Reologia właściwości reologiczne cieczy- surowce i produkty ze względu na złożoną strukturę i skład chemiczny, wykazują różne zachowanie pod wpływem działania sił. - W przypadku cieczy- przepływ i wewnętrzne ścinanie( w wyniku działania siły)

*Środowisko poddane działaniu siły przeciwstawia sie temu

*Opór środowiska wynika z tarcia wewnętrznego między cząsteczkami płynu, które przemieszczaja się jedne względem drugich pod wpływem przyłożonej siły

*Ilościowe(policzalne)wyrażenie prawa tarcia wewnętrznego w cieczach sformułował Newton- siła tarcia jest wprost proporcjonalna do powierzchni trących i gradientu prędkości F=µA(dn/dl) µ=η F= η A(du/dl)

WSP. µ proporcjonalności- WSP. lepkości dynamicznej.

dzielac to wyrazenie przez A: tał τ= η (du/dl) V=u, h=l. Naprezenie styczne τ=F/A [Pa]

Szybkosc scinania: γ=du/dl [m/s / m= s do -1], du-roznica predkosci pomiedzy dwoma sasiadujacymi warstwami, dl- roznica grubosci warstwy.

lepkosc dynamiczna: η= τ / γ [Pa*s] naprezenie styczne/szybkosc scinania.

lepkosc kinematyczna: υ = η /ro [m2/s].

rownanie newtona: η= τ / γ . lepkosc= naprezenie scinajace/szybkosc sciania.

Własciwosci cieczy niutonowskich wykazują klarowne soki owocowe i ich koncentraty, oleje.ich przeplyw w pewnym zakresie naprezen i szybkosci scinania ma char liniowy.

Większość surowców, półproduktów i gotowych wyrobów ma krzywe płynięcia krzywoliniowe(w wielu przypadkach nie przechodzą przez poczatek układu współrzędnych)-ciecze nie niutownowskie

W przypadkach tych cieczy lepkość i konsystencja jest wymiennie stosowana.

ciecze niutonowskie: ich przeplyw w pewnym zakresie naprezen i szybkosci scinania ma charakter liniowy (woda, herbata)

Granica płyniecia τ0. maksymalne naprezenie styczne τ przy predkosci scinania γ=0 [sdo-1] jesli: Fzew<Fwew (subst nie plynie), Fzew>Fwew (sub plynie).

RównanieHerschela-Burkleya

pozwala opisać podstawowe typy krzywych płynięcia

τ = η (du/dl) do potegi s + τ0. s-wspolczynnik stanowiacy miare odchylenia danej cieczy od p.niutonowskich. s=1 -ciecz plastyczna (Binghama) sa te ketchupy,sosy,polewy. τ0= 0 i 0<s<1 - ciecz pseudoplastyczna(emulsje, zawiesiny, piany); τ0= 0 i 1<s< nieskonczonosc - ciecz dylatancyjna; o<s<1 - wlasciwosci miedzy ciecza plastyczna a pseudoplastyczna np pasty, przeciery.

równanie Cassona (gdy równanie Herschela-Burkleya nie jest w stanie opisać właściwości reologicznych) dobrze opisuje równanie czekolady płynnej. pierwiastek z τ = pierw z τ0 + η *pierwiastek z du/dl.

-w roztworach koloidalnych i zawiesinach -agregacja cząsteczek i tworzenie struktur wewnętrznych; -Ścinanie cieczy wywołuje naruszenia struktur wewnętrznych, oraz zmienia położenie skupisk cząsteczek względem siebie; -Ustanie ścinania umożliwia powrót układu do stanu wyjściowego lub tworzenia nowych struktur

Ciecze -tiksotropowe- lepkość(konsystencja) układu zmniejsza sie w miare przedłuzania sie czusu scinania przy stałej predkosci scinania -reopektyczne- zjawisko odwrotne (zjawisko bardzo rzadkie, nie wystepuje w przemysle spozywczym)

Tiksotropowe własciwosci cieczy ulegaja zmianom przy kilkakrotnych i powtarzajacych sie po sobie okresach scinania i wypoczynku (relaksacji).Czas upływajacy miedzy tymi cyklami wpływa na własciwosci cieczy i odbudowanie cieczy (stuktury) jest tym wieksze mi czas relaksacji dłuzszy.

