Процессы и аппараты пищевых производств Бийск Издательство Алтайского государственного технического университета им. И. И. Ползунова 2010 icon

Процессы и аппараты пищевых производств Бийск Издательство Алтайского государственного технического университета им. И. И. Ползунова 2010


19 чел. помогло.
Смотрите также:
Материалы 5-й Всероссийской научной конференции 2−3 сентября 2010 года Бийск Издательство...
Итау бийск Издательство Алтайского государственного технического университета им. И. И...
Курс лекций Бийск Издательство Алтайского государственного технического университета им. И. И...
Программа учебного курса для студентов всех форм обучения Бийск...
Бийск Издательство Алтайского государственного технического университета им. И. И...
Высокотемпературные установки и технологии Бийск Издательство Алтайского государственного...
Курс лекций Бийск Издательство Алтайского государственного технического университета им. И. И...
Бти алтгту для внутривузовского использования в качестве учебного пособия Бийск Издательство...
Рабочая программа дисциплины «Процессы и аппараты пищевых производств»...
Рабочая программа дисциплины «Процессы и аппараты пищевых производств»...
Рабочая программа по дисциплине опд. Ф. 07. 02 «Процессы и аппараты пищевых производств»...
Бийск Издательство Алтайского государственного технического университета им. И. И...



страницы: 1   2   3   4   5   6   7   8   9   10
вернуться в начало

3.8 Теплопередача


В тепловых процессах осуществляется передача тепла –
теплопередача от одного теплоносителя к другому, причем эти

теплоносители в большинстве случаев разделены перегородкой – стенкой аппарата или стенкой трубы (рисунок 3.8).

Соотношение для расчета коэффициента теплопередачи можно вывести, рассмотрев процесс передачи тепла от одного теплоносителя к другому через разделяющую их стенку. На рисунке 3.9 показана плоская стенка толщиной δ, материал которой имеет коэффициент теплопроводности λ.








Рисунок 3.8 – Схема сложного

теплообмена – теплопередачи

через плоскую стенку

Рисунок 3.9 – К основному

уравнению теплопередачи


По одну сторону стенки протекает теплоноситель с температурой t1 в ядре потока, по другую сторону – теплоноситель с температурой t2. Температуры поверхностей стенки tcm1 и tcm2. Коэффициенты теплоотдачи α1 и α2. При установившемся процессе количество тепла, передаваемого в единицу времени через площадку S от ядра потока первого теплоносителя к стенке, равно количеству тепла, передаваемого через стенку и от стенки к ядру потока второго теплоносителя: Q=Q1=Q2=Q3.

Это количество тепла можно определить по любому из соотношений:

,

,

.

Сложив эти уравнения, найдем общее термическое сопротивление процессу теплопередачи:


.

(3.53)

Переписав уравнение (3.53) относительно теплового потока Q, получим:

.

(3.54)

Как известно, количество передаваемого тепла определяется основным уравнением теплопередачи (3.3): .

Из сопоставления уравнений (3.3) и (3.54) найдем

.

(3.55)

Уравнение (3.55) называют уравнением аддитивности термических сопротивлений.

Коэффициент теплопередачи К определяет количество тепла, которое передается от одного теплоносителя к другому через единицу площади разделяющей их стенки в единицу времени при разности температур между теплоносителями 1 град, откуда

.

(3.56)

Величина 1/К, обратная коэффициенту теплопередачи, представляет собой термическое сопротивление теплопередаче. Величины и являются термическими сопротивлениями теплоотдаче, а – термическим сопротивлением стенки. Из уравнения (3.56) следует, что термическое сопротивление теплопередаче равно сумме термических сопротивлений теплоотдаче и стенки:

.

(3.57)

При расчетах коэффициента теплопередачи в случае многослойной стенки необходимо учитывать термические сопротивления всех слоев. В этом случае коэффициент теплопередачи определяют по формуле

,

(3.58)

где i – порядковый номер слоя;

n – число слоев.


