Процессы и аппараты. Курс лекций по дисциплине Процессы и аппараты производств
 Скачать 44.45 Kb.
|
|
Курс лекций по дисциплине «Процессы и аппараты производств» Лекция 1. ВВЕДЕНИЕ Совокупность тел, взаимодействующих между собой, представляет систему. Изменение состояния какой-либо системы, ее беспрерывное движение и развитие, происходящие в природе, производстве, лаборатории, обществе представляют собой процесс. Нами будут рассматриваться процессы, создаваемые в определенных технологических целях. Технология – наука о практическом применении законов физики, химии, биологии и других базисных наук для проведения технологических процессов. Эта наука возникла как самостоятельная отрасль знания в конце XVIII века в связи с ростом крупного машинного производства. В промышленности осуществляются разнообразные процессы, в которых исходные материалы в результате взаимодействия претерпевают глубокие превращения, сопровождающиеся изменением агрегатного состояния, внутренней структуры и состава веществ. Совместно с химическими реакциями имеют место многочисленные механические, физические и физико-химические процессы. К ним относятся: перемешивание газов, жидкостей, твердых материалов; измельчение и классификация; нагревание, охлаждение и перемешивание веществ; разделение жидких и газовых неоднородных смесей; перегонка однородных многокомпонентных смесей; выпаривание растворов; сушка материалов и др. При этом тот или иной способ проведения того или иного процесса часто определяет возможность осуществления, эффективность и рентабельность всего технологического процесса в целом. Для осуществления процессов необходимы машины и аппараты, иными словами процесс должен иметь определенное аппаратурное оформление. Устройство, созданное человеком и выполняющее механическое движение для преобразования энергии, материалов и информации с целью полной замены или облегчения физического и умственного труда человека, увеличения его производительности, называется машиной. Машины, предназначенные для преобразования обрабатываемого предмета (продукта), состоящего в изменении его размеров, формы, свойств или состояния, называются технологическими. К ним относятся также и аппараты. Машины и аппараты, различающиеся по своему технологическому назначению и конструктивному оформлению, состоят в основном из типовых деталей и узлов. Характерной особенностью машин является наличие неподвижных и движущихся элементов, включающих в себя рабочие органы, валы, подшипники, корпуса (станины), привод и т.п. Аппараты состоят, как правило, из неподвижных элементов: обечаек, крышек, опор, фланцев и др. Под словом «аппарат» понимается любое устройство, в котором протекает технологический процесс. Чаще всего аппарат является сосудом, снабженным различными механическими приспособлениями. Однако некоторые из рассматриваемых в дисциплине устройств, представляют собой типичные рабочие машины, например: центробежный экстрактор, дозатор, дробилку. К числу основных аппаратов относятся тарельчатые и насадочные колонны, применяемые не только для проведения процессов ректификации, но и абсорбционных и экстракционных процессов и т.п. Насосы, компрессоры, фильтры, центрифуги, теплообменники и сушилки также относятся к числу основных аппаратов и машин, которые в различных сочетаниях составляют типовое оборудование большинства пищевых производств. Таким образом, в дисциплине «Процессы и аппараты отрасли» изучается теория основных процессов, принципы устройства и методы расчета аппаратов и машин, используемых для проведения технологических процессов. 2. Классификация основных процессов и аппаратов пищевых производств В зависимости от закономерностей, характеризующих протекание, процессы пищевой технологии можно разделить на следующие группы. Механические процессы, скорость которых связана с законами физики твёрдого тела. К ним относятся: измельчение, классификация, дозирование и смешение твёрдых сыпучих материалов. Гидромеханические процессы, скорость протекания которых определяется законами гидромеханики. К ним относятся: сжатие и перемещение газов, перемещения жидкостей, твердых материалов, осаждение, фильтрование, перемешивание в жидкой фазе, псевдоожижение и т. п. Тепловые процессы, скорость протекания которых определяется законами теплопередачи. К ним следует отнести процессы: нагревания, выпаривания, охлаждения (естественного и искусственного), конденсации и кипения. Массообменные (диффузионные) процессы, интенсивность которых определяется скоростью перехода вещества из одной фазы в другую, т.