Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Конспект лекций по курсу «Процессы и аппараты пищевых производств»

Стр 1 из 7Следующая ⇒

Министерство образования и науки Республики Казахстан

Алматинский технологический университет

Типовая учебная программа дисциплины «Процессы и аппараты пищевых производств» для студентов дневной формы обучения

Преподаватель: Таубаев Талгат Мухажанович – кафедры «Механизация и автоматизация производственных процессов»

Семестр 2009-2010 учебного года

Специальность: 050727 - Технология продовольственных продуктов, 050728 - Технология перерабатывающих производств

Срок обучения – 4 года

Академическая степень – бакалавр

Название, номер (код) курса и количество кредитов:

Процессы и аппараты пищевых производств

Количество кредитов – 3

Семестр – 2,3

Форма итогового контроля (Final Examination) – Устный экзамен и тестирование. Устныйэкзамен проводит преподаватель, тестирование - ЦТ АТУ.

2.Пререквизиты курса (предварительные требования): высшая математика, физика

3.Постреквизиты: оборудование пищевых производств, технология пищевых производств.

4. Цель курса: Создание у студентов основ теоретической подготовки для овладевания знаниями по специальным курсам. Формирование у студентов научного мышления, понимания физико-химической сущности основных процессов, которые являются общими для многих отраслей пищевой промышленности, а также овладение знаниями принципов устройства и методов расчета аппаратов, предназначенных для проведения этих процессов. Освоение студентами методик проведения экспериментальных исследований, обработки полученных результатов, оценки степени их достоверности и определение погрешности измерений. К окончанию курса студенты должны иметь набор учебно-практических материалов (конспекты лекций, практических и лабораторных занятий, отчеты по СРС).

5.Краткое описание курса: Особенностью курса является изучение общих принципов всех технологических процессов с целью познания их внутренних закономерностей, а также освоение научно обоснованных методов расчета процессов и аппаратов. Курс состоит из лекций, практических и, лабораторных занятий, самостоятельной работы студентов. Курс лекций состоит из 6 разделов (блоков): 1 - общие сведения, классификация и принципы разработки процессов и аппаратов; 2 – основы гидравлики; 3 – гидромеханические процессы; 4 – механические процессы; 5 – тепловые процессы; 6 – массообменные процессы. На лекциях студенты должны получить теоретические знания оп изучаемому предмету. На практических занятиях студенты получают навыки расчета технологических процессов и аппаратов пищевых производств: определение материальных и тепловых потоков, геометрических размеров и конструктивных особенностей аппаратов, их производительности. Лабораторные занятия способствуют приобретению студентами навыков научных исследований, проведения экспериментов и обработки полученных результатов. СРС способствует развитию умения работы с литературными источниками, закреплению навыков в проведении расчетов. Оценка усвоения пройденного материала осуществляется с помощью промежуточного контроля – 3 контрольные работы в форме тестов, финальных экзаменов: устного и тестирования.

6. Информация об оценках:

Итоговый рейтинг студента по курсу за академический период составляет 100 баллов, которые распределяются:

Промежуточные виды контроля - 60 баллов (проставляет преподаватель)

Финальный устный экзамен - 15 баллов (проставляет преподаватель)

Финальное тестирование - 25 баллов (проставляет ЦТ АТУ)

Максимальное количество баллов, проставляемое за различные виды работ и формы контроля, приведено в таблице 1. Максимальный балл проставляется студенту при полном выполнении задания в указанные сроки, неполное или несвоевременное выполнение не позволяет получить максимальный балл и оценивается в процентах от максимального значения (0, 25, 50 и 75%).

Таблица 1

№	Вид работ	содержание в системе оценок, %	Максимальное количество баллов
	Финальный устный экзамен
	Тестирование
Итого оценка офис регистратора
	Контрольная работа №1 (промежуточный экзамен 1)
	Контрольная работа №2
	Контрольная работа №3 (промежуточный экзамен 2)
Итого
	Конспекты лекций и СРС
	Лабораторные занятия
Итого
Итого оценка преподавателя
Всего

Итоговые оценки проставляются в балльной, буквенной и традиционной форме.

Сроки проведения промежуточного контроля:

Контрольная работа №1 (промежуточный экзамен)	5 неделя, 4.10.2006 в16.00
Контрольная работа №2	10 неделя, 8.11.2006 в 16.00
Контрольная работа №3 (промежуточный экзамен)	15 неделя, 13.12.2006 в 16.00

Время сдачи домашних заданий, отчетов по СРС: суббота 9.30-11.20.