^ 3.9 Движущая сила тепловых процессов


Движущей силой тепловых процессов является разность температур сред, при наличии которой тепло распространяется от среды с большей температурой к среде с меньшей температурой. При теплопередаче от одного теплоносителя к другому разность между температурами теплоносителей не сохраняет постоянного значения вдоль поверхности теплообмена, и поэтому в тепловых расчетах, где применяется основное уравнение теплопередачи (3.2) или (3.3) к конечной поверхности теплообмена, необходимо пользоваться средней разностью температур Δtcp.

Средняя разность температур зависит от температуры тепло-носителей и их взаимного направления. Существуют следующие схемы движения теплоносителей (рисунок 3.10): прямоток, при кото-
ром теплоносители движутся в одном и том же направлении; противоток, при котором теплоносители движутся в противоположных направ-лениях, и перекрестный ток, при котором теплоносители движутся
по отношению друг к другу во взаимно перпендикулярных направлениях.




а – прямоток; б – противоток


Рисунок 3.10 – Схемы движения теплоносителей в теплообменниках



В случае, когда , используется среднеарифметическая разность температур:

.

(3.59)

В противном случае используется среднелогарифмическая разность температур:

для прямотока

,

(3.60)

для противотока

.

(3.61)

Для перекрестного и смешанного токов точный расчет величины tср затруднен ввиду весьма сложных закономерностей изменения температур вдоль поверхности теплообмена. Поэтому расчет движущей силы в этих случаях проводят по упрощенной схеме:

,

(3.62)

где ε – поправочный коэффициент, всегда меньше единицы и находится по справочникам в зависимости от соотношения температур теплоносителей и схемы их движения.

При нестационарном процессе переноса тепла средняя разность температур находится по формуле:

,

(3.63)

где t1 – температура жидкости в произвольный момент времени.


^ 3.10 Интенсификация процесса теплопередачи


Для интенсификации переноса теплоты через стенку согласно формуле (3.54) нужно либо увеличить перепад температур между теп-

лоносителями, либо уменьшить термическое сопротивление теплопередачи. Температуры теплоносителей обусловлены требованиями технологического процесса, поэтому изменить их обычно не удается.

Термическое сопротивление можно уменьшить различными способами, воздействуя на любую из составляющих (3.57). Интенсифицировать конвективный теплообмен и уменьшить величину ^ R можно путем увеличения скорости движения теплоносителя, турбулизации пограничного слоя и т.д. Термическое сопротивление теплопроводности rcm зависит от материала и толщины стенки. Однако прежде чем выбирать методы воздействия на процесс теплопередачи, необходимо установить вклад отдельных составляющих в суммарную величину ^ R. Естественно, что существенное влияние на величину R будет оказывать уменьшение наибольшего из слагаемых. В широко используемом в технике процессе передачи теплоты от капельной жидкости к газу через металлическую стенку наибольшее термическое сопротивление имеет место в процессе теплоотдачи от газа к стенке, а остальные термические сопротивления пренебрежимо малы по сравнению с ним.

В таких случаях для интенсификации теплопередачи очень часто оребряют ту поверхность стенки, теплоотдача от которой менее интенсивна. За счет увеличения площади оребренной поверхности стенки термическое сопротивление теплоотдачи с этой стороны стенки уменьшается и соответственно уменьшается значение R. Аналогичного результата можно было бы достигнуть, увеличив значение аг, но для этого обычно требуются дополнительные затраты мощности на увеличение скорости течения теплоносителя.

Ребра, имеющие форму пластин, стержней или любую другую, одним концом плотно прикрепляют к теплоотдающей поверхности с помощью сварки, пайки или изготовляют как целое со стенкой. Ребристыми выполняют радиаторы отопления, корпуса двигателей и редукторов, радиаторы для охлаждения воды.


Вопросы для самоконтроля


1. Какова роль тепловых процессов в химической технологии?

2. Приведите понятия температурного градиента и изотермической поверхности.

3. Какие виды переноса тепла участвуют в теплообмене?

4. Как составляются тепловые балансы?

5. Как определяют количество теплоты, переходящее от более нагретого тела к менее нагретому вследствие теплового излучения?

6. От каких факторов зависит излучательная способность тела? Как ее определяют?

7. В чем отличие коэффициентов теплопроводности и температуропроводности?

8. Выведите уравнения теплопроводности в неподвижной среде.

9. Выведите уравнения теплопроводности для цилиндрической стенки.