е. законами массопередачи. К диффузионным процессам относятся: абсорбция, ректификация, экстракция, кристаллизация, адсорбция, сушка и др. В соответствии с перечисленным делением процессов пищевые аппараты классифицируют следующим образом: измельчающие и классифицирующие машины; гидромеханические, тепловые, массообменные аппараты. По организационно-технической структуре процессы делятся на периодические и непрерывные. В периодическом процессе отдельные стадии (операции) осуществляются в одном месте (аппарате, машине), но в разное время (рис.1.1). В непрерывном процессе (рис.1.2) отдельные стадии осуществляются одновременно, но в разных местах (аппаратах или машинах). Непрерывные процессы имеют значительные преимущества перед периодическими, состоящими в возможности специализации аппаратуры для каждой стадии, улучшения качества продукта, стабилизации процесса во времени, простоте регулирования, возможности автоматизации и т.п. При проведении процессов в любом из перечисленных аппаратов изменяются значения параметров перерабатываемых материалов. Параметрами, характеризующими процесс, являются давление, температура, концентрация, плотность, скорость потока, энтальпия и др. В зависимости от характера движения потоков и изменения параметров веществ, поступающих в аппарат, все аппараты могут быть разделены на три группы: аппараты идеального (полного) смешения, аппараты идеального (полного) вытеснения и аппараты промежуточного типа. Параметрами, определяющими состояние вещества в аппарате, называются величины, характерные для данного процесса, например: температура, давление, концентрация и т.п. Наиболее удобно продемонстрировать особенности потока различной структуры на примере теплообменников непрерывного действия различной конструкции. На рис.1.3,апредставлена схема теплообменника, работающего по принципу идеального вытеснения. Принимается, что в этом аппарате происходит «поршневое» течение потока без перемешивания. Температура одного из теплоносителй меняется по длине аппарата от начальной температуры до конечной в результате того, что протекающие через аппарат последующие объёмы жидкости не смешиваются с предыдущими, полностью вытесняя их. Температура второго теплоносителя принята постоянной (конденсирующийся пар). В аппарате идеального смешения последующие и предыдущие объёмы жидкости идеально перемешаны, температура жидкости в аппарате постоянна и равна конечной (рис. 1.3,б). В реальных аппаратах не могут быть обеспечены ни условия идеального смешения, ни идеального вытеснения. На практике можно достигнуть только достаточно близкого приближения к этим схемам, поэтому реальные аппараты – это аппараты промежуточного типа (рис. 1.3,в). Движущая сила рассматриваемого процесса нагревания жидкости для любого элемента аппарата представляет разность между температурами греющего пара и нагреваемой жидкости.  Рис. 1.1. Аппарат для проведения периодического процесса: 1 – сырье; 2 – готовый продукт; 3 – пар; 4 – конденсат; 5 – охлаждающая вода  Рис. 1.2. Аппарат для проведения непрерывного процесса: 1– теплообменник-нагреватель; 2 – аппарат с мешалкой; 3 – теплообменник-холодильник; I – сырье; II – готовый продукт; III – пар; IV – конденсат; V – охлаждающая вода  а) б) в) Рис. 1.3. Изменение температуры при нагревании жидкости в аппаратах различных типов: а – полного вытеснения; б – полного смешения; в – промежуточного типа Разница в протекании процессов в каждом из типов аппаратов становится особенно ясной, если рассмотреть, как изменяется движущая сила процесса в каждом из типов аппаратов. Из сравнения графиков следует, что максимальная движущая сила имеет место в аппаратах полного вытеснения, минимальная – в аппаратах полного смешения. Следует отметить, что движущая сила процессов в непрерывно действующих аппаратах идеального смешения может быть значительно увеличена путём разделения рабочего объёма аппарата на ряд секций. Если объём аппарата идеального смешения разделить на n аппаратов и в них провести процесс, то движущая сила увеличится (рис. 1.4). При увеличении числа секций в аппаратах идеального смешения значение движущей силы приближается к её значению в аппаратах идеального вытеснения, и при большом числе секций (порядка 8–12) движущие силы в аппаратах того и другого типа становятся приблизительно одинаковыми.  Рис. 1.4. Изменение движущей силы процесса при секционировании |