Внимание! При успешном освоении курса и своевременном выполнении всех заданий студент имеет право на получение максимальной оценки по финальному устному экзамену на основании своего рейтинга.

7.Данные о преподавателе.

Преподаватель: Таубаев Талгат Мухажанович – преподаватель кафедры «Механизация и автоматизация производственных процессов» АТУ

Офис: Алматы, ул. Толе би, 100, корпус №3, каб. 303

Телефон: 92-47-90 (внутренний - 215)

Время пребывания: 9.00 – 17.00 – ежедневно, кроме субботы и воскресения, в субботу – 9.30 – 12.00.

2 курс, русское отделение:

Лекции, Практические занятия, СРСП, Консультации:

8.Политика и процедура: запрещены опоздания, неуважительные пропуски занятий, несвоевременное предоставление работ, отсутствие на экзамене.

Требования к студентам:

· отработка пропущенных занятий по уважительным причинам в субботу 9.30-11.30;

· активно участвовать в учебном процессе;

· самостоятельно заниматься в библиотеке, дома, в Интернет-классе.

Нормы академической этики: Конфликтные ситуации должны открыто обсуждаться в академических группах.

9. Календарный и тематический план лекций, занятий:

Темы лекций

Лекция (неделя)	Дата	Тема и содержание лекции	Тема СРСП, СРС	Литература (разделы, страницы)
	29.01.2009	Введение. Цель и задачи дисциплины. Основные понятия и определения. Общие закономерности протекания технологических процессов, их классификация. Основные этапы проектирования аппаратов. Элементы теории подобия и моделирование. Требования, предъявляемые к аппаратам.	Классификация процессов по классам, группам и видам	[1. с. 6-22]
	5.02.2009	Гидравлика. Свойства жидкостей. Основные законы гидростатики: Эйлера, Паскаля, Архимеда.	Уравнение равновесия Эйлера. Сообщающиеся сосуды.	[1. с. 23-32]
	12.02.2009.	Основы гидродинамики. Режимы движения. Законы гидродинамики: неразрывности, Бернулли. Гидродинамическое подобие.	Распределение скоростей жидкости. Уравнение движения Эйлера.	[1. с. 33-42]
	19.02.2009	Истечение жидкостей. Основы реологии.	Критерии гидродинамического подобия.	[1. с. 42-54]
	26.02.2009	Гидравлические машины. Насосы. Компрессорные машины.	Характеристика центробежного насоса.	[1. с. 54-63]
	09.10.2009	Гидромеханические процессы. Характеристики дисперсных систем. Перемешивание и диспергирование. Пенообразование, взбивание, псевдоожижение.	Распыливание жидкостей. Процессы мойки.	[1. с. 64-86]
7 – 1 рейтинг	5.03.2009	Разделение гетерогенных жидкостных систем. Разделение в поле силы тяжести и в поле центробежных сил.	Сепараторы.	[1. с. 86-96]
	12.03.2009	Фильтрование, мембранные методы разделения. Обратный осмос, ультрафильтрация. Газоочистка.	Газоочистка.	[1. с. 96-107]
	19.03.2009.	Механические процессы. Основные понятия. Измельчение материалов. Основы теории измельчения. Циклы и способы измельчения. Прессование. Сущность и назначение процессов, их классификация. Основные факторы, влияющие на процесс прессования. Аппаратурное оформление процессов.	Смешивание и сортировка сыпучих материалов.	[1. с. 108-134]
	26.03.2009	Тепловые процессы. Общие сведения. Сущность и способы тепловой обработки. Теоретические основы теплообмена. Теплопроводность, теплоотдача, теплопередача, тепловое излучение, смешанный теплообмен. Основные критерии теплового подобия.	Критериальные уравнения.	[1. с. 135-151]
	2.04.2009	Типы теплообменных аппаратов, классификация, устройство, применение. Основы расчеты тепловой аппаратуры. Интенсификация тепловых процессов.	Аппараты с рубашкой, с внутренней поверхностью теплообмена, с лучистым теплообменом.	[1. с. 158-178]
	9.04.2009	Специфические процессы общего назначения. Пастеризация, стерилизация, выпаривание. Основы расчета и аппараты. Процессы замораживания и размораживания их виды и сущность, уравнения теплового и материального балансов, аппараты.	Процессы варки и жарки.	[1. с. 178-219]
	16.04.2009	Массообменные процессы. Теоретические основы массообменных процессов. Уравнение молекулярной диффузии. Массопроводность, массоотдача, массопередача. Классификация массообменных процессов.	Вывод уравнения молекулярной диффузии.	[1. с. 220-227]
	23.04.2009	Сорбционные процессы. Абсорбция и адсорбция. Основные понятия, уравнение фазового равновесия, материальный баланс процессов, аппараты. Экстракция. Сущность и назначение процесса, уравнение материального баланса, аппараты. Ректификация и простая перегонка. Сущность процессов, материальный и тепловой баланс, аппараты.	Десорбция.	[1. с. 228-243]
15 – 2 рейтинг	30.04.2009	Сушка. Физическая сущность процесса, влаго- и термовлагопроводность. Кинетика сушки, кривые сушки и скорости сушки. Основы расчета процесса. Виды сушки, аппараты. Растворение и кристаллизация. Сущность и назначение процессов. Кинетическое уравнение и его анализ, аппаратурное оформление.	Физические, химичесике и электрофизические методы обработки пищевых продуктов.	[1. с. 243-258] [1. с. 259-269]