10. В чем состоит различие между процессами конвекции и теплоотдачи?

11. Что такое тепловое подобие? Приведите критерии теплового подобия, критериальное уравнение теплоотдачи.

12. Каков физический смысл основных критериев подобия?

13. В чем состоят различия в уравнениях для определения
коэффициентов теплоотдачи при вынужденной и естественной конвек-циях?

14. Укажите особенности теплоотдачи при конденсации насыщенных паров. Как влияет содержание газа в парогазовой смеси на теплоотдачу?

15. Что понимают под критической разностью температур при кипении?

16. Выведите уравнение теплопередачи при постоянных температурах теплоносителей для многослойной цилиндрической стенки.

17. Выведите уравнение для определения средней разности температур () для случая противоточного движения теплоносителей (агрегатное состояние теплоносителей в процессе теплопередачи не меняется).

18. Сопоставьте движущие силы и расходы теплоносителей при прямоточном и противоточном движении теплоносителей в теплообменнике.

19. Какими методами можно интенсифицировать процесс теплопередачи в движущемся потоке?


^ МОДУЛЬ 4: Основы массопередачи


Массопередача – это самопроизвольный перенос вещества из одной фазы в другую в направлении достижения системой равновесия.

Технологические процессы, скорость протекания которых определяется скоростью переноса вещества (массы) из одной фазы в другую, называют массообменными процессами. Массообменные процессы занимают особое место среди химико-технологических процессов.

Массообменные процессы широко используются в промышленности для решения задач разделения жидких и газовых гомогенных смесей, их концентрирования, а также для защиты окружающей природной среды, прежде всего, для очистки сточных вод и отходящих газов (см. рисунок 4.1).





Рисунок 4.1 – Связь реактора с разделительной аппаратурой
в технологической схеме


В разделительном агрегате могут проводиться разнообразные процессы. Основными и важнейшими из них являются абсорбция, ректификация, экстракция, кристаллизация, адсорбция, сушка, ионообменные процессы и мембранное разделение. Кроме перечисленных основных процессов разделения должны быть упомянуты и такие, как термодиффузия, зонная плавка и другие. Рассмотрим основные процессы.


^ 4.1 Общая характеристика массообменных процессов


4.1.1 Классификация массообменных процессов

Наиболее распространенными в химической промышленности являются следующие массообменные процессы.

4.1.1.1 Абсорбция – избирательное поглощение газов или паров жидким поглотителем. Этот процесс представляет собой переход вещества из газовой (или паровой) фазы в жидкую. Наиболее широко используется для разделения технологических газов и очистки газовых выбросов.

Процесс, обратный абсорбции, т.е. выделение растворенного газа из жидкости, называют десорбцией.

4.1.1.2 Перегонка и ректификация – разделение жидких гомогенных смесей на компоненты при взаимодействии потоков жидкости и пара, полученного испарением разделяемой смеси. Этот процесс представляет собой переход компонентов из жидкой фазы в паровую и из паровой в жидкую. Процесс ректификации используется для разделения жидких смесей на составляющие их компоненты, получения сверхчистых жидкостей и для других целей.

4.1.1.3 Экстракция (жидкостная) – извлечение растворенного в одной жидкости вещества другой жидкостью, практически не смешивающейся или частично смешивающейся с первой. Этот процесс представляет собой переход извлекаемого вещества из одной жидкой фазы в другую. Процесс применяют для извлечения растворенного вещества или группы веществ сравнительно невысоких концентраций.

4.1.1.4 Адсорбцияизбирательное поглощение газов, паров или растворенных в жидкости веществ твердым поглотителем, способным поглощать одно или несколько веществ из смеси. Этот процесс представляет собой переход веществ из газовой, паровой или жидкой фазы в твердую. Адсорбцию применяют для извлечения того или иного вещества (или веществ) достаточно низкой концентрации из их смеси. Процесс, обратный адсорбции, т.е. выделение сорбированного вещества из твердого поглотителя, называют десорбцией.

4.1.1.5 Ионный обмен – избирательное извлечение ионов из растворов электролитов. Этот процесс представляет собой переход извлекаемого вещества из жидкой фазы в твердую. Процесс применяют для извлечения веществ из растворов, в которых эти вещества находятся при низких концентрациях.