Na lepkosc wpływaja; η = f(S, T, P, du/dl, t, V) -fizykochem wł badanego materiału, temperatura, cisnienie, szybkosc scinania, czas napiecie

Metody pomiaru wiskozymetry- pomiary lepkosci w zaleznosc od predkosci scinania (czasu i temperatury) *absolutne (reometry) wyniki w podstawowych jednostkach fiz *wiskografy badaja lepkosc w jednostkach umownych, warunkach umownych

Reometria zajmuje sie ilosciowym wyznaczaniem wlasnosci reologicznych na drodze doswiadczalnej. metody wiskozymetrycznej. wiskozymetria -wyznaczanie zaleznosci miedzy naprezeniem stycznym a szbkoscia scinania płynu. wystepuja nastepujace przepływy: -w przewodzie cylindrycznym (reometry kapilarne), -miedzy dwoma wspolosiowymi cylindrami, -miedzy stozkiem a plytka, -miedzy dwoma rownoleglymi plytkami. reometria kapilarna: płyn jest przetłaczany przez cylindryczny przewod o gladkiej pow wew; parametry moga byc dobrane tak aby przepływ był ustalony, izotermiczny, laminarny. zalety: tani przyrzad, latwy do zbudowania, tani w obsludze, mozna uzyskac wysokie szybkosci scinania, latwa regulacja temp, przeplyw kapilarny jest podobny do wielu procesow przem, mozna badac proces pecznienia i zniksztalcenia wytloczki. wady: trudnosci z zapewnieniem wlasciwego przeplywu, efekty wylotowe. Reometr współosiowy cylindryczny zalety: -nie wystepuje ograniczenie czasu w którym próbka może być ścinana -zastosowanie płynów o niższej lepkości -duże pole powierzchni wirujących -łatwość ograniczenia parowania (naskórek-mały kontakt substanicji z powietrzem) Wady: -przegrzewanie materiału -przy płynie o dużej lepkości trudności z wypełnieniem -trudności z usunięciem pęcherzyków gazu

Model kelvina Odkształcenie jest równe w każdym z badanych elementów: γs= γ d= γ; a naprężenie jest sumą naprężeń tłumika i sprężyny. τs+ τ d= τ
Naprężenie w modelu kelvina od odkształcenia względnego. Moduł ten obrazuje właściwości lepko-sprężyste ciała stałego .

Moduł maxwella (szeregowy) Naprężenie zeleży od szybkości odkształcenia względnego. τs= τ d= τ ; γs+ γ d= γ

MIESZANIE -polega na wzajemnym przemieszczaniu się różnych cząstek środowiska w celu uzyskania lub utrzymania jego jednorodności. może przebiegać:-samorzutnie, np. dzięki dyfuzji składników układu ; -wymuszony sposób w skutek doprowadzenia z zewnątrz energii, np. za pomocą mieszadeł. / W wyniku mieszania następuje intensyfikacja wielu przemian fizykochemicznych, procesów przenoszenia ciepła i masy. Zazwyczaj mieszanie przyspiesza przebieg samoistnego rozwarstwiania się, np. wyrównanie stężeń. Rzadko proces ten przebiega odwrotnie do samoistnego rozwarstwiania się, np. przy powstawaniu emulsji. Stosuje się w celu urozmaicenia składu mieszaniny 2 lub więcej składnikowe. Składniki mieszanin mogą mieć różny stan skupienia.Różne rodzaje mieszanin:- m. w środowisku ciekłym,- ciał stałych,

- ciał plastycznych,- gazów lub par z cieczami.