10. Календарный и тематический план лабораторных занятий.

Перечень лабораторных работ (методические указания к лабораторным работам получить у преподавателя на кафедре МАПП, корп. №1, ауд. № 609).

№ недели	Тема лабораторной работы	График защиты	Оценка в баллах
	Исследование режимов движения	2 неделя
	Исследование уравнения Бернулли	4 неделя
	Определение сопротивления по длине трубопровода	6 неделя
	Отстойное центрифугирование	8 неделя
	Исследование процесса фильтрации	10 неделя
11,12	Испытание кожухотрубного теплообменника	13 неделя
	Изучение кинетики сушки	15 неделя

Семестр 2

Конспект лекций по курсу «Процессы и аппараты пищевых производств»

ЛЕКЦИЯ 1

ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ

В основе всех технологических производств лежат законы сохранения энергии и массы:

1. тепловой баланс

2. материальный баланс

Теплота в изобарных условиях без изменения агрегатного состояния:

Процесс – последовательные и закономерные изменения в системе, приводящие к возникновению в ней новых свойств.

Машина – механизм (их сочетание) предназначенных для преобразования механической энергии в полезную работу.

Аппарат – устройство для проведения какого-либо процесса.

Классификация процессов:

1. Организационно-техническая:

А) периодический

Б) непрерывный

В) комбинированный

2. По отношению ко времени:

А) установившиеся П≠ f (τ) П – параметр процесса

Б) неустановившееся П= f (τ)

3. По кинетическим закономерностям:

Скорость процесса прямо пропорциональна движущейся силе и обратно сопротивлению:

где х – движущая сила.

А) гидромеханические: X_r=Δp

Б) механические: X_M=ΔF

В) тепловые:X_T=Δt

Г) массообменные: X_мо=Δс

Д) химические

Е) микробиологические

Ж) электрофизические: X_эл=ΔU

Для описания состояния и его изменения различных тел используют физические величины, для их измерения – единицы системы СИ.

Разработка новых процессов и аппаратов состоит из нескольких стадий:

1. Разработка технического предложения

2. Создание эскизного проекта

3. Создание технического проекта

4. Создание конструкторской документации

Данные стадии предусматривают аналитические и экспериментальные исследования – для этого теория моделирования:

1. Математическое моделирование:

1.1. Детерминированный подход – анализ элементарных явлений.

1.2.Стохатический – изучение влияния входных параметров на выходные.

2. Физическое моделирование – изучение процессов на конкретных моделях.

Основы теории подобия:

1. Процессы, происходящие в модели и натуральном аппарате, должны описываться одинаковыми уравнениями

2. Модель должна быть геометрически подобна натуральному образцу

3. Значения начальные и граничных условий процесса, выраженные в виде критериев, должны быть одинаковыми.

4. Все критерии и безразмерные компоненты во всех сходных точках должны быть одинаковыми.

Требования, предъявляемые к аппаратам:

1. Технологические – качество, короткое время, энерго-ресурсосберегающие.

2. Эксплуатационные – простота обслуживания при минимальных затратах и времени, доступность для ремонта и чистки.

3. Энергетические – энергосбережение.

4. Конструктивные – унификация, стандартизация, снижение материалоемкости, эстетичность и т.д.

5. Экономические

6. Защита окружающей среды.

ЛЕКЦИЯ 2

ОСНОВЫ ГИДРАВЛИКИ

Жидкость рассматривают как непрерывно материальную среду.

