопастная; б – двухлопастная;
в – пропеллерная; г – открытая турбинная; д – открытая турбинная
с наклонными лопастями; е – закрытая турбинная
Пропеллерные мешалки (рис. 26в) изготовляют с двумя или тремя
пропеллерами. Они обладают насосным эффектом и используются для
создания
интенсивной
циркуляции
жидкости.
Применяются
для
перемешивания жидкостей вязкостью до 2 Па · с.
Турбинные мешалки (рисунок 26г, д, е) изготовляют в форме колес
турбин с плоскими, наклонными и криволинейными лопастями. Они бывают
открытого и закрытого типов. Закрытые мешалки имеют два диска с
отверстиями в центре для прохода жидкости. Для одновременного создания
радиального и осевого потоков применяют турбинные мешалки с наклонными
лопастями. Турбинные мешалки обеспечивают интенсивное перемешивание
во всем рабочем объеме смесителя. Для уменьшения кругового движения
77
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
жидкости
и
образования
воронки
в
смесителе
устанавливаются
отражательные перегородки.
Турбинные мешалки применяют при перемешивании жидкостей
вязкостью до 500 Па · с, а также грубых суспензий.
Основные
элементы
типового
смесителя
с
перемешивающим
устройством – корпус с крышкой, привод и мешалки (рис. 27).
Рисунок 27 – Смеситель с мешалкой:
1 – привод, 2 – стойка привода; 3 – уплотнение; 4 – вал; 5 – корпус;
6 – рубашка; 7 – отражательная перегородка; 8 – мешалка; 9 – труба
Наиболее широко применяют выносной электрический привод с
вертикальным валом. Бывают также приводы с горизонтальным и боковым
расположением
вала.
Возможно
верхнее
и
нижнее
расположение
вертикального привода по отношению к смесителю.
Вал перемешивающего устройства соединяется с валом редуктора чаще
всего продольно-разъемной или зубчатой муфтой. В первом случае опорой
вала является подшипник редуктора.
78
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
7.4. Расчет механических мешалок
Вынужденное стационарное движение жидкости в условиях, когда
действием силы тяжести пренебречь нельзя, описывается с помощью
обобщенного уравнения гидродинамики
м,
м
где
м,
м,
м
м, Г
,Г ,… ,
– модифицированные критерии Эйлера, Рейнольдса и Фруда;
Г1, Г2 – симплексы геометрического подобия.
Модифицированные критерии Эйлера, Рейнольдса и Фруда получают
путем преобразования обычных выражений этих критериев. Вместо линейной
скорости жидкости в модифицированные критерии подставляется величина
nd, пропорциональная окружной скорости мешалки ωокр:
π
ωокр
,
где n – число оборотов мешалки в единицу времени;
d – диаметр мешалки, м.
В качестве определяющего линейного размера во всех упомянутых
критериях используется диаметр мешалки.
Подставляя эти величины в соответствующие критерии, получим
следующие выражения для модифицированных критериев подобия:
м
µ
,
µ
,
м
м
∆
,
В критерий Эйлера входит разность давлений Δр между передней и
задней
плоскостью
лопасти
мешалки.
Этот
перепад
давлений,
преодолеваемый усилием Р, приложенным к валу мешалки, выражают через
полезную мощность N, сообщаемую жидкости. Величина N пропорциональна
произведению усилия на валу и окружной скорости, т. е.
.
79
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Тогда
перепад
давлений
можно
заменить
пропорциональной
величиной
∆
,
где S ≈ d2 – площадь, на которой распределено усилие Р.
Подставив Δр в выражение для
м,
получим
.
м
Критерий Эйлера
м,
выраженный в таком виде, называют критерием
мощности и обозначают через КN.
Соответственно обобщенное уравнение гидродинамики для процессов
перемешивания примет вид
м,
м, Г
΄
м
, Г , … , или
м
Г Г ,…
Влияние силы тяжести сказывается на образовании воронки и волн на
свободной поверхности перемешиваемой жидкости. При наличии в аппарате
отражательных перегородок или при эксцентричном расположении вала
мешалки относительно оси аппарата влиянием силы тяжести можно
пренебречь. В этом случае
, Г , Г , … , или
΄
м
Г Г …
Эти уравнения применяют для расчета мощности N, потребляемой
΄
мешалкой. Значения коэффициентов
и показатели степеней определяют из
опыта: они зависят от типа мешалки, конструкции аппарата и режима
перемешивания.
График зависимостей
м
м
, показанный на рисунке 28,
позволяет подобрать тип мешалки, ее размеры и число оборотов, а также
определить мощность двигателя. Характеристики мешалок приведены на
рисунке и в таблице. По предварительно выбранным параметрам мешалки
находят число
м
, Зная
м,
для выбранного типа мешалки находят
80
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
м,
пользуясь графиком на рисунке. По значению
м
определяют число
оборотов мешалки:
м
Рисунок 28 – Зависимость
м
м
.
для мешалок различных типов
Если найденное из соотношения число оборотов мешалки окажется
меньше, чем предварительно принятое, то последнее увеличивают. Расчет
проводят до совпадения предварительно принятого числа оборотов мешалки с
найденным из соотношения. Если найденное в результате такого расчета
число оборотов мешалки представляется целесообразным увеличить, то для
этого уменьшают предварительно принятый диаметр мешалки.
81
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Мощность (кВт) двигателя мешалки определяют по формуле
Д
,
,
где η – коэффициент полезного действия привода.
На потребляемую мешалкой мощность существенно влияют форма
аппарата и расположение мешалки в нем. Для аппаратов, форма которых
отличается от цилиндрической, а также при размещении мешалок
эксцентрично или наклонно к оси аппарата потребляемая при перемешивании
мощность возрастает. К увеличению потребляемой мощности приводит и
размещение в аппаратах с мешалками перегородок, нагревательных змеевиков
и т. п.
Энергия (кВт · ч), расходуемая на перемешивание мешалкой, определяется в зависимости от заданной продолжительности перемешивания τ:
Д
.
В пусковой период, когда энергия расходуется не только на
преодоление сил трения, но и на преодоление сил инерции приводимого в
движение перемешивающего устройства и самой жидкости, потребляемая
мощность возрастает по сравнению с расчетной.
Скорость вращения мешалки выбирают с учетом назначения процесса,
типа
и
конструкции
перемешивающего
устройства.
Равномерное
распределение частиц твердой фазы в жидкости достигается при такой частоте
вращения мешалки, при которой осевая составляющая скорости потока
жидкости становится равной или несколько больше скорости осаждения
частицы. В этом случае восходящий поток жидкости поддерживает твердые
частицы во взвешенном состоянии, препятствуя их осаждению.
Частоту вращения определяют из уравнения
ч
м
где
ч
∆
– критерий Архимеда;
Δρ – разность плотностей фаз;
ρс – плотность сплошной фазы;
82
,
,
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ν – кинематическая вязкость сплошной фазы;
dч – диаметр частицы;
d – диаметр мешалки;
D – диаметр сосуда.
Вопросы для самоконтроля
1. С какой целью применяется перемешивание?
2. Какой показатель характеризует качество смешивания?
3. Какие существуют способы перемешивания?
4. Какие конструкции мешалок применяют в пищевой технологии
и от чего зависит выбор мешалки?
5. От каких параметров зависит мощность, потребляемая мешалкой?
6. Почему
в
критериальное
перемешивания,
уравнение,
входят
описывающее
модифицированные
гидродинамического подобия?
7. Как определить мощность, потребляемую мешалкой?
83
процесс
критерии
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ТЕПЛООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
8. Теплопередача
8.1. Теоретические основы теплообмена
Теплообмен – самопроизвольный необратимый процесс переноса
теплоты от более нагретых тел (или участков тел) к менее нагретым.
Теплота – энергетическая характеристика процесса теплообмена,
которая определяется количеством энергии, отдаваемой или получаемой
телом в процессе теплообмена.
К теплообменным относятся такие гомологические процессы, скорость
которых определяется скоростью подвода или отвода теплоты: нагревание,
испарение, охлаждение, конденсация.
Основными
теплопередачи
кинетическими
являются
средняя
характеристиками
разность
температур,
процесса
коэффициент
теплопередачи, количество передаваемой теплоты (от этой величины зависят
размеры теплообменного аппарата).
Связь между количеством передаваемой теплоты и площадью
поверхности теплообмена определяется основным уравнением теплопередачи
∆
,
которое для установившегося процесса имеет вид
∆
ср ,
где Q – количество переданной теплоты;
К – коэффициент теплопередачи между средами;
F – площадь поверхности теплообмена;
∆t – разность температур между средами – движущая сила процесса;
τ
– продолжительность процесса.
Коэффициент теплопередачи показывает, какое количество теплоты
(кДж) передается от одного теплоносителя к другому через разделяющую их
стенку площадью 1 м в течение 1 ч при разности температур между
теплоносителями 1°С.
84
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Площадь
поверхности
теплообмена
(теплопередачи)
аппарата
определяется по формуле
∆
ср
.
Чтобы воспользоваться уравнением, необходимо знать количество
переданной теплоты, которое определяется из теплового баланса, среднюю
разность температур и коэффициент теплопередачи между средами.
Передача
теплоты
может
осуществляться
теплопроводностью,
тепловым излучением и конвекцией.
8.2. Теплопроводность
Теплопроводностью называется процесс переноса тепловой энергии
от более нагретых участков тела к менее нагретым в результате теплового
движения и взаимодействия микрочастиц. В результате теплопроводности
температура тела выравнивается.
Поверхность тела, все точки которой имеют одинаковую температуру,
называется изотермической поверхностью.
Температуры внутри тела (среды) изменяются в направлении от одной
изотермической поверхности к другой. Наибольшее изменение температуры
происходит по нормали к изотермическим поверхностям. Предел отношения
изменения
температуры
∆t
к
расстоянию
между
изотермическими
поверхностями по нормали ∆l называется температурным градиентом.
grad
lim
Δl →0
∆
.
∆
Основной закон теплопроводности, установленный Фурье и названный
его
именем,
гласит,
что
количество
теплоты
dQ,
теплопроводностью, пропорционально градиенту температуры
переданное
∆
∆
, времени dτ
и площади сечения dF, перпендикулярного направлению теплового потока:
λ
85
τ,
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
где λ – коэффициент теплопроводности, Вт/(м·град).
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.
8.3. Тепловое излучение
Из всей лучистой энергии, которая падает на поверхность тела, часть ее
поглощается телом, часть отражается, а часть проходит через тело. В общем
случае
1.
В этом уравнении первый член характеризует поглощательную
способность тела, второй – отражательную, третий – пропускательную.
Закон Стефана – Больцмана устанавливает зависимость между
лучеиспускательной
способностью
тела
Е,
количеством
энергии
Q,
излученной телом в течение 1 ч, и площадью поверхности тела F:
.
Энергия излучения зависит от длины волн λ и температуры Т. Связь
между лучеиспускательной способностью и температурой абсолютно черного
тела выражается соотношением
.
Или, для практических расчетов
,
где С0 – коэффициент излучения абсолютно черного тела, С0 = 5,67 Вт/(м2·К4).
Теплоотдачей называется процесс теплообмена между поверхностью
тела и окружающей средой.
86
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Закон Стефана – Больцмана применим не только к абсолютно черным
телам. Для реальных тел он имеет вид
,
где С – коэффициент излучения серых тел.
Величина С всегда меньше величины С0 и может изменяться от 0 до
5,67 Вт/(м2·К4).
Отношение
ε, которое изменяется в пределах 0,1, называется
относительной излучательной способностью, или степенью черноты тела.
8.4. Конвективный теплообмен
Конвективным теплообменом (теплоотдачей) называется процесс
теплообмена между поверхностью тела и окружающей средой.
Интенсивность
теплоотдачи
характеризуется
коэффициентом
теплоотдачи, равным отношению плотности теплового потока на поверхности
раздела к температурному напору между поверхностью теплообмена и средой
(теплоносителем).
При конвективном теплообмене теплота распространяется в потоке
жидкости или газа от поверхности твердого тела или к его поверхности
одновременно конвекцией и теплопроводностью. От поверхности твердого
тела к потоку жидкости она распространяется через пограничный слой за счет
теплопроводности, от пограничного слоя в ядро потока жидкости или газа – в
основном конвекцией.
На интенсивность теплоотдачи существенное влияние оказывает
характер движения потока жидкости или газа.
Различают теплоотдачу при свободной и вынужденной конвекции. Под
свободной, или естественной, конвекцией понимают перемещение частиц
жидкости или газа в объеме аппарата или теплообменных устройств
вследствие разности плотностей нагретых и холодных частиц жидкости или
87
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
газа.
Скорость
естественной
конвекции
определяется
физическими
свойствами жидкости, разностью температур между горячими и холодными
частицами и объемом, в котором протекает процесс.
Вынужденная, или принудительная, конвекция возникает под
действием насоса или вентилятора и определяется физическими свойствами
среды, скоростью ее движения, формой и размерами канала, в котором
движется поток.
При вынужденной конвекции теплообмен происходит значительно
интенсивнее, чем при естественной.
Основной закон теплоотдачи – закон Ньютона гласит: количество
теплоты dQ, переданное от поверхности теплообмена к потоку жидкости
(газа) или от потока к поверхности теплообмена, прямо пропорционально
площади поверхности теплообмена F, разности температур поверхности tст и
ядра потока tf (или наоборот) и продолжительности процесса dτ:
α
,
ст
α
ст
,
где α – коэффициент теплоотдачи, который показывает, какое количество теплоты
передается от теплообменной поверхности в 1 м2 к омывающему ее потоку
или от потока к поверхности теплообмена, равной 1 м2, в течение 1 ч при
разности температур поверхности теплообмена и ядра потока в 1°С.
Если коэффициент теплоотдачи имеет постоянное значение вдоль всей
поверхности теплообмена (α = const), уравнения принимают вид
α
α
,
ст
ст
,
в зависимости от того, передается теплота от стенки к омывающему стенку
потоку или наоборот.
Значение коэффициента теплоотдачи, который определяет скорость
конвективного теплообмена, зависит от многих факторов: режима движения
жидкости (газа), физических параметров жидкости (газа), формы и размера
поверхности теплообмена и др.
88
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Коэффициент
уравнениям,
теплоотдачи
которые
рассчитывают
по
методами
теории
получают
критериальным
подобия
из
дифференциального уравнения конвективного теплообмена, дополненного
уравнениями, характеризующими условие на границе раздела потока и стенки
аппарата.
Критерий Нуссельта, характеризует условия на границе:
Nu = αl / λ.
Критерий
Фурье
получают
из
дифференциального
уравнения
конвективного теплообмена
Fо = ατ / l 2 .
Критерий Фурье характеризует связь между скоростью изменения
температурного поля, размерами канала, в котором происходит теплообмен, и
физическими свойствами среды в нестационарных условиях.
Критерий Прандтля характеризует поле теплофизических величин
потока жидкости или газа:
Pr = ν / a = μ ( aρ).
Учитывая, что коэффициент температуропроводности a =
Прандтля записывается в виде Pr =
λ
, критерий
cρ
μс
.
λ
Критерий Пекле
Ре = ν l / a.
Критерий Пекле показывает соотношение между количеством теплоты,
распространяемой
в
потоке
жидкости
или
газа
конвекцией,
и
теплопроводностью.
Понятно, что критерий Пекле представляет собой произведение
критериев Рейнольдса и Прандтля:
Ре = νl / a = (νl / ν )(ν / a ) = ReРr.
При теплообмене в условиях естественной конвекции в критериальные
уравнения вводятся критерии Грасгофа
89
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
gl 3
Gr = β
Δt
v
или Архимеда
gl 3 ρх − ρг
Ar = 2
,
ρх
v
где β
– температурный коэффициент объемного расширения жидкости или
газа; K–1;
ν
– кинематическая вязкость, м2/с;
Δt
– разность температур горячих и холодных частиц жидкости или газа,
вызывающих естественную конвекцию частиц в среде, окружающей
теплообменную поверхность, град.;
ρг, ρх – плотности соответственно горячей и холодной жидкости, кг/м3.
Из приведенных критериев подобия только критерий Нуссельта
содержит искомый коэффициент теплоотдачи, не входящий в условия
однозначности. Поэтому он является определяемым критерием подобия.
Критериальное уравнение конвективного теплообмена в общем виде
Nu = f ( Re,Gr,Pr,Fo).
При стационарном процессе теплообмена из критериального уравнения
исключается критерий Фурье:
Nu = f ( Re,Gr,Pr ).
При
вынужденной
конвекции
из
критериального
уравнения
исключается критерий Грасгофа:
Nu = f ( Re,Pr ).
При естественной конвекции из критериального уравнения исключается
критерий Рейнольдса:
Nu = f (Gr , Pr ).
К расчетному виду данные критериальные уравнения приводятся на
основании
экспериментальных
данных,
полученных
гидродинамической и геометрической обстановке.
90
в
конкретной
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Коэффициент
теплоотдачи
определяется
по
найденному
из
критериальных уравнений критерию Нуссельта.
8.5. Связь коэффициента теплопередачи с коэффициентами теплоотдачи
Коэффициент
теплопередачи
рассчитывают
на
основании
коэффициентов теплоотдачи, вычисленных по критериальным уравнениям.
Рассмотрим
процесс
теплопередачи
между
теплоносителями,
разделенными стенкой (рис. 29). Пусть температура горячего теплоносителя
tf1, холодного – tf2. Температуры поверхностей стенки соответственно tст1 и tст2.
Коэффициенты теплоотдачи для горячего теплоносителя α1 и холодного – α2.
Рисунок 29 – К расчету процесса теплопередачи
При установившемся процессе количество теплоты Q, передаваемое в
единицу времени через площадку F от ядра потока горячего теплоносителя к
стенке,
равно
количеству
теплоты,
передаваемому
через
стенку
теплопроводностью и от стенки к ядру потока холодного теплоносителя. Это
количество теплоты можно определить:
по закону Ньютона Q = α1 (t f 1 − tст1 ) F ;
λ
δ
по закону Фурье Q = ( tcт1 − tст 2 ) F ;
по закону Ньютона Q = α 2 (tст2 − t f 2 ) F .
91
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Из этих уравнений получают разности температур или частные
температурные напоры:
t f 1 − tст1 =
Q
;
α1F
tст1 −tст2 =
Qδ
;
Fλ
tст2 − t f 2 =
Q
.
α2 F
Складывая левые и правые части этих уравнений, получают разность
температур теплоносителей, или общий температурный напор:
tf1 −tf 2 =
Q⎛ 1 δ 1 ⎞
⎜ + +
⎟.
F ⎝ α1 λ α 2 ⎠
Отсюда
Q=
tf1 −tf 2
1 α1 + δ λ + 1 α 2
.
Из сопоставления полученного и основного уравнений теплопередачи
имеем
К=
1
1 α1 + δ λ + 1 α2
или
1 1 δ 1
= + + .
К α1 λ α2
Величина 1/К, обратная коэффициенту теплопередачи, называется
общим термическим сопротивлением теплопередачи и обозначается R.
Величины 1 α1
и 1 α2 ,
называются
частными
термическими
сопротивлениями r1 и r2 , а δ λ – термическим сопротивлением стенки rст.
Из последнего уравнения следует, что общее термическое сопротивление
теплопередаче равно сумме частных термических сопротивлений теплоотдаче
теплоносителей и стенки.
В случае многослойной стенки в уравнение К =
1
вместо
1 α1 + δ λ + 1 α2
δ λ подставляется сумма термических сопротивлений каждого слоя стенки.
92
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Тогда
К=
1
п
1 α1 + ∑ δi λ i + 1 α 2
,
1
где п – количество слоев стенки;
i – порядковый номер слоя.
Отметим,
что
коэффициент
теплопередачи
всегда
меньше
минимального коэффициента теплоотдачи.
8.6. Движущая сила теплообменных процессов
Движущая сила теплообменных процессов – разность температур
теплоносителей. Под действием этой разности теплота передается от горячего
теплоносителя к холодному.
Процессы теплообмена в аппаратах непрерывного действия могут
осуществляться в прямотоке, противотоке, перекрестном и смешанном
потоках.
На
рисунке
30
показан
характер
изменения
температур
теплоносителей при прямотоке и противотоке. Один из теплоносителей G1
охлаждается от температуры t1′ до t1′′ , а другой G2 нагревается от t 2′ до t 2′′ .
Рисунок 30 – Схемы изменения температур теплоносителей:
а – при прямотоке; б – при противотоке
93
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Как видно из рисунка 30, движущая сила при теплопередаче между
двумя теплоносителями не сохраняет своего постоянного значения, а
изменяется вдоль теплообменной поверхности. Например, при прямотоке
(рис. 30а) при входе теплоносителей в теплообменник локальная движущая
сила максимальна: Δtmax = t1′ − t2′ , а на выходе из аппарата минимальна:
Δt min = t1′′ − t 2′′ . Такая же картина наблюдается и при противотоке. Поэтому при
расчетах процессов теплопередачи пользуются средней движущей силой
процесса:
Δtcp =
Δtmax − Δtmin
.
ln ( Δtmax Δtmin )
Это отношение справедливо и для случая противоточного движения
теплоносителей вдоль поверхности теплообмена.
При
небольших
Δtmax Δtmin ≥ 0,5,
изменениях
среднюю
температур
разность
теплоносителей,
температур
вычисляют
когда
как
среднеарифметическую:
Δtcp =
Δtmax + Δtmin
,
2
при этом ошибка не превышает 5 %.
Вопросы для самоконтроля
1. Какие технологические процессы относятся к теплообменным?
2. Каким уравнением определяется связь между количеством переданной
теплоты и размерами теплообменной аппаратуры?
3. Назовите процесс, который называется теплопередачей. Каким законом
он описывается?
4. Какими
способами
может
передаваться
теплота
от
одного
теплоносителя к другому?
5. В чем заключается смысл закона теплопроводности Фурье?
6. Какими законами описывается процесс передачи теплоты излучением?
94
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
7. Какой процесс называется теплоотдачей и каким законом он
описывается?
8. Назовите параметры, характеризующие теплоотдачу при естественной и
вынужденной конвекции.
9. В чем смысл закона теплоотдачи (закон Ньютона)?
10. Почему
в
расчетной
практике
пользуются
критериальными
уравнениями конвективного теплообмена?
11. Какие критерии теплового и гидродинамического подобия входят в
критериальные уравнения конвективного теплообмена? Каков их
физический смысл?
12. При естественной или вынужденной конвекции теплообмен протекает
более интенсивно? Почему?
13. Какая
существует
связь
между
величинами
коэффициента
теплопередачи и коэффициента теплоотдачи?
14. Из каких величин складывается общее термическое сопротивление
теплопередаче?
15. Что является движущей силой теплообменных процессов? Как
определяются движущие силы?
16. Почему в расчетах теплообменных процессов используют среднюю
движущую силу? Как вычисляется средняя движущая сила?
