Материал: Технологии производства пищи

Процессы массообмена

Процессы массообмена - процессы, в которых основную роль играет перенос вещества из одной фазы в другую. Движущая сила этих процессов - разность химических потенциалов. Как и в любых других процессах, движущая сила массообмена характеризует степень отклонения системы от состояния динамического равновесия. В пределах данной фазы вещество переносится от точки с большей к точке с меньшей концентрацией. Поэтому обычно в инженерных расчетах приближенно движущую силу выражают через разность концентраций, что значительно упрощает расчеты массообменных процессов.

Массообменные процессы широко используются в промышленности:

• -для разделения жидких и газовых гомогенных смесей,
• - для их концентрирования,
• -для защиты окружающей природной среды (прежде всего для очистки сточных вод и отходящих газов).

Классификация и общая характеристика. Наибольшее распространение получили следующие массообменные процессы:

1. Абсорбция 2. Перегонка и ректификация 3. Экстракция (жидкостная) 4. Адсорбция 5. Ионный обмен 6. Сушка 7. Растворение и экстрагирование из твердых тел 8. Кристаллизация 9. Мембранные процессы

Во всех перечисленных выше процессах общим является переход вещества (или веществ) из одной фазы в другую.

Процесс перехода вещества (или нескольких веществ) из одной фазы в другую в направлении достижения равновесия называют массопередачей.

Перенос вещества внутри фазы - из фазы к границе раздела фаз или наоборот - от границы раздела в фазу - называют массоотдачей (по аналогии с процессом переноса теплоты внутри фазы - теплоотдачей).

Абсорбцией называется процесс разделения, основанный на избирательном поглощении газов или паров жидкими поглотителями - адсорбентами. Этот процесс применяется во многих производствах, в которых из смеси газов необходимо извлечь какое-либо вещество или комплекс веществ. В процессе абсорбции имеет место переход вещества или группы веществ из газовой (паровой) фазы в жидкую. Обратный процесс называется десорбцией.

Ректификацией называется процесс разделения смеси жидкостей, имеющих различные температуры кипения при соответствующем давлении, на чистые или обогащенные составляющие в результате противоточного движения потоков пара и жидкости. Процесс имеет большое значение в тех производствах, в которых необходимо частичное или полное разделение жидких однородных смесей на чистые компоненты или их группы. В процессе ректификации имеет место переход вещества или группы веществ из жидкой фазы в паровую и наоборот.

Экстракцией называется процесс разделения, основанный на извлечении растворенного в одной жидкости вещества или группы веществ другой жидкостью, которая не смешивается или только частично смешивается с первой. Процесс применяется в тех случаях, когда из раствора необходимо извлечь растворенное вещество или группу веществ. В этом процессе имеет место переход вещества из одной жидкой фазы в другую жидкую фазу.

Адсорбцией называется процесс разделения, основанный на избирательном поглощении газов, паров или растворенных в жидкостях веществ твердым пористым поглотителем - адсорбентом, способным поглощать одно или несколько веществ из их смеси. Процесс используется в тех производствах, где из смеси газов, паров или растворенных веществ необходимо извлечение того или иного вещества. В этом процессе вещества переходят из газовой или жидкой фаз в твердую. Обратный процесс называется десорбцией.

Ионнообменный процесс представляет собой процесс извлечения вещества из раствора, основанный на способности некоторых твердых веществ (ионитов) обменивать свои подвижные ионы на ионы извлекаемого вещества. Процесс применяется для извлечения веществ из растворов, имеющих низкую концентрацию. В этом процессе вещества переходят из жидкой фазы в твердую.

Сушкой называется процесс удаления влаги из твердых влажных материалов путем ее испарения. Процесс необходим для тех производств, в которых влажные природные вещества предварительно до их переработки или готовые вещества в последней стадии производства должны быть обезвожены. В этом процессе имеет место переход влаги из твердого влажного материала в паровую или газовую фазу.

Кристаллизацией называется процесс разделения, основанный на выделении вещества в виде твердой фазы (кристаллов) из жидкой фазы. Процесс имеет место в тех случаях, где требуется получение веществ повышенной чистоты. В этом процессе происходит переход вещества из жидкой фазы в твердую фазу. Обратный процесс - растворение.

