Процессы и аппараты пищевых производств. Часть 1. Практикум

Содержание
Занятие 1
Занятие 2
Занятие 3
Занятие 4
Занятие 5
Занятие 6
Занятие 7
Занятие 8

Гидростатика
Занятие 1

Повестка дня
Основные свойства пищевых продуктов и сырья
Гидростатика

Основные свойства пищевых продуктов и сырья
Все свойства веществ можно разделить на физические (плотность, вязкость и др.) и теплофизические (удельная теплоемкость, теплопроводность,температуропроводность и др.).
Многие пищевые продукты представляют собой однородные и неоднородные смеси.

Основные свойства пищевых продуктов и сырья
К однородным смесям относятся растворы, например сахарные, водноспиртовые, соки и т.д.
Однородные смеси характеризуются концентрацией растворенного вещества.

Основные свойства пищевых продуктов и сырья
Способы выражения концентрации

Основные свойства пищевых продуктов и сырья

Основные свойства пищевых продуктов и сырья
К неоднородным смесям относятся:
суспензии – смеси жидкости с твердым веществом, находящемся в тонкораздробленном состоянии;
эмульсии – смеси различных нерастворимых одна в другой жидкостей.

Основные свойства пищевых продуктов и сырья
Физические свойства:
Плотность (ρ) – отношение массы вещества к его объему

Основные свойства пищевых продуктов и сырья
Плотность газов определяют по формуле Клапейрона:
Плотность смеси газов:

Основные свойства пищевых продуктов и сырья
Плотность смеси жидкостей, при смешении которых не происходит существенных физико-химических изменений:

Основные свойства пищевых продуктов и сырья
Плотность суспензии:

Основные свойства пищевых продуктов и сырья
Задача:
Определить массовую долю частиц в суспензии плотностью 1050 кг/м3. Плотность твердого материала принять 1600 кг/м3, а воды 998 кг/м3.

Основные свойства пищевых продуктов и сырья
Плотность сахарных сиропов, фруктовых соков, молока с сахаром при 20°С находят по формуле:
При температурах, отличных от 20°С, используется формула:

Основные свойства пищевых продуктов и сырья
Плотность томатопродуктов:

Основные свойства пищевых продуктов и сырья
Для характеристики сыпучих продуктов (зерна, сахарного песка и т.п.) вводится понятие насыпной плотности:

Основные свойства пищевых продуктов и сырья
Для свободно насыпанных материалов обычно ε = 0,38 … 0,42.

Основные свойства пищевых продуктов и сырья
Вязкость – это свойство газов и жидкостей сопротивляться действию внешних сил, вызывающих их течение.
Значения вязкости зависят от температуры.
Различают динамическую и кинематическую вязкость жидкостей и газов.

Основные свойства пищевых продуктов и сырья
Динамический коэффициент вязкости (μ, Па∙с):
Кинематический коэф. вязкости (ν, м2/с):

Основные свойства пищевых продуктов и сырья
Многие жидкости, используемые в пищевой промышленности, не подчиняются закону внутреннего трения Ньютона (неньютоновские жидкости). К ним относятся растворы полимеров, дисперсные и пластические системы и др. Подразделяются на три основных типа.

Основные свойства пищевых продуктов и сырья
Вязкие или стационарные жидкости, для которых напряжение сдвига не зависит от времени. По виду кривых течения они делятся на:
бингамовские (пасты, густые суспензии);
псевдопластические (растворы полимеров);
дилатантные (суспензия крахмала, клеи).

Основные свойства пищевых продуктов и сырья
Ко второму виду относятся нестационарные жидкости, характеристики которых зависят от времени. Эти жидкости подразделяются на:
тиксотропные (простокваша, кефир, сметана и масляные краски);
реопенктантные (некоторые коллоидные растворы, например, майонез).

Основные свойства пищевых продуктов и сырья
Вязкоупругие или максвелловские жидкости. К ним относятся вещества тестообразной консистенции. Эти жидкости текут под действием напряжения сдвига, но после снятия напряжения частично восстанавливают свою форму.

Основные свойства пищевых продуктов и сырья
Динамическая вязкость (мПа∙с) соков, сиропов, сгущенного и натурального молока при температуре t:

Гидростатика
Гидравлика состоит из гидростатики и гидродинамики.
Гидростатика изучает поведение покоящейся жидкости, гидродинамика – движущейся жидкости.

