Процессы и аппараты упаковочного производства

Процессы и аппараты упаковочного производства

С. Г. Ильясов

Конспект лекций

МГУП

Москва 2004

УДК 621.798+66-93

ББК

И

Рецензенты: кафедра «Процессы и аппараты пищевых производств» МГУПП (зав. кафедрой профессор, академик МАН Ю. М. Плаксин); доктор технических наук, профессор по кафедре «Физика», заслуженный работник Высшей школы РФ А. В. Лыкова

Ильясов С. Г. Процессы и аппараты упаковочного производства: Конспект лекций. М.: МГУП, 2004.- с.: ил.

ISBN

В конспекте лекций изложены теоретические основы тепловых и массообменных процессов и аппаратов упаковочного производства. Рассмотрены процессы теплопередачи, абсорбции, адсорбции, сушки, растворения, разделения и др. Рассмотрены принципы действия аппа­ратов для их проведения.

Для студентов технологической специальности 072500 «Технология и дизайн упаковочного производства».

УДК 621.798+66-93 ББК

ISBN © Издательство МГУП, 2004

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение. Предмет и задачи курса «Процессы и аппараты упаковочного производства»

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССОВ УПАКОВОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Глава 1. Законы сохранения, равновесия и переноса……………………….....

1.1 Законы сохранения массы, энергии и импульса …………………………...........

1.2 Законы равновесия........................................................…………….....................

1.3 Законы переноса количества движения (импульса), энергии (теп­лоты) и массы Глава 2. Моделирование технологических процессов.............…………….....

2.1. Метод обобщенных переменных .........................................................................

2.2. Анализ размерностей …………………………………………..……..............

2.3. Аналитический метод получения обобщенных переменных ……………..

2.4. Подобие гидродинамических процессов .......................................................

2.5. Математическое моделирование .....................................................................

Глава 3. Разделение неоднородных систем ............

3.1 Осаждение...............................................................................................

3.2 Фильтрование……………………………………………………………

3.3 Выбор аппаратов для разделения неоднородных систем...................

3.4 Методы повышения эффективности процессов разделения...............

Глава 4. Тепловые процессы и аппараты ...........................................................

1. Основное уравнение теплопередачи ............................................................

2. Теплопроводность ........................................................................................

3. Тепловое излучение ..................

4. Конвекция и теплоотдача................

5. Подобие процессов теплоотдачи.............

6. Радиационно-конвективная теплоотдача..........

7. Теплоотдача в теплообменных аппаратах..........

8. Теплопередача ....................

8.1. Теплопередача при постоянных и переменных температурах теплоносителей

8.2. Теплопередача при нестационарном режиме......

8.3. Теплопередача при непосредственном контакте теплоноси-
телей

8.4.Элементы расчета теплообменных аппаратов

Глава 5. Массообменные процессы и аппараты…………………. ...

5.1 Массопередача в системах со свободной границей раз-
дела фаз...........

5.1.1 Материальный баланс массообменных процессов........

5.1.2 Молекулярная диффузия ................

5.1.3 Конвекция и массоотдача ................

5.1.4 Дифференциальные уравнения переноса массы.........

5.1.5 Подобие массообменных процессов.............

5.1.6 Движущая сила массообменных процессов..........

5.1.7 Методы расчета массообменных аппаратов..........

5.7.1. Расчет диаметра аппарата.............

5.7.2. Расчет высоты аппарата ..............

5.2 Абсорбция ....................

5.2.1. Равновесие при абсорбции................

5.2.2 Материальный и тепловой балансы абсорбции.........

5.2.3 Абсорбция многокомпонентных смесей...........

5.2.4. Кинетика абсорбции ..................

5.2.5 Устройства и принцип действия абсорберов.........

5.2.5.1 Пленочные абсорберы ...............

5.2.5.2. Пасадочные абсорберы ..............

5.2.5.3. Тарельчатые абсорберы..............

5.2.5.4. Распыливающие абсорберы.............

5.2.6. Сравнение абсорбционных аппаратов............

5.3 Десорбция .....................

5.4. Жидкостная экстракция ... ....

5.4.1. Равновесие в системе жидкость-жидкость...

5.4.2. Выбор растворителя (экстрагента) ... ....

5.4.3. Материальный баланс процесса жидкостной экстракции....

5.4.4. Кинетика жидкостной экстракции..........

5.4.5. Основные способы проведения экстракции........

5.4.6. Устройство и принцип действия экстракторов.........

5.5. Растворение и экстрагирование в системе твердое тело-жидкость

5.5.1. Растворение .....................

5.5.2. Экстрагирование растворенного вещества..........

5.5.3. Экстрагирование твердого вещества............

5.5.4. Способы экстрагирования и растворения...........

5.5.5. Устройство и принцип действия экстракторов и аппаратов для растворения

5.6 Массообмен между жидкостью (газом или паром) и твердым телом

5.6.1. Массоперенос во внешней фазе..............

5.6.2. Массоперенос в твердой фазе...............

5.7 Адсорбция и ионный обмен...............

5.7.1. Адсорбция .....................

5.7.1.1 Адсорбенты и их свойства....

5.7.1.2. Равновесие при адсорбции.............

5.7.1. 3. Материальный баланс адсорбции...........

5.7.1.4. Кинетика адсорбции ................

5.7.2. Адсорберы .....................

5.8 Десорбция......................

5.9 Ионный обмен ....................

Глава 6. Сушка .....................

6.1. Основные физические свойства влажного газа.........

6.2. Твердое тело как объект сушки..............

6.3. Равновесие фаз при сушке ................

6.4. Диаграмма энтальпия-влагосодержание воздуха Н—х. . . . .

6.5. Материальный баланс конвективной сушки..........

6.6. Тепловой баланс сушки .................

6.7. Построение процесса сушки на диаграмме Н—х. . . . . . . .

6.8. Принципиальные схемы процессов сушки...........

6.9. Кинетика сушки ...................

6.10. Массоперенос при сушке ................

6.11. Продолжительность сушки ...............

6.12. Расчет сушильных установок...............

6.12.1. Материальный баланс ..............

6.12.2. Тепловой баланс ................

6.12.3. Расчет количества теплоносителя..........

6.12.4. Расчет поверхности тепло - и массообмена и габаритных размеров сушильной камеры............

6.13. Устройство и принцип действия сушилок..........

6.13.1. Конвективные сушилки ..............

6.13.2. Контактные сушилки ...............

6.13.3. Сушка топочными газами.............

6.13.4. Специальные виды сушки.............

6.13.5. Возможности интенсификации процессов сушки....

Глава 7. Массообмен через полупроницаемые перегородки (мембраны)

7.1. Мембраны .....................

7.1.1. Уплотняющиеся (полимерные) мембраны........

7.1.2. Мембраны с жесткой структурой...........

7.1.3. Жидкие мембраны ................

7.2. Физико-химические основы мембранных процессов.......

7.2.1. Баромембранные процессы.............

7.2.2. Диффузионно-мембранные процессы.........

7.2.3. Электромембранные процессы...........

7.2.4. Термомембранные процессы............

7.3. Расчет мембранных процессов и аппаратов..........

7.4. Мембранные аппараты .................

7.5. Методы очистки мембран ................

Рекомендательный библиографический список. . .

Введение. Предмет и задачи курса «Процессы и аппараты упаковочного производства»

Под процессами мы понимаем изменения состояния природных и технологических веществ, происходящие в тех или иных условиях. В окружающей нас природной среде наблюдаются явления, ко­торые называют Естественными процессами. К ним относятся, например, испарение воды с поверхностей водоемов, нагрев и охлаждение поверхности земли под действием различных факторов, движение воды в реках или других водоемах, таяние льда, удаление влаги из различных материалов или веществ и многие другие. Изучение естественных процессов составляет предмет и задачу физики, химии, механики и других естественных наук.

На основе данных, полученных в результате изучения естествен­ных процессов и анализа достижений науки и техники, разраба­тывают и реализуют многочисленные промышленные процессы с целью переработки продуктов природы (сырья) в средства произ­водства и предметы потребления. Такие процессы называют Произ­водственными, или Технологическими^ процессами.

Изучение технологических процессов составляет предмет и зада­чу Технологии- науки, определяющей условия практического при­менения законов естественных наук (физики, химии, механики и др.) для наиболее эффективного проведения разнообразных техноло­гических процессов. Технология непосредственно связана с про­изводством, а производство постоянно находится в состоянии изменения и развития. Поэтому существующая форма известного технологического процесса не может рассматриваться и тракто­ваться как окончательная.