9. Виды тепловых процессов
9.1. Нагревание
Нагреванием
называется
процесс
повышения
температуры
материалов путем подвода к ним теплоты. Широко распространенными
методами нагревания в пищевой технологии является нагревание горячей
водой или другими жидкими теплоносителями, насыщенным водяным паром,
топочными газами и электрическим током.
95
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для
этих
целей
применяются
теплообменники
различных
конструкций.
Нагревание водой применяется для нагревания и пастеризации
продуктов при температуре выше 100 °С. Для нагревания до температур выше
100 °С применяют перегретую воду, находящуюся под избыточным
давлением.
Расход воды или другого теплоносителя на нагревание определяют из
теплового баланса:
в в в.н
п п п.н
в в в.к
п п п.к
п,
где Gв и Gп – количество соответственно воды и продукта, кг/ч;
Св и Сп – теплоемкости соответственно воды и продукта, кДж/(кг-град);
tв.н и tп.н – начальные температуры соответственно воды и продукта, °С;
tв.к и tп.к – конечные температуры соответственно воды и продукта, °С;
Qп – потери теплоты в окружающую среду, кДж/ч
Нагревание
водяным
насыщенным
паром
получило
широкое
распространение, что объясняется следующими его достоинствами: большим
количеством теплоты, выделяющейся при конденсации водяного пара
(2264…2024 кДж на 1 кг конденсирующегося пара при абсолютных давлениях
соответственно 0,1...1,0 МПа); высоким коэффициентом теплоотдачи от
конденсирующего пара к стенке – порядка 20 000…40 000 кДж/(м2·ч·рад);
равномерностью обогрева.
При нагревании водяным насыщенным паром применяют два способа:
нагревание «глухим» насыщенным паром и «острым» паром.
При нагревании «глухим» паром теплота от конденсирующегося
насыщенного водяного пара к нагреваемому теплоносителю передается через
разделяющую их стенку. Греющий «глухой» пар конденсируется и выводится
из парового пространства теплообменника в виде конденсата. При этом
температура конденсата принимается равной температуре насыщенного
греющего пара.
96
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Нагревание электрическим током осуществляется в электрических
печах сопротивления прямого и косвенного действия.
В печах прямого действия тело нагревается при прохождении через
него электрического тока.
Нагревание токами высокой частоты основано на том, что при
воздействии на диэлектрик переменного электрического тока молекулы
диэлектрика приходят в колебательное движение, при этом часть энергии
затрачивается на преодоление трения между молекулами диэлектрика и
превращается в теплоту, нагревая тело. Количество выделяющейся теплоты
пропорционально квадрату напряжения и частоте тока.
Для получения токов высокой частоты используют генераторы
различных конструкций.
Достоинствами
диэлектрического
нагревания
являются:
непосредственное выделение теплоты в нагреваемом теле, равномерный
быстрый нагрев всей массы материала до требуемой температуры, простота
регулирования процесса.
В печах косвенного действия теплота выделяется при прохождении
электрического тока по нагревательным элементам. Выделяющаяся при этом
теплота передается материалу тепловым излучением, теплопроводностью и
конвекцией.
Количество теплоты, которое необходимо подвести в процессе
нагревания электрическим током, определяется из теплового баланса:
э
где
Qэ
–
с н
с к
п,
количество теплоты, выделяющейся в нагревательном электрическом устройстве при прохождении электрического тока, кДж/ч;
G
–
количество перерабатываемого в обогреваемом аппарате продукта,
кг/ч;
С
–
tн и tк –
теплоемкость перерабатываемого продукта, кДж/(кг·рад.);
соответственно
начальная
и
конечная
перерабатываемого продукта, °С;
Qп
–
потери теплоты в окружающую среду, кДж/ч.
97
температуры
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
э
к
н
п.
Мощность нагревательных элементов (в кВт)
э
.
9.2. Испарение и охлаждение
Испарение – процесс превращения жидкости в пар путем подвода к
ней теплоты. Наиболее эффективно испарение жидкостей происходит при
кипении. Испарение в пищевой технологии используется для охлаждения и
опреснения воды, концентрирования растворов, например сахарных, и для
разделения жидких смесей. Испарение происходит в испарителях.
Аппараты,
применяемые
для
опреснения
воды,
называются
опреснителями, для повышения концентрации растворов – выпарными
аппаратами.
Расход теплоты на испарение (кДж)
,
где W – количество испаренной жидкости, кг;
r – теплота парообразования.
Например, для испарения 1 кг воды при атмосферном давлении следует
затратить 2264 кДж.
Охлаждение – процесс понижения температуры материалов путем
отвода от них теплоты.
Для охлаждения газов, паров и жидкостей до 25…30 °С в пищевой
технологии используют воду и воздух. Для охлаждения продуктов до низких
температур используют низкотемпературные хладагенты – холодильные
рассолы, фреоны, аммиак, диоксид серы, жидкий азот и др. В этом разделе
рассмотрим охлаждение до обыкновенных температур. Охлаждение водой
осуществляется в теплообменниках, в которых теплоносители разделены
стенкой либо обмениваются теплотой при смешивании. Например, газы
охлаждают разбрызгиванием в них воды.
98
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для охлаждения применяется обычная вода температурой 15…25 °С
либо артезианская температурой 8…12 °С. С целью экономии свежей воды
часто для охлаждения используют оборотную воду, охлажденную за счет ее
испарения в градирнях. Оборотная вода имеет температуру, достигающую
летом 30 °С.
Расход воды на охлаждение W (кг/ч) определяется из теплового
баланса:
н
св
вн
н
откуда
св
к
в
к
к
п
н
вк
п,
,
где G – количество охлаждаемого теплоносителя, кг/ч;
с, св – теплоемкости соответственно теплоносителя и воды:, кДж/(кг-град);
tн и tк – соответственно начальная и конечная температуры теплоносителя, °С;
tвн и tвк – соответственно начальная и конечная температуры охлаждающей воды, °С;
Qп – потери теплоты в окружающую среду, кДж/ч.
Охлаждение льдом применяется для охлаждения ряда продуктов,
например мороженого, до температуры, близкой к нулю. Лед, отдавая
теплоту, нагревается до 0 °С и плавится, отнимая теплоту от охлаждаемого
продукта. Для определения продолжительности охлаждения используются
экспериментальные данные.
Охлаждение воздухом проводится естественным и искусственным
способами. При естественном охлаждении горячий продукт охлаждается за
счет потерь теплоты в окружающее пространство. Наиболее эффективно
естественное охлаждение в зимнее время при низкой температуре воздуха.
Искусственное охлаждение воздухом применяется для охлаждения
воды в градирнях, в которых охлаждаемая вода стекает сверху вниз навстречу
подаваемому снизу воздуху. При этом охлаждение происходит не только за
счет теплообмена, но и в значительной степени за счет испарения части
жидкости.
99
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
9.3. Конденсация
Конденсация – переход вещества из паро- или газообразного
состояния в жидкое путем отвода от него теплоты. Конденсация происходит в
конденсаторах.
Процессы конденсации широко применяются в пищевой технологии
для ожижения различных веществ.
Конденсацию
конденсируемых
отделенного
можно
веществ
стенкой,
проводить
при
отводе
с
помощью
охлаждающего
либо
при
непосредственном
теплоты
от
теплоносителя,
смешивании
конденсируемых паров с охлаждающим теплоносителем – водой. В первом
случае имеет место поверхностная конденсация, во втором – конденсация
смешением.
Количество теплоты, выделяемое при конденсации, определяется по
формуле
,
где D – количество конденсирующегося пара, кг;
r – теплота конденсации, кДж/кг.
Например, при конденсации 1 кг водяного пара при атмосферном
давлении выделяется 2264 кДж.
Поверхностная конденсация осуществляется в теплообменниках,
называемых поверхностными конденсаторами.
Рассмотрим процесс конденсации перегретого пара водой. Тепловой
баланс процесса
св
в.н
к к
св
в.к
п,
где D – количество поступающего в конденсатор пара, кг/ч;
i – энтальпия пара, кДж/кг;
св, ск – теплоемкости соответственно воды и конденсата, кДж / кг·град;
tв.н, tв.к – соответственно начальная и конечная температуры воды, °С;
tк – температура конденсата на выходе из аппарата, °С;
Qп – потери теплоты в окружающую среду, кДж/ч.
100
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Отсюда найдем расход охлаждающей воды (кг/ч):
к к
в
вк
п
вн
.
Энтальпия поступающего перегретого пара (кДж/кг):
п
где
п
к нас ,
нас
сп
– теплоемкость перегретого пара, кДж/(кг·град);
tп
– температура поступающего перегретого пара, °С;
tнас – температура насыщения (конденсации) пара, °С;
r
– теплота конденсации пара (теплота испарения жидкости), кДж/кг.
Площадь поверхности теплопередачи конденсатора рассчитывается
отдельно для трех зон: зоны F1 охлаждения перегретого пара, зоны F2
конденсации и зоны F3 охлаждения конденсата:
.
общ
Площадь поверхности каждой зоны определяется по основному
уравнению теплопередачи.
Конденсация при смешении теплоносителей осуществляется в мокрых
и сухих конденсаторах.
В
мокрых
конденсаторах
охлаждающую
воду,
конденсат
и
неконденсирующиеся газы, например воздух, выводят из нижней части
конденсатора с помощью мокровоздушного насоса.
В сухих конденсаторах охлаждающая вода вместе с конденсатом
выводится из нижней части, а воздух отсасывается вакуум-насосом из верхней
части конденсатора.
Мокрые
и
сухие
конденсаторы
делятся
на
прямоточные
и
противоточные.
Вопросы для самоконтроля
1. Какие вы знаете методы нагревания? Дайте их краткую характеристику.
2. Из какого уравнения определяют расход теплоносителя для нагревания?
3. Какие способы применяют для нагревания насыщенным водяным
паром? Когда можно применять нагревание острым паром?
101
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4. Как определить расход греющего пара?
5. В каких случаях применяют нагревание топочными газами? Какие
недостатки присущи нагреванию топочными газами?
6. Для каких целей применяют испарение? Как определить расход теплоты
на испарение?
7. Какие хладагенты используют для охлаждения газов, паров и
жидкостей? Как вычислить расход охлаждающей воды?
8. При каких условиях происходит конденсация паров и газов?
Перечислите виды конденсации.
9. Чем различаются мокрые и сухие конденсаторы?
10. Классификация и устройство теплообменных аппаратов
10.1. Общие сведения
Теплоиспользующие
аппараты,
применяемые
в
пищевых
производствах для проведения теплообменных процессов, называются
теплообменниками.
Теплообменники
отличаются
разнообразием
конструкций, которое объясняется назначением аппаратов, условиями
проведения процессов.
По принципу действия теплообменники делятся на рекуперативные,
регенеративные и смесительные (градирни, скрубберы, конденсаторы
смешения и т. д.).
В рекуперативных теплообменниках теплоносители разделены
стенкой и теплота передается от одного теплоносителя к другому через
разделяющую их стенку.
В регенеративных теплообменниках одна и та же теплообменная
поверхность омывается попеременно горячим и холодным теплоносителями.
При омывании поверхности горячим теплоносителем она нагревается за счет
его теплоты, при омывании поверхности холодным теплоносителем она
охлаждается.
102
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таким образом, теплообменная поверхность аккумулирует теплоту
горячего теплоносителя, а затем отдает ее холодному теплоносителю.
В смесительных аппаратах передача теплоты происходит при
непосредственном взаимодействии теплоносителей.
10.2. Рекуперативные теплообменники
Рекуперативные теплообменники в зависимости от конструкции
разделяются на кожухотрубные, типа «труба в трубе», змеевиковые,
пластинчатые, спиральные, оросительные и аппараты с рубашками.
Кожухотрубный вертикальный одноходовой теплообменник с
неподвижными
трубными
решетками
(рис.
31)
состоит
из
цилиндрического корпуса, который с двух сторон ограничен приваренными к
нему трубными решетками с закрепленными в них греющими трубами. Пучок
труб делит весь объем корпуса теплообменника на трубное пространство,
заключенное внутри греющих труб, и межтрубное. К корпусу прикреплены с
помощью болтового соединения два днища. Для ввода и вывода
теплоносителей корпус и днища имеют патрубки. Один поток теплоносителя,
например жидкость, направляется в трубное пространство, проходит по
трубкам и выходит из теплообменника через патрубок в верхнем днище.
Другой поток теплоносителя, например пар, вводится в межтрубное
пространство теплообменника, омывает снаружи греющие трубы и выводится
из корпуса теплообменника через патрубок.
Теплообмен между теплоносителями осуществляется через стенки труб.
Греющие трубы соединены с трубной решеткой сваркой либо развальцованы в
ней (узел Б на рисунке 31). Греющие трубы изготавливают из стали, меди или
латуни.
Размещают греющие трубы в трубных решетках несколькими
способами:
по
сторонам
и
вершинам
правильных
шестиугольников
(в шахматном порядке), по сторонам и вершинам квадратов (коридорное) и по
103
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
концентрическим окружностям. Такие способы размещения обеспечивают
создание компактной конструкции теплообменника.
Рисунок 31 – Схема вертикального одноходового кожухотрубного
теплообменника с неподвижными трубными решетками и размещение труб
в трубной решетке: 1 – корпус; 2 – трубная решетка; 3 – греющая труба;
4 – патрубок; 5 – днища; 6 – опорная лапа; 7 – болт; 8 – прокладка; 9 – обечайка
Шаг размещения труб зависит от внешнего диаметра трубы. При
развальцовке труб в трубной решетке шаг определяют по формуле
t = (1,3…1,5)dН.
Диаметр корпуса теплообменника
D = (1,3...1,5)(b − 1)dH + 4dH ,
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 труб в теплообменнике
n = 3a (a − 1) + 1.
104
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Длину труб при известном диаметре вычисляют в зависимости от
площади поверхности теплообмена
l = F / (πd n).
cp
С целью интенсификации теплообмена в кожухотрубных теплообменниках пучок труб секционируют, т. е. разделяют на несколько секций (ходов),
по которым теплоноситель проходит последовательно. Разбивка труб на ряд
ходов достигается с помощью перегородок в верхнем и нижнем днищах.
На рисунке 32 показан такой многоходовой теплообменник, в котором
теплоноситель проходит трубное пространство за четыре хода. Этим
достигается повышение скорости теплоносителя, что приводит к увеличению
коэффициента
теплоотдачи
в
трубном
пространстве.
Целесообразно
увеличивать скорость того из теплоносителей, который имеет большее
термическое сопротивление.
Секционировать можно и межтрубное пространство за счет установки
направляющих перегородок (рис. 33).
Рисунок 32 – Схема многоходового
теплообменника (по трубному
пространству):
Рисунок 33 – Схема многоходового
теплообменника (по межтрубному
пространству):
1 – корпус; 2 – греющая труба;
3 – днище; 4 – перегородки
1 – корпус; 2 – перегородки;
3 – греющая труба; 4 – днище
105
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Приведенные на рисунках 31–33 кожухотрубные теплообменники
надежно работают при разностях температур между корпусом и трубами
25...30 °С. При более высоких разностях температур между корпусом и
трубами возникают значительные температурные напряжения, которые могут
привести к выходу теплообменника из строя. Поэтому при больших разностях
температур
применяют
конструкции
теплообменников,
в
которых
предусмотрена компенсация температурных удлинений.
Простейшее устройство для компенсации температурных удлинений –
линзовый компенсатор (рис. 34а), который устанавливается в корпусе
теплообменника и компенсирует температурные деформации осевым сжатием
или расширением.
Теплообменники с U-образными греющими трубами (рис. 34б) имеют
одну трубную решетку, в которой закреплены оба конца U-образных труб.
Каждая труба при нагревании может удлиняться независимо от других, тем
самым компенсируя температурные напряжения.
Рисунок 34 – Устройство теплообменников с компенсацией
температурных напряжений:
а – с линзовым компенсатором: 1 – корпус; 2 – греющая труба;
3 – линзовый компенсатор;
б – с U-образными греющими трубами: 1– крышка; 2– корпус; 3 – U-образные трубы
106
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Кожухотрубные теплообменники используют для теплообмена между
конденсирующимся паром и жидкостью. Жидкость пропускается по трубам, а
пар – в межтрубном пространстве.
Преимущества
кожухотрубных
теплообменников
заключаются
в
компактности, невысоком расходе металла, легкости очистки труб изнутри (за
исключением теплообменника с U-образными трубами).
Недостатки этих теплообменников: сложность достижения высоких
скоростей теплоносителей, за исключением многоходовых теплообменников;
трудность очистки межтрубного пространства и малая доступность его для
осмотра и ремонта; сложность изготовления из материалов, не поддающихся
развальцовке и сварке, например из чугуна.
Теплообменники типа «труба в трубе» (рис. 35) состоят из ряда
наружных труб большего диаметра и расположенных внутри их труб
меньшего диаметра. Внутренние и внешние трубы элементов соединены друг
с другом последовательно с помощью колен и патрубков. Один из
теплоносителей движется по внутренней трубе, а другой по кольцевому
каналу, образованному внутренней и внешней трубами. Теплообмен
осуществляется через стенку внутренней трубы.
Рисунок 35 – Теплообменник типа «труба в трубе»:
1 – наружная труба; 2 – внутренняя труба; 3 – колено; 4 – патрубок;
I, II – теплоносители
В
этих
теплообменниках
достигаются
высокие
скорости
теплоносителей как в трубах, так и в межтрубном пространстве. При
107
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
необходимости создания больших площадей поверхностей теплопередачи
теплообменник составляют из нескольких секций, получая батарею.
Преимущества теплообменников типа «труба в трубе»: высокий
коэффициент
теплопередачи
вследствие
большой
скорости
обоих
теплоносителей, простота изготовления.
Недостатки этих теплообменников заключаются в громоздкости,
высокой металлоемкости, трудности очистки межтрубного пространства.
Теплообменники типа «труба в трубе» применяют при небольших
расходах теплоносителей для теплообмена между двумя жидкостями и между
жидкостью и конденсирующимся паром.
Погружные змеевиковые теплообменники представляют собой трубу,
согнутую в виде змеевика и погруженную в аппарат с жидкой средой (рис. 36).
Теплоноситель движется внутри змеевика. Змеевиковые теплообменники изготовляют с плоским змеевиком или со змеевиком, согнутым по винтовой линии.
Преимущество змеевиковых теплообменников – простота изготовления.
В то же время такие теплообменники громоздки и трудно поддаются очистке.
Погружные
теплообменники
применяют
для
охлаждения
и
нагрева
конденсата, а также для конденсации паров.
Рисунок 36 – Погружной змеевиковый
теплообменник:
Рисунок 37 – Оросительный
теплообменник:
1 – змеевик; 2 – корпус
1 – распределительный желоб; 2 – труба;
3 – колено; 4 – стойка; 5 – сборный желоб
108
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Оросительные
теплообменники
используют
для
охлаждения
жидкостей, газов и конденсации паров. Состоят они (рис. 37) из нескольких
расположенных одна над другой труб, соединенных коленами. По трубам
протекает охлаждаемый теплоноситель. Охлаждающая вода поступает в
распределительный желоб с зубчатыми краями, из которого равномерно
перетекает в верхнюю трубу теплообменника и на расположенные ниже
трубы.
Часть охлаждающей воды испаряется с поверхности труб. Под нижней
трубой находится желоб для сбора воды. Коэффициент теплопередачи в таких
теплообменниках невелик.
Оросительные теплообменники просты по устройству, но металлоемки.
Обычно их устанавливают на открытом воздухе.
Спиральные теплообменники состоят из двух спиральных каналов
прямоугольного сечения, образованных металлическими листами (рис. 38).
Внутренние концы спиралей соединены перегородкой. С торцов каналы
закрыты крышками и уплотнены прокладками. У наружных концов каналов
предусмотрены патрубки для входа и выхода теплоносителей, два других
патрубка приварены к плоским боковым крышкам.
Рисунок 38 – Спиральный теплообменник:
1 – крышка; 2 – перегородка; 3, 4 – металлические листы
109
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Такие
теплообменники
используют
для
теплообмена
между
жидкостями и газами. Эти теплообменники не забиваются твердыми
частицами, взвешенными в теплоносителях, поэтому их применяют для
теплообмена между жидкостями со взвешенными частицами.
Спиральные теплообменники компактны, позволяют проводить процесс
теплопередачи
при
высоких
скоростях
теплоносителей
с
высокими
коэффициентами теплопередачи; гидравлическое сопротивление спиральных
теплообменников ниже сопротивления многоходовых аппаратов при тех же
скоростях теплоносителей.
Недостаток спиральных теплообменников – сложность изготовления,
ремонта и очистки.
Пластинчатые теплообменники (рис. 39а) монтируют на раме,
состоящей из верхнего и нижнего несущих брусов, которые соединяют стойку с
неподвижной плитой. По направляющим стяжным шпилькам перемещается
подвижная плита. Между подвижной и неподвижной плитами располагается
пакет стальных штампованных гофрированных пластин, в которых имеются
каналы для прохода теплоносителей. Уплотнение пластин достигается с
помощью заглубленных прокладок, которые могут выдерживать высокие рабочие
давления. Теплоносители к каналам, образованным пластинами, проходят по
чередующимся каналам сквозь разделенные прокладками отверстия.
Принцип действия пластинчатого теплообменника показан на рисунке
39б. Как видно из этой схемы, теплообмен происходит в противотоке, причем
каждый теплоноситель движется вдоль одной стороны пластины.
Пластинчатые теплообменники компактны, обладают большой площадью поверхности теплопередачи, что достигается гофрированием пластин.
Значительная
эффективность
обусловлена
большой
величиной
отношения площади поверхности теплопередачи к объему теплообменника.
Это достигается благодаря высоким скоростям теплоносителей, а также
турбулизации потоков гофрированными поверхностями пластин и низкому
термическому сопротивлению стенок пластин.
110
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 39 – Пластинчатый теплообменник (а) и принцип его действия (б):
1 – верхний несущий брус; 2 – неподвижная плита; 3 – пластина; 4 – подвижная
плита; 5 – нижний несущий брус; 6 – направляющая стяжная шпилька; 7 – стойка
111
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Эти теплообменники изготовляют в виде модулей, из которых может
быть собран теплообменник с площадью поверхности теплопередачи,
необходимой для осуществления технологического процесса.
К недостаткам относятся сложность изготовления, возможность
забивания поверхностей пластин взвешенными в жидкости твердыми
частицами.
Теплообменники
с
ребристыми
поверхностями
теплообмена
позволяют увеличить площадь поверхности теплопередачи со стороны
теплоносителя с низким коэффициентом теплоотдачи.
Для оребрения поверхности используют стальные круглые или
прямоугольные шайбы, которые приваривают в основном к трубам. В
трубчатых теплообменниках применяют поперечные или продольные ребра.
Примером оребренного теплообменника может служить калорифер,
используемый для нагрева воздуха греющим водяным паром.