Ее свойства:

1) плотность (кг/м³)

2) удельный объем

3) упругость (коэффициент объемного сжатия)

модуль объемной упругости

4) коэффициент температурного расширения

5) Поверхность натяжения

6) Капиллярность

7) Вязкость

Где v – скорость, h – линейный размер поперечного сечения

Согласно уравнению Ньютона для ньютоновской жидкости удельная сила трения определяется:

(1)

Неньютоновские жидкости (Бингама) – тесто, фарш, творог.Для них: (2)

s_ут – удельная сила трения, Па

s_пт – предельное значения силы трения (Па), свыше которого жидкость приходит в движение.

Гидростатика

Основное уравнение гидростатики Эйлера:

где Z – геометрический напор

- статический (пьезометрический) напор

Рисунок 2.1 – К закону Эйлера

(1)

(2)

Закон Паскаля

Обозначим h = Z₁- Z₂– глубина погружения.

Тогда из уравнения (2):

P₂= P₁+ gh

Давление на глубине h увеличивается на величину гидростатического давления gh.

Следствие: Давление создаваемое в любой точке передается всем точкам объема жидкости.

Закон Архимеда:

На тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила равная весу вытесненной воды.

Рисунок 2.2- К закону Архимеда Рисунок 2.3 – Сообщающиеся сосуды

dp₁= _ж gh₁dS

p₂= _ж gh₂dS

dp_b= dp₂- dp₁= _ж ghdS

Сила тяжести p_b= r_tgV

Результирующая: р_r=р_т-p_b=V(r_т-r_ж)g

Если r_т>r_ж, то (+ Р_р) – тело тонет.

Если r_т<r_ж, то (- Р_р) – тело всплывает.

Сообщающиеся сосуды

Из уравнения Эйлера:

Отсюда: , если , то

ЛЕКЦИЯ 3

Гидродинамика

Изучает закономерности движения жидкостей.

Основные понятия:

1.Объемный расход V = v_срS

2.Массовый расход М=r v_срS

3.Средняя скорость v_{с р=}

Гидравлический радиус канала r_гид= , П - смоченный периметр

Эквивалентный диаметр: d_э=4r_гид

Режимы течения

1. Ламинарный - слои жидкости движутся параллельно друг другу без ускорения или равноускоренно.

2. Турбулентный – слои перемешиваются, наблюдаются завихрения и пульсации.

Рисунок 2.4 – Распределение Рисунок 2.5 – К уравнению скоростей неразрывности

Критерий Рейнольдса:

Rе=

Re_кр=2320

v _max = (p₁-p₂) v _r = v _max()

Уравнение неразрывности

V = v _срS = const

Объемный расход через любое сечение потока жидкости величина постоянная.

Уравнения движения Эйлера

- ускорение

m - сила, вызывающая движение m=rdV

Рисунок 2.6 – К уравнениям движения Эйлера

На элементарный объем действует силы давления и тяжести:

В равновесии приравниваем к силам вызывающим движение. После преобразования:

(1)

Уравнение Бернулли

Сложив и продифференцировав (1), получаем уравнение Бернулли для идеальной жидкости (без трения):

Рисунок 2.7 – К уравнению Бернулли

В соответствии с рисунком 2.7 с учетом потерь напора на преодоление сил трения можно записать:

(для реальной жидкости)

где , - полный напор Н

Z₂ – геометрический напор

- статический (пьезометрический) напор

- скоростной (динамический) напор

h – потеря напора. Возникает за счет трения. Коэффициенты потери напора по длине трубопровода:

ламинарный , турбулентный

Гидравлические сопротивления (трение и места возникновения):

1. Вводный и переходной патрубки 4. Поворот трубы

2. Сосуд большого объема 5. Вентили, краны

3. Сужение, расширение

Энергетический смысл уравнения Бернулли:

H – полная энергия;

+ Z – потенциальная энергия;

– удельная кинетическая энергия

Основы гидродинамического подобия

1. Геометрическое подобие

2. Гидродинамическое подобие – подобны поля физических величин характеризующих явление

критерий Ньютона ;

; Ne_м – модель, Ne_н – натура.

Критерий Фруда: , - соотношение силы тяжести и инерции;

Критерий Эйлера: , - соотношение силы давления и инерции;

Критерий Галлилея: , - соотношение силы вязкого трения и тяжести;

Критерий Грасгофа: , - соотношение силы вязкого трения и подъемной сила;

Критерий гомохронности: - неустановившийся характер движения.