Składniki podlegające mieszaniu muszą występować w różnych ilościach. 1 ze składników jest w przewadze w stosunku do pozostałych i stanowi fazę ciągłą. Pozostałe składniki- faza rozproszona- trzeba trak rozprowadzić w fazie ciągłej, aby uzyskać zamierzony rezultat mieszania. Dlatego trzeba wprowadzić je w ruch, aby zmienić położenie cząsteczek poszczególnych składników.

W zależności od ciśnienia panującego podczas mieszania mieszalniki dzieli się na:

- aparaty bezciśnieniowe- pracują przy ciśnieniu atmosferycznym

- ciśnieniowe- pracują przy ciśnieniu większym niż ciśnienie atmosferyczne,

-podciśnieniowe- pracują przy ciśnieniu mniejszym niż ciśnienie atmosferyczne

Urządzenia do mieszania: aparat w którym jest mieszanie ze sobą różnych substancji (stałych, ciekłych i gazowych), w sposób wymuszony niezależnie od zachodzących procesów fizykochemicznych nazywa się mieszalnikami.

O budowie mieszalnika decyduje:- rodzaj mieszanej substancji,- zastosowane mieszadło, - budowa zbiornika.

MIESZALNIKI: gdy fazą ciągłą jest ciecz można prowadzić sposobami:

1. mechaniczne- za pomocą mieszadeł,2. pneumatyczne- za pomocą energii strumienia gazów wprowadzanych do cieczy,3. przepływowe (strumieniowe)- przez wymieszanie strumieniami przepływowymi cieczy. M.mechaniczne- mieszadła :- łapowe, - śmigłowe,- turbinowe.Mieszadła o innych rozwiązaniach konstrukcyjnych:

- płytowe,- ramowe,-kotwicowe koliste.

Przebieg procesu mieszania zależy od sposobu cyrkulacji cieczy w mieszalniku, a sposób ten głównie od:-rodzaju mieszadła,- typu zbiornika.

Uwzględniając dominującą składową prędkości, dokonuje się często podziału mieszadeł na grupy:- strumień okrężny (styczny)- łapowe, kotwicowe, ramowe;

- strumień promieniowy- turbinowe zakryte;- strumień osiowy- śmigłowe.

M. ŁAPOWE:-wytwarzają głównie okrężną cyrkulację cieczy, a cyrkulacja osiowo- promieniowa jest nieznaczna-jeżeli wysokość słupa cieczy w zbiorniku jest znaczna lub ciecz jest stosunkowo lepka, wzdłuż wysokości wału umieszcza się 2-5 rzędów łopatek

-zaletą- prosta konstrukcja, niska cena, nawet wtedy gdy materiał nie stanowi podstawowej pozycji w kosztach ich budowy-wadą- mała intensywność mieszania

-są najdogodniejsze do mieszania cieczy o małej lepkości (do 0,1 Pa*s)

M. SMIGŁOWE:-do mieszania cieczy o umiarkowanej lepkości (do 6Pa *s)

-mieszanie przy dużych prędkościach-wada- duży koszt ich wykonania

-przy dużych prędkościach obrotowych powstaje lej, który może odsłonić nawet całe śmigło-zmniejsza przy tym zapotrzebowanie mocy, zaczyna się zasysanie powietrza, a efektywność mieszania gwałtownie spada-aby nie powstał lej mocuje się na ściankach zbiornika listwy lub wał mieszadła jest umieszczony nie w osi zbiornika, lecz pod pewnym kątem// M.TURBINOWE-element roboczy- turbinka obracająca się na pionowej osi.-Ze względu na konstrukcję dzielimy na:-turbinowo- łapowe,-turbinowo- łopatkowe,- turbinowe mieszadło talerzowe-mieszadło turbinowo- łopatkowe zamknięte.

-do mieszania cieczy o dużej lepkości i różnej gęstości, szczególnie do tworzenia emulsji bardzo przydatne są mieszadła turbinowe typu talerzowego.

