Классификация основных процессов пищевых технологий

Тип переноса	Движущая сила	Процессы	Технологические операции
Перенос количества движения	Механическая сила, давление	Механические, гидромеханические	Дробление, резание, сортирование, прессование, отстаивание, фильтрование
Перенос теплоты	Разность температур	Тепловые	Нагревание, охлаждение, выпаривание, конденсация
Перенос массы	Разность концентраций	Массообменные	Сушка, экстракция, адсорбция, абсорбция, кристаллизация, растворение, перегонка

Принципы оптимизации технологических процессов

Технологический процесс может осуществляться при различных параметрах. При этом затраты энергии, скорость процесса, а, следовательно, выход продукции, затраты живого труда, материалов и т.д. будут различными. Совершенствование производства направлено на поиск таких режимов, при которых затраты были бы наименьшими, а природоохранный эффект – наибольший. Такой поиск называется оптимизацией, а режим работы аппарата в наилучших условиях – оптимальным. Для оценки эффективности процесса на основании экспериментальных и теоретических исследований выводится критерий оптимизации, куда входят параметры, противоположно влияющие на процесс. Оптимизация при этом будет означать поиск компромисса между этими параметрами.

Первый принцип оптимизации формулируется следующим образом: «оптимально организованный процесс» – это, как правило, непрерывный, автоматически управляемый процесс.

Второй принцип – оптимальным является противоточное движение взаимодействующих веществ.

Третий принцип – процесс тем лучше, чем выше турбулизация потоков и скорость их движения.

Четвертый принцип – оптимизация процессов предполагает максимальную утилизацию теплоты.

Пятый принцип – оптимизация процессов тесно связана с созданием замкнутых малоотходных энергосберегающих технологий, с полной утилизацией энергии и отходов.

Лекция 6. Теплообменные и массообменные процессы

План лекции:

1. Теплопроводность, конвекция, радиация или тепловое излучение.

2. Теплоносители и их свойства.

3. Кипение, конденсация, выпаривание.

4. Основы массопередачи, массоотдачи и массопроводности.

5. Процессы абсорбции, адсорбции, сушки, экстракции.

Теплообменные процессы

При очистке сточных вод (в особенности при тепловом загрязнении) и отходящих газов существенное место занимает тепловая обработка, в результате которой изменяется состояние водной или воздушной среды, загрязняющие вещества могут окисляться или переходить в более стабильное и менее опасное для окружающей среды состояние. Кроме этого ускоряются химические и биохимические процессы, происходящие при очистке воздуха, вод и почвы. К тепловым процессам относятся: тепловая обработка, разогрев или охлаждение среды, сушка, сорбция и десорбция газов жидкостями (сатурация), растворение твердых веществ и кристаллизация, выпаривание и конденсация.

Известно три способа переноса теплоты: за счет теплопроводности, конвекции и радиации.

Теплопроводностью называетсяперенос теплоты внутри твердого тела, неподвижной жидкости или газа. Количество переносимой теплоты при этом способе описывается законом теплопроводности Фурье:количество теплоты dQ, переносимое посредством теплопроводности через элемент поверхности dF, перпендикулярный к тепловому потоку, за время dτ прямо пропорционально температурному градиенту ðt/ðn, площади поверхности dF и времени dτ:

dQ= -λ (ðt/ðn)dFdτ, (12)

Тепловой поток по закону Фурье

q=dQ/dFdτ = -λ (ðt/ðn) (13)

Знак минус в уравнениях (12) и (13) показывает, что теплота переносится в сторону убывания температуры. Коэффициент λв уравнении Фурье называется коэффициентом теплопроводности, имеющий размерность [Дж/м.К.с].

Коэффициентом теплопроводности показывает, какое количество теплоты переносится за счет теплопроводности за одну секунду при разности температур один градус на расстоянии в единицу длины нормали к изотерме поверхности.

Теплопроводность зависит от физической природы тела, его структуры, температуры и давления. Наибольшей теплопроводностью обладают металлы, наименьшей – газы.

Если написать уравнение теплопроводности по трем направлениям x,y,zдля элементарного параллелепипеда с ребрамиdx,dy,dzи сложить переносимые количества теплоты, то получим следующее выражение:

dQ=λ(ð²t/ðx²+ ð²t/ðy²+ ð²t/ðz²)dxdydzdτ (14)

Эта теплота изменила энтальпию параллелепипеда на следующую величину:

dQ=Cpdxdydz(ðt/ðτ)dτ (15)

где Ср – удельная теплоемкость при постоянном давлении.

