ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ПРОИЗВОДСТВА

Стр 1 из 5Следующая ⇒

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ПРОИЗВОДСТВА

Методические указания

для выполнения расчетных заданий

для студентов направления

220700 «Автоматизация технологических процессов

и производств»

(специализация – “пищевое производство”)

Составители:

Л. И. Матвеева, А. Т. Зурабов

Владикавказ, 2012

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ГОРНО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ГТУ)

Кафедра теории и автоматизации металлургических

процессов и печей

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ПРОИЗВОДСТВА

Методические указания

для выполнения расчетных заданий

для студентов направления

220700 «Автоматизация технологических процессов

и производств»

(специализация – “пищевое производство”)

Составители:

Л. И. Матвеева, А. Т. Зурабов

Допущено

редакционно-издательским советом

Северо-Кавказского горно-металлургического института

(государственного технологического университета)

Владикавказ 2012

УДК 681.5(7)

ББК 65.050.9(2)2

М33

Рецензент:

канд. техн. наук, доц. Дюнова Д. Н.

М33 Технологические процессы и производства: Методические указания / Сост. Л. И. Матвеева, А. Т. Зурабов; Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет). – Владикавказ: Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет). Изд-во “Терек”, 2012. – 32 с.

Настоящие методические указания предназначены для студентов направления 220700 «Автоматизация технологических процессов и производств» при изучении дисциплины «Технологические процессы и производства пищевой промышленности». Варианты расчетных заданий составлены таким образом, чтобы указанные в них вопросы рассматривались каждым студентом самостоятельно. Самостоятельное выполнение данного задания студентом помогает ему не только понять сложные процессы, происходящие при переработке сырья в продукты питания, основанные на законах физики, теплофизики, механики, химии, биохимии и т. д., но и изучить технологию производства того или иного продукта и оборудование, используемое для его переработки, а также закрепить теоретический материал, излагаемый на лекциях и в учебной литературе. Расчетные задания составлены в соответствии с учебной программой.

В методических указаниях приведены также основные теоретические положения, необходимые для решения данных задач, и даны примеры решения расчетных заданий.

УДК 681.5(7)

ББК 65.050.9(2)2

Редактор: Иванченко Н. К.

Компьютерная верстка: Крыжановская И. В.

Ó Составление. Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет), 2012

Ó Матвеева Л. И., Зурабов А. Т.., составление 2012

Подписано в печать 10.09.12. Формат 60 х 84 ¹/₁₆. Бумага офсетная. Гарнитура “Таймс”. Печать на ризографе. Усл.п.л. 1, 95. Тираж 30 экз. Заказ №_____

Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет). Изд-во “Терек”.

Отпечатано в отделе оперативной полиграфии СК ГТУ (ГТУ).

362021, г. Владикавказ, ул. Николаева, 44.

Общие положения

В пищевой промышленности перерабатывают сырье и получают готовые продукты в различном агрегатном состоянии: твердом, жидком, паро- и газообразном.

Для расчета параметров процессов и аппаратов необходимо знать свойства пищевых продуктов и сырья.

Основные свойства пищевых продуктов и сырья

Многие пищевые продукты представляют собой однородные и неоднородные смеси.

К однородным смесям относятся растворы, например: сахарные, водно-спиртовые. Они характеризуются концентрацией растворенного вещества.

К неоднородным смесям относятся системы твердое – жидкое, жидкость 1 – жидкость 2 нерастворимые друг в друге. Для их характеристики вводят понятие объемной или массовой доли.

Плотность (ρ ) – это масса (М) в единице объема (V) вещества [кг/м³, т/м³, г/см³]

. (1)

Плотность может быть определена и по удельному объему (V_уд)

, (2)

так как

Плотность раствора зависит от его концентрации (с).

Таблица 1.1

Зависимость концентрации этилового спирта в водно-спиртовом

Растворе от плотности

с, масс.%
ρ , кг/м³

Плотность суспензий определяют по формуле:

ρ _c = ρ _тв· φ + ρ _ж· (1 - φ ), кг/м³, (3)

где ρ _тв –плотность твёрдых частиц в суспензии, кг/м³;

φ – доля твёрдой фазы в суспензии;

ρ _ж – плотность жидкости, кг/м³.

Плотность сахарных сиропов, фруктовых соков, молока с сахаром при 20⁰ С определяют по формуле:

, (4)

где х – содержание сухих веществ, %.

Если температура не равна 20⁰ С, то:

, (5)

где t – температура продукта, ⁰ С.