4.1.1.6 Сушка – удаление влаги из твердых влажных материалов, в основном путем ее испарения. Этот процесс представляет собой переход влаги из твердого влажного материала в газовую или паровую фазы. Сушку широко применяют в технике для предварительного обезвоживания перерабатываемых веществ или обезвоживания готового продукта.

4.1.1.7 Растворение и экстрагирование из твердых тел – это процессы перехода твердой фазы в жидкую (растворитель). Извлечение на основе избирательной растворимости какого-либо вещества (или веществ) из твердого пористого материала называют экстракцией из твердого материала, или выщелачиванием. Применяют ее для извлечения ценных или токсичных компонентов из твердых материалов.

4.1.1.8 Кристаллизация – выделение твердой фазы в виде кристаллов из растворов или расплавов. Этот процесс представляет собой переход вещества из жидкой фазы в твердую. Применяется, в частности, для получения веществ повышенной чистоты.

4.1.1.9 Мембранные процессы – избирательное извлечение компонентов смеси или их концентрирование с помощью полупроницаемой перегородки – мембраны. Эти процессы представляют собой переход вещества (или веществ) из одной фазы в другую через разделяющую их мембрану. Применяются для разделения газовых и жидких смесей, очистки сточных вод и газовых выбросов.

В отличие от теплопередачи, которая происходит обычно через стенку, массопередача осуществляется, как правило, при непосредственном соприкосновении фаз (за исключением мембранных процессов). При этом граница соприкосновения  т.е. поверхность контакта фаз  может быть подвижной (системы газжидкость, паржидкость, жидкостьжидкость) или неподвижной (газтвердое тело, партвердое тело, жидкостьтвердое тело).

По этому принципу массообменные процессы подразделяют на массопередачу:

1) в системах со свободной границей раздела фаз (газжид-кость, паржидкость, жидкостьжидкость);

2) в системах с неподвижной поверхностью контакта фаз (системы газтвердое тело, партвердое тело, жидкостьтвердое тело);

3) через полупроницаемые перегородки (мембраны).

4.1.2 Основное уравнение массопередачи

Основным кинетическим уравнением массообменных процессов является уравнение массопередачи, которое основано на общих кинетических закономерностях химико-технологических процессов (см. 1.3.5).

Скорость процесса [кг/(м2∙с)] равна движущей силе Δ, деленной на сопротивление R:

,

где М – количество вещества, перешедшего из одной фазы в другую в единицу времени;

S – поверхность контакта фаз.

Обозначив 1/R = К, получим

.

(4.1)

Уравнение (4.1) называют основным уравнением массопере-дачи.

Величину К называют коэффициентом массопередачи, его размерность

.

Коэффициент К характеризует скорость процесса переноса вещества из одной фазы в другую и показывает, какое количество распределяемого вещества переходит из фазы в фазу в единицу времени через единицу поверхности контакта фаз при движущей силе, равной единице. Размерность движущей силы может быть различной, а от нее зависит и размерность К.

Обычно уравнение массопередачи применяют для определения поверхности контакта фаз, а исходя из этой поверхности – размеров массообменных аппаратов.

Основными вопросами, изучаемыми в массопередаче, являются: законы фазового равновесия, позволяющие установить равновесные концентрации и направление течения процесса; движущая сила массообменных процессов; коэффициенты скорости массообменных про-цессов.


^ 4.2 Равновесие массообменных систем


В массообмене участвуют в большинстве случаев три вещества: распределяющее вещество, составляющее первую фазу; распределяющее вещество, составляющее вторую фазу; распределяемое вещество, которое переходит из одной фазы в другую.

Процесс перехода вещества из одной фазы в другую в изолированной замкнутой системе, состоящей из двух или большего числа фаз, возникает самопроизвольно и протекает до тех пор, пока между фазами при данных условиях (температуре и давлении) установится подвижное фазовое равновесие. Оно характеризуется тем, что в единицу времени из первой фазы во вторую переходит столько же молекул компонента, сколько из второй в первую (т.е. преимущественного перехода вещества из одной фазы в другую нет). Достигнув состояния равновесия, система может находиться в нем без количественных и качественных изменений сколь угодно долго, пока какое-либо внешнее воздействие не выведет ее из этого состояния.