Приравняв правые части уравнений (14) и (15), получим дифференциальное уравнение теплопроводности Фурье (второй закон Фурье):

ðt/ðτ=λ/Ср (ð²t/ðx²+ ð²t/ðy²+ ð²t/ðz²) (16)

Множитель λ/Ср называется коэффициентом температуропроводности, обозначается буквой α и характеризует тепловую инерцию тела. Размерность этого коэффициента [м²/с]. Она совпадает с размерностью кинематической вязкости, но никак не связана с его физическим смыслом.

Дифференциальное уравнение теплопроводности Фурье можно переписать в следующем виде:

ðt/ðτ = α²t, (17)

где (ð²t/ðx²+ ð²t/ðy²+ ð²t/ðz²) = α²t– оператор Лапласа.

Конвекция

Под конвективным теплообменом понимают процесс распространения тепла в жидкости (газе) от поверхности твердого тела или к его поверхности одновременно конвекцией и теплопроводностью. Как уже говорилось в неподвижной жидкости или газе теплота переносится за счет теплопроводности. В движущейся жидкости появляется еще один механизм переноса теплоты за счет перемешивания. Нагретые частицы жидкости, попадая в окружение холодных частиц, отдают им свою теплоту. Скорость переноса теплоты при этом тем выше, чем интенсивнее перемешивание, т.е. чем выше степень турбулизации потока теплоносителя. Следовательно,конвекционный теплообменвключает в себя оба механизма переноса теплоты, а их вклад зависит от гидродинамических характеристик движения жидкости.

Теория гидравлического трения предполагает, что в пристеночной области формируется ламинарный слой, толщина которого определяет характер взаимодействия основного потока со стенкой. Этот слой будет влиять и на характер теплоотдачи от стенки жидкости и наоборот. В ядре потока, где жидкость движется в турбулентном режиме, преобладает перенос теплоты за счет перемешивания. В ламинарном пристеночном слое перемешивание отсутствует, поэтому теплота через этот слой переносится за счет теплопроводности, а интенсивность этого процесса определяется толщиной ламинарного слоя. Последняя, зависит от физических свойств жидкости, входящих в критерий Прандтля:

Pr=μρC/λ, (18)

где μ– вязкость жидкости,ρ– плотность ее, С – удельная теплоемкость,λ– удельная теплопроводность жидкости.

Критерий Прандтля имеет и другое написание:

Pr=v/ α , (19)

где v– кинематическая вязкость жидкости, α – коэффициент температуропроводности.

Толщина гидравлического ламинарного слоя, определяющего гидравлическое трение, совпадает с толщиной слоя, определяющего теплоотдачу только в случае, еслиPr= 1. Обычно для жидкости он больше единицы, а для газов меньше или равен единице.

Количество теплоты, отдаваемое стенкой жидкости, рассчитывают по закону теплоотдачи Ньютона: количество теплоты dQ, отдаваемое за время dτ поверхностью стенки dF, имеющей температуру t_ст, жидкости температурой t_ж, прямо пропорционально dF и разности температур t_ст - t_ж:

dQ= a dF (t_ст - t_ж), (20)

где а – коэффициент теплоотдачи, который показывает, какое количество теплоты передается 1 м² поверхности стенки жидкости (или от жидкости к стенке) в течение 1 с при разности температур между стенкой и жидкостью 1^о. Он имеет размерность [Дж/м².К.с].

Коэффициент теплоотдачи зависит от факторов, определяющих процесс переноса в пристеночном слое. Это физические свойства жидкости – теплопроводность, удельная теплоемкость, коэффициент объемного расширения, а также геометрические характеристики стенки.

Радиация или тепловое излучение

Перенос теплоты излучением (радиация) имеет место в хлебопекарных радиационных печах и радиационных сушилках, применение которых в настоящее время ограничено из-за довольно высокой энергоемкости. Сюда же можно отнести и микроволновые печи, используемые в быту. Об этом переносе теплоты вам расскажут в курсе «Общая технология отрасли».