Гидростатика
Свободная поверхность – поверхность раздела между жидкостью и газовой фазой (в отдельных случаях – другой несмешивающейся жидкостью).

Гидростатика
Внешнее статическое давление – давление на свободную поверхность жидкости (статическое давление).
Избыточное гидростатическое давление – давление, создаваемое столбом жидкости (гидростатическое давление.

Гидростатика
Давление внутри жидкости

Гидростатика
Абсолютное давление внутри жидкости равно сумме давлений: на свободной поверхности и избыточного, вызванного весом столба жидкости над рассматриваемой точкой.

Гидростатика
Основное уравнение гидростатики:

Гидростатика
Распределение давления на плоскую стенку

Гидростатика
Свойство 1. Гидростатическое давление направлено по нормали к поверхности, на которую оно действует.

Гидростатика
Свойство 2. Давление в любой точке поверхности внутри жидкости не зависит от угла наклона этой поверхности (от ее пространственной ориентации), а зависит только от глубины погружения точки.

Гидростатика
Задача
Высота уровня жидкости в резервуаре 7,6 м. Плотность жидкости 960 кг/м3. На высоте 800 мм от дна в резервуаре имеется круглый лаз диаметром 760 мм, крышка которого прикрепляется болтами диаметром 10 мм.

Гидростатика
Принимая для болтов допустимое напряжение на разрыв 68,64655 МПа, определить необходимое число болтов. Определить также давление жидкости на дно резервуара.

Гидростатика
Методические указания к задаче

Гидростатика
Контрольная задача
Высота уровня жидкости в резервуаре Н, м. Относительная плотность жидкости ∆. На высоте h ,мм от дна подачи в резервуаре имеется круглый лаз диаметром Д, мм, крышка которого прикрепляется болтами диаметром d, мм. Принимая для болтов допустимое напряжение на разрыв σ, кгс/см2. Определить необходимое число болтов. Определить давление жидкости на дно резервуара.

Гидростатика
Контрольная задача

Гидродинамика. Режимы течения
Занятие 2

Повестка дня
Расчет эквивалентного диаметра
Расчет режима течения

Расчет эквивалентного диаметра
Задача 1

Расчет эквивалентного диаметра
Кожухотрубчатый теплообменник

Расчет режима течения
Задача 2

Расчет режима течения
Теплообменник типа «труба в трубе»

Гидравлические сопротивления в трубопроводах и каналах
Занятие 3

Повестка дня
Гидравлические сопротивления в трубопроводах и каналах
Контрольное задание № 2

Гидравлические сопротивления…
Схема перекачивания жидкости насосом:
1 – насос; 2 – расходная емкость; 3 – приемная емкость; 4 – всасывающий трубопровод; 5 – нагнетательный трубопровод; 6 – вакуумметр; 7 – манометр

Гидравлические сопротивления…

Контрольная задача № 2
Жидкий компонент реакционной смеси, динамическая вязкость которого μ, а плотность ρ, насосом подается в реактор. Насос и реактор соединяет трубопровод внутренним диаметром d и длиной L. На трубопроводе установлены два нормальных вентиля и измерительная диафрагма. Прямые участки трубопровода соединяют N прямоугольных отводов. Отношение радиуса изгиба по оси отводов к их внутреннему диаметру A. Отношение площади сечения отверстия измерительной диафрагмы к площади поперечного сечения трубопровода m. Относительная шероховатость внутренней поверхности трубопровода ε. Уровень жидкости в реакторе на h выше уровня расположения нагнетательного патрубка насоса. Избыточное давление газовой фазы над поверхностью жидкости в реакторе изб P. Массовая скорость жидкости в трубопроводе W.

Контрольная задача № 2
Определить:
1) потери давления на трение в трубопроводе;
2) абсолютное давление жидкости в сечении соединения нагнетательного пат-
рубка насоса и трубопровода;
3) объемную производительность насоса.