10.3. Регенеративные теплообменники
Регенеративные теплообменники состоят из двух секций, в одной из
которых теплота передается от теплоносителя промежуточному материалу, в
другой – от промежуточного материала технологическому газу. Примером
регенеративной теплообменной установки является установка непрерывного
действия с циркулирующим зернистым материалом (рис. 40), который
выполняет функцию переносчика теплоты от горячих топочных газов к
холодным технологическим. Установка состоит из двух теплообменников,
каждый из которых представляет собой шахту с движущимся сверху вниз
сплошным потоком зернистого материала. В нижней части каждого
теплообменника
имеется
газораспределительное
устройство
для
равномерного распределения газового потока по сечению теплообменника.
Выгрузка зернистого материала из теплообменника происходит
непрерывно с помощью шлюзового затвора. Охлажденный зернистый
112
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
материал из второго теплообменника поступает в пневмотранспортную
линию, по которой воздухом подается в бункер-сепаратор, где частицы
осаждаются и вновь поступают в первый теплообменник.
Рисунок 40 – Установка с циркулирующим зернистым материалом:
1, 2 – теплообменники; 3 – шлюзовой затвор; 4 – газодувка; 5 – пневмотранспортная
линия; 6 – распределитель газа; 7 – сепаратор
10.4. Смесительные теплообменники
Смесительные теплообменники бывают мокрого и сухого типов.
Теплота в них передается от одного теплоносителя к другому при их
смешении.
Мокрый прямоточный конденсатор (рис. 41) предназначен для
конденсации пара водой. Охлаждающая вода вводится в конденсатор через
сопла. Распыление воды значительно увеличивает площадь поверхности
теплообмена между паром и водой. При взаимодействии капелек воды с паром
пар конденсируется. Конденсат, вода и несконденсировавшиеся газы
откачиваются из конденсатора мокровоздушным насосом.
113
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 41 – Прямоточный конденсатор:
1 – корпус; 2 – крышка; 3 – распиливающее сопло;
4 – мокровоздушный насос; 5 – штуцер
Тепловой баланс процесса выражается уравнением
Di + Wcвtв.н = ( D + W ) cвtв.к ,
где
D – массовый расход конденсирующегося пара, кг/ч;
i – энтальпия конденсирующегося пара, кДж/кг;
W – массовый расход охлаждающей воды, кг/ч;
св – теплоемкость воды, кДж/(кг · К);
tв.н и tв.к – соответственно начальная и конечная температуры воды, °С.
В
противоточном
сухом
конденсаторе
смешения
(рис.
42)
взаимодействие пара и охлаждающей воды происходит в противотоке.
Охлаждающая вода поступает на верхнюю перфорированную тарелку
конденсатора, а пар – под нижнюю тарелку. Вода протекает с тарелки на
тарелку в виде тонких струй через отверстия и борта. Взаимодействие пара с
жидкостью
происходит
в
межтарельчатом
объеме
конденсатора.
Образовавшийся в результате конденсации пара конденсат вместе с водой
выводится через барометрическую трубу, конец которой опущен в колодец, а
воздух отсасывается через ловушку вакуум-насосом. В связи с этим такие
конденсаторы иногда называют барометрическими.
114
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 42 – Барометрический конденсатор:
1 – корпус; 2 – тарелка; 3 – барометрическая труба; 4 – колодец; 5 – ловушка
Процесс конденсации в барометрических конденсаторах протекает под
вакуумом. Обычно абсолютное давление в них составляет 0,01...0,02 МПа.
Для
уравновешивания
разности
давлений
в
барометрическом
конденсаторе и атмосферного служит столб жидкости, находящейся в
барометрической трубе.
Размеры
барометрического
конденсатора
зависят
от
диаметра
барометрической трубы и определяются по соответствующим справочным
материалам.
Для выбора вакуум-насоса необходимо знать количество воздуха,
содержащегося в паре и воде, количество воздуха, подсасываемого в
конденсатор и коммуникации через неплотности уплотнений.
Вопросы для самоконтроля
1. Как классифицируются теплообменники по принципу действия?
2. На какие типы делятся рекуперативные теплообменники в зависимости
от конструкции?
115
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3. Как устроен одноходовой кожухотрубный теплообменник?
4. За
счет
чего
достигается
интенсификация
в
многоходовых
кожухотрубных теплообменниках?
5. Какие
преимущества
и
недостатки
присущи
кожухотрубным
теплообменникам?
6. Какой из теплоносителей пропускают по трубам, а какой – в
межтрубном пространстве?
7. В каких случаях применяют теплообменники типа «труба в трубе»?
Какие преимущества и недостатки присущи этим теплообменникам?
8. Как устроен спиральный теплообменник? Какими преимуществами и
недостатками он обладает?
9. Расскажите об устройстве пластинчатого теплообменника. Какие
преимущества и недостатки присущи пластинчатым теплообменникам?
10. В
каких
случаях
применяют
теплообменники
с
ребристыми
поверхностями теплообмена?
11. Приведите примеры регенеративных теплообменников.
12. Какие теплообменники относятся по принципу действия к смесительным?
13. Как устроен и работает мокрый прямоточный конденсатор? От чего
зависят расход охлаждающей воды и объем воздуха, отсасываемого из
конденсатора?
14. Как устроен и работает противоточный сухой конденсатор смешения?
15. От каких величин зависит высота барометрической трубы? В чем ее
назначение?
116
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
11. Выпаривание
11.1. Теоретические основы выпаривания
Выпаривание – процесс концентрирования растворов за счет
превращения части растворителя в пар. Движущей силой процесса является
температурная депрессия.
Температурная депрессия – разность между температурами кипения
раствора и растворителя. Известно, что движение паров над чистым
растворителем при одной и той же температуре больше, чем над раствором.
Определяется температурная депрессия опытным путем.
Если известна температурная депрессия при атмосферном давлении
∆ , депрессию при других давлениях можно определить по приближенной
формуле Тищенко
, ∆
∆
,
где Т2 и r – соответственно абсолютная температура кипения (К) и теплота
испарения (Дж/кг) для воды при данном давлении,
∆
или
где
,
∆ ,
.
Теплоемкость
концентрации
растворов
растворенного
является
вещества.
функцией
Для
температуры
большинства
и
растворов
теплоемкость не имеет аддитивных свойств и не может быть вычислена по
теплоемкости растворенных веществ и растворителей. Отклонение от свойств
аддитивности тем больше, чем больше концентрация растворенного вещества.
Для выполнения расчетов необходимо пользоваться опытными
данными, которые в виде графиков и таблиц помещены в справочниках
физико-химических величин.
Теплота растворения зависит от природы растворяемого вещества и
растворителя, а также от концентрации раствора. При растворении твердых
веществ во многих случаях разрушается кристаллическая решетка, что
117
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
требует затрат энергии, при этом наблюдается охлаждение раствора. Если же
растворяемое
вещество
вступает
в
химическое
взаимодействие
с
растворителем, образуя гидраты, то выделяется теплота. Теплота растворения,
таким образом, представляет собой сумму теплот плавления и химического
взаимодействия.
Вещества,
легко
образующие гидраты, имеют
положительные
значения теплоты растворения; вещества, не образующие гидратов, имеют
отрицательные значения теплоты растворения в воде.
Интегральной теплотой растворения q называют количество теплоты,
поглощающейся или выделяющейся при растворении 1 кг твердого вещества
(или раствора, в котором содержится 1 кг твердого вещества) в большом
количестве растворителя.
11.2. Способы выпаривания
Выпаривание осуществляется
как под вакуумом, так и
при
атмосферном и избыточном давлениях.
При выпаривании под вакуумом в аппарате создается вакуум путем
конденсации вторичного (сокового) пара в специальном конденсаторе и
отсасывания из него неконденсирующихся газов с помощью вакуум-насоса.
Выпаривание под вакуумом позволяет снизить температуру кипения
раствора, что особенно важно при выпаривании пищевых растворов, которые
особенно чувствительны к высоким температурам. Применение вакуума
позволяет увеличить движущую силу теплопередачи и, как следствие,
уменьшить площадь поверхности выпарных аппаратов, а следовательно, их
материалоемкость.
При
выпаривании
раствора
под
атмосферным
давлением
образующийся вторичный пар сбрасывается в атмосферу. При выпаривании
под повышенным давлением вторичный пар может быть использован как
нагревающий агент в подогревателях, для отопления теплиц и т. п.
118
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Выпаривание под давлением связано с повышением температуры кипения
раствора, поэтому применение данного способа в пищевой технологии
ограничено свойствами растворов и температурой теплоносителя.
В пищевых производствах применяют однократное выпаривание,
которое
проводится
многократное
непрерывным
выпаривание,
или
проходящее
периодическим
непрерывно,
способом,
выпаривание
с
использованием теплового насоса.
Все указанные процессы проводят как под давлением, так и под
вакуумом
в
зависимости
от
параметров
теплоносителя
и
свойств
выпариваемых растворов.
В качестве теплоносителя обычно используют насыщенный водяной
пар. В редких случаях используют электрический обогрев, а также нагревание
промежуточными теплоносителями (перегретой водой, дифенильной смесью,
маслом).
Нагревание выпариваемого раствора производится в большинстве
случаев
путем
передачи
теплоты
от
теплоносителя
через
стенку,
разделяющую их.
Однократное выпаривание проводится в установке, применяемой в
малотоннажных производствах.
Однократное выпаривание проводят в установке, представленной на
рисунке 43. Такие установки применяют в малотоннажных производствах.
Однократное выпаривание можно проводить непрерывно или периодически.
Образующийся при выпаривании вторичный пар в этих установках не
используется, а конденсируется в конденсаторе.
Основными аппаратами установки являются выпарной аппарат,
подогреватель, барометрический конденсатор и насосы.
Выпарной аппарат состоит из верхней части – сепаратора, и нижней –
греющей
камеры,
которая
представляет
собой
кожухотрубчатый
теплообменник. В трубчатом пространстве находится кипящий раствор, а в
межтрубчатое подается греющий пар. В сепараторе с отбойниками
119
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
происходит отделение капелек от вторичного пара, которые затем
конденсируются. Конденсат вместе с охлаждающей водой удаляется через
барометрическую трубу в колодец. Концентрированный раствор с заданной
концентрацией хк непрерывно откачивается из нижней части выпарного
аппарата в хранилище готового продукта.
Рисунок 43 – Установка однократного выпаривания непрерывного действия:
1, 8 – насосы; 2 – расходомер; 3 – теплообменник; 4 – выпарной аппарат;
5 – барометрический конденсатор; 6 – ловушка; 7 – барометрическая труба
Материальный баланс однократного выпаривания выражается двумя
уравнениями:
по всему веществу
н
,
и по растворенному твердому веществу
н н
,
где Gн – количество поступающего раствора, кг/ч;
Gk – количество упаренного раствора, кг/ч;
W – количество выпариваемой воды, кг/ч;
хн, хk – соответственно начальная и конечная концентрации раствора, мас. %.
Из сопоставления уравнений найдем количество выпаренной воды при
изменении концентрации раствора от хн до хk или конечную концентрацию
120
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
раствора, если количество выпаренной воды задано технологическим
регламентом
н
1
н
н н
н
.
Тепловой баланс однократного выпаривания, согласно схеме тепловых
потоков, выразится уравнением
н н н
п.
к к к
Заменив в последнем равенстве Gн на
н н н
н н н
, имеем
п,
к к к
где tн и tк – соответственно начальная и конечная температуры раствора, °С;
D
– расход греющего пара, кг/ч;
i, i', i'' – энтальпии соответственно вторичного пара, конденсата и греющего
пара, кДж/кг;
Qп
– потери теплоты в окружающую среду, кДж/ч.
Находим расход греющего пара:
н н
н н
п
.
Из равенства следует, что расход пара определяется тремя слагаемыми
правой части: расходом пара на изменение энтальпии выпариваемого
раствора, расходом пара на собственно выпаривание растворителя и расходом
пара на компенсацию потерь теплоты в окружающую среду.
Расчеты показывают, что расход пара на выпаривание определяется
вторым слагаемым в уравнении. Первое и третье слагаемые невелики по
сравнению со вторым, следовательно
н н
Надо иметь в виду, что
.
. Отсюда следует, что для
н н
испарения 1 кг воды требуется затратить 1,1…1,2 кг насыщенного водяного
пара.
Площадь поверхности теплопередачи выпарного аппарата определяют
из основного уравнения теплопередачи
∆
121
,
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
где ∆ – полезная разность температур конденсации греющего насыщенного
водяного пара и кипящего раствора.
Полезная разность температур определяется по общей разности
температур и температурным депрессиям.
Общей
разностью
температур
называется
разность
между
температурой греющего пара, подаваемого в греющую камеру выпарного
аппарата, и температурой вторичного пара в конце паропровода, отводящего
пар из выпарного аппарата (или на входе в конденсатор, если такой имеется):
∆
где tгр
общ
гр
–
конд ,
– температура греющего пара, °С;
tконд – температура вторичного пара в конце отводящего паропровода или на
входе в конденсатор, °С.
Полезная разность температур
∆
∆
∑ ∆,
общ
где Σ∆ – сумма потерь общей разности температур (депрессий), °С.
∑∆
∆
∆гс
∆г ,
где ∆гс – гидростатическая потеря разности температур – депрессия (представляет
собой разность между температурами кипения раствора посередине
греющих труб в выпарном аппарате и на поверхности);
∆г – гидродинамическая потеря разности температур (учитывает снижение
температуры вторичного пара на входе в барометрический конденсатор по
сравнению с температурой на выходе из выпарного аппарата в
трубопроводе), °С.
Многократное выпаривание проводится в ряде последовательно
установленных
выпарных
аппаратов.
Такие
установки
называют
многокорпусными. С целью экономии греющего пара в выпарных установках
многократного выпаривания в качестве греющего пара во всех корпусах,
кроме первого, используется пар из предыдущего корпуса.
Выпаривание с применением теплового насоса основано на
использовании вторичного пара в качестве греющего в том же выпарном
аппарате. Для этого температура вторичного пара должна быть повышена
122
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
до температуры греющего пара. Повышение температуры вторичного пара
достигается сжатием его в компрессоре или паровом инжекторе.
11.3. Устройство выпарных аппаратов
Наибольшее распространение получили трубные выпарные аппараты с
естественной и принудительной циркуляцией при площади поверхности нагрева
10...1800 м2. В зависимости от расположения греющей камеры аппараты
бывают с соосной или с вынесенной греющими камерами.
Кроме перечисленных аппаратов применяют различные конструкции
пленочных выпарных аппаратов.
При
выборе
теплофизические
конструкции
свойства
выпарного
раствора,
аппарата
склонность
к
учитывают
кристаллизации,
чувствительность к высоким температурам, полезную разность температур в
каждом
корпусе,
площадь
поверхности
теплообменного
аппарата,
технологические особенности.
Выпарные аппараты изготовляют из углеродистой, коррозиестойкой и
двухслойной стали.
Выпарные аппараты с естественной циркуляцией просты по
конструкции и применяются для выпаривания растворов невысокой вязкости,
не склонных к кристаллизации. Эти аппараты бывают с соосной и вынесенной
греющими камерами (рис. 44а, б).
Выпарной аппарат состоит из сепаратора, греющей камеры и
циркуляционной трубы. Сепаратор представляет собой цилиндрическую
емкость с эллиптической крышкой, присоединенную с помощью болтов к
греющей камере. В сепараторе для отделения капелек жидкости от вторичного
пара устанавливают отбойники различной конструкции. Греющая камера
выполнена в виде вертикального кожухотрубного теплообменника, в
межтрубное пространство которого поступает греющий пар, а в греющих
123
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
трубках кипит раствор. Нижние части сепаратора и греющей камеры
соединены циркуляционной трубой.
Рисунок 44 – Выпарные аппараты с естественной циркуляцией раствора:
а – с соосной греющей камерой; б – с вынесенной греющей камерой;
1 – греющая камера; 2 – сепаратор; 3 – циркуляционная труба;
Dc, Dк, Dц – диаметры соответственно сепаратора, камеры
и циркуляционной трубы; L – длина камеры
Естественная циркуляция возникает в замкнутой системе, состоящей из
необогреваемой циркуляционной трубы и кипятильных труб. Если жидкость
в трубах нагрета до кипения, то в результате выпаривания части жидкости в
этих трубах образуется парожидкостная смесь, плотность которой меньше
плотности самой жидкости. Таким образом, масса столба жидкости в
циркуляционной трубе больше, чем в кипятильных трубах, вследствие чего
происходит циркуляция кипящей жидкости по пути кипятильные трубы –
паровое пространство – циркуляционная труба – трубы и т. д. При циркуляции
повышается коэффициент теплоотдачи со стороны кипящей жидкости и
снижается образование накипи на поверхности труб.
Для естественной циркуляции требуются два условия: 1) достаточная
высота уровня жидкости в циркуляционной трубе, чтобы уравновесить столб
124
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
парожидкостной смеси и создать необходимую скорость; 2) достаточная
интенсивность
парообразования
в
кипятильных
трубах,
чтобы
парожидкостная смесь имела возможно малую плотность.
Представленные
аппараты
выгодно
отличаются
от
устаревших
конструкций аппаратов с центральной циркуляционной трубой. Наличие
обогреваемой центральной циркуляционной трубы приводило к снижению
интенсивности циркуляции.
Парообразование в кипятильных трубах определяется физическими
свойствами раствора (главным образом вязкостью) и разностью температур
между стенкой трубы и жидкостью. Чем ниже вязкость раствора и чем
больше разность температур, тем интенсивнее парообразование и больше
скорость циркуляции. Для создания интенсивной циркуляции разность
температур между греющим паром и раствором должна быть не ниже 10 °С.
Выпарные аппараты с принудительной циркуляцией раствора
позволяют повысить интенсивность циркуляции раствора и коэффициент
теплопередачи. Циркуляция жидкости производится пропеллерным или
центробежным насосом. Поскольку вся циркуляционная система почти
полностью заполнена жидкостью, работа насоса затрачивается лишь на
преодоление гидравлических сопротивлений.
Преимущества аппаратов с принудительной циркуляцией: высокие
коэффициенты теплопередачи (в 3...4 раза больше, чем при естественной
циркуляции), а следовательно, и значительно меньшие площади поверхности
теплопередачи, а также отсутствие загрязнений поверхности теплопередачи
при выпаривании кристаллизующихся растворов и возможность работы при
небольших разностях температур.
Недостаток этих аппаратов – затраты энергии на работу насоса.
Пленочные выпарные аппараты применяют при концентрировании
растворов, чувствительных к высоким температурам. При необходимом
времени пребывания в зоне высоких температур раствор не успевает
125
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
перегреться и его качество не снижается. Выпаривание в пленочных аппаратах
происходит за один проход раствора через трубы.
Пленочные аппараты бывают с восходящей пленкой и соосной или
вынесенной греющей камерой и падающей пленкой и соосной или вынесенной
греющей камерой.
Пленочные аппараты, как и описанные выше, состоят из греющей
камеры и сепаратора (рис. 45). В греющей камере расположены трубы длиной
от 5 до 9 м, которые обогреваются греющим паром.
Рисунок 45 – Пленочные выпарные аппараты:
а – с восходящей пленкой и соосной греющей камерой; б – с падающей пленкой
и вынесенной греющей камерой: 1 – сепаратор; 2 – греющая камера
На рисунке 45а показан пленочный выпарной аппарат с восходящей
пленкой и соосной греющей камерой. Исходный раствор подается в трубы
снизу, причем жидкость в трубах поддерживается на уровне 20...25 % высоты
труб. В остальной части труб находится парожидкостная смесь. Раствор в виде
126
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
пленки находится на поверхности труб, а пар движется по оси трубы с большой
скоростью, увлекая за собой пленку жидкости. При движении пара и пленки
жидкости за счет трения происходят турбулизация пленки и интенсивное
обновление поверхности. За счет этих факторов достигаются высокие
коэффициенты теплопередачи и большая поверхность испарения.
На рисунке 45б показан аппарат с падающей пленкой и вынесенной
греющей камерой. В таких аппаратах исходный раствор поступает сверху в
греющую камеру, а концентрированный раствор выводится из нижней части
сепаратора.
Пленочные выпарные аппараты изготовляют с площадью поверхности
теплопередачи от 63 до 2500 м2 с диаметром труб 36 и 57 мм. Избыточное
давление в греющей камере от 0,3 до 1,0 МПа, а вакуум в сепараторе 93 кПа.
Недостаток пленочных аппаратов – неустойчивость работы при
колебаниях давления греющего пара. При нарушении режима работы
аппарат можно перевести на работу с циркуляцией раствора, как в аппаратах с
принудительной циркуляцией.
11.4. Методика расчета выпарных аппаратов
Количество выпаренной воды определяется по формуле
н
н
1
к
,
где Gн – количество поступающего раствора, кг/ч;
xн, xк – начальная и конечная концентрация раствора, %.
Температура греющего и вторичного пара находится по таблицам
насыщенного водяного пара.
Расход греющего пара определяется из уравнения теплового баланса
установки.
Площадь поверхности теплопередачи (м2):
∆
127
ср
,
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
где Q – количество переданной теплоты, Дж;
К – коэффициент теплопередачи, Вт/м2·град;
∆
ср
– движущая сила процесса, град.
Количество труб в аппарате:
,
где d, h – соответственно диаметр и длина трубы, м.
Вопросы для самоконтроля
1. В
чем
заключается
процесс
выпаривания?
Какие
растворы
концентрируют выпариванием?
2. От чего зависит температурная депрессия и как она рассчитывается?
3. Какими методами осуществляется процесс выпаривания?
4. От чего зависит количество выпаренной воды?
5. Как определяется расход греющего пара при выпаривании? На что в
основном расходуется греющий пар?
6. Чем отличается полезная разность температур от общей разности?
7. Из чего складывается сумма потерь общей разности температур (депрессий)?
8. Перечислите способы экономии греющего пара при выпаривании.
9. За счет чего происходит экономия греющего пара в многокорпусных
выпарных установках?
10. Какие
конструкции
выпарных
установок
промышленности?
11. В чем заключается расчет выпарных установок?
128
применяют
в
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
МАССОOБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
12. Основы массопередачи. Абсорбция
12.1. Кинетика массопередачи.
Движущая сила массообменных процессов
Массообменными
называются
процессы,
скорость
протекания
которых определяется скоростью переноса вещества из одной фазы в другую
конвективной и молекулярной диффузией (абсорбция, перегонка, экстракция,
сушка, кристаллизация и др.).
Абсорбция – процесс селективного поглощения газов жидким
поглотителем (абсорбентом).
Перегонка – процесс разделения жидкой смеси на составляющие
компоненты.
Экстракция – процесс извлечения веществ из жидкости или твердой
фазы с помощью растворителя.
Сушка – удаление влаги из материала путем ее испарения.
Кристаллизация – переход вещества из жидкой фазы в твердую за
счет возникновения и роста кристаллов в растворе.