Назовем первую фазу G, вторую L, а распределяемое вещество М. Поскольку все рассматриваемые массообменные процессы обратимы, распределяемое вещество может переходить из фазы G в фазу L и наоборот, в зависимости от концентрации этого вещества в распределяющих фазах.

Допустим, что распределяемое вещество находится вначале только в фазе G и имеет концентрацию y. В фазе L в начальный момент распределяемого вещества нет и, следовательно, концентрация его в этой фазе x = 0.

Если распределяющие фазы привести в соприкосновение, начнется переход распределяемого вещества из фазы G в фазу L, и в последней обнаружится определенная концентрация распределяемого вещества x > 0. С момента появления вещества М в фазе L начинается и обратный переход его в фазу G, но до некоторого момента число частиц М, переходящих в единицу времени через единицу поверхности соприкосновения из фазы G в фазу L, больше, чем число частиц, переходящих из фазы L в фазу G; конечным итогом процесса является переход М из фазы G в фазу L.

Через определенный промежуток времени скорости перехода распределяемого вещества из фазы G в фазу L и обратно становятся одинаковыми. Такое состояние называется равновесным. В состоянии равновесия в каждом конкретном случае существует строго определенная зависимость между концентрациями распределяемого вещества, которые при равновесии системы называются равновесными.

Возможное существование данной фазы в равновесии с другими определяется законом равновесия фаз Гиббса (см. 1.3.2):

К + C = Ф + N,

где К – количество компонентов в системе;

Ф – число фаз;

N – число степеней свободы;

С – число внешних факторов, влияющих на положение равновесия.

Для процессов переноса массы С = 2, так как внешними факторами в этом случае являются температура и давление. Правило фаз позволяет определить число параметров, которое можно менять, не нарушая фазового равновесия системы.

Очевидно, что любой концентрации х соответствует равновесная концентрация y*, и наоборот, любой концентрации y соответствует равновесная концентрация x*.

Чтобы определить направление процесса и его скорость, необходимо знать равновесные концентрации при рабочих условиях или зависимость равновесных концентраций у* распределяемого вещества в одной фазе от рабочей концентрации х в другой, например,

у* = mхn,

(4.2)

где n и m – величины, определяемые опытным путем.

Значение m зависит от физико-химических свойств системы, от температуры, давления, а часто и от концентрации распределяемого между фазами вещества. Поэтому на диаграмме в координатах у - х линии равновесия, описываемые зависимостью (4.2), могут иметь вид кривых (рисунок 4.2).

Для идеального раствора, если его температура выше критической температуры растворяющегося газа, применим закон Генри, по которому парциальное давление растворенного газа пропорционально его молярной доле в растворе:

р* = Ех,

(4.3)

где р* – парциальное давление поглощаемого газа над раствором, находящимся в равновесии, при концентрации раствора х;

Е – константа Генри.

При постоянных температуре и давлении зависимость между равновесными значениями у и рабочими х выражается графически прямой линией, проходящей через начало координат, с углом наклона, тангенс которого равен m.

Закон Генри точен для идеальных растворов. Если температура идеального раствора ниже критической температуры газа, т.е. происходит конденсация газа, то система подчиняется закону Payля. Для двухкомпонентной системы связь между рабочими и равновесными концентрациями выражается формулой (4.4):

,

(4.4)

где относительная летучесть компонентов смеси;

– мольная доля низкокипящего компонента в смеси жидкостей.

Это уравнение является уравнением кривой линии.

Если для данной системы закон равновесного распределения вещества между фазами неприменим, то эту зависимость можно найти по справочникам и построить соответствующую кривую на фазовой диаграмме. Чаще приходится пользоваться экспериментальными данными, так как законы распределения получены для идеальных систем.

Знание равновесных концентраций позволяет выяснить направление процесса (из какой фазы и в какую будет переходить распределяемое между фазами вещество), которое определяется стремлением к равновесию. Если y > y* и, следовательно, x < x*, распределяемое вещество М будет переходить из фазы G в фазу L. При условии y < y*
(x > x*) распределяемое вещество будет переходить из фазы L в фазу G (рисунок 4.2).




