Программа вступительных испытаний в аспирантуру по образовательным программам высшего образования – программам подготовки научно - педагогических кадров в аспирантуре (стр. 7 )

Коэффициент диффузии характеризует способность данного вещества проникать вследствие диффузии в неподвижную среду и определяется опытным путем.

Конвективная диффузия представляет собой перенос распределяемого компонента в движущейся фазе (жидкость, газ) при турбулентном режиме. В ядре потока вещество перемещается к границе раздела фаз за счет перемещения молярных частей среды т. е. конвективной диффузии. Конвективная диффузия подчиняется закону Щукарева: количество вещества dM, переносимого за время dt через элементарную поверхность dF, пропорционально разности концентрации у поверхности раздела фаз сп и в ядре потока воспринимающей фазы - с:

dM = b(cп- с)dFdt,

где b - коэффициент массоотдачи, т. е. количество вещества, передаваемого за единицу времени через единицу поверхности раздела фаз, при разности концентраций между поверхностью раздела и ядром потока равной 1 кг/м3.

Термодиффузия - перемещение частиц вещества за счет разности температур. В результате термодиффузии происходит разделение компонентов. Разность температур в твердом теле вызывает поток массы вещества.

Массопроводность или внутренняя диффузия. Данный перенос вещества осуществляется внутри твердого вещества и описывается законом, аналогичным теплопроводности или первым законом Фика.

Целью инженерных расчетов является определение поля концентраций распределяемого компонента в твердом теле и количества передаваемой массы по истечению любого количества времени.

Движущей силой массообменных процессов является положительная разность между рабочей и равновесной концентрациями в любой из фаз.

Движущая сила редко бывает постоянной, она меняется вдоль поверхности раздела фаз. Для расчетов необходимо знать среднюю движущую силу Dyср или Dxср.

В простейшем случае, при линейной равновесной зависимости, средняя движущая сила определяется как среднелогарифмическая между движущими силами в начале и в конце поверхности фазового контакта.

Вопросы для самопроверки по теме № 11

1.  Назовите виды массообменных процессов.

2.  Что является движущей силой массообменного процесса?

3.  Как определить число ступеней концентрации?

4.  Назовите способы переноса вещества.

5.  определите способы интенсификации массообенных процессов.

6.  Как рассчитать движущую силу процесса?

Тема 12

Сушка. Способы обезвоживания влаж­ных материалов. Закономерности кине­тики процесса обезвоживания продуктов. Свойства влажного воздуха. Диаграмма состояния влажного воздуха . Изображение основных про­цессов на диаграмме (нагревание и охла­ждение, сушка и увлажнение). Материаль­ный и тепловой балансы конвективной сушки. Процессы, происходящие в теоре­тической и действительной сушилке. Ки­нетика сушки. Динамика сушки. Кривые сушки и скорости сушки. Классификация и схемы сушилок. Применение сушки пищевой промышленности.

Копчение и вяление. Копчение и вяление как разновидность процесса сушки. Общие сведения о тепло - и массо­переносе при копчении и вяле­нии. Топливо, используемое в процессе копчения. Дымогенерация и дымогенера­торы. Коптильная жидкость. Схемы коп­тильных установок. Копчение в электро­статическом поле. Внешний и внутренний массоперенос коптильных комплектов. Продолжительность горячего и холодного копчения.

Литература

[4] стр. 16-45, [3] стр. 10-17, 28-39.

Методические указания

Сушка - способ консервирования путем тепловой обработки продукции при котором удаляется значительное количество влаги, что замедляет жизнедеятельность бактерий и повышает сроки хранения. При копчении процесс сушки сопровождается замещением удаленной влаги компонентами дыма, обладающими антисептическими свойствами, это повышает стойкость продуктов при хранении и придает им специфический ароматный вкус.

В качестве сушильных агентов при сушке применяются воздух и дымовые газы. Для сушки пищевой продукции применяют только воздух. Для копчения продуктов применяют дымовоздушную смесь.

Влага, находящаяся в продукте, подразделяется на несвязанную (поверхностную и капиллярную) и связанную (осмотическую и химическую). При сушке и копчении удаляется несвязанная влага.

Химически связанная влага представляет собой прочно связанную с материалом в точных количественных соотношениях. Как правило химически связанная влага при сушке не удаляется.

Физико-химическими силами связана адсорбционная и осмотическая влага. Адсорбционная влага абсорбируется поверхностью капилляров. В процессе сушки адсорбционная влага удаляется лишь частично. Осмотическая влага, находящаяся внутри клеток, удаляется быстрее адсорбционной.

