Шпаргалка по "Технологии"

7. Процесс массообмена, состояние равновесия, скорость перехода.

Процессы массообмена, в которых исходный и конечный продукты обмениваются веществом, организуют для получения в концентрированном виде продуктов, содержащихся в сырье в малых концентрациях. Эти процессы ведут в массообменных аппаратах.

Массообменные процессы классифицируют по трем основным признакам: агрегатному состоянию вещества, способу контакта фаз и характеру их взаимодействия. Классификация массообменных процессов по агрегатному состоянию:

Можно представить шесть  различных сочетаний из трех возможных фаз по две: газ — жидкость, газ — твердое тело, жидкость—жидкость, жидкость — твердое тело, газ — газ, твердое тело — твердое тело. Два последних сочетания практически не используют в массообменных аппаратах.

Когда два разделяемых  компонента содержатся одновременно в  газообразной и жидкой фазах, их разделение возможно в процессах перегонки (дистилляции) и ректификации.

Дистилляция (перегонка) — разделение жидких смесей на различающиеся по составу фракции.

Ректификация — способ разделения жидких смесей, состоящих из нескольких компонентов. Ректификация основана на многократном испарении жидкости и конденсации ее паров или на однократном испарении смеси с последующей многоступенчатой конденсацией компонентов. Ректификацию применяют, например, в спиртовой промышленности. Движущая сила процессов массообмена - разность концентраций. Процесс перехода компонента из газообразной фазы в жидкую - абсорбция (объемное поглощение), обратный процесс — десорбцией. Например, если смесь аммиака с воздухом привести в контакт с водой, часть аммиака перейдет в воду (вода абсорбирует аммиак) и воздух частично очистится от него. В обратном процессе при контакте водного раствора аммиака с воздухом в последний перейдет часть аммиака — произойдет процесс десорбции.

Если при переходе одного из компонентов из фазы в фазу в одной из них уменьшается (увеличивается) количество жидкости (растворителя) - это сушка (увлажнение). При контакте молока с горячим воздухом происходит переход воды в воздух. При этом молоко осушается, а воздух увлажняется.

Переход из твердого состояния  в газообразное, минуя жидкую фазу - сублимация. В том частном случае, когда и газ и твердое тело являются лишь носителями жидкости, находящейся в порах и на поверхности твердого тела, ее переход в пар при подводе теплоты называют сушкой или сублимационной сушкой. Массообменный процесс прекратится, как только будет достигнута равновесная концентрация в системе.

Равновесие фаз. Основное условие равновесия процессов в массообменном аппарате — равновесие фаз. При отклонении состояния веществ от равновесия, например в результате изменения термодинамических параметров, реализуется переходный процесс восстановления равновесия (принцип Ле Шателье). Состояние равновесия подчиняется правилу фаз Гиббса.

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Концентрация раствора (смеси). Относительное количество данного компонента в растворе (смеси) называют его концентрацией. Растворы с большой концентрацией растворенного вещества называют концентрированным, а с малой — разбавленными.

Наиболее употребительны следующие способы выражения  концентраций:

массовой — число единиц массы растворенного вещества в 100 единицах массы раствора. Например, 15%-й раствор хлорида натрия — раствор, в 100 г которого содержится)5 г хлорида натрия и 85 г воды;

объемной мольной —  число молей растворенного вещества в единице объема (1 дм3) раствора;

массовой мольной —  число молей растворенного вещества в 1000 г растворителя;

относительной мольной (мольная  доля; — отношение числа молей  рассматриваемого вещества к общему числу молей всех веществ в  растворе.

 

8.Закон Пуазейля.

Рассмотрим элементарные слой жидкости в виде кольца толщиной dr. Площадь поперечного сечения слоя dS=2πrdr. Секундный объём жидкости, протекающий через кольцо, dQ_сек=w_rdS=w_r2πrdr. Подставляя в это уравнение величину w_r получим . Интугрируя это ур-ие получим:

.

Подставляя в это выражение  R=d/2 и ∆p=, получим

Это уравнение Пуазейля описывает закон, также названный именем Пуазейля: объём жидкости, протекающей через трубку за 1 с при ламинарном режиме. Пропорционален разности давлений ∆p/L на единице длинны трубки, четвертой степени ее диаметра и обратно пропорционален вязкости жидкости. Преобразуем ур-ие, подставив в него другое значение Qсек: Q_сек=wS=w(πd2)/4, где w – средняя скорость потока. Получим новое ур-ие Пуазейля:∆p=(32µLw)/d². Это ур-ие послужило основанием для другой формулировки закона Пуазейля: потеря напора при ламинарном движении в трубе прямо пропорционально длине трубы, вязкости жидкости, первой степени средней скорости и обратно пропорциональна квадрату диаметра трубы.

9. Признаки, используемые  для разделения неоднородных  систем.

Для разделения систем на ингредиенты  используют методы и оборудование, отличающиеся большим разнообразием  физических и химических явлений. Выбор  оптимального оборудования определяется выбором признака, по которому ингредиенты  системы существенно различаются: -различие плотностей составляющих неоднородной системы, -различие их магнитных свойств, -различие электрических свойств, -задерживание частиц дисперсной фазы на твёрдых перегородках, -невозможность объединения частиц белка при малых их концентрациях в суспензиях.

 

2. Уравнение Навье-Стокса – это - основные уравнения движения вязкой жидкости, представляющие математическое выражение законов сохранения импульса и массы. Для анализа течения вязкой жидкости в гидро динамике используется уравнение Навье-Стокса:

где — оператор Гамильтона, Δ — оператор Лапласа, — вектор скорости, t — время, ν — коэффициент кинематической вязкости, ρ — плотность, P — давление, — вектор плотности массовых сил. Уравнение Навье-Стокса является основным при расчете движения вязкой несжимаемой жидкости. Однако в общем случае оно не решается методами современной математики, и на практике приходится ограничиваться решением лишь частных задач. Одной из таких задач является течение невязкой несжимаемой жидкости, подчиняющееся уравнению Бернулли. Ранее мы получили условие, при котором сжимаемостью жидкости или газа можно пренебречь. Теперь мы выясним, в каких случаях можно пренебречь действием сил вязкости.

3. Что такое термическое  сопротивление? Математическое выражение.  Критерий Био.

Термическое сопротивление  — тепловое сопротивление, способность  тела (его поверхности или какого-либо слоя) препятствовать распространению  теплового движения молекул. Различают  полное термическое сопротивление  — величину, обратную коэффициенту теплопередачи, поверхностное термическое  сопротивление — величину, обратную коэффициенту теплоотдачи, и термическое  сопротивление слоя, равное отношению  толщины слоя к его коэффициенту теплопроводности. Термическое сопротивление  сложной системы (например, многослойной тепловой изоляции) равно сумме термических  сопротивлений её частей. Термическое  сопротивление численно равно температурному напору, необходимому для передачи единичного теплового потока (равного 1 Вт/м2) к поверхности тела или  через слой вещества; выражается в К/Вт.

Общая формула:

где:  -тепловое сопротивление на участке тепловой цепи, K / Вт;   - температура начала участка, K

 - температура конца участка, K

-тепловой поток, протекающий через участок цепи, Вт

Тепловое сопротивление  участка цепи постоянного сечения:

где:  - тепловое сопротивление участка цепи, К/Вт

 - длина участка тепловой цепи, м

-коэффициент теплопроводности материалаВт/(мК)

 - площадь поперечного сечения участка, м²

Критерий Био характеризует взаимосвязь внешнего и внутреннего теплопереноса:  

а - коэффициент температуропроводности, м2/с;

λ - коэффициент теплопроводности, Вт/(м∙К);

R – определяющий размер тела (геометрические характеристики)

4. Механические процессы  пищевых производств.

Измельчение (механическое) — разделение твердых тел на части  под действием механических сил. Если образующиеся в процессе измельчения  части имеют случайную форму, то такой процесс называют дроблением, если им придается определенная форма — резанием. В основу представлений о разрушении материалов обычно кладут эмпирические зависимости их деформации от напряжений. Их получают, подвергая образцы материалов растяжению или сжатию, а выявленные свойства относят и к другим деформациям — кручению, изгибу, истиранию, раскалыванию, раздавливанию, удару. Полученные зависимости называют кривыми растяжения или сжатия. На кривых растяжения проявляется больше особенностей, связанных с деформациями реологических материалов, к которым относят большинство пищевых продуктов.

Основные деформации материалов могут иметь характер дробления  ударом, раздавливания, раскалывания, истирания, разрыва, изгиба. Возможна реализация их комбинаций. По степени дробления различают крупное, среднее, мелкое, тонкое и сверхтонкое дробление, а также коллоидный размол. Они соответствуют видам используемых машин. Затраты энергии на дробление включают составляющие, на непосредственное разделение частиц, на их объемную деформацию, на выделение теплоты. Существуют следующие виды дробилок: щековая, гирационная, вальцовая, молотковая, дезинтегратор, коллоидная мельница, жерновая, шаровая и струйная.

Шлифование применяют  для удаления относительно тонких поверхностных  слоев материала с зернистых  или штучных твердых продуктов  округлой формы: корнеплодов, зерна, зерновых крупок и др. Цель шлифования корнеплодов — удаление их поверхностных слоев (очистка от кожуры, ошкуривание),а зернопродуктов - их шелушение (снятие поверхностной пленки) или сглаживание поверхностных выступов.

Распыливание жидкостей  выполняют жидкостными или газожидкостными  форсунками, а также центробежными распылителями в виде быстровращаюшихся дисков. Центробежные форсунки характеризуются геометрической характеристикой, от которой зависят все параметры форсунки.

5. Гетерогенные процессы, их параметры.

Гетерогенная система, в  отличие от гомогенной, представляет собой такую физико-химическую систему, в которой существуют различающиеся  между собой по физическим свойствам  фазы. То есть, в ней имеются части, у которых различны агрегатные состояния и состав элементов. Одна фаза такой системы отделяется от другой границей, переход через которую вызывает качественный скачок в изменении физико-химических свойств системы (вещества). Большинство промышленных химико-технологических процессов относится к гетерогенным. Огромное разнообразие гетерогенных процессов затрудняет их классификацию. В соответствии с принятой классификацией некаталитические гетерогенные процессы делят по фазовому состоянию реагентов на процессы в системах Г-Ж, Ж-Т, Г-Т и т.д. Механизм гетерогенных процессов сложнее гомогенных, так как взаимодействию реагентов, находящихся в разных фазах, предшествует их доставка к поверхности раздела фаз и массообмен между фазами. Поэтому скорость гетерогенных некаталитических процессов, как правило, меньше скорости гомогенных процессов.Такими изменчивыми параметрами могут быть форма и структура кристаллической решетки, плотность вещества, его состав, электромагнитное поле и другие.

Таким образом, в гетерогенной системе существует механическое отделение фаз. Примерами таких систем выступают вода и пар, у которых различны агрегатные состояния, масло и вода, которые находясь в одном сосуде, имеют различный состав и другие.

Важнейшим параметром, характеризующим  принцип гетерогенности, выступают гетерогенные равновесия. Рассмотрим смысл данного явления на примере водных растворов. В них гетерогенные равновесия имеют такие свойства, которые заключаются в переносе частиц через границу фазного предела, как минимум, в двух соседних фазах. По своим свойствам гетерогенные равновесия разнообразны, а потому имеют место и в химических технологических процессах. В практической плоскости интерес вызывают, прежде всего, такие системы, как твердая - жидкая фаза (осадок - насыщенный раствор). Такая система важна потому, что в практической деятельности многие химические технологии основаны на отделении одного вещества от другого. Кроме того, важны и обратные процессы, где гетерогенные равновесия играют большую роль. К ним можно отнести реакции перевода слаборастворимых соединений в растворы.

Так же параметрами являются температура, давление, влияющие на протекание гетерогенных процессов.

 

6. Теплопередача через многослойную стенку (3слоя).

 На рис. изображена плоская стенка, состоящая из трех слоев, указаны промежуточные температуры на границах этих слоев, а также толщина слоев и значения коэффициентов теплопроводности для каждого слоя. При стационарном режиме тепловой поток, проходящий через каждый отдельный слой, будет один и тот же.

Тепловой поток Q - это количество теплоты W, Дж, проходящей за время т, с, через данную поверхность;

Плотность теплового потока многослойной стенки:

,  λ - коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом теплопроводности, Вт/(м·К);

t_с^l - температура одной поверхности стенки, К;

t_с^ll - температура другой поверхности стенки, К;

δ - толщина стенки, м.

 

 

 

10. Приведите примеры модификации  пористых тел.