Теплоносители и их свойства

1. Насыщенный водяной пар – он обладает высокой аккумулирующей способностью теплоты и высокими коэффициентами теплоотдачи.

Главным недостатком водяного пара является значительное увеличение давления при возрастании температуры. Водяной пар применяется до температуры 180 – 190 ⁰С.

2. Чистая вода. Основные достоинства: доступность и дешевизна, значительно высокие в сравнении с водяным паром. Недостатком является небольшая удельная теплоемкость и связанная с этим аккумулирующая способность теплоты.

3. Топочные газы. Широко используются в схемах утилизации теплоты на предприятиях, имеющих собственные котельные. Температура топочных газов достигает 1000 –1100 ⁰С при атмосферном давлении, что позволяет использовать промежуточный теплоноситель для обогрева в теплообменных аппаратах. В качестве промежуточного теплоносителя можно использовать воздух или минеральное масло. К недостаткам топочных газов относят наличие в них включений, вызывающих загрязнение поверхности теплообмена и низкий коэффициент теплоотдачи.

4. Минеральное масло (цилиндровое, компрессорное) применяется для проведения тепловой обработки пищевых продуктов при высокой температуре до 800 ⁰С при обжарке кофе, какао-бобов. Масла - сравнительно дешевые теплоносители, но обладают низкими значениями коэффициентов теплоотдачи, частично разлагаются в процессе эксплуатации, образуя на нагревательной поверхности слой кокса, ухудшающий теплообмен.

5. Высокотемпературные органические теплоносители (ВОТ). Наиболее распространенными ВОТ является дифенильная смесь (Даутерм А), состоящая из 26 % дифенила и 74% дифенильного эфира. Достоинство – высокая термостойкость и возможность нагревания до 250 ⁰С при атмосферном давлении. Не токсичен.

Нагревание - это процесс повышения температуры материала путем подвода к нему теплоты с помощью теплоносителей

Охлаждение – процесс понижения температуры материала путем отвода от него теплоты. Для охлаждения до температуры 10 -15⁰С используют воду и воздух, для охлаждения до низких температур используют низкотемпературные хладагенты, холодные рассолы, фреоны, аммиак, диоксид углерода.

Выпаривание – это процесс концентрирования растворов твердых нелетучих или малолетучих веществ путем испарения летучего растворителя и отвода образовавшихся паров, например, свекловичный сок. Чтобы не нарушились биологически ценные компоненты содержащиеся в сырье, процесс выпаривания проводится под вакуумом, хотя расход энергии выше, чем при выпаривании при атмосферном или избыточном давлении.

Конденсация – это переход вещества из паро- или газообразного состояния в жидкое путем отвода от него теплоты с помощью охлаждающего теплоносителя, отделенного стенкой (поверхностная конденсация), либо при непосредственном смешивании конденсируемых паров с охлаждающим теплоносителем водой (конденсированное смешивание).

Испарение – процесс превращения жидкости в пар путем подвода к ней теплоты. Наиболее эффективное испарение протекает при кипении жидкости (концентрирование сахарных растворов, разделение жидких смесей).

3. К массообменным процессам относятся процессы адсорбции, абсорбции, экстракции, перегонки и ректификации, растворения и кристаллизации и сушки.

Абсорбция – это процесс поглощения газов или паров жидкостью. Этот процесс обратимый, т.е. в определенных условиях можно выделить газ из жидкости (десорбция). Сочетание абсорбции и десорбции позволяет создать непрерывные промышленные производства с многократным использованием жидкого поглотителя и выделением поглощенного вещества из парогазовой смеси. Например, при производстве спирта, из образующего в результате брожения СО₂ абсорбцией улавливают пары спирта, а затем очищенный газ сжижают для использования в других производствах. Процесс насыщения минеральной воды, шампанского диоксидом углерода , в специальной технологии называемой сатурацией, в действительности является классическим примером абсорбции.

Адсорбция – это процесс поглощения одного или несколько компонентов из смеси газов, паров или растворов поверхностью твердого вещества - адсорбента. Процесс обратный адсорбции называется десорбцией. Адсорбция применяется в свеклосахарном производстве для обесцвечивания диффузионного сока. В качестве адсорбента применяется активированный уголь, силикагели, иониты, цеолиты.

Активированный уголь самый распространенный адсорбент, его получают сухой перегонкой дерева с последующим прокаливанием при температуре около 900 ⁰С. Суммарная поверхность 1 г. активированного угля от 600-1700 м².

Селикагели – этот абсорбент получают обезвоживанием геля кремниевой кислоты, обрабатывая силикат натрия (жидкое стекло) минеральными кислотами или кислыми растворами их солей. Суммарная поверхность 1 г. 400-770 м². Силикагели поглощают влагу из воздуха и газов. Поэтому гранулы силикагеля иногда используют при упаковке на хранение приборов и материалов, боящихся влаги.

Цеолиты – водные алюмосиликаты катионов элементов 1 и 2-й групп Периодической системы Д.И. Менделеева. Встречается в природе, добываются карьерным способом. В промышленности чаще применяют синтетические цеолиты, обладающие весьма однородной структурой, с размерами пор, которые можно сравнить с размерами крупных молекул. Поэтому цеолиты обладают свойствами микрофильтрационных мембран.