Движущая сила массообменных процессов. Массопередачей
называют процесс перехода вещества (или нескольких веществ) из одной
фазы в другую в направлении достижения равновесия.
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.
Обозначим первую фазу G, вторую L, а распределяемое вещество М.
Все массообменные процессы обратимы, поэтому распределяемое вещество
может переходить из фазы G в фазу L и, наоборот, в зависимости от
концентрации вещества в фазах.
129
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Пусть распределяемое вещество находится первоначально только в
фазе G и имеет концентрацию Y. В фазе L в начальный момент распределяемое
вещество отсутствует, т. е. концентрация его в этой фазе
0.
Если распределяющие фазы привести в соприкосновение друг с
другом, начинается переход распределяемого вещества из фазы G в фазу L и с
появлением вещества М в фазе L начинается обратный переход его из фазы L в
фазу G. До некоторого момента времени число частиц распределяемого
вещества М, переходящих в единицу времени из фазы G в фазу L, больше, чем
число частиц, переходящих из фазы L в фазу G. Однако конечным результатом
является переход вещества М из фазы G в фазу L. По истечении определенного
времени скорости прямого и обратного перехода вещества М в фазах G и L
становятся одинаковыми. Такое состояние системы называется равновесным.
При равновесии устанавливается строго определенная зависимость между
концентрациями распределяемого вещества в фазах. Такие концентрации
называются равновесными.
При равновесии каждой концентрации
соответствует равновесная
концентрация ур и, наоборот, каждой концентрации у соответствует
определенная равновесная концентрация хр.
В условиях
равновесия
существуют
определенные в
каждом
конкретном случае зависимости между концентрациями
;
.
Эти зависимости определяются экспериментально и называются
равновесными зависимостями. Равновесные зависимости изображаются
графически кривой или в частном случае прямой линией.
Равновесные
зависимости
позволяют
определить
не
только
направление процесса, но и скорость перехода распределяемого вещества из
одной фазы в другую.
Разность
между
фактической
и
равновесной
концентрациями,
характеризующая степень недостижения равновесия, является движущей
силой массообменных процессов.
130
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Расчет движущих сил и коэффициентов скорости массообменных
процессов
составляет
кинетику
массопередачи.
Согласно
общему
кинетическому уравнению, скорость массообменных процессов прямо
пропорциональна движущей силе процесса и обратно пропорциональна
диффузионному (массообменному) сопротивлению.
Обозначив величину, обратную диффузионному сопротивлению, через
(где К – диффузионное, или массообменное, сопротивление), запишем
∆,
где М – количество вещества, перешедшего из одной фазы в другую;
F
– площадь поверхности массопередачи;
τ
– продолжительность процесса;
К – коэффициент скорости процесса, называемый в теории массопередачи
коэффициентом массопередачи;
∆
– движущая сила.
Нетрудно видеть, что
является скоростью массопередачи,
отнесенной к единице контакта фаз.
Если dM отнесено к единице времени, имеем
∆
При
.
const для всей поверхности массообмена
∆ .
Два последних уравнения называются основными уравнениями
массопередачи.
12.2. Материальный баланс массообменных процессов
Уравнение прямой, выражающей зависимость между фактическими
(рабочими) концентрациями вещества в процессе массопередачи, называется
рабочей линией процесса. Рассмотрим схему элементарного массообменного аппарата, в котором происходит массообмен между двумя
131
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
движущимися прямотоком фазами. Массовые скорости фаз относительно
поверхности их раздела, выраженные в килограммах инертного вещества в
час, обозначим G и L, а концентрации распределяемого вещества (в
килограммах на килограмм инертного вещества) – соответственно у и х.
Предположим, что
, тогда распределяемое вещество будет переходить
из фазы G в фазу L, а концентрация в фазе G будет уменьшаться от ун до ук,
соответственно концентрация в фазе L увеличится от хн до хк.
Для бесконечно малой площади поверхности аппарата dF
.
Интегрируя это уравнение в пределах изменения концентраций
распределяемого вещества в аппарате, получим
н
,
,
н
н
,
откуда определим массовые расходы:
н
;
н
н
.
н
Интегрируя уравнение в пределах от начальных до текущих
концентраций, получим
н
–у
, откуда определим связь
н
между текущими концентрациями
н
н
.
Аналогично для противоточного движения фаз
н
н
,
или
.
Следовательно,
связь
между
текущими
концентрациями
распределяемого вещества подчиняется линейным уравнениям.
132
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
12.3. Основы абсорбции
Процесс абсорбции является избирательным и обратимым, что
позволяет применить его с целью получения растворов газов в жидкостях, а
также для разделения газовых или паровых смесей.
После абсорбции одного или нескольких компонентов из газовой или
паровой смеси, как правило, проводят десорбцию, т. е. выделение этих
компонентов из жидкости. Таким образом осуществляют разделение газовой
смеси.
Имеют место физическая абсорбция и хемосорбция. При физической
абсорбции при растворении газа не происходит химической реакции. При
хемосорбции абсорбируемый газ вступает в химическую реакцию в жидкой
фазе.
Процессы абсорбции в технике применяются для разделения
углеводородных газов и получения соляной и сернистой кислот.
При взаимодействии газа с жидкостью возникает система, состоящая
из двух фаз (Ф–2) и трех компонентов – распределяемого вещества и двух
веществ носителей (К–3).
Согласно правилу фаз, такая система имеет три степени свободы:
С
К
2
Ф
3
2
2
3.
Тремя основными параметрами, определяющими фазовое равновесие в
системе, являются давление, температура и концентрация.
В этом случае можно произвольно изменять общее давление р, температуру t и концентрацию х распределяемого вещества в одной из фаз. При
постоянных температуре и давлении, что имеет место в процессах абсорбции,
каждой концентрации распределяемого вещества в одной фазе соответствует
строго определенная концентрация в другой.
В
условиях
равновесия
при
const
зависимость
между
равновесными концентрациями выражается законом Генри, который гласит:
133
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
при данной температуре мольная доля газа в растворе прямо пропорциональна
парциальному давлению газа над раствором:
,
или
,
где
р – парциальное
давление
газа,
равновесное
с
раствором,
имеющим
концентрацию х, долей моля;
Е – константа Генри.
Константа Генри зависит от природы растворяющегося вещества
абсорбтива, абсорбента и температуры:
ln
,
где q – теплота растворения газа, кДж/кмоль;
R = 8,325 кДж/(кмоль•град) – универсальная газовая постоянная;
Т – абсолютная температура растворения К;
С – постоянная, зависящая от природы газа и жидкости, определяемая опытным
путем.
Из равенства видно, что с ростом температуры растворимость газов в
жидкостях уменьшается.
Парциальное
соответствующее
давление
растворяемого
равновесию,
может
быть
газа
в
газовой
заменено
фазе,
равновесной
концентрацией. Согласно закону Дальтона, парциальное давление компонента
в газовой смеси равно общему давлению, умноженному на мольную долю
этого компонента в смеси, т. е.
,
,
где Р – общее давление газовой смеси;
у – концентрация распределяемого вещества в смеси, долей моля.
Сопоставляя уравнения, найдем
,
или, обозначая константу фазового равновесия Е/Р через m, получим
.
134
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Уравнение показывает, что зависимость между равновесными
концентрациями распределяемого компонента в газовой смеси и в жидкости
выражается прямой линией, проходящей через начало координат, тангенс угла
наклона которой равен m. Тангенс угла наклона зависит от температуры и
давления.
С
увеличением
давления
и
уменьшением
температуры
растворимость газа в жидкости увеличивается. Когда в равновесии с
жидкостью находится смесь газов, то закону Генри может следовать каждый
из газовых компонентов смеси.
12.4. Устройство абсорберов
При абсорбции процесс массопередачи протекает на поверхности
соприкосновения взаимодействующих фаз. В связи с этим в абсорберах
стремятся создать развитую поверхность между газом и жидкостью. По
способу образования этой поверхности различают абсорберы поверхностные,
барботажные и распыливающие.
Поверхностные абсорберы. В абсорберах этого типа газ и жидкость
соприкасаются
на
развитой
поверхности
пленки
или
поверхности,
создаваемой насадкой различной формы. Самой распространенной формой
насадки являются тонкостенные ( δ = 2...5мм ) полые керамические кольца
Рашига (рис. 46а); в них высота равна диаметру, величина которого составляет
от 15 до 100 мм. Кольца насыпают в абсорбер на решетку, обычно
беспорядочно. Кроме колец Рашига применяют кольца с перегородками
(рис. 46б), спиральные кольца (рис. 46в), насадку в виде пропеллеров
(рис. 46д), седлообразные элементы (рис. 46е) и др. Для этих же целей
применяют и хордовую насадку (рис. 46ж), изготовленную из деревянных
реек, уложенных ребром в абсорбере в виде решеток так, что они сдвинуты
одна относительно другой на 45 или 90°. В качестве насадок применяют также
слой из кусков кокса или кварца размером до 25…100 мм, а в последнее время
получают
применение
абсорберы
с
135
шаровой
насадкой
из
полых
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
полиэтиленовых шаров (рис. 46г) диаметром 25...35 мм, засыпанных слоем на
1/3 высоты пространства между решетками (тарелками). Такой слой
подвижной насадки значительно увеличивает поверхность контакта фаз, а
следовательно, повышает эффективность работы абсорбера.
Рисунок 46 – Насадки абсорбционных аппаратов
Основными величинами, характеризующими насадки, являются:
а) удельная поверхность
f
(в м2/м3) – поверхность насадки,
заполняющей 1 м3 емкости абсорбера;
б) свободный объем Vc (в м3/м3) – свободный объем в 1 м3 пространства,
занимаемого насадкой;
в) объемная масса насадки ρ (в кг/м3).
На рисунке 47 показан общий вид насадочного абсорбера; в нем
жидкость подается через распределительное устройство 1, обеспечивающее
равномерное орошение по всему сечению неподвижной насадки 2. Стекающая
по насадке жидкость смещается к стенкам газовым потоком, идущим снизу,
что ухудшает контакт между фазами. Для устранения этого нежелательного
явления насадка в абсорберах диаметром более 300 мм насыпается слоями
1,5…3 м на решетки 3, под которыми расположен конус 4, направляющий
стекающую жидкость к центру нижерасположенного слоя насадки.
136
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 47 – Насадочный абсорбер
Насадочные
абсорберы
отличаются
простотой
устройства
и
пригодностью к работе с агрессивными средами. Однако для достижения
полной смачиваемости насадки и устойчивой работы они требуют достаточно
высокой плотности орошения (объем жидкости, проходящей через единицу
площади поперечного сечения абсорбера в единицу времени).
Барботажные абсорберы. В барботажных абсорберах поверхность
соприкосновения фаз образуется потоками газа, проходящего через слой
жидкости на тарелке в виде пузырьков и струек. Такое движение газа,
называемое барботажем, осуществляется в колоннах с колпачковыми,
ситчатыми или провальными тарелками.
Распыливающие
абсорберы.
В
распыливающих
абсорберах
поверхность соприкосновения фаз создается путем распыления жидкости в
массе газа на мелкие капли. Такие абсорберы изготовляются в виде колонн, в
которых распыление жидкости производится сверху, а газ движется снизу
вверх, их обычно применяют для хорошо растворимых в жидкости газов.
137
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Общая поверхность капель возрастает с увеличением плотности орошения и с
уменьшением их размеров. Поэтому для эффективной работы абсорбера
большая плотность орошения имеет решающее значение. Распыление
жидкости производят механическими или пневматическими форсунками или
центробежными распылителями.
12.5. Расчет абсорберов
Расчет абсорберов заключается в определении расхода абсорбента,
гидравлического сопротивления, диаметра и высоты абсорбера.
При расчете абсорберов обычно известны расход газа, состав,
начальная и конечная концентрации газовой смеси, начальная концентрация
газа в абсорбенте.
Расход абсорбента определяется из уравнения материального баланса.
Гидравлическое сопротивление зависит от конструкции абсорбера и
гидродинамического режима его работы. Гидравлическое сопротивление
рассчитывается по оптимальной скорости газа, которая определяется на
основании технико-экономического расчета.
Диаметр абсорбера определяют по линейной скорости газа.
Высоту абсорберов рассчитывают по модифицированному уравнению
массопередачи.
Схемы расчета пленочных и насадочных абсорберов однотипные.
Расчет тарельчатых абсорберов имеет свои отличительные особенности.
При расчете пленочных абсорберов величину гидравлического
сопротивления рассчитывают по уравнению Дарси-Вейсбаха:
∆
λ
отн г
эк
,
где λ – коэффициент гидравлического сопротивления;
Н – высота поверхности, по которой стекает пленка, м;
dэк – эквивалентный диаметр канала, по которому движется газ, м;
отн
ср –
относительная скорость газа, м/с;
138
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ср
– средняя скорость течения пленки, м/с;
ρг – плотность газа, кг/м3.
Коэффициент гидравлического сопротивления зависит от величин
критериев Рейнольдса для газа и пленки.
При расчете насадочных абсорберов для насадки, не орошаемой
жидкостью, гидравлическое сопротивление (Па) потоку газа (пара) может
быть определено по уравнению
∆
λ
г
г
эк
,
где λ – коэффициент гидравлического сопротивления;
Н – высота насадки, м;
dэк – эквивалентный диаметр насадки, м;
г
– скорость газа, м/с;
ρг – плотность газа, кг/м.
При орошении насадочной колонны жидкостью гидравлическое
сопротивление колонны увеличивается с ростом плотности потока газа (пара)
и плотности орошения и достигает максимума при режиме захлебывания.
Вопросы для самоконтроля
1. Какие признаки объединяют все массообменные процессы?
2. Какое состояние системы называют равновесным?
3. В каком направлении протекают массообменные процессы? Как
выражается движущая сила процесса?
4. Какой закон описывает молекулярную диффузию?
5. Какова сущность абсорбции? Каким законам массопередачи подчиняется
процесс абсорбции?
6. Какому закону подчиняется равновесие в процессах абсорбции? Какие
факторы способствуют абсорбции и десорбции?
7. Что является движущей силой абсорбции? Как она определяется?
8. Какие конструкции абсорберов применяются в промышленности?
139
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
9. При каких режимах могут работать насадочные абсорберы?
10. Какие применяются насадки в абсорберах? Каким требованиям должны
удовлетворять насадки?
11. В чем заключается расчет насадочных и тарельчатых абсорберов?
13. Адсорбция
13.1. Адсорбенты, применяемые в пищевых производствах
Адсорбцией называется процесс поглощения газов или паров из
газовых смесей или растворенных веществ из растворов твердыми
поглотителями
–
адсорбентами.
Поглощаемое
вещество
называется
адсорбтивом.
Характерными особенностями процессов адсорбции являются их
избирательность и обратимость. Благодаря обратимости процесса возможно
поглощение из парогазовых смесей или растворов одного или нескольких
компонентов, а затем в определенных условиях выделение их из адсорбента.
Процесс, обратный адсорбции, называется десорбцией. Адсорбция
широко распространена в различных отраслях промышленности для очистки
и осушки газов, очистки и осветления растворов, разделения парогазовых
смесей, для извлечения ценных летучих растворителей из их смеси с другими
газами.
В
пищевой
технологии
адсорбция
используется
для
очистки
диффузионного сока и сахарных сиропов в сахарном производстве,
осветления пива и фруктовых соков, очистки от органических и других
соединений спирта, водки, коньяка и вин, сиропов в крахмало-паточном
производстве и др.
Различают физическую и химическую адсорбцию. Физическая
адсорбция имеет место при взаимном притяжении молекул адсорбтива и
адсорбента под действием сил Ван-дер-Ваальса. При физической адсорбции
140
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
не возникает химического взаимодействия адсорбированного газа с
адсорбентом.
Химическая
адсорбция,
или
хемосорбция,
характеризуется
образованием химической связи между молекулами поглощенного вещества и
молекулами адсорбента, что является результатом химической реакции.
В
пищевых
производствах
широко
используются
следующие
адсорбенты: активные угли, силикагели (гель кремниевой кислоты),
алюмогели (гидроокись алюминия), цеолиты, глины и другие природные
адсорбенты.
Адсорбенты,
которые
непосредственно
контактируют
с
продуктами, должны быть биологически безвредными, т. е. должны быть
нетоксичными и прочными, не засорять продукт.
Адсорбенты
характеризуются
поглотительной
способностью
(активностью), определяемой количеством вещества, поглощенного единицей
массы или объема адсорбента.
13.2. Равновесие в адсорбционных процессах
Независимо от природы адсорбционных сил количество вещества,
адсорбированного единицей массы или объема определенного адсорбента,
зависит от природы поглощенного вещества, температуры, давления и
количества примесей в фазе, из которой поглощается вещество.
Зависимость между равновесными концентрациями поглощенного
вещества в твердой и газовой или жидкой фазах в общем виде выражается
уравнением
или
,
где хρ – относительная концентрация поглощаемого вещества (адсорбтива) в
адсорбенте, равновесная с концентрацией адсорбтива в газовой или
жидкой фазе, кг адсорбтива на 1 кг адсорбента;
у – относительная концентрация адсорбтива в паровой или жидкой фазе, кг
адсорбтива на 1 кг инертной части;
р – равновесное давление адсорбтива в парогазовой смеси, Н/м2.
141
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Зависимости, описываемые уравнениями, называются изотермами
адсорбции. На основании химической термодинамики найдены конкретные
выражения изотермической адсорбции, называемые изотермами Лэнгмюра:
,
,
где хр – концентрация поглощенного адсорбентом вещества, кг на 1 кг адсорбента;
р – равновесное давление адсорбента в парогазовой смеси, Н/м2;
k, n, a, b – константы, определяемые опытным путем.
13.3. Кинетика адсорбции
Процесс диффузии поглощаемого вещества в адсорбенте зависит от
суммарного объема пор, температуры и давления пара адсорбтива, а также от
изменения концентрации вещества в процессе адсорбции.
Наиболее доступной для понимания кинетики адсорбции является
модель противогаза, когда в стационарный слой адсорбента подается поток с
начальной концентрацией поглощаемого вещества у. Допускаем, что поток
через слой адсорбента движется без перемешивания в режиме идеального
вытеснения. Через некоторый промежуток времени на начальном или, как
принято говорить, на фронтальном участке слоя адсорбента вследствие его
насыщения
адсорбция
адсорбтива
практически
прекращается
и
сорбирующиеся вещества «проскакивают» через этот «отработанный» слой
без изменения концентрации, а зона адсорбции перемещается в последующие
слои за фронтальным участком. Распределение адсорбтива по высоте слоя
происходит плавно с образованием фронта адсорбции. Изменение фронта
адсорбции показано на рисунке 48, на котором приведены кривые
распределения относительной концентрации адсорбтива по высоте h слоя
адсорбента в моменты времени
н
,
,
,…
– время от начала процесса.
142
, причем
…
н,
где
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 48 – Кривые распределения относительной концентрации
адсорбтива по высоте h слоя адсорбента
По истечении некоторого промежутка времени профиль фронта
адсорбции не изменяется. Продолжительность работы слоя адсорбента до
насыщения его фронтального участка адсорбтивом называется периодом
формирования фронта адсорбции. Зона адсорбции перемещается во
времени по всему слою адсорбента, при этом плавно изменяется
концентрация адсорбтива в слое. Происходит перемещение фронта
адсорбции
с
соответствующий
некоторой
началу
постоянной
«проскока»
скоростью.
адсорбтива,
В
момент,
заканчивается
адсорбционное, или защитное, действие слоя адсорбента.
Средняя концентрация адсорбтива в слое адсорбента в момент
«проскока» называется динамической активностью слоя адсорбента.
Участок слоя адсорбента hо, на котором происходит изменение
концентрации поглощаемого вещества от начальной до концентрации,
соответствующей началу «проскока», называется работающим слоем, а
соответствующий промежуток времени – временем защитного действия.
И. А. Шиловым было получено уравнение для описания перемещения
фронта адсорбции с постоянной скоростью u. Время защитного действия,
или адсорбции
143
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
τ
где
h
u
kh – τ0
– τ0 ,
– коэффициент защитного действия слоя;
τ – потеря времени защитного действия слоя.
Для расчета скорости перемещения фронта адсорбции предложено
уравнение
н
р.н
н
где v0
– фиктивная скорость потока, равная
,
(
– скорость потока в каналах
между частицами адсорбента);
ε
– порозность слоя адсорбента;
хр.н – концентрация адсорбтива в слое адсорбента, равновесная с объемной
концентрацией ун адсорбтива в потоке.
Высота слоя адсорбента h0 из основного уравнения массопередачи
,
где
– общее число единиц переноса по газовой или жидкой фазе;
,
н
∆
ср
,
где КуV – объемный коэффициент массопередачи.
13.4. Аппараты для адсорбции
Аппараты для проведения процесса адсорбции подразделяют на три
группы: с неподвижным слоем адсорбента, с подвижным слоем, с «кипящим»
слоем адсорбента. Для обработки жидких систем с целью их обесцвечивания
применяют адсорбционные колонны, фильтры и смесители.
Колонный
адсорбер
(рис.
49)
применяют,
например,
для
обесцвечивания сахарных сиропов при помощи активного угля. Он
представляет собой цилиндрический сосуд 1 диаметром до 1,2 м и высотой до
10 м, оборудованный решеткой 4 и разгрузочным люком 5 для угля. На
144
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
решетку помещают металлическое сито, а затем ткань и засыпают уголь,
после чего горловину 2 закрывают крышкой.
Сироп перемещается в адсорбере сверху вниз, выходит из аппарата,
после чего обесцвеченный сироп проходит через контрольный тканевый
фильтр 3, в котором задерживаются частицы угля, увлеченные потоком.
Иногда адсорбент вводят непосредственно в осветляемый раствор,
после чего эту смесь в течение 5…10 мин перемешивают и осветленный
раствор выделяют на фильтре, а адсорбент после регенерации снова
возвращают в производство.
Адсорбер непрерывного действия показан схематически на рисунке 50.
Адсорбент (уголь) циркулирует непрерывно, извлекая из исходного газа,
подаваемого также непрерывно, адсорбируемый компонент. Газ поступает в
нижнюю часть поглотительной камеры 1, а уголь – из бункера 2, проходя при
этом через холодильник 3, где он охлаждается. Насыщенный сорбтивом уголь
направляется в десорбер 4, где он подогревается и обрабатывается перегретым
водяным паром. Из десорбера уголь поступает в трубопровод 5. Уголь
транспортируется пневматически. Воздух для транспортировки угля подается
по штуцеру 6. В бункере 2 уголь задерживается, а транспортирующий газ
уходит через штуцер в верхней части бункера.
Рисунок 49 – Колонный
Рисунок 50 – Адсорбер
адсорбер
непрерывного действия
145
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В адсорбере с «кипящим» слоем (рис. 51) пылевидный адсорбент по
трубе 2 непрерывно поступает на решетку 1, а очищаемый газ – под нее и,
проходя с определенной скоростью через слой адсорбента, приводит его в
состояние псевдоожижения. Очищенный газ уходит через патрубок 3, а
адсорбент по трубе 4 направляется на десорбцию.