Если на поверхность тела попадает лучистая энергия в количестве Q, то в общем случае телом поглощается с превращением в тепловую только часть ееQ_А; часть лучистой энергииQ_Rотражается от поверхности тела, а частьQ_Dпроходит сквозь тело. Очевидно, что

Q=Q_А+Q_R+Q_D (21)

Первое слагаемое правой части равенства (21) характеризует поглотительную способность тела, второе – отражательную, третье – пропускающую. Если первое слагаемое гораздо больше других, то такое тело называется абсолютно черным, если это можно сказать о втором слагаемом, то – тело абсолютно белое, а если о третьем, то тело абсолютно прозрачное. О продуктах питания такое сказать нельзя. Каждое тело обладает своей лучеиспускательной и лучепоглотительной способностью. Эта характеристика (Е) в общем случае выражается формулой:

Е = Q/F(22)

Продифференцировав это выражение по длине волны, а затем, проинтегрировав его с учетом выражения Планка для различных длин волн, получим зависимость лучеиспускательной способности тела от температуры, которое получило название закона Стефана-Больцмана для абсолютно черного тела:

Е = k_oT⁴, (23)

где k_o– константа излучения абсолютно черного тела.

Но в жизни тела бывают в большей части серыми. Поэтому в выражение (23) была внесена поправка έ, названная степенью черноты тела, а закон Стефана-Больцмана принял вид:

Е = έ С_о(Т/100)⁴ , (24)

где С_о– коэффициент излучения абсолютно черного тела.

Соотношение же между лучеиспускательной и лучепоглотительной способностью тела определяется законом Кирхгофа: отношение лучеиспускательной способности тел к их поглотительной для всех тел одинаково, равно лучеиспускательной способности абсолютно черного тела при той же температуре и зависит только от температуры.

Теплоносители и их свойства

Самый распространенный теплоноситель – насыщенный водяной пар. Он обладает высокой аккумулирующей способностью теплоты и высокими коэффициентами теплоотдачи. Скрытая теплота конденсации насыщенного пара при атмосферном давлении 2260 кДж/кг. Это позволяет при небольшом расходе пара и небольших поверхностях нагрева передавать большое количество теплоты. Главным недостатком водяного пара является значительное возрастание давления при увеличении температуры. Практически насыщенный водяной пар применяют при температурах 180-190^оС и давлении 12.10⁵Па.

Чистая вода тоже широко используется в качестве теплоносителя. К достоинствам воды следует отнести доступность и дешевизну, сравнительно высокие значения коэффициентов теплоотдачи. К недостаткам относятся сравнительно небольшая удельная теплоемкость и связанная с этим аккумулирующая способность теплоты.

Топочные газы широко используются в системах утилизации теплоты на предприятиях, имеющих собственные котельные. Температура топочных газов достигает 1000-1100^оС, что позволяет использовать промежуточный теплоноситель для обогрева в теплообменных аппаратах. В качестве промежуточного теплоносителя можно использовать воздух или минеральное масло.

Минеральное масло (цилиндровое, компрессорное) – один из распространенных теплоносителей для проведения тепловой обработки пищевых продуктов при высокой температуре (до 800^оС).

В качестве теплоносителей используют также ВОТ (высокотемпературные органические теплоносители), например дифенильная смесь (Даутерм А), а также расплавы металлов (литий, натрий, калий, их смеси и др.

Теплоотдача при конденсации пара

Теплоотдача возникает при контакте пара с охлажденной поверхностью. При этом на поверхности образуются капельки жидкости – конденсата. Если этот процесс продолжается, то капельки заполняют всю поверхность конденсации и сливаются в сплошную пленку. В дальнейшем пар конденсируется на поверхности пленки, которая представляет собой дополнительное термическое сопротивление в процессе теплоотдачи от пара к стенке. Так как при этом термическое сопротивление в паровой фазе ничтожно мало, скорость передачи теплоты зависит от толщины и свойств этой пленки. Формула для расчета коэффициента теплоотдачи при пленочной конденсации пара, рассчитанная путем преобразования критериальных уравнений теплоотдачи, представляет следующее выражение:

__________

а= А ⁴√ λ³ρ²gr/μLΔt_пк, (25)

где А – коэффициент, связанный с ориентацией поверхности: для вертикальных поверхностей А=0,94, для горизонтальный – А=0,72; λ, ρ, μ – коэффициенты теплопроводности, вязкости и плотности конденсата; L– высота поверхности по которой стекает конденсат, м;g– ускорение свободного падения, м/с²;r– скрытая теплота парообразования, Дж/кг;Δt_пк- разность температуры пара и пленки, К.

Использование уравнения (25) для расчета «а» на практике связано с трудностями определения перепада температур на пленке, поэтому эту величину определяют методом последовательных приближений от произвольно выбранного начального значения или определяется путем экспериментов.

Теплопередача при кипении жидкостей

Кипением называется процесс испарения жидкости, при котором пар образуется в виде пузырьков в определенных местах (центрах) поверхности нагрева либо в виде сплошной пленки. Первый вид парообразования называетсяпузырьковым или ядерным, второй –пленочным.