В Химической технологии, в отличие от механической, рас­сматриваются процессы, в которых исходные материалы претер­певают превращения, не только вызывающие изменения физических свойств вещества, но и приводящие к образованию веществ другого состава, с новыми химическими свойствами, что может сопро­вождаться изменением их агрегатного состояния. При выборе аппаратов для проведения этих процессов необходим учет важ­нейших факторов: температуры, давления, химических свойств ве­щества и других определяющих условий реализации химико-тех­нологических процессов. Так, многие процессы могут быть реали­зованы различными методами (например, процесс разделения мно­гокомпонентных систем - методами ректификации, экстракции,

* От греч. Tec/We- искусство, мастерство, умение и Logos- учение.

Чсмбранным) в соответствующем аппаратурном оформлении. Окончательный выбор метода, условий проведения и аппаратур­ною оформления процесса осуществляют на основе критериев оптимизации.

Современная химическая технология изучает процессы произ­водства различных кислот, щелочей, солей, минеральных удобре­нии, продуктов переработки нефти и каменного угля, многочислен­ных органических соединений, полимерных и многих других мате­риалов. Однако, несмотря на огромное разнообразие химических продуктов, получение их связано с проведением ряда однотипных процессов - таких как перемещение жидкостей и газов, нагревание и охлаждение, сушка, химическое взаимодействие и т. д. Эти про­цессы характеризуются общими законами гидромеханики, физики, физической химии, химической кинетики, механики твердых тел.

Сходством характеризуются и аппараты разнообразных конст­рукций, применяемые для одной и той же цели в различных офаслях химической технологии (например, сушку полимеров, к расителей, медицинских препаратов, белково-витаминных кон-исптратов и других веществ осуществляют в однотипных аппаратах, мчорые могут различаться только размерами).

Выявление общности различных процессов и аппаратов и обоб­щение методов их расчета является важным элементом науки и процессах и аппаратах химической технологии. В одноименном курсе изучают физико-химическую сущность и теорию процессов, характерных для всех отраслей химической технологии, а также принципы выбора и методы расчета аппаратов, предназначенных и я проведения этих процессов.

За последние десятилетия существенно возросли экологические проблемы, стоящие перед человечеством. Человек построил про­изводство как открытую систему-открытую на входе (обществен­ное производство начинается с вовлечения в него определенных природных ресурсов); открытую в самом процессе производства (подвод энергии, воды и т. н.); открытую на выходе (человек получает необходимую продукцию и выбрасывает на свалки про­дукты природы, не переработанные в предметы потребления и сред­ства производства,-так называемые отходы производства, к кото­рым могут относиться вторичные-нецелевые-продукты промыш-юпности; на свалки уходит также значительная часть отслуживших хозяйственных предметов). Такое (открытое) производство может существовать достаточно продолжительное время лишь в малых масштабах. Если же производство начинает неуклонно расти, то рано или поздно оно приходит в противоречие с общим принципом, на котором строится жизнь на нашей планете,-принципом замкну-юго цикла.

Проблемой получения веществ без каких-либо отходов зани­мается Нанотехнология ^ - новое направление науки, изучающее

* Папо (греч.) - карлик.

Принципы «построения», или «складывания», из атомов веществ с заданными свойствами практически любых, в том числе и таких, которых пока нет в природе (для этого необходима лишь техника, которая установит данный атом в нужное положение в данной молекуле). Таким методом можно создавать из атомов «мозаики» и получать любые композиции (как сейчас мы используем кирпич и цемент, чтобы построить дом). Но нанотехнология пока делает лишь первые шаги, и ее практические результаты - дело относи­тельно далекого будущего. В решении сегодняшних экологических проблем значительная роль принадлежит процессам и аппаратам химической технологии-как при разработке новых малоотходных производств, так и при разработке методов очистки сточных вод и газовых выбросов действующих производств.

Таким образом, овладение наукой о процессах и аппаратах позволяет решать следующие задачи.

1. При эксплуатации Действующих производств выбирать наи­лучшие (оптимальные) технологические режимы, добиваться высо­кой производительности аппаратов, повышать качество продукции, успешно решать экологические проблемы.

2. При проектировании Новых производств разрабатывать высо­коэффективные и малоотходные технологические схемы и выбирать наиболее рациональные типы аппаратов.

3. Производить технически грамотный и научно обоснованный расчет выбранных аппаратов с использованием современных вычис­лительных средств, а также разрабатывать принципиально новые методы расчета процессов и аппаратов химической технологии.

4. При проведении научно-исследовательских работ изучать основные факторы, определяющие течение процессов, получать обобщенные зависимости для их расчета и быстро внедрять резуль­таты лабораторных исследований в производство.