Рисунок 51 – Адсорбер с «кипящим» слоем
13.5. Ионообменные процессы в пищевых технологиях
Ионообменные процессы широко применяются для водоподготовки
умягчения и обессоливания воды, очистки растворов, разделения смеси
веществ и т. д. В сахарной промышленности иониты используются для
очистки соков и сиропов. С помощью ионитов представляется возможным
удалить из сахарных растворов почти все несахаристые вещества.
В виноделии иониты используются для удаления ионов железа и кальция,
улучшения качества вин, в молочной промышленности – для очистки молока
от ионов кальция и других металлов, в жировом производстве – для очистки
растительного
масла.
технико-экономическим
Ионообменные
показателям
экстракции, ректификации и др.
146
процессы
конкурировать
способны
с
по
процессами
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Ионообменные процессы отличаются от адсорбционных тем, что
происходит обмен ионами между ионитами и раствором. При этом ионы из
растворов перемещаются к поверхности ионита, а ионы с поверхности ионита
переходят в раствор.
В
качестве
ионитов
используются
твердые,
практически
нерастворимые в воде и органических растворителях природные или
синтетические материалы. Иониты представляют собой мелкозернистые
гранулированные частицы шарообразной формы.
Ионообменная технология получила широкое распространение после
разработки синтетических ионитов, отличающихся большой обменной
емкостью,
механической
прочностью,
нерастворимостью
в
воде
и
агрессивных растворителях, способностью к регенерированию.
Иониты различаются по химическому составу и структуре. Однако все
иониты построены по одному принципу: имеют матрицу, несущую
избыточный заряд, и противоионы. Матрица ионообменных смол состоит из
полимерной пространственной сетки гидрофобных углеводородных цепей.
Строение матрицы обусловливает способность ионообменных смол набухать
в воде и растворителях.
В матрице расположены функционально активные группы, придающие
смоле ионообменные свойства. От характера активных групп зависят знаки
зарядов матрицы ионита и подвижных ионов.
По знаку заряда обменивающихся проионов иониты подразделяют на
катиониты и аниониты.
Катиониты имеют кислотный характер и обладают способностью
обменивать
положительно
сульфогруппы
SO
заряженные
ионы.
Катиониты
, карбоксильные группы – НСОО
содержат
, фосфоновые
группы – РО Н – , несущие отрицательный заряд.
Аниониты содержат амидогруппы
несущие положительный заряд.
147
NH , аминогруппы
NH ,
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
13.6. Расчет адсорберов
Расчет
определении
адсорберов
высоты
периодического
слоя
адсорбента.
действия
Количество
заключается
адсорбента
в
для
поглощения адсорбтива из исходной смеси с начальной концентрацией ун до
конечной ук можно определить из материального баланса:
н
н
,
где G и Vа – количество газовой (жидкой) смеси и адсорбента, кг;
хн, хК – концентрации адсорбтива и адсорбента, г/кг.
Принимая, что х = 0, а хk → хр, получим
н
,
или, если требуется определить конечное содержание адсорбтива в смеси,
н.
Последнее уравнение представляет собой прямую с тангенсом угла
наклона, равным tg
в координатах у – х.
Диаметр адсорбера определяется в зависимости от расхода V (в м3/с)
парогазовой смеси или раствора через слой адсорбента и скорости потока V0
по формуле
0,785 .
Высота слоя адсорбента
,
H
, где ρн – насыпная плотность
адсорбента, кг/м3.
Высоту
слоя
адсорбента
также
можно
найти
на
основании
экспериментального определения времени защитного действия слоя или
приняв его исходя из технологических требований по уравнению
.
Потерю времени защитного действия слоя τ0 можно приближенно
определить по уравнению
148
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
,
τ
,
где h0 – высота зоны массопередачи.
Исходя из высоты слоя адсорбента и конструктивных соображений
определяют высоту адсорбера.
При расчете непрерывно действующих адсорберов определяют
высоту колонны, рабочий объем, диаметр и число тарелок.
Высота
адсорбера
определяется
по
основному
уравнению
массопередачи, которое записывается так:
∆
τ
σ∆
τ,
где Vа – количество адсорбента в адсорбере, кг;
σ – удельная площадь поверхности адсорбента в условиях проведения процесса,
м2/кг.
Вопросы для самоконтроля
1. В чем сущность процесса адсорбции?
2. Какими механизмами взаимодействия между молекулами адсорбтива и
адсорбента сопровождается адсорбция?
3. Какими свойствами должны обладать адсорбенты?
4. От каких факторов зависит равновесие при адсорбции?
5. Как определяется и от чего зависит высота слоя адсорбента?
6. Какие конструкции адсорберов применяют для очистки газовых
выбросов?
7. Какие конструкции адсорберов применяют для очистки растворов в
промышленности?
8. Какие схемы адсорбционных установок применяют для очистки
растворов и газовых выбросов?
9. В чем заключается расчет адсорберов периодического и непрерывного
действия?
149
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
14. Экстракция
14.1. Экстракция в системе «жидкость – жидкость»
Экстракцией в системе «жидкость – жидкость» называется процесс
извлечения растворенного вещества или веществ из жидкости с помощью
специальной другой жидкости, не растворяющейся или почти не растворяющейся в первой, но растворяющей экстрагируемые компоненты.
В экстрактор (рис. 52) загружаются исходный раствор F, содержащий
распределяемое (экстрагируемое) вещество или вещества М, и растворитель L.
Жидкость,
используемая
экстрагентом
(Е).
для
Массообмен
извлечения
между
компонентов,
фазами
называется
протекает
при
их
непосредственном контакте. Полученная в результате экстракции жидкая
смесь поступает в разделитель, где разделяется на экстракт (Э) – раствор
экстрагированных веществ в экстрагенте и рафинат (R) – остаточный раствор,
из которого экстрагированы извлекаемые компоненты. Разделение смеси на
экстракт и рафинат происходит в результате отстаивания или сепарирования.
Рисунок 52 – Принципиальная схема экстракции
Процесс экстракции проводится в аппаратах различной конструкции –
экстракторах.
Экстракция широко используется для извлечения ценных продуктов из
разбавленных растворов, а также для получения концентрированных
растворов.
Основным
температура
достоинством
процесса,
что
экстракции
позволяет
150
является
разделять
низкая
жидкие
рабочая
смеси
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
термолабильных веществ, например антибиотиков, разлагающихся при
повышенных температурах.
Во
многих
случаях
экстракция
применяется
в
сочетании
с
ректификацией. Поскольку расход теплоты на ректификацию уменьшается с
увеличением
концентрации
исходного
раствора,
предварительное
концентрирование раствора экстракцией позволяет сократить расход теплоты
на разделение исходной смеси.
Переход распределяемого вещества из одной жидкой фазы (исходного
раствора) в другую (экстрагент) происходит до установления равновесия, т. е.
до выравнивания химических потенциалов в фазах. В процессе участвуют три
компонента (К = 3) и две фазы (Ф = 2). Согласно правилу фаз, вариантность
системы Р = 3. Однако температура и давление при проведении процесса
экстракции, как правило, поддерживаются постоянными. Тогда вариантность
экстракционной системы будет равняться единице.
Следовательно, данной концентрации распределяемого вещества в
одной фазе в состоянии равновесия соответствует определенная концентрация
в другой.
Равновесие в процессах экстракции характеризует коэффициент
распределения φ, который равен отношению равновесных концентраций
экстрагируемого вещества в обеих жидких фазах – в экстракте и рафинате.
В простейших системах достаточно разбавленных растворов, при
постоянной температуре коэффициент распределения не зависит от
концентрации распределяемого вещества и φ
, где ур, х – равновесные
концентрации распределяемого вещества в экстракте и рафинате. В этом
случае линия равновесия – прямая
P
φ .
151
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
14.2. Выщелачивание
Выщелачиванием (выщелачивание – частный случай экстракции)
называется извлечение из твердого тела одного или нескольких веществ с
помощью растворителя, обладающего избирательной способностью.
В
пищевой
промышленности
выщелачиванием
обрабатывают
капиллярно-пористые тела растительного или животного происхождения.
В качестве растворителей применяются: вода – для экстрагирования
сахара из свеклы, кофе, цикория, чая; спирт и водно-спиртовая смесь для
получения настоев в ликероводочном и пивобезалкогольном производствах;
бензин,
трихлорэтилен,
дихлорэтан
–
в
маслоэкстракционном
и
эфиромасличном производствах и др. Выщелачивание является основным
процессом в свеклосахарном производстве и применяется для извлечения
сахара из сахарной свеклы. С помощью бензина извлекается растительное
масло из семян подсолнечника.
За выщелачиванием в технологической схеме часто следуют процессы
фильтрования, выпаривания и кристаллизации.
Процесс выщелачивания заключается в проникновении растворителя в
поры твердого тела и растворении извлекаемых веществ.
Равновесие при выщелачивании устанавливается при выравнивании
величин химических потенциалов растворенного вещества и его химического
потенциала в твердом материале. Достигаемая концентрация раствора,
соответствующая его насыщению, называется растворимостью.
Выщелачивание
представляет
собой
сложный
многостадийный
процесс, который заключается в диффузии растворителя в поры твердого тела,
растворении извлекаемых веществ или вещества, диффузии экстрагируемых
веществ в капиллярах внутри твердого тела к поверхности раздела фаз и
массопередачи
экстрагируемых
веществ
в
жидком
поверхности раздела фаз в ядро потока экстрагента.
152
растворителе
от
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Из перечисленных четырех стадий процесса лимитирующими общую
скорость массопередачи являются, как правило, последние две, так как
скорость массопереноса на первых двух стадиях обычно значительно выше по
сравнению со скоростью протекания двух последующих стадий.
Движущей силой процесса выщелачивания является разность между
концентрацией экстрагируемого вещества у поверхности твердого тела
гр
нас
и его средней концентрацией в массе экстрагента уср.
Скорость процесса в этом случае
β
нас
ср
,
где βу – коэффициент массоотдачи в жидкой фазе.
Скорость молекулярной диффузии в пограничном слое толщиной δ
определяется по уравнению Фика
нас
ср
,
где D – коэффициент молекулярной диффузии.
14.3. Классификация экстракторов
Экстракторы
по
принципу
организации
процесса
бывают
непрерывного и периодического действия.
В зависимости от способа контакта фаз экстракторы можно разделить
на
две
группы:
ступенчатые,
или
секционные,
и
дифференциа-
льно-контактные.
Ступенчатые (секционные) экстракторы состоят из отдельных
секций,
в
которых
изменение
концентрации
в
фазах
происходит
скачкообразно. В ряде случаев каждая секция приближается по полю
концентраций к аппарату идеального смешения. Экстрактор, состоящий из
нескольких таких секций, по полю концентраций приближается к аппарату
идеального вытеснения.
153
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Необходимость разделения фаз после каждой секции экстракции в
случае плохо разделяемых эмульсий может приводить к значительному
увеличению размеров экстрактора.
Дифференциально-контактные
экстракторы
обеспечивают
непрерывный контакт между фазами и плавное непрерывное изменение
концентраций в фазах. За счет продольного перемешивания фаз в таких
аппаратах может иметь место значительное снижение средней движущей
силы по сравнению с аппаратами идеального вытеснения.
В описанных экстракторах обменивающиеся среды перемещаются за
счет силы тяжести. Поэтому они называются гравитационными. Чтобы
увеличить диспергирование жидкости и улучшить контакт, применяют
аппараты с различными перемешивающими устройствами, аппараты с
мешалками, аппараты с пульсаторами, центробежные аппараты.
Аппараты с перемешивающими устройствами. В колонне с полками
и мешалкой (рис. 53а) неподвижные кольцеобразные полки укреплены на
корпусе. Диски, расположенные в центре колонны, укреплены на валу,
вращающемся с частотой 400…600 об/мин. Тяжелая жидкость, стекающая
вниз,
падает
на
быстровращающиеся
диски
и
разбрызгивается,
перемешиваясь с поднимающейся снизу легкой жидкостью. В таких колоннах
одной ступени концентрации соответствует 0,2…0,4 м высоты колонны.
Для интенсификации процесса экстракции могут быть использованы
пульсации в гравитационных колоннах любого типа. На рисунке 53б показана
установка пульсатора при полочной колонне. Устройство для приведения
массы в колонне в пульсирующее состояние представляет собой трубопровод,
на котором установлена эластичная диафрагма. При помощи насоса
диафрагма приводится в состояние быстрого возвратно-поступательного
движения. Возникающие колебания передаются всей массе жидкости в
колонне, увеличивая взаимное перемешивание жидкостей. Эффективность
работы колонны зависит от частоты и амплитуды (отклонения диафрагмы)
пульсаций. Рекомендуется принимать 200…300 колебаний в минуту при
амплитуде 1…2 мм.
154
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
а)
б)
Рисунок 53 – Экстракторы с перемешиванием сред
Центробежные экстракторы. При малой разности плотностей
жидкостей разделение их достигается под действием центробежных сил.
Центробежный экстрактор, схема движения жидкости в котором показана на
рисунке 54, состоит из горизонтального цилиндрического барабана,
вращающегося с частотой 5000 об/мин. Внутри барабан разделен спиральной
перфорированной перегородкой 1 на каналы 2 прямоугольного сечения.
Жидкости подаются в аппарат с помощью насосов по обособленным каналам.
В барабане, двигаясь противотоком, они многократно смешиваются при
истечении через отверстия и разделяются под действием центробежной силы.
Рисунок 54 – Движение жидкостей в ротационном экстракторе
Основным регулируемым
параметром процесса экстрагирования
является конечное содержание извлекаемого вещества в исходной смеси,
155
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
которое зависит от производительности экстрактора, расхода экстрагента,
температуры процесса и его продолжительности.
Тарельчатые экстракторы представляют собой колонные аппараты с
ситчатыми тарелками различных конструкций, снабженными переливными
устройствами. Взаимодействие фаз происходит в перекрестном токе на
каждой тарелке. Диспергируемая фаза (легкая или тяжелая) проходит через
отверстия в тарелках и дробится на капли. Сплошная фаза движется вдоль
тарелки от перелива к переливу. Капли на тарелках коалесцируют и образуют
сплошной слой жидкости над тарелкой (тяжелая жидкость) или под тарелкой
(легкая жидкость). Подпорный слой секционирует экстрактор по высоте и
обеспечивает подпор для диспергирования жидкости через отверстия тарелок.
Секционирование экстрактора снижает обратное перемешивание фаз и
приводит к увеличению средней движущей силы процесса.
Скорость дисперсной фазы в отверстиях тарелки определяется из
условий создания струйного режима. Критическая скорость, соответствующая
переходу от капельного режима к струйному, определяется в зависимости от
диаметра отверстий:
кр
,
.
Для работы экстрактора в устойчивом струйном режиме скорость
увеличивают примерно на 20 % по сравнению с критической.
На рисунке 55 изображена тарелочная колонна с ситчатыми тарелками.
В этих тарелках легкая жидкость поднимается вверх, проходя через отверстия
диаметром 2…10 мм. Тяжелая жидкость течет по тарелкам, перетекая с одной
на другую по сливным трубам, поднятым над тарелками. Расстояние между
тарелками от 0,15 до 0,6 м. Живое сечение тарелки 10…15 %.
156
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 55 – Тарелочная колонна
Вопросы для самоконтроля
1. В чем сущность процесса экстракции? Какие компоненты участвуют в
процессе экстракции?
2. Какие факторы определяют равновесие в процессе экстракции? От чего
зависит коэффициент распределения?
3. При каких условиях равновесие в процессе экстракции описывается
прямой линией?
4. В каких аппаратах проводят процессы экстракции?
5. Какие
преимущества
имеют
экстракторы
с
перемешивающими
устройствами по сравнению с гравитационными?
15. Сушка пищевого сырья
15.1. Общие сведения
Сушкой называется процесс удаления влаги из твердых влажных,
пастообразных или жидких материалов (суспензий) путем ее испарения и
отвода образовавшихся паров.
157
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Сушка является сложным тепломассообменным процессом. Скорость
сушки во многих случаях определяется скоростью внутридиффузионного
переноса влаги в твердом теле.
Сушке подвергаются пищевые материалы, находящиеся в различном
агрегатном состоянии, а именно: гранулированные, формованные и
зернистые; пастообразные; растворы и суспензии.
Выбор метода сушки и типа сушилки осуществляется на основе
комплексного анализа свойств пищевых материалов как объектов сушки.
Наиболее важными отличительными свойствами пищевых материалов,
которые следует учитывать при выборе метода сушки, являются низкая
термостойкость, склонность к окислению и деструкции; склонность к
короблению и потере товарного вида; неоднородность материала по
начальному содержанию воды; наличие активных биохимических и
химически активных веществ и ряд других особенностей.
Основными путями интенсификации процессов сушки и повышения
экономичности работы сушилок являются:
− проведение
процессов
гидродинамической
в
условиях
обстановки,
что
эффективной
позволяет
значительно
увеличить коэффициенты тепломассоотдачи;
− применение комбинированных способов подвода теплоты, что
позволяет
наиболее
рационально
нагревать
материал
до
температуры сушки;
− создание комбинированных сушильных агрегатов, например
первая ступень сушки – в разбавленном псевдоожиженном слое,
вторая – сушка в псевдоожижающем слое; распылительная сушка в
сочетании с сушкой в псевдоожиженном слое и др.;
− создание
сушильных
агрегатов
с
замкнутым
циклом
теплоносителя.
По
способу
подвода
теплоты
применяются следующие методы сушки:
158
к
высушиваемому
материалу
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
− конвективная,
или
воздушная,
сушка
–
подвод
теплоты
осуществляется при непосредственном контакте сушильного агента
с высушиваемым материалом;
− контактная сушка – путем передачи теплоты от теплоносителя
(например, насыщенного водяного пара) к материалу через
разделяющую их стенку;
− радиационная сушка – путем передачи теплоты инфракрасными
излучателями;
− диэлектрическая
сушка
(СВЧ-сушка)
–
путем
нагревания
материала в поле токов высокой частоты;
− сублимационная
сушка
–
сушка
в
глубоком
вакууме
в
замороженном состоянии.
15.2. Формы связи влаги с материалом
Связанная влага может существовать в следующих формах:
− химически связанная влага, образующаяся в результате химической
реакции;
− физико-химически связанная влага, образующаяся при адсорбции
молекул газа через полунепроницаемую оболочку;
− физико-механически связанная влага, возникающая при поглощении
паров микрокапиллярами (r <10–7), макрокапиллярами (r >10–7), а
также при образовании геля.
Наиболее легко удаляется поверхностная влага и наиболее трудно –
химически связанная влага.
Химически связанная влага представляет собой воду гидроокиси,
вошедшую в результате реакции гидратации в состав гидроокисей и
соединений типа кристаллогидратов. Эту влагу можно удалить в результате
прокаливания.
159
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Формы физико-химической связи разнообразны. Адсорбционно
связанная влага удерживается у поверхности раздела коллоидных частиц с
окружающей средой. Обладая большой площадью поверхности, коллоидные
структуры имеют большую адсорбционную способность. Адсорбционная
влага удерживается молекулярным силовым полем. Адсорбция влаги
сопровождается
выделением
теплоты,
которая
называется
теплотой
гидратации.
Осмотически связанная влага, или влага набухания, находится внутри
скелета материала и удерживается осмотическими силами.
Капиллярно
микрокапилляров.
связанная
Эта
влага
влага
находится
механически
внутри
связана
с
макро-
материалом
и
и
относительно легко удаляется. Давление пара над поверхностью материала
тем меньше, чем прочнее связь между водой и материалом. Наиболее прочна
эта связь у гигроскопичных веществ.
15.3. Состояния материала при контакте с влажным воздухом
Каждый твердый влажный материал способен поглощать влагу из
окружающей среды или отдавать ее окружающей среде. Окружающая
влажный материал среда может содержать либо только водяной пар, либо
смесь водяного пара с газами. Обозначим парциальное давление водяного
пара в смеси с воздухом через pn. Влаге, содержащейся во влажном материале,
соответствует определенное давление водяного пара pм, называемое
давлением водяного пара во влажном материале.
При контакте материала с влажным воздухом возможны три состояния
системы:
− давление водяного пара во влажном высушиваемом материале
больше, чем его парциальное давление в окружающем материал
воздухе или газе, т. е. рм > рn. В этом случае происходит процесс
десорбции влаги из материала в окружающую среду, т. е. процесс
160
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
сушки. Давление водяного пара в высушиваемом материале рм
зависит от влажности материала, температуры и характера связи
влаги с материалом;
− парциальное давление пара в окружающей среде больше, чем его
давление во влажном материале, т. е. рn > рм. В этом случае
происходит сорбция влаги материалом, т. е. процесс увлажнения
материала;
− давления водяного пара во влажном материале и в окружающей
среде равны, т. е. рм = рn. В этом случае наступает динамическое
равновесие.
Влажность
равновесие,
материала,
называется
при
которой
равновесной
наступает
влажностью
WР.
динамическое
Равновесная
влажность зависит от парциального давления водяного пара pn или
пропорциональной ему относительной влажности воздуха φ. Зависимость
равновесной влажности от φ при
const называется изотермой сорбции и
устанавливается экспериментальным путем.
15.4. Скорость сушки
Сушка является сложным тепломассообменным процессом. Влага из
влажного материала к поверхности раздела фаз перемещается за счет
массопроводности, а от поверхности раздела фаз в ядро газового потока – за
счет конвективной диффузии.
Диффузия влаги в материале происходит не только вследствие
градиента влагосодержания материала, но и под действием температурного
градиента.
Аналитическое описание диффузии влаги в материале представляет
достаточно сложную задачу. Процесс сушки протекает со скоростью,
зависящей от формы связи влаги с материалом и механизма диффузии влаги в
161
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
материале. Кинетика сушки характеризуется изменением во времени средней
влажности материала, или влагосодержания.
Для определения скорости сушки опытным путем получают кривую
сушки, а затем, дифференцируя ее, – кривую скорости сушки.
Зависимость между средней влажностью материала и временем сушки
изображается кривой сушки (рис. 56). На этом же рисунке приведена
зависимость температуры материала от его влажности. Типичная кривая
сушки состоит из нескольких участков, соответствующих различным
периодам сушки. После периода прогрева материала до температуры сушки
(участок АВ) наступает период постоянной скорости сушки (I период). В этот
период температура материала принимает значение, равное температуре
мокрого термометра 1 м (отрезок ВС на температурной кривой). В период
постоянной скорости сушки теплота, подводимая к материалу, расходуется на
испарение
свободной
влаги.
Период
постоянной
скорости
сушки
изображается прямой линией с постоянным тангенсом угла наклона (отрезок
ВС). Этот период продолжается до достижения первой критической
влажности Wкр. Начиная с Wкр наступает период падающей скорости. В этом
периоде снижение влажности материала выражается кривой СЕ.
