Расчет трубчатого теплообменника

1. Общая классификация  процессов пищевых производств

1. Основная  классификация по закономерностям  протекания

Гидромеханические процессы — это процессы, скорость которых определяется законами механики и гидродинамики. Движущая сила – перепад давления.  К ним относятся процессы перемещения жидкостей и газов по трубопроводам и аппаратам, перемешивания в жидких средах, разделения суспензий и эмульсий путем отстаивания, фильтрования, центрифугирования, псевдоожижения зернистого материала.

Теплообменные процессы — это процессы, связанные с переносом теплоты от более нагретых тел (или сред) к менее нагретым. Движущая сила – разность температур. К ним относятся процессы нагревания, пастеризации, стерилизации, охлаждения, конденсации, выпаривания и т. п. Скорость тепловых процессов определяется законами теплопередачи.

Массообменные, или диффузионные, процессы — процессы, связанные с переносом вещества в различных агрегатных состояниях из одной фазы в другую. К ним относятся абсорбция и десорбция, перегонка и ректификация, адсорбция, экстракция, растворение, кристаллизация, увлажнение, сушка, сублимация, диализ, ионный обмен и др. Скорость массообменных процессов определяется законами массопередачи.

Механические процессы — это процессы чисто механического взаимодействия тел. Движущая сила – разность усилий в различных точках материала. К ним относятся процессы измельчения, классификации (фракционирования) сыпучих материалов, прессования и др.

Химические и биохимические процессы — процессы, связанные с изменением химического состава и свойств вещества, скорость протекания которых определяется законами химической кинетики.

Микробиологические – законы биологической жизнедеятельности микроорганизмов (брожение)

Электрофизические – движущая сила  - разность электрических потенциалов. Законы электрического тока.

 

2. Классификация  по организационно-технической структуре. 

-Периодические – через  опред промежутки времени загрузка-выгрузка)

-Неперерывные – в  проточных аппаратах, все стадии  – одновременно, но разобщены  в пространстве

-Комбинированные –  на отдельных стадиях непрерывно, на других – переодически

3. Классификация  по изменению параметров во  времени

-Стационарные – каждый  параметр постоянный и зависит  только от положения точки  в пространстве.

-Не стационарные –  параметр зависит не только от положения точки в пространстве, но и во времени

 

2. Осаждение  под действием центробежной силы. Сущность процесса. Физический смысл  фактора разделения.

Проводят с целью интенсификации разделения пылей, суспензий и эмульсий процесс осаждения проводят под действием центробежной силы.

Для создания поля центробежных сил используют два  технических приема: поток жидкости или газа вращается в неподвижном аппарате; поток поступает во вращающийся аппарат и вращается вместе с ним. В первом случае процесс называется циклонным, а аппарат — циклоном, во втором — отстойным центрифугированием, а аппарат — отстойной центрифугой или сепаратором.

Во вращающемся  потоке на взвешенную частицу действует  центробежная сила, под действием которой частица движется от центра к стенке аппарата со скоростью, равной скорости осаждения. Центробежная сила

G=m w_r ² / r, 

где m — масса частицы, кг; w_r — окружная скорость вращения, м/с; r — радиус вращения, м.

Фактор разделения (К_ц) является важной характеристикой центрифуги, определяющей ее разделяющую способность.

Если сравнить эффективность разделения под действием силы тяжести и центробежной силы, то окажется, что центробежная сила больше силы тяжести в К_ц раз. 

К_ц =w²_r/(gr), g – ускорение свободного падения.

Выразив окружную скорость вращения через частоту  вращения, получим

К_ц =n²r/900, n – частота вращения

 

 

3. Общие признаки  массообменных процессов.

 

Основное:

Массообменными процессами называют такие технологические  процессы, скорость протекания которых определяется скоростью переноса вещества (массы) из одной фазы в другую конвективной и молекулярной диффузией: абсорбция, перегонка и ректификация, экстракция, сушка, адсорбция, кристаллизация и др. Аппараты, в которых протекают эти процессы, называют массообменными аппаратами.