MIESZANIE MECHANICZNE: Do mieszania cieczy o małej lepkości (do0,05 Pa *s) stosuje się mieszadła płytowe. Szczególnie przydatne przy mieszaniu cieczy podczas pod czas rozpuszczania ciała stałego oraz do mieszania mechanicznego intensyfikacji wymiany ciepła. Kombinacja prostych mieszadeł łapowych z łopatkami pionowymi i poziomymi są mieszadła ramowe stosowane do mieszania cieczy o dużych objętościach. W porównaniu z mieszadłami płytowymi wywołują one większą burzliwość cieczy w całej objętości, co polepsza efektywność mieszania.

-szerokie zastosowanie: mieszadła kotwicowe, koliste, których kształt ściśle odpowiada kształtowi zbiornika, w którym pracują.-przy mieszaniu cieczy o dużej lepkości (do200Pa *s)i przy dużej objętości zbiornika mieszalnika stosuje się mieszadła mechaniczne o ruchu planetarnym. ZBIORNIKI MIESZALNIKÓW: najczęściej kształt cylindryczny, dno płaskie lub wypukłe, o różnym kształcie (stożkowe, elipsoidalne) są zwykle ustawione pionowo, rzadziej poziomo.

MIESZANIE PNEUMATYCZNE:

-polega na doprowadzeniu do cieczy gazu przez odpowiednie otwory w mieszalniku,

-mieszanie cieczy jest dzięki ruchowi pęcherzyków w górę i dzięki płynącym w dół strumieniom cieczy; -może być stosowany do mieszania cieczy o lepkości do 200Pa *s i do mieszania materiałów ziarnistych, np. ziarna podczas procesu moczenia przy produkcji słodu; -wprowadzenie gazu do cieczy mieszanej mechanicznie zmniejsza moc mieszania w wyniku mniejszej gęstości i lepkości cieczy i w wyniku mieszania pneumatycznego,; -zmniejszenie może mieszania może dochodzić do 70%mocy zużywanej podczas mieszania mechanicznego, zależnie od ilości gazu znajdującego się aktualnie w cieczy; -nie ma większego zapotrzebowania w przemyśle spożywczym, głównie ze względu na duże zapotrzebowanie na energię i silne napowietrzanie mieszanej substancji; -ma zastosowanie do surowców i produktów spożywczych odpornych na utlenianie lub gdy napowietrzanie jest procesem pożądanym.

MIESZANIE PRZEPŁYWOWE: -przeprowadzane w sposób ciągły, -można mieszać: ciecz + ciecz, ciecz + sproszkowane ciało stałe lub gaz; -zasada ich działania: zetknięcie ze sobą i wymieszanie 2 strumieni różnych składników (lub większej liczby strumieni) ;-mieszalniki o działaniu ciągłym wymagają krótszego czasu mieszania i zużywają mniej mocy do uzyskania tego samego efektu technologicznego co mieszalniki o działaniu okresowym,; -mieszanie w mieszalnikach okresowych to kilka minut, a o działaniu ciągłym kilka sekund; -w mieszalnikach o działaniu ciągłym mieszadła są nieruchome, mieszanie uzyskuje się dzięki wykorzystaniu energii kinetycznej strumieni płynów; -coraz częściej używa się mieszalników statycznych , które są wprowadzone bezpośrednio do rurociągów i dzięki swej złożonej budowie zapewniają burzliwość przepływu.

MIESZANIE CIAŁ SYPKICH Róznice między mieszaniem ciał ciekłych a sypkich wynikają z odrębnego charakteru zachowania się cząstek ciała stałego, w prównaniu z cieczą w warunkach dynamicznych – mieszanie ciał sypkich przedstawia szczególne trudności jeśli składniki różnią się współczynnikiem kształtu, wielkością i gęstością w związku z czym dążą do rozwarstwiania //Mieszarki-od sposobu mieszania: -z mieszadłami mechanicznymi- przesypowe – pneumatyczne