Рисунок 56 – Зависимость между средней влажностью материала
и временем сушки
В период падающей скорости удаляется связанная влага и температура
материала повышается по кривой С1Е1. В конце сушки влажность материала
асимптотически приближается к равновесной влажности Wр. При достижении
равновесной влажности прекращается удаление влаги из материала. В этот
162
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
момент температура материала достигает значения, равного температуре
окружающего материал теплоносителя (точка Е1). Однако для достижения
равновесной влажности требуется значительное время.
Скорость
сушки
представляет
собой
изменение
влажности
(влагосодержания) в единицу времени: dw / d τ (в %/ч), или dx dτ (в с–1).
Скорость сушки для данной влажности (влагосодержания) материала
выражается тангенсом угла наклона касательной, проведенной к точке кривой
сушки, определяющим влажность, или влагосодержание, материала.
По данным о скорости сушки строится кривая скорости сушки.
Горизонтальный отрезок ВС определяет скорость в I периоде сушки, а отрезок
СЕ – во II периоде сушки
В I периоде сушки удаляется свободная влага, и скорость сушки
определяется сопротивлением массопереносу во внешнедиффузионной области,
т. е. значением конвективного коэффициента массоотдачи. В точке С,
соответствующей первой критической влажности Wкр, влажность на поверхности
материала становится равной гигроскопической. Со значения Wкр начинается
удаление из материала связанной влаги, и скорость процесса сушки снижается.
15.5. Материальный и тепловой баланс сушки
Схема конвективной сушилки приведена на рисунке 57.
Рисунок 57 – Схема конвективной сушилки:
1 – корпус; 2 – материал; 3 – ленточный транспортер; 4 – дополнительный
калорифер; 5 – основной калорифер; 6 – вентилятор
163
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Обозначим количество влажного материала, поступающего на сушку,
Gн (кг/ч), количество высушенного материала Gк (кг/ч), начальную и
конечную влажность материала масс.% соответственно через W1 и W2, а
количество влаги, удаляемой при сушке, через W (кг/ч).
Материальный баланс процесса можно представить равенством:
н
, или
к
к.
н
Для количества сухого вещества
н
100
к
100
,
или
к
.
н
Материальный баланс влаги
,
откуда расход сухого воздуха
.
Удельный расход воздуха (расход на 1 кг испаряемой при сушке влаги)
.
Тепловой баланс конвективной сушки составим по тому же рисунку.
На сушку поступает влажный материал в количестве
(кг/ч), который
расположен на конвейере массой Gт (кг/ч). В сушилку подается L кг/ч
абсолютно сухого воздуха. При подогреве воздуха в калорифере к нему
подводится Qк кДж/ч теплоты, а в сушильной камере дополнительно может
быть подведено Qд кДж/ч теплоты.
Обозначим:
Gс – количество высушенного материала, кг/ч;
сс – удельная теплоемкость высушенной части материала, кДж/(кгºС);
ст – удельная теплоемкость транспортирующих устройств, кДж/(кг°С);
tн – температура до сушки, °С;
св – теплоемкость воды, кДж/(кг°С);
tк – температура материала после сушки, °С;
164
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
tт. н, tт. к – температура транспортирующих устройств при входе в
сушильную камеру и на выходе из нее, °С;
i0 – удельная энтальпия воздуха на входе в сушильную камеру, кДж/кг
сухого воздуха;
i1 – удельная энтальпия воздуха после нагревания в калорифере, кДж/кг
сухого воздуха;
i2 – удельная энтальпия воздуха на выходе из сушилки, кДж/кг сухого
воздуха;
Qn – потери теплоты в окружающее пространство, кДж/ч.
Тепловой баланс процесса можно представить уравнением
л
д
с с н
н в
т т т.н
с с к
т т т.к
.
15.6. Варианты сушильного процесса
Выбор варианта сушильного процесса обусловливается характером
материала, подвергаемого сушке, и экономичностью сушильного процесса.
Рассмотрим основные варианты сушильного процесса.
Сушка с промежуточным подогревом воздуха. На рисунке 58а
представлена схема сушилки с промежуточным подогревом воздуха. Между
тремя камерами сушилки установлены промежуточные подогреватели В и С.
Воздух, подогретый в основном подогревателе А, поступает в сушильную
камеру 1. Отработанный в камере 1 воздух не выбрасывается в атмосферу, а
направляется в промежуточный подогреватель В, где он подогревается. При
этом его относительная влажность уменьшается, и он снова поступает в
сушильную камеру 2 и т. д.
Процесс сушки с промежуточным подогревом воздуха изображен в
I-х-диаграмме на рисунке 58б. Вертикальные отрезки АВ1, C1B2, C2B3
изображают подогрев в основном (АВ1) и в двух промежуточных
подогревателях (C1B2, С2В3). Воздух, выходящий из камер, имеет температуру
165
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
t и Δ = 0. Расход воздуха в этой сушилке будет l =
q = l (I 2 − I 0 ) =
1
, расход тепла
x 2 − x1
I2 − I0
.
x2 − x0
а)
б)
Рисунок 58 – Схема сушилки с промежуточным подогревом воздуха (а)
и изображение процесса в I-х-диаграмме (б)
Сушка с возвратом отработанного воздуха. На рисунке 59а
представлена схема сушилки с возвратом отработанного воздуха. Как видно
из схемы, некоторая часть воздуха, имеющая параметры I 2 , t2 , ϕ2 , x2 ,
смешивается
со
свежим
воздухом,
а)
имеющим
параметры
I 0 , t0 , ϕ0 , x0 .
б)
Рисунок 59 – Схема сушилки с возвратом отработанного воздуха (а)
и изображение процесса в I-х-диаграмме (б)
166
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Полученная смесь вентилятором подается в подогреватель, где
подогревается, и затем поступает в сушильную камеру. Этот процесс (при
Δ = 0) изображен в I-х-диаграмме на рисунке 59б.
Воздух с параметрами, соответствующими точке А, нагревается до
температуры t1 и поступает в сушильную камеру, где он увлажняется, и с параметрами, соответствующими точке С, уходит из камеры. Далее этот воздух смешивается со свежим воздухом с параметрами, соответствующими точке А. Точка
М, соответствующая параметрам смеси, находится на прямой, соединяющей
точки А и С. Она делит отрезок АС на части, обратно пропорциональные
смешиваемым количествам воздуха с параметрами, соответствующими точкам А
и С. Затем смесь поступает в подогреватель и нагревается до состояния,
соответствующего точке В. Процесс сушки изображается линией ВС.
Рассмотренные варианты организации процессов сушки обеспечивают
мягкие условия сушки и подвод необходимого количества теплоты, что
чрезвычайно важно при сушке пищевых продуктов. Мягкие условия сушки
достигаются за счет снижения начальной температуры сушки воздуха,
увеличения его влагосодержания и повышения линейной скорости газового
потока в сушилке. Последнее обстоятельство приводит к увеличению
коэффициента массоотдачи и увеличивает скорость сушки в I периоде.
15.7. Основные типы сушилок
Классификация сушилок. Конструкции сушилок очень разнообразны
и выбираются с учетом свойств высушиваемых материалов. По способу
подвода тепла различают сушилки конвективные и контактные, по типу
используемого теплоносителя – воздушные, газовые и паровые, по величине
давления в сушильной камере – атмосферные и вакуумные, по способу
действия – периодического и непрерывного действия, по взаимному
направлению движения материала и теплоносителя в конвективных
сушилках – прямоточные, противоточные и с перекрестным током.
167
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Камерные сушилки. Основной частью такой сушилки является камера,
в которой на ситах или стеллажах высушивают материал. Приведенная на
рисунке 60 шкафная конвективная сушилка с принудительной циркуляцией и
двумя промежуточными подогревами работает следующим образом.
Рисунок 60 – Камерная сушилка
Воздух засасывается вентилятором 2 и проходит через основной
подогреватель 3. Затем он поступает в камеру сушилки, в которой на полках 5
находится высушиваемый материал. Воздух проделывает зигзагообразный
путь, подогреваясь в теплообменниках 1. Отработанный воздух выходит через
трубу в верхней части сушилки. Часть этого воздуха может быть возвращена
через регулирующий шибер 4. Эти сушилки работают при атмосферном
давлении, но при герметизации дверок могут работать и под вакуумом.
Туннельные сушилки. Эти сушилки работают при атмосферном
давлении. В качестве теплоносителя в них используют воздух. Сушилки
удобны в том случае, когда необходимо сохранить форму материала.
В канале туннельной сушилки (рис. 61), имеющем длину 10…15 м и
площадь сечения 4 м2, перемещаются вагонетки 1, нагруженные лотками или
противнями
с
высушиваемым
материалом.
Вагонетки
перемещаются
периодически. Направление движения воздуха и материала может быть
прямоточным, противоточным или перекрестным.
168
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 61 – Туннельная сушилка с промежуточным подогревом воздуха
В туннельной сушилке с промежуточным подогревом воздух с
помощью вентиляторов 3 проходит перекрестным потоком по отношению к
направлению
движения
материала.
В
сушилке
установлено
четыре
промежуточных подогревателя 2. Продолжительность сушки в туннельных
сушилках значительна.
Ленточные сушилки. На рисунке 62 представлена схема ленточной
сушилки с четырьмя конвейерами. Высушиваемый материал непрерывно
поступает на верхнюю ленту и, следуя за конвейером, проходит до нижнего
разгрузочного люка. Ленты изготовлены из металлических сит (нержавеющая
сталь) с большим живым сечением. Между ветвями транспортеров расположены
ребристые паровые подогреватели. Воздух поступает снизу и проходит
перекрестным по отношению к материалу потоком через все ленты сушилки.
Отработанный воздух удаляется при помощи зонта и трубы. Скорость движения
лент изменяется от 0,1 до 1 м/мин при помощи вариатора скорости.
Рисунок 62 – Ленточная сушилка
169
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Сушилки с «кипящим» (псевдоожиженным) слоем. Процесс сушки в
«кипящем» слое позволяет значительно уменьшить поверхность контакта
между высушиваемым продуктом и теплоносителем (обычно воздухом), а
следовательно, и размеры сушилки. Это интенсифицирует процесс удаления
влаги из продукта и значительно сокращает продолжительность сушки.
На рисунке 63а представлена схема многокамерной сушилки с
«кипящим» слоем для сушки зерна. В ней нагретый воздух соответствующих
параметров подается под каждую из решеток 1, 2 и 3. Вертикальные
перегородки 4 препятствуют смешению в смежных камерах уже подсушенных
частиц с влажным материалом. Это способствует получению однородного по
влажности продукта.
На
рисунке
63б
представлена
сушилка
с
перемешивающими
устройствами 2, препятствующими образованию комьев в высушиваемом
продукте. Нагретый воздух подается под решетку 1 в первую зону. Он
обеспечивает создание ожиженного слоя, перемещение его в последующие
зоны и выгрузку из сушилки сухого продукта.
а)
б)
Рисунок 63 – Сушилки с кипящим слоем:
а – многокамерная; б – с перемешивающими устройствами
Распылительные сушилки. Эти сушилки применяют для сушки
жидких продуктов. Сушильная камера 1 распылительной сушилки (рис. 64)
выполнена в виде полой башни диаметром до 5 м и высотой до 8 м. Материал,
170
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
поступающий в сушилку, распыляется в верхней части ее до состояния
капельной жидкости. Это достигается путем разбрызгивания через форсунки 2
под большим давлением, пневматическим распылением с помощью сжатого
воздуха или с помощью центробежных распылителей. Благодаря высокой
дисперсности материал имеет очень большую поверхность контакта с
сушильным агентом, поэтому скорость сушки очень велика.
Рисунок 64 – Распылительная сушилка
Высушенный продукт в виде порошка падает на дно камеры и скребком
5 подается к шнеку 6, который отводит его из сушилки. Нагретый воздух,
перемещаясь в сушилке со скоростью около 0,4 м/с, увлекает с собой мелкие
частицы высушенного материала. Поэтому для их улавливания воздух
пропускают через рукавные фильтры 4, из которых очищенный воздух
удаляется вентилятором 3.
Барабанная сушилка. Эта сушилка работает под атмосферным давлением. В качестве сушильного агента в ней используется нагретый воздух.
В барабанной сушилке, представленной на рисунке 65, барабан 1
установлен на двух парах опорных роликов 6 слегка наклонно (около 5°) в
сторону движения высушиваемого материала. Он приводится во вращение
при помощи зубчатого венца 2, надетого на барабан и находящегося в
зацеплении с зубчатым колесом 7 редуктора. Частота вращения барабана
171
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1…8 об/мин. Диаметр барабана зависит от производительности сушилки и
составляет 1200…2800 мм.
Рисунок 65 – Барабанная сушилка
Внутренняя поверхность барабана оборудуется насадкой в виде полок
или
перегородок
различной
формы.
Они
обеспечивают
хорошее
контактирование высушиваемого материала и теплоносителя и, кроме того,
при вращении барабана перемещают материал к разгрузочному устройству 5.
Отработанный воздух вентилятором 3 выбрасывается в атмосферу через
циклон 4, в котором выделяются увлеченные теплоносителем частицы
высушенного продукта.
На рисунке 66 показаны различные типы насадок в барабане: а – для
сушки кусковых материалов, склонных к слипанию; б – для материалов с
малой сыпучестью и с большой объемной массой; в – для материалов с
хорошей сыпучестью; г – для материалов, образующих много пыли.
Рисунок 66 – Схемы внутренних насадок в барабанной сушилке:
а – подъемно-лопастная система; б – секторная; в, г – распределительные
Контактные сушилки. Все описанные выше сушилки являются
конвективными. В этих сушилках тепло к высушиваемому материалу
172
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
передается нагретым сушильным агентом конвекцией. В контактных
сушилках тепло передается от нагретой поверхности к высушиваемому
материалу
при
непосредственном
соприкосновении.
Такая
сушилка,
работающая при атмосферном давлении, показана на рисунке 67. Она имеет
два вращающихся один навстречу другому полых барабана 1 и поэтому
называется двухвальцовой.
Рисунок 67 – Контактная двухвальцовая сушилка
Один из барабанов находится в подвижных подшипниках, что позволяет
регулировать зазор между барабанами, а следовательно, и толщину пленки
высушиваемого
материала.
Такие
сушилки
применяют
для
сушки
пастообразных и вязких масс.
Высушиваемый материал из питателя 3 поступает на рабочую
поверхность барабанов и по величине зазора между ними образует тонкую
пленку на их поверхности. По мере вращения барабана продукт высушивается
и снимается ножом 2, а затем шнеком 5 отводится за пределы устройства.
Барабаны сушилки обогреваются водяным паром, который поступает через
полый вал 6, через тот же вал барабана отводится и конденсат пара.
Воздух, уносящий испаренную влагу, уходит в вытяжной патрубок 4.
Барабаны вращаются с частотой 2..8 об/мин.
К специальным методам сушки относят сублимационную сушку и
сушку в виброкипящем слое.
173
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Сублимационная сушка производится при остаточном давлении
0,0133…0,133 кПа. Она протекает при отрицательных температурах, и вода в
продукте находится в состоянии льда. При этом испарение воды происходит
без плавления льда, т. е. сублимацией. Таким способом сушки получают
пищевые продукты высокого качества, так как в них сохраняются витамины,
белки, высушенные продукты приобретают пористую структуру и сохраняют
первоначальный объем. Высокая пористость продукта позволяет быстро
восстановить его первоначальные свойства путем смачивания. Сублимацией
можно сушить мясо, рыбу, молоко, молочные продукты, овощи, фрукты,
плоды, ягоды, дрожжи и др.
Процесс
сушки
в
виброкипящем
слое
связан
с
явлениями
перемещения, разрыхления, перемешивания материала и улучшения его
контакта с теплоносителем. Вибрационные колебания рабочей поверхности
или всего корпуса аппарата могут осуществляться вибраторами различных
типов:
механическими,
пневматическими,
гидравлическими
или
электромагнитными с частотой колебаний 5…250 Гц. Вибросушка обычно
осуществляется при конвективном теплообмене, но для этого могут быть
использованы и новые физические методы обработки: ультразвук, ТВЧ,
инфракрасная техника и др.
15.8. Инженерные расчеты сушилок
Рекомендуемый алгоритм расчета сушилок проследим на примере
определения основных параметров многоярусной установки.
Конвейерные ленточные (многоярусные) сушилки рассчитывают при
помощи i-d-диаграммы. Зная температуру и относительную влажность
наружного воздуха и приняв температуру воздуха под и над лентой, строят
теоретический и действительный процессы сушки.
Масса высушенного продукта, выходящего из ленточной сушилки П
(кг/ч), рассчитывается по формуле
174
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
П
,
где G – пропускная способность по влажному продукту, кг/ч;
,
– начальная и конечная влажность продукта, %.
Массовый расход воздуха на сушку L (кг/ч) определяется как
L = Wl,
где W – количество испаренной влаги в зоне сушки, кг/ч;
l – расход воздуха на испарение 1 кг влаги, кг/кг.
,
где d1 и d2 – влагосодержание воздуха, г/кг.
Объем расходуемого воздуха Vв (м3/с) рассчитывается по формуле
в
уд
,
,
где R – газовая постоянная;
Vуд – удельный объем воздуха, м3/кг;
t0 – температура наружного воздуха, °С;
φ0 – относительная влажность наружного воздуха, %;
Рн – давление насыщенных паров, Па.
Расход теплоты в воздухоподогревателе Q (Дж/ч) определяется как
,
где q – удельный расход теплоты, отнесенный к 1 кг испаренной влаги, Дж/кг,
,
q=l
где
и
– энтальпия влажного воздуха до калорифера и после него (находят по i и
I-диаграмме).
Расход пара D (кг/с) на сушку рассчитывается по формуле
,
D = Q/
где i и
– энтальпия греющего пара и конденсата, Дж/кг.
Площадь ленточной сушилки
(м )
= П/
где
д
д,
– удельная производительность сушилки по сухому продукту, кг/м .
175
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Общая длина лент сушилки
(м)
=
/b,
где b – ширина ленты, м.
Вопросы для самоконтроля
1. Какой процесс называется сушкой?
2. Почему сушка является сложным тепломассообменным процессом?
3. Какие виды сушки применяют в промышленности?
4. Что является движущей силой сушки? Когда происходит сушка и когда –
увлажнение материала?
5. По каким данным и как определяется характер связи влаги с материалом?
6. На что расходуется теплота при конвективной сушке?
7. Какие известны конструкции конвективных сушилок?
8. Назовите известные вам конструкции контактных сушилок.
9. Какие материалы целесообразно сушить в конвективных сушилках, а
какие – в контактных?
10. Что обычно сушат в распылительных сушилках? Почему в ряде случаев
сушильные установки делают двухступенчатыми?
11. Каким путем теплота теплоносителя к материалу передается в
конвективных и контактных сушилках?
12. В каких случаях применяют сублимационную сушку? На чем она
основана?
16. Перегонка и ректификация
16.1. Основы процессов разделения жидких смесей
Перегонка и ректификация – способы разделения однородных жидких
смесей по критерию летучести компонентов.
Летучесть компонента определяется температурой его кипения: чем
выше температура, тем выше летучесть.
176
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Перегонка используется для грубого разделения смеси. Исходная
смесь разделяется на дистиллят, обогащенный легколетучим компонентом, и
кубовый остаток.
В простейшем случае исходная смесь состоит из двух компонентов.
Такая смесь называется бинарной.
Число степеней свободы бинарной смеси
С
К
2
Ф
2
2
2
2,
где К – число компонентов (К = 2);
Ф – число фаз (Ф = 2).
Состояние системы определяют три независимых параметра: давление p,
температура t, концентрация x. При выборе любых двух параметров
определяется значение третьего. Следовательно, равновесную зависимость
можно представить, используя две переменные величины (р и х, t и х, р и t, х и у).
Смеси с неограниченной растворимостью компонентов по своему
поведению делятся на идеальные и реальные (растворы).
Идеальными смесями называются такие, смешение компонентов
которых происходит без выделения и поглощения теплоты и без изменения
объема смеси.
Рассмотрим бинарную жидкую смесь, состоящую из легколетучего
компонента А и труднолетучего компонента В. Давление насыщенного пара
чистых компонентов А и В соответственно обозначим РА и РВ.
Идеальные смеси подчиняются закону Рауля, который гласит, что
парциальное давление компонента в паре пропорционально мольной доле
компонента в жидкости:
;
1
,
где pА, pВ – парциальные давления компонентов А и В;
х, (1 – х) – мольные доли компонентов А и В в жидкой смеси.
Общее давление в системе по закону Дальтона равно сумме
парциальных:
1
177
.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Откуда
.
Из уравнений видно, что при постоянной температуре парциальное
давление компонентов и общее давление паров над жидкой смесью находятся
в линейной зависимости от мольной доли легколетучего компонента.
Изотермы парциальных давлений компонентов и общего давления
изображены на рисунке 68.
Рисунок 68 – Диаграммы равновесия жидкость – пар
для идеальных смесей: а – изотермы парциальных давлений компонентов
и общего давления над смесью; б – диаграммы t-xy; в – диаграммы у-х
Прямые ОВ и СА показывают изменение парциальных давлений
компонентов (РА и РВ), прямая АВ – изменение общего давления над
раствором. Вертикальные отрезки ОА и СВ определяют давление насыщенных
паров чистых компонентов (РВ и РА).
Согласно закону Дальтона, парциальное давление компонента в паре
пропорционально мольной доле этого компонента в паре:
,
1
,
где Р – общее давление в системе;
у, (1 – у) – мольные доли компонентов А и В в паровой смеси.
Для условия равновесия имеем
РАx = Р ; РВ(1 – у) = Р(1 – у),
178
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
у = (РА/Р)х или 1 – у = (РВ /Р)(1 – х).
откуда
Обычно
процессы
перегонки
и
ректификации
проводят
в
изобарических условиях.
Реальные жидкие смеси характеризуются теплотами смешения
компонентов, изменением объема при смешении, и их поведение в
большинстве случаев не подчиняется закону Рауля. В этих смесях следует
учитывать силы взаимодействия молекул паровой фазы, их собственный
объем и т. д.
Отклонение от закона Рауля может быть положительным или
отрицательным. В случае положительного отклонения общее давление над
раствором больше, чем следует по закону Рауля для идеальных смесей, а при
отрицательном – меньше. В первом случае линия общего давления проходит
выше прямой для идеального раствора, во втором случае – ниже.
16.2. Способы перегонки
Методы перегонки можно разделить на две группы: простую перегонку
и сложную перегонку, называемую ректификацией.
Рассмотрим процесс простой перегонки, осуществляемый в перегонном
кубе (рис. 69). Если куб снаружи покрыт слоем тепловой изоляции и охлаждения
его поверхности и связанной с этим частичной конденсации паров практически
не будет, то процесс перегонки будет происходить без возврата в куб флегмы.