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.

Массопередача имеет  место в процессах абсорбции, перегонки и ректификации, экстракции и выщелачивания, сушки, адсорбции, кристаллизации и др.

 

Далее – более  подробно, мож и не обязательно:

 

При абсорбции происходит селективное поглощение газов или паров жидкими поглотителями — абсорбентами, т. е. имеет место переход вещества из газовой или паровой фазы в жидкую.

При перегонке и ректификации жидкая смесь разделяется на составляющие компоненты. Происходит переход веществ из жидкой фазы в паровую и из паровой в жидкую.

При экстракции происходит извлечение одного или нескольких веществ из растворов или твердых веществ с помощью растворителей. При экстракции в системе жидкость—жидкость имеет место переход вещества из одной жидкой фазы в другую жидкую фазу.

Процесс извлечения веществ  из твердого тела с помощью растворителя называют выщелачиванием. При выщелачивании вещество переходит из твердой фазы в жидкую.

При адсорбции происходит избирательное поглощение газов, паров или растворенных в жидкостях веществ твердым поглотителем — адсорбентом, способным поглощать один или несколько компонентов из их смеси. При адсорбции вещества переходят из газовой или жидкой фазы в твердую.

Сушка — это удаление влаги из твердых или жидких влажных материалов путем ее испарения. В этом процессе имеет место переход влаги из твердого влажного материала в паровую или газовую фазу.

При кристаллизации из жидкой фазы выделяется вещество в виде кристаллов. При этом происходит переход вещества из жидкой фазы в твердую в результате возникновения и роста кристаллов в растворе.

 

4. Основные закономерности  протекания технологических процессов.

Общие кинетические закономерности процессов пищевой  технологии, за исключением механических процессов, 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

где V— количество массы  или энергии; F— площадь, через которую проходит масса или энергия; т — продолжительность процесса; — движущая сила; R— сопротивление; К — коэффициент скорости, обратный сопротивлению.

В общем случае движущей силой процесса является разность потенциалов, а в частных случаях — перепад давлений р между входом потока в трубопровод или аппарат и выходом потока из трубопровода или аппарата (для гидромеханических процессов), разность температур между теплоносителями, обменивающимися теплотой (для теплообменных процессов), разность концентраций распределяемого между фазами вещества (для массообменных процессов). Коэффициенты скорости процессов зависят от режимов движения потоков материалов, которые определяются законами гидродинамики.

Материальный баланс составляют на основании закона сохранения массы: количество поступающих материалов ΣG_в должно быть равно количеству конечных продуктов ΣG_K, получаемых в результате проведения процесса:

ΣG_в=ΣG_K. 

На основании материального баланса определяют выход продукта, т.е. выраженное в процентах отношение полученного количества продукта к максимально возможному. Выход продукта рассчитывают на единицу затраченного 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 ΣQ_н, введенной в процесс, должно быть равно количеству выделившейся энергии:

ΣQ_н = ΣQ_к + ΣQ_п, 

где ΣQ_к — количество отводимой теплоты; ΣQ_п — потери теплоты в окружающее пространство.

Вводимая в  процесс теплота ΣQ_н складывается из теплоты Q₁ поступающей с исходными материалами, подводимой, например, теплоносителями, теплоты Q₂ и теплоты физических или химических превращений Q₃

Количество  отводимой теплоты ΣQ_к складывается из теплоты, уходящей с конечными продуктами и отводимой теплоносителями.

Из теплового  баланса определяют расход греющего пара, воды и других теплоносителей.

 

5. Виды теплообмена. Закон Фурье.

Теплообмен — самопроизвольный необратимый процесс переноса теплоты от более нагретых тел (или участков тел) к менее нагретым.

Теплота (количество теплоты) — энергетическая характеритика процесса теплообмена, которая определяется количеством энергии, отдаваемой или получаемой телом в процессе теплообмена.

К теплообменным  относятся такие технологические процессы, скорость которых определяется скоростью подвода или отвода теплоты: нагревание, испарение (в том числе выпаривание), охлаждение, конденсация.