Mieszarki przesypowe- nie mają czynnego mieszadła,mieszanie zachodzi podczas obrotu zbiornika mieszarki – materiał wewnatrz mieszarki jest podnoszony w góre za pomocą różnego typu przegród, a następnie spada w wyniku działania siły ciężkości – efektem wielokrotnego przesypywania jest duża jednorodność mieszaniny – w celu polepszenia intensywności w większości rozwiązań konstrukcyjnych mieszarek bębnowych wewnątrz bębna są instalowane różnego typu elementy intensyfikujące mieszanie umożliwiające transport mieszaniny wzdłuż osi obrotu bębna – stopniowe przesuwanie materiału sypkiego podczas mieszania w kierunku wsypu uzyskuje się przez niewielkie pochylenie bębna// Mieszarki pneumatyczne – działają na zasadzie mieszania materiałów sypkich w strumieniu powietrza , są stosowane do mieszania dużych ilości składników, homogenizacji, aglomeracji proszków – mieszanie odbywa się za pomocą gazu (sprężonego powietrza)wstrzykiwanego przez dyszę mieszającą, co pewien czas tworząc główne strumienie mieszające – prędkości wylotu gazu z dyszy wynosi 200-400m/s – w wyniku dużej energii kinetycznej , gaz unosi mieszany materiał i wprowadza go w ruch dookoła ścian zbiornika – maja błonę zabezpieczającą przed wysokim spadkiem ciśnienia ZAGNIATARKI –do mieszania takich składników jak pasty , ciasta często z dodatkami rozdrobnionych ciał stałych lub cieczy – celem jest uzyskanie nie tylko jednorodnego kształtu lecz również wytworzenie odpowiednich właściwości technologicznych przez zagniatanie masy, napowietrzanie, i nadanie jej określonych cech mechanicznych-proces jest prowadzony w mieszalnikach o specjalnej konstrukcji – są wyposażone w mieszadła o dużej wytrzymałości mechanicznej , wykonujące wolny ruch obrotowy dookoła własnej osi lub ruch złożony – składniki ulegają wymieszaniu w wyniku ich przemieszczania rozrywania – mogą pracować w sposób ciągły lub okresowy

RUCH MASY Wymiana masy-wszystkie te procesy, w których następuje przemieszczanie się składnika lub składników przez granice faz lub wewnątrz tej samej fazy.Siła napędowa- różnica potencjałów chemicznych składnika, a w szczególności może to być różnica wartości stężenia, ciśnienia i temperatury.

- zjawisko powszechne w procesach technologicznych, stosowanych w przemyśle spożywczym; -w większości przypadków jest to proces kontrolowany i decyduje o możliwości uzyskania danego produktu; -może przebiegać samorzutnie i może prowadzić do obniżenia jakości gotowego produktu

Przykł. Proc.:-suszenie: woda przemieszcza się przez granicę faz z ciała stałego lub cieczy do otaczającego gazu;- krystalizacja: substancja krystalizowana przechodzi z roztworu do kryształu ;- ekstrakcja: składnik lub składniki ekstrahowane przechodzą z ciała stałego lub cieczy do rozpuszczalnika;- absorpcja: rozdział mieszaniny gazowej lub usunięcie z niej jednego ze składników ;-adsorpcja: proces w którym wykorzystuje się zmiany stężenia składnika na powierzchni rozdziału faz, spowodowane oddziaływaniem sił powierzchniowych;- destylacja: rozdzielanie mieszanin ciekłych, polegająca na wykorzystaniu przejścia fazowego ciecz-gaz;-solenie i peklowanie: sól i składniki mieszanki peklującej przechodzą z roztworu do wnętrza tkanki;-wędzenie: składniki dymu wędzarniczego wnikają do wnętrza ciała stałego

MOLEKULARNY RUCH MASY ( DYFUZJA)

-przenoszenie masy odbywa się w nieruchomym ośrodku, wówczas wynika ono z termicznego ruchu cząstek. Spontaniczny ruch cząst. z miejsc o stęż wyższym do niższym; -może być ustalona lub nieustalona w czasie