Все пары, образующиеся в кубе 1, направляются в конденсатор 2, где они
полностью конденсируются и отводятся в виде дистиллята. Так как работа
такого аппарата осуществляется периодически, то в процессе перегонки
процентное содержание легколетучего компонента в исходной жидкой смеси
непрерывно уменьшается, так как в пары переходит относительно больше
легколетучего компонента, чем тяжелолетучего. Вследствие этого по мере
перегонки
уменьшается
содержание
легколетучего
компонента
и
в
образующихся парах, поэтому последовательно отбираемые равные порции
179
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
дистиллята неравноценны по содержанию в них легколетучего компонента.
Первые порции дистиллята содержат большое количество легколетучего
компонента, а последние бедны им. Если дистиллят собирается в один
приемник, то в результате перегонки получается продукт, имеющий среднюю
концентрацию легколетучих компонентов.
Рисунок 69 – Перегонный куб
Сложная
перегонка.
На
рисунке
70
представлена
схема
ректификационного аппарата непрерывного действия.
Рисунок 70 – Ректификационный аппарат непрерывного действия
Аппарат состоит из колонны 1, дефлегматора 2 и холодильника 3.
Колонна условно разделена на две части. Часть а находится выше места
поступления смеси на ректификацию. Эта часть называется колонной
180
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
укрепления. Нижняя часть колонны б называется колонной истощения.
Назначение колонны заключается в том, чтобы привести в тесный контакт
паровую и жидкую фазы, содержащие разделяемые компоненты. Поэтому, как
и в абсорберах, в ректификационной колонне имеются контактные
устройства. Чаще всего это тарелки различных типов.
Основное назначение дефлегматора – за счет частичной конденсации
паров снабдить укрепляющую часть колонны жидкостью (флегмой),
содержащей разделяемые компоненты. Холодильник 3 конденсирует пары
дистиллята, поступающие из дефлегматора.
16.3. Материальный и тепловой баланс ректификации
Для составления материального и теплового балансов воспользуемся
следующим приемом. Мысленно заключим колонну в замкнутый контур
(рис. 71) и рассмотрим, что входит и выходит из контура.
Рисунок 71 – К составлению материального и теплового балансов
ректификационного аппарата
Материальный баланс
Приход, кг/с
Расход, кг/с
Поступающая на перегонку жидкость М
Дистиллят D
Греющий пар Р
Конденсат греющего пара Р
Флегма (жидкая) f = vD
Флегма (пар) f = vD
Остаток R
181
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Конденсат отводится отдельно от остатка при работе с закрытым паром
и вместе с остатком, если пар открытый.
Согласно закону сохранения вещества можно записать
М + Р + vD = D + P + vD + R.
Следовательно,
М = D + R.
На основании материального баланса составим тепловой баланс.
Тепловой баланс
Приход тепла, кДж/ч
Расход тепла, кДж/ч
Количество теплоты, вводимое
Количество теплоты, уносимое
со смесью Q = Mcсмtсм , cсм , tсм –
дистиллятом QD = Di D , i D – энтальпия
теплоемкость, кДж/(кг·К), и
паров дистиллята.
температура, ºС, смеси.
Количество теплоты, вводимое
Количество теплоты, уносимое
с греющим паром Qn = Pin ,
конденсатом Qк = Pcк tк , cк , tк –
in – энтальпия пара, кДж/кг.
теплоемкость и температура конденсата.
Количество теплоты, вносимое жидкой
Количество теплоты, уносимое парами
флегмой Q fж = vDc f t f , c f , t f –
флегмы Q fn = vDiD .
теплоемкость и температура флегмы.
Количество теплоты, уносимое остатком
Q R = Rc R t R , R = M − D , c R , t R –
теплоемкость и температура остатка.
Количество теплоты, теряемое за счет
лучеиспускания и конвекции в
окружающее пространство Qпот
Составим уравнение теплового баланса на основании закона сохранения
энергии:
Mcсмtсм + Piп + vDc f t f = Di D + Pcкtк + vDi D + RcRtR + Qпот .
Расход греющего пара (в кг/ч)
Р = [ Di D + vD(iD − c f t f ) + RcRtR + Qпот −Mcсмtсм ] ( in − cкtк ) .
182
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Из вышеприведенного уравнения можно сделать такие выводы:
–
с увеличением флегмового числа увеличивается расход тепла на
ректификацию, что отмечалось и ранее;
–
с повышением температуры поступающей смеси уменьшается
расход тепла на ректификацию.
16.4. Устройство и характеристика ректификационных колонн
Колонна ректификационной установки, как и колонна абсорбера,
предназначена для приведения в тесный контакт пара и жидкости. Поэтому
устройство ректификационных колонн не отличается от устройства колонн
для абсорбции. Для этой цели широко применяются колонны барботажного
типа, в которых поверхность контакта образуется в процессе движения
потоков жидкости и пара на колпачковых, ситчатых, решетчатых, струйных,
клапанных и других тарелках. Реже в качестве контактных устройств для
ректификации применяются насадки.
Основными величинами тарельчатых колонн, обеспечивающими их
производительность и чистоту разделения смеси, являются число тарелок и
расстояние между ними, высота колонны, диаметры колонны, сливных труб и
патрубков.
Число необходимых тарелок определяют графическим путем с учетом
КПД тарелки или на основании уравнений массопередачи.
Расстояние между тарелками зависит от свойств перегоняемой
жидкости, скорости движения пара в свободном сечении колонны, глубины
барботажного слоя, конструкции тарелки и др. При перегонке пенящихся
жидкостей под давлением, близким к атмосферному, расстояние между
тарелками h = 450..500 мм, а для непенящихся жидкостей h = 170…200 мм.
Скорость движения пара в колонне является важным показателем, от которого зависит производительность колонны, ее сечение и расстояние между тарелками, исключающее недопустимый брызгоунос. Для различных типов тарелок
она рассчитывается по формулам, приведенным в справочной литературе.
183
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вопросы для самоконтроля
1. Что такое простая перегонка? При разделении каких смесей ее
применяют?
2. Какие
разновидности
простой
перегонки
применяются
в
промышленности?
3. В чем заключается процесс ректификации?
4. Как определяют рабочее флегмовое число?
5. Как влияет флегмовое число на энергетические затраты и размеры
ректификационной колонны?
6. Какие
конструкции
ректификационных
колонн
применяют
в
промышленности? В чем заключается различие в их работе?
17. Кристаллизация
17.1. Общие сведения
Кристаллизацией называется процесс выделения твердой фазы в виде
кристаллов из растворов и расплавов. Кристаллы представляют собой твердые
тела различной геометрической формы, ограниченные плоскими гранями.
Кристаллы, содержащие молекулы воды, называются кристаллогидратами.
В пищевой технологии выделение твердой фазы из растворов или
расплавов в виде кристаллического продукта является завершающей стадией
технологического процесса получения сахарозы, глюкозы, соли и других
кристаллических продуктов.
Кристаллизацию, как правило, проводят из водных растворов. При
понижении температуры или удалении части растворителя уменьшается
растворимость твердого вещества. Раствор становится пересыщенным, и
твердое вещество выпадает из раствора в осадок.
Раствор, находящийся в равновесии с твердой фазой при данной
температуре, называется насыщенным. В таких растворах между твердым
184
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
веществом
и
раствором
имеет
место
динамическое
равновесие,
характеризующееся тем, что в единицу времени количество частиц,
растворяющихся из кристаллов и переходящих в раствор, равно числу частиц,
кристаллизующихся в растворе и переходящих в твердую фазу.
Пересыщенными называются такие растворы, в которых концентрация растворенного вещества больше его растворимости. Пересыщенные
растворы неустойчивы, легко переходят в насыщенные растворы. При таком
переходе из пересыщенных растворов выпадает твердая фаза.
Поведение растворов с изменением их температуры характеризуют
диаграммы
состояния
растворов.
Растворы
при
концентрациях,
соответствующих метастабильной области, кристаллизуются сравнительно
медленно в зависимости от температуры раствора, скорости отвода теплоты
или скорости испарения растворителя перемешивания и других факторов. Для
растворов веществ, зависимость которых от температуры неярко выражена,
переход в область пересыщенных растворов происходит только при очень
значительном снижении температуры.
Пересыщение раствора может быть достигнуто и при постоянной
температуре путем удаления части растворителя. При этом из раствора
выпадает часть твердой фазы, пропорциональная разности концентраций.
Следовательно, кристаллизацию таких растворов можно провести как
снижением температуры раствора, так и путем удаления части растворителя.
17.2. Кинетика кристаллизации
Переход вещества из раствора в твердую фазу осуществляется путем
диффузии растворенного вещества через пограничный слой, окружающий
поверхность
определяться
кристалла.
скоростью
Скорость
диффузии
процесса
кристаллизации
растворенного
вещества
может
через
пограничный слой, либо скоростью слияния вещества с телом кристалла, либо
зависеть от обеих стадий одновременно.
185
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рассмотрим процесс кристаллизации сахарозы. В процессе роста
кристаллы окружены пограничным слоем пересыщенного межкристального
раствора
толщиной
δ.
Избыток
молекул
сахарозы
из
этого
слоя
пересыщенного раствора быстро выделяется на поверхности кристаллов, и
раствор становится насыщенным с концентрацией сахарозы ун. На некотором
расстоянии от граней кристаллов в окружающем растворе сохраняется
пересыщение с концентрацией сахарозы уn.
Вследствие разности концентраций уn – ун сахароза диффундирует
через пограничный слой раствора. Приблизившись к граням кристаллов,
молекулы сахарозы переходят в кристаллическую решетку – происходит
фазовый переход. Таким образом, скорость роста кристаллов обусловлена
скоростью диффузии сахарозы и скоростью фазового перехода на границе
раздела фаз. Если скорость фазового перехода намного выше скорости
диффузии сахарозы, то лимитирующей стадией процесса кристаллизации
сахарозы является ее диффузия. Скорость роста кристаллов сахарозы можно
выразить уравнением
н
,
где dМ – количество вещества, выкристаллизованного в единицу времени;
D
– коэффициент диффузии;
F
– площадь поверхности кристаллов, на которых выкристаллизовывается
вещество;
уп
– концентрация вещества в объеме пересыщенного раствора;
ун
– концентрация вещества у поверхности кристалла (принимается равной
концентрации раствора);
δ
– толщина пограничного слоя раствора, в котором концентрация
изменяется от уп до ун.
Интегрируя уравнение, получаем
п
186
н
.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Скорость кристаллизации
п
н
.
Толщина пограничного слоя, имея в виду ламинарный характер
обтекания кристалла пересыщенным раствором,
δ
,
µ
,
где μ – вязкость насыщенного раствора;
ν – скорость движения кристалла в растворе.
Согласно закону Стокса,
µ
.
17.3. Материальный и тепловой балансы кристаллизации
Общий материальный баланс кристаллизации описывается формулой
н
кр
,
м
где Gн Gкр, Gм – количества соответственно исходного раствора, полученных
кристаллов и маточного раствора, кг;
W – количество удаленной воды, кг.
Баланс по абсолютно сухому растворенному веществу
н н
м м,
кр
где хн, хм – концентрации соответственно исходного и маточного растворов,
массовые доли;
кр
– отношение молекулярных масс абсолютно сухого растворенного
вещества и кристаллосольвата;
при кристаллизации без присоединения молекул воды
М
Мкр ; а
1.
Количество удаленного растворителя при а = 1 определяют по формуле
кр
н
м
н
.
Массовое количество образовавшихся кристаллов
кр
187
н
м
м
н
.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
При
кристаллизации
раствора
происходит
образование
кристаллической решетки и выделяется некоторое количество теплоты
(теплота затвердевания), а при растворении вещества требуются затраты
теплоты. Если растворяемое вещество вступает в химическое взаимодействие
с растворителем с образованием гидратов, при этом выделяется теплота.
Суммарный тепловой эффект кристаллизации в зависимости от теплоты
затвердевания и образования гидратов может быть положительным или
отрицательным.
С учетом введенных обозначений теплота кристаллизации
кр кр ,
кр
теплота гидратации
г
∆
м м.
Тогда тепловой баланс можно представить равенством
н р
кр кр
∆
м м
кр кр
м м
,
вт
откуда можно определить расход пара на кристаллизацию:
кр кр м м
вт
н р
кр кр
∆
м м
.
В случае охлаждения раствора расход охлаждающего агента при
охлаждении водой
в
охл
в в
к
н
,
при охлаждении воздухом
охл
к
н
,
где tк и tн – соответственно конечная и начальная температура воды, °С;
iк и iн – соответственно конечная и начальная энтальпии воздуха, кДж/кг.
Площади поверхности нагревания и охлаждения кристаллизаторов
рассчитываются по формулам для расчета теплообменников.
188
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
17.4. Классификация способов кристаллизации
Применяемые
в
производстве
способы
кристаллизации
можно
разделить на две группы.
Кристаллизация с удалением части растворителя. При этом методе
пересыщенное состояние раствора создается и поддерживается благодаря
испарению части растворителя. Растворитель удаляется при кипячении
раствора в выпарном аппарате соответствующей конструкции.
Часть раствора может быть удалена и при температурах более низких,
чем температура кипения. В этом случае производится не выпаривание, а
испарение раствора. Раствор может испаряться при атмосферном давлении
или под вакуумом.
Кристаллизация с удалением части растворителя применяется в том
случае, когда при снижении температуры растворимость уменьшается
незначительно. Если же снижение температуры значительно уменьшает
растворимость вещества, то применяют второй способ.
Кристаллизация выделением кристаллов при охлаждении горячего
насыщенного раствора. Этот способ применяется в комбинации с первым.
Кристаллизация начинается сначала в испарителях, а затем продолжается в
кристаллизаторах с охлаждением.
Оба способа кристаллизации могут быть проведены периодически и
непрерывно.
17.5. Аппараты для кристаллизации
Для получения пересыщенных сиропов концентрацией 92…93 % сухих
веществ широко применяют вакуум-выпарные аппараты с паровым
обогревом. Они также служат для заводки центров кристаллизации и
организации начала роста кристаллов, после чего масса кристаллов вместе с
межкристальным раствором направляется на дальнейший рост кристаллов в
мешалки-кристаллизаторы.
189
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Показанный на рисунке 72 вакуум-аппарат периодического действия
имеет цельносварной корпус 4, внутри которого подвешены греющая камера 2
и
ловушка-сепаратор
межкристалльного
3.
В
раствора
нижней
части
установлено
аппарата
клапанное
для
спуска
устройство
6
с
гидравлическим приводом.
Рисунок 72 – Вакуум-аппарат с подвесной обогревательной камерой
Греющая камера состоит из двух конических трубных решеток 1, в
которые
завальцованы
трубы
5,
а
к
центрам
решеток
приварена
циркуляционная труба 7. Циркуляция массы происходит по циркуляционной
трубе и кольцевому пространству, образованному корпусом аппарата и
поверхностью нагрева, а затем она поднимается по нагревательным трубам,
как это показано на рисунке.
На рисунке 73 представлен кристаллизатор корытного типа с мешалкой
1
и
искусственным
охлаждающих
охлаждением,
элементов
2.
Таких
осуществляемым
элементов
при
вставляют
помощи
7…9
шт.
перпендикулярно к оси аппарата. В мешалках делают вырезы таким образом,
чтобы охлаждающие элементы не мешали движению мешалок. Вода
поступает в верхнюю часть элементов и отводится снизу. Иногда
охлаждающие элементы изготовляют в виде вращающихся на валу дисков. В
этом случае они одновременно служат также для перемешивания массы.
190
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 73 – Кристаллизатор с искусственным охлаждением
При медленной кристаллизации продуктов требуется значительная емкость
кристаллизаторов.
Поэтому
устанавливают
несколько
кристаллизаторов
последовательно. Кристаллизующийся раствор поступает в первый головной
кристаллизатор и, проходя через всю батарею, уходит из последнего, направляясь
в центрифуги, где кристаллы отделяются от межкристалльного раствора.
Представляет интерес схема непрерывной кристаллизации (рис. 74).
В концентраторе 1 исходный раствор за счет испарения части воды сгущается
до пересыщенного раствора. Затем в кристаллизаторе 2 в него вводят затравку
и происходит зарождение кристаллов с одновременным удалением части воды
испарением для поддержания необходимой степени пересыщения. Наконец, в
камере роста кристаллов 3, состоящей из последовательно соединенных
секций, происходит рост кристаллов в потоке пересыщенного раствора за счет
подпитки второго потока пересыщенного раствора с одновременным
испарением части воды. Из последней секции камеры роста раствор с
кристаллами направляется на центрифуги для разделения.
Рисунок 74 – Вакуум-кристаллизатор непрерывного действия
В настоящее время все более высокие требования предъявляются к
размеру и степени однородности получаемых кристаллов.
191
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В рассмотренных выше кристаллизаторах трудно получить кристаллы
со средней крупностью больше 1 мм. Поэтому в тех случаях, когда
необходимо получить однородные кристаллы со средним размером 2…3 мм,
применяют односекционные и многосекционные кристаллизаторы со
взвешенным слоем кристаллов, который поддерживается потоком маточного
раствора в зоне роста.
В качестве примера аппаратов этого типа рассмотрим кристаллизатор-холодильник, изображенный на рисунке 75.
Рисунок 75 – Кристаллизатор с «кипящим» слоем
Суспензия, содержащая мелкие кристаллы, собирается на циркуляцию
из верхней части кристаллорастителя 1. Перед циркуляционным насосом 3 в
поток суспензии вводится горячий пересыщенный раствор с таким расчетом,
чтобы температура смеси повысилась не более чем на 0,5…0,8 °С. Это
повышение температуры затем снимается в холодильнике 2.
Охлажденный и пересыщенный раствор из холодильника поступает в
нижнюю часть кристаллорастителя и, поднимаясь в нем вверх, поддерживает
кристаллы во взвешенном состоянии. При этом снижается и степень его
пересыщения.
В
нижней,
конической,
части
кристаллорастителя
осаждаются
кристаллы наиболее крупных фракций, откуда они и выводятся, а в верхней,
более широкой, части происходит осветление циркулирующей смеси.
Размер
получаемых
кристаллов
регулируют
путем
вывода
из
кристаллизатора части мелких кристаллов для последующего их растворения.
192
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вопросы для самоконтроля
1. В чем заключается сущность процесса кристаллизации? Каково
назначение процесса?
2. Какие факторы влияют на равновесие в процессах кристаллизации?
3. Какими способами можно достигнуть пересыщения раствора?
4. Перечислите методы кристаллизации.
5. Из каких стадий состоит кристаллизация?
6. Какие факторы влияют на качество полученных кристаллов?
7. Какие применяются кристаллизаторы для кристаллизации с отгонкой
части растворителя? Чем они отличаются от выпарных аппаратов?
8. Какие
кристаллизаторы
применяют
для
кристаллизации
с
охлаждением раствора?
9. Назовите преимущества метода кристаллизации в псевдоожиженном
слое.
10.
В чем заключаются и как составляются материальный и тепловой
балансы кристаллизаторов?
193
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
МЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
18. Измельчение твердого пищевого сырья
18.1. Теоретические основы измельчения
Измельчением называется процесс увеличения поверхности твердых
материалов путем их раздавливания, раскалывания, истирания, удара и других
воздействий. Измельчение в пищевой промышленности применяется для
увеличения поверхности твердых материалов с целью повышения скорости
биохимических и диффузионных процессов при переработке фруктов, овощей
и т. д., а также в процессах переработки пищевых отходов.
Измельчение
свеклосахарном,
широко
спиртовом,
применяется
в
пивоваренном,
мукомольном,
консервном
и
мясном,
других
производствах.
Способ измельчения выбирают в зависимости от крупности и
физико-механических свойств измельчаемых материалов. На практике часто
применяют комбинированные методы измельчения.
Процессы измельчения разделяются на дробление (крупное, среднее и
мелкое), измельчение (тонкое и очень тонкое) и резание. Резание применяется,
когда требуется не только уменьшить размер кусков, но и придать им
определенную форму.
Резанию подвергаются овощи и фрукты, конфетная и тестовая масса,
мясо и другие продукты.
На измельчающих машинах можно проводить различные процессы
измельчения, начиная от измельчения глыб и кончая коллоидным
измельчением, позволяющим получать продукт с размерами частиц до
0,1 мкм.
Классификацией
называется
процесс
разделения
однородного
сыпучего материала по величине его частиц. По технологическим
требованиям часто требуется направлять на переработку куски (частицы)
194
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
материалов, размеры которых должны находиться в строго определенных
пределах. Процесс измельчения характеризуется степенью измельчения, т. е.
отношением среднего размера куска материала до измельчения dн к среднему
размеру куска после измельчения dк:
н
к
.
Обычно куски измельчаемого материала и куски или частицы,
получаемые в результате измельчения, не имеют правильной формы. На
практике размеры кусков (dн и dк) характеризуются размером отверстий сит,
через которые просеивают сыпучий материал до и после измельчения.
С
целью
получения
высоких
степеней
измельчения
процесс
измельчения проводят в несколько стадий на последовательно установленных
машинах.
В зависимости от начальных и конечных размеров наибольших кусков
и частиц материала измельчение подразделяется на следующие виды:
Вид измельчения
dн, мм
dк, мм
Крупное
1500…200
250…25
Среднее
200…25
25…5
Мелкое
25...5
5…1
Тонкое
5…1
1…0,075
0,2…0,1
До 1–10–4
Коллоидное
Крупное и среднее измельчение проводится сухим способом, а мелкое
и тонкое – мокрым способом, обычно в воде. При мокром измельчении
частицы продукта имеют более равномерную величину. При этом резко
снижается образование пыли и упрощается выгрузка готового продукта.
18.2. Законы измельчения
Измельчение
осуществляется
под
действием
внешних
сил,
преодолевающих силы взаимного сцепления частиц материала. При
195
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
дроблении куски твердого материала сначала подвергаются объемной
деформации, а затем разрушаются по ослабленным дефектами (макро- и
микротрещинами) сечениям с образованием новых поверхностей. Куски
продуктов
дробления,
ослабленные
трещинами,
значительно
мельче
исходных. Поэтому с увеличением степени измельчения возрастает расход
энергии на измельчение.
Согласно гипотезе академика П. А. Ребиндера, затраты энергии А (Н·м)
на измельчение какого-либо продукта для получения конечного продукта,
состоящего из частиц определенной дисперсности, могут быть выражены
формулой
∆
,
где К – энергия, расходуемая на процессы деформации и образования продуктов
износа рабочих органов измельчающей машины (Н·м);
σp – разрушающее напряжение измельчаемого материала, Н/м2;
V – объем измельчаемого материала, м ;
Е – модуль упругости измельчаемого материала Н/м2;
mу – число циклов деформации частиц;
кр – энергия на образование 1 м2 новой поверхности для данного материала,
Н/м2;
∆
к
н
– вновь образованная поверхность (Sк, Sн – общая поверхность
материала после и до измельчения), м2;
а – безразмерный коэффициент, характеризующий для машины данной
конструкции процесс образования новой поверхности:
н к
,
где n – показатель степени, зависящий от условий измельчения.
