Курс лекций для студентов дневной формы обучения Энгельс 2009 введение
Скачать 2.29 Mb.
|
| ЛЕКЦИИ по дисциплине «ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ» Энгельсский технологический институт (филиал) Государственного образовательного учреждения Высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет» Кафедра «Машины аппараты пищевых производств и теплотехника» А.Н. Суркова ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ Курс лекций для студентов дневной формы обучения Энгельс 2009 ВВЕДЕНИЕ Современные пищевые производства оснащены сложными машинами и аппаратами, в которых осуществляются не менее сложные технологические процессы превращения сырья в конечные продукты и полуфабрикаты. Курс "Процессы и аппараты пищевых производств" является одной из общеинженерных дисциплин при подготовке специалистов для предприятий пищевой и перерабатывающей промышленности и базируется на общенаучной подготовке, которая дается студентам на первых курсах. Помимо самостоятельного значения, курс служит основой для изучения последующих специальных дисциплин. Целью курса является изучение основных процессов и аппаратов, применяемых в пищевой промышленности, а также формирование навыков расчета и анализа процессов и аппаратов. Задача курса Ѓ| изучить не столько конкретные процессы и аппараты, сколько общие закономерности наиболее типичных процессов, методы их интенсификации и типовое оборудование. СОДЕРЖАНИЕ И ЗАДАЧИ КУРСА "ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ" Наука о процессах и аппаратах является основой каждой отрасли технологии пищевых производств. Возникнув в конце прошлого века, она является научной дисциплиной, которая играет громадную роль в различных современных технологиях пищевых производств. В пищевой промышленности осуществляются самые разнообразные процессы, в которых исходные материалы в результате химического взаимодействия претерпевают глубокие превращения, сопровождающиеся изменением агрегатного состояния, внутренней структуры и состава веществ. Наряду с химическими реакциями протекают физические (в том числе механические) и физикоЃ|химические процессы. К ним относятся: перемещение жидкостей и твердых материалов, их нагревание и охлаждение, разделение жидких и газовых неоднородных смесей, выпаривание растворов, сушка материалов и т.д. Курс «Процессы и аппараты пищевых производств» (ПАПП) строится на основе выявления аналогии внешне разнородных процессов независимо от отрасли пищевой промышленности, в которой они используются. Преимущество такого подхода заключается в познавании общих закономерностей протекания процессов, основанное на использовании законов механики, гидродинамики, термодинамики и других базисных дисциплин. В курсе ПАПП рассматриваются не только процессы, но и аппараты, в которых они протекают. Под словом аппарат понимают любое устройство, в котором обычно протекает технологический процесс. Обычно аппаратом называется сосуд, снабженный различными механическими приспособлениями. Однако некоторые из устройств, которые мы будем рассматривать, являются типичными рабочими машинами (центрифуги, дробилки, смесители и т.д.). Курс ПАПП дает основы теории процессов, методики расчета и основные принципы конструирования аппаратов, является базой для курсового и дипломного проектирования. Таким образом, курс ПАПП завершает общеинженерную подготовку специалиста и является необходимым переходным звеном к изучению специальных дисциплин (расчеты и конструирование, оборудование заводов, общая технология пищевых производств и т.д.). Возникновение и развитие курса ПАПП Наука о ПАПП создана в результате большой работы, проведенной отечественными и зарубежными учеными. Так в 1897 году Д.И. Менделеев в книге "Основы фабричноЃ|заводской промышленности" впервые изложил принципы построения курса процессов и аппаратов и дал их классификацию. Эти идеи затем были развиты А.К. Крупским, И.А. Тищенко и рядом .других ученых. В России первый курс, посвященный процессам и аппаратам, появился в 1913 г. Это была книга проф. И.А. Тищенко "Основные процессы и аппараты химической технологии". В дальнейшем вышли книги проф. А.Г. Касаткина, А.Н. Плановского, Кафарова и т.д. Из иностранных ученых, внесших заметный вклад в создание и развитие курса процессы и аппараты, можно отметить Льюиса, Уокера, Шервуда, Ричардсона и др. Все многообразие процессов пищевой промышленности можно разделить на четыре основных класса: Гидромеханические; Тепловые; Массообменные; Механические. За последние годы массообменные процессы пополнились новой и весьма важной группой мембранных процессов. В настоящее время в стадии становления находится новый большой и очень перспективный раздел технологии Ѓ| биотехнология. Количественное описание процессов пищевой технологии основано на законах химической термодинамики и кинетики в совокупности с законами переноса количества движения, теплоты, массы. Современные процессы должны осуществляться непрерывно и с большими скоростями, с применением средств настройки на оптимальный режим, отвечать условиям комплексного использования сырья и энергии, исключающих возможность загрязнения воздушного и водного бассейнов вредными выбросами. 1.2. Классификация основных процессов 1. Гидромеханические процессы, скорость которых определяется законами гидродинамики Ѓ| науки о движении жидкости и газа. К этим процессам относятся перемещение жидкостей и газов, разделение жидких и газовых неоднородных систем в поле силы тяжести (отстаивание), в поле центробежных сил (центрифугирование), а также под действием разности давлений при движении через пористый слой (фильтрование) и перемешивание жидкостей. Тепловые процессы, протекающие со скоростью, определяемой законами теплопередачи Ѓ| науки о способах распространения тепла. Такими процессами являются нагревание, охлаждение, выпаривание и конденсация паров. Массообменные (диффузионные) процессы, характеризующиеся переносом одного или нескольких компонентов исходной смеси из одной фазы в другую через поверхность их раздела. К этой группе процессов, описываемых законами массопередачи, относятся абсорбция, перегонка (ректификация), экстракция из растворов, кристаллизация, адсорбция и сушка. Механические процессы, описываемые законами механики твердых тел. Они применяются в основном для подготовки исходных твердых материалов и обработки конечных твердых продуктов, а также для транспортирования кусковых и сыпучих материалов. К механическим процессам относятся измельчение, транспортирование, сортировка (классификация), дозирование и смешение твердых веществ. По способу организации процессы пищевой технологии делятся на периодические и непрерывные. Периодические процессы проводятся в аппаратах, в которые через определенные промежутки времени загружаются исходные материалы; и после их соответствующей переработки (например, проведения химической реакции) происходит выгрузка конечного продукта. По окончании разгрузки аппарата и его повторной загрузки процесс повторяется снова. Таким образом, периодический процесс характеризуется тем, что все его стадии протекают в одном месте (в одном аппарате), но в разное время. Непрерывные процессы осуществляются в проточных аппаратах. Поступление исходных материалов в аппарат и выгрузка конечных продуктов производится одновременно и непрерывно. Следовательно, непрерывный процесс характеризуется тем, что все его стадии протекают одновременно, но разобщены в пространстве, т.е. осуществляются в разных аппаратах или в различных частях одного аппарата. Известны также комбинированные процессы. К ним относятся непрерывные процессы, отдельные стадии которых проводятся периодически, либо периодические процессы, одна или несколько стадий которых протекает непрерывно. Основные преимущества непрерывных процессов по сравнению с периодическими следующие: Нет перерывов в выпуске конечных продуктов, т.е. отсутствуют затраты времени на загрузку аппарата исходными материалами и выгрузку из него готовой продукции; Более легкое автоматическое регулирование и возможность более полной механизации; Большая компактность оборудования, что сокращает капзатраты и эксплуатационные расходы; Более полное использование подводимого (отводимого) тепла за счет отсутствия перерывов в работе аппаратов. Благодаря указанным достоинствам использование непрерывных процессов увеличивает производительность аппаратуры, уменьшает количество обслуживающего персонала, улучшает условия труда и повышает качество конечной продукции. Периодические процессы сохраняют свое значение главным образом в производствах относительно небольшого масштаба с разнообразным ассортиментом продукции, где их применение позволяет достичь большей гибкости оборудования при меньших кап. затратах. Непрерывные процессы отличаются от периодических и по распределению времени пребывания частиц среды в аппарате. В периодически действующем аппарате все частицы среды находятся одинаковое время, а в непрерывнодействующем их времена пребывания могут значительно различаться. 1.3. Общие принципы анализа и расчета ПАПП Содержание и последовательность расчетов будут следующими. Исходным этапом является расчет и анализ статики процесса, т.е. рассмотрение данных о равновесии, на основе которых определяют направление протекания и возможные пределы осуществления процесса (принцип ЛеЃ|Шателье). Пользуясь этими данными, находят предельные значения параметров процесса, необходимые для вычисления его движущей силы. Затем составляются материальные и энергетические балансы, исходя из законов сохранения массы и энергии. Последующий этап представляет собой расчет кинетики процесса (там, где возможно), определение скорости его протекания. Зная скорость и величину движущей силы (при выбранном оптимальном режиме работы аппарата) находят его рабочую поверхность (объем), а затем определяют основные размеры аппарата. Материальный баланс. По закону сохранения массы количество поступающих веществ µ § должно быть равно количеству веществ µ § получаемых в результате проведения процесса, с учетом потерьµ §: µ § (1Ѓ|1) Материальный баланс составляют для процесса в целом или для отдельных его стадий. Баланс может быть составлен для всех веществ, участвующих в процессе, и лишь для. одного из компонентов, если обрабатываемая смесь является двухЃ| или многокомпонентной. Баланс составляют за единицу времени (например, за I час или I сутки) в расчете на единицу количества исходных или конечных продуктов. На основе материального баланса определяют выход продукта на единицу затраченного сырья, под которым понимают выраженное в % отношение полученного количества продукта к максимальному, т.е. теоретически возможному. Энергетический баланс. Его составляют на основе закона сохранения энергии, согласно которому количество энергии, введенной в процесс, равно количеству выделившейся энергии, т.е. приход энергии равен ее расходу. Проведение любого процесса обычно связано с затратой различных видов энергии Ѓ| механической, электрической и т.д. Эти процессы часто сопровождаются изменением энтальпии системы, например, вследствие изменения агрегатного состояния веществ. При проведении химических реакций очень большое значение может иметь их тепловой эффект. Частью энергетического баланса является тепловой, который в общем виде выражается уравнением: µ § (1Ѓ|2) При этом количество вводимого тепла: µ § где Q1 Ѓ| количество тепла, вводимое с исходными веществами; Q2 Ѓ| количество тепла, подводимого извне, например, с теплоносителем, обогревающим аппарат; Q3 Ѓ| тепловой эффект физических и химических превращений. Количество отводимого тепла µ §складывается из тепла, удаляемого с конечными продуктами и отводимого с теплоносителем, а также тепловых потерь µ § В энергетическом балансе, кроме тепла, учитывается приход и расход всех видов энергии, например, затраты механической энергии на перемешивание жидкостей или сжатие и транспортирование газов. На основании теплового баланса находят расход водяного пара, воды и других теплоносителей, а по данным энергетического баланса Ѓ| общий расход энергии на осуществление процесса. Законы переноса и принцип движущей силы. При рассмотрении процессов различной природы (гидродинамических, теплоЃ| и массообменных) было установлено, что их кинетические уравнения аналогичны. Например, для тепловых: µ § (1Ѓ|3) где Q Ѓ| количество тепла, Вт; FЃ| поверхность теплообмена, м2; µ §Ѓ| время, сек; t Ѓ| движущая сила процесса перехода тепла, град; К Ѓ| коэффициент теплопередачи, Вт/м2 град; R = 1/ К Ѓ| сопротивление переходу тепла. Таким образом, кинетические уравнения этих процессов могут быть приведены к одному виду: µ § (1Ѓ|4) где J Ѓ| скорость протекания процесса; Х Ѓ| движущая сила процесса. Следовательно, общий принцип интенсификации процессов: для увеличения скорости их протекания необходимо увеличить движущую силу и уменьшить сопротивление. Понятие движущей силы является основным при рассмотрении любого процесса. Она представляет собой некоторую разницу потенциалов, характерную для каждого вида процессов. Из выражения (1Ѓ|3) находят необходимую рабочую поверхность (объем) аппарата по известным остальным величинам, а затем определяют его основные размеры. 1.4. Расчет аппаратов периодического и непрерывного действия При расчете аппарата периодического действия используют следующую зависимость: µ § (1Ѓ|5) где V р Ѓ| объем аппарата, м3; V Ѓ| заданная суточная производительность, м3/сутки; µ § Ѓ| период процесса, т.е. время от начала загрузки исходного сырья данной партии до начала загрузки следующей партии; µ §Ѓ| коэффициент заполнения аппарата, обычно выбирается в диапазоне 0,7...0,8; N Ѓ| число аппаратов. При проведении расчетов обычно задаются объемом аппарата или их количеством. Для приближенного расчета аппарата непрерывного действия можно использовать следующее выражение µ §, (1Ѓ|6) где µ § Ѓ| среднее время пребывания элементарного объема материала в аппарате, обычно оно задано. При проведении любого процесса всегда возникает возможность выбора нескольких вариантов решения. Один из них будет наиболее целесообразным, т.