Мембранное разделение основано на способности определенных тонких пленок (полупроницаемых мембран) пропускать одни вещества и задерживать другие. В этом процессе вещества переходят через полупроницаемую мембрану из исходной жидкости или газа в жидкую или газовую фазу, находящуюся за мембраной.

Скорость процесса [в кг/(м2 * с)] равна движущей силе Д, деленной на сопротивление R:

dМ/dF = Д/R

где dМ - количество вещества, перешедшего из одной фазы в другую в единицу времени; dF - поверхность контакта фаз.

Обозначив 1/R = К, получим основное уравнение массопередачи

dМ =К ДdF

Коэффициент К - коэффициентом массопередачи (по аналогии с процессом теплопередачи) характеризует скорость процесса переноса вещества из одной фазы в другую.

Размерность коэффициента массопередачи:

[К]= [dМ/ДdF]= [кг/с·Д·м2]

К показывает, какое количество распределяемого вещества переходит из фазы в фазу в единицу времени через единицу поверхности контакта фаз при движущей силе, равной единице. Размерность движущей силы Д может быть различной, а от нее зависит и размерность К.

Обычно уравнение массопередачи применяют для определения поверхности F контакта фаз, а исходя из этой поверхности - размеров массообменных аппаратов.

F=М / (КД)

Процесс, приводящий к возникновению новых свойств

Машина - механизм (или сочетание механизмов и вспомогательных устройств), предназначенный для преобразования механической энергии в полезную работу. Например, дробилка, резательная машина. В хлеборезательной машине энергия преобразуется в полезную работу, связанную с образованием кусков хлеба за счет осуществления процесса резания.

Аппарат - это устройство или приспособление, предназначенное для проведения того или иного физического процесса. Например варочный колет, кипятильник. Условно принято все рассматриваемые машины относить к аппаратам.

Фильтрование

Фильтрование - процесс разделения суспензий или аэрозолей при помощи фильтровальных перегородок (ФП), пропускающих жидкость или газ, но задерживающих твёрдые частицы. Ф. осуществляется в специальных аппаратах - фильтрах

Сущность фильтрации заключается в продавливании суспензии через поры полупроницаемой перегородки, через которую проходит жидкая среда (например, масло) и не проходит (или почти не проходит) суспензированная в нем дисперсная фаза (белковые и слизистые вещества, мыло, отбельный порошок и проч.).

Рабочим элементом любого фильтрующего аппарата является полупроницаемая перегородка, материал для которой необходимо подбирать весьма тщательно, с учетом свойств фильтруемой жидкости и отделяемого осадка.

При работе с маслами обычно применяют в качестве фильтрующих перегородок ткани: бязь, бумазею и чаще всего бельтинг (хлопчатобумажная диагоналевая ткань, очень прочная, рассчитанная на то, чтобы выдерживать давление до 10 кг/см.кв.); кроме того, для отделения от особо тонких осадков - фильтровальную бумагу.

Теплообмен

Теплообмен -- самопроизвольный необратимый процесс переноса теплоты от более нагретых тел (или участков тел) к менее нагретым.

Теплота (количество теплоты) -- энергетическая характеритика процесса теплообмена, которая определяется количеством энергии, отдаваемой или получаемой телом в процессе теплообмена.

К теплообменным относятся такие технологические процессы, скорость которых определяется скоростью подвода или отвода теплоты: нагревание, испарение (в том числе выпаривание), охлаждение, конденсация.

Аппараты, в которых проводят эти процессы, называют теплообменными.

Передача теплоты может осуществляться:

• -теплопроводностью - процесс переноса тепловой энергии от более нагретых участков тела к менее нагретым в результате теплового движения и взаимодействия микрочастиц.
• -тепловым излучением - теплота передается с помощью электромагнитных волн
• -конвективным теплообменом (теплоотдачей) - процесс теплообмена между поверхностью тела и окружающей средой.

Закон Ньютона--Рихмана -- эмпирическая закономерность, выражающая тепловой поток между разными телами через температурный напор.

Теплоотдача -- это процесс теплообмена между теплоносителем и твёрдым телом.

Теплопередача -- это процесс передачи тепла от одной среды к другой через разделяющую их стенку.