Плотность томатопродуктов определяют:

. (6)

Для характеристики сыпучих продуктов (зерна, сахарного песка, картофельной крупы и т. д.) вводится понятие насыпной плотности :

, (7)

где e – порозность (пористость) сыпучего материала:

e = , (8)

где – объём пустот свободно насыпанного материала, м³;

– объём свободно насыпанного материала, м³.

Удельный вес (γ ) – вес единицы объёма вещества

γ = ρ · g, (9)

g = 9, 81 м/с².

Динамическая вязкость (μ ) – это касательное напряжение, которое испытывает движущаяся среда при ламинарном режиме по нормали к направлению сдвига скоростей слоев.

Вязкость суспензий, независимо от размера частиц твёрдой фазы при объёмной доле твёрдой фазы (φ ) не более 10 % определяется по формуле:

, Па·с; (10)

а при φ > 10 %

, Па·с; (11)

где μ _ж– вязкость жидкой фазы.

Вязкость соков, сиропов, сгущённого и натурального молока определяется по формуле:

, (12)

где μ – вязкость при 20⁰ С.

Для натурального молока:

, Па·с; (13)

где х – содержание сухих веществ, массовая доля.

Для растительного масла

, МПа·с. (14)

Для томатопродуктов:

, Па·с. (15)

Кинематическая вязкость:

м²/с. (16)

Теплоёмкость – это отношение количества теплоты, подводимой к веществу, к соответствующему изменению его температуры.

Удельная теплоёмкость – это теплоёмкость единицы количества вещества.

Удельная теплоёмкость неоднородной системы:

, кДж/(кг·град).(17)

Теплоёмкость томатопродуктов:

С = 4228, 7 – 20, 9 · х – 10, 88 · t, Дж/(кг·град). (18)

Теплоёмкость растительного сырья:

, кДж/(кг·град), (19)

где С_с–теплоёмкость сухих веществ, кДж/(кг·град);

W – влажность сырья, %.

Теплоёмкость теста:

С = 1675 · (1 + 0, 015 · W), Дж/(кг·град). (20)

Теплоёмкость зерна:

С = 1550 + 26, 4 · W, Дж/(кг·град). (21)

Таблица 1.2

Расчётных заданий

Абсорбция

Процесс селективного поглощения газов или паров жидкими поглотителями (абсорбентами) называется абсорбцией. При абсорбции вещество переходит из газовой или паровой фазы в жидкую. Абсорбентом в технологии общественного питания служат вода или ее растворы. Процесс насыщения минеральной воды и других многочисленных напитков диоксидом углерода, в специальной технологии, называемой сатурацией, в действительности является классическим примером процесса абсорбции.

Процесс абсорбции проводят в абсорберах разных видов: с механическим перемешиванием, поверхностных, распылительных, пленочных, барботажных.

Пример расчета абсорбера для поглощения паров

Этилового спирта

Определить диаметр и высоту абсорбера, заполненного кольцами Рашига размером 25´ 25´ 3 мм, с удельной поверхностью σ = 204 м²/м³, который предназначен для поглощения паров этилового спирта из воздуха.

Расход орошающей воды L = 2500 кг/г, = 20⁰ С. Начальная концентрация С₂Н₅ОН в смеси с воздухом у_н= 0, 05 объёмных долей. Чистого воздуха в этой смеси 1500 м³/час. Степень поглощения С₂Н₅ОН С_п= 97 %. Уравнение линии равновесия у_р= 1, 68·х. Скорость газа в абсорбере = 1, 2 м/с. Коэффициент массопередачи К_у= 0, 6 кмоль С₂Н₅ОН /(м²·час на 1 кмоль воздуха). Начальная концентрация С₂Н₅ОН в жидкости Х_н= 0. Аппарат противоточный.

1. Определение количества поглощаемого С₂Н₅ОН

а) определяем расход смеси С₂Н₅ОН + воздух

= 0, 05 следовательно, концентрация воздуха в смеси 0, 95 объёмных долей

1500 м³/г воздуха – 0, 95

х м³/г смеси – 1

х = 1500 ·1: 0, 95 = 1578, 9 м³/час; (22)

б) так как, 1 кмоль любого газа занимает объём 22, 4 м³, то расход смеси

G = х/22, 4 = 1578, 9/22, 4 = 70, 489 кмоль/час; (23)

в) количество поглощаемого С₂Н₅ОН

М = G · У_н· С_п= 70, 489 · 0, 05 · 0, 97 = 3, 42 кмоль/час. (24)

2. Конечная концентрация спирта в воде на выходе из абсорбера:

Х_к = М /(L/ ) = 3, 42/(2500/18) = 0, 0246 , (25)

где – молекулярная масса воды.

3. Начальная и конечная концентрации С₂Н₅ОН в воздухе (у_н, у_к)

а) количество кмолей воздуха:

1500/22, 4 = 66, 964 кмоль/час; (26)

б) количество кмолей С₂Н₅ОН в смеси на входе в абсорбер:

х· у_н/ 22, 4 = 1578, 90, 05 / 22, 4 = 3, 524 кмоль/час; (27)

в) начальная концентрация спирта в воздухе:

у_н= 3, 524 / 66, 964 = 52, 63 ·10 ^-3кмоль С₂Н₅ОН/ кмоль воздуха; (28)

г) количество кмолей С₂Н₅ОН на выходе из абсорбера:

степень поглощений С₂Н₂ОН = 97 %, конечное содержание С₂Н₂ОН в воздухе 3 % (0, 03 объёмных долей), поэтому

3, 524 0, 03 = 0, 106 ; (29)

д) конечная концентрация спирта в воздухе:

у_к= 0, 106 / 66, 964 = 1, 58·10 ^-3 кмоль. (30)

3. Определение средней движущей силы:

(31)

a) Число единиц переноса: (32)

из условий у_р= 1, 68·Х, у_н·р= 1, 68· Х_к = 1, 680, 0246 = 0, 0413;

у_к·р= 1, 68 ·Х_н = 0, т. к. Х_н= 0;

= 1/(52, 63 – 41, 3)·10^-3= 88, 5; (33)

= 1/(1, 58·10^-3– 0) = 632, 9; (34)

тогда число единиц переноса:

; (35)

б) средняя движущая сила:

= 2, 77 ·10^-3= 0, 003. (36)

4. Площадь поверхности массопередачи:

м². (37)

6. Объём слоя насадки:

. (38)

7. Площадь поперечного сечения абсорбера:

, м², (39)

где ρ _г– плотность воздуха при t = 20⁰ С.

При Т = 273⁰К 29 кг воздуха содержатся в 22, 4 м³, отсюда:

кг/м³,

S = м².

8. Диаметр абсорбера:

(40)

9. Высота слоя насадки:

Н = м. (41)

Варианты расчётных заданий

Произвести расчёт абсорбера для поглощения паров этилового спирта из воздуха.

Таблица 2.1

Варианты расчетных заданий

Производительность по чистому воздуху, м³/г	Начальное содержание С₂Н₅ОН в смеси, (в долях)	Степень поглощения С₂Н₅ОН, (%)
	0, 06
	0, 08
	0, 065
	0, 09
	0, 095

Адсорбция

Адсорбцией называют процесс поглощения одного или нескольких компонентов из смеси газов, паров или жидких растворов поверхностью твердого вещества – адсорбента. Процесс адсорбции подобно процессу абсорбции избирателен, т. е. из смеси поглощаются только определенные компоненты. Как и при абсорбции, поглощенное вещество может быть выделено из адсорбента, например при нагревании. Этот процесс регенерации абсорбента называют десорбцией. Процессы абсорбции и адсорбции внешне похожи. Разница между ними заключается в том, что в одном случае вещество поглощается всем объемом жидкости, а в другом – только поверхностью поглотителя – адсорбента.

В пищевой промышленности адсорбция сопровождает технологию очистки водно-спиртовых смесей в ликероводочных производствах, при очистки и стабилизации вин, соков и других напитков, а также технологию обесцвечивания сахарных сиропов перед кристаллизацией.

Процесс адсорбции проводят в адсорберах с неподвижным слоем адсорбента, с подвижным слоем адсорбента, с кипящим слоем адсорбента. После использования адсорбционной способности адсорбента, проводят его регенерацию. В качестве адсорбентов применяют активированный уголь, силикагели (получают обезвоживанием геля кремниевой кислоты), цеолиты (пористые водные алюмосиликаты катионов элементов первой и второй групп периодической системы элементов), иониты, в качестве естественных адсорбентов для осветления вин используют мелкодисперсные глины: бентонит, диатомит, с этой же целью применяют рыбий клей (желатин) и другие вещества.

Пример расчета процесса адсорбции

Определить высоту слоя активного угля и диаметр адсорбера для поглощений паров бензина из паровоздушной смеси, если расход смеси G = 3000 м³/г, начальная концентрация бензина у_н= 0, 02 кг/м³, скорость паровоздушной смеси, отнесённой к полному сечению адсорбера V₀= 0, 2 м/с. Динамическая ёмкость угля по бензину х_к= 0, 08 кг/кг, начальное содержание х_н= 0, 006 кг/кг, насыпная плотность угля r_н = 600 кг/м³. Продолжительность адсорбции 1, 5 часа.

1) Количество адсорбента для адсорбции бензина:

кг, (42)

где G – расход смеси, м³/г;

τ – продолжительность процесса адсорбции, час.

2) Диаметр адсорбера:

Д = м. (43)

3) Высота слоя адсорбента:

м. (44)

Варианты расчётных заданий

Адсорбционная очистка сортировки (водно-спиртовой смеси).

Таблица 2.2

Варианты расчетных заданий

Производительность, л/час смеси	Начальное содержание примесей, % масс	Конечное содержание примесей, % масс
	1, 5	0, 03
	1, 6	0, 04
	1, 3	0, 05

Адсорбционная очистка сахарного сиропа

200 кг/ч	1, 2	0, 1
300 кг/ч	1, 5	0, 3
400 кг/ч	1, 3	0, 2

Ректификация

Высокой степени разделения жидкой смеси на компоненты можно добиться при многократной перегонке – ректификации. Процессы ректификации осуществляются на ректификационных колоннах, как правило, непрерывного действия.

Пример расчета ректификационной колонны

Рассчитать ректификационную колонну непрерывного действия для разделения смеси этиловый спирт-вода, если количество поступающего на ректификацию раствора G_f = 800 кг/час, содержание этилового спирта в растворе a_f = 20 % масс, содержание этилового спирта в дистилляте a_d = 91 % масс. Содержание этилового спирта в кубовом остатке a_w = 2, 6 % масс. Коэффициент избытка флегмы σ = 1, 3. Коэффициент полезного действия колонны η = 0, 5. Скорость движения пара в колонне υ _p = 1, 11 м/с. Расстояние между тарелками h = 200мм. Ректификация проводится при атмосферном давлении. Средняя температура пара в колонне t_ср= 87 °C.

Определить: 1) количество дистиллята G_d и кубового остатка G_w.

2) количество тарелок n_д, высоту колонны H, диаметр колонны D_k_.

3) расход греющего пара D.

Таблица 2.3

Варианты расчетных заданий

Таблица 2.4

Пример расчета количества тарелок в колонне

Периодического действия

Определить необходимое число тарелок в колонне периодического действия для разделений смеси C₂H₅OH – Н₂О, которая содержит Х_f = 0, 5 мольных долей C₂H₅OH, Х_d = 0, 8; Х_w = 0, 05. Определить, также отношение флегмовых чисел в конце и в начале процесса. Принять η = 0, 5; коэффициент избытка флегмы σ = 1, 2. Использовать данные равновесия, приведенные в задаче 2.5.1.

1. Находим минимальное флегмовое число (R_min _k) для конечного момента разделений, когда кубовая жидкость содержит 0, 05 мольных долей С₂Н₅ОН

. (63)

2. Рабочее флегмовое число в конце процесса

. (64)

3. Уравнение рабочей линии

, (65)

При X = 0, у = 0, 3. Координаты точки А (Х_d = 0, 8; у_р= 0, 8).

Строим рабочую линию (рис. 2) до пересечения с вертикалью X_w (AB) и определяем графически число ступеней изменений концентраций (n = 18).

Рис. 2. Графическое определение числа степеней измерений концентраций.

4. Число тарелок в колонне

. (66)

5. Для начального момента ректификации, когда Х_f = 0, 5 минимальное флегмовое число

(67)

6. Рабочее флегмовое число в начале процесса

, (68)

где σ = 1, 2÷ 2, 0 – коэффициент избытка флегмы.

Принимаем σ = 1, 2 тогда .

7. Отношение флегмовых чисел

(69)

Ректификацию в периодическом режиме используют в технологии коньячного спирта.

Варианты расчетных заданий

Таблица 2.5

Сушка

Удаление влаги из материалов называют сушкой. Наименее энергоемкий способ удаления влаги – механический: прессование или отжим в центрифугах. Этот способ позволяет удалить лишь ту часть влаги в материале, которая заполняет поры и капилляры тела, так называемую несвязанную влагу. Для полного удаления влаги применяют тепловые способы сушки, основанные на превращении в пар содержащейся в материале влаги с последующим удалением этого пара.

Пример расчета расхода воздуха и пара

Варианты расчетных заданий

Таблица 2.6

Выпаривание

При кипении растворов концентрация растворенных веществ увеличивается за счет превращения в пар части растворителя. Этот процесс концентрирования растворов называют выпариванием.