Расчет диаметров трубопроводов

Важно при проектировании

Уравнение объемного расхода: . Отсюда определяют диаметр:

;

Рекомендуемые значения средней скорости течения:

1¸3 м/с (для капельных жидкостей)

8 – 15 м/с (газ, воздух при небольшом давлении)

15 – 20 м/с (газ, воздух при высоком давлении)

20 – 30 м/с (насыщенный пар)

30 – 50 м/с (перегретый пар)

ЛЕКЦИЯ 4

Истечение жидкости

Используем уравнение Бернулли. Сначала исследуем истечение при постоянном уровне:

p₁

1 1

2 2 z₁

z₂

0 P₂ 0

Рисунок 2.8 – Истечение жидкости

1) При атмосферном давлении р₁=р₂ (в сечении 1-1 скорость ), тогда:

(1)

j_и< 1 коэффициент истечения;

2) При избыточном давлении ():

(2)

полный напор: Н_п=h+(p₁– p₂)/rg

Большее значение имеет время истечения, а не скорость.

С учетом полученных зависимостей, при убывающем уровне:

Для открытого резервуара: сечение (1 – 1)

Н – первоначальный уровень,

S₂ – сечение выходного отверстия.

При избыточном давлении: сечение (2 – 2)

Н_и – избыточное давление в метрах водяного столба.

Для получения струй применяются насадки (l /d=3¸5)

1 - Цилиндрические (j_и=0,8), 2 - Конические: А - сужающиеся (j_и=0,9–0,95, для дальнобойной струи), Б – расширяющиеся (j_и=0,5–0,55, для большого расхода при малой кинетической энергии), 3 – Коноидальные (j=0,97).

Рисунок 2.9 - Насадки

Сила действия струи:

На плоскую стенку: F=rVu

На выпуклую стенку: F=rVu(1 – Cos a)

На вогнутую стенку: F=2rVu

Основы реологии

Неньютоновские жидкости (3 основные группы):

1. Скорость сдвига зависит от направления и не зависит от продолжительности воздействия – вязкие:

а) бингамовские s>s_кр – коэффициент пластической вязкости (густые суспензии, пасты);

б) псевдопластичные малые значения s_кр – кажущаяся вязкость h_к, который уменьшается с увеличением градиента скорости (суспензии с асимметричными частицами);

в) дилантные - h_к растет с увеличением градиента скорости (суспензии с большим количеством твердой фазы);

2. Напряжение сдвига зависит от градиента скорости и изменяется во времени:

а) тиксотропные – со временем падает напряжение сдвига (разрушается структура);

б) реопектические – со временем растет напряжение сдвига.

3. Вязкоупругие (максвелловские) – текут при приложении напряжения, а после снятия восстанавливают частично форму (тесто).

При расчете трубопроводов определяют объемный расход:

где М – массовый расход, кг/с.

Затем - диаметр:

ЛЕКЦИЯ 5

Гидромашины

Технологические процессы требуют перемешивание, перекачивание, подвод и отвод жидкостей и газов.

Для жидкостей – насосы;

Для газов – компрессорные машины.

1.Насосы

Определение напора, создаваемого насосом

Рисунок 2.10 – Определение необходимого напора насоса

Н_г – высота геометрического подъема жидкости. Называют также полным напором;

Н_н – высота нагнетания;

Н_в – высота всасывания.

Н_гсв – гидросопротивление во всасываемом трубопропроводе;

Н_гсн – гидросопротивление в нагнетающем трубопроводе.

Если давление в резервуарах различно:

Теоретическая высота всасывания может быть равна атмосферному давлению, однако сильно зависит от температуры (закипание).

Так при t = 0^oC ® H_B= 9 м, а при t = 65^oC ® H_В=0

Насосы делятся на:

1) поршневые (плунжерные): простого и двойного действия, многоплунжерные

производительность:

h_пд =0,85 – 0,95; S – площадь поршня, l – ход поршня, п – частота вращения вала, z – число плунжеров. Развивает высокое давление. Недостаток – пульсирующая подача. Для сглаживания пульсации – двойного действия и многоплунжерные.

Рисунок 2.11 – Плунжерный насос

Двойного действия

2) центробежные: одно- и многоступенчатые – для перемешивания маловязких жидкостей. Перед пуском должен быть заполнен, поэтому устанавливается ниже уровня жидкости (рисунок 2.12)