а б

а – по уравнению (4.2); б – по уравнению (4.4);

1 – рабочая линия; 2 – линия равновесия

Рисунок 4.2 – Фазовые диаграммы у – х

Таким образом, распределяемое между фазами вещество в точке контакта фаз переходит в ту фазу, рабочая концентрация которой меньше равновесной.


^ 4.3 Материальные балансы массообменных процессов


В этом разделе будет рассмотрен подход к составлению материальных балансов массообменных процессов с учетом их специфики.

Материальные балансы массообменных процессов зависят от способа их проведения. Различают однократное, непрерывное и ступенчатое взаимодействие фаз.

Однократное взаимодействие характерно для периодических процессов, как правило, при малой производительности. При этом фазы смешиваются, а после завершения процесса разделяются (например, проведение периодического процесса жидкостной экстракции в аппарате с мешалкой).

Материальный баланс такого процесса в целом и по i-мy компоненту имеет вид

GH + LH = GK + LK,

(4.5)

GH yH + LH xH = GK yK + LKxK,

(4.6)

где GH и GK – начальное и конечное количество фазы Фу;

LH и LK – начальное и конечное количество фазы Фх;

yH и хH, yK и xК – начальные и конечные концентрации i-го компонента в фазах Фу и Фх соответственно.

Если величины G и L мало изменяются с изменением состава, то из уравнения (4.6) получаем

.

(4.7)

Уравнение (4.7) выражает составы получаемых продуктов разделения в зависимости от относительного расхода фаз L/G и является уравнением рабочей линии.

В массообменных аппаратах при непрерывном контакте фаз концентрации распределяемого вещества в фазах изменяются монотонно. В массообменных аппаратах ступенчатого типа взаимодействие фаз происходит в каждой ступени.

При непрерывном противотоке материальный баланс будет выглядеть следующим образом:

.

(4.8)






Рисунок 4.3 – К составлению материального баланса при

непрерывном контакте фаз в условиях противотока (а) и прямотока (б)


Преобразовав выражение (4.8), получим:

.

Произвольно проведем сечение 1-1, обозначим в нем y, x – текущие концентрации и составим материальный баланс для верхней части аппарата:

.

(4.9)

Из уравнения (4.9) выразим y:

.

(4.10)

Соотношение (4.10) называют уравнением рабочей линии непрерывного противоточного массообменного процесса. В общем виде: y = А + Вx, т.е. при рабочая линия  прямая.

Учитывая вышесказанное, рабочая линия для непрерывного противотока будет выглядеть, как показано на рисунке 4.4а.

П


а б

Рисунок 4.4 – Рабочие линии процесса переноса массы при непрерывном контакте фаз в условиях противотока (а) и прямотока (б)
ри непрерывном прямотоке фазы движутся в одном направлении (рисунок 4.3б). Проделав аналогичные операции, как и в случае противотока, получим уравнение рабочей линии непрерывного прямоточного массообменного процесса.

Уравнение рабочей линии непрерывного прямоточного массообменного процесса:

.

(4.11)

Рабочая линия для непрерывного прямотока выглядит, как показано на рисунке 4.4б.

По взаимному расположению равновесных и рабочих линий можно определить направление процесса. Если рабочая линия расположена ниже линии равновесия, то для любой точки А рабочей линии
y < у*, а х > х*, тогда распределяемое вещество будет переходить в этом случае из фазы Фх в фазу Фу. Если рабочая линия выше линии равновесия, то для произвольно выбранной точки А концентрация
y > у*, а х < х*, и в этом случае распределяемое вещество будет переходить из фазы Фу в фазу Фх.





оставить комментарий
страница8/10
Дата25.04.2012
Размер2.02 Mb.
ТипДокументы, Образовательные материалы
Добавить документ в свой блог или на сайт

страницы: 1   2   3   4   5   6   7   8   9   10
плохо
  2
не очень плохо
  1
средне
  4
хорошо
  4
отлично
  33
Ваша оценка:
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rudocs.exdat.com

База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2014
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Анализ
Справочники
Сценарии
Рефераты
Курсовые работы
Авторефераты
Программы
Методички
Документы
Понятия

опубликовать
Документы

Рейтинг@Mail.ru
наверх