I PRAWO FICKA DLA CIECZY- molekularne przenoszenie masy (dyfuzja) występuje w płynie pozostającym w spoczynku lub poruszającym się ruchem laminarnym

- gdy p,T= const siłą napędową procesu dyfuzji jest różnica stężeń, a gęstość strumienia masy w warunkach ustalonych jest ujęta

n_A = D_A (- dc_A / d ) n_A= 1 / l₂-l_{1 *} D_A ( c_A1- c_A2 )

n_A – gęstość strumienia masy składnika A w kierunku l [ mol/m­­­²s]

D_A – współczynnik dyfuzji składnika A [ m²/s ] ; c_A – stężenie składnika A [mol/m²]

l – odległość [m]

I PRAWO FICKA DLA GAZÓW -rozpatrując roztwory gazowe posługujemy się prężnością par składników zamiast ich stężeniem ( zakładamy, że roztwór gazowy zachowuje się jak gaz doskonały) c_A = p_A/R*T

p_A- prężność pary składnika A [Pa]; R- stała gazowa [ I/mol *K];

n_A = 1 / l₂ – l_1­ * D_A (c_A1-c_A2) ; n_A = 1 / RT(l₂- l₁) * D_A (p_A1 – p_A2)

OPÓR DYFUZYJNY RUCHU MASY-gęstość strumienia masy składnika to stosunek siły napędowej procesu dyfuzji do oporu dyfuzyjnego

n_A = c_A1-c_A2 / l₂-l₁/D_A = ∆c / Rdyf

R_dyf = l/ D_A opór molekularnego ruchu masy w cieczy lub w ciele stałym

R_dyf = R_Tl / D_A dla fazy gazowej

DYFUZJA NIEUSTALONA- np. rozpuszczanie ciała stałego spoczywającego na dnie zbiornika wypełnionego cieczą ∂c_A / ∂τ - D_A V²c_A – r_A =0

r_A- szybkość tworzenia lub zaniku składnika w wyniku reakcji chemicznej [ mol/ m²]

II PRAWO FICKA r_A = 0 (nie ma reakcji) ∂c_A /∂τ – D_A V²c_A =0

KONWEKCYJNY RUCH MASY-jeśli część układu znajduje się w ruchu to przenoszenie masy w tej części odbywa się pod wpływem procesu makroskopowego mieszania; -przenoszenie konwekcyjne masy wynika z: -Sił ciążenia ziemskiego ( konwekcja naturalna); -Sił działających na układ z zewnątrz, np. pompa, mieszadło ( konwekcja wymuszona)

-wymieniany składnik znajduje się w strumieniu płynu i przepływa wraz z nim z jednych miejsc układu do drugich; -przenoszenie przez granicę faz jest opisywane za pomocą modeli, w których wprowadzane są założenia upraszczające decydujące o ich przydatności praktycznej -Model warstewkowy -Model penetracyjny

MODEL WARSTEWKOWY(Withmana)

-istnienie przy powierzchni międzyfazowej cienkiej nieruchomej warstwy płynu (na powierzchni międzyfazowej prędkość =0), dalsze warstwy płynu poruszają się ruchem laminarnym i tworzą warstwę o grubości δ₀, w warstwach położonych jeszcze dalej mamy do czynienia z przepływem burzliwym, tak że w odległości δ_e – płyn doskonale wymieszany i nie występuje różnica stężeń ; -zakłada istnienie warstwy zastępczej o grubości δ – liniowa zmiana stężenia i jest w niej zlokalizowany całkowity opór ruchu masy, przenoszenie masy w tej warstwie odbywa się na drodze dyfuzji; -opór dyfuzyjnego ruchu masy w warstwie zastępczej jest równy oporowi rzeczywistego wnikania masy przez dyfuzję i konwekcję