Иониты – это природные и искусственные адсорбенты, действие которых основано на химическом взаимодействии с очищаемыми растворами. Процессы с применением ионитов относятся к хемосорбции – это адсорбция, сопровождаемая химическими реакциями. Иониты, содержащие кислые активные группы и обменивающиеся с раствором электролита подвижными анионами называются анионитами. Иониты, содержащие основные активные группы и обменивающиеся подвижными катионами, называются катионитами. Широко используются ионообменные смолы, их используют в сахарорафинадном производстве для освещения сиропов.

Экстракция – процесс избирательного извлечения одного или нескольких растворимых компонентов из растворов или твердых тел с помощью растворителя - экстрагента. Если вещества извлекаются из жидких систем, процесс называется жидкостной экстракцией. В общем виде процесс экстракции растительного сырья можно разбить на 4 стадии.

1. Проникновение экстрагентов в поры растений сырья.

2. Растворение извлекаемого экстрагентом вещества.

3. Диффузный перенос извлекаемого вещества к поверхности частицы сырья.

4. Перенос извлекаемого вещества с поверхности сырья в жидкости – экстрагент.

Перегонка и ректификация наиболее распространенные процессы разделения жидких однородных смесей состоящих из двух или нескольких компонентов. При получении технического и пищевого спирта, производстве ароматических веществ. Перегонку для грубого разделения смеси. Для более полного разделения смеси используют ректификацию.

Эти процессы основаны на различной летучести компонентов смеси при одной и той же температуре. Компонентные смеси обладающие большей летучестью называются легколетучими, а меньшей летучестью труднолетучими. Легколетучий компонент кипит при более низкой температуре, чем труднолетучий. В результате перегонки и ректификации исходная смесь разделяется на дистиллят обогащенный легколетучим компонентом и кубовый остаток обогащенный труднолетучим компонентом. Дистиллят получают в результате конденсации паров в конденсаторе-дефлегматоре. Кубовый остаток получают в кубе установки. В простейшем случае исходная смесь состоит из 2-х компонентов, такая смесь называется бинарной. Состояние бинарной смеси определяют три независимых параметра: давление, температура, концентрация. При выборе любых двух параметров определяется значение третьего. В зависимости от взаимной растворенности компоненты бинарной смеси можно разделить:

1. на смеси с неограниченной растворимостью компонентов;

2. с взаимно нерастворимыми компонентами;

3. с частичной растворимостью компонентов друг в друге.

Перегонка представляет собой процесс однократного испарения жидких смесей и конденсацию образовавшихся паров. Простая перегонка может проводится с отбором фракций с водяным паром или под вакуумом, т.е. молекулярная перегонка. Молекулярная перегонка самая сложная. Она используется для разделения компонентов кипящих при высоких температурах и не обладающих термической стойкостью.

Ректификация представляет собой разделение смесей на составляющие ее компоненты в результате многократного частичного испарения жидкости и конденсации паров. Проводят ректификацию в колонных аппаратах, снабженных контактными устройствами (тарелками различной конструкции), либо снабжены насадкой. Применяется при производстве спирта.

Кристаллизация один из самых распространенных и наиболее эффективных процессов получения вещества в чистом виде. Это процесс выделения твердой фазы в виде кристаллов из растворов и расплавов. Кристаллы представляют собой твердые тела различной геометрической формы, ограниченными плоскими краями. Кристаллизация является завершающим процессом при производстве сахара-песка, соли, лимонной кислоты, глюкозы. Кристаллизацию проводят как правило из водных растворов при понижении температуры или удалении части растворителя уменьшая растворимость твердого вещества. Раствор становится пересыщенным и твердое вещество выпадает в осадок. Переход вещества из растворов в твердую фазу осуществляется путем диффузии растворенного вещества через пограничный слой окружающей поверхности кристаллизации. Скорость процесса кристаллизации может определятся скоростью диффузии растворенного вещества через пограничный слой, либо скоростью слияния вещества с телом кристалла , либо зависит от того и другого. Процесс кристаллизации состоит из двух стадий:

• образование центра кристаллизации

• рост кристалла.

Сушка это удаление влаги из материалов (продуктов, изделий) при их подготовке к переработке, использованию или хранению.

Сушка обеспечивает сохранность зерна в сельском хозяйстве, увеличивает сроки хранения изделий (сухари, сахар).

Сушка также может быть включена в технологический процесс для придания перерабатываемым полуфабрикатам и изделиям (пастиле, зефиру) определенного качества.

Различают сушку конвективную (в потоке нагретого газа), контактную (при соприкосновении с нагретой поверхностью), сублимационную (в вакууме), высокочастотную (диэлектрическим нагревом), радиационную (ИК-излучением).

Удаление влаги из материала может быть осуществлено различными способами. Наименее энергоемким способом является механический: прессование или отжим в центрифугах. Этот способ позволяет удалить лишь ту часть влаги в материале, которая заполняет поры и капилляры тела, так называемую несвязанную влагу. Для полного удаления влаги применяют тепловые способы сушки, основанные на превращении влаги, содержащейся в материале, в пар с последующим удалением этого пара.