Контрольная задача № 2
Схема подачи жидкости в реактор:
1 – насос; 2 – реактор; 3 – трубопровод; 4 – измерительная диафрагма; 5, 6 – вентили

Контрольная задача № 2

Контрольная задача № 2

Литература
Калишук Д.Г. Процессы и аппараты химической технологии, 2011
С. 177 - 178

Литература
Материалы курса "Процессы и аппараты пищевой промышленности"

Уравнение Бернулли и его практическое применение
Занятие 4

Повестка дня
Измерение расхода жидкости
Истечение жидкости через отверстия
Примеры решения задач
Контрольное задание № 3

Измерение расхода жидкости
Уравнение Бернулли для установившегося потока идеальной жидкости:

Измерение расхода жидкости
Трубка Пито (Пито – Прандтля). При помощи данной трубки измеряется динамическое давление в определенной точке сечения потока как разность полного гидродинамического давления Pгд , Па, и полного статического давления Pп , Па, в этой точке:

Измерение расхода жидкости
Схема измерения расхода с помощью трубки Пито (Пито – Прандтля)

Измерение расхода жидкости

Измерение расхода жидкости
Рассчитывают локальную скорость в указанной точке сечения. Используя данные о режиме движения жидкости и локальную скорость на оси трубопровода, несложно рассчитать среднюю скорость и объемный расход .

Измерение расхода жидкости
Схема измерения расхода с помощью диафрагмы

Измерение расхода жидкости

Истечение через отверстия

Истечение через отверстия

Истечение через отверстия
При условии P1 = P2 зависимости принимают вид:

Истечение через отверстия
Время полного опорожнения сосуда τп при H2 = 0:

Истечение через отверстия
При P2 = P1:
Значение ϕ является справочной величиной и в наибольшей мере зависит от формы и исполнения отверстия (насадка).

Истечение через отверстия

Истечение через отверстия

Истечение через отверстия

Истечение через отверстия

Примеры решения задач

Контрольное задание № 3

Изучение процесса фильтрования суспензий
Занятие 5

Повестка дня
Фильтрование суспензий
Кинетика фильтрования
Примеры решения задач
Контрольное задание № 4

Фильтрование суспензий
Фильтрованием называют процесс разделения суспензий через пористую (фильтровальную) перегородку, которая задерживает твердую (дисперсную) фазу и пропускает жидкую (дисперсную) среду

Фильтрование суспензий
Процесс фильтрования подразделяют на два вида: поверхностное фильтрование (с образованием слоя осадка) и глубинное фильтрование (с закупориванием пор фильтровальной перегородки).

Фильтрование суспензий
Возможен также промежуточный вид фильтрования – поверхностно-глубинный. Вид фильтрования определяется взаимосвязью между свойствами суспензии и фильтровальной перегородки.

Фильтрование суспензий
При разделении маловязких суспензий с концентрацией твердой фазы более 1 %, через фильтровальную перегородку с размерами пор меньше размеров частиц имеет место поверхностное фильтрование. Твердые частицы накапливаются на поверхности фильтровальной перегородки и образует осадок.

Фильтрование суспензий
При дальнейшем разделении суспензий слой осадка начинает играть роль фильтрующего элемента, задерживая частицы твердой фазы и предотвращая закупоривание пор фильтровальной перегородки.

Фильтрование суспензий
При разделении вязких суспензий с небольшой концентрацией мелкодисперсных фракций через фильтровальную перегородку с размерами пор больше размеров частиц имеет место глубинное фильтрование.

Фильтрование суспензий
Твердые частицы проникают в поры фильтровальной перегородки и задерживаются в них, не образуя осадка.
Закупоривание пор твердыми частицами наблюдается уже в начальный период процесса разделения суспензий, что снижает производительность фильтра.

Фильтрование суспензий
Глубинное фильтрование используют только в фильтрах периодического действия. При этом необходима периодическая регенерация или замена фильтровальной перегородки.

Фильтрование суспензий
По целевому назначению процесс фильтрования может быть очистным или продуктовым.

Фильтрование суспензий
Очистное фильтрование применяют для разделения суспензий и очистки растворов от различного рода включений. Целевой продукт – фильтрат. В пищевой промышленности очистное фильтрование используют при осветлении вина, виноматериалов, молока, пива и других продуктов.

Фильтрование суспензий
Назначение продуктового фильтрования – выделение из суспензий, диспергированных в них продуктов в виде осадка. Целевым продуктом является осадок. Примером такого фильтрования является разделение дрожжевых суспензий.