Превращение в пар жидкости с ее свободной поверхности называют испарением. При выпаривании получают насыщенные растворы, при дальнейшем удалении из которых воды происходит кристаллизация, в результате из раствора выпадает растворенное вещество в виде кристаллов. Выпаривание проводят в выпарных аппаратах непрерывного или периодического действия, его широко используют для получения концентрированных сиропов, паст, джемов, молока и т.д.

Выпарного аппарата

Определить площадь поверхности теплопередачи выпарного аппарата с естественной циркуляцией для выпариваний G_н= 1500 кг/час раствора хлористого кальция от начальной концентрации X_н= 10 % до конечной X_к= 30 % масс, если давление греющего пара P_гр= 0, 3 МПа, вакуум в барометрическом конденсаторе 74, 6 кПа. Раствор в выпарной аппарат подаётся при температуре кипения. Длину греющих труб принять h = 2, 5 м, внешний диаметр d = 38 мм. Коэффициент теплопередачи в выпарном аппарате K = 940 Вт/(м²·град). Потери теплоты в окружающую среду 5 %.

Количество выпаренной воды

W = G_н· (1– Х_н/ Х_к), кг/час; (83)

W = 1500 · (1 – 10 / 30) = 1000 кг/час.

Количество упаренного раствора

G_к= G_н– W, кг/час; (84)

G_к= 1500 – 1000 = 500 кг/час.

Общая разность температур

t_общ= t_гр– t_конд, °С, (85)

где t_гр– температура греющего пара определится по таблицам насыщенного водяного пара, исходя из его давлений.

При P_гр= 0, 3 МПа, t_гр= 132, 9 °С. Температура вторичного пара на входе в барометрический конденсатор (t_конд) при P_конд= 74, 6 кПа равна 66 °С:

t_общ= 132, 9 – 66 = 66, 9 °С.

Полезная разность температур

Δ t = Δ t_общ– SΔ , °С, (86)

где SΔ – сумма потерь общей разности температур (сумма депрессий).

SΔ = Δ _г + Δ _г.с. + t, ⁰ С, (87)

где _г– гидродинамическая депрессия, которая учитывает снижение температуры вторичного пара на входе в барометрический конденсатор по сравнению с его температурой на выходе из выпарного аппарата в трубопроводе. Это не большая величина и принимается в расчёте выпарных установок 1, 5÷ 1 °С.

Следовательно, температура вторичного пара в сепараторе выпарного аппарата:

t_вт = t_конд+ Δ _г = 66 + 1 = 67 °С,

Δ _г.с. – гидростатическая депрессия это разность температур кипения раствора посередине греющих труб в выпарном аппарате и на поверхности Δ _г.с. ≈ 10 %,

t_общ= 66, 9 · 0, 1 = 6, 69 ≈ 7 ⁰ С,

Δ t – температурная депрессия, определяется как разность температур кипения раствора и растворителей (H₂O).

Для рассматриваемого примера

Δ t = t_кип – t_кипH₂O = 8, 1 °С.

Полезная разность температур определяется по формуле (86):

–(1+7+8, 1) = 50, 8 °С.

Расход греющего пара определяем, исходя из практических данных: расход греющего пара составляет 1, 1 – 1, 2 кг на 1 кг удаляемой воды, т.е.

. (88)

6. Удельный расход пара

d = D/W = 1200/1000 = 1, 2. (89)

Площадь поверхности теплопередачи:

F = , м²; (90)

где –энтальпии греющего пара и его конденсата, кДж/кг.

При давлении греющего пара Р_гр = 0, 3 МПа,

F = .

Количество труб:

n = . (91)

Варианты расчётных заданий

Таблица 2.7

Теплообменные аппараты

По способу организации процесса теплообменные аппараты разделяют на две группы: поверхностные, в которых теплота от одного теплоносителя к другому передается через разделяющую их поверхность и аппараты смешения, где теплопередача осуществляется при перемешивании горячего и холодного теплоносителей. Обе группы образуют так называемые рекуперативные аппараты. Реже используют регенеративные аппараты, в которых нагрев жидкости или газа происходит в результате контакта с предварительно нагретыми твердыми телами, например с насадкой, заполняющей аппарат. Аппараты этого типа работают периодически и в пищевой промышленности практически не применяются. По форме поверхности рекуперативные теплообменники разделяют на аппараты с трубчатой поверхностью теплообмена и аппараты с плоской поверхностью.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ПРОИЗВОДСТВА

Методические указания

для выполнения расчетных заданий

для студентов направления

220700 «Автоматизация технологических процессов

и производств»

(специализация – “пищевое производство”)

Составители:

12 3 4 5 Следующая ⇒