Физико -механически удерживается влага внутри капилляров (капиллярная) и на поверхности материала (поверхностная). Эта влага обладает наименьшей энергией связи и называется свободной или несвязанной и удаляется из продукта в первую очередь.

Сушка осуществляется двумя основными способами:

- нагреванием влажных материалов через твердую непроницаемую перегородку или контактной сушкой;

- нагреванием влажных материалов путем непосредственного контакта с теплоносителем или газовая и воздушная конвективная сушка.

Иногда тепло подводится материалу токами высокой частоты (диэлектрическая сушка) или инфракрасными лучами (инфракрасная сушка). Сушка при глубоком вакууме в условиях отрицательных температур называется сублимационной сушкой.

Для оценки влаги в материале используют понятия: влажность материала относительно общей массы w, влажность материала относительно абсолютно сухого материала wc и влагосодержание материала u.

Влажность материала относительно общей массы - это отношение массы влаги к общей массе.

Влажность материала относительно абсолютно сухого материала - это отношение массы влаги к массе его сухой части.

Влагосодержание материала - это отношение массы влаги к массе материала, относительно общей массы и относительно абсолютно сухого материала.

Свойства влажного воздуха как сушильного агента определяются абсолютной и относительной влажностью, влагосодержанием, энтальпией, температурой и др.

Для расчетов процесса сушки и копчения удобнопользоваться I‑x диаграммой, построенной  в 1918 году. Диаграмма построена в косоугольной системе координат с углом 135 о между осями. На диаграмме нанесены линии постоянной температуры, энтальпии, влагосодержания и пучок кривых постоянной относительной влажности, выходящих из точки с координатами x = 0, t = -273,15 oC.

С помощью диаграммы можно проследить изменение состояния влажного воздуха в различных процессах.

При взаимодействии влажного воздуха и материала влага из воздуха будет переходить в материал или наоборот до достижения равновесия. Влажность материала в этом равновесном состоянии называется равновесной влажностью. Равновесная влажность является функцией парциального давления водяного пара при данной температуре. Меняя парциальное давление при постоянной температуре можно получить кривую, называемую изотермой сорбции влаги.

Для большинства материалов равновесная влажность не зависит от температуры, а зависит только от относительной влажности воздуха. Следователь, что при помощи сушильного агента с определенной относительной влажностью невозможно удалить всю влагу из материала. Материал будет характеризоваться равновесной влажностью. Поэтому вводится понятие удаляемая влага.

При сушке влага перемещается в материале в направлении от центра к периферии, где материал омывается сушильным агентом. Это диффузионный процесс, движущей силой которого является разность концентраций влаги в различных слоях материала. Однако этот процесс осложняется тепловым воздействием. Основное уравнение влагопроводности выглядит аналогично уравнению Фурье.

Влага может перемещаться в материале как в виде жидкости (осмотическая влага), так и в виде пара (адсорбционно-связанная влага). Наряду с концентрационным при сушке имеет место и температурный градиент, в результате которого наблюдается действие термовлагопроводности. Влага при этом перемещается в направлении потока тепла, т. е. внутрь материала.

Суммарной количество влаги, перемещенное влагопроводностью и термовлагопроводностью, при обычной конвективной сушке равно разности m = mw - mt  так как направление потоков влаги противополрожно.

Сушка состоит из трех этапов: перемещения влаги внутри материала из центра к поверхности, парообразования и перемещения пара от поверхности в окружающую среду.

Движущей силой диффузии влаги в окружающую среду является разность парциальных давлений водяного пара на поверхности материала, в пограничном слое рн и в окружающей среде рв.

Для анализа изменения влажности и температуры материала строят кривые сушки. Кривой сушки называется графическая зависимость влажности или влагосодержания материала от времени проведения процесса, т. е. W = f(t).

С помощью кривой сушки можно оценить величину скорости сушки, под которой понимают уменьшение влажности материала в единицу времени. Скорость сушки определяют графическим дифференцированием кривой сушки и представляют графически как зависимость dW/dt=f(W).

В процессе сушки можно выделить несколько характерных периодов. В начальный момент времени температура материала поднимается от tн до tм и скорость сушки увеличивается до максимального значения. В следующий период времени скорость сушки и температура материала постоянны. При достижении некоторой критической влажности Wкр скорость сушки начинает уменьшаться и, по мере приближения влажности материала к равновесной Wp, стремиться к нулю. Температура материала при этом растет и приближается к температуре сушильного агента.

Весь период сушки обычно делят на периода: 1 - период постоянной скорости сушки, соответствующий изменению влажности от Wн до Wкр; 2 -период падаюшей скорости сушки, соответствующий изменению влажности от Wкр до конечного значения W2.