Аппараты, в  которых проводят эти процессы, чазывают теплообменными.

Передача теплоты может осуществляться:

-теплопроводностью - процесс переноса тепловой энергии от более нагретых участков тела к менее нагретым в результате теплового движения и взаимодействия микрочастиц.

-тепловым излучением – теплота передается с помощью электро-магнитных волн

-конвективным теплообменом (теплоотдачей) - процесс теплообмена между поверхностью тела и окружающей средой.

Основной закон теплопроводности – Закон Фурье.

Количество теплоты dQ, переданное теплопроводностью, пропорционально градиенту температуры dt/dn, времени dx и площади сечения dF, перпендикулярного направлению теплового потока:

dQ=-λ[dt/dn)]Fdx, (13.5)

где λ— коэффициент теплопроводности среды, Вт/(м К).

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.

 

6. Процессы массообмена - процессы, в которых основную роль играет перенос вещества из одной фазы в другую. Движущая сила этих процессов - разность химических потенциалов. Как и в любых других процессах, движущая сила массообмена характеризует степень отклонения системы от состояния динамического равновесия. В пределах данной фазы вещество переносится от точки с большей к точке с меньшей концентрацией. Поэтому обычно в инженерных расчетах приближенно движущую силу выражают через разность концентраций, что значительно упрощает расчеты массообменных процессов.

Массообменные процессы широко используются в промышленности:

-для разделения жидких и газовых гомогенных смесей,

- для их концентрирования,

-для защиты окружающей природной  среды (прежде всего для очистки  сточных вод и отходящих газов).

Классификация и общая характеристика. Наибольшее распространение получили следующие массообменные процессы:

1. Абсорбция 2. Перегонка и ректификация 3. Экстракция (жидкостная) 4. Адсорбция  5. Ионный обмен 6. Сушка 7. Растворение  и экстрагирование из твердых  тел 8. Кристаллизация 9. Мембранные  процессы

Во всех перечисленных выше процессах  общим является переход вещества (или веществ) из одной фазы в другую.

Процесс перехода вещества (или нескольких веществ) из одной фазы в другую в  направлении достижения равновесия называют массопередачей.

Перенос вещества внутри фазы - из фазы к границе раздела фаз или наоборот - от границы раздела в фазу - называют массоотдачей (по аналогии с процессом переноса теплоты внутри фазы - теплоотдачей).

Абсорбцией называется процесс разделения, основанный на избирательном поглощении газов или паров жидкими поглотителями – адсорбентами. Этот процесс применяется во многих производствах, в которых из смеси газов необходимо извлечь какое-либо вещество или комплекс веществ. В процессе абсорбции имеет место переход вещества или группы веществ из газовой (паровой) фазы в жидкую. Обратный процесс называется десорбцией.

Ректификацией называется процесс разделения смеси жидкостей, имеющих различные температуры кипения при соответствующем давлении, на чистые или обогащенные составляющие в результате противоточного движения потоков пара и жидкости. Процесс имеет большое значение в тех производствах, в которых необходимо частичное или полное разделение жидких однородных смесей на чистые компоненты или их группы. В процессе ректификации имеет место переход вещества или группы веществ из жидкой фазы в паровую и наоборот.

Экстракцией называется процесс разделения, основанный на извлечении растворенного в одной жидкости вещества или группы веществ другой жидкостью, которая не смешивается или только частично смешивается с первой. Процесс применяется в тех случаях, когда из раствора необходимо извлечь растворенное вещество или группу веществ. В этом процессе имеет место переход вещества из одной жидкой фазы в другую жидкую фазу.

Адсорбцией называется процесс разделения, основанный на избирательном поглощении газов, паров или растворенных в жидкостях веществ твердым пористым поглотителем – адсорбентом, способным поглощать одно или несколько веществ из их смеси. Процесс используется в тех производствах, где из смеси газов, паров или растворенных веществ необходимо извлечение того или иного вещества. В этом процессе вещества переходят из газовой или жидкой фаз в твердую. Обратный процесс называется десорбцией.