Виды связи влаги с материалом.

Сырье и материалы, подвергаемые сушке в пищевой промышленности, можно разделить на две группы: твердые кристаллические тела – сахар, лимонная кислота, поваренная соль и т.п. и коллоидно-дисперстные системы, которые, в свою очередь, можно разделить на три группы. Первая группа – эластичные гели – тела, которые при обезвоживании сжимаются, но сохраняют эластичность. К эластичным гелям относятся прессованное мучное тесто, изделия на основе агар-агара (пастила, зефир) и желатина (мармелад). Вторая группа – хрупкие гели – тела, которые после сушки становятся хрупкими: макароны. Третью группу составляют коллоидные капиллярно-пористые тела: хлеб, зерно и т.п. Эластичные стенки капилляров этих тел деформируются при сушке, поэтому изделия могут изменять свой объем (усадка) и форму (крошение). Различные тела неодинаково взаимодействуют с содержащейся в них влагой, по-разному ее связывают. Академик П.А. Ребиндер предложил классификацию форм связи влаги на основе энергии связи:

а) механическая – влага смачивания, содержащаяся в капиллярах и макрокапиллярах. Эта форма связи наименее прочная. Такую влагу можно удалить путем механического воздействия, например прессованием или в центрифуге;

б) физико-химическая форма связи – адсорбционная, осмотическая и структурная влага, содержащаяся в клетках и микрокапиллярах. Для разрушения этой формы связи требуется намного больше энергии. Как правило, удаление такой влаги происходит в форме пара, т. е. необходимо предварительно превратить воду в пар, затратив значительное количество теплоты;

в) химическая форма связи наиболее прочная. Это ионная связь (NaOH) и вода в кристаллогидратах (CuSO₄ · 5H₂O). Эта связь может быть разрушена либо путем химического воздействия, либо нагревом до высоких температур – прокаливанием.

Из сырья и пищевых продуктов влагу удаляют с помощью сушки, либо в два этапа, используется вначале прессование или центрифугирование, а затем сушку, т.е. удаляя свободную влагу, а затем связную.

Самый распространенный способ тепловой сушки – конвективный. В этом способе осуществляется конвективный перенос теплоты от нагретого сушильного агента к материалу. В качестве сушильных агентов используются топочные и инертные газы, а также воздух. Сушильный агент выполняет и вторую, не менее важную задачу – поглощает образовавшийся водяной пар и выводит его из сушилки. Интенсивность процесса зависит от скорости переноса теплоты при нагреве материала, испарения влаги и от скорости переноса массы этой влаги в сушильный агент. Самым распространенным сушильным агентом является предварительно подогретый воздух.

При конвективной сушке влага удаляется из материала за счет испарения с поверхности материала. На смену испарившейся из глубины материала влаги под действием градиента концентрации перемещается следующий поток влаги. Эта привычная нашим представлениям картина значительно искажается под действием температурного градиента, благодаря которому влага перемещается от более нагретых слоев к менее нагретым – внутри. Это явление получило название термовлагопроводности.

Суммарный поток перемещающейся влаги равен разности этих двух величин:

и зависит от величин действующих градиентов.

Чтобы избежать отрицательного влияния градиента температуры на скорость сушки, на практике стараются понизить температуру сушильного агента, прибегают к прерывистым процессам сушки с кратковременным нагревом и затем охлаждением и т.д.

Для характеристики процесса сушки коллоидных капиллярно-пористых тел удобно пользоваться графиками изменения влажности материала, которые называются кривые сушки.

Кривая сушки (рис. 1) показывает изменение влажности по времени. Как видно, из графика, весь период сушки от начальной влажности W_н до конечной W₂ можно разбить на три периода: краткий период: подогрева материала, когда влажность его практически не изменяется; период постоянной скорости сушки, когда кривая сушки имеет форму наклонной прямой; и период убывающей (падающей) скорости сушки точки К. Точка К называется критической и фиксирует на графике момент, когда количество влаги, поступающей к поверхности материала, становиться меньше, чем может испариться с его поверхности.

Продолжительность периода нагрева ничтожно мала по сравнению с двумя другими периодами сушки. Поэтому продолжительность сушки зависит от скорости в периоды постоянной и падающей скорости сушки.

Период постоянной скорости сушки. На этом этапе свободная влага удаляется из материала путем испарения с ее поверхности. Движущую силу этого процесса можно выразить разностью парциальных давлений пара в поверхностной пленке материала р_пл и водяного пара в окружающем воздухе р_в. Скорость сушки зависит от параметров сушильного агента (на этом этапе).

Период падающей скорости сушки. Характеризуется сложными кинетическими законами для различных материалов. Этот период начинается после удаления свободной влаги с поверхности материала, поэтому скорость сушки начинает зависеть от скорости перемещения влаги внутри материала к его поверхности. Движущую силу процесса в период падающей скорости сушки выражают разностью между влажностью материала W и равновесной влажностью W_р.