е. оптимальным. В качестве критерия оптимизации чаще всего выбирается минимум времени и затрат на производство продукции. Оптимизация всегда сводится к нахождению наиболее выгодного компромисса между значениями параметров, противоположно влияющими на процесс. 2. ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ И РАСЧЕТА ПАПП 2.1. Методы моделирования Моделированием называется метод изучения реального или создаваемого объекта (оригинала), при котором вместо него используется модель, а результаты распространяются на оригинал. Суть моделирования заключается в предсказании поведения оригинала в рабочих условиях производства по измеренным параметрам модели. Методы моделирования основаны на подобии различных объектов. Подобными называются явления, для которых постоянны отношения характеризующих их исходных величин. Условия подобия рассмотрим на простейшем примере геометрического подобия. Подобные фигуры отличаются друг от друга только масштабом и могут быть получены одна из другой умножением сходственных размеров одной из них на некоторый постоянный масштабный множитель (константу подобия). Например, если размеры сторон одного треугольника равны а', в' и с', а размеры сходственных сторон подобного ему треугольника составляют а", в", с", то: µ § (2Ѓ|1) Однако, соблюдение геометрического подобия аппаратов является условием необходимым, но не достаточным. При подобии физических процессов должны быть подобны все основные физические величины, влияющие на него. Поэтому технологические процессы подобны только при соблюдении так называемых условий однозначности, т.е. совместного обеспечения геометрического и временного подобия, подобия полей физических величин, а также начальных и граничных условий. |
Добавить документ в свой блог или на сайт
Похожие:
 | Учебно-методический комплекс для специальности 080504 − Государственное... Общепрофессиональный курс «Информатизация муниципальных органов» предназначен для студентов четвертого курса дневной, вечерней и... | | Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Методические указания предназначены для выполнения лабораторных работ по курсу «Технология автоматизированного машиностроения» для... |
| Учебно методический комплекс Для студентов специальности 1 24 01... Для студентов специальности 1 – 24 01 02 Правоведение юридического факультета дневной формы обучения | | Рабочая программа Наименование дисциплины Учебная практика (ознакомительная) По профилям подготовки Информационно-аналитическая деятельность (для студентов дневной формы обучения) и Технология автоматизированных... |
 | Выполнили: Воспитатель мдоу №45, г. Энгельс, Егорова Е. А. Воспитатель... История развития географической науки и роль выдающих ученых в формировании системы географических знаний | | Чрезвычайные ситуации на химически опасных объектах с выбросом аварийно... Чрезвычайные ситуации на химически опасных объектах с выбросом аварийно химически опасных веществ (ахов) в окружающую природную среду:... |
| Московский государственный университет технологий и управления Учебно-практическое пособие предназначено для студентов 3 курса сокращенной и 5 курса полной форм обучения, а также 3 и 4 курсов... | | Программа курса для специальности 020400 Психология Курс “Зоо- и сравнительная психология” является общепрофессиональной дисциплиной и предназначен для студентов 1 курса Института психологии... |
| Тематический план для студентов дневной формы обучения 4 тематический... Предприятия питания в индустрии туризма и гостеприимства: учебно-методический комплекс для студентов специальности 080507 «Менеджмент... | | Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Конспект лекций по курсу «Делопроизводство» составлен на основе базовой программы «Делопроизводство и документационное обеспечение... |
| Учебное пособие к курсу лекций «Введение в современную литературу» Предлагаемое издание является учебным пособием к вузовскому курсу «Введение в современную литературу», который читается для студентов... | | Методическое пособие для студентов Составил: Андраковский Максим... ... |
| Экзаменационные вопросы по математике для студентов 2 курса гф дистанционно-заочной... Курс высшей математики. Введение в математический анализ. Дифференциальное исчисление. Лекции и практикум: Учебное пособие / Под... | | Тематика рефератов по отечественной истории для студентов 1 курса... |
| Планы семинарских занятий для студентов дневной формы обучения Планы... «Административное право» и предназначен для студентов мгюа и пмюи всех форм обучения | | Чрезвычайные ситуации мирного и военного времени. Характеристика... Чрезвычайные ситуации мирного и военного времени. Характеристика зон чрезвычайных ситуаций: метод, разработка для студентов всех... |