Теплоотдача при кипении жидкостей относится к числу особенно сложных процессов, поэтому до последнего времени никому из исследователей не удалось еще сделать теоретических обобщений, позволяющих надежно вычислять коэффициенты теплоотдачи для этого случая. На основании же опытных данных С.С.Кутателадзе предложил формулу для определения этого коэффициента при пузырьковом кипении:

а= 7.10^-4λ [g(ρ_ж– ρ_п)/σ]^0,5[pq/g(ρ_ж– ρ_п)rρ_пv]^0,7(v/α)^0,35, (26)

где ρ_ж, ρ_п– плотности жидкости и пара, кг/м³; р – давление над поверхностью пара, Па; σ – коэффициент поверхностного натяжения, Н/м;v– кинематическая вязкость жидкости, м²/с; α – коэффициент температуропроводности, м²/с;q– тепловой поток, Дж/м^2.с;r- скрытая теплота парообразования, Дж/кг;g– ускорение свободного падения, м/с².

Часто этим уравнением (26) невозможно пользоваться из-за отсутствия необходимых данных при температурах кипения. Поэтому для расчетов применяют найденные опытным путем зависимости для различных жидкостей вида:

а= А₁рⁿq^m, (27)

где А₁,n,m– константы, которые находят по справочникам, р – давление,q– плотность теплового потока.

Процессы выпаривания

Выпаривание – процесс концентрирования растворенных нелетучих веществ путем удаления жидкого летучего растворителя в виде паров. Сущность выпаривания заключается в переводе растворителя в парообразное состояние и отводе полученного пара от оставшегося сконцентрированного раствора. Превращение же жидкости с ее свободной поверхности в пар называетсяиспарением.

Образующийся при выпаривании пар, называемый вторичным паром,является водяным паром, который может быть использован как горячий теплоноситель в других аппаратах. Такая последовательная передача вторичного пара из одного аппарата в другой значительно увеличивает коэффициент полезного действия системы аппаратов. Такую последовательность аппаратов можно использовать при выпаривании сточных вод с высоким содержанием соли, которую невозможно выделить реагентным путем. Например, выпаривание применяется для обессоливания морских вод и получения пресной воды, а также для извлечения солей натрия или калия, хлоридов.

На выпаривание растворов расходуется огромное количество теплоты, поэтому от рациональной организации процессов выпаривания в значительной степени зависит рентабельность производства. Количество теплоты, необходимое для выпаривания:

Q=mr, (28)

где m– масса выпаренного растворителя, кг;r– скрытая теплота парообразования, Дж/кг.

Затраты теплоты на выпаривание зависят от давления и температуры, при которых осуществляется процесс, так как r=f(p). При этом она тем выше, чем ниже давление. Поэтому в промышленности широко используется выпаривание под вакуумом (рис. 13).

Рис. 13. Выпарной аппарат с естественной циркуляцией растворов

1 – сепаратор; 2 – паровое пространство над жидкостью; 3 – циркуляционная труба большого диаметра; 4 – межтрубное пространство; 5 – патрубок нагревательной камеры; 6 – нагревательные трубы малого диаметра; 7 – патрубок для вывода раствора; 8 – нагревательная камера; 9 – патрубок для вывода некондицируемых газов; 10 – патрубок для подачи растворов в аппарат.

Аппарат, в котором осуществляется выпаривание, - это, прежде всего теплообменный аппарат (рис. 13). За счет подвода теплоты от горячего теплоносителя в нем поддерживается кипение раствора. Особенностью выпарного аппарата является развитое паровое пространство 2 над свободной поверхностью кипящей жидкости. В качестве горячего теплоносителя обычно используется водяной пар, подводимый в межтрубное пространство 4 нагревательной камеры 8. Образовавшийся конденсат отводится из нагревательной камеры через патрубок 5, а неконденсируемые газы - через патрубок 9. Очищаемый раствор в аппарат подается через патрубок 10, а выводится через патрубок 7. Образовавшийся при выпаривании растворителя пар называется вторичным в отличие от греющего пара. В паровом пространстве вторичный пар должен отделиться от капель раствора и выйти из аппарата. Это обеспечивает сепаратор 1 – устройство, расположенное в верхней части аппарата. Для увеличения интенсивности выпаривания следует увеличить скорость движения жидкости по трубам. Поэтому устанавливают нагревательные трубы малого диаметра 6, а в центре циркуляционную трубу большого диаметра 3. Процесс, осуществляемый в описанном аппарате, называется простой выпаркой. Кроме этого существуют выпарные аппараты однокорпусные, многокорпусные и т.д.