Коэффициент полезного действия процесса измельчения определяется
выражением
η
∆
p∆
.
Анализ этих уравнений показывает, что для уменьшения энергозатрат
следует стремиться к уменьшению упругих деформаций рабочих органов
196
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
дробилок и повышению их износостойкости, к уменьшению числа циклов
деформаций
(mу)
частиц
измельчаемого
материала
и
к
снижению
разрушающих напряжений измельчаемого продукта.
Процессы измельчения связаны с затратами большого количества
энергии. Расход энергии на измельчение может быть определен из
существующих 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 исходит из того, что 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
Д
П
∆
∆ ,
где АД – 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;
∆V – изменение объема разрушаемого тела;
К2 – коэффициент пропорциональности, равный работе, затрачиваемой на
образование единицы новой поверхности;
∆S – приращение вновь образованной поверхности.
На основании закона Гука работу деформации (Н·м) материала при
сжатии можно определить по соотношению
д
197
∆
,
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
где ∆V – уменьшение объема кусков материала в результате их деформации перед
разрушением, м3;
σ – разрушающее напряжение сжатия, Н/м2;
Е – модуль упругости материала, Н/м .
Как видно из уравнения, работа, затрачиваемая на разрушение
материала, зависит от разрушающего напряжения и модуля упругости
материала
∆
∆
.
В случае крупного дробления с малой степенью измельчения можно
пренебречь работой, затрачиваемой на образование новой поверхности, и
учитывая, что ∆V~D3, получим
∆
,
где D – характерный размер куска.
Уравнение выражает гипотезу 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 ∆S~D2,
∆
,
Это уравнение является выражением гипотезы Риттингера, согласно
которой работа дробления пропорциональна величине вновь образованной
при дроблении поверхности.
Работа, затрачиваемая на резание (резание состоит из двух
последовательных стадий: сначала лезвие ножа сжимает материал, а затем
перерезает его), может быть выражена формулой акад. В. П. Горячкина:
полн
п,
сж
где Асж – работа, затрачиваемая на сжатие продукта;
Ап – полезная работа резания, Дж.
Работа сжатия
сж
198
Э
сж
,
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
где Э – условный модуль сжатия материала лезвием ножа, Дж;
hсж – высота сжатого слоя, м;
h
– первоначальная высота слоя материала, м.
Полезная работа
рез
сж
,
где Fрез – усилие резания.
Обычно пользуются понятием «удельное усилие резания», которое
представляет собой усилие, отнесенное к 1 м длины лезвия ножа. Так,
например, для моркови удельное усилие резания составляет 1400…1600 Н/м, а
для картофеля – 600…700 Н/м.
Условный модуль сжатия материала лезвием ножа определяется
экспериментальным путем. Его величина зависит от свойств материала, вида
ножа, усилия и других факторов.
Лезвие
режущего
инструмента
характеризуется
режущей
способностью, которая в процессе эксплуатации лезвия уменьшается.
В пищевой промышленности применяются режущие инструменты
самых разнообразных форм: прямоугольные, дисковые, ленточные, серповидные и др. Режущие инструменты могут совершать вращательное, возвратно-поступательное, колебательное движение, но могут быть и неподвижными, в то время как изрезаемый материал находится в движении в машине.
18.3. Конструкции измельчителей
Каждый тип измельчителей охватывает большую группу машин,
отличающихся конструктивным исполнением и схемой организации рабочего
процесса
(например,
дробилки
–
молотковые,
щёковые,
конусные,
дезинтеграторы).
Чаще других применяются молотковые дробилки (рис. 76). Простота
устройства, высокая надежность в работе, компактность установки,
динамичность рабочих режимов, высокие скорости рабочих органов и
непосредственное соединение вала машины с электродвигателем обусловили
возможность широкого применения их во всех отраслях народного хозяйства.
199
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 76 – Схема молотковой дробилки
Наряду с этим молотковым дробилкам свойственны существенные
недостатки: высокая энергоемкость, неравномерность гранулометрического
состава
получаемого
продукта
с
повышенным
содержанием
переизмельченных частиц, интенсивный износ рабочих органов.
Щековые
раздавливания
дробилки
и
(рис.
раскалывания
77)
в
измельчают
конической
материал
камере,
путем
образованной
неподвижной и подвижной плитами, которые периодически сближаются.
Раздавленный материал выпадает из дробилки во время обратного хода
подвижной плиты.
Рисунок 77 – Щековая дробилка
200
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Щековая дробилка проста и надежна в работе, однако наличие в ней
неуравновешенных качающихся масс требует установки ее на тяжелых
фундаментах. Работа дробилки сопровождается сильным пылеобразованием и
шумом, а процесс дробления – образованием мелочи.
Гирационные (конусные) дробилки (рис. 78) применяются для
крупного, среднего и мелкого измельчения. Измельчение происходит путем
непрерывного раздавливания и излома кусков материала между конической
дробящей головкой и корпусом, который имеет форму усеченного конуса.
Дробящая головка установлена в корпусе дробилки с эксцентриситетом, в
результате чего она совершает эксцентричное вращательное движение.
Рисунок 78 – Гирационная дробилка
Когда дробящая головка приближается к одной стороне корпуса,
измельченный материал выпадает с противоположной стороны через
расширяющуюся в это время кольцевую щель между корпусом и головкой.
В дезинтеграторах и дисмембраторах на дисках по концентрическим
окружностям расположены пальцы-била. Каждый ряд пальцев одного диска
расположен с небольшим зазором между двумя рядами пальцев другого диска.
Дисмембраторы
в
отличие
от
дезинтеграторов
имеют
один
вращающийся диск. Роль второго диска выполняет крышка мельницы, на
201
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
внутренней
поверхности
которой
по
концентрическим
окружностям
расположены ряды неподвижных пальцев.
18.4. Мощность процесса
Распределение затрат энергии по отдельным элементам рабочего
процесса дробилки характеризуется уравнением баланса мощности
изм
х. х ,
ц
где Nизм – мощность, расходуемая непосредственно на разрушение материала, Вт;
Nх.х – мощность холостого хода дробилки, Вт;
Nц – мощность, расходуемая на создание циркуляции материала в камере, Вт.
Расход мощности на преодоление полезных сопротивлений составляет
изм
р изм ,
где qр – заданная производительность дробилки, кг/с;
Аизм – работа, расходуемая на измельчение материала, Дж/кг.
Мощность Nизм может быть выражена через конструктивные
параметры дробилки:
изм
При
этом
ψ
1
сл
производительность
отн .
дробилки
принимается
пропорциональной площади диаметрального сечения DL дробилки.
Расход мощности на циркуляцию определяют следующим образом.
Барабан дробилки, создавая воздушный поток и обеспечивая циркуляцию
материала в камере, работает подобно вентилятору, у которого в качестве
лопастей служат молотки, навешанные на штыри. При холостом ходе
дробилки расход мощности NВ на вентиляцию равен
В
В м,
где kв – опытный коэффициент, учитывающий конструкцию и режим работы
данного вентилятора (kв = 0,05);
νм – окружная скорость по концам молотков, м/с.
202
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
При рабочем ходе дробилки расход мощности на вентиляцию
несколько возрастает, так как барабан (вентилятор) будет дополнительно
расходовать энергию на перемещение слоя материала. Увеличение расхода
мощности учитывают, вводя коэффициент концентрации материала μц (кг/кг).
При этом расход мощности на циркуляцию будет
ц
в
1
K ц µц
м,
где Кц – кратность циркуляции материала.
Расход мощности Nх. х на холостой ход в формуле предусматривает
работу барабана со снятыми молотками, так как затраты энергии на создание
воздушного потока учтены вторым слагаемым (Nц) этого выражения.
Однако из-за отсутствия экспериментальных данных при расчетах
часто принимают расход мощности на холостом ходу дробилки в размере
15...20 % от Nизм, включая сюда и расход на вентиляцию.
С учетом этого замечания полный расход мощности составит
изм .
1,15 … 1,2
18.5. Производительность дробилки
Расчетная секундная производительность дробилки может быть
определена в зависимости от конструктивных размеров барабана по формуле
сл
µц
,
где t – продолжительность пребывания материала в камере, т. е. время его
обработки, с.
Числитель правой части уравнения представляет собой массу
циркулирующей загрузки.
Из выражения следует, что при выбранном режиме работы, от которого
зависят численные значения толщины hсл циркулирующего слоя и
концентрации μц частиц в нем, производительность дробилки прямо
пропорциональна площади DL диаметрального сечения барабана. С учетом
этого формулу для расчета производительности молотковых дробилок можно
представить в виде
203
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
,
изм
где kизм – коэффициент пропорциональности, характеризующий выход готового
продукта с 1 м2 площади диаметрального сечения камеры, кг/(с·м2). Для
зерновых дробилок kизм= 2,4…2,6.
Производительность молотковой дробилки на измельчении зерна
можно определить по эмпирической формуле
2
8
10 ρ
.
Технико-экономические показатели. Для сравнительной оценки
проектируемой дробилки и выбора оптимальных режимов работы важное
значение имеет технико-экономическая характеристика машины. С этой
целью определим показатели, которые могут быть использованы для общей
оценки конструкции.
Энергоемкость Эн (кВт·ч/т) процесса с учетом достигнутой степени
измельчения
изм
Эн
,
где Nизм – мощность, расходуемая на измельчение (за вычетом потерь холостого
хода), кВт;
Q – производительность, т/ч.
Удельный расход энергии W (Дж/кг) показывает, насколько полно
используется мощность установленного двигателя, и определяется по
формуле
прис
,
где Nприс – присоединенная мощность, кВт;
q – производительность дробилки, кг/с.
Вопросы для самоконтроля
1. Какой процесс называют измельчением?
2. Какой величиной характеризуется процесс измельчения?
3. Назовите виды измельчения в зависимости от размера куска.
204
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4. Приведите основные законы и гипотезы измельчения.
5. Охарактеризуйте основные конструкции измельчителей.
6. Как происходит распределение затрат энергии по отдельным
элементам рабочего процесса дробилки?
7. Как определяется производительность дробилки?
19. Уплотнение твердых материалов
19.1. Теоретические основы уплотнения твердых материалов
Для
обезвоживания,
гранулирования
и
брикетирования
формования
пластичных
твердых
материалов,
материалов
в
пищевой
промышленности применяется прессование.
Прессование заключается в том, что обрабатываемый материал
подвергается внешнему давлению в специальных прессах.
Под
избыточным
брикетирование,
давлением
формование
и
проводятся
штампование
обезвоживание,
различных
пищевых
материалов.
Обезвоживание под давлением применяется в ряде отраслей пищевой
промышленности:
в
сахарном
производстве
для
отжима
воды
из
свекловичного жома, сока из сахарного тростника, в жировом производстве
для выделения из семян подсолнечника растительного масла, в производстве
соков для выделения сока из ягод и плодов и в других производствах.
Брикетирование применяется для получения брикетов, т. е. брусков
прямоугольной или цилиндрической формы спрессованного материала.
Брикетирование применяется в сахарном производстве для получения
брикетов свекловичного жома и сахара-рафинада. Брикетирование широко
применяется в производстве пищевых концентратов и лекарственных
препаратов, в кондитерском и в комбикормовом производствах, в процессах
утилизации отходов производства и др.
205
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Физическая сущность прессования сводится к сближению и сцеплению
частиц твердой фазы, т. е. к уплотнению и упрочению разрыхленной массы
путем механического давления.
В качестве характеристики брикетируемости (гранулируемости)
служит степень уплотнения λупл, представляющая собой отношение объема V
порции материала до прессования к объему VК полученного брикета. При
уплотнении в камере с постоянной площадью поперечного сечения будет
справедливо выражение
λупл
к
к
,
где h и hк – высота слоя до и после прессования в камере постоянного сечения.
Если плотность рыхлого материала обозначить через ρ0 (кг/м3), а
плотность полученного монолита ρ (кг/м3), то степень уплотнения
,
упл
где М – масса брикета.
19.2. Уравнение распределения давления прессования
Давление прессования складывается из давления на уплотнение
продукта и давления для преодоления сил трения продукта о пресс-форму.
Пренебрегая трением продукта о пресс-форму и принимая, что продукт
является однородным, выражение для описания процесса прессования:
р
р
где ψ
β
β ,
– модуль прессуемости;
р, р0 – соответственно конечное и начальное давления сжатия;
β, β0 – конечный и начальный коэффициенты уплотнения.
В условиях равновесия на элемент брикета, находящийся в матрице на
расстоянии z от пуансона, в вертикальной плоскости действуют нормальные
силы pz и
, удельные силы трения Тz и силы от боковых давлений pxz.
206
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Удельная сила трения
,
где f – коэффициент трения материала о стенку матрицы.
Вертикальное удельное давление связано с боковым удельным
давлением рxz соотношением
ξ, если поперечное сечение F и периметр
брикета П, то условие равновесия сил на ось z выражается уравнением
П
.
19.3. Оборудование для прессования
В
пищевой
промышленности
применяются
прессы
самых
разнообразных конструкций. Их можно разделить на две большие группы:
гидравлические и механические.
Гидравлический пресс работает по законам гидравлики. Основным
узлом пресса является рабочий цилиндр, внутри которого перемещается
плунжер, соединенный с подвижной плитой. Плунжер приводится в движение
жидкостью.
Прессуемый материал помещается между подвижной и неподвижной
плитами.
Сила давления, создаваемая поршнем на материал, прямо пропорциональна его площади
,
где р – давление в гидросистеме, Н/м2;
F – площадь поршня, м2.
Гидравлические прессы широко применяются при переработке фруктов и овощей с целью получения соков, для производства ликеров и эссенций.
К механическим прессам относятся наклонные горизонтальные и
вертикальные шнековые прессы с одно- и двусторонним отжатием. Прессы
двустороннего отжатия более производительны, чем прессы с односторонним
отжатием, и позволяют отжимать материал до более низкой конечной
влажности.
207
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Горизонтальные и наклонные прессы имеют аналогичную конструкцию. В отличие от горизонтальных прессов в наклонных не происходит
частичного смешения отжатого жома с удаляемой жидкостью.
Пресс Б6-БПО предназначен для отжима моечных отходов зернового
производства после обработки их в сепараторе. Основным рабочим органом
пресса являются шнек 9 (рис. 79), установленный внутри сита 8. Под ситовым
корпусом с конусными отверстиями установлен поддон для сбора отжатой
воды, которая выводится через патрубок 11. Часть воды отводится также в
зоне приёмного патрубка и из корпуса подшипников. Моечные отходы с
влажностью 55–60 % выводятся через патрубок 10 и направляются в сушку
А1-БСО. Привод шнека осуществляется от электродвигателя 1 через
ременную передачу 2, редуктор 3 и муфту 4. Для очистки сита от застрявших
частиц оболочек служит барбатёр 7.
Рисунок 79 – Схема шнекового пресса Б6-БПО:
1 – электродвигатель; 2 – ременная передача; 3 – редуктор; 4 – муфта;
5 – подшипниковый узел; 6 – приёмный патрубок; 7 – барбатёр; 8 – сито конусное;
9 – шнек; 10 – патрубок для прессованных отходов; 11 – сливной патрубок
Дражировочный гранулятор представляет собой чашеобразный корпус
с вогнутым дном, который совершает сложное движение в горизонтальной
плоскости. Чаша вращается вокруг собственной оси и вокруг вала привода.
Такое сложное движение чаши создает восходящий винтообразный поток
порошка. В результате происходит окатывание ядра оболочкой, что приводит
208
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
к росту гранул. Ядром служат обычно кристаллы сахара, изюм и орехи, ягоды
и т. д. Оболочка состоит из сахарной пудры, порошка какао, кофе.
19.4. Инженерные расчеты прессов
Производительность прессов по отжатому жому определяется по
выражению
φ
,
где р – плотность отжатого жома, кг/м ;
φ – отношение площади, занятой прерывистыми витками шнека, к площади
винтовой поверхности;
F – площадь кольцевого выходного отверстия или в случае перфорированного
диска сумма площадей свободного сечения диска, м ;
t – шаг витка шнека в выходной щели, м;
n – частота вращения шнека, мин
.
Мощность привода пресса (кВт) складывается из ряда составляющих:
в
N=
где
в
сж
п
сж
п
п
,
– мощность, необходимая для преодоления сил тре-
ния продукта соответственно по ситовому корпусу, поверхности корпуса,
поверхности витков шнека, для сжатия жома, перемещения жома;
п
– коэффициент полезного действия привода.
Вопросы для самоконтроля
1. Какой процесс называют прессованием?
2. Назовите основные виды прессования.
3. Какой величиной характеризуется процесс уплотнения?
4. Какое вы знаете оборудование для прессования? В чем его принцип
действия?
5. Как определяется производительность и мощность процесса
прессования?
209
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1.
Кавецкий, Г. Д. Процессы и аппараты пищевой технологии /
Г. Д. Кавецкий, Б. В. Васильев. – 2-е изд., перераб. и доп. – М. : Колос,
2000. – 551 с.
2.
Иванец, В. Н. Процессы и аппараты пищевых производств : учебное
пособие / В. Н. Иванец, И. А. Бакин, С. А. Ратников ; Кемеровский
технологический институт пищевой промышленности. – Кемерово,
2004. – 180 с.
3.
Плановский, А. Н. Процессы и аппараты химической технологии /
А. Н. Плановский, В. М. Рамм, С. З. Каган. – М. : Химия, 1968. – 847 с.
4.
Панфилов, В. А. Машины и аппараты пищевых производств : учебник
для вузов. В 2 кн. Кн. I / С. Т. Антипов, И. Т. Кретов, А. Н. Остриков и др. ;
под ред. акад. РАСХН В. А. Панфилова. – М. : Высшая школа, 2001. –
703 с.
5.
Панфилов, В. А. Машины и аппараты пищевых производств : учебник для
вузов. В 2 кн. Кн. II / С. Т. Антипов, И. Т. Кретов, А. Н. Остриков и др. ;
под ред. акад. РАСХН В. А. Панфилова. – М. : Высшая школа, 2001. –
680 с.
6.
Дытнерский, Ю. И. Процессы и аппараты химической технологии.
Часть 1. Массообменные процессы и аппараты : учебник для вузов.
В 2 кн./ Ю. И. Дытнерский. – Изд. 2-е.– М. : Химия, 1995. – 400 с.
7.
Дытнерский, Ю. И. Процессы и аппараты химической технологии.
Часть 2. Массообменные процессы и аппараты : учебник для вузов.
В 2 кн. / Ю. И. Дытнерский. – Изд. 2-е.– М. : Химия, 1995. – 368 с.
8.
Менх, В. Г. Процессы и аппараты пищевых производств: краткий курс
лекций / В. Г. Менх ; Кемеровский технологический институт пищевой
промышленности. – Кемерово, 2003. – 110 с.
210
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
9.
Генералов,
М.
Б.
Основные
процессы
и
аппараты
технологии
промышленных взрывчатых веществ : учебное пособие для вузов /
М. Б. Генералов. – М. : ИКЦ «Академкнига», 2004. – 397 с.
10. Мефодьев, М. Н. Процессы и аппараты пищевых производств : курс
лекций / М. Н. Мефодьев, Г. М. Харченко, А. А. Мезенов ; Новосиб. гос.
аграр. ун-т. Инженер. ин-т. – Новосибирск, 2009. – 144 с.
11. Технологические процессы и производства (пищевая промышленность) /
Г. Д. Кавецкий, А. В. Воробьева. – М. : Издательство «КолосС», 2006. –
368 с.
12. Касаткин, А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии :
учебник для вузов / А. Г. Касаткин. – М. : ООО ТИД «Альянс», 2004. –
753 с.
13. Машины и аппараты химических производств / под ред. д-ра техн. наук,
проф. И. И. Чернобыльского. – Изд. 3-е, перераб. и доп. – М. :
Машиностроение, 1974. – 456 с.
14. Кондратов, А. Ф. Механизация животноводства / А. Ф. Кондратов,
В. П. Ожигов, М. Н. Мефодьев, Н. А. Петухов. – Новосибирск : НГАУ,
2005. – 552 с.
15. Жужиков, В. А. Фильтрование. Теория и практика разделения суспензий /
В. А. Жужиков. – 4-е изд., перераб. и доп. – М. : Химия, 1980. – 400 с.
16. Процессы и аппараты пищевых производств : учеб. для вузов. В 2 кн. /
А. Н. Остриков и [др.] ; под ред. А. Н. Острикова. – СПб. : ГИОРД, 2007. –
Кн. 1. – 704 с.
17. Процессы и аппараты пищевых производств : учеб. для вузов: в 2 кн. /
А. Н. Остриков и [др.] ; под ред. А. Н. Острикова. – СПб. : ГИОРД, 2007. –
Кн. 2. – 697 с.
18. Евдокимов, И. А. Электродиализ молочной сыворотки : монография /
И. А. Евдокимов, Н. Я. Дыкало, А. В. Пермяков. − Георгиевск : ГТИ
(филиал) СевКавГТУ, 2009. – 248 с.
211
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
19. Сельвинский, В. В. Осаждение взвешенных частиц и фильтрование
взвесей в центробежном поле / В. В. Сельвинский, Г. М. Харченко //
Вестн. Амур. гос. ун-та : материалы науч.-практ. конф. – Благовещенск :
АГУ, 2005. – Вып. 28. – С. 7–8.
20. Федоренко, И. Я. Вибрируемый зернистый слой сельскохозяйственной
технологии : монография / И. Я. Федоренко, Д. Н. Пирожков. – Барнаул :
АГАУ, 2006. – 166 с.
21. Харченко, Г. М. Процессы при работе конической фильтрующей
центрифуги / Г. М Харченко // Вестн. Алт. аграр. ун-та. – Барнаул : АГАУ,
2007. – № 6 (32). – С. 56–58.
22. Харченко, Г. М. Особенности математического моделирования очистки
растительных масел в конической центрифуге / Г. М. Харченко // Техника
в сельском хозяйстве. – 2008. – № 4. – С. 16–18.
Подписано в печать 24.12.2013. Формат 60х84 1/16. Бумага офсетная.
Гарнитура «Times». Печать офсетная. Усл. печ. л. 12,3. Тираж 100 экз. Заказ № 20.
Налоговая льгота – Общероссийский классификатор продукции ОК 005-93-953000
Издательство Ставропольского государственного аграрного университета «АГРУС»,
355017, г. Ставрополь, ул. Пушкина,15. Тел/факс: (8652) 35-06-94. Е-mail: agrus2007@mail.ru
Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии издательско-полиграфического комплекса СтГАУ
«АГРУС», г. Ставрополь, ул. Пушкина, 15.
212
Документ
Категория
Физико-математические науки
Просмотров
2 800
Размер файла
2 839 Кб
Теги
2588, процесс, аппарата, пищевых, производства
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа