Процессы и аппараты пищевых производств

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ КЕМЕРОВСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ Иванец В.Н., Крохалев А.А., Бакин И.А., Потапов А.Н. ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ Конспект лекций для студентов заочной формы обучения Часть 2 Кемерово 2002 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ КЕМЕРОВСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ Иванец В.Н., Крохалев А.А., Бакин И.А., Потапов А.Н. ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ Часть 2 конспект лекций для студентов заочной формы обучения КЕМЕРОВО 2002 УДК: 664.002.5.(075) Печатается по решению Редакционно - издательского совета Кемеровского технологического института пищевой промышленности Рецензенты: • зав. кафедрой процессов, машин и аппаратов химических производств Кузбасского государственного технического университета П.Т. Петрик; • главный инженер ОАО «Кемеровский молочный комбинат» Парфенов А.А. Процессы и аппараты пищевых производств: конспект лекций по курсу ПАПП Часть 2. Иванец В.Н., Крохалев А.А., Бакин И.А., Потапов А.Н. .Кемеровский технологический институт пищевой промышленности. – Кемерово, 2002. – 140 с. ISBN 5-89289-108-9 Учебное пособие предназначено для студентов заочного факультета. В учебном пособии рассмотрены процессы теплообмена. Изложены основы теории массопередачи. Разобраны наиболее существенные массообменные процессы. Даются теоретические и практические аспекты проведения механических процессов, а также показано практическое применение этих процессов в пищевых отраслях промышленности. Пособие содержит 63 ил. и 11 библ. назв. П ISBN 5-89289-108-9 © Кемеровский технологический институт пищевой промышленности, 2002 1. ТЕПЛООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ 1.1. Общие сведения Процесс переноса тепла, происходящий между телами, имеющими различную температуру, называется теплообменом. Его движущей силой является разность температур между более и менее нагретыми телами. Тела, участвующие в теплообмене, называются теплоносителями. Различают три способа распространения тепла: теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение. Теплопроводность представляет собой перенос тепла от более к менее нагретым участкам тела вследствие теплового движения и взаимодействия микрочастиц, непосредственно соприкасающихся друг с другом. В твердых телах теплопроводность обычно является основным видом распространения тепла. Конвекцией называют перенос тепла вследствие движения и перемешивания макроскопических объемов газа или жидкости. Перенос тепла возможен в условиях свободной конвекции, обусловленной разностью плотностей в различных точках объема жидкости, возникающей вследствие неодинаковых температур в них или в условиях вынужденной конвекции, когда происходит принудительное движение всего объема жидкости, например, при перемешивании ее мешалкой. Тепловое излучение - процесс распространения электромагнитных колебаний с различной длиной волн, обусловленный тепловым движением атомов и молекул излучающего тела. Все тела способны излучать энергию, которая поглощается другими телами и снова превращается в тепло. Интенсивность теплового излучения возрастает с повышением температуры тела и приобретает доминирующее значение только при t 600оС. Мы более подробно этот способ распространения тепла рассматривать не будем, т.к. подавляющая часть теплообменной аппаратуры работает при значительно более низких температурах. В реальных условиях тепло передается не одним способом, а двумя или изредка тремя. Теплоотдача - это перенос тепла от стенки к газообразной (жидкой) среде или в обратном направлении. Теплопередача - это процесс передачи тепла от более нагретой к менее нагретой жидкости (газу) через разделяющую их поверхность или твердую стенку. В непрерывнодействующих аппаратах температуры в различных точках не изменяются во времени и протекающие процессы теплообмена являются установившимися (стационарными). В периодически действующих аппаратах, где температуры меняются во времени, осуществляются нестационарные процессы теплообмена. Тепловое воздействие на пищевые продукты является необходимым условием технологических процессов большинства пищевых производств. Тепло распространяется в средах, различающихся специфическими свойствами: в хлебопекарном тесте, мармеладе, молоке, сахарных растворах и т.д. В процессе технологической обработки они претерпевают во времени качественные превращения, что вызывает соответствующее изменение условий теплопередачи. Поэтому многие процессы теплообмена в пищевых средах происходят в переменных, нестационарных условиях. Задачи тепловой обработки пищевых продуктов разнообразны. В зависимости от целей технологии происходят следующие тепловые процессы: а) нагревание и охлаждение однофазных и многофазных сред; б) конденсация паров химически однородных жидкостей и их смесей; в) испарение воды в парогазовую среду (увлажнение воздуха, сушка материалов); г) кипение жидкостей. В большинстве случаев непосредственный контакт пищевых продуктов с другими теплоносителями недопустим, поэтому теплопередачу осуществляют в различных теплообменниках, где твердая стенка разделяет рабочие среды. Твердая стенка служит поверхностью нагрева и конструктивно выполняется в виде труб, рубашек и т.д. Расчет теплообменной аппаратуры состоит из 2-х основных этапов: 1. Определение теплового потока (тепловой нагрузки аппарата), т.е. количества тепла Q, которое должно быть передано за определенное время  от одного теплоносителя к другому. Тепловой поток вычисляется путем составления и решения тепловых балансов. 2. Определение поверхности теплообмена F, обеспечивающей передачу требуемого количества тепла в заданное время . Поверхность теплообмена находят из основного уравнения теплопередачи, вычислив предварительно значение средней разности температур между теплоносителями tср и коэффициент теплопередачи К: Q=K·F·tср· (1-1) 1.2. Тепловой баланс Тепло Q1, отдаваемое более нагретым теплоносителем, затрачивается на нагрев более холодного Q2 и на компенсацию потерь Qп в окружающую среду. Величина Qп в тепловых аппаратах, покрытых тепловой изоляцией, принимается в диапазоне 3...5%. В первом приближении ею можно пренебречь. Тогда тепловой баланс выразится равенством Q=Q1=Q2, где Q - тепловая нагрузка аппарата. Если расходы "горячего" и "холодного" теплоносителей составляют G1 и G2 соответственно, а их энтальпии на входе в аппарат I1Н , I2Н и на выходе I1К , I2К, уравнение теплового баланса будет иметь следующий вид (1-2) Для случая теплообмена без изменения агрегатного состояния теплоносителей, энтальпия последних заменяется произведением теплоемкости "С" на температуру t: I1H=C1H·t1H; I1K=C1K·t1K; I2K=C2K·t2K; I2H=C2H·t2H Величины C1H и C1K - это средние удельные теплоемкости "горячего" теплоносителя в диапазоне изменения температур от 0 до t1H (на входе) и t1K (на выходе) соответственно. Для "холодного" теплоносителя C2H и C2K - средние удельные теплоемкости в пределах 0 - t2H и 0 - t2K. В технических расчетах значения энтальпий обычно находят при заданной температуре из тепловых и энтропийных диаграмм или справочных таблиц. При изменении агрегатного состояния теплоносителя (конденсация пара, испарение жидкости и т.д.) или протекании химических реакций, сопровождающихся тепловыми эффектами, их необходимо учитывать. Например, при конденсации насыщенного пара, являющегося "горячим" теплоносителем, величина I1K в уравнении (1-2) представляет собой энтальпию удаляемого парового конденсата. 1.3. Основное уравнение теплопередачи Основным уравнением теплопередачи является общая кинетическая зависимость между тепловым потоком Q и поверхностью теплообмена F: Q=K·F·tср· (1-3) где К – коэффициент теплопередачи, определяющий среднюю скорость передачи тепла вдоль всей поверхности теплообмена; tср - средняя разность температур между теплоносителями, определяющая среднюю движущую силу процесса теплопередачи или температурный напор;  - время. Для непрерывных процессов теплообмена уравнение (1-3) имеет вид Q=Q/=K·F·tср (1-4) где Q - тепловой поток. Это количество тепла, проходящее в единицу времени через произвольную поверхность. Из уравнений (1-3) и (1-4) можно определить размерность и физический смысл коэффициента теплопередачи К. [K]= Коэффициент теплопередачи показывает, какое количество тепла (в Дж) переходит за 1 сек от "горячего" к "холодному" теплоносителю через поверхность теплообмена 1 м2 при средней разности температур между ними, равной 1 град. 1.4. Передача тепла теплопроводностью Процесс передачи тепла теплопроводностью описывается с помощью закона Фурье, согласно которому количество тепла dQ, передаваемое посредством теплопроводности через элемент поверхности dF, перпендикулярный тепловому потоку, за время d прямо пропорционально температурному градиенту , поверхности dF и времени d: . (1-5) Температурным градиентом называется производная температуры по нормали к изотермической поверхности. Коэффициент теплопроводности  имеет размерность: , и показывает, какое количество тепла переносится путем теплопроводности в единицу времени через единицу поверхности теплообмена при падении температуры на 1 град на единицу длины нормали к изометрической поверхности. Для характеристики теплоинерционных свойств вещества введем понятие коэффициента температуропроводности "а". Чем больше величина "а" у вещества, тем быстрее оно нагревается или охлаждается: . 1.5. Передача тепла конвекцией Интенсивность переноса тепла конвекцией зависит от степени турбулентности потока жидкости и перемешивания частиц внутри него. Следовательно, конвекция сильно зависит от гидродинамических условий течения потока жидкости. В ядре потока перенос тепла осуществляется одновременно теплопроводностью и конвекцией. Совместный перенос тепла этими способами называется конвективной теплоотдачей. Механизм переноса тепла в ядре потока при его турбулентном движении характеризуется интенсивным перемешиванием макрообъемов среды, которое приводит к выравниванию температур до некоторого среднего значения tж. По мере приближения к стенке интенсивность теплоотдачи падает. Это объясняется тем, что вблизи нее образуется тепловой пограничный слой, подобный гидродинамическому пограничному слою, но обычно меньше его по толщине. В этом слое, по мере приближения к стенке, все большее значение приобретает теплопроводность, а влияние турбулентности становится пренебрежимо мало (рис.1.1). Плотность турбулентного теплообмена qт в направлении оси "у" определяется выражением: (1-6) Здесь т - коэффициент турбулентной теплопроводности. Величина т во много раз превышает значения , т.к. в ядре турбулентного потока переносится заметно большее количество тепла, чем путем теплопроводности в тепловом пограничном слое. Интенсивность переноса тепла в ядре потока за счет т определяется коэффициентом турбулентной температуропроводности: , величина которого в области теплового слоя, по мере приближения в стенке уменьшается. Для интенсификации конвективного теплообмена необходимо уменьшить толщину теплового пограничного слоя. Сложность механизма конвективного теплообмена обуславливает трудности расчета процесса теплоотдачи. Точное решение задачи о количестве тепла, передаваемого от стенки к среде, связано с необходимостью определения температурного градиента у стенки и профиля изменения температур теплоносителя вдоль поверхности теплообмена, что весьма затруднительно. Поэтому в основу непрерывного процесса теплоотдачи берут уравнение Ньютона: Q=F(tст - tж) (1-7) Здесь  - коэффициент теплоотдачи, который показывает какое количество тепла передается от 1 м2 поверхности стенки к жидкости в течение 1 сек при разности температур между стенкой и жидкостью 1 град. Он зависит от следующих факторов: 1. Скорости жидкости w, ее плотности  и вязкости , т.е. переменных, определяющих режим течения жидкости; 2. Тепловых свойств жидкости (удельной теплоемкости Ср, теплопроводности , коэффициента объемного расширения  ; 3. Геометрических параметров - форма и определяющие размеры стенки (для труб - их диаметр d и длина L, шероховатость ). Таким образом f (W,ср,d,L,) (1-8) Отсюда видно, что простота уравнения (1-7) только кажущаяся. Трудность заключается в расчете величины "". Кроме того, невозможно получить расчетное уравнение, пригодное для всех случаев теплоотдачи. Только путем обобщения опытных данных с помощью теории подобия можно получить обобщенные (критериальные) выражения для типовых случаев теплоотдачи, позволяющие рассчитать  для конкретных условий. Исходной зависимостью для этого является общий закон распределения температур в жидкости, выраженный дифференциальным уравнением конвективного теплообмена. 1.6. Дифференциальное уравнение конвективного теплообмена В установившемся потоке жидкости выделим элементарный объем (в виде куба) с гранями dx, dy, dz. Примем, что плотность жидкости  ,ее коэффициент теплопроводности  и удельная теплоемкость С постоянны, а температура t изменяется вдоль граней куба. Проекции скорости движения жидкости W на оси координат x, y, z составляют Wx Wy Wz соответственно. Будем считать, что тепло переносится в жидкости путем конвекции и теплопроводности и затрачивается только на изменение энтальпии куба. Тогда конвективная составляющая теплового потока будет иметь вид: , где dV – объем куба. А количество тепла, вносимого в элементарный объем за время  путем теплопроводности, составит . Общее количество тепла .dQ, подводимое конвекцией и теплопроводностью (1-9) Это количество тепла равно соответствующему изменению энтальпии элементарного куба: (1-10) Тогда, приравняв выражение (1-9) и (1-10), проведя сокращение и преобразование, получим (1-11) где - коэффициент температуропроводности. Выражение (1-11) является дифференциальным уравнением конвективного теплообмена и в общем виде выражает распределение температур в движущейся жидкости. Отметим, что при установившемся процессе теплообмена . Чтобы получить полное математическое описание процесса уравнение (1-11) необходимо дополнить условиями на границе раздела потока и стенки аппарата. Выше мы рассматривали поток жидкости как двухслойную систему, состоящую из пограничного теплового слоя толщиной δтепл. и ядра потока, двигающегося в турбулентном режиме. В пограничном слое теплота от стенки аппарата распространяется теплопроводностью, которая описывается уравнением (1-5). Это же количество теплоты передается ядру потока согласно закону Ньютона по уравнению (1-7). Приравняв выражения (1-5) и (1-7), получим уравнение характеризующее условия на границе: (1-12) Однако выражения (1-11) и (1-12) можно привести к расчетному виду только для простейших случаев. Поэтому обычно используют другой путь, заключающийся в том, что расчетные выражения получают из общих дифференциальных уравнений, применяя методы теории подобия, и приводят их к конкретному виду с помощью экспериментальных данных. 1.7. Тепловое подобие I. Рассмотрим сначала подобие граничных условий. Оно описывается с помощью критерия Нуссельта: . Равенство критериев Nu характеризует подобие процессов теплопереноса на границе между стенкой и потоком жидкости. Он является мерой соотношения толщины пограничного слоя δтепл и определяющего геометрического размера. В критерий входит определяемая в задачах по конвективному теплообмену величина α. 2. Рассмотрим условия подобия в ядре потока. Оно описывается с помощью критерия Фурье, который характеризует связь между скоростью изменения температурного поля, размерами канала, в котором происходит теплообмен, и физическими свойствами среды в нестационарных условиях: . Равенство критериев Fo в сходных точках тепловых потоков - необходимое условие подобия неустановившихся процессов теплообмена. 3. Критерий Пекле показывает соотношение между количеством тепла, переносимым путем конвекции и теплопроводности при конвективном теплообмене: . 4. Критерий Прандтля характеризует поле теплофизических величин потока жидкости: . 5. Критерий Грасгофа вводится при теплообмене в условиях естественной конвекции и показывает меру отношения сил трения к подъемной силе, определяемой разностью плотностей в различных точках потока: . где β - коэффициент объемного расширения жидкости, град-1; Δt - разность температур горячих и холодных частиц жидкости, вызывающих естественную конвекцию, град. Необходимыми условиями подобия переноса тепла является соблюдение гидродинамического и геометрического подобия. Первое характеризуется равенством критериев Re в сходственных точках подобных потоков, второе - постоянством отношения основных геометрических размеров стенки L1,L2,…,Ln к некоторому характерному размеру. Таким образом, критериальное уравнение конвективного теплообмена выражается в виде: . (1-13) С учетом того, что критерий Nu является определяемым, т.к. в него входит искомая величина коэффициента теплоотдачи α. При установившемся процессе теплообмена из выражения (1-13) исключают критерий Fo. При вынужденном установившемся движении влиянием критерия Gr на теплопередачу можно пренебречь. Тогда: . (1-14) Вид функции (1-14) определяется опытным путем, причем обычно ей придают степенную форму. Например, при движении потока в трубе диаметром d и длиной l уравнение (1-14) примет вид: , (1-15) где величины c, m, n, p определяются по опытным данным. Коэффициент теплоотдачи α определяется по найденному из критериальных уравнений критерию Нуссельта. 1.8. Теплоотдача без изменения агрегатного состояния а) Вынужденное движение внутри труб при турбулентном режиме (Re >104). Для геометрически подобных прямых труб: , (1-16) где : S - площадь поперечного сечения потока; П - смоченный периметр сечения. Для труб круглого сечения dэкв=d. Из уравнения (1-16) видно, что значение α зависит главным образом от скорости потока (Re), с возрастанием которой уменьшается толщина теплового пограничного слоя, и его теплофизических свойств. При <50 вводится поправочный коэффициент. В случае значительного изменения физических свойств теплоносителей в процессе теплообмена , (1-17) Prст - критерий Прандтля при температуре стенки аппарата. При наличии внутри аппарата змеевика появляется дополнительная турбулизация, для учета которой вводится поправочный коэффициент: , (1-18) где d - внутренний диаметр трубы; D - диаметр витка змеевика. б) Ламинарный режим. Он осложняется естественной конвекцией, возникающей вследствие разности температур по сечению потока: . (1-19) Критерий Gr вводится для учета влияния естественной конвекции. в) Теплоотдача при механическом перемешивании. Для аппаратов с мешалками, создающими преимущественно радиальные потоки жидкости: , (1-20) где ; µст - вязкость среды при температуре стенки. Уравнение (1-20) получено для аппаратов без внутренних отражательных перегородок. Коэффициенты m, n, c находятся опытным путем. г) при естественной конвекции нагретые частицы, имеющие меньшую плотность, поднимаются кверху; их сменяют более холодные, которые опускаются вниз и, нагревшись, также поднимаются вверх. В результате возникают конвекционные токи теплоносителя: . (1-21) 1.9. Теплоотдача при изменении агрегатного состояния Определяющие размеры системы для процессов конденсации пара и кипения жидкостей различны. При конденсации пара определяющим будет линейный размер поверхности нагрева, измеряемый вдоль пути стекания конденсата (например, высота вертикальной поверхности Н или наружный диаметр горизонтальной трубки dн). При кипении таким размером становится либо критический радиус образующегося пузырька пара Rк, либо его диаметр d0 в момент отрыва от поверхности. При конденсации паров на поверхности нагрева обычно образуется сплошная пленка конденсата. Она стекает вниз в различных гидродинамических режимах. Поэтому интенсивность теплоотдачи зависит от толщины пленки конденсата и режима ее течения. Для пленочной конденсации пара при ламинарном течении пленки , (1-22) где с = 0,943 - для вертикальных поверхностей (l=H); с = 0,728 - при конденсации на наружной поверхности горизонтальных труб (l=dн); - критерий фазового превращения Кутателадзе; rк - теплота конденсации, Дж/кг; ск -теплоемкость конденсата, Дж/кг·град; t - разность между температурами пара и стенки, 0К; - критерий Галилея. 1.10. Теплопередача через плоскую стенку Рассмотрим процесс теплопередачи между теплоносителями, разделенными плоской стенкой (рис.1.2.). Вначале определим количество тепла Q передаваемое в единицу времени от горячего теплоносителя с температурой t1 к холодному с температурой t2 через разделяющую их стенку толщиной δ и коэффициентом теплопроводности λ. Температуры поверхностей стенки tст1 и tст2 соответственно. Коэффициенты теплоотдачи для горячего теплоносителя α1, а холодного – α2. Примем, что процесс теплоотдачи установившийся. В этом случае одно и тоже количество тепла за одинаковое время передается от горячего теплоносителя к стенке, через нее и от стенки к холодному теплоносителю. Тогда: 1. Количество тепла, передаваемое через поверхность F от горячего теплоносителя к стенке, по закону Ньютона составит: 2. Количество тепла, проходящего путем теплопроводности через стенку толщиной δ и поверхностью F, по закону Фурье будет равно: . 3. Количество тепла, передаваемое через поверхность F от стенки к холодному теплоносителю, по закону Ньютона составит: . Преобразуем эти уравнения следующим образом: , , . Сложив левые и правые части этих уравнений, получим: , или: . (1-23) Из сопоставления уравнений (1-4) и (1-23) следует, что: . Величина, обратная К, называется общим термическим сопротивлением и обозначается R: , (1-24) где -термическое сопротивление горячего теплоносителя; - термическое сопротивление холодного теплоносителя; δ/λ=rст - термическое сопротивление стенки. В случае многослойной стенки в уравнение (1-24) вместо δ/λ подставляется сумма термических сопротивлений каждого слоя стенки. Тогда: . Анализ выражения (1-24) показывает, что для интенсификации процесса теплопередачи следует увеличивать меньший из коэффициентов теплоотдачи, т.к. величина К всегда меньше его. Для этого, например, увеличивают скорость теплоносителя с меньшим α или турбулизируют поток другими способами. 1.11. Движущая сила теплообменных процессов Движущей силой процесса теплообмена является разность температур теплоносителей. Под действием этой разности тепло передается от горячего теплоносителя к холодному. При этом движущая сила не сохраняет своего постоянного значения, а изменяется вдоль поверхности теплообмена. Поэтому вводится понятие - средняя разность температур, при которой определяются численные значения физических параметров среды. Температуры теплоносителей изменяются по сечению потока вследствие наличия поля температур и скоростей, а также вдоль проточной части теплообменника по мере охлаждения горячей среды и нагревания холодной. В частности, при конденсации пара и кипении жидкости, температуры теплоносителей принимаются постоянными как температуры фазового превращения. Процессы теплообмена в аппаратах непрерывного действия могут осуществляться в прямотоке, противотоке, перекрестном и смешанном потоках. При нагревании или охлаждении рабочей среды (без изменения агрегатного состояния) температура ее вдоль поверхности нагрева изменяется по некоторым экспоненциальным кривым (рис.1.3.а,б) При простейших случаях теплопередачи - прямотоке и противотоке, средняя разность температур определяется по уравнению Грасгофа как средняя логарифмическая: . (1-25) Для прямотока: ; . Для противотока: ; Наиболее совершенной схемой теплопередачи является противоток, при котором Δt имеет наивысшее значение из всех возможных схем теплопередачи при прочих равных условиях. При теплопередаче в противотоке нагреваемый поток может быть нагрет до более высокой температуры, чем конечная температура нагревающего потока. Наименьшее значение при прочих равных условиях имеет средняя разность температур при прямотоке. При более сложных случаях относительного движения теплоносителей (перекрестный ток, неравное число ходов для обеих жидких сред и т.д.) в выражение (1-25) вводятся поправочные функции, численные значения которых находятся в справочниках. Контрольные вопросы 1. Какие технологические процессы можно отнести к теплообменным? 2. Назовите способы распространения тепла. 3. Что такое теплоотдача, теплопередача? Есть ли между ними разница? 4. Назовите основные этапы расчета теплообменной аппаратуры. 5. С какой целью составляют тепловой баланс аппарата? 6. Запишите основное уравнение теплопередачи. 7. Какой физический смысл имеет коэффициент теплопередачи? 8. В чем заключается смысл закона теплопроводности Фурье? 9. Физический смысл коэффициента теплопроводности? 10. Какие параметры характеризуют теплоотдачу при естественной и вынужденной конвекции? 11. Что называется конвективной теплоотдачей? 12. Сформулируйте закон теплоотдачи Ньютона и объясните физический смысл коэффициента теплоотдачи. 13. Запишите дифференциальное уравнение конвективного теплообмена. 14. Почему при расчетах конвективного теплообмена используют критериальные уравнения? 15. Какие критерии теплового и гидродинамического подобия используются при описании конвективного теплообмена? Их физический смысл. 16. Какие критерии используют для описания теплоотдачи в условиях механического перемешивания? 17. В чем заключаются особенности теплоотдачи при изменении агрегатного состояния? Какой критерий их учитывает? Его физический смысл. 18. Запишите выражение, связывающее между собой коэффициент теплопередачи и коэффициенты теплоотдачи. 19. Из каких величин складывается общее термическое сопротивление теплопередачи? 20. Что является движущей силой теплообменных процессов? 21. Какие схемы относительного движения рабочих сред применительно к процессу теплопередачи Вы знаете? 22. Почему при расчетах теплообменных процессов используют среднюю разность температур? Как она вычисляется? 1.12. Конденсация Конденсация - переход вещества из паро- или газообразного состояния в жидкое, проводимое путем охлаждения его водой или холодным воздухом. Конденсация паров широко применяется в пищевой промышленности при проведении процессов выпаривания, вакуум-сушки и др., для создания разрежения. При этом пары , подлежащие конденсации, обычно отводят в другой аппарат - конденсатор, где они охлаждаются водой или воздухом. Объем получаемого конденсата в тысячу и более раз меньше объема пара, из которого он образовался. Поэтому в конденсаторе создается разрежение, которое увеличивается при уменьшении температуры конденсации. Для поддержания вакуума на требуемом уровне из конденсатора непрерывно отводятся с помощью вакуум-насоса неконденсирующие газы. По способу охлаждения различают два типа конденсаторов: а) смешения; б) поверхностные. Конденсаторы смешения - аппараты, где пар непосредственно смешивается с охлаждающей водой. По способу отвода воды, неконденсирующихся газов и конденсата различают сухие и мокрые конденсаторы смешения. В сухих (барометрических) конденсаторах (рис.1.4.) вода и конденсат удаляются совместно, а газы отдельно с помощью вакуум-насоса. Внутри корпуса 1 взаимодействие пара и воды происходит в противотоке. Вода подается через штуцер в виде тонких струй перетекает с тарелки 2 на тарелку через отверстия и борта. Пар поступает снизу через штуцер и при соприкосновении с водой конденсируется. Смесь конденсата и воды попадает в барометрическую трубу 3 высотой около 10 м и далее в колодец 4. Труба 3 и колодец играют роль гидравлического затвора, препятствующего проникновению наружного воздуха в аппарат. Несконденсировавшиеся газы отсасываются через штуцер 8 вакуум-насосом. Процесс конденсации пара протекает под вакуумом (0,01...0,02 Мн/м2). Для уравновешения разности давлений в конденсаторе и атмосферного используется столб жидкости, находящийся в трубе 3. Достоинством противоточного барометрического конденсатора является наиболее простой и дешевый способ отвода воды, удаляемой в канализацию. В мокрых конденсаторах смешения охлаждающаяся вода распыляется внутри аппарата через сопла. Вода и пар вводятся в верхней части корпуса прямотоком, а конденсат, вода и несконцентрировавшиеся газы удаляются из нижней части с помощью мокровоздушного насоса. Конденсаторы смешения используются для создания разрежения в установках, работающих под вакуумом (вакуум-фильтры, сушилки, выпарные аппараты и т.д.). В поверхностных конденсаторах конденсирующийся пар отдает свое тепло через стенку. Обычно пар конденсируется на наружных или внутренних поверхностях труб, омываемых с противоположной стороны водой. Поэтому появляется возможность раздельного отвода конденсата и охлаждающей воды, что позволяет использовать конденсат, если он представляет собой какую-либо ценность. Например, если сжижение и охлаждение конечного продукта, получаемого в виде перегретого пара, является завершающей операцией технологического процесса. Отметим, что поверхностные конденсаторы более металлоемки и требуют большего расхода воды. В промышленности в качестве поверхностных конденсаторов используют различные теплообменники, например, трубчатые и оросительные холодильники-конденсаторы. 1.13. Конструкции теплообменных аппаратов Теплообменниками называются аппараты, в которых происходит теплообмен между рабочими средами независимо от их технологического назначения. В зависимости от способа передачи тепла различают две основные группы теплообменников: 1. Поверхностные, где перенос тепла между рабочими средами осуществляется через твердую стенку, разделяющую их. При этом непосредственный контакт между средами исключен. 2. Смешения, в которых тепло передается от одной среды к другой при их непосредственном соприкосновении. Поверхностные теплообменники наиболее распространены. По конструкции их можно подразделить на кожухообразные, типа "труба в трубе", погружные, оросительные, с плоскими поверхностями нагрева и т.д. Рассмотрим некоторые основные конструкции. 1.13.1. Кожухотрубные теплообменники. Теплообменник (рис.1.5.) представляет собой пучок труб, помещенных в цилиндрическом корпусе 1 (кожухе). Пространство между трубками 3 и боковой поверхностью кожуха называется межтрубным. Трубки завальцованы (закреплены) или приварены к трубным решеткам 2. К фланцам корпуса крепятся крышка и днище 5, имеющие патрубки 4 для подвода и отвода рабочей жидкости Ж2. На корпусе также имеются патрубки 4 для подвода и отвода рабочего тела Ж1. Трубки обычно имеют диаметр d ≥10 мм и изготовляются из материалов, хорошо проводящих тепло. Большим недостатком одноходовых теплообменников, предназначенных для нагревания или охлаждения жидкостей, является несоответствие между пропускной способностью пучка трубок и площадью теплообмена. Так, трубка диаметром 20 мм при скорости потока 1 м/сек может пропустить около 1000 л/час жидкости; при этом площадь поверхности трубки при обычной длине 3,5 м составляет всего около 0,2 м2, что явно недостаточно для существенного подогрева такого большого количества жидкости. Поэтому приходится уменьшать скорость движения жидкости в трубке, что приводит к снижению коэффициента теплоотдачи. Этот недостаток можно устранить в первую очередь путем группировки труб в отдельные пучки (ходы) и устройства соответствующих перегородок. В этом случае мы достигаем эффекта не за счет снижения скорости потока, а в результате увеличения его пути в несколько раз. Такой теплообменник называется многоходовым (рис.1.6 а ). Здесь рабочая жидкость проходит через трубное пространство в несколько ходов, протекая последовательно через все пучки труб. При небольшом числе ходов (два-три) перегородки делают по хордам, при большем - радиально или концентрически. Конструктивно удобнее устраивать четное число ходов, но не более 16. Если в межтрубном пространстве теплоносителем является жидкость, то для увеличения ее скорости также устраивают перегородки - продольные и поперечные. Продольные перегородки делят межтрубное пространство на столько же ходов, сколько имеет трубное. Эти перегородки обеспечивают принцип противотока рабочих тел. Перегородки установлены параллельно трубкам и не достигают противоположной трубной решетки. Большое число перегородок не рекомендуется из-за трудности уплотнения их стыков с трубными решетками. Поперечные перегородки бывают перекрывающие и неперекрывающие. Перекрывающие перегородки пересекают все межтрубное пространство, оставляя вокруг каждой трубки кольцевую щель шириной около 2 мм. Расстояние между перегородками обычно 100 мм. Рабочее тело протекает через кольцевые щели с большой скоростью. При этом в промежутках между перегородками образуются турбулентные завихрения, что приводит к увеличению коэффициента теплоотдачи. Такие перегородки неприменимы, если жидкости могут выделять осадок, т.к. узкие щели легко им забиваются. Неперекрывающие перегородки (рис.1.6 б ) выполняют, например, с проходом в виде сектора или сегмента. Двухходовый теплообменник часто выполняют с U-образными трубками, открытые концы которых завальцованы в одну и ту же трубную решетку (рис.1.7). При запуске в работу теплообменников нужно обращать внимание на направление движения рабочих тел. Горячая (охлаждаемая) жидкость должна опускаться (подача сверху), а холодная - подниматься. В этом случае принудительное движение совпадает с естественным. 1.13.2. Теплообменники "труба в трубе" Такие теплообменники применяют при небольших расходах рабочих жидкостей и высоких давлениях. Они составляются из нескольких последовательно соединенных элементов, образованных двумя концентрически расположенными трубами (рис.1.8). Каждый элемент состоит из 2-х труб, вставленных одна в другую. Элементы соединены в батарею последовательно, параллельно или комбинированно. При этом трубы соединяются с трубами, а кольцевые пространства с кольцевыми пространствами. Достоинством таких теплообменников является соблюдение противотока, что обеспечивает наиболее полное использование теплоносителя. Они позволяют достигать довольно высоких скоростей жидкости в диапазоне 1-1,5 м/с, что уменьшает возможности отложения загрязнений на поверхности теплообмена и увеличивает значения коэффициентов теплоотдачи. Отметим, что эти теплообменники более громоздки, по сравнению с кожухотрубными, и требуют большего расхода металла на единицу поверхности теплообмена. 1.13.3. Погружные трубчатые теплообменники Они имеют вид (Рис.1.9) змеевика 1, погруженного в аппарат 2, заполненный жидкостью. Коэффициент теплопередачи в них невелик, т.к. жидкость снаружи змеевика движется только под действием свободной конвекции. Обычно и внутри трубок скорость движения рабочего тела невелика. Поэтому для интенсификации процесса необходимо применять мешалки, т.е. использовать вынужденную конвекцию. Обычно змеевики применяются там, где не требуется подводить большое количество тепла или в качестве дополнительной поверхности (наряду с рубашкой). 1.13.4. Оросительные теплообменники Такой теплообменник (рис.1.10) представляет собой трубу 2 с прямоугольными витками, соединенные коленами 3, закрепленные на стойке 4. Охлаждаемая жидкость вытекает из распределительного желоба 1 на наружную поверхность верхнего витка трубы и затем последовательно стекает на нижерасположенные и в сборный желоб 5. Жидкость, омывающая трубки, нагревается или охлаждается в зависимости от температуры среды, протекающей внутри. Недостатки оросительных теплообменников: громоздкость и неравномерность смачивания наружной поверхности труб. Как правило, они располагаются вне помещения. Теплообменники этого типа применяются в холодильной технике в качестве конденсаторов, работающих при высоких давлениях хладоагента, для охлаждения пива, молока и других жидкостей. Они работают при небольших тепловых нагрузках и имеют невысокие коэффициенты теплоотдачи. 1.13.5. Теплообменники с плоскими поверхностями нагрева К этому типу относятся различные ребристые, пластинчатые и другие теплообменники. Оребрение поверхности производится с той стороны, где меньше значение коэффициента теплоотдачи. Это делается для создания большей поверхности контакта стенки с рабочей средой. Ребристый теплообменник для нагревания или охлаждения называется калорифером (рис.1.11). Он представляет собой две коробки I, плоскости которых соединены рядом трубок 2, имеющих наружную ребристую поверхность. Через входной патрубок поступает вода (пар), которая заполняет коробки I и трубки 2. Через выходной патрубок вода (конденсат) отводится. Между ребрами трубок проходит воздух (газ), поток которого ограничен с боковых стенок калорифера плоскими листами. Калориферы могут соединяться в батареи параллельно или последовательно. Ребристые калориферы изготовляются различных размеров, они отличаются числом трубок, их длиной и т.д. Скорость воздуха определяют в зависимости от его расчетного расхода и живого сечения межтрубного пространства ( 40%). Зная скорость воздуха и температуру теплоносителя, находят коэффициенты теплопередачи по графикам и номограммам для каждого типа калорифера. Эти графики обычно приводятся в каталогах калориферов; там же указывается гидравлическое сопротивление, необходимое для расчета вентилятора. Спиральные теплообменники состоят из двух спиральных каналов прямоугольного сечения, образованных металлическими листами (рис.1.12.). Внутренние концы спиралей соединены перегородкой. С торцов каналы закрыты крышками и уплотнены прокладками. У наружных концов каналов имеются патрубки для входа и выхода теплоносителей, два других патрубка приварены к плоским боковым крышкам. Такие теплообменники используются для теплообмена между жидкостями и газами. Эти теплообменники не забиваются твердыми частицами, взвешенными в теплоносителях, поэтому они применяются для теплообмена между жидкостями со взвешенными частицами, например для охлаждения бражки на спиртоперегонных заводах. Спиральные теплообменники компактны, позволяют проводить процесс теплопередачи при высоких скоростях теплоносителей с высокими коэффициентами теплопередачи; гидравлическое сопротивление спиральных теплообменников ниже сопротивления многоходовых аппаратов при тех же скоростях теплоносителей. Недостатком спиральных теплообменников является сложность изготовления, ремонта и чистки. Пластинчатые теплообменники (рис.1.11.) монтируются на раме, состоящей из верхнего и нижнего несущих брусов, которые соединяют стойку с неподвижной плитой. По направляющим стяжным шпилькам перемещается подвижная плита. Между подвижной и неподвижной плитами располагается пакет стальных штампованных гофрированных пластин, в которых имеются каналы для прохода теплоносителей. Уплотнение пластин достигается с помощью заглубленных прокладок, которые могут выдерживать высокие рабочие давления. Теплоносители к каналам, образованным пластинами, проходят по чередующимся каналам сквозь разделенные прокладками отверстия. Принцип действия пластинчатого тепло-обменника показан на рис.1.12. Как видно из этой схемы, теплообмен проис-ходит в противотоке, причем каждый теплоноситель движется вдоль одной стороны пластины. Пластинчатые тепло-обменники используются в качестве нагревателей, холодильников, а также комбинированных тепло-обменников для пастеризации, например молока, и стерилизации (мелассы). Эти теплообменники можно соби-рать в виде многосту-пенчатых агрегатов. Пластинчатые тепло-обменники компактны, обла-дают большой площадью поверхности теплопередачи, что достигается гофри-рованием пластин. Высокая эффек-тивность обусловлена высоким отно-шением площади поверхности теплопередачи к объему теплообменника за счет высоких скоростей теплоносителей, а также турбулизации потоков гофрированными поверхностями пластин и низкого термического сопротивления стенок пластин. Эти теплообменники изготавливаются в виде модулей, из которых может быть собран теплообменник с площадью поверхности теплопередачи, необходимой для осуществ-ления технологического процесса. К недостаткам отно-сятся сложность изготов-ления, возможность забивания поверхностей пластин взвешенными в жидкости твердыми частицами. 1.13.6. Типичные случаи теплообмена 1. Теплообмен в рубашках реакционных аппаратов Жидкость, находящаяся внутри аппарата, получает заданное количество тепла путем свободной конвекции или вынужденной при принудительном перемешивании мешалкой. При паровом обогреве пар, находящийся в рубашке, конденсируется на вертикальной и сферической поверхностях, а при обогреве жидкостью происходит обтекание цилиндра. 2. Теплообмен в кожухотрубных теплообменниках В трубном пространстве теплообменника происходит теплопередача при вынужденном переходном, ламинарном или турбулентном режимах; в межтрубном пространстве при паровом обогреве происходит конденсация на вертикальной поверхности или снаружи горизонтальных труб, а при жидкостном обогреве - продольное, поперечное или смешанное обтекание пучка труб. 3. Теплообмен в погружных теплообменниках При паровом обогреве внутри труб происходит конденсация, а при жидкостном - вынужденное движение в различных режимах с повышением интенсивности теплоотдачи в змеевиках за счет поворотов потока. Снаружи труб происходит свободная конвекция или, при наличии мешалок, вынужденное обтекание труб. 1.14. Основные способы увеличения интенсивности теплообмена 1. Уменьшение толщины теплового пограничного слоя в результате турбулизации за счет повышения скорости движения потоков или другого вида воздействия; это достигается, например, разбивкой пучка трубок на ходы и установкой межтрубных перегородок. 2. Улучшение условий отвода неконденсирующихся газов или конденсата при паровом обогреве. 3. Создание благоприятных условий для обтекания потоком поверхности нагрева, при которых она вся активно участвует в теплообмене. 4. Обеспечение оптимальных значений температур, термических сопротивлений и т.д. Интенсификация теплообмена является одним из основных направлений развития и совершенствования тепловой аппаратуры пищевых производств. При этом широко используются положительные эффекты в интенсификации теплообмена, обнаруженные и исследованные в других областях технологии и энергетики. Например, за последние годы выполнен ряд работ по промышленному испытанию активных ("режимных") методов интенсификации теплообмена в аппаратах пищевых производств, обусловливающих изменение гидродинамической обстановки, режимных характеристик течения (скорости, плотности, вязкости и т.д.) и вызывающих дополнительную турбулизацию потока. Кроме того, активные методы способствуют снижению накипеобразования и не требуют дополнительного расхода энергии. В качестве активных методов используются: а) вынужденные пульсации скорости и давления; б) пленочное течение жидкости; в) вдувание воздуха в поток нагреваемого продукта; г) рациональное сочетание совместного действия нескольких факторов,, интенсифицирующих процесс. Контрольные вопросы 1. При каких условиях происходит конденсация паров и газов? Какие виды конденсации Вы знаете? 2. Что такое поверхностная конденсация и в каких аппаратах она осуществляется? 3. В чем отличие между мокрыми и сухими конденсаторами? 4. Какие типы теплообменников наиболее широко применяются в пищевой промышленности? 5. Принцип работы одноходового кожухотрубного теплообменника. 6. С какой целью используются многоходовые кожухотрубные теплообменники? 7. В каких случаях используют теплообменники типа "труба в трубе"? 8. Устройство и принцип работы спиральных и пластинчатых теплообменников. Их достоинства и недостатки. 9. В каких случаях используют теплообменники с ребристыми поверхностями? 10. В чем заключаются основные способы увеличения интенсивности теплообмена? 2. ВЫПАРИВАНИЕ 2.1. Общие сведения Выпариванием называется процесс сгущения практически нелетучих твердых веществ за счет испарения летучего растворителя. При этом частичное удаление растворителя из всего объема раствора осуществляется при температуре кипения последнего, когда давление паров растворителя равно давлению в надрастворном пространстве. Особенностью процесса выпаривания является постоянство температур кипения при данном давлении и составе раствора. В ряде случаев выпаренный раствор подвергают последующей кристаллизации. Тепло, необходимое для выпаривания, обычно подводится с насыщенным водяным паром, который называется греющим (первичным), через стенку, отделяющую теплоноситель от раствора. Вторичным называется пар, образующийся при выпаривании кипящего раствора. В пищеперерабатывающей промышленности, как правило, выпаривают водные растворы - свекловичные и томатные соки, сиропы, барду, пектиновый клей, молоко и т.д. Процессы выпаривания проводят в выпарных аппаратах под вакуумом, при повышенном и атмосферном давлениях в зависимости от свойств раствора и возможности использования тепла вторичного пара. При выпаривании под вакуумом, последний создается в аппарате путем конденсации вторичного пара в конденсаторе и отсасывании из него неконденсирующихся газов с помощью вакуум-насоса. Такой подход позволяет увеличить движущую силу теплопередачи (разность температур между греющим паром и раствором) и, как следствие, уменьшить площадь поверхности нагрева выпарного аппарата и тем самым его материалоемкость. Кроме того, выпаривание под вакуумом позволяет проводить процесс при более низких температурах, что особенно важно для пищевых растворов. Однако применение вакуума вызывает удорожание выпарной установки, в связи с дополнительными затратами на устройства для его создания (конденсаторы, ловушки, вакуум-насосы), и увеличение эксплуатационных расходов. При выпаривании под избыточным давлением вторичный пар может быть использован как теплоноситель в подогревателях, для отопления теплиц и других внутризаводских нужд. Однако такой метод выпаривания связан с повышением температуры кипения раствора. Поэтому его применение в пищевой промышленности ограничено свойствами растворов, которые должны быть термически стойкими. При выпаривании под атмосферным давлением, образующийся вторичный пар не используется и обычно сбрасывается в атмосферу. Такой способ выпаривания наиболее прост, но наименее экономичен. 2.2. Изменение свойств раствора при выпаривании В процессе выпаривания увеличивается концентрация твердых веществ в растворе, что приводит к изменению его теплофизических свойств. Нa (рис.2.1 а) показано их изменение в процессе выпаривания при увеличении концентрации от начальной СВн до конечной СВк за время  при постоянном давлении пара над кипящим раствором По мере сгущения раствора его концентрация ассимптотически приближается к теоретическому пределу СВтеор=100%. При достижении концентрации пересыщения СВп в кристаллизующихся растворах начинается выпадение избытка растворенного вещества в осадок и при дальнейшем выпаривании происходит рост массового содержания кристаллов в растворе Кр. Концентрация пересыщения СВп служит границей между областями ненасыщенных растворов I (для сгущения которых используются обычно выпарные аппараты) и пересыщенных кристаллизующихся растворов II (здесь применяются вакуумные аппараты). Концентрация пересыщения СВп может изменяться в пределах заштрихованной площади в зависимости от конкретных условий (температуры, требуемой степени пересыщения и т.д.). В области пересыщения кривая концентрации расслаивается. Верхняя ее часть относится ко всей увариваемой массе, включая кристаллы, а нижняя показывает концентрацию твердого вещества в маточном растворе. Из (рис.2.1 б) следует, что температура кипения раствора tр увеличивается вследствие повышения значения физико-химической депрессии Δф (разность между температурами кипения раствора и растворителя). При этом значение tр больше температуры вторичного пара tвт, находящегося над раствором, на величину Δф. Общая кривая вязкости ν раздваивается: верхняя характеризует эффективную вязкость всей суспензии, а нижняя - маточного раствора νм. В целом по мере роста концентрации, плотности и вязкости раствора уменьшаются его температуропроводность и теплоемкость. Это приводит к увеличению величины критерия Прандтля Pr = ν/a и, как следствие, ухудшению условий теплоотдачи от поверхности нагрева к кипящему раствору (уменьшается значение коэффициента теплоотдачи α2). В заключение отметим, что при выпаривании некристаллизующихся растворов (паточная барда) - область II на рис.2.1.б, отсутствует, и кривые концентрации и вязкости не раздваиваются. 2.3. Методы выпаривания В пищевых отраслях широко используют однократное выпаривание, осуществляемое периодически или непрерывно в однокорпусных выпарных аппаратах, и многократное, проводимое непрерывно в многокорпусных выпарных установках, составленных из нескольких однокорпусных аппаратов. Однокорпусная выпарная установка (рис.2.2) предназначена для однократного непрерывного выпаривания и применяется в малотоннажных производствах. Образующийся при выпаривании вторичный пар в этих установках не используется, а конденсируется в конденсаторе. Основные аппараты установки – выпарной аппарат, подогреватель, барометрический конденсатор и насосы. Выпарной аппарат (рис.2.3) состоит из греющей камеры 1, пространство которой ограничено стенками аппарата 2 межтрубными решетками 6 и 7. В пространство греющей камеры подается насыщенный водяной пар, а конденсат отводится из ее нижней части. Выпариваемый раствор, поднимаясь снизу вверх по кипятильным трубкам 5, нагревается и кипит с образованием вторичного пара. Часть жидкости опускается по центральной трубе 4 в нижнюю часть греющей камеры и направляется в кипятильные трубки. Таким образом происходит непрерывная цирку­ляция по замкнутому контуру вследствие разности плотностей раствора в центральной трубе и парожидкостной эмульсии в кипятильных трубках. Упаренный раствор удаляется через патрубок, расположенный в днище 8 аппарата. Свежий раствор подаётся над верхней или нижней трубной решеткой. Вторичный пар заполняет надрастворный объем, откуда отводится через ловушки сепаратора 3, задерживающие брызги и капельки жидкости, через верхний патрубок в конденсатор. В однокорпусной выпарной установке расход греющего пара составляет более I кг на I кг испаренной воды. Экономичность процесса может быть повышена только за счет рационального использования вторичного пара, как это происходит, например, в многокорпусных выпарных установках. Многокорпусная выпарная установка (рис.2.4) состоит из нескольких последовательно соединенных однокорпусных выпарных аппаратов. Ее принцип действия заключается в многократном использовании тепла греющего пара, поступающего в первый корпус, для обогрева последующих. При этом в качестве греющего пара последующего корпуса используется вторичный пар предыдущего. Исходный раствор, предварительно нагретый до температуры кипения, поступает в I корпус, обогреваемый первичным паром. Вторичный пар, образующийся в I корпусе, направляется в качестве греющего во второй. Здесь давление более низкое. Поэтому раствор, упаренный в I корпусе, перемещается во второй самотеком. Пониженное давление обуславливает и более низкую температуру кипения раствора во II корпусе. Поэтому раствор, пришедший из I корпуса, частично охлаждается до температуры кипения во втором. При этом выделяется тепло, приводящее к образованию дополнительного количества вторичного пара. Это явление называется самоиспарением раствора и происходит во всех корпусах, кроме первого. Аналогичная картина происходит в III корпусе. Вторичный пар из последнего корпуса поступает в барометрический конденсатор, где за счет его конденсации, создается требуемое разрежение. Несконденсировавшиеся газы и воздух отсасываются вакуум-насосом. Преимущества данной схемы: 1. Движение раствора самотеком из корпуса в корпус за счет разности давлений; 2. Возможность выпаривания термически нестойких растворов, т.к. в последнем корпусе наиболее упаренный раствор находится в зоне наименьших температур. Недостаток прямоточной схемы заключается в более низком среднем коэффициенте теплопередачи, по сравнению с противоточными установками Это объясняется тем, что от корпуса к корпусу увеличивается концентрация раствора и уменьшается его давление, что и снижает коэффициенты теплоотдачи. В многокорпусную установку раствор может поступать противотоком. В этом случае схема движения пара осуществляется как при прямотоке, но исходный раствор поступает в последний корпус, а в концентрированном виде выходит из первого. Таким образом, выпариваемый раствор перемещается противотоком по отношению к вторичному пару. Его движение обеспечивается с помощью центробежных насосов, т.к. давление от последнего корпуса к первому постепенно возрастает. При противоточной схеме самоиспарение отсутствует. Обычно ее используют для выпаривания растворов до высоких конечных концентраций, когда в I корпусе возможно выпадение твердого вещества или вязкость раствора резко возрастает с увеличением его концентрации. Достоинством противоточных установок является более высокий средний по установке коэффициент теплопередачи, а ее серьезным недостатком - необходимость перекачивания выпариваемого раствора, что связано со значительными эксплуатационными расходами. В заключение отметим, что если расход греющего насыщенного водяного пара для однокорпусной установки составляет более 1 кг на 1 кг выпаренной воды, то для двухкорпусных установок он меньше в два, а для трехкорпусных в три раза. 2.4. Основные величины, характеризующие работу выпарного аппарата Интенсивность выпаривания в первую очередь зависит от температурного перепада (температурного напора), который представляет собой разность между температурами греющего (первичного) пара и кипящего раствора. Введем понятия полная и полезная разности температур. Полной разностью температур Δtполн будем называть разность между температурами первичного tп и вторичного tвт пара в конце паропровода, отводящего его из сепаратора: Δtполн = tп - tвт. Процесс теплопередачи при выпаривании происходит за счет полезной разности температур, которая меньше полной на величину температурных потерь : Δt =Δtполн –Δ. В свою очередь температурные потери складываются из трех составляющих: Δ = Δс + Δг + Δф, где Δс = tвт - tвт - гидравлическая депрессия, вызываемая гидравлическими сопротивлениями, которые должен преодолеть вторичный пар при своем движении через сепаратор и паропровод. Вызванное этим уменьшение давления вторичного пара приводит к некоторому снижению его температуры. Обычно гидравлическая депрессия вызывает необходимость повышения температуры кипения раствора на 0,5 - 1,5 0С; Δг - гидростатическая депрессия, представляет собой разность между температурами раствора посередине высоты греющих труб и на поверхности. Обычно она равна 1-3°С; Δф - физико-химическая депрессия, равная разности между температурами кипения раствора и чистого растворителя при одинаковом давлении. Ввиду температурных потерь температура кипения раствора должна быть больше температуры вторичного пара, находящегося над ним: tр = tвт + (Δг + Δф). Тогда полезную разность температур можно выразить следующим образом: Δt = (tп - tвт) - Δ = tп - tр. На рис.2.5 показана картина распределения полезной разности температур по мере того, как тепловой поток последовательно преодолевает термические сопротивления, встречающиеся на его пути, Δt = Δt1 +Δtст+ Δtн + Δt2 где t1 - перепад температур на участке конденсации первичного пара на наружной поверхности кипятильных труб; tст - перепад температур при прохождении тепловым потоком толщи стенок кипятильных труб; tН - перепад температур в слое накипи, расположенной на внутренней поверхности кипятильных труб; t2 - перепад температур на участке теплоотдачи от слоя накипи к кипящему раствору. Как следует из рис.2.5, возрастание значений температурных потерь неизбежно приводит к повышению температуры кипения раствора и, как следствие, к уменьшению полезной разности температур t, обеспечивающей процесс выпаривания. 2.5. Элементы расчета однокорпусной выпарной установки Материальный баланс. На выпаривание поступает Gн кг/сек исходного раствора концентрацией хн и отводится Gк кг/сек упаренного раствора концентрацией хк. Если в аппарате выпаривается W кг/сек воды, то материальный баланс можно записать в виде двух уравнений: по всему веществу: , (2-1) по растворенному сухому веществу: . (2-2) Из пяти переменных, входящих в эти уравнения, три должны быть заданы. Обычно известны: расход исходного раствора Gн, его концентрация хн и требуемая концентрация упаренного раствора хк: Тогда с помощью выражений (2-1) и (2-2) определим производительность аппарата: по упаренному раствору - , по выпариваемой воде - . Тепловой баланс. Введем следующие обозначения: Д - расход греющего пара; I, Iвт - энтальпии греющего и вторичного пара; iH, iK - энтальпии исходного и упаренного раствора; Iп.к.=с - энтальпия парового конденсата, где с - удельная теплоемкость, а  - температура конденсата, OC. Определим приход и расход тепла (рис.2.6). Приход тепла: 1. С исходным раствором - ; 2. С греющим паром - Д. Расход тепла: С упаренным раствором – ; С вторичным паром – W·Iвт; С паровым конденсатом – Д·c´·Θ; Потери тепла в окружающую среду – Qп. Тогда тепловой баланс однокорпусной выпарной установки выразится следующим уравнением + Д =+ W·Iвт+ + Д·c´·Θ+ Qп. Здесь энтальпия исходного раствора (сн - удельная теплоемкость, а tн - температура), а упаренного ,(tк - температура кипения раствора). Заменив в последнем выражении Gн на сумму Gк+W, получим: + Д =+ + W·Iвт+ Д·c´·Θ+ Qп. (2-3) Из уравнения (2-28) находим расход греющего пара: . Отсюда можно сделать вывод, что расход пара зависит от величины трех слагаемых правой части: 1. Расхода пара на изменение энтальпии выпариваемого раствора; 2. Расхода пара на непосредственное выпаривание растворителя (например, воды); 3. Расход пара на компенсацию потерь тепла в окружающую среду. Если принять, что исходный раствор поступает в аппарат предварительно нагретым до температуры кипения, т.е. tн = tк, а потери тепла в окружающую среду составляют как обычно 2-5%, то значениями первого и третьего слагаемых в первом приближении можно пренебречь. Тогда: . (2-4) Поверхность нагрева непрерывно действующего выпарного аппарата определяется из основного уравнения теплопередачи: , где - тепловая нагрузка аппарата; - коэффициент теплопередачи; Δt - полезная разность температур; α1 - коэффициент теплоотдачи от конденсирующего пара к стенке; α2 - коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящему раствору. Следует помнить, что значение коэффициента теплопередачи снижается по мере повышения концентрации и вязкости раствора, а также с понижением температуры его кипения. 2.6. Конструкции выпарных аппаратов В пищевой промышленности широко применяют трубчатые выпарные аппараты с естественной и принудительной циркуляцией с площадью поверхности нагрева от 10 до 1800 м2 и различным расположением греющей камеры. В ряде случаев для интенсификации процесса выпаривания используют различные конструкции пленочных выпарных аппаратов. При выборе конструкции выпарного аппарата учитываются теплофизические свойства раствора, склонность к кристаллизации, чувствительность к высоким температурам, полезная разность температур в каждом корпусе, площадь поверхности теплообменного аппарата, технологические особенности. Выпарные аппараты изготавливаются из углеродистой, коррози-онностойкой и двухслойной стали. Выпарные аппараты с естественной циркуляцией просты по конструкции и применяются для выпаривания растворов с невысокой вязкостью, не склонных к кристаллизации. Эти аппараты бывают с соосной и вынесенной греющей камерой (рис.2.7, а, б). Выпарной аппарат состоит из сепаратора, греющей камеры и циркуляционной трубы. Сепаратор представляет собой цилиндрическую емкость с эллиптической крышкой, присоединенную с помощью болтов к греющей камере. В сепараторе для отделения капелек жидкости от вторичного пара устанавливают различной конструкции отбойники. Греющая камера выполнена в виде вертикального кожухотрубчатого теплообменника, в межтрубчатое пространство которого поступает греющий пар, а в греющих трубках кипит раствор. Нижние части сепаратора и греющей камеры соединены циркуляционной трубой. Естественная циркуляция возникает в замкнутой системе, состоящей из необогреваемой циркуляционной трубы и кипятильных труб. Если жидкость в трубах нагрета до кипения, то в результате выпаривания части жидкости в этих трубах образуется парожидкостная смесь, плотность которой меньше плотности самой жидкости. Таким образом, вес столба жидкости в циркуляционной трубе больше, чем в кипятильных трубах, вследствие чего происходит циркуляция кипящей жидкости по пути кипятильные трубы — паровое пространство — циркуляционная труба — трубы и т. д. При циркуляции повышается коэффициент теплоотдачи со стороны кипящей жидкости и снижается образование накипи на поверхности труб. Рис.2.7. Выпарные аппараты с естественной циркуляцией раствора: а—с соосной греющей камерой; б—с вынесенной греющей камерой; 1 — греющая камера; 2 — сепаратор; 3 — циркуляционная труба Для естественной циркуляции требуются два условия: 1 — достаточная высота уровня жидкости в циркуляционной трубе, чтобы уравновесить столб парожидкостной смеси и создать необходимую скорость; 2 — достаточная интенсивность парообразования в кипятильных трубах, чтобы парожидкостная смесь имела возможно малую плотность. Представленные на рис.2.7 аппараты выгодно отличаются от устаревших конструкций аппаратов с центральной циркуляционной трубой. Наличие обогреваемой центральной циркуляционной трубы приводило к снижению интенсивности циркуляции. Выпарные аппараты, показанные на рис.2.7., имеют площадь поверхности теплопередачи от 10 до 1200 м2, длину кипятильных труб от 3 до 9 м в зависимости от их диаметра. Диаметр кипятильных труб составляет 25, 38 и 57 мм. Избыточное давление в греющей камере 0,3— 1,6МПа, а в сепараторе вакуум примерно 93,0 кПа. Соотношение площадей сечения циркуляционной трубы и греющей камеры составляет не менее 0,3. Парообразование в кипятильных трубах определяется физическими свойствами раствора (главным образом вязкостью) и разностью температур между стенкой трубы и жидкостью. Чем ниже вязкость раствора и чем больше разность температур, тем интенсивнее парообразование и больше скорость циркуляции. Для создания интенсивной циркуляции разность температур между греющим паром и раствором должна быть не ниже 10 °С. Выпарные аппараты с естественной циркуляцией отличаются простотой конструкции и легкодоступны для ремонта и очистки. Выпарные аппараты с принудительной циркуляцией раствора позволяют повысить интенсивность циркуляции раствора и коэффициент теплопередачи. На рис.2.8. показаны такие аппараты с соосной и вынесенной греющей камерой. Рис.2.8. Выпарные аппараты с принудительной циркуляцией раствора: а—с соосной греющей камерой; б—с вынесенной греющей камерой; 1—греющая камера; 2 — сепаратор; 3 — циркуляционная труба; 4 — насос Циркуляция жидкости производится пропеллерным или центробежным насосом. Свежий раствор подается в нижнюю часть кипятильника, а упаренный раствор отводится из нижней части сепаратора. Уровень жидкости поддерживается несколько ниже верхнего обреза кипятильных труб. Поскольку вся циркуляционная система почти полностью заполнена жидкостью, работа насоса затрачивается лишь на преодоление гидравлических сопротивлений. Давление внизу кипятильных труб больше, чем вверху, на величину давления столба жидкости в трубах плюс их гидравлическое сопротивление. Ввиду этого на большей части высоты кипятильных труб жидкость не кипит, а подогревается. Закипание происходит только на небольшом участке верхней части трубы. Количество перекачиваемой насосом жидкости во много раз превышает количество испаряемой воды, поэтому отношение массы жидкости к массе пара в парожидкостной смеси, выходящей из кипятильных труб, очень велико. Скорость циркуляции жидкости в кипятильных трубах принимают равной 1,5—3,5 м/с. Скорость циркуляции жидкости определяется производительностью циркуляционного насоса, поэтому аппараты с принудительной циркуляцией пригодны при работе с малыми разностями температур между греющим паром и раствором (3—5°С) и при выпаривании растворов с большой вязкостью. Выпарные аппараты с принудительной циркуляцией имеют площадь поверхности теплопередачи от 25 до 1200 м , длину кипятильных труб от 4 до 9 м в зависимости от их диаметров, которые составляют 25, 38, 57 мм. Избыточное давление в греющей камере от 0,3 до 1,0 МПа, а в сепараторе вакуум 93 кПа. Соотношение площадей сечения циркуляционной трубы и греющей камеры не менее 0,9. Достоинствами аппаратов с принудительной циркуляцией являются высокие коэффициенты теплопередачи (в 3—4 раза больше, чем при естественной циркуляции), а следовательно, и значительно меньше площади поверхности теплопередачи, а также отсутствие загрязнений поверхности теплопередачи при выпаривании кристаллизующихся растворов и возможность работы при небольших разностях температур. Недостаток этих аппаратов — затраты энергии на работу насоса. Применение принудительной циркуляции целесообразно при изготовлении аппарата из дорогого металла для выпаривания кристаллизующихся и вязких растворов. Пленочные выпарные аппараты применяются для концентрирования растворов, чувствительных к высоким температурам. При необходимом времени пребывания в зоне высоких температур раствор не успевает перегреться и его качество не снижается. Выпаривание в пленочных аппаратах происходит за один приход раствора через трубы. Плёночные аппараты бывают с восходящей пленкой и соосной или вынесенной греющей камерой и падающей пленкой и соосной или вынесенной греющей камерой. Пленочные аппараты, как и описанные выше, состоят (рис.2.9.) из греющей камеры и сепаратора. В греющей камере расположены трубы длиной от 5 до 9 м, которые обогреваются греющим паром. На рис.2.9,а показан пленочный выпарной аппарат с восходящей пленкой и соосной греющей камерой. Исходный раствор подается в трубы снизу, причем уровень жидкости в трубах поддерживается на уровне 20—25 % высоты труб. В остальной части труб находится парожидкостная смесь. Раствор в виде пленки находится на поверхности труб, а пар движется по оси трубы с большой скоростью, увлекая за собой пленку жидкости. При движении пара и пленки жидкости за счет трения происходят турбулизация пленки и интенсивное обновление поверхности. За счет этих факторов достигаются высокие коэффициенты теплопередачи и большая поверхность испарения. На рис.2.9,б показан аппарат с падающей пленкой и вынесенной греющей камерой. В таких аппаратах исходный раствор поступает сверху в греющую камеру, а концентрированный раствор выводится из нижней части сепаратора. Рис.2.9. Пленочные выпарные аппараты: а—с восходящей пленкой и соосной греющей камерой; б—с падающей пленкой и вынесенной греющей камерой; 1 — сепаратор; 2 — греющая камера Пленочные выпарные аппараты изготавливаются с площадью поверхности теплопередачи от 63 до 2500 м2 с диаметром труб 36 или 57 мм. Избыточное давление в греющей камере от 0,3 до 1,0 МПа, а в сепараторе вакуум 93 кПа. Недостатком пленочных аппаратов является неустойчивость работы при колебаниях давления греющего пара. При нарушении режима работы аппарат можно перевести на работу с циркуляцией раствора, как в аппаратах с принудительной циркуляцией. Роторно-пленочные выпарные аппараты применяют для концентрирования пищевых растворов, а также суспензий. Роторно-пленочный аппарат представляет собой цилиндрический или конический корпус с обогреваемой рубашкой (рис.2.10.). внутри корпуса вращается ротор, распределяющий раствор по цилиндрической поверхности корпуса в виде пленки, а в некоторых случаях — в виде струй и капель. Роторно-пленочные аппараты выполнены, как правило, из нержавеющей углеродистой стали Х18Н10Т. Высота аппаратов достигает 12,5 м при 1аметре 10 м, площадь поверхности теплообмена от 0,8 до 16 м2. Роторно-пленочные аппа-раты бывают с жестким или раз-мазывающим ротором. Жесткий ротор изготавливается пусто-телым с лопастями. Зазор между лопастью и стенкой аппарата сос-тавляет от 0,4 до 1,5 мм. Исход-ный продукт подается в верхнюю часть аппарата и лопастями распределяется по цилиндрической стенке в виде пленки. Окружная скорость лопастей достигает 12 м/с. При работе под вакуумом (при давлении до 100 Па) вал ротора уплотняется специальным торцевым уплотнением. Нижний подшипник смазывается перера-батываемым материалом. Прин-ципиальное отличие испарителя с размазывающим ротором зак-лючается в применении ротора с шарнирно закрепленными на валу флажками. При вращении ротора флажки прижимаются центробежной силой к внутренней поверхности корпуса и размазывают по ней продукт в виде пленки. Такие аппараты применяются также для проведения совмещенного процесса концентрирования и сушки. Диаметр аппаратов достигает 1 м, площадь от 0,8 до 12 м , окружная скорость вращения ротора с флажками 5 м/с. Конструкция аппаратов позволяет благодаря осевому перемещению ротора регулировать толщину пленки и тем самым скорость процесса. Роторно-пленочные аппараты имеют более высокие коэффициенты теплопередачи, чем аппараты с падающей пленкой, они достигают значений, равных 2300—2700 Вт/(м2-град), в то время как в аппаратах с падающей пленкой — 1500—1600 Вт/(м2-град). Контрольные вопросы 1. Назначение и сущность процесса выпаривания. Его практическое использование в пищевой промышленности. 2. Как изменяются свойства раствора при выпаривании? 3. Какие методы выпаривания Вы знаете? Их преимущества и недостатки. 4. Что такое полезная разность температур и как она распределяется в процессе выпаривания? 5. Из чего складываются температурные потери при выпаривании? 6. Способы экономии греющего пара при выпаривании? 7. В чем заключается расчет выпарных установок и порядок его проведения? 8. Конструкции выпарных установок. Их преимущества и недостатки. 3. МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ Общие сведения Массообменными называются процессы, характеризуемые переходом одного или нескольких веществ из одной фазы в другую. Этот переход осуществляется конвективной и молекулярной диффузией, поэтому массообменные процессы называют также диффузионными. Массообменные процессы классифицируют по агрегатному состоянию и характеру взаимодействия фаз. 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. При адсорбции происходит избирательное поглощение газов, паров или растворенных в жидкостях веществ твердым поглотителем - адсорбентом, способным поглощать один или несколько компонентов из их смеси. Процесс используется во многих производствах, где из смеси газов, паров или растворенных веществ необходимо извлечь тот или иной компонент. 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. Массообменные процессы обратимы, т.е. распределяемое между фазами вещество может переходить из одной фазы в другую в зависимости от условий равновесия фаз. Это равновесие, например концентрация растворенного вещества в двух взаимодействующих фазах, зависит от температуры и давления. Связь между параметрами в условиях равновесия может быть представлена уравнениями, таблицами или графиками. Механизм массопередачи Массопередача - процесс перехода вещества (или нескольких веществ) из одной фазы в другую в направлении достижения равновесия. Перенос в пределах одной фазы называют массоотдачей. В массобмене 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 (рис. 3.1). Пусть распределяемое вещество находится первоначально только в фазе и имеет кон-центрацию . В фазе в начальный момент распределяемое вещество отсутствует, т.е. концентрация его в этой фазе . Если фазы и привести в соприкосновение друг с другом, начинается переход распределяемого вещества из фазы в фазу , и с появлением вещества в фазе начинается обратный переход его из фазы в фазу . Со временем скорости перехода вещества станут одинаковыми, и наступит состояние равновесия. При этом устанавливается определенная зависимость между концентрациями распределяемого вещества в обеих фазах: любой концентрации этого вещества в фазе соответствует равновесная концентрация его в фазе , т.е. . Разность между фактической и равновесной концентрациями, характеризующая степень не достижения равновесия, является движущей силой массообменных процессов: а) движущая сила массообмена через концентрации распределяемого компонента в фазе : ; б) движущая сила массообмена через концентрации распределяемого компонента в фазе : . В массообменных процессах (массопередаче) движущая сила может быть рассчитана по одному из двух вариантов - а) или б). Материальный баланс при массопередаче Рассмотрим прямоточный массообменный аппарат, в котором осуществляется взаимодействие потоков фазы (кг/с), с изменяющимися в ней концентрациями распределяемого вещества от до (в масс. долях), и фазы (в кг/с), с изменяющимися в ней концентрациями распределяемого вещества от до (в масс. долях) (рис. 3.2). для непрерывного установившегося процесса материальный баланс запишется: а) по всему веществу ; (3-1) б) по распределяемому компоненту . (3-2) Для нижней части аппарата и для некоторого произвольного сечения, для которого расходы фаз составляют и (кг/с), а текущие концентрации равны и соответственно, материальный баланс по всему веществу и по распределяемому компоненту: (3-3) (3-4) Решая это уравнение относительно y, получим: (3-5) Уравнение прямой (3-5), выражающей связь между рабочими (текущими) концентрациями называется рабочей линией процесса. При совместном построении линии равновесия и рабочей линии массообменного процесса в координатах (рис.3.3) можно установить направление массопередачи. Если рабочая линия расположена выше линии равновесия, например, при абсорбции (рис. 3.3), то для произвольно выбранной точки на рабочей линии концентрации и . При этом, стремясь к равновесным концентрациям, снижается, а повышается в процессе переноса вещества, т.е. распределяемый компонент переходит из фазы в фазу . Если рабочая линия расположена ниже линии равновесия, например, при ректификации, то для любой точки рабочей линии и . При этом распределяемый компонент будет переходить из фазы в фазу , стремясь к равновесным и . Основные законы массопередачи Скорость массопередачи связана с механизмом переноса распределяемого вещества в фазах, между которыми происходит массообмен. Перенос вещества внутри фазы может происходить только путем молекулярной диффузии, либо путем конвекции и молекулярной диффузии одновременно. 3акон молекулярной диффузии (первый закон Фúка), основанный на том, что диффузия в газах и растворах жидкостей происходит в результате беспорядочного теплового движения молекул, атомов, ионов, коллоидных частиц, приводящего к переносу вещества из зоны высоких концентраций в зону низких концентраций, гласит: “Масса вещества , продиффундировавшего за время через элементарную поверхность (нормальную к направлению диффузии), пропорциональна градиенту концентрации этого вещества “: , (3-6) или в проинтегрированном виде: или , (3-7) где - удельный поток вещества. Коэффициент пропорциональности D в выражении закона Фика называется коэффициентом молекулярной диффузии. Коэффициент диффузии D показывает, какая масса вещества диффундирует в единицу времени через единицу площади поверхности при градиенте концентрации, равном единице. Значение коэффициента диффузии обычно берут из справочников или рассчитывают по формулам. Коэффициент диффузии газа в среду другого газа имеют значения , а при диффузии газа в жидкости они в раз меньше. Таким образом, молекулярная диффузия является весьма продолжительным процессом, особенно в жидкостях и твердых телах. Собственно молекулярная диффузия наблюдается редко. Она обычно сопровождается конвективным переносом вещества в движущейся среде в направлении, совпадающем с направлением общего потока. Суммарный перенос вещества вследствие конвективного переноса и молекулярной диффузии, по аналогии с теплообменом, называют конвективным массообменом или конвективной диффузией. При конвективной диффузии перенос вещества осуществляется со скоростью во много раз превышающей скорость молекулярной диффузии. Закон конвективной диффузии (закон Щукарёва А.Н.) позволяет определить количество вещества, переносимого в одной фазе к границе или от границы (при массоотдаче) раздела фаз. Скорость массоотдачи определяется: для фазы : , (3-8) для фазы : (3-9) Входящие в эти уравнения разности концентраций и (см. рис. 3.1) представляют собой движущую силу процесса массоотдачи соответственно в фазах и , причем и - средние концентрации в основной массе (ядре потока) каждой из фаз; и - концентрации у границы соответствующей фазы. Коэффициенты пропорциональности в уравнениях (3-8) и (3-9) называются коэффициентами массоотдачи. Коэффициенты массоотдачи (в фазе) и (в фазе ) показывают какая масса вещества переходит от поверхности раздела фаз в ядро фазы (или в обратном направлении) через единицу площади поверхности в единицу времени при движущей силе массоотдачи, равной единице. Термодиффузия. Во многих процессах массообмена (сушка, варка, жарка и т.д.) возникает различие в направлении распространения температуры и концентрации диффундируемого вещества. Температурный градиент направлен от периферии продукта к его центру, а градиент концентрации - от центра к периферии. В этом случае диффундируемое тяжелое вещество перемещается в направлении градиента температур, а легкое диффундируемое вещество - в направлении градиента концентрации. Подобное явление получило название термодиффузии. При термодиффузии процесс массообмена может быть несколько затруднен, что объясняется противоположным направлением движения, например, влаги и паров при варке, жарке, сушке. Движение влаги в направлении градиента температур называется термовлагопроводностью. Перемещение влаги в направлении градиента концентрации является влагопроводностью, что по своему физическому смыслу равнозначно диффузии вещества. Критериальные уравнения конвективной диффузии При анализе процессов диффузии и массопередачи широко используются различные критерии и критериальные уравнения. Эти критерии носят в основном те же наименования, что и критерии теплопередачи, но к ним добавляется слово "диффузионный". Диффузионный критерий Нуссельта, характеризующий соотношение интенсивности переноса вещества конвекцией и молекулярной диффузией у границы фазы: . Критерий Био является мерой сравнения скорости переноса вещества в пограничном слое у поверхности раздела фаз и скорости переноса внутри фазы. В процессах, где перенос вещества осуществляется из твердой фазы, вместо критерия Нуссельта используется диффузионный критерий Био: где kД - коэффициент массопроводности или коэффициент внутренней диффузии. Таким образом, критерий Био является мерой сравнения скорости внешней и внутренней диффузии извлекаемого из твердой фазы вещества. Диффузионный критерий Фурье характеризует изменение скорости потока диффундирующей массы во времени и используется для характеристики нестационарных процессов: . Диффузионный критерий Пекле: Преобразуем критерий и представим его в виде произведения: Диффузионный критерий Прандтля характеризует подобие полей физических величин и определяется только физическими свойствами вещества. В общем виде критериальное уравнение конвективной диффузии записывается: (3-10) Критерий Нуссельта, содержащий искомую величину - коэффициент массоотдачи , необходимый для расчета коэффициента массопередачи К, в этом уравнении является определяемым в отличие от других критериев, которые являются определяющими, т.е. составленными целиком из параметров, входящих в условие однозначности. Конкретные критериальные уравнения в явном виде (в виде степенной функции) приводятся при описании соответствующих массообменных процессов. По значениям критерия Нуссельта, найденных по критериальным уравнениям, определяют коэффициенты массоотдачи для каждой фазы: , а затем - коэффициент массопередачи . Основное уравнение массопередачи Массопередача, так же как и теплопередача, представляет собой сложный процесс, включающий в себя перенос массы (вещества) в пределах одной фазы, перенос через поверхность раздела и перенос в пределах другой фазы. Массопередача по аналогии с теплопередачей характеризуется основным уравнением: (или ) (3-11) где - локальное количество вещества, перешедшего из одной фазы в другую; - площадь локальной поверхности массопередачи, - продолжительность процесса; - локальный коэффициент скорости (проводимость) процесса, называемый коэффициентом массопередачи; - общее выражение локальной разности концентраций (движущей силы на данном участке массопередачи). Для непрерывных процессов уравнение (3-11) может быть записано : (3-12) где - количество вещества, переносимое на данном участке массопередачи за единицу времени. Если принять проводимость процесса - коэффициент массопередачи - постоянным для всей поверхности массообмена ; получим интегральный вид уравнения (3-12): (3-13) где - общее количество вещества, перешедшего из одной фазы в другую за единицу времени; - коэффициент массопередачи для всей поверхности контакта фаз. Уравнение (3-13) называется основным уравнением массопередачи. Согласно этому уравнению количество вещества, перенесенное из одной фазы в другую за единицу времени пропорционально разности его текущей и равновесной концентрации и площади фазового контакта . Коэффициент массопередачи показывает, какое количество вещества переходит из одной фазы в другую за единицу времени через единицу площади поверхности фазового контакта при движущей силе, равной единице. Сложность расчета процесса массопередачи связана с тем, что практически невозможно измерить концентрации фаз непосредственно у границы их раздела. Учитывая это, основное уравнение массопередачи, выражают в виде двух равноценных уравнений: (3-14) где , - коэффициенты массопередачи, выраженные через концентрации фаз и . Поскольку концентрации фаз изменяются при их движении вдоль поверхности раздела, то изменяется и движущая сила массопередачи. Поэтому в уравнении массопередачи вводят величину средней движущей силы (и ): (3-15) С помощью этих уравнений обычно находят поверхность контакта фаз и по ней рассчитывают основные размеры аппарата. При этом величина либо задается в исходных данных, либо определяется по материальному балансу, а коэффициенты массопередачи и и средняя движущая сила ( и ) рассчитываются по специальным методикам. Зависимость между коэффициентами массопередачи и массоотдачи Допустим, что распределяемое вещество, как показано на рис. 3.1, переходит из фазы в фазу и движущая сила массопередачи выражается в концентрациях фазы (). При установившемся процессе массопередачи количество вещества, переходящее из фазы в фазу определяется по уравнению: . Для случая, когда равновесная зависимость между концентрациями в фазах линейна, т.е. линия равновесия описывается уравнением: , (3-16) где - коэффициент распределения, (тангенс угла наклона линии равновесия). Принимая, что концентрация распределяемого вещества в фазах непосредственно у границы () равновесны друг другу () выразим: , , где - концентрация фазы , равновесная с концентрацией фазы . Подставляя эти значения в уравнения массоотдачи получим: = (3-17) При выражении коэффициента массопередачи в концентрациях фазы : (3-18) Левые части уравнений (3-17) и (3-18) представляют собой общее сопротивление массопередачи, а их правые части - сумму сопротивлений массоотдачи в фазах. При кривой линии равновесия () величины и, следовательно, коэффициенты массопередачи изменяются по высоте (длине) аппарата. В этом случае при расчете его обычно разбивают по высоте на участки, в пределах каждого из них принимают величиной постоянной и используют среднее для всего аппарата значение . Контрольные вопросы 1. Какие процессы называются массообменными? Приведите примеры. 2. В каком направлении и до какого предела протекают массообменные процессы? 3. Приведите примеры аналогий массопередачи, теплопередачи. Чем отличаются эти процессы? 4. Составьте уравнение материального баланса по всему веществу и по распределяемому компоненту. 5. Что характеризует рабочая и равновесная линии процесса? Как определить направление массопередачи? 6. Какой закон описывает перенос вещества из ядра потока к поверхности раздела фаз? 7. Почему в расчетной практике пользуются не дифференциальными уравнениями массопереноса, а критериальными? 8. Назовите критерии диффузионного подобия и дайте их физический смысл. 9. В чем отличие в форме записи основного уравнения массопередачи от основного уравнения теплопередачи? 10. Охарактеризуйте понятия коэффициент диффузии, коэффициент массоотдачи, коэффициент массопередачи. Покажите их взаимосвязь. 3.1. Сорбционные процессы Поглощение каким-либо телом газов, паров или растворенных веществ из окружающей среды называется сорбционным процессом. 3.1.1. Абсорбция Сущность процесса и область применения Абсорбцией называется процесс поглощения газов или паров из газовых или парогазовых смесей жидкими поглотителями (абсорбентами). При физической абсорбции поглощаемый газ (абсорбтив) не взаимодействует химически с абсорбентом. Если же абсорбтив образует с абсорбентом химическое соединение, то процесс называется хемосорбцией. Физическая абсорбция в большинстве случаев обратима. На этом свойстве абсорбционных процессов основано выделение поглощенного газа из раствора - десорбция. Сочетание абсорбции с десорбцией позволяет многократно использовать поглотитель и выделять поглощенный компонент в чистом виде. В промышленности процессы абсорбции применяются главным образом для извлечения ценных компонентов из газовых смесей или для очистки этих смесей от вредных примесей. Для проведения процессов абсорбции применяют абсорбенты, обладающие избирательной, селективной способностью. Абсорбционные процессы обычно сопровождаются тепловыми процессами. При этом в большинстве из них наблюдается выделение теплоты. Физическая сущность процесса заключается в растворении газов в жидкости. Зависимость между растворимостью газа и парциальным давлением выражается законом Генри, в соответствии с которым растворимость газа при данной температуре прямо пропорциональна парциальному давлению газа над жидкостью: , (3-19) где X - количество растворенного газа, отнесенное к поглощающей жидкости, моль/м3; ψ - коэффициент пропорциональности, зависящий от свойств абсорбента и температуры; p - парциальное давление абсорбтива, Па. В соответствии с законом Дальтона в газовой смеси парциальное давление какого-либо компонента можно выразить уравнением: p=y pобщ (3-20) где y - доля рассматриваемого компонента (абсорбтива) в газовой смеси; pобщ - общее давление газовой смеси, Па. Из выражений (3-19) и (3-20) следует: , (3-21) Обозначив отношение через H , получим уравнение фазового равновесия: y=H x, (3-22) где H - константа фазового равновесия. Уравнение (3-22) показывает, что зависимость между концентрацией данного компонента в газовой смеси и в равновесной с ней жидкости выражается прямой линией, проходящей через начало координат и имеющей угол наклона, тангенс которого равен (рис.3.4). Численные значения зависят от температуры и давления: уменьшаются с увеличением давления и снижением температуры. Таким образом, растворимость газа в жидкости увеличивается с повышением давления и снижением температуры. Материальный баланс и расход абсорбента Примем расходы фаз по высоте аппарата постоянными и выразим содержание поглощаемого газа в относительных мольных концентрациях. Обозначим: - расход инертного газа, кмоль/сек; и - начальная и конечная концентрации абсорбтива в газовой смеси, кмоль/кмоль инертного газа; - расход абсорбента, кмоль/сек; и - начальная и конечная концентрации поглощаемого газа в абсорбенте, кмоль/кмоль абсорбента. Тогда уравнение материального баланса будет: , (3-23) где - количество компонента, перешедшее из одной фазы в другую, кмоль/сек. Отсюда общий расход абсорбента (в моль/сек): , (3-24) а его удельный расход (в кмоль/кмоль инертного газа): . (3-25) Устройство абсорбционных аппаратов Абсорбция протекает на поверхности раздела фаз. Поэтому абсорберы должны иметь развитую поверхность контакта фаз между жидкостью и газом. По способу образования этой поверхности абсорберы можно разделить на следующие четыре группы: 1. Поверхностные и пленочные (газ пропускается над поверхностью движущейся жидкости. Поверхностью контакта в пленочных абсорберах является поверхность стекающей пленки жидкости); 2. Насадочные, в которых поверхностью контакта фаз является поверхность растекающейся по специальной насадке жидкости; 3. Барботажные абсорберы, в которых поверхность контакта фаз создается потоками газа (пара) и жидкости; 4. Распыливающие абсорберы, в которых поверхность контакта фаз создается вследствие разбрызгивания жидкости. Наибольшее применение получили насадочные абсорберы (рис.3.5.), представляющий собой цилиндрическую колонну, заполненную насадкой (кольца или другие твердые тела), которая укладывается на опорные решетки, имеющие отверстия для прохождения газа и стока жидкости. Абсорбирующая жидкость из разбрызгивателя поступает в слой насадки, покрывая её жидкой пленкой, стекая вниз. Газ, подлежащий разделению, поднимается вверх. Абсорбтив поглощается жидкостью. В поверхностных абсорберах для увеличения поверхности контакта фаз устанавливаются несколько последовательно соединенных аппаратов, в которых газ и жидкость движутся противотоком друг к другу. Оросительный абсорбер (рис.3.6.) состоит из горизонтальных труб, внутри которых протекает жидкость, уровень которой поддерживается с помощью порога. Охлаждение абсорбера происходит с поверхности орошаемой жидкости. используются такие аппараты для поглощения хорошо растворимых газов. Тарельчатые барботажные колонны являются эффективными и наиболее распространенными аппаратами, внутри которых одна над другой размещено определение количество горизонтальных перфорированных перегородок — тарелок, обеспечивающих течение жидкости сверху вниз, а пара — снизу вверх. Тарельчатые колонны бывают колпачковыми, клапанными, продольными ситчатыми тарелками, на которых имеет место неорганизованный перелив жидкости через отверстия, и с ситчатыми тарелками с переливными устройствами. На рис.3.7. представлен участок тарельчатой барботажной колонны с ситчатыми тарелками и переливными устройствами Распыливающие абсорберы работают по принципу контакта фаз в результате распыливания или разбрызгивания жидкости в газовом потоке. Простейшим примером распыливающих абсорберов является полый распыливающий абсорбер с механическими форсунками (рис.3.8). Наибольшие коэффициенты массопередачи имеют место в момент распыления жидкости, а затем они резко снижаются вследствие коалесценции капель и уменьшения поверхности фазового контакта. Часто форсунки устанавливаются по всей высоте абсорбера. Распыливающие абсорберы применяют для абсорбции хорошо растворимых газов. К распыливающим абсорберам также относятся механические абсорберы, в которых разбрызгивание жидкости производится вращающимися устройствами. Механические абсорберы компактны и эффективнее распыливающих абсорберов. 3.1.2. Адсорбция Сущн ость процесса и область применения Под адсорбцией понимают процесс поглощения одного или нескольких компонентов из газовой смеси или раствора твердым веществом - адсорбентом. Поглощаемое вещество носит название адсорбата или адсорбтива. Процессы адсорбции избирательны и обычно обратимы. Благодаря их обратимости становится - возможным выделение поглощенных веществ из адсорбента или проведения десорбции. Механизм процесса адсорбции отличается от механизма процесса абсорбции, вследствие того, что извлечение веществ осуществляется твердым поглотителем. Процессы адсорбции широко применяются в промышленности при очистке и осушке газов, очистке и осветлении растворов, разделении смесей газов или паров; в частности при извлечении летучих растворителей из их смеси с воздухом или другими газами. Значение адсорбционных процессов сильно возросло за последнее время вследствие расширения потребности в веществах высокой чистоты. Адсорбенты, применяемые в промышленных условиях, должны отвечать следующим основным требованиям: • обладать избирательностью (селективностью) - способностью поглощать только тот компонент (те компоненты), которые необходимо выделить или удалить из смеси; • иметь максимальную адсорбционную емкость (активность) - количество адсорбтива, поглощенного единицей массы или объема адсорбента; • обладать способностью предельно десорбироваться, необходимой для регенерации адсорбента; • иметь достаточную прочность гранул адсорбента, так как их разрушение ухудшает гидродинамику процесса: • обладать химической инертностью по отношению к поглощаемым веществам; • иметь низкую стоимость. В промышленности адсорбенты используются в виде гранул размером 2-7 мм либо в порошкообразном состоянии с размером частиц 50-200 мкм. В качестве адсорбентов широко применяются активные угли, которые получают при сухой перегонке углесодержащих веществ, таких, как дерево, торф, кости и др. Активирование проводят в основном прокаливанием углей при температурах свыше 9000C, перед обугливанием вводят активирующие добавки (растворы хлористого цинка, кислот, щелочей и др.). В спиртовом и ликеро -водочном производствах используются активированные угли растительного происхождения (березовый БАУ, буковый) для извлечения из сортировки (смесь спирта с водой) и спирта-ректификата альдегидов, кетонов, сложных эфиров, карбоновых кислот и высокомолекулярных веществ (сивушных масел). Уголь извлекает глюкозу и фруктозу, содержащиеся в некоторых сортах водки. Активированный уголь применяется для осветления пива и фруктовых соков. Для обесцвечивания сахарных сиропов применяется активированный уголь, полученный на базе костяного угля. Типичным мелкозернистым углем для обесцвечивания сахарных сиропов, коньяков, вин, фруктовых соков, эфирных масел, желатина является уголь деколар. В ряде случаев одновременно с обесцвечиванием происходит удаление запаха, привкуса, коллоидных и других примесей. Удельная площадь поверхности активированных углей составляет 600-1750 м2/г. Активированные угли применяются также для очистки промышленных газовых выбросов. Силикагели представляют продукты обезвоживания геля кремниевой кислоты. Их получают обработкой раствора силиката натрия минеральными кислотами или растворами их солей. Удельная площадь поверхности силикагелей составляет 400-780 м2/г. Силикагели используются для осушки воздуха, осветления пива и фруктовых соков. Цеолиты - водные алюмосиликаты природного или синтетического происхождения. Размер пор синтетических цеолитов соизмерим с размерами сорбируемых молекул, поэтому они могут адсорбировать молекулы, проникающие в поры. Такие цеолиты называют молекулярными ситами. Цеолиты некоторых марок используются для концентрирования соков. Цеолиты характеризуются высокой поглотительной способностью и применяются для осушки газов и жидкостей. Глины и другие природные глинистые адсорбенты - бентонитовые глины и отбеливающие глины гумбрин, асканит и др. -являются высокодисперсными системами со сложным химическим составом. Наиболее распространенным методом активации природных глин является обработка их минеральными кислотами. При этом удаляются оксиды кальция, магния, железа, алюминия и других металлов, происходит образование дополнительных пор. Удельная площадь поверхности глин составляет от 20 до 100 м2/г. Глинистые материалы применяются в основном для очистки различных жидких сред от примесей, например, окрашенных веществ, в результате чего продукт обесцвечивается. Поэтому природные глинистые адсорбенты иногда называют "отбеливающая земля". Глинистые адсорбенты используются в пищевой промышленности для осветления вин, пива, фруктовых соков, рафинирования растительных масел, воды и для других целей. Равновесие при адсорбции и материальный баланс Количество вещества, адсорбированное единицей массы или объема данного поглотителя при достижении состояния равновесия зависит от температуры и концентрации поглощаемого вещества в парогазовой смеси или растворе. Соответственно зависимость между равновесными концентрациями фаз при адсорбции имеет вид , (3-26) или при постоянной температуре , (3-27) где: - относительная концентрация адсорбтива в адсорбенте, равновесная с концентрацией адсорбтива в газовой или жидкой фазе, кг адсорбтива/кг адсорбента; - относительная концентрация адсорбтива, кг/кг носителя газовой смеси или раствора. Концентрация поглощаемого компонента может быть заменена его парциальным давлением растворов парогазовой смеси, тогда: . Представленные две зависимости представляют собой выраженные в самом общем виде уравнения линии равновесия при адсорбции, или изотермы адсорбции. Несмотря на сложность и своеобразие процесса, основные закономерности для процесса адсорбции имеют сходство с закономерностями абсорбционного процесса. Так, для адсорбции будет справедливо, как и для абсорбции уравнение материального баланса: , (3-28) где: - начальное содержание сорбтива, отнесенное к единице веса сорбента; - конечное содержание сорбтива, по окончании цикла работы аппарата. Следует иметь в виду, что при проведении процесса адсорбции адсорбент находится чаще всего в неподвижном состоянии, а газ профильтровывается через слой адсорбента. В этом уравнении под следует понимать не часовой расход адсорбента, а количество его, которое загружено в аппарат. В последнее время стали применять адсорберы непрерывного действия, в которых адсорбент движется навстречу газовой смеси. В этом случае уравнение вполне идентично уравнению материального баланса процесса абсорбции. Количество адсорбированного вещества за время может быть по аналогии с процессом абсорбции найдено из уравнения , (3-29) где - коэффициент адсорбции; -поверхность адсорбента, м2; - движущая сила выражаемая разностью концентраций. Величину коэффициента адсорбции рассчитывают, используя известное уравнение критериальной зависимости между диффузионными критериями Нуссельта и Прандтля: . (3-30) Величину коэффициента и показателей степеней и определяют экспериментально. Так при поглощении паров активированным углем при ориентировочных расчетах можно принять: . (3-31) Из уравнения (3-29) можно определить необходимую поверхность адсорбента и расход адсорбента. Далее рассчитываются размеры аппарата, для которого была подобрана требуемая поверхность массообмена. Аппараты для проведения процесса адсорбции Адсорберы по организации процесса делятся на аппараты периодического и непрерывного действия. Адсорберы периодического действия бывают с неподвижным и псевдоожиженным слоем адсорбента. Для очистки растворов в спиртовом и водочном производствах применяются также емкостные адсорберы с механическим перемешиванием. Вертикальный цилиндрический адсорбер (рис.3.9) является наиболее распространенной конструкцией адсорберов периодического действия. Слой гранулированного адсорбента загружается через верхние люки на колосниковую решетку. Выгрузка адсорбента происходит через нижние люки. Такие адсорберы используются для адсорбционной очистки паро-газовых смесей и жидких растворов. Для подачи исходных смесей и острого пара адсорбер снабжен соответствующими штуцерами. Исходная жидкая смесь, как правило, подается снизу вверх через кольцевую трубу. Парогазовая смесь может податься и сверху вниз. В этом случае при десорбции острый пар подается через кольцевую трубу. Процесс в представленном адсор-бере проходит в четыре стадии: адсорб-ция, десорбция, сушка, охлаждение адсор-бента. После отработки адсорбента возни-кает задача регенерации слоя погло-тителя. Десорбция адсорбированного вещества из адсорбента является необ-ходимой стадией технологического про-цесса, которая решает две задачи: извле-чение вещества и регенерацию адсорбента. Основным методом десорбции является вытеснение из адсорбента поглощенных компонентов с помощью веществ, например насыщенного водяного пара, обладающих лучшей адсорбционной способностью. Для увеличения скорости десорбции процесс часто проводят при повышенных температурах. Вертикальный адсорбер с неподвижным кольцевым слоем адсорбента (рис.3.10) предназначен для поглощения компонентов из парогазовой смеси. Адсорбер состоит из вертикального корпуса, внутри которого между перфорированными сетками расположен слой адсорбента. На стадии адсорбции парогазовая смесь подается в нижнюю часть адсорбера и распределяется по кольцевому сечению адсорбента. Пройдя через слой адсорбента, очищенная парогазовая смесь выходит через центральный патрубок. На стадии десорбции водяной пар подается в адсорбер через центральный патрубок Смесь паров десорбированного компонента и воды удаляется через нижний боковой штуцер. Для сушки адсорбента подается горячий воздух, а для охлаждения — холодный воздух. После охлаждения адсорбента цикл работы повторяется. Загрузка адсорбента происходит - через верхние люки, а выгрузка — через нижнюю течку. Адсорбер с псевдоожиженным слоем (рис.3.11.) заполнен мелкозернистым адсорбентом. Исходная смесь подается снизу под распределительную решетку при скорости, превышающей скорость псевдоожижения частиц адсорбента. При этом слой расширяется и переходит в подвижное состояние. Проведение адсорбции в псевдоожиженном слое значительно интенсифицирует процесс массообмена и сокращает продолжительность процесса. Адсорберы реакторного типа с механическим и пневматическим перемешиванием используются для очистки спиртоводочных растворов. Адсорбер состоит из цилиндрического корпуса с эллиптическим днищем. Внутри корпуса вращается лопастная мешалка. Раствор заливается в адсорбер через верхний патрубок, адсорбент загружается через верхний люк. Суспензия сливается из аппарата через нижний патрубок и поступает на фильтр, где разделяется. Активный уголь направляется на ренерацию в десорбер. Адсорбционные установки с адсорберами периодического действия состоят из нескольких аппаратов, работающих попеременно. Часть адсорберов работает в стадии адсорбции, в то время как в других происходит регенерация адсорбента. Адсорберы непрерывного действия бывают с движущимся плотным или псевдоожиженным слоем адсорбента. Адсорберы с движущимся слоем зернистого адсорбента представляют собой полые колонны с перегородками и переливными патрубками и аппараты с транспортирующими приспособлениями. На рис.3.12. показан многосекционный колонный адсорбер для очистки парогазо-газовыхм смесей, состоящий из холодильника, подогревателя и распределительных тарелок. В первой секции происходит охлаждение адсорбента после реге-нерации. Эта секция выполнена в виде кожухотрубчатого тепло-обменника. Охлаждающая жидкость подается в межтрубчатое прост-ранство теплообменника, а адсорбент проходит по трубам. Вторая секция представляет собой собственно адсорбер, в кото-ром адсорбент взаимодействует с исходной парогазовой смесью. Из первой секции во вторую адсорбент перетекает через патрубки и распределительные тарелки, обес-печивающие равномерное распре-деление адсорбента по сечению колонны и служащие затворами, разграничивающими первую и вторую секции. Далее адсорбент поступает в десорбционную секцию, представляющую собой кожухо-трубчатый теплообменник, в кото-ром нагревается и взаимодействует с десорбирующим агентом — острым водяным паром. Регенерированный адсорбент удаляется из адсорбера через шлюзовой затвор. Адсорберы с псевдо-ожиженным зернистым адсор-бентом бывают одноступенчатыми и многоступенчатыми. Одноступенчатый адсорбер с псевдоожиженным слоем показан на рис.3.13. Он представляет собой цилиндрический вертикальный корпус, внутри которого смонтированы газораспределительная решетка и пылеулавливающее устройство типа циклона. Адсорбент загружается в аппарат сверху через трубу и выводится через трубу снизу. Исходная парогазовая смесь вводится в адсорбер при скорости, превышающей скорость начала псевдоожижения, под газораспределительную решетку через нижний патрубок, а выводится через верхний патрубок, пройдя предварительно пылеулавливающее устройство. Многоступенчатый тарельчатый адсорбер с псевдоожиженным слоем показан на рис.3.14. Он представляет собой колонну, в которой расположены газораспределительные решетки с переливными патрубками, служащими одновременно затворами для газового потока. Адсорбент поступает в верхнюю часть адсорбера и перетекает с верхней на нижнюю тарелку. С нижней тарелки адсорбент через шлюзовой затвор выгружается из адсорбера. Исходная парогазовая смесь поступает в адсорбер снизу и удаляется через верхний патрубок. Многоступенчатый адсорбер отличается от одноступенчатого тем, что работает по схеме, близкой к аппаратам идеального вытеснения, что позволяет проводить процесс адсорбции в противотоке. Контрольные вопросы 1. Какова сущность абсорбции ? 2. Что является движущей силой абсорбции ? 3. Как влияет расход абсорбента на размеры абсорбера ? Может ли абсорбер работать при минимальном расходе абсорбента? 4. Какие конструкции абсорберов применяются в промышленности ? 5. Какие применяются насадки в абсорберах ? Каким требованиям должны удовлетворять насадки ? 6. В чем заключается сущность процесса адсорбции? 7. Какие адсорбенты применяются в пищевой промышленности. Каковы их области применения? 8. Какие требования предъявляются к адсорбентам? 9. Какие конструкции адсорбентов применяются в пищевой промышленности? 3.2. СУШКА 3.2.1. Сущность процесса и его назначение Сушка представляет собой тепломассообменный процесс, предназначенный для обезвоживания различных материалов и продуктов. Многие виды сырья пищевых производств содержат значительное количество влаги. Однако готовые продукты должны содержать минимальное количество влаги, что позволяет удешевить их транспортировку, увеличить (повысить) степень сохранности и придать им необходимые свойства. Высушиванию подвергаются как твердые, так и жидкие материалы, содержащие воду. В свеклосахарном производстве сушке подвергаются сахар-песок, сахар-рафинад, а также отходы производства - жом. В спиртовом производстве высушиваются отходы производства: барда, пищевые и кормовые дрожжи. Большую роль играет сушка в пивоваренном производстве: сушат солод, отходы производства. В крахмалопаточном производстве высушивают крахмал. Сушка используется при получении сухого молока, сухарей, фруктов, овощей, макаронных изделий, пастилы. По способу подвода тепла к высушиваемому материалу различают следующие виды сушки: • конвективная сушка - путем непосредственного соприкосновения высушиваемого материала с сушильным агентом, в качестве которого обычно используют нагретый воздух или топочные газы (как правило, в смеси с воздухом); • контактная сушка - путем передачи тепла от теплоносителя к материалу через разделяющую их стенку; • радиационная сушка - путем передачи тепла инфракрасными лучами; • диэлектрическая сушка - путем нагревания в поле токов высокой частоты; • сублимационная сушка - сушка в замороженном состоянии при глубоком вакууме. Высушиваемый материал при любом методе сушки находится в контакте с влажным газом. При конвективной сушке влажному газу (который является сушильным агентом) принадлежит основная роль в процессе. Поэтому изучение свойств влажного газа необходимо при рассмотрении и расчетах процесса сушки. Метод сушки и тип сушилки для конкретного материала выбирают на основании анализа материала как объекта сушки. 3.2.2. Статика сушки Если материал находится в контакте с влажным воздухом, то возможны два процесса: а) сушка - (десорбция влаги из материала) при парциальном давлении пара над поверхностью материала , превышающим его парциальное давление в воздухе или газе , т.е. ; б) увлажнение - (сорбция влаги материалом) при . В процессе сушки величина уменьшается и приближается к пределу . При этом наступает состояние динамического равновесия, которому соответствует предельная влажность материала, называемая равновесной влажностью. Равновесная влажность зависит от парциального давления водяного пара над материалом или пропорциональной ему величины относительной влажности воздуха , и определяется опытным путем. Поэтому с помощью такого сушильного агента, как воздух (с определенной относительной влажностью), из материала невозможно удалить всю влагу Различают свободную и связанную влагу в материале. Под свободной влагой понимают влагу, скорость испарения которой из материала равна скорости испарения воды со свободной поверхности (), где Pн – давление насыщенного водяного пара. Скорость испарения связанной влаги из материала всегда меньше скорости испарения воды со свободной поверхности. При этом . Для характеристики содержания влаги в материале используются понятия: w – влажность материала, как содержание влаги выраженное в процентах от массы влажного материала: , (3-32) где - масса воды, кг; - общая масса материала, кг. В ряде случаев более удобно относить влагу к абсолютно сухому веществу. В этом случае влагосодержание , представляет собой содержание влаги в килограммах на 1 кг материала: . (3-33) 3.2.3 Виды связи влаги с материалом Механизм процесса сушки в значительной степени определяется формой связи влаги с материалом. Чем прочнее связь, тем труднее протекает процесс сушки. При сушке связь влаги с материалом нарушается. П.А. Ребиндером предложена следующая классификация форм связи влаги с материалом: 1. химическая (ионная, молекулярная); 2. физико-химическая (адсорбционная, осмотическая, структурная); 3. механическая (влага в капиллярах и макрокапиллярах, влага смачивания). Наиболее прочным видом связи влаги является химическая. Может быть удалена только при нагревании материала до высокой температуры (прокаливании) или химическом воздействии. В процессе сушки удаляется, как правило, только влага, связанная с материалом физико-химически и механически. Влага, связанная с материалом физико-химически, может быть удалена при помощи сушки. Формы физико-химической связи разнообразны: - Адсорбционно-связанная влага - удерживается у поверхности раздела коллоидных частиц с окружающей средой. Обладая большой поверхностью, коллоидные структуры имеют большую адсорбционную способность. Прочно связанная с материалом эта влага называется связанной водой. Адсорбционная влага удерживается молекулярным силовым полем. • Осмотически удержанная и структурная влага - отличается от адсорбционной тем, что она связана с материалом менее прочно, удерживается осмотическими силами и находится внутри клеток материала (называемая иначе влагой набухания). Наиболее легко может быть удалена механически связанная влага. Она содержится в капиллярах тела и на его поверхности. Капилляры пористых тел различаются по диаметру. Капилляры, средний радиус которых меньше 10-5 см называются микрокапиллярами. 3.2.4. Кинетика сушки При конвективной сушке влажных материалов влага перемещается в материале по направлению от центра кусков материала к периферии, где материал омывается сушильным агентом (воздухом). Такое перемещение влаги (миграция) – это в основном диффузионный процесс, движущей силой которого является разность между концентрациями влаги в различных точках материала. Однако этот процесс усложняется тепловым воздействием на материал. Количество влаги , прошедшей через поверхность за время при градиенте концентрации : , (3-34) где - коэффициент, зависящий от характера связи влаги с материалом и от характера материала. В материале влага может перемещаться в виде жидкости и в виде пара. При большой влажности материала преобладает миграция влаги в виде жидкости. Перемещение влаги внутри продукта происходит также под действием температурного градиента. При этом надо иметь в виду, что перемещение влаги под тепловым воздействием имеет направление теплового потока, при этом проявляется действие термовлагопроводности. Это означает, что если нагрев продукта осуществляется с его поверхности, то влага в силу температурного градиента перемещается от периферии к центру. Количество влаги, которое перемещается под действием температурного градиента : , (3-35) где - коэффициент, аналогичный коэффициенту . Таким образом, суммарное количество перемещаемой влаги при наличии разности ее концентраций и температурного градиента будет равно: , (3-36) где — общее количество диффундируемой влаги, кг. Для того чтобы уменьшить эффект термовлагопроводности, продукт при сушке необходимо по возможности измельчать. Сушка материала состоит из трех этапов: 1. перемещения влаги внутри высушиваемого материала по направлению к его поверхности; 2. парообразования; 3. перемещения пара от поверхности материала в окружающий воздух. Движущей силой диффузии влаги из поверхностной пленки в окружающую среду является разность парциальных давлений водяного пара , (3-37) где: - парциальное давление насыщенного пара в пограничном паровом слое; - парциальное давление водяного пара в окружающей среде. Количество продиффундировавшего пара: , (3-38) где: - коэффициент испарения; - площадь поверхности испарения. Количество влаги, прошедшее через пограничный слой в окружающую среду, должно быть равно количеству влаги, подведенной к этому слою из материала. Скорость сушки может лимитироваться этими обоими процессами и зависит от свойств материала и режима сушки. Наблюдая за изменением массы материала в процессе сушки, строят кривую сушки (рис.9.1) в координатах: влажность материала в массовых процентах () - время в минутах или часах (). В начале сушки в течение небольшого промежутка времени линия сушки имеет вид кривой прогрева материала. Затем начинается I период постоянной скорости сушки. В этот период линия сушки имеет вид прямой. Температура материала в этот период принимает значение, равное температуре мокрого термометра (отрезок на температурной кривой). В первый период сушки происходит удаление свободной влаги (влаги макрокапилляров и смачивания). Когда свободная влага полностью удалена, наступает второй период - период удаления связанной влаги. В точке С, соответствующей определенной влажности материала, характер линии сушки изменяется. Она становится кривой, асимптотически приближающейся к значению - равновесной влажности при заданных условиях сушки. Во втором периоде скорость сушки непрерывно уменьшается. Форма линии сушки зависит от вида связи влаги с материалом, структуры материала, т. е. от условий перемещения (миграции) влаги внутри продукта. При достижении равновесной влажности прекращается удаление влаги из материала. Температура материала равна температуре окружающего материал теплоносителя (точка ). Однако для достижения равновесной влажности требуется значительное время. На основании кривых сушки можно построить кривые скорости сушки (рис.3.16). Для этого по оси абсцисс откладывают содержание влаги в материале, по оси ординат — скорость сушки, представляющую собой изменение влаги во времени dw/d. Скорость сушки для данной влажности материала выражается тангенсом угла наклона касательной, проведенной к точке кривой сушки. Вид кривых скорости сушки во втором периоде может значительно отличаться. Второй период сушки, в зависимости от форм связи влаги с материалом, может сам складываться из нескольких периодов. Для материалов, имеющих сложную структуру, наблюдается вторая критическая точка, соответствующая границе влажности , при которой изменяется механизм перемещения влаги в материале. Кривая 1 (рис.3.17) типична для капиллярно – пористых тел (например, сухарей), для которых верхний участок определяет скорость удаления ка-пиллярной влаги, а нижний, начиная с влажности равной , - адсорбционной. Линии 2 и 3 соответствуют скоростям сушки, боль-шей или меньшей, чем те, которые подчиняются прямолинейному закону. Кривая 2 характерна для тканей и других тонколистовых материалов, или когда материал растрескивается во время сушки. Кривая 3 имеет место в случае, когда на поверхности материала образуется корка, препятствующая диффузии влаги к поверхности раздела фаз, или, например, для керамических материалов. Уравнения скорости сушки В первый период сушки удаляется свободная влага, испарение которой можно рассматривать как испарение воды со свободной поверхности. При уменьшении влажности материала вплоть до первой критической точки парциальное давление пара в поверхностной пленке не изменяется, Поэтому движущей силой процесса в первый период сушки будет , и скорость сушки [в кг / (ч-м2)] может быть выражена уравнением: . (3-39) Таким образом, в первый период скорость сушки, отнесенная к единице поверхности, зависит от , плотности сушильного агента и его скорости. Следовательно, в первый период определяющими факторами являются параметры сушильного агента. Скорость диффузии влаги внутри материала не определяет интенсивности испарения. Во второй период сушки кинетические закономерности более сложные, что видно из кривых скорости сушки. В этот период начинает удаляться связанная вода. При этом парциальное давление водяных паров на поверхности материала становится меньше давления чистой воды при той же температуре. В этот период давление водяного пара является функцией температуры материала и его влажности на поверхности. Последняя же зависит от скорости перемещения влаги в материале. Значит, скорость сушки в этот период зависит не только от диффузии влаги в окружающий воздух, но также от влагопроводности материала. Таким образом, во второй-период скорость сушки определяется явлениями, связанными с перемещением влаги внутри материала. Допустим, что во второй период сушки движущей силой процесса сушки является разность между влажностью материала w и равновесной влажностью wp. Скорость сушки во втором периоде: (3-40) где К — коэффициент сушки, характеризующий интенсивность влагообмена. Для второго периода сушки начальная влажность материала соответствует критической влажности (рис. 9.4.) или, точнее, приведенной критической влажности. Приведенная критическая влажность может быть определена, как показано на рис. 9.4. Принимают, что линия сушки во второй период является прямой. Для построения этой прямой проводят линию АВ так, чтобы она отсекала равновеликие площади (заштрихованы). Точка Кп может лежать вправо или влево от точки K1 в зависимости от типа кривой сушки. Точке К соответствует приведенная критическая влажность . Проинтегрируем уравнение (3-40) в пределах от до : , (3-41) где - конечная влажность материала. Из последнего выражения получаем продолжительность второго периода сушки: . (3-42) Коэффициент сушки К должен быть найден экспериментально. Если принять, что во второй период кривая скорости сушки может быть заменена прямой (рис.3.18.), то коэффициент сушки может быть представлен: , (3-43) где R — определяющий геометрический размер высушиваемого тела; для пластины R равен ½ ее толщины;  — коэффициент внешнего влагообмена, м/ч; — коэффициент потенциалопроводности массопереноса, м2/ч. Этот коэффициент аналогичен коэффициенту температуропроводности, зависит в основном от формы связи влаги с материалом и температуры материала и определяет внутренний перенос влаги. При введении коэффициента сушки считают, что влагокоэффициенты не изменяются в процессе сушки; точнее расчет вести по зонам. Из уравнения (3-43) следует, что коэффициент К уменьшается с увеличением размеров высу-шиваемого тела, следо-вательно, согласно уравнению (3-42) продолжительность сушки при этом увеличится. Таким образом, во второй период сушки большую роль играют геометрические формы высушиваемых тел, влажность материала, влагопроводность его. Имеют также значение, хотя и меньшее, чем в первый период, скорость движения воздуха и его параметры. 3.2.5. Основы расчёта сушилок Нормальный теоретический сушильный процесс На рис.3.19. изображена схема сушильной установки с нормальным сушильным процессом, состоящей из подогревателя (калорифера) 1 для воздуха и сушильной камеры 2. Воздух, поступающий в подогреватель, имеет температуру , влагосодержание , удельную энтальпию и относительную влажность . Выходя из подогревателя, воздух будет иметь параметры В сушильной камере происходит процесс взаимодействия нагретого воздуха с материалом. Рассмотрим теоретический процесс сушки. Для этого процесса мы предполагаем, что в сушильной камере воздуху не сообщается дополнительно тепла и он не теряет принесенного тепла. Такой процесс называется теоретическим. Воздух, поступивший в сушилку, передает свое тепло влаге материала, которая нагревается и испаряется. Образовавшиеся пары со всем теплом, полученным от воздуха, смешиваются с воздухом. Поэтому теплосодержание воздуха остается постоянным, хотя температура его снижается. Уходящий воздух имеет параметры . При этом но . Теоретический сушильный процесс изобразим с помощью -х- диаграммы влажного воздуха (рис.3.20.). Пусть точка соответствует состоянию воздуха при его входе в подогреватель. Процесс подогрева воздуха изобразится линией при . Точка соответствует состоянию воздуха при выходе его из подогревателя. Влагосодержание этого воздуха . Теоретический процесс сушки изобразится линией , которая параллельна линии постоянной энтальпии, т.е. . Точка характеризует воздух при выходе его из сушильной камеры. По I-х - диаграмме можно определить количество воздуха и тепла, расходуемых на 1 кг влаги, испаренной в сушилке. Расход сухого воздуха на 1 кг испаренной воды l: (3-44). Влагосодержание и легко определяется по I-х - диаграмме. На нагрев в подогревателе 1 кг сухого воздуха, поступающего в сушилку, расходуется кДж. Расход тепла на 1 кг испаренной влаги (в кДж): . (3-45) Материальный баланс реального процесса сушки Для составления уравнения материального баланса введем обозначения (рис.3.19.): - количество влажного материала, поступающего на сушку, кг/с; - количество высушенного материала, кг/с; - начальная и конечная влажность материала, считая на сухую массу, %; - количество влаги, удаляемой из материала при сушке, кг/с; - расход сухого воздуха, кг/с. Тогда уравнения материального баланса запишутся так: а) по всему материалу, подвергаемому сушке , (3-46) б) по абсолютно сухому веществу в высушиваемом материале . (3-47) Откуда: . (3-48) Количество удаляемой влаги: , или: , (3-49) . При расчете конвективных сушилок кроме баланса по высушиваемому материалу составляется уравнение материального баланса по влаге, из которого определяют расход сухого воздуха на сушку: . (3-50) Из этого уравнения определяют расход абсолютно сухого воздуха на сушку: . (3-51) Удельный расход воздуха на испарение из материала 1 кг влаги равен . (3-52) Учитывая, что , можно записать . 9.5.3. Тепловой баланс сушилок Рассмотрим тепловой баланс наиболее распространенных конвективных сушилок (рис.3.21.). Для составления уравнения теплового баланса введем обозначения: - количество влажного материала, поступающего в сушилку, кг/с - количество высушенного материала, кг/с; - количество, испаряемой влаги, кг/с; - удельная теплоемкость высушенного материала, Дж/кг К; - удельная теплоемкость влаги, Дж/кг К; - температура материала на входе в сушилку, °С; - температура материала на выходе из сушилки, °С; - количество абсолютно сухого воздуха, кг/с . При составлении уравнения теплового баланса следует учитывать, что в сушилке могут быть транспортные устройства, на которых находится высушиваемый материал (например, транспортер, вагонетки и т.п.) и на нагревание которых расходуется тепло. - масса транспортных устройств - удельная теплоемкость их материала, Дж/кг К - температура транспортных устройств на входе в сушилку, °С - температура транспортных устройств на выходе из сушилки. Согласно приведенной схеме сушильной установки тепло () подводится в основном калорифере (подогревателе) 5, установленном перед сушильной камерой, и в дополнительном калорифере 4, находящемся внутри сушильной камеры (). Тогда, рассматривая количество влажного материала в тепловом балансе как сумму количеств высушенного материала и испаренной влаги , с учетом потерь тепла в окружающую среду имеем: Приход тепла Расход тепла 1. Со свежим воздухом 1. С отработанным воздухом 2. С влажным материалом: а) с высушенным материалом 2. С высушенным материалом б) с влагой, испаряемой из материала 3. С транспортными устройствами 3. С транспортными устройствами 4. В основном калорифере 4. Потери тепла в окружающую среду 5. В дополнительном калорифере При установившемся процессе сушки тепловой баланс выражается равенством: . (3-53) Из этого уравнения можно определить общий расход тепла на сушку (): . (3-54) Разделив обе части полученного равенства на , получим выражение для удельного расхода тепла (на 1 кг испаренной влаги): . (3-55) Удельный расход тепла в основном калорифере можно представить в виде: . Подставляя в выше записанное уравнение, находим . (3-56) Обозначив правую часть уравнения : (3-57) получим: , или : . (3-58) Величина выражает разность между приходом и расходом тепла непосредственно в камере сушилки без учета тепла, приносимого воздухом, нагретым в основном калорифере. Величину называют внутренним балансом сушильной камеры. Величина может быть положительной или отрицательной. Нормальный действительный процесс сушки на i-х- диаграмме Рассмотрим построение процесса сушки на I-х - диаграмме. Сделаем построение для случая, когда (приход тепла больше чем расход). Сначала построим график теоретического процесса для заданных условий работы сушилки (линии ). При состояние воздуха в сушильной камере изменяется не в соответствии с линией , а по какой-то линии, лежащей выше этой линии и имеющей начало в точке , например, в соответствии с линией . Если воздух выходит из сушилки при одной и той же относительной влажности, то теплосодержание его в точке больше чем в точке . Согласно (3-58): , , но , отсюда: . По этому выражению можно определить положение линии при известном . При заданных условиях сушки строим линии теоретического процесса (рис.3.22.). Через произвольную точку на линии проводим линию и измеряем (в мм). По формуле определяем (в мм). , где - соотношение масштабов теплосодержания и влагосодержания. Откладываем и через точки и проводим линию действительного процесса. Аналогично находим линию действительного процесса сушки при . Удельный расход воздуха: . Удельный расход тепла в подогревателе: Варианты сушильного процесса Кроме нормального сушильного процесса могут быть построены иные процессы, отличающиеся способом подвода тепла к сушильному агенту. Применение того или иного варианта определяется свойствами материала и стремлением создать наиболее экономичный сушильный процесс. А) Сушилка с подогревом воздуха в сушильной камере. Теплота может вноситься не только в подогревателе, но также частично в сушильную камеру. Крайним случаем будет, когда вся теплота вводится в сушильную камеру (линия АС на рис.3.23.). Между двумя крайними положениями линий сушки (ВС и АС) могут быть расположены линии процессов с последовательно увеличивающимся количеством теплоты, вводимой в подогреватель. Процесс АВС соответствует случаю, когда в сушилку введено такое количество теплоты, которое компенсирует потери в окружающее пространство. Одним из промежуточных положений линий сушки будет линия В1С, которая совпадает с изотермой, проходящей через точку С. В этом случае процесс будет протекать при постоянной температуре. Часть теплоты в этом случае будет введена в калорифер, а остальная часть в сушилку. Данный вариант сушильного процесса имеет то преимущество, что может протекать при низкой температуре. Это важно при работе с материалами, которые при высоких температурах разлагаются. Б) Сушилка с многократным промежуточным нагреванием воздуха. Температура сушильного агента может быть снижена при сушке с промежуточным подогревом воздуха (рис.9.10). Воздух, отработанный в первой камере, направляется в первый промежуточный подогреватель; подогретый воздух поступает во вторую сушильную камеру и т.д. Вертикальные отрезки АВ1, С1В2, С2В3 и С3В4 изображают подогрев в основном и в трех промежуточных подогревателях, когда воздух, выходящий из камер, имеет температуру t и =0. Удельный расход воздуха в этой сушилке будет , а удельный расход теплоты . Расход воздуха и теплоты мог бы быть таким же в нормальном процессе сушки АВС (пунктирные линии рис.3.23.), но только при значительно более высокой температуре. Такую схему применяют для сушки пищевых материалов, не выдерживающих высоких температур (макаронные изделия, сушки и т.д.). В) Сушилка с частичной рециркуляцией отработанного воздуха. Исходный воздух (точка А рис.3.25.), смешивается с частью отработанного воздуха (линии АС и ВС), затем смесь нагревается в калорифере до температуры сушки и взаимодействует с высушиваемым материалом. Конечные параметры воздуха определяет точка В. По сравнению с сушкой при однократном проходе воздуха, для этого варианта характерны пониженная температура воздуха при сушке вместо , повышенное начальное влагосодержание вместо и большая линейная скорость газа в сушилке. Эти параметры зависят от кратности смешения . Расходы теплоты будут одинаковы как и в сушилке без циркуляции. Однако этот процесс обеспечивает мягкий режим сушки (пастила, мармелад, макароны). В этом случае высокое парциальное давление водяных паров в циркулирующем воздухе уменьшает движущую силу процесса, что ведет к его замедлению. Этот вариант позволяет очень точно и гибко регулировать влажность и температуру воздуха в сушилке. Г) Сушилка с частичной рециркуляцией отработанного воздуха и промежуточным нагревом. Является сочетанием описанных выше вариантов. Для этого варианта характерны пониженная температура воздуха, повышенное начальное влагосодержание и относительная влажность воздуха, большая линейная скорость газа в сушилке за счет увеличения количества циркулирующего воздуха в сушилке. 3.2.6. Конструкции сушилок Сушилки, применяемые в пищевой промышленности, отличаются разнообразием конструкций и подразделяются по способу подвода теплоты (конвективные, контактные и т.д.); по виду используемого теплоносителя (воздух, газ, пар, топочные газы); по величине давления в сушилке (атмосферные и вакуумные); по способу организации процесса (периодического и непрерывного действия); по схеме взаимодействия потоков (прямоточные, противоточные, перекрестного и смешанного тока). Конвективные сушилки, среди которых простейшими являются камерные (Рис.3.26), представляют собой корпус, внутри которого находятся вагонетки. На полках вагонеток помещается влажный материал. Теплоноситель нагнетается в сушилку вентилятором, нагревается в калорифере и проходит над поверхностью высушиваемого материала или пронизывает слой материала снизу вверх. Часть отработанного воздуха смешивается со свежим воздухом. Эти сушилки периодического действия работают при атмосферном давлении. Они применяются в малотоннажных производствах для сушки материалов при невысоких температурах в мягких условиях. Камерные сушилки имеют низкую производительность и отличаются неравномерностью сушки продукта. Туннельные сушилки (Рис.3.27.) применяются для сушки сухарей, овощей, фруктов, макарон и других продуктов. По организации процесса эти сушилки относятся к сушилкам непрерывного действия. Сушилки представляют собой удлиненный прямоугольный корпус, в котором перемещаются по рельсам те-дежки с высушиваемым материалом, расположенным на полках дележек. При этом время пребывания тележек в сушильной камере равняется продолжительности сушки. Сушка материала достигается за один проход тележек. Свежий воздух засасывается вентилятором и поступает, нагреваясь в калориферах, в сушилку. Перемещение тележек происходит с помощью толкателя. Сушилка имеет самоотворяющиеся двери. Горячий воздух взаимодействует в сушилке с материалом в прямотоке либо в противотоке. В ряде случаев в туннельных сушилках возможно осуществить рециркуляцию воздуха и его промежуточный подогрев в сушильной камере. Калориферы и вентиляторы могут устанавливаться на крыше сушилки, сбоку или в туннеле под сушилкой. Отработанный воздух из сушилки выбрасывается через газоход. Ленточные многоярусные конвейерные сушилки применяют для сушки макаронных изделий, сухарей, фруктов, овощей, крахмала и др. Влажный материал загружается через верхний загрузочный бункер, как показано на Рис.3.28. или боковой и поступает на верхний перфорированный ленточный конвейер, на котором перемещается вдоль сушильной камеры, и затем пересыпается на нижерасположенный конвейер. С нижнего конвейера высушенный материал поступает в разгрузочный бункер или на приемный конвейер. Пересыпание материала с ленты на ленту способствует его перемешиванию, что, в свою очередь, увеличивает скорость сушки. Для того чтобы материал направленно пересыпался с вышерасположенного конвейера на нижерасположенный, устанавливаются направляющие лотки. Рис.3.28. Ленточная сушилка: 1 — корпус- 2 —ленточный конвейер; 3 — ведущие барабаны; 4 — ведомые барабаны; 5 — калориферы; 6 — бункер с загрузочным устройством Воздух нагнетается вентилятором, проходит через калорифер и направляется в сушильную камеру, где пронизывает слой материала на каждой перфорированной ленте. Для промежуточного подогрева воздуха под лентами каждого конвейера находится калорифер, выполненный из ореб-ренных труб. Ленточные сушилки бывают прямоточными и противоточными. Такие сушилки могут изготавливаться с рециркуляцией воздуха. За счет промежуточного подогрева и рециркуляции воздуха в ленточных сушилках достигаются мягкие условия сушки. Шахтные сушилки с движущимся слоем (Рис.3.29.) применяются для сушки зерновых сыпучих материалов. По оси сушилки расположены трубы для подачи теплоносителя. Трубы оканчиваются жалюзями для равномерного распределения теплоносителя по сечению сушилки. Система подвода и циркуляции теплоносителя разделяет объем сушилки на две зоны. В первой зоне используется теплота теплоносителя, выходящего из второй зоны. В первой зоне удаляется в основном поверхностная влага, во второй — внутренняя. Предварительно теплоноситель, поступающий во вторую зону, может подвергаться осушке в конденсаторе второй зоны. В верхней части сушилки оба потока объединяются и подаются газодувкой после подогрева в калориферную зону сушилки. Выгрузка высушенного материала осуществляется непрерывно полочным дозатором. Сушилки с псевдоожиженным слоем являются аппаратами непрерывного действия и применяются как для удаления поверхностной и слабосвязанной влаги, так и для удаления связанной влаги из мелкозернистых и зерновых материалов. Сушилки с псевдоожиженным слоем изготавливаются вертикальными и горизонтальными с одной или несколькими секциями. Схема односекционной сушилки представлена на Рис.3.30. Влажный материал непрерывно подается в сушилку. Теплоноситель, нагнетаемый вентилятором, нагреваетс я в калорифере и поступает в сушилку под газораспредели- Рис.3.30. Односекционная сушилка с псевдоожиженным слоем: 1 — вентилятор; 2 — калорифер, 3 — бункер; 4 — шнек; 5 — циклон; б — корпус сушилки; 7—выгружной патрубок; 8—газораспределительная решетка;9 — конвейер тельную решетку. Сушка материала происходит в зоне сушилки, примыкающей к газораспределительной решетке. Высушенный материал удаляется из сушилки через патрубок. Отходящие из сушилки газы очищаются от пыли в циклоне и выбрасываются в атмосферу. Недостатком односекционных сушилок является неравномерность сушки материала. Для повышения равномерности сушки применяют многосекционные сушилки. Секционирование аппаратов достигается делением с помощью перегородок всего объема аппарата, а значит, и слоя материала на ряд горизонтальных секций вертикальными перегородками или на вертикальные секции горизонтальными перфорированными перегородками. Вибросушилки применяются для сушки плохоожижаемых материалов: влажных тонкодисперсных, полидисперсных, комкуюющихся и т. д., которых в промышленности большинство. Воздействие на слой дисперсного материала низкочастотных колебаний интенсифицирует тепломассообменные процессы в слое и открывает широкие возможности для создания высокоэффективных сушилок перекрестного тока, приближающихся по полю распределения температур и концентраций к аппаратам идеально вытеснения. Виброаэропсевдоожиженный (виброкипящий) слой может быть создан в аппаратах разнообразных конструкций: вертикальных, горизонтальных и лотковых. Наибольшее применение нашли лотковые сушилки, наклонные под небольшим углом к горизонту (Рис.3.31). Привод сушилки состоит из маятникового двигателя — вибратора направленного действия с регулируемым деба-лансом. Наибольшее практическое значение для проведения тепломассооб-менных процессов имеет Виброаэропсевдоожиженный слой, образуемый одновременно потоком газа через слой и низкочастотной вибрацией. Рис.3.31. Вибросушилка: 1 — амортизатор; 2 — пружина; 3 — выгрузочный люк; 4 — вибратор; 5 — двигатель; б — газораспределительная решетка; 7 — желоб; 8 — смотровое окно Вибрационные сушилки применяются для сушки картофельной крупки на каргофелеперерабатывающих заводах. Барабанные сушилки применяются для сушки свекловичного жома, зерно-картофельной барды, кукурузных ростков и мезги, зерна и сахара-песка. Сушка в барабанных сушилках происходит при атмосферном давлении. Теплоносителем являются воздух либо топочные газы. Барабанные сушилки (Рис.3.32.) имеют цилиндрический полый горизонтальный барабан, установленный под небольшим углом к горизонту. Барабан снабжен бандажами', каждый из которых катится по двум опорным роликам и фиксируется упорными роликами. Барабан приводится во вращение от электропривода с помощью насаженного на барабан зубчатого колеса. Рис.3.32. Барабанная сушилка: 1—топка; 2—бункер; 3—барабан; 4~бандажи; 5—зубчатое колесо; б—вентилятор; 7 — циклон; 8 — приемный бункер; 9 — шлюзовой питатель; 10 — опорные ролики Частота вращения барабана не превышает 5—8 мин. Влажный материал поступает в сушилку через питатель. При вращении барабана высушиваемый материал пересыпается и движется к разгрузочному отверстию. За время пребывания материала в барабане происходит его высушивание при взаимодействии с теплоносителем — в данном случае топочными газами, которые ступают в барабан из топки. Для улучшения контакта материала с сушильным агентом в барабане устанавливают внутренние насадки, которые при вращении барабана способствуют перемешиванию материала и улучшают обтекание его сушильным агентом. Тип насадки выбирается в зависимости от свойств материала. Газы и материал могут двигаться прямотоком и противотоком. При прямотоке удается избежать перегрева материала, так как при этом горячие газы взаимодействуют с материалом с высокой влажностью. Чтобы исключить большой унос пыли, газы просасываются через барабан вентилятором со скоростью 2— 3 м/с. Перед выбросом в атмосферу отработанные газы очищаются в циклоне. Вальцовые сушилки (Рис.3.33.) предназначены для сушки жидких и пастообразных материалов: всевозможных паст, кормовых дрожжей и других материалов. Греющий пар поступает в вальцы, вращающиеся навстречу друг другу со скоростью 2—10 мин1", через полую цапфу, а конденсат выводится через сифонную трубу. Материал загружается сверху между вальцами и покрывает их тонкой пленкой, толщина которой определяется регулируемым зазором между вальцами. Высушивание материала происходит в тонком слое за полный оборот вальцов. Подсушенный материал снимается ножами вдоль образующей каждого вальца. В случае необходимости досушки материала вальцовая сушилка снабжается гребковыми досушивателями. Рис.3.33. Вальцовая сушилка: 1 — досушиватель; 2 — корпус, 3 — привод; 4 — ведущий валец; 5 — сифонная трубка; 6 — нож; 7 — ведомый валец Распылительные сушилки предназначены для сушки растворов, суспензий и пастообразных материалов. Сушкой распылением получают сухое молоко, мелочно-овощные концентраты, пищевые и кормовые дрожжи, яичный порошок и другие продукты. Распылительные сушилки представляют собой в большинстве случаев коническо-цилиндрический аппарат, в котором происходит диспергирование материала при помощи специальных диспергаторов в поток теплоносителя. В качестве диспергаторов применяются центробежные распылители, пневматические и механические форсунки. При непосредственном контакте теплоносителя — воздуха с распыленным материалом почти мгновенно протекает тепло-массообменный процесс. Продолжительность пребывания материала в сушилке не превышает 50 с. Достоинством распылительных сушилок является возможность использования теплоносителей с высокой температурой даже для сушки термолабильных материалов. Однако распылительные сушилки имеют сравнительно небольшой удельный съем влаги в пределах до 20 кг/м3, большой расход теплоносителя и, как следствие, значительную материале- и энергоемкость. При механическом методе распыления используются форсунки, в которые жидкость подается при давлениях 7,5—20 МПа. Сублимационные сушилки применяются для сушки ценных пищевых продуктов, когда к высушенному продукту предъявляются высокие требования в отношении сохранения его биологических свойств при длительном хранении, например мяса в замороженном состоянии, овощей, фруктов и других продуктов. Сублимационная сушка проводится в глубоком вакууме при остаточном давлении 133,3—13,3 Па (1,0—0,1 мм рт. ст.) и при низких температурах. При сублимационной сушке замо роженных продуктов находящаяся в них влага в виде льда переходит непос редственно в пар, минуя жидкое состоя ние. Перенос влаги в виде пара от по верхности испарения происходит путем эффузии, т. е. свободного движения молекул пара без взаимных столк новений друг с другом. Сублимационная сушилка (Рис.3.34.) состоит из сушиль ной камеры (сублиматора), в которой расположены пустотелые плиты, и кон денсатора — вымораживателя. В плитах циркулирует горячая вода. Высу шиваемый материал в противнях раз мещается на плитах. Противни имеют специальные бортики, которые обес печивают воздушную прослойку между плитами и противнями. Теплота от плит к противням передается за счет радиации. Образовавшаяся при сушке паровоздушная смесь из сублиматора поступает в конденсатор – выморажива тель — кожухотрубчатый теплообменник, в межтрубчатом пространстве которого циркулирует хладагент — аммиак. Конденсатор - вымораживатель включается в циркуляционный контур с испарителем аммиачной холодильной установки и соединяется с вакуум-насосом, предназначенным для отсасывания несконденсировавшихся газов. В трубах конденсатора происходят конденсация и вымораживание водяных паров. Обычно сублимационные сушилки имеют два попеременно работающих конденсатора: в то время как в одном конденсаторе происходят конденсация и замораживание, другой размораживается для удаления льда. Удаление влаги из материала протекает в три стадии. На первой стадии при снижении давления в сушильной камере происходят самозамораживание влаги и сублимация льда за счет теплоты, отдаваемой материалом. При этом удаляется до 15 % всей влаги. Во второй стадии — сублимация, при которой удаляется основная часть влаги. На третьей стадии — тепловой сушки удаляется оставшаяся влага. По энергоемкости сублимационная сушка приближается к сушке при атмосферном давлении. Терморадиационная сушилка применяется, например, для термообработки зерновых материалов, таких, как фасоль, горох, ячмень и др. При сушке инфракрасными лучами теплота для испарения влаги подводится термоизлучением. Генератором, излучающим теплоту, являются специальные лампы или нагретые керамические или металлические поверхности. При сушке термоизлучением на единицу поверхности материала в единицу времени приходится значительно больше теплоты, чем при сушке нагретыми газами или при контактной сушке. Процесс сушки значительно ускоряется. Так, продолжительность сушки инфракрасными лучами тонкослойных материалов сокращается в 30—100 раз. На Рис.3.35. представлена схема радиационной сушилки с излучателями, обогреваемыми газами. Рис.3.35. Радиационная сушилка: 1—конвейер; 2—газодувка; 3—газовые горелки; 4—-излучатель; 5—выхлопная труба Газовые радиационные сушилки проще по конструкции и дешевле сушилок, оборудованных лампами. Излучатели нагреваются газом, сжигаемым непосредственно под излучателями, или же топочными газами, поступающими внутрь излучателей. Выбор излучателей определяется свойствами высушиваемого материала. Для интенсификации сушки сушилки должны работать в осциллирующем режиме, чтобы термодиффузионный поток влаги, направленный за счет температурного градиента внутрь материала, не препятствовал диффузии влаги с поверхности (см. раздел «Кинетика сушки»). Высокочастотные сушилки в последнее время нашли применение для выпечки толстослойных изделий, например тортов. При высокочастотной сушке возможно регулировать температуру и влажность не только на поверхности, но и по толщине материала. СВЧ-сушилка (Рис.3.36.) состоит из лампового высокочастотного генератора и сушильной камеры, внутри которой находится ленточный конвейер. Переменный ток из сети 50 Гц поступает в выпрямитель, а затем в генератор, где преобразуется в переменный ток высокой частоты. Этот ток подво- дится к пластинам конденсатора, которые расположены с обеих сторон ленточного конвейера. Под действием поля высокой частоты ионы и электроны материала меняют направление движения синхронно с изменением знака заряда пластин конденсатора. Дипольные молекулы получают вращательное движение, а неполярные поляризуются за счет смещения их электрических зарядов. За счет этих процессов в материале выделяется теплота и материал нагревается. Изменяя напряженность электрического поля, можно регулировать скорость сушки. При высокочастотной сушке требуются высокие удельные расходы энергии (2,5—5 кВт • ч на 1 кг испаренной влаги). Конструкция сушилок является более сложной и дорогой, чем .конвективных и контактных. Поэтому высокочастотные сушилки целесообразно применять для термообработки дорогостоящих пищевых продуктов. Контрольные вопросы 1. На что расходуется теплота при конвективной сушке? 2. Чем отличается идеальная сушка от реальной? 3. Как построить реальный процесс сушки в i-x диаграмме? 4. Какие известны конструкции конвективных сушилок? 5. Какие специальные виды сушки известны? 6. Чему равняется расход теплоты на удаление свободной влаги? 7. Чему равняется общий расход теплоты на сушку? 8. Почему процесс сушки разделяется на первый и второй периоды? 9. Какие факторы определяют скорость сушки в первом периоде? 10. Какие факторы определяют скорость сушки во втором периоде? 11. На что расходуется теплота при конвективной сушке? 12. Чем отличается идеальная сушка от реальной? 13. Как построить реальный процесс сушки в i-x диаграмме? 14. Какие известны конструкции конвективных сушилок? 15. Какие специальные виды сушки известны? 3.3. ПРОЦЕССЫ ЭКСТРАКЦИИ И РЕКТИФИКАЦИИ Сущность и назначение процесса экстракции Экстракция представляет собой извлечение одного или нескольких компонентов из растворов или твердых тел с помощью растворителя (экстрагента), обладающего избирательной способностью растворять только те компоненты, которые необходимо выделить. При экстракции из твердого тела (экстрагирование, выщелачивание) имеются две фазы: жидкая и твердая. При экстракции из жидкости обе фазы жидкие. Процесс экстракции возможен только при условии тесного контакта фаз между собой. Экстрагирование в пищевой промышленности имеет большое значение при производстве растительных масел; при получении ликеров, настоек, фруктовых эссенций и т.д. Экстракция из жидкости находит применение при производстве молочной кислоты и др. пищевых кислот из ферментированных растворов. В общественном питании также широко используется процесс экстракции. Варка и жарка продуктов, как правило, сопровождаются экстрагированием тех или иных веществ из продукта в воду или жир. Приготовление чая или кофе - типичный процесс экстрагирования из твердых веществ (водой) компонентов, обуславливающих вкус и запах этих напитков. 3.3.1. Экстракция из жидких систем В общем виде экстракцию из жидких систем можно представить следующим образом. В жидкости А растворен компонент В. Это означает, что имеется двухкомпонентный раствор А+В. Если к этому раствору добавить растворитель (экстрагент) Д, который не растворяется и не смешивается с жидкостью А, но хорошо растворяет в себе компонент В, то компонент В будет переходить в растворитель. Концентрация компонента В в жидкости А при этом будет уменьшаться. В реальных условиях компонент В не полностью перейдет в экстрагент Д, какая-то его часть останется в жидкости А. Таким образом, компонент В будет находиться в жидкости А и в экстрагенте Д. Распределение компонента В в жидкости А и в экстрагенте Д характеризуется соотношением: , (3-59) где: φ - опытный коэффициент распределения, зависящий от свойств жидкой системы, температуры и концентрации; СД - концентрация компонента В в растворителе Д, кг/кг; СА - концентрация компонента В в жидкости А, кг/кг. Эффективность экстракции увеличивается с повышением значения φ, которое должно быть больше единицы. В зависимости от цели проведения процесса могут применяться следующие методы экстракции: - однократное извлечение; - многоступенчатое извлечение с подачей свежего растворителя на каждую ступень; - многоступенчатое извлечение с использованием одного растворителя. Наиболее простым методом экстракции является однократное извлечение (рис.3.37). Исходный раствор и растворитель перемешиваются в смесителе, выдерживаются определенное время, обусловленное технологическими показателями, после чего разделяются на экстракт и рафинат в отстойнике. При достаточной продолжительности процесса содержание извлекаемого компонента в конечных продуктах будет приближаться к значениям равновесной концентрации. Материальный баланс этого метода экстракции в общем виде будет выглядеть следующим образом: . (3-60) Материальный баланс процесса по ключевому компоненту: , (3-61) где: , , , - массовая доля ключевого компонента в соответствующих растворах. После преобразований из последнего уравнения рассчитывают концентрации получаемого рафината, экстракта и степень извлечения целевого компонента, соответственно: ; ; (3-62) . где: - коэффициент распределения - отношение распределения равновесных содержаний целевого компонента в экстракте к равновесному содержанию ключевого компонента в рафинате; - массовое соотношение фаз; - экстракционный фактор. Величина экстракционного фактора имеет важное технико - экономическое значение. Оптимальные значения данного фактора находятся в пределах от 1,2 до 2,0. Эти значения соответствуют низкому содержанию целевого компонента в рафинате и относительно низкой стоимости регенерации получаемого экстракта. Одним из недостатков данного метода является низкая степень извлечения целевого компонента из исходного раствора. С целью получения рафината с высокой степенью очистки применяют метод многократного извлечения с использованием свежего растворителя. При данном методе образуется несколько экстрактов с различным содержанием целевого компонента, при этом используется экстрагент, который не требует регенерации и обладает малой стоимостью. Наиболее часто в промышленности применяется метод многократного извлечения с использованием одного растворителя, который преследует цель - получение высококонцентрированного экстракта с максимальным извлечением целевых компонентов из исходного раствора. Данный метод осуществляется противоточно в системе смесителей - отстойников или в колонных аппаратах. Конструкции экстракторов По принципу организации процесса экстракторы делятся на аппараты периодического и непрерывного действия. По принципу действия экстракторы подразделяют на ступенчатые и дифференциально - контактные. В свою очередь ступенчатые экстракторы делят на смесительно-отстойные и ящичные аппараты. Ступень таких аппаратов представляет собой совокупность смесителя и отстойника. К группе дифференциально - контактных аппаратов относят колонные экстракторы. Наибольшее распространение из них получили распылительные, тарелочные и насадочные аппараты (аппараты без подвода внешней энергии), а также роторно-дисковые, пульсационные, центробежные аппараты (аппараты с подводом внешней энергии). 3.3.2. Экстрагирование из твердых тел Процесс экстрагирования в общем виде включает четыре основные стадии: - проникновение экстрагента в поры частиц твердого тела; - растворение целевого компонента; - перенос экстрагируемого вещества из глубины твердой частицы к поверхности раздела фаз (внутренняя диффузия); - перенос извлекаемого вещества от поверхности раздела фаз вглубь экстрагента (внешняя диффузия). Движущей силой процесса является разность концентраций целевого компонента в жидкости, заполняющей поры твердого тела, и в основной массе экстрагента, находящегося в контакте с поверхностью твердых частиц. В соответствии с механизмом экстрагирования процесс переноса целевого компонента из глубины твердого тела к поверхности раздела фаз осуществляется за счет молекулярной диффузии. Основным законом молекулярной диффузии является закон Фика, устанавливающий связь между плотностью диффузионного потока и градиентом концентрации на выделенной в пространстве поверхности : , (3-63) - коэффициент молекулярной диффузии, м2/с. Знак "-" в правой части уравнения показывает, что вектор плотности диффузионного потока и вектор градиента концентраций направлены в противоположные стороны. Коэффициент молекулярной диффузии зависит от структуры твердого тела, температуры и концентрации растворимых частиц вещества. Перенос вещества от поверхности раздела фаз вглубь экстрагента характеризуется коэффициентом массоотдачи . Плотность диффузионного потока от поверхности раздела фаз к жидкости выражаются уравнением Ньютона -Рихмана: , (3-64) где: - концентрация извлекаемого вещества на поверхности твердого тела, %мас.; - концентрация ключевого компонента в экстрагенте, %мас. Важнейшими факторами, влияющими на величину коэффициента массоотдачи являются: режим течения жидкости, физические (диффузионные) свойства жидкости, форма и размеры частиц твердого тела, а также конструктивные особенности экстрактора, в котором протекает процесс. Кинетические коэффициенты молекулярной диффузии и массоотдачи характеризуют две различные стороны процесса. Коэффициент диффузии отражает только диффузионные свойства материала твердых частиц и имеет одинаковую величину независимо от того, где осуществляется процесс. На коэффициент массоотдачи значительное влияние оказывает конструкция аппарата. Этот фактор используется для оценки конструктивного совершенства аппарата или отдельных его элементов. С этой целью первоначально определяют в лабораторных условиях коэффициент диффузии, а по известному коэффициенту диффузии определяют величину коэффициента массоотдачи. Процесс массопередачи, т.е. процесс переноса вещества из одной фазы в другую через разделяющую их поверхность, описывается уравнением нестационарной диффузии: . (3-65) Для математического описания процесса экстрагирования последнее выражение интегрируют. После преобразований интеграл уравнения нестационарной диффузии принимает следующий вид: , (3-66) где: - начальная концентрация извлекаемого вещества в твердой частице, % мас.; - средняя концентрация целевого компонента в твердой частице в определенный момент времени, % мас.; - средняя концентрация целевого компонента в экстрагенте в определенный момент времени, % мас.; - табулированная величина, которая является функцией критерия Био; - критерий Био; - диффузионный критерий Фурье; - определяющий геометрический размер, м; - соотношение расходов твердой и жидкой фаз; - коэффициент, зависящий от взаимного направления движения фаз (- для противотока; - для прямотока); - табулированная функция, учитывающая форму твердых частиц. На эффективность процесса экстрагирования оказывает значительное влияние соотношение расхода твердой и жидкой фаз , а также взаимное направление движения взаимодействующих фаз. Эти же величины определяют движущую силу и характер ее изменения. Наиболее эффективно процесс осуществляется при противоточном движении фаз. Главным достоинством противоточного движения является возможность достижения максимальной стенки извлечения целевого компонента из твердой фазы, с одновременным получением высококонцентрированного экстракта. В случае прямотока концентрация ключевого компонента в твердых частицах никогда не станет меньше конечной концентрации экстрагента независимо от продолжительности процесса. В это же время следует отметить, что при противоточном движении фаз коэффициент массоотдачи чаще всего имеет меньшие величины, чем при прямотоке. Это объясняется ухудшением условий смывания частиц жидкостью, что следовательно приводит к уменьшению действительной поверхности частиц, участвующих в процессе. В промышленных аппаратах, как правило, осуществляется комбинированный способ взаимодействия фаз, т.е. на отдельных участках аппарата или в отдельных стадиях процесса наблюдается прямоток (при высоких значениях коэффициента массоотдачи), а весь процесс в целом приближается к противотоку. Кроме вышеперечисленных способов взаимодействия фаз существуют также процессы идеального смешения по жидкой фазе и процессы в большом объеме жидкости. Однако эти методы в промышленных аппаратах практически не применяются. Второй фактор - соотношение расхода твёрдой и жидкой фаз - оказывает не меньшее влияние на скорость экстрагирования. С увеличением массы экстрагента, участвующего в процессе, возрастает движущая сила и увеличивается степень извлечения целевого компонента. Но в то же время снижается содержание извлекаемых веществ в конечном экстракте, увеличиваются габаритные размеры аппаратов при одинаковой производительности. В связи с этим вопрос о выборе соотношения расхода масс должен решаться как оптимальная задача. Расчет процесса экстрагирования В процессе экстрагирования сырье, перерабатываемое в пищевой промышленности, существенно меняет механические, теплофизические и другие свойства. Поэтому, в настоящей время получил широкое распространение интервальный метод расчета, который заключается в том, что по продолжительности весь процесс разбивается на 3-20 и большее число интервалов. При этом делается предположение, что на каждом из этих интервалов значения кинетических коэффициентов и , величина соотношения расхода масс и свойства взаимодействующих фаз остаются постоянными. Целью расчета процесса экстрагирования являются определение необходимой продолжительности процесса для получения заданной степени извлечения целевого компонента из твердого тела - прямой (проектный) расчет или определение конечных концентраций в фазах при заданной продолжительности процесса - обратный (проверочный) расчет. Методика прямого расчета выглядит следующим образом: 1. Выбирают продолжительность интервала. 2. По известным значениям размера частиц , величинам и рассчитывают критериальные уравнения и для каждого интервала. 3. Определяют значение . 4. Задаются произвольным значением и рассчитывают изменение концентрации на интервале, концентрацию целевого компонента в твердой и жидкой фазах. 5. Определяют предварительную степень извлечения целевого компонента из твердого тела. Если расчетная степень извлечения целевого компонента не соответствует заданной величине, то производят интерполяцию по времени. 6. Выполняют уточненный расчет процесса и определяют конечные концентрации целевого компонента в экстракте и в твердом теле. Методы интенсификации экстракционного процесса Скорость протекания процесса экстрагирования, как и любого массообменного процесса, прямо пропорциональна движущей силе процесса и обратно пропорциональна диффузионному сопротивлению. Увеличить движущую силу процесса можно двумя способами: применением противоточного метода движения взаимодействующих фаз, а также повышением соотношения расхода масс экстрагента и твердых частиц. Диффузионное сопротивление при экстрагировании складывается из сопротивлений основных стадий процесса: переноса целевого компонента непосредственно в самой частицей от поверхности частицы в окружающую ее жидкость. Для уменьшения диффузионного сопротивления необходимо увеличить величины кинетических коэффициентов диффузии и массоотдачи и, кроме этого, уменьшить размер частиц твердой фазы. Увеличение величины коэффициента диффузии возможно только повышением температуры процесса. Увеличить значение коэффициента массоотдачи можно несколькими способами. В настоящее время наибольшее распространение получили методы, создания режима кипящего слоя, электроимпульсные воздействия, ультразвуковые колебания, вибрация и т.п. Кроме этого на эффективность процесса влияет также способ подготовки сырья. Кроме измельчения сырья к этим способам можно отнести термохимическое воздействие, увлажнение высушенного сырья, СВЧ - воздействие и ряд других методов, которые улучшают не только диффузионные, но и механические свойства твердых частиц. Следует отметить, на все вышеперечисленные факторы следует накладывать строгие ограничения, т.к. ускоряя процесс на одной стадии эти факторы могут вызвать значительное снижение скорости на другой стадии. Например, уменьшение размера частиц увеличивает поверхность контакта фаз, однако более плотный слой частиц ухудшает контакт с экстрагентом и замедляет процесс массообмена. Поэтому определение оптимальных режимов ведения процесса необходимо с учетом особенностей строения исходного сырья, изменения его в течение процесса, особенностей аппарата, в котором протекает процесс, условий проведения экстрагирования, и т.д., с тем чтобы свести экономические затраты на получение готового продукта и затраты на вспомогательные операции к минимуму. Эффективность процесса экстрагирования из твердого продукта обеспечивают следующие условия: • Правильный подбор типа растворителя. Растворитель должен извлекать из продукта только нужный компонент без посторонних примесей; полностью удаляться из экстрагируемого продукта; не должен вызывать коррозии аппаратуры. В пищевой промышленности в качестве экстрагентов используют воду, бензин, этиловый спирт, ацетон, дихлорэтан. • Достижение необходимой степени измельчения продукта, что приводит к увеличению поверхности контакта. • Создание оптимальных температурных условий. Повышение температуры ведет к увеличению скорости внутренней диффузии. • Создание нужного давления. Повышение давления в системе приводит к увеличению выхода экстрагируемых веществ. • Достаточное количество растворителя и соблюдение оптимальной продолжительности процесса. Конструкции экстракторов В пищевой промышленности получили широкое распространение непрерывно-действующие аппараты, в основном противоточного и комбинированного действия, которые бывают вертикального, горизонтального или наклонного исполнения. В данных аппаратах применяются шнековые, ленточные, ковшовые и ряд других рабочих органов. Ленточные экстракторы (рис.3.38.) применяются для экстракции масла из семян подсолнечника. Твердая фаза — раздробленные семена перемещаются по ленте тонким слоем, а экстрагент — бензин подается сверху с помощью насосов и орошает находящийся на ленте материал. Процесс осуществляется по сложной комбинированной схеме движения потоков твердого материала и экстрагента: поперечный ток на каждом участке и противоток в целом в экстракторе. Конструкция экстрактора не обеспечивает эффективного взаимодействия твердой фазы с экстрагентом, экстракция протекает с невысокой скоростью. Для полного извлечения масла требуется несколько ступеней экстракции. Рис.3.38. Ленточный экстрактор: 1—корпус; 2—сопла; 3—загрузочная шахта; 4—транспортирующее устройство; 5 — насосы Секционный аппарат. Секционный аппарат (рис.3.39.) представляет собой наклонный U-образный корпус 1, разделенный вертикальными перегородками 6 на последовательно расположенные секции. К перегородке крепится перфорированный направляющий сектор 9, образующий с корпусом и перегородкой дренажно-отжимный канал, который завершается разгрузочным окном. В окне установлена тормозящая перегородка 3, фиксированная пружиной, усилие на которой регулируется. На горизонтальном валу 7 установлены перемешивающие лопасти 4 и рычаги, на которых укреплены перегрузочные ковши 12. Боковая и задняя стенки ковшей имеют перфорацию. Для подачи сырья из одной секции в другую к перегородке крепится наклонная направляющая 8, которая с целью индивидуального регулирования производительности каждой секции может поворачиваться. Аппарат снабжен паровой рубашкой 13 для поддержания заданной температуры, дозатором 2 и контрольно-измерительными приборами (ротаметром, термометрами и др.). Экстрактор работает следующим образом. Сырье с помощью дозатора подается в первую секцию. С этого момента возникает контакт фаз. В каждой секции сырье лопастями 4 перемещается вдоль оси аппарата в зону действия перегрузочных ковшей, захватывается ими и поднимается выше уровня жидкости. При этом происходит свободный сток жидкости через перфорацию в ковше и направляющем секторе 9 обратно в секцию. При дальнейшем движении ковша материал отжимается между ним и тормозящей перегородкой. Затем ковш преодолевает сопротивление термозящей перегородки 3 и материал попадает на наклонную направляющую 5, по которой поступает в следующую секцию. Рис.3.39. Секционный экстрактор: 1 — U-образный корпус; 2 — дозатор; 3 — тормозящие перегородки; 4 — перемешивающие лопасти; 5—ножи; 6—перегородки; 7—вал; 8 — направляющие; 9 — направляющая сектор; 10 — хвостовики; 11 — переточные отверстия; 12 — перегрузочные ковши; 13 — -паровая рубашка К задней стенке ковша прикрепляется хвостовик 10, о который ударяется возвращающаяся в исходное положение тормозящая перегородка. При этом происходит встряхивание ковша и полное отделение от него твердой фазы. В каждой следующей секции цикл контактирования фаз, отжима и перегрузки повторяется. Из последней секции подвергшийся экстрагированию материал выгружается аналогичным образом. Экстрагент (вода) подается в последнюю секцию и через переточные отверстия 11 в перегородке 6 попадает в предыдущую секцию, так как благодаря наклону корпуса уровень жидкости в каждой последующей секции выше, чем в предыдущей. Аналогичным образом экстрагент переходит далее из секции в секцию, двигаясь навстречу твердой фазе, а экстракт, имеющий максимальную концентрацию, отводится из первой секции. Переточные отверстия в перегородке очищаются ножами 5. Секционирование и отжатие жидкости в каждой секции существенно снижает степень продольного перемешивания как твердой, так и жидкой фаз. Отжатие на каждой ступени способствует улучшению массообмена на последующей ступени и несколько увеличивает перенос внутри материала. Все это делает аппарат высокоэффективным. Ковшовые экстракторы. По конструкции делятся на вертикальные и горизонтальные. У экстракторов этого типа имеются ковши с перфорированным днищем, закрепленные на непрерывно движущейся ленте. У вертикальных ковшовых экстракторов (рис.3.40.) материал загружается сверху, в верхний ковш опускающегося ряда и орошается растворителем, частично обогащенным экстрагирующим веществом после прохождения через поднимающийся ряд ковшей. Проходя через частицы в ковше и перфорированное дно, экстрагент поступает в следующий ковш. Таким образом, в опускающемся ряду ковшей имеет место прямоточный процесс. Верхний ковш поднимающегося ряда ковшей орошается сверху чистым растворителем, следовательно, в этом ряду имеет место противоточный процесс. Жидкость, прошедшая через последний ковш этого ряда, собирается на дне аппарата и направляется в верхний ковш опускающегося ряда. Горизонтальные ковшовые экстракторы работают по тому же принципу, что и ленточные: группа ковшей одновременно орошается жидкостью, которая собирается под ковшами и направляется на орошение соседней группы ковшей, расположенной в направлении, противоположном движению транспортера. В отличие от ленточного экстрактора в ковшовом горизонтальном экстракторе используются обе его ветви. Хотя ковшовые экстракторы и более производительны, чем ленточные, они в полной мере имеют те же недостатки: нарушение противотока, большие габариты, плохое использование объема аппарата. Двухшнековые наклонные аппараты (рис.3. 41.). Аппарат этого типа представляет собой корытообразный, наклонно установленный корпус с рубашками на внешней поверхности для обогрева аппарата паром. Внутри корпуса, имеющего в поперечном сечении -образную форму, расположены два вращающихся навстречу друг другу шнека, опирающихся на ряд равномерно расположенных по длине аппарата подшипников. Витки шнеков частично заходят один за другой, чем предотвращается вращение частиц вместе со шнеками. Перед нижней торцевой стенкой аппарата находится сито, которое вместе со стенкой образует камеру для отделения экстрагента. Сито очищается вращающимися скребками. Над головной частью аппарата находится приемный бункер, одна из стенок которого является продолжением нижней торцевой стенки аппарата. Шнеки приводятся во вращение двумя специальными приводами, установленными у нижней и верхней торцевых стенок аппарата. Для удаления частиц из аппарата в верхней части аппарата имеется колесо с черпаками. Растворитель в аппарат подается специальными поворотными патрубками с соплами в верхней части аппарата над последними витками шнеков. Двухшнековые наклонные аппараты имеют наименьшую из всех широко применяемых в промышленности типов экстракторов металлоемкость, занимают наименьший объем здания, имеют меньший расход энергии и меньшую стоимость всей установки в сравнении с другими аппаратами такой же производительности. Конструкция их достаточно проста и доступна для эксплуатации и ремонта. Недостатками аппаратов этого типа являются рециркуляция частиц и экстрагента по длине аппарата, значительное дробление твердых частиц и трудности в создании необходимого температурного режима в аппарате, особенно в аппаратах больших размеров. Контрольные вопросы 1. Назначение и сущность процесса экстракции. Каково отличие процесса экстракции от экстрагирования ? 2. Какие вы знаете методы экстракции? 3. Классификация аппаратов для экстракции. 4. Какие стадии являются наиболее важными при экстрагировании ? 5. Какие факторы влияют на величину коэффициента диффузии и коэффициента массоотдачи? 6. Методы интенсификации экстракционного процесса. 7. Какие вы знаете аппараты для экстрагирования? 3.3.3. Сущность процесса и виды ректификации Одним из наиболее распространенных методов разделения жидких однородных смесей, состоящих из двух или большего числа компонентов, является перегонка, которая представляет собой процесс, включающий частичное испарение разделяемой смеси и последующую конденсацию образующихся паров, осуществляемые однократно или многократно. В результате конденсации получают жидкость, состав которой отличается от состава исходной смеси. Разделение перегонкой основано на различной летучести компонентов смеси при одной и той же температуре. При кипении смеси, состоящей из различных по летучести компонентов, более летучий компонент переходит в паровую фазу в относительно большем количестве, чем менее летучий. Следовательно, в процессе перегонки жидкая фаза обедняется, а паровая фаза обогащается низкокипящим компонентом - НК. Неиспарившаяся жидкость имеет состав более богатый труднолетучим или высококипящим компонентом (ВК). Эта жидкость называется кубовым остатком, а жидкость, полученная в результате конденсации паров – дистиллятом или ректификатом. Существует два вида перегонки: простая перегонка и ректификация. Простая перегонка представляет собой процесс однократного частичного испарения жидкой смеси и конденсации образующихся паров. Простая перегонка применима для предварительного, грубого разделения жидких смесей. Значительно более полное разделение жидких смесей на компоненты достигается путем ректификации. Ректификация представляет собой процесс многократного частичного испарения жидкости и конденсации паров. Процесс осуществляется путем контакта потоков пара и жидкости, имеющих различную температуру, и проводится обычно в колонных аппаратах. При каждом контакте из жидкости испаряется преимущественно НК, которым обогащаются пары, а из паров конденсируется преимущественно ВК, переходящий в жидкость. Такой двухсторонний обмен компонентами, повторяемый многократно, позволяет получить в конечном счете пары, представляющие собой почти чистый НК. Эти пары после конденсации в отдельном аппарате дают дистиллят (ректификат) и флегму – жидкость, возвращаемую для орошения колонны и взаимодействия с поднимающимися парами. Пары получают путем частичного испарения снизу колонны остатка, являющегося почти чистым высококипящим компонентом – ВК. Ректификация широко применяется в спиртовой промышленности и в производстве эфирных масел. Пример простой перегонки - получение дистиллированной воды. Классификация бинарных смесей В основу теории перегонки положены закономерности перегонки бинарных смесей. Основные законы, управляющие перегонкой бинарных смесей, установлены Д.П. Коноваловым и М.С. Вревским. В основу классификации бинарных смесей положена функциональная зависимость общего давления паров бинарной системы от состава жидкой фазы. Если на горизонтальной оси (рис.3.42.) отложить содержание НК, а на вертикальной – общее давление паров смеси, то в зависимости от характера смеси линии давления могут иметь тот или иной вид. Линия 1 соответствует случаю полной нерастворимости компонента. В этом случае общая упругость паров равна сумме давлений паров чистых компонентов до тех пор, пока в жидкой среде имеются оба компонента, например, смесь бензола и воды. Линия 2 соответствует смеси компонентов, частично растворимых один в другом, например, смесь изобутилового спирта и воды. Линия 3 соответствует смеси компонентов, полностью растворимых один в другом. Общая упругость пара этих смесей имеет максимум, отвечающий определенному составу жидкой фазы при данной температуре. К таким смесям относятся смеси этилового спирта и воды. Линия 4 соответствует предельному случаю, когда компоненты полностью растворяются один в другом, не образуя максимума или минимума. Например, смесь метилового спирта и воды, аммиака и воды. Линия 5 отвечает случаю полной растворимости компонентов с образованием особой точки, соответствующей минимуму давления, например, смесь воды и муравьиной кислоты. Смеси, соответствующие линии 4, являются простейшими или идеальными, которые подчиняются закону Рауля: парциальное давление пара компонента Pa равно давлению насыщенного пара этого компонента при данной температуре pa, умноженному на его мольную долю в жидкости xa , т.е.: Рa = рa xa. (3-67) Растворы, линии давления пара которых отклоняются от прямой, образуются из чистых компонентов с заметным тепловым эффектом. Если сила притяжения молекул неодинаковых компонентов меньше, чем одинаковых, то давление пара смеси будет отклоняться вверх от линии идеальных растворов (линия 3). Если сила притяжения молекул неодинаковых компонентов больше силы притяжения молекул одинаковых компонентов, кривая пойдет ниже прямой идеальных растворов (линия 5). Если сила притяжения молекул мала, то жидкая фаза расслаивается на два слоя. Каждый из них посылает молекулы в паровую фазу так, как будто бы он находится в растворе один. В этом случае общее давление паров равно сумме давлений чистых компонентов при данной температуре (линия 1 и линия 2). Основные законы перегонки Для двух взаимно растворимых жидкостей правило фаз Гиббса может быть записано так: С = К – Ф + 2 = 2 – 2 + 2 = 2, (3-68) где: С – число степеней свободы; К – число компонентов; Ф – число фаз. Следовательно, из трех независимых параметров, полностью определяющих состояние системы – температуры t, давления Р и концентрации С – можно произвольно выбрать любые два; при этом определится значение третьего параметра, которое не может быть произвольным. Вопрос о составе фаз, находящихся в равновесии, является важнейшим для изучения процессов перегонки. Основные закономерности этих процессов установлены Д.П. Коноваловым, который, исследуя растворы спиртов и органических кислот в воде, установил два основных закона. Первый закон Д.П. Коновалова сформулирован следующим образом: «Пар, находящийся в равновесии с раствором, всегда содержит в избытке тот компонент, прибавление которого к жидкости повышает общее давление паров над ней или снижает температуру кипения». Иначе говоря, пар обогащается тем компонентом, прибавление которого к жидкости повышает общее давление паров над ней или снижает ее температуру кипения. Этот закон определяет качественный состав паровой фазы. Рассмотрим для примера систему С2Н5ОН - Н2О. Прибавление к жидкой фазе спирта вызывает в этой системе снижение температуры кипения. Следовательно, при кипении паровая фаза будет обогащаться парами спирта. В случае идеальных растворов это положение будет справедливо для любого состава жидкой фазы. Для растворов, кривая давления которых имеет максимум или минимум, существует некоторый состав жидкой смеси, при котором выделяющиеся пары имеют тот же состав, что и жидкая фаза. Такая смесь называется нераздельнокипящей или азеотропной. Положение этой смеси на графике Р – x устанавливается вторым законом Д.П. Коновалова: «В экстремумах давлений пара (или точек кипения) смесей составы жидкой и паровой фаз совпадают». К группе нераздельнокипящих смесей относится смесь этилового спирта и воды. Кривые равновесия Для изучения процесса перегонки той или другой бинарной смеси необходимо знать состав паровой фазы в зависимости от состава жидкой фазы. Для всех растворов, кроме идеальных, это соотношение составов определяют опытным путем. Экспериментальные определения дают основания для составления таблиц равновесных составов, которые приводятся в справочниках. Используя данные, можно построить график зависимости состава паровой фазы от состава жидкой фазы (рис.3.43). Кривая равновесия, изоб-раженная на рис.3.43, строится в координатах y – x (% мол.) или в координатах в – a (% масс.). В соответствии с первым законом Д.П. Коновалова кривая для системы этиловый спирт – вода проходит выше диагонали. Следовательно, пар будет обогащен спиртом по сравнению с жидкой фазой. Однако кривая пересекает диагональ в одной точке в соответствии со вторым законом Д.П. Коновалова. Эта точка показывает состав нераздельнокипящей смеси и является азеотропной точкой. При нормальном давлении нераздельнокипящая смесь этиловый спирт – вода содержит 95,57% масс. спирта при температуре кипения 78,15 С, при этом же давлении температура кипения этилового спирта равна 78,3С, а воды - 100С. Законы М.С. Вревского График, изображенный на рис.3.43., построен для изобарических условий. При изменении давления в системе изменяется и положение кривой равновесия. Законы, управляющие изменением равновесия при изменении давления в системе, установлены М.С. Вревским: 1. При повышении температуры кипения (давления) раствора двух жидкостей в парах возрастает относительное содержание того компонента, испарение которого требует большей затраты энергии. 2. При повышении температуры азеотропной смеси, обладающей максимумом давления пара, в смеси увеличивается содержание того компонента, парциальная мольная теплота испарения которого больше, а для смеси с минимумом давления пара – содержание компонента – парциальная мольная теплота испарения которого меньше. Эти законы указывают направление, в котором сдвигается равновесие при изменении давления в системе. Понятие о дефлегмации При образовании пара из жидкой бинарной смеси пары обогащаются низкокипящим компонентом. Рассмотрим обратный процесс – конденсацию паров, содержащих два компонента. Как это видно из диаграммы равновесия (рис.3.43.), пар, содержащий b (%) низкокипящего компонента, находится в равновесии с жидкостью, содержащей a (%) низкокипящего компонента (НК). Поэтому при частичной конденсации этого пара оставшаяся паровая фаза обогащается низкокипящим компонентом. Такая частичная конденсация, сопровождающаяся изменением состава фаз, называется дефлегмацией. Следовательно, дефлегмацией называется конденсация паровой смеси, сопровождающаяся обогащением оставшейся паровой фазы низкокипящим компонентом. Образующаяся при этом жидкая фаза называется флегмой. Простая перегонка Перегонку проводят путем постепенного испарения жидкости, находящейся в перегонном кубе. Образующиеся пары отводятся и конденсируются. Если простая перегонка проводится периодически, то в ходе отгонки НК содержание его в кубовой жидкости уменьшается. Вместе с тем, изменяется во времени и состав дистиллята, который обедняется НК по мере протекания процесса. В связи с этим отбирают несколько фракций дистиллята, имеющих разный состав. Простая перегонка, проводимая с получением конечного продукта разного состава, называется фракционной или дробной перегонкой. В периодически действующей установке для фракционной перегонки (рис.3.44.) исходную смесь загружают в перегонный куб 1, снабженный змеевиком для нагревания смеси до кипения. Пары отводятся в конденсатор-холо-дильник 2. Фракции дистиллята поступают в отдельные сборники 3. По окончании операции остаток из куба сливают и загружают вновь разделяемую смесь. Для составления материального баланса простой перегонки необходимо ввести следующие обозначения: L – количество перегоняемой смеси в кубе в данный момент времени, кг x - концентрация низкокипящего компонента в разделяемой смеси. Тогда количество НК в жидкой фазе будет равно: L x. Пусть за бесконечно малый промежуток времени d испарится dL кг смеси и концентрация жидкости в кубе уменьшится на величину dx. При этом образуется dL кг пара, равновесного с жидкостью и имеющего концентрацию y*. Количество НК в паре будет равно dLy*. Тогда остаток жидкости в кубе составит (L – dL), кг, а ее концентрация будет (x – dx). Тогда уравнение материального баланса по НК запишется: L x =(L – dL) (x – dx) + dLy*. (3-69) Расчет простой перегонки имеет целью определить количество исходной смеси, которое необходимо перегнать, чтобы получить в кубе остаток заданного состава и дистиллят требуемого состава xср. Средний состав xср получаемого дистиллята рассчитывают из уравнения материального баланса по НК: F xF=WxW+(F-W)xср, (3-70) откуда xср=. (3-71) Простую перегонку проводят при атмосферном давлении и под вакуумом для снижения температуры кипения смеси. Простая перегонка с дефлегмацией Для повышения степени разделения смеси перегонку осуществляют, дополнительно обогащая путем дефлегмации. Пары из перегонного куба 1 (рис.3.45) поступают в дефлегматор 2, где частично конденсируются. Из пара конденсируется преимущественно ВК и получаемая жидкость (флегма) сливается в куб. Пары, обогащенные НК, направляются в конденсатор-холодильник 3, где полностью конденсируются. Дистиллят собирается в сборники 4. Окончание операции контролируют по температуре кипения жидкости в кубе, которая должна соответствовать заданному по составу остатку, который удаляется из куба. Ректификация Простая перегонка не позволяет разделить однородные жидкие смеси на компоненты. Достаточно высокая степень разделения однородных жидких смесей может быть достигнута в результате многократного частичного испарения жидкости и конденсации паров, т.е. с помощью процесса ректификации. Сущность процесса ректификации наглядно видна из анализа диаграммы t –x,y (рис.3.46). Для нагревания исходной смеси состава x1 до температуры кипения t1 находящийся в равновесии с жидкостью. При конденсации этого пара образуется жидкость (конденсат) состава y1* = x2 , которая обогащена НК. Нагрев эту жид кость до температуры t2 и сконденсировав образовавшиеся пары, получим конденсат состава y2* =x3, причем x3>x2, т.е. жидкость еще больше обогащается НК. Таким образом, повторяя многократно процессы испарения и конденсации паров, можно получить жидкость, состоящую из НК. Аналогично можно провести процесс обогащения разделяемой жидкости высококипящим компонентом. В простейшем виде процесс многократного испарения можно осуществить в многоступенчатой установке, в первой ступени которой испаряется исходная смесь. На вторую ступень поступает на испарение жидкость, оставшаяся после отделения паров в первой ступени, в третьей ступени испаряется жидкость, поступившая из второй ступени. Аналогично может быть организован процесс многократной конденсации, при котором на каждую следующую ступень поступают для конденсации пары, оставшиеся после отделения от них жидкости (конденсата) в предыдущей ступени. Каждая ступень многоступенчатой установки является, в данном случае, как бы аппаратом простой перегонки. Но такие установки отличаются громоздкостью и большими потерями тепла в окружающую среду. Значительно более экономичное и полное разделение смесей на компоненты достигается в процессах ректификации, проводимых в более компактных аппаратах – ректификационных колоннах. Процесс ректификации осуществляется путем многократного контакта между неравновесными жидкой или паровой фазами, движущимися относительно друг друга. При взаимодействии фаз между ними происходит массо- и теплообмен. В результате каждого контакта компоненты перераспределяются между фазами: пар обогащается НК, а жидкость – ВК. Многократное контактирование приводит к практически полному разделению исходной смеси. Процессы ректификации осуществляются периодически или непрерывно при различных давлениях: при атмосферном давлении, под вакуумом (для разделения смесей высококипящих веществ), а также под давлением выше атмосферного. Любая ректификационная установка состоит из колонной части, в которой расположены тарелки или насадки, и кипятильника (куба), представляющего собой кожухотрубчатый или змеевиковый теплообменник, который может быть встроенным в нижнюю часть или вынесенным за пределы колонны. В пищевой промышленности применяют, главным образом, тарельчатые и насадочные колонны. Конструкции ректификационных аппаратов Ректификационные аппараты по их конструкции могут быть разделены на следующие основные группы. Аппараты тарелочного типа получили наибольшее распространение в пищевых производствах. На рис.3.47. представлена ситчатая тарелка с двумя цилиндрическими сливными стаканами. Ситчатые тарелки применяются как для чистых жидкостей, так и для жидкостей, содержащих взвешенные твердые частицы. Для первых отверстия имеют диаметр 2—3 мм, для вторых — 7—8 мм. В колоннах большого диаметра при течении жидкости на тарелках создается значительная разница между уровнями жидкости при входе и выходе ее с тарелки. Вследствие этого возможен неравномерный проход пара через отверстия в различных точках колонны. Чтобы устранить это явление, тарелки устанавливают с наклоном в сторону течения жидкости; при этом создается одинаковый уровень ее на тарелке. Существенный недостаток ситчатых тарелок в том, что жидкость на них удерживается только за счет давления пара. Поэтому при падении давления в колонне жидкость проваливается через отверстия тарелок. Основным достоинством ситчатых тарелок является простота их конструкции. Колпачковые тарелки имеют различные устройства. Основные типы колпачковых тарелок, применяемых в пищевых производствах, представлены на рис.3.48, 3.49 и 3.50. На рис.3.48 и 3.49 показаны тарелки, обычно применяемые для перегонки жидкостей, содержащих взвешенные частицы. Тарелка, изображенная на рис.3.49., отличается тем, что в ней пар барботирует в жидкость с двух сторон: из-под краев колпака и из-под краев воротника. Поэтому жидкость, текущая по узкому кольцевому проходу, вступает в тесный контакт с паром. Такая тарелка называется тарелкой двойного кипячения. Сливные стаканы, изображенные на рис.3.48 и 3.49, выполняются овального или круглого сечения. На рис.3.50 изображена многоколпачковая тарелка со сливными перегородками. Благодаря большому периметру барботажа такая тарелка работает более эффективно, чем одноколпачковые тарелки. Сливные перегородки создают условия для равномерного распределения флегмы на тарелке. Для лучшего диспергирования пара колпачки имеют зубчатые края. Недостатком тарелок со сливными стаканами являются неодинаковые уровни жидкости на тарелке, так как при течении жидкости на тарелке уровень снижается. Поэтому пар прорывается там, где уровень ниже, и тарелка работает неравномерно. Получившие распространение за последние годы провальные тарелки лишены этого недостатка. Эти тарелки не имеют сливных стаканов, и жидкая фаза стекает в них через те же отверстия, через которые барботирует пар. Провальные тарелки имеют различное устройство. На рис.3.51. представлена провальная тарелка решетчатого типа. В этой тарелке отверстия имеют прямо угольное сечение. Устраивают также провальные тарелки с круглыми отверстиями. Для чистых жидкостей ширина щелей 3—4 мм. Расстояние между тарелками 300—600 мм. Провальные тарелки могут работать с жидкостями, содержащими взвешенные твердые частицы. В этом случае щели должны иметь большую ширину. Провальные тарелки имеют при одинаковом диаметре большую производительность, чем тарелки со сливными стаканами. Основной их недостаток заключается в том, что они не допускают широкого изменения нагрузки колонны и могут эффективно работать только при некоторой определенной скорости пара. Из других типов тарелок укажем на тарелки с направленным движением жидкости и пара. В этих тарелках пар направляется в сторону движения жидкости и способствует уменьшению падения уровня жидкости на тарелке. На рис.3.52. представлена чешуйчатая тарелка. В этой тарелке пар поступает через отверстия, имеющие форму чешуек. Тарелки этого типа имеют высокую производительность и очень просты по устройству. Насадочные колонны. Наряду с тарелочными ректификационными колоннами в пищевых производствах применяют насадочные колонны. В них контакт между паром и жидкостью обеспечивается насадкой. На рис.3.53. изображена схема насадочной колонны периодического действия. Как это видно из схемы, насадка омывается флегмой, распределяемой при помощи форсунки того или другого вида. Насадочная колонна может работать в пленочном либо в эмульгационном режиме. Установлено, что эффективность насадочной колонны максимальна при работе в режиме эмульгирования. Между чисто пленочным режимом работы насадочных колонн и режимом эмульгирования имеется переходная зона, в которой уже нарушается чисто пленочный режим, но паровая фаза еще остается сплошной. Установлению режима эмульгирования способствует увеличение скорости пара и плотности орошения насадки флегмой. Кроме того, режим эмульгирования может быть создан при помощи специальных приспособлений для отвода остатка из колонны. На рис.3.54. показана схема колонны истощения, приспособленной для работы в режиме эмульгирования. В этой колонне сток жидкости в нижнюю часть колонны затруднен тем, что на решетке помещен слой мелких цилиндрических колец. Поэтому жидкость отходит по U-образной трубе, высота которой определяет статический уровень жидкости в колонне. Фактически этот уровень будет выше, так как жидкая фаза наполняется диспергированными паровыми пузырями. При ненормально возросшем расходе пара может случиться, что жидкость начнет увлекаться паром вверх. Эти нежелательные явления называются «захлебыванием» колонны. Пленочные колонны. На рис.3.55. представлена схема пленочной ректификационной колонны трубчатого типа периодического действия. Основным элементом этой колонны являются трубки 2. В эти трубки поступает пар из куба 1, снабженного змеевиком. Флегма образуется в дефлегматоре 3. В верхней части трубок 2 пары конденсируются благодаря охлаждению этих трубок водой, омывающей их наружную поверхность. Таким образом, флегма образуется непосредственно на внутренней поверхности трубок и стекает вниз по трубкам, встречая пар, поднимающийся па-встречу. Контакт между паром и жидкостью происходит на поверхности стекающей жидкой пленки. Пары, обогащенные в результате обмена с флегмой нижекипящим компонентом, удаляются из аппарата в верхней части колонны и поступают в холодильник. Кроме пленочных аппаратов этого типа известны и другие, в которых флегма образуется в отдельно расположенном дефлегматоре и направляется из него в трубчатую колонну. Однако при таком устройстве весьма трудно равномерно распределять флегму по трубкам аппарата. Эффективность пленочного аппарата зависит от диаметра его трубок. С уменьшением диаметра трубок она возрастает. Диаметр применяемых трубок 5—20 мм. Пленочные аппараты с малым диаметром трубок (6 мм) имеют меньшую высоту, чем насадочные и тарелочные аппараты, при одинаковом укрепляющем эффекте. Эти аппараты получили промышленное применение для перегонки под вакуумом некоторых продуктов парфюмерной промышленности. Ротационные ректификационные аппараты могут быть разделены на две группы: а) с вертикальным валом; б) с горизонтальным валом. В обоих типах аппаратов для распределения флегмы используется центробежная сила. На рис.3.56. представлена ротационная колонна с вертикальным валом и вращающимися тарелками. Колонна состоит из конических тарелок двух родов. Первая группа тарелок укреплена на вертикальном валу и вращается вместе с ним с частотой до 250 об/мин. Вторая группа тарелок неподвижна и соединена с кожухом колонны. При работе аппарата флегма центробежной силой отбрасывается на вращающиеся тарелки, с которых она переливается на неподвижные конусы и по ним стекает вниз на нижележащую коническую тарелку. Пар перемещается навстречу флегме, в результате чего между ними создается тесный контакт. Такой аппарат с вертикальным валом имеет высокую разделительную способность. Ротационные аппараты с горизонтальным валом более сложны по устройству. В этих аппаратах вокруг горизонтальной оси вращается лента, согнутая спиралью. Флегма поступает в центр спирали и центробежной силой прижимается к стенкам спирали, покрывая ее тонкой пленкой. Пар движется навстречу флегме. Фазы соприкасаются на поверхности пленки флегмы. В оценке эффективности такого рода аппарата в литературе имеются разногласия. Вследствие сложности конструкции эти аппараты в пищевой промышленности применения не получили. Контрольные вопросы 1. Какие свойства жидкостей лежат в основе процессов разделения однородных систем? 2. Что такое простая перегонка? 3. Какие разновидности простой перегонки применяются в пищевой промышленности? 4. В чем заключается сущность и преимущества простой перегонки с дефлегмацией? 5. Какие задачи решаются с помощью законов Коновалова Д.П. и Вревского М.С. при анализе процессов перегонки жидкостей? 6. Что такое ректификация? 7. Какие процессы протекают на тарелках ректификационной колонны? 8. Что такое флегма, кубовый остаток, дистиллят? Какой состав они имеют? 9. Какие конструкции ректификационных аппаратов применяются в пищевой промышленности? 4. МЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Измельчение, классификация и прессование материалов являются механическими процессами, приводящими лишь к изменению формы материала без изменения физико-химических характеристик. 4.1. Измельчение и классификация твердых материалов Общие сведения Измельчением называется процесс увеличения поверхности твердых материалов путем их раздавливания, раскалывания, истирания и удара. Измельчение в пищевой промышленности применяется для увеличения поверхности твердых материалов с целью повышения скорости биохимических и диффузионных процессов при переработке фруктов, овощей и т. д., а также в процессах переработки пищевых отходов. Измельчение широко применяется в мукомольном, мясном, свеклосахарном, спиртовом, пивоваренном, консервном и других производствах. Метод измельчения выбирают в зависимости от крупности и физико-механических свойств измельчаемых материалов. На практике часто применяют комбинированные методы измельчения. Процессы измельчения разделяются на дробление (крупное, среднее и мелкое), измельчение (тонкое и очень тонкое) и резание. Резание применяется, когда требуется не только уменьшить размер кусков, но и придать им определенную форму. Изрезанию подвергаются овощи, и фрукты, конфетная и тестовая масса, мясо и другие продукты. На измельчающих машинах можно проводить различные процессы измельчения, начиная от измельчения глыб и кончая коллоидным измельчением, позволяющим получать продукт с размерами частиц до 0,1 мкм. Классификацией называется процесс разделения однородного сыпучего материала по величине его частиц. По технологическим требованиям часто требуется направлять на переработку куски (частицы) материалов, размеры которых должны находиться в строго определенных пределах. Процесс измельчения характеризуется степенью измельчения, т. е. отношением среднего размера куска материала до измельчения dH к среднему размеру куска после измельчения d*: i = dH / dK (4-1) Обычно куски измельчаемого материала и куски или частицы, получаемые в результате измельчения, не имеют правильной формы. На практике размеры кусков (dH и dK) характеризуются размером отверстий сит, через которые просеивают сыпучий материал до и после измельчения. С целью получения высоких степеней измельчения процесс измельчения проводят в несколько стадий на последовательно установленных машинах. В зависимости от начальных и конечных размеров наибольших кусков и частиц материала измельчение подразделяется на следующие виды: Вид измельчения dH, мм dK, мм Крупное 1500—200 250—25 Среднее 20Q-25 25—5 Мелкое 25—5 5—1 Тонкое 5-1 1—0,075 Коллоидное 0,2—0,1 До1.10-4 Крупное и среднее измельчение проводится сухим способом, а мелкое и тонкое — мокрым способом обычно в воде. При мокром измельчении частицы продукта имеют более равномерную величину. При атом резко снижается образование пыли и упрощается выгрузка готового продукта. Физические основы измельчения Измельчение материалов производится раздавливанием, раскалыванием, ударом и истиранием. При измельчении обычно имеют место несколько сопутствующих видов измельчения. Например, истирание сопровождается раздавливанием, раскалыванием, измельчением за счет ударов. При истирании материалов образуется большое количество пыли и в раде случаев имеет место переизмельчение, что иногда недопустимо. Выбор метода измельчения зависит от крупности и прочности кусков измельчаемых материалов. Прочные и хрупкие материалы измельчаются раздавливанием и ударом, прочные и вязкие — раздавливанием, вязкие материалы средней прочности — истиранием, ударом и раскалыванием Измельчение может проводиться в один или несколько приемов, в открытых или замкнутых циклах. При измельчении в открытом цикле куски материала проходят через измельчающую машину один раз. Если в исходном материале имеется примесь мелочи, то ее предварительно отсеивают. В открытом цикле, как правило, проводят крупное и среднее дробление. При измельчении в замкнутом цикле после измельчающей машины устанавливается классифицирующее устройство, с помощью которого куски, превышающие установленный конечный размер, вновь транспортируются в измельчающую машину на повторное дробление. Процессы измельчения связаны с затратой большого количества энергии. Расход энергии на измельчение может быть определен из существующих теорий измельчения. Поверхностная теория исходит из того, что при измельчении работа расходуется на преодоление сил молекулярного притяжения по поверхностям разрушения материала. Из этой теории следует, что работа, необходимая для измельчения, пропорциональна вновь образующейся поверхности измельчаемого материала. Объемная теория исходит из того, что при измельчении работа расходуется на деформации материала до достижения предельной разрушающей деформации. Отсюда следует, что работа, необходимая для измельчения, пропорциональна уменьшению объема кусков материала перед их разрушением. Полная работа внешних сил выражается уравнением Ребиндера А = А Д + АП = К1  V + K2  F, (4-2) где: АД — работа, затрачиваемая на деформацию объема разрушаемого куска, Дж; Ап -—работа, затрачиваемая на образование новой поверхности, Дж; K1 — коэффициент пропорциональности, равный работе деформирования единицы объема тела; V — изменение объема разрушаемого тела; К2 — коэффициент пропорциональности, равный работе, затрачиваемой на образование единицы новой поверхности; F — приращение вновь образованной поверхности. На основании закона Гука работу деформации (в Н-м) материала при сжатии можно определить по соотношению (4-3) где АД — уменьшение объема кусков материала в результате перед разрушением, м3; Е — модуль упругости материала, Н/м2;  - разрушающее напряжение сжатия, Н/м. Как видно из уравнения (4-3), работа, затрачиваемая на разрушение материала, зависит от разрушающего напряжения и модуля упругости материала. С учетом (4-3) получим А = V/(2Е+К2 F). (4-4) В случае крупного дробления с малой степенью измельчения можно пренебречь работой, затрачиваемой на образование новой поверхности, и, учитывая, что V ~ D3, получим А = К1  V = K1  D3, (4-5) где D3 —- характерный размер куска. Уравнение (4-5) выражает гипотезу Кика—-Кирпичева: работа дробления пропорциональна объему дробимого куска. Для дробления с большой степенью измельчения можно пренебречь работой, затрачиваемой на деформирование объема куска. Тогда, учитывая, F  D2, А = K2  F = K2  D2 . (4-6) Это уравнение является выражением гипотезы Риттингера, согласно ко торой работа дробления пропорциональна величине вновь образованной при дроблении поверхности. В случае, когда нельзя пренебречь слагаемыми в уравнении (4-2), получают уравнение (4-7) которое носит название уравнения Бонда: работа дробления пропорциональна среднегеометрическому из его объема и поверхности. Работа, затрачиваемая на резание (резание состоит из двух последовательных стадий: сначала лезвие ножа сжимает материал, а затем перерезает его), может быть выражена формулой акад. В. П. Горячкина а полн = а сж + а п , где а сж — работа, затрачиваемая на сжатие продукта; Ап — полезная работа резания, Дж. Работа сжатия а сж = ЭhСЖ / h, где Э — условный модуль сжатия материала лезвием ножа, Дж; hСЖ —высота сжатого слоя, м; h — первоначальная высота слоя материала, м. Полезная работа а п = FРЕЗ (h - hСЖ) где FРЕЗ — усилие резания. Обычно пользуются понятием удельное усилие резания, которое представляет собой усилие, отнесенное к 1 м длины лезвия ножа. Так, например, для моркови удельное усилие резания составляет 1400—1600 Н/м, а для картофеля — 600—700 Н/м. Условный модуль сжатия материала лезвием ножа определяется экспериментальным путем, Его величина зависит от свойств материала, вида ножа, усилия и других факторов. Лезвие режущего инструмента характеризуется режущей способностью, которая в процессе эксплуатации лезвия уменьшается. В пищевой промышленности применяются режущие инструменты самых разнообразных форм: прямоугольные, дисковые, ленточные, серповидные и др. Режущие инструменты могут совершать вращательное, возвратно-поступательное, колебательное движение, но могут быть и неподвижными, в то время как изрезаемый материал находится в движении в машине. Конструкции и работа основных типов измельчающих машин Все измельчающие машины делятся на дробилки и мельницы. Дробилки применяются для крупного и среднего дробления, мельницы — для среднего, мелкого, тонкого и коллоидного измельчения. Основные измельчающие машины подразделяются на следующие типы: щековые дробилки, гирационные, молотковые и дробилки ударного действия; протирочные машины; валковые мельницы и бегуны, шаровые и стержневые мельницы, кольцевые, вибрационные, коллоидные мельницы. Резательные машины бывают пластинчатыми, дисковыми, роторными, струнными и др. Ко всем измельчающим машинам предъявляются общие требования: - равномерность кусков измельченного материала: - удаление измельченных кусков из рабочего пространства; - сведение к минимуму пылеобразования; - непрерывная и автоматическая разгрузка; - возможность регулирования степени измельчения; - возможность легкой смены быстро изнашивающихся частей; - небольшой расход энергии на единицу продукции. Щековые дробилки измельчают материал путем раздавливания и раскалывания в конической камере, образованной неподвижной и подвижной плитами, которые периодически сближаются. Раздавленный материал выпадает из дробилки во время обратного хода подвижной плиты. Конструкция дробилки показана на рис.4.1. Щеки дробилки снабжены съемными ребристыми плитами из износостойкой стали. Подвижная щека установлена на неподвижной оси и приводится в колебательное движение от эксцентрикового вала при помощи шатуна, шарнирно связанного рычагами 12 с этой щекой и регу-лировочными клинь-ями 8 и 11. Переме-щением клиньев при помощи болтов регу-лируют ширину вы-пускной щели и, сле- довательно, степень измельчения мате-риала, С помощью тяги 13 и пружины 9 обеспечивается об- ратное движение щеки. Коленчатый рычаг, образуемый шатуном и распорными плитами, является основой конструкции дробилки и позволяет получать очень большие давления. Щековая дробилка проста и надежна в работе, однако наличие в ней неуравновешенных качающихся масс требует установки ее на тяжелых фундаментах. Работа дробилки сопровождается сильным пылеобразованием и шумом, а процесс дробления — образованием мелочи. Гирационные (конусные) дробилки применяются для крупного, среднего и мелкого измельчения. Измельчение происходит путем непрерывного раздавливания и излома кусков материала мевду конической дробящей головкой и корпусом который имеет форму усеченного конуса (рис.4.2). Дробящая головка установлена в корпусе дробилки с эксцентриситетом, в результате чего она совершает эксцентричное вращательное движение. Когда дробящая головка приближается к одной стороне корпуса, измельченный материал выпадает с противоположной стороны через расширяющуюся в это время кольцевую щель между корпусом и головкой. Молотковые дробилки применяются, например, для измельчения костей в производстве кормов. Молотковая мельница представляет собой машину ударного действия, имеющую быстровращающийся диск с шарнирно при- крепленными к нему молотками (рис.4.3.). Материал поступает в дробилку через бункер и измельчается дробящими молотками, а также за счет ударов о броневые плиты. Измельченный материал удаляется через колосниковую решетку. Размеры отверстий колосниковой решетки определяют размеры измельченного материала. Рис.4.3. Молотковая дробилка: 1 — корпус; 2 — дробящий молоток; 3 -диск; 4 — вал; 5 — броневая плита; 6 - колосниковая решетка В дезинтеграторах и дисмембраторах на дисках по концентрическим окружностям расположены пальцы-била. Каждый ряд пальцев одного диска расположен с небольшим зазором между двумя рядами пальцев другого диска (рис.4.4). Материал поступает в машину через загрузочный бункер и измельчается за счет ударов вращающихся пальцев. Измельченный материал высыпается через разгрузочную воронку, расположенную в нижней части машины. Частота вращения дисков 200—1200 мин'1. Производительность таких машин колеблется от 05 до 20 т/ч. Дисмембраторы в отличие от дезинтеграторов имеют один вращающийся диск. Роль второго диска выполняет крышка мельницы, на внутренней поверхности которой по концентрическим окружностям расположены ряды неподвижных пальцев. Дисковые мельницы применяются для мелкого и тонкого дробления зерна, солода, жмыха, сухарей и др. Рабочими органами дисковых мельниц являются два вертикальных рифленых диска, один из которых неподвижный, а другой вращается на горизонтальном валу. Измельчаемый материал подается непрерывно в зазор между дисками, где и измельчается. Степень измельчения регулируется величиной зазора между дисками. Окружная скорость дисков при помоле зерна составляет 7—6 м/с. Молотки, плиты, диски и решетку изготавливают из износоустойчивой марганцовистой стали или из углеродистой стали, на которую направляют твердый сплав. Для измельчения фруктов и ягод и последующего отделения сока от полученной массы применяются дисковые измельчающие машины, скомбинированные с центрифугой. Конструкция одной из них представлена на рис.4.5. Внутри корпуса на валу установлена дисковая терка, которая приводится во вращение коническим ротором. Сырье загружается через загрузочную воронку в корзину, стенки которой выполнены из сетки и выполняют роль фильтровальной поверхности. Измельченная масса под действием центробежной силы разделяется на сок и мезгу. Сок фильтруется через сетчатые стенки вращающейся корзины и поступает в кольцевое пространство, из которого через выпускной патрубок сливается из измельчителя. Рис.4.5. Измельчающая машинка для фруктов и ягод: 1 - воронка; 2 - патрубок для мезги; 3 - корпус; 4 - ротор; 5 - двигатель; б - патрубок для выхода сока; 7 - вал; 8 - измельчающий диск; 9 - корзина Мезга поступает в пространство под крышей и оттуда выгружается через патрубок в крышке. В протирочных машинах для фруктов и овощей отделение сока от мезги происходит за счет протирания через протирочные сита. Протирочная машина состоит из одной или нескольких протирочных камер. На рис.4.6 показана протирочная машина с одной горизонтальной проти- рочной камерой. Камера представляет собой цилиндрический корпус, внутри которого расположена перфорированная металлическая решетка. Решетка установлена таким образом, что между ней и корпусом образуется кольцевой канал. По оси корпуса расположен ротор с насаженными на него протирающими лопатками. Между лопатками и решеткой имеется зазор, в котором и происходит измельчение материала за счет удара и истирания, а протирание происходит за счет давления, создаваемого лопатками ротора. Рис.4.6. Протирочная машина: 1 — корпус; 2 — кольцевой канал; 3— решетка; 4 — воронка; 5 — ротор; 6 — спица; 7—- лопатка В машинах с двумя протирочными камерами достигается более высокая степень измельчения сырья за счет установки во второй камере решетки с меньшими проходными размерами. Валковые мельницы служат для среднего, мелкого и тонкого измель- чения. Они применяются в пищевой промышленности для дробления и помола зерна, солода, плодов, жмыха и т. д. Рабочими органами валковой мельницы являются горизонтальные валки. Дробилка может иметь один валок, вращающийся вокруг горизонтальной оси параллельно неподвижной рабочей щеке, либо два валка. В первом случае раздавливание материала происходит между неподвижной щекой и вращающимся валком. Парные валки вращаются навстречу один другому, и раздавливание происходит между валками. Поверхность валков может быть гладкой, рифленой и зубчатой. На рис.4.7 представлена схема валковой мельницы. Подшипники валка 5 неподвижны, а валка 3 — подвижны и удерживаются при помощи пружины 2, что позволяет валку 3 смещаться при попадании в мельницу твердых инородных тел. Размер кусков продукта определяется шириной щели определяется шириной щели между валками. Загрузка мельницы производится непосредственно из бункера. При вращении валков куски материала захватываются валками и раздавливаются. Бегуны (рис.4.8) имеют, как правило, два жернова (катка) и чашу, в которую загружается зерно. Жернова закреплены на вертикальном валу и вращаются вместе с ним. Кроме того, жернова одновременно вращаются вокруг горизонтальных осей за счет трения между поверхностью жерновов и материалом, находящимся в чаше. Измельчение зерна происходит раздавливанием и истиранием при набегании на него жерновов. Бегуны бывают с неподвижной чашей и вращающимися от привода катками; с вращающейся от привода чашей и свободно вращающимися катками. Бегуны с вращающейся чашей более быстроходны (2О —• 50 мин -1'). Выгрузка измельченного материала осуществляется автоматически за счет центробежной силы. Шаровые и стержневые мельницы, в которых продукт обрабатывается шарами или стержнями, находящимися вместе с ним в полом вращающемся барабане, покрытом изнутри бронированными плитами, применяются для тонкого измельчения. Шаровая мельница (рис.4.9.) загружается шарами и материалом одновременно. Шары изготавливают из стали, диабаза, фарфора и других твердых материалов. Размер шаров зависит от размеров измельчаемого мате риала. Стальные шары имеют диметр 35—175 мм. Корпус мельницы заполняют шарами на 30—35 % его объема. Наряду с шарами используются также цилиндричес кие стержни. Оси стержней распола- гают параллельно оси корпуса мельницы. В шаровых мельницах измельчение материала происходит под действием ударов падающих шаров или стержней и путем истирания его между шарами или стержнями и внутренней поверхностью корпуса мельницы. При вращении шаровой мельницы вследствие трения между стенкой мельницы и шарами последние поднимаются в направлении вращения на такую высоту, пока угол подъема не превысит угла их естественного откоса, после чего скатываются вниз. С увеличением скорости вращения мельницы возрастает центробежная сила и соответственно увеличивается угол подъема шаров до тех пор, пока составляющая силы веса шаров не станет больше центробежной силы. При нарушении этого условия шары падают, описывая при падении некоторую параболическую кривую. При дальнейшем увеличении скорости вращения мельницы центробежная сила может стать настолько большой, что шары будут вращаться вместе с мельницей. Рамная центробежная свекло-резка (рис.4.10.) служит для изрезывания свеклы в стружку для извлечения из нее сахарозы. Принцип действия свеклорезки заключается в следующем. Свекла загружается в свеклорезку через загрузочный бункер, увлекается вращающейся улиткой и под действием центробежной силы прижимается к режущей кромке ножей, которыми изрезывается в стружку. Свекловичная стружка через проемы ножевых рам выпадает в пространство между корпусом свеклорезки и кожухом и затем через люк поступает на дальнейшую переработку. Для замены ножей ножевая рама поднимается и заменяется глухой рамой без ножей. Для очистки ножей применяется продувка паром или сжатым воздухом. Вертикальные овощерезки применяются для разрезания овощей на ломтики, кубики, соломку и т д. Овощерезка состоит из загрузочной воронки, измельчающей камеры и привода. Режущим инструментом является горизонтальный диск, насаженный на вертикальный вал, приводимый во вращение электродвигателем. Машина изготовлена из высококачественного цветного металла, покрытого слоем полиамида. Размеры и форма нарезанных овощей изменяются в зависимости от конфигурации ножей. На рис.4.11. показаны некоторые конструкции режущих дисков. Рис.4,11. Режущие диски овощерезки: а - стандартный ломтерезный; б - тонкий для резки мягких и сочных продуктов; в - для нарезания волнистых ломтиков; г - для нарезания кубиков; д - терка Измепьчитель для мяса — куттер (рис.4.12.) работает следующим образом. Мясо из корыта автоматически загружается во вращающуюся чашу, изготовленную из нержавеющей стали, и режется инструментом, выполненным в виде фрезы и установленным в чаше. Скорость резки составляет 130 м/с. Процесс проводится под вакуумом. Материал корпуса и крышки куттера делает процесс резания практически бесшумным. Выгрузка фарша производится периодически с помощью автоматической наклонной заслонки, которая вытесняет фарш из чаши в приемное корыто. Уплот нение крышки и корпуса достигается с помощью специальных полимерных прокладок. Смена режущего инструмента происходит ме нее чем за 3 мин Вибрационные мельницы предназначены для тонкого измельчения материала. Мельница представляет собой барабан, заполненный примерно на 70 % измельчающими телами, например шарами Внутри барабана установлен вибратор, который сообщает вибрацию шарам и измельчаемому материалу. Интенсивность работы такой мельницы зависит от частоты и амплитуды колебаний Как правило, частота колебаний составляет 1500 - 2500 мин 1 при амплитуде 2-4 мм Коллоидные мельницы используются для очень тонкого измельчения суспензий Измельчение проводится мокрым способом. Основными частями коллоидной мельницы являются корпус с коническим гнездом и ротор Меаду конической поверхностью корпуса и поверхностью ротора имеется зазор, равный долям миллиметра. Ротор вращается с окружной скоростью 30—120 м/с. В зазоре между корпусом и ротором твердые частицы суспензии измельчаются истиранием 4.2. Классификация зернистых материалов Для разделения смеси зернистых материалов на фракции с узкими пределами размеров частиц применяются три вида классификаций: механическая - которая заключается в рассеве сыпучих материалов на ситах, решетах или других устройствах При механической классификации через отверстия рассеивающего устройства проходят частицы материала, размеры которых меньше размеров отверстий. Не прошедшие через сита куски или частицы направляются на дополнительное измельчение; гидравлическая классификация — разделение смеси твердых частиц на фракции в зависимости от скорости оседания частиц в жидкости; воздушная сепарация — разделение смеси твердых частиц на фракции в зависимости от скорости отстаивания частиц в воздухе Классификация применяется как вспомогательная операция для удаления мелочи перед измельчением материала, а также при возврате крупных частиц материала на повторное измельчение и в качестве самостоятельной операции — для выделения готового продукта заданного фракционного состава. Механическая классификация, которая также называется грохочением, применяется для разделения частиц размерами от нескольких сантиметров до долей миллиметра. Классификацию проводят на рассеивающих устройствах, называемых грохотами или сепараторами. Для рассеивания материалов применяют металлические или другие сита, решета из металлических листов со штампованными отверстиями, решетки из параллельных стержней — колосников. Сита бывают с квадратными или прямоугольными отверстиями, имеющими размеры от 0,04 до 100 мм. Сита обозначаются номерами, соответствующими размеру стороны отверстия сита в свету, выраженному в миллиметрах или микронах. Решета изготовляют из металлических листов толщиной 2-12 мм, в которых штампуют круглые или прямоугольные отверстия размером 2-10 мм. Чтобы избежать забивки отверстий материалом, их выполняют в форме конуса, расширяющегося книзу. Колосники собирают из стержней обычно трапецеидального сечения. При такой форме колосников облегчается проход частиц материала через расширяющиеся книзу зазоры между колосниками. Классификация материалов происходит при движении их относительно перфорированной поверхности. При этом поверхность может быть неподвижной, установленной под углом к горизонту большим, чем угол трения материала, либо движущейся. В результате классификации получают два продукта: отсев и отход. Отсев — частицы, прошедшие через рассеивающее устройство, отход — куски (частицы), не прошедшие через рассеивающее устройство. Классификация бывает однократной и многократной При однократной классификации материал просеивается через одно сито, при многократной — через несколько сит. В промышленности используются грохоты с неподвижными и подвижными решетками. Наибольшее применение нашли грохоты с неподвижными решетками. Грохоты бывают качающиеся, барабанные, вибрационные, дисковые, роликовые, колосниковые и цепные. На рис.4.13. показан качающийся грохот, который широко применяется в промышленности Грохот приводится в колебательное движение с помощью кривошипного механизма. Отсев проваливается при сотрясении сита в отверстия, а отход перемещается вдоль сита и с него поступает непосредственно на измельчение. Для отбора нескольких фракций качающиеся грохоты делают многоярусными; в этих грохотах материал подается на верхнее сито, имеющее наибольшие отверстия. Крупные куски удаляются с этого сита как отход, а отсев поступает на расположенное ниже сито с более мелкими отверстиями. На этом сите снова получают отход и отсев, причем отсев попадает на следующее более мелкое сито, и т. д.. Рис.4.13. Качающийся грохот: 1 - эксцентрик; 2 - шатун: 3 - пружина; 4 - корпус; 5 – сито Достоинствами плоских качающихся грохотов являются большая производительность, высокая эффективность грохочения, компактность, удобство обслуживания и ремонта. Недостатком этих грохотов является неуравновешенность конструкции, в результате чего работа их сопровождается сотрясениями и толчками. Барабанный грохот представляет собой барабан, установленный наклонно под углом 4 — 7 ° к горизонту. Барабан изготавливается из сетки или перфорированных стальных листов и вращается на центральном валу либо на выносных опорных роликах. Материал загружается с открытого торца барабана Отсев проваливается через перфорированные стенки барабана, а отход выходит с противоположного открытого торца барабана. Для очистки зерна, зерновых, крупяных и бобовых культур от сорных и зерновых примесей используются горизонтальные или вертикальные цилиндрические зерноочистительные сепараторы. Разделение в таких сепараторах происходит на металлическом сите. Проходные размеры отверстий сита увеличиваются по ходу движения зерновой смеси. Разделение смеси происходит за счет центробежной силы в вертикальных сепараторах либо за счет вибрационных колебаний материала и сита в горизонтальных сепараторах На рис.4.14. схематично показан барабан центробежного сепаратора. Барабан состоит из нескольких секций. Зерно с примесями поступает в верхнюю секцию. За счет центробежной силы зерно вместе с примесями отбрасывается к перфорированной стенке барабана сепаратора. Примеси, имеющие меньшие размеры, чем зерно, проходят через отверстия стенки и удаляются из сепаратора в виде отсева, а зерно поступает в нижнюю секцию. Стенки барабана этой секции имеют отверстия большего диаметра, через которые зерно проходит и удаляется из сепаратора. В вибрационных сепараторах плоское наклонное сито совершает колебания с помощью вибратора. При вибрации материала на сите происходит его разделение, причем отверстия сит не забиваются материалом, даже если разделяются влажные материалы. Сепаратор легко регулируется за счет изменения частоты и амплитуды вибраций, сита легко сменяются. Магнитные (электромагнитные) сепараторы предназначены для извлечения из массы сыпучего материала, например зерна, стальных и чугунных включений. Барабанный электромагнитный сепаратор (рис.4.15.) имеет эксцентрично расположенный непод-вижный электромагнит, работающий от постоянного тока. При вращении барабана поверхность его находится в непосредственной близости от полюсов электромагнита. Чугунные и стальные предметы, попадающие в зону сильного магнитного поля, удерживаются на поверхности барабана, а сыпучий материал, не обладающий магнитными свойствами, ссыпается с поверхности барабана в приемный бункер При выходе барабана из сферы действия магнитного поля чугунные и стальные предметы под действием силы тяжести отделяются от основной массы материала вне бункера. Магнитные сепараторы устанавливают в местах загрузки твердых материалов в различные машины, например в дробилки, сушилки и др Воздушная сепарация отличается от гидравлической классификации тем, что скорость осаждения частиц в воздухе значительно больше скорости осаждения частиц в воде. Воздушная сепарация осуществляется в восходящем потоке воздуха в циклонных аппаратах На рис.4.16. показана схема центробежного сепаратора. Обычно такой сепаратор устанавливается на линии отходящего воздушного потока от мельницы. Отделение крупных частиц происходит в кольцевом канапе и конусе, где частицы за счет центробежной силы отбрасываются на стенки конуса. Крупные частицы соскальзывают со стенок конуса и выгружаются через патрубки 4 и 5. Воздух вместе с мелкими неотделившимися частицами удаляется через патрубок в циклон. Гидравлическая классификация смесей твердых частиц на фракции по скорости осаждения их в жидкости подчиняется общим законам осаждения твердых тел. Гидравлическая классификация осуществляется в горизонтальном или восходящем потоке воды. Скорость потока выбирается такой, чтобы из классификатора выносились частицы, меньшие определенного размера, -верхний продукт, а в классификаторе осаждались частицы больших размеров, обладающие большей скоростью осаждения, - нижний продукт. Для классификации под действием центробежной силы используются гидроциклоны. Контрольные вопросы 1. С какой целью применяются измельчение и классификация твердых материалов? 2. На какие виды подразделяется измельчение в зависимости от начальных и конечных размеров наибольших кусков материала? 3. Чем характеризуется процесс измельчения? 4. Какими методами производится измельчение твердых материалов? 5. Какие схемы измельчения применяются в пищевой промышленности? 6. От каких характеристик измельчаемых материалов зависит работа, затрачиваемая на измельчение? 7. Какие типы измельчающих машин применяются в промышленности? Характеристики дробилок и мельниц. 8. Какие требования предъявляются к измельчающим машинам? 9. Каков принцип действия шоковых, гирационных и молотковых дробилок? 10. Какие мельницы применяются для дробления и помола зерна? 11. Каков принцип действия свеклорезки? 12. Какие виды классификации используются в промышленности? 13. На чем основана классификация материалов грохочением? 14. На чем основана гидравлическая и воздушная классификация? 15. В каких аппаратах производится воздушная классификация? ПРЕССОВАНИЕ Общие сведения Для обезвоживания, брикетирования твердых материалов, гранулирования и формования пластичных материалов в пищевой промышленности применяется прессование. Прессование заключается в том, что обрабатываемый материал подвергается внешнему давлению в специальных прессах. Под избыточным давлением проводятся обезвоживание, брикетиро-вание, формование и штампование различных пищевых материалов. Обезвоживание под давлением применяется в ряде отраслей пище-вой промышленности: в сахарном производстве для отжима воды из свекловичного жома, сока из сахарного тростника, в жировом производстве для выделения из семян подсолнечника растительного масла, в производстве соков для выделения сока из ягод и плодов и в других производствах. Брикетирование применяется для получения брикетов, т. е. брусков прямоугольной или цилиндрической формы спрессованного материала. Брикетирование применяется в сахарном производстве для получения брикетор свекловичного жома и сахара-рафинада. Брикетирование широко применяется в производстве пищевых концентратов и лекарственных препаратов, в кондитерском и в комбикормовом производствах, в процессах утилизации отходов производства и др. Разновидностью брикетирования являются таблетирование и гранулирование. Таблетки и гранулы имеют меньшие размеры по сравнению с брикетами. Промышленностью выпускаются гранулированный чай, кофе, пи-щеконцентраты, конфеты и другие продукты. Формование пластичных материалов используется в хлебопекарном, кондитерском и макаронном производствах для придания изделию из теста заданной формы. Обезвоживание и брикетирование Обезвоживание продуктов применяется для выделения жидкости, когда она является ценным продуктом или когда с обезвоживанием ценность продукта увеличивается. Обезвоживание проводится под действием избыточного давления, которое прикладывается к материалу. Избыточное давление может быть приложено к материалу двумя способами: давлением поршня в прессах или действием центробежной силы в центрифугах Брикетирование, таблетирование и гранулирование применяются с целью повышения качества и продолжительности использования продукта, уменьшения потерь, улучшения транспортировки и т д Жом, предназначенный для скармливания скоту, отжимается на прессах до содержания 9—10%. Прессованный жом получают в виде брикетов кругло-го сечения диаметром от 11 до 20 мм или прямоугольного сечения высотой от 20 до 40 мм. Плотность спрессованного жома составляет около 750 кг/м3 Степень отжатия воды зависит от давления прессования. Однако большая степень от-жатия воды приводит к уменьшению производительности пресса и увеличению удельного расхода энергии. В сахарорафинадном производстве прессы применяются для получения брусков сахара-рафинада. При прессовании кашки происходит значительное сокращение объема промежутков между кристаллами за счет перемещения кристаллов относительно друг друга, а также заполнение промежутков осколками раздробленных кристаллов При прессовании создаются благоприятные условия для сращивания кристаллов в брикетах при их сушке. Брикетирование проводят в специальных прессах до плотности, при которой брикет не может самопроизвольно разрушиться. После прессования брикеты жома подвергают охлаждению, а сахар — высушиванию. Основной характеристикой процесса брикетирования является зависимость между приращением давления прессования р и уменьшением коэффициента уплотнения прессуемого вещества  ( = V/ V1 = h/h1, где V и V1 -объем продукта до и после прессования; h и h1 — высота брикета до и после прессования). Для вывода уравнения распределения давления прессования по высоте брикета рассмотрим схему сил, действующих на элементарный слой брикета (рис.4.17.). Давление прессования складывается из давления на уплотнение продукта и давления для преодоления сил трения продукта о пресс-форму. Пренебрегая трением продукта о пресс-форму и принимая, что продукт является однородным, С. М. Гребенюком получено выражение для описания процесса прессования: lnР/Ро= - 0 (4.8) где  — модуль прессуемости; Р, Р0 — соответственно конечное и начальное давления сжатия; , 0 — конечный и начальный коэффициенты уплотнения. В условиях равновесия на элемент брикета, находящийся в матрице на расстоянии z от пуансона, в вертикальной плоскости действуют нормальные силы рz и рz - dрz , удельные силы трения Тz и силы от боковых давлений Pxz Удельная сила трения Тz = f Pxz ,где f - коэффициент трения материала о стенку матрицы Вертикальное удельное давление связано с боковым удельным давлением Pxz соотношением Pxz / рz =  Если поперечное сечение F и периметр брикета П то условие равновесия сил на ось z выражается уравнением F dрz = f рz П dz . Учитывая, что приращение давления и силы трения равны, но противоположны по направлению, получим F dрz = - f  рzgpzHdz. Проинтегрировав это уравнение в пределах от р до р? и от 0 до z при постоянстве величин f и £ получим рг = p,exp(#nz/F). (4.9) На дне пресс-формы удельное давление рь - p*exp(%fllz / F ) , где h — высота брикета. Уравнение (4.9) представляет собой уравнение распределения давления прессования по высоте сжатого брикета. Его можно также использовать для определения потерь давления на трение о стенки матрицы. Уменьшение коэффициента уплотнения элементарного слоя, перпендикулярного направлению усилия прессования, связано с приращением давления в этом слое [см уравнение (4.8)J. Если принять, что первоначальная плотность брикета по всей высоте постоянна, то Д> - Д = ^/п Р7/Р<». Подставляя значение Рх из уравнения (4.9), найдем fo - ftz - ¥fn [ Р ехр(-&Пг I F) /P0], откуда&=А- IP/nP+exptf'friPo+^fnz/F. Средний коэффициент уплотнения /?- \рг-<ыь, или /f= j|^-^lnP + ^lnP0 + y-£-/-tf-r/F]&/fc (4.10) Интефируя полученное уравнение в пределах от 0 до л, после соответствующих алгебраических преобразований получим /?=#»- FlnPIPo+VZfnzMF (4.11) Средняя плотность брикета постоянного сечения р = (р-;ъГ1пР/Р0)/[1-<Г^Пвк!2Р2рк}}, (412) где gk— масса твердой фазы в брикете. Конечный и начальный коэффициенты уплотнения в этом случае ft- р/р* и ft =/70 /рк • конечная высота брикета hK = GK/FpK, р и /* — соответственно начальная и конечная плотности брикета. Уравнения (4,11) и (4.12) являются основными уравнениями процесса одностороннего прессования дисперсного вещества, полученными при допущении постоянства коэффициента трения f и коэффициента бокового давления £;. При одностороннем прессовании вследствие трения продукта о стенки матрицы плотность брикета оказывается неравномерной по высоте. Брикеты более высокого качества получают при двустороннем прессовании. В этом случае брикет имеет более равномерную плотность по высоте, что улучшает его качество. Оборудование для обработки продуктов прессованием В пищевой промышленности применяются прессы самых разнообразных конструкций Их можно разделить на две большие группы: гидравлические и механические. Гидравлический пресс работает по законам гидравлики Основным узлом пресса является рабочий цилиндр, внутри которого перемещается плунжер, соединенный с подвижной плитой. Плунжер приводится в движение жидкостью высокого давления. Прессуемый материал помещается между подвижной и неподвижной плитами. Сила давления, создаваемая поршнем на материал, прямо пропорциональна его площади; P = pF, где р — давление в гидросистеме, Н/м2; F— площадь поршня, м2. Гидравлические прессы широко применяются при переработке фруктоз и овощей с целью получения соков, для производства ликеров и эссенций. В сахарной промышленности для обезвоживания жома применяются наклонные горизонтальные и вертикальные шнековые прессы с одно- и двусторонним отжатием. Прессы двустороннего отжатия более производительны, чем прессы с односторонним отжатием, и позволяют отжимать жом до более низкой конечной влажности Наклонный шнековый пресс (рис.4.18.) предназначен для отжатия жома. Жом поступает в сепаратор, где из него частично удаляется вода, а затем в пресс, где отжимается основная часть воды. Часть отжатой воды проходит через цилиндрическое сито и удаляется через штуцер Я другая часть воды проходит через сито 3 в полую часть вала шнека и удаляется через отверстие 10 и штуцер 9, Выгрузка отжатого жома производится через кольцевые отверстия между коническим ситом и корпусом отжимного шнека. Размер отверстия влияет на продолжительность пребывания жома в прессе и степень отжатия воды и регулируется специальным приспособлением 6. Горизонтальные и наклонные прессы имеют аналогичную конструкцию В отличие от горизонтальных прессов в наклонных не происходит частичного смешения отжатого жома с удаляемой жидкостью Вертикальный шнековый пресс показан на рис.4.19 Основной частью пресса является полый вертикальный шнек, установленный в специальных траверсах. На кожухе шнека с противоположных сторон расположены контрлопасти, которые входят в промежутки между лопастями шнека и препятствуют вращению материала вместе со шнеком. Контрлопасти имеют отверстия, через которые проходит пар, подводимый по трубопроводу. В верхней части пресса расположена воронка для загрузки материала, а под ней по цилиндрической образующей — цилиндрические разъемные сита с коническими отверстиями. Влажный жом на прессование поступает через воронку и верхними лопастями шнека направляется вниз, в зону с меньшим поперечным сечением, где происходит отжатие воды. Часть отпрессованной воды выходит через отверстия цилиндрического сита, а другая часть — через полый вал шнека. Выделенная вода по каналу 10 и штуцеру 9 удаляется из пресса. В нижней части цилиндрического сита расположено подвижное коническое сито, которое можно поднимать и опускать при помощи болтов 7. Изменением размера щели между этим ситом и нижней частью цилиндрического сита регулируется степень отжатия жома. Отжатый жом, выходящий через щель, образованную коническим и цилиндрическим ситами, при помощи скребков выгружается из шнека Двухшнековый пресс (рис.4.20.) оборудован двумя параллельно установленными шнеками, вращающимися навстречу друг другу. В корпусе и крышках шнека имеются цилиндрические фильтрующие сита с коническими отверстиями, изготовленные из нержавеющей стали. Конструкция пресса позволяет быстро проводить процесс обезвоживания. Частота вращения шнеков может регулироваться гидромуфтой от 1,45 до 3 мин-1. От частоты вращения шнека зависят его производительность, влажность отпрессованного жома и расход энергии. Показатели работы пресса зависят от равномерности питания его жомом. При недостаточной загрузке пресса жомом влажность жома увеличивается На степень отжатия жома оказывают основное влияние форма проходной части прессов и время пребывания жома в прессе. Штемпельные и ротационные прессы применяются для брикетирования сухого жома. Ротационные прессы имеют плоскую или цилиндрическую матрицу. В штемпельных прессах матрица является неподвижной, а пуансон (штемпель) совершает возвратно-поступательное движение. В таких прессах наблюдаются большие инерционные силы при прессовании, поэтому они должны устанавливаться на массивных фундаментах. Одна из конструкции ротационного пресса с горизонтальной плоской матрицей показана на рис.4.21. Основной частью пресса является прессующий узел, состоящий из матрицы -и прессующих валков, устройства для среза гранул и полого вала. Матрица установлена на полом валу, и вращается вместе с ним. Конический распределитель служит для направления сухого материала под валки. Спрессованный материал на выходе из отверстия матрицы срезается ножом и лопастью направляется в выгружной лоток. Зазор методу матрицей и лезвием ножа должен быть не более 0,5 мм. Необходимо, чтобы нож перекрывал рабочую ширину матрицы; лезвие его должно располагаться параллельно нижней плоскости матрицы. Угол наклона ножа к горизонтальной плоскости составляет 30°. Для срезания брикета устанавливаются четыре ножа. Если необходимо получить более крупные брикеты, количество ножей уменьшают. Дисковый пресс, используемый в производстве прессованного сахарарафинада, состоит из следующих основных узлов: набивной коробки для приема рафинадной кашки; диска с матрицами и пуансонами; упора для прессования брусков рафинада; механизма для натирки стола; механизма для подачи сахара в матрицы; механизма для выталктвания отпрессованных брусков рафинада; механизма для подъема пуансонов, механизма для поворота диска, привода и станины Стол пресса совершает вращатель-ное движение против часовой стрелки в горизонтальной плоскости (рис.4.22.). Во время одного оборота стол делает четыре остановки, при которых совершаются последовательно следующие операции: 1—заполнение матрицы рафинадной каш-кой; 2 — формование при движении пуан-сона вверх; 3 — выталкивание брусков сахара пуансоном из матрицы; 4 — очист-ка пуансона от остатков сахара и натирка мастикой Матрицы пресса выполнены в виде латунных коробок, которые вставлены в отверстия диска. Рис.4.22. Схема работы дискового пресса Из таблетирующих машин – наибольшее распространение в пищевой промышленности получили ротационные. В этих машинах материал прессуется пуансонами, вмонтированными в ротор по его окружности на двух уровнях. Во время работы пуансоны перемещаются вдоль вертикальной оси благодаря копирам и прессующим роликам, которые предназначены для их верхнего и нижнего рядов. При вращении ротора пуансоны, двигаясь в матрице, заполненной предварительно таблетируемым материалом, сжимают его с противоположных сторон. Таблетка выталкивается из матрицы нижним пуансоном выведенном верхнем. Ротационные таблетирующие машины делятся на два класса. В машинах первого класса пуансоны катятся по копирам, в машинах второго класса скользят. Различают машины однократного и многократного действия, в которых каждая пара пуансонов за один оборот ротора формирует соответственно одну или несколько таблеток. Гранулирование может осуществляться тремя способами: на специальных устройствах – грануляторах, скатыванием и в псевдоожиженном слое. Двухшнековый формовочный пресс (рис.4.23.) используется в производстве конфет, в частности пралине, методом формования конфетной массы через фильеру с калиброванными отверстиями. Пресс создает давление в конфетной массе и продавливает ее через фильеру. Непосредственно на выходе из фильеры жгуты конфетной массы рубятся на гранулы эксцентрично установленными ножами гранулятора (рис.4.24.), расположенными с определенным зазором у фильеры. Фильера представляет собой плоский металлический диск с отверстиями, через которые продавливается прессуемая масса. Форма отверстия фильеры определяет вид изделия. При продавливании через отверстия фильеры масса принимает определенную форму. Течение массы в отверстиях фильеры подобно течению очень вязкой жидкости. Давление, создаваемое шнеком, зависит от гидравлического сопротивления в отверстиях фильеры Сопротивление опре-деляется консистенцией теста, формой и размером отверстий. Рубящие ножи закреплены на вращающемся валу, имеющем собственный привод. Эксцентричное расположение ножевого крыла позволяет заполнить материалом все сечение фильеры. Для регулировки зазора между фильерой и рубящими ножами ножевой вал может перемещаться в осевом направлении. Для этого кожух гранулятора может быть отведен в сторону вместе с приводом При демонтаже шнека грануляционная головка может быть отведена от нагнетающего шнека. Гранулирование скатыванием применяется в кондитерской промышленности при производстве конфет, состоящих из ядра и оболочки. Наслоение оболочки на ядро производят в дражировочных грануляторах Дражировочный гранулятор представляет собой чашеобразный корпус с вогнутым дном, который совершает сложное движение в горизонтальной плоскости Чаша вращается вокруг собственной оси и вокруг вала привода (рис. 22.10). Такое сложное движение чаши создает восходящий винтообразный поток порошка В результате происходит окатывание ядра оболочкой, что приводит к росту гранул. Ядром служат обычно кристаллы сахара, изюм и орехи, ягоды и т. д. Оболочка состоит из сахарной цедры, порошка какао, кофе и т. д. Контрольные вопросы 1. Для чего применяется прессование в пищевой промышленности? 2. Чем различаются обезвоживание и брикетирование продуктов? 3. Из каких составляющих складывается давление прессования? 4.. От каких величин зависит средний коэффициент уплотнения? 5. От каких-величин зависит средняя плотность брикета? 6. Какое оборудование применяется для обработки продуктов прессованием? 7. Каков принцип работы обезвоживающих шнековых прессов? Ротационных брикетирующих прессов? 8. Каковы устройство и принцип работы гранулирующего устройства? Литература 1. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия, 1973. - 784 с. 2. Стабников В.Н. Процессы и аппараты пищевых производств. - М.: Пищевая промышленность, 1976. - 663 с. 3. Кавецкий Г.Д., Королев А.В. Процессы и аппараты пищевых производств. -М.: Агропромиздат, 1991. – 432 с. 4. Романков П.Г. и др. Процессы и аппараты химической промышленности. - Л.: Химия, 1989. - 559 с. 5. Плановский А.Н., Николаев П.И. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. - М.: Химия, 1987, 495 с. 6. Иванец В.Н. Процессы и аппараты пищевых производств / Гидромеханические и тепловые процессы/. Конспект лекций, КемТИПП, Кемерово, 1995, 128 с. ОГЛАВЛЕНИЕ 1. Теплообменные процессы 3 1.1. Общие сведения 3 1.2. Тепловой баланс 4 1.3. Основное уравнение теплопередачи 5 1.4. Передача тепла теплопроводностью 6 1.5. Передача тепла конвекцией 6 1.6. Дифференциальное уравнение конвективного теплообмена 8 1.7. Тепловое подобие 9 1.8. Теплоотдача без изменения агрегатного состояния 11 1.9. Теплоотдача при изменении агрегатного состояния 12 1.10. Теплопередача через плоскую стенку 13 1.11. Движущая сила теплообменных процессов 14 1.12. Конденсация 16 1.13. Конструкции теплообменных аппаратов 18 1.13.1. Кожухотрубные теплообменники……………………………18 1.13.2. Теплообменники "труба в брубе"……………………………20 1.13.3. Погружные трубчатые теплообменники……………………21 1.13.4. Оросительные теплообменники……..………………………21 1.13.5.Теплообменники с плоскими поверхностями нагрева……21 1.13.6 Типичные случаи теплообмена.………………………………24 1.14. Основные способы увеличения интенсивности теплообмена 24 2. Выпаривание 26 2.1. Общие сведения 26 2.2. Изменение свойств раствора при выпаривании 26 2.3. Методы выпаривания 28 2.4. Основные величины, характеризующие работу выпарного аппарата 30 2.5. Элементы расчета однокорпусной выпарной установки 32 2.6. Конструкции выпарных аппаратов 34 3. Массообменные процессы 41 Общие сведения 41 Механизм массопередачи 41 Материальный баланс при массопередаче 42 Основные законы массопередачи 44 Критериальные уравнения конвективной диффузии 46 Основное уравнение массопередачи 47 Зависимость между коэффициентами массопередачи и массоотдачи 48 3.1. Сорбционные процессы 50 3.1.1. Абсорбция 50 Сущность процесса и область применения……………………….50 Материальный баланс и расход абсорбента……………………..51 Устройство абсорбционных аппаратов…………………………….51 3.1.2. Адсорбция 54 Сущность процесса и область применения……………………….54 Равновесие при адсорбции и материальный баланс……………55 Аппараты для проведения процесса адсорбции…………………57 3.2.Сушка…………………………………………………………………………….61 3.2.1. Сущность процесса и его назначение 61 3.2.2. Статика сушки 62 3.2.3 Виды связи влаги с материалом 63 3.2.4. Кинетика сушки 64 Уравнения скорости сушки………………………………………………67 3.2.5.Основы расчета сушилок .69 Нормальный теоретический сушильный процесс…………………..69 Материальный баланс реального процесса сушки…………………70 Тепловой баланс сушилок………………………………………………71 Нормальный действительный процесс сушки на i-x диаграмме…74 Варианты сушильного процесса………………………………………75 3.2.6. Конструкции сушилок…………………………………………………..78 3.3. Процессы экстракции и ректификации 87 Сущность и назначение процесса экстракции……..……………………87 3.3.1. Экстракция из жидких систем……..………………………………….87 Конструкции экстракторов…………………………………………….…89 3.3.2. Экстрагирование из твердых тел…………………………………….90 Расчет процесса экстрагирования……………………………………..92 Методы интенсификации экстракционного процесса………………93 Конструкции экстракторов……………………………………………….94 3.3.3. Сущность процесса и виды ректификации…………………………98 Классификация бинарных смесей……………………………………..99 Основные законы перегонки…………………………………………..101 Кривые равновесия……………………………………………………..101 Законы Вревского М.С…………………………………………………102 Понятие о дефлегмации………………………………………………..102 Простая перегонка……………………………………………………….103 Простая перегонка с дефлегмацией…………………………………104 Ректификация…………………………………………………………….104 Конструкции ректификационных аппаратов………………………...106 4. Механические процессы 112 4.1. Измельчение и классификация твердых материалов………………..112 Общие сведения…………………………………………………………….112 Физические основы измельчения………………………………………...113 Конструкции и работа основных типов измельчающих машин……..115 4.2. Классификация зернистых материалов…..…………………………….123 4.3. Прессование…………………………………………………………………127 Общие сведения…………………………………………………………….127 Обезвоживание и брикетирование……………………………………….127 Оборудование для обработки продуктов прессованием……………..130 Список литературы………………….…………………….……………………….136 Оглавление…………………………...……………………………………………..137 Иванец В.Н., Крохалев А.А., Бакин И.А.., Потапов А.Н. ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ конспект лекций по курсу ПАПП Часть 2. для студентов заочного факультета Редактор Л.Г. Барашкова Художественый редактор Л.П. Токарева Корректор Т.М. Устьянцева Лицензия № 020524 от 02. 06. 97 г. Подписано в печать . . г. Формат 60х84/16. Отпечатано на ризографе. Уч.-изд. л. 8,75. Тираж 1250 экз. Цена 32 руб. Заказ № 125 . Кемеровский технологический институт пищевой промышленности. 650060, г. Кемерово, 60, б-р Строителей, 47. Отпечатано в лаборатории множительной техники КемТИППа, 650010, г. Кемерово, 10, ул. Красноармейская, 52.