Фильтрование суспензий
Движущая сила процесса фильтрования – разность давлений по абсолютной стороне фильтровальной перегородки.
Эта разность создается с помощью насоса, компрессора или вакуум насоса. Условия протекания процесса фильтрования зависят от способа создания разности давлений.

Фильтрование суспензий
Фильтровальные перегородки должны обладать необходимой задерживающией способностью, обеспечивать заданную чистоту фильтрата, не создавать значительного гидравлического сопротивления потоку и иметь высокую механическую прочность.

Фильтрование суспензий
Схема фильтра для разделения суспензий: 1 – корпус; 2 – суспензия; 3 – осадок; 4 – фильтровальная перегородка; 5 – фильтрат

Фильтрование суспензий
Существует фильтрование:
при постоянной разности давлений ∆p = const;
при постоянной скорости W = const;
при переменных разностях давлений и скорости ∆p = var и W = var.

Кинетика фильтрования

Кинетика фильтрования
Образующийся в процессе фильтрования осадок должен иметь минимальную влажность. Влажность осадка U (в %) определяют по формуле:

Кинетика фильтрования
где mж – масса жидкой фазы в осадке; mос – масса влажного осадка.

Кинетика фильтрования
При фильтровании с образованием слоя осадка общее сопротивление фильтрованию R определяют как сумму сопротивлений фильтровальной перегородки Rф и слоя осадка Roc:

Кинетика фильтрования
Коэффициент сопротивления (фильтрования) имеет вид:
где μ – коэффициент динамической вязкости жидкой фазы суспензии, Па·с.

Кинетика фильтрования
В каждый момент времени скорость фильтрования прямо пропорциональна разности давлений ∆p и обратно пропорциональна сопротивлению R и вязкости жидкости μ:

Кинетика фильтрования
Сопротивление слоя осадка определяют равенством:
где roc – удельное сопротивление слоя осадка, м-2; h – толщина слоя осадка, м.

Кинетика фильтрования
Из уравнений можно получить основное уравнение фильтрования:

Кинетика фильтрования
Решим уравнение для фильтрования с образованием слоя несжимаемого осадка при постоянном перепаде давления.

Кинетика фильтрования
В этом случае: движущая сила постоянна; осадок несжимаемый; высота слоя осадка увеличивается; концентрация твердых частиц в суспензии постоянна; сопротивление фильтрующей перегородки не изменяется в процессе фильтрования.

Кинетика фильтрования
После интегрирования в пределах от 0 до V и от 0 до τ, получим:
или

Кинетика фильтрования
Если продифференцировать уравнение:
то можно получить формулу для расчета скорости фильтрования:

Кинетика фильтрования
Константы фильтрования с и k в каждом конкретном случае чаще всего определяются экспериментально.

Примеры решения задач

Примеры решения задач

Примеры решения задач

Примеры решения задач

Примеры решения задач

Примеры решения задач

Примеры решения задач

Примеры решения задач

Примеры решения задач

Примеры решения задач

Контрольное задание № 4

Резюме

Изучение гравитационного осаждения
Занятие 6

Повестка дня
Расчёт отстойника
Примеры решения задач
Контрольное задание № 5

Расчёт отстойника
Отстойник непрерывного действия

Расчёт отстойника

Расчёт отстойника

Расчёт отстойника

Расчёт отстойника

Расчёт отстойника

Расчёт отстойника

Расчёт отстойника

Примеры решения задач

Примеры решения задач
Отстойник непрерывного действия

Контрольное задание № 5

Контрольное задание № 5

Резюме

Изучение осаждения под действием центробежной силы
Занятие 7

Повестка дня
Расчёт циклона
Примеры решения задач
Контрольное задание № 6

Расчёт циклона

Расчёт циклона
Отличительной особенностью циклонов является наклонный патрубок для поступающего газа.

Расчёт циклона

Расчёт циклона

Расчёт циклона

Расчёт циклона

Расчёт циклона

Расчёт циклона
Коэффициент сопротивления ξ и другие параметры циклонов определяются по таблице.
Плотность воздуха может быть определена по формуле:

Расчёт циклона

Расчёт циклона

Примеры решения задач

Примеры решения задач

Примеры решения задач

Примеры решения задач

Контрольное задание № 6

Контрольное задание № 6

Резюме
Отношение гидравлического сопротивления к плотности газа является критерием отражающим соотношение диаметра циклона и условной скорости газового потока.