R_konw = δ/ D_A opór konwekcyjnego wnikania masy w cieczy

R_konw=RTδ/ D_A opór konwekcyjnego wnikania masy w gazie

WSPÓŁCZYNNIK WNIKANIA MASY

-opór konwekcyjnego wnikania masy odpowiada odwrotności współczynnika wnikania masy 1/k_c = δ/D_A k_c – współczynnik wnikania masy odniesiony do różnicy stężeń [m/s] 1/k_p = RTδ/D_A k_p -współczynnik wnikania masy odniesiony do różnicy prężności par [mol/Pa * m² * s]

Gęstość strumienia masy n_A =k_c *( c_Af – c_A2 ) n_A = k_p *( p_Af – p_A2 ) k_c= D_A

MODEL PENETRACYJNY założenia: -Zawirowania zachodzące wewnątrz płynu wchodzą do powierzchni międzyfazowej i powodują ciągłe jej odnawianie

-Ruch masy na granicy faz odbywa się w wyniku dyfuzji, a zawirowania powodują przenoszenie porcji płynu wraz z zawartym w niej składnikiem do wnętrza płynu

k_c ~√D_A wyznaczanie współczynnika wnikania masy:

-Wyznaczanie na podstawie danych doświadczalnych uogólnionych według zasad teorii podobieństwa; -Analiza ustalonego konwekcyjnego przenoszenia masy prowadzi do równania kryterialnego sh=f (Pe,s_c) sh= f (Re,s_c)

sh=kc *delta/ D stosunek oporu dyfuzyjnego do oporu konwekcyjnego ruchu masy w płynie (liczba Sherwooda)

Pe= V*delta/ D stosunek ilości masy przenoszonej konwekcyjnie do tej, która jest

przenoszona dyfuzyjnie (liczba Pecleta)

Sc=M/ pD szybkość cząsteczkowego przenoszenia gazu w stosunku do szybkości dyfuzji masy ( liczba Schmidta)

-dla konwekcji naturalnej przenoszenie masy jest opisane:

sn= f ( Gr_m, s_c) Gr_m=l³ p_c g βm ∆c / μ_c²

Gr_{m ­}– liczba Grashofa dla wymiany masy, określa stosunek siły wyporu wynikającej z różnicy stężenia w różnych punktach płynu do siły tarcia wewnętrznego

βm – współczynnik uwzględniający zmianę objętości płynu wynikającą ze zmian gęstości w stałej temperaturze

Przenoszenie masy między fazami-przenikanie masy

- większość przemysłowych produktów dyfuzyjnych polega na przenikaniu składnika lub kilku składników z głębi jednej fazy do drugiej przez powierzchnię międzyfazową, np. ekstrakcja, destylacja, suszenie; -przenoszenie masy występuje wtedy, gdy ciecz kontaktuje się z inna cieczą lub gazem; -zgodnie z modelem warstewkowym po obu stronach granicy faz wystąpią warstwy płynów, w których zlokalizowane będą opory wnikania masy

PRZENIKANIE MASY Etapy: - wnikanie masy z wnętrza pierwszej fazy do powierzchni międzyfazowej ; - przenoszenie masy przez powierzchnię rozdziału faz

- wnikanie masy od powierzchni międzyfazowej do wnętrza drugiej fazy

Na granicy faz występuje stan równowagi fizykochemicznej

I II

c_Af = k * c_Af

c_Af - stężenie składnika na granicy faz [mol/ m] , I, II –nr faz

I I

n_A = k_c * ( c_A1 – c_Af)

II II

n_A= k_c * ( c_Af – c_A2)

1/k_m = 1/ k_cI + k / k_cII

INTENSYFIKACJA RUCHU MASY - trudna do realizacji; - w sytuacji gdy ruch masy występuje między dwoma płynami możemy zmniejszyć opory konwekcyjne przenoszenia masy poprzez:; -Zwiększenie prędkości przepływu płynu : cieńsza warstwa zastępcza; -Podwyższenie temperatury płynu: mniejsza lepkość i gęstość

- jeśli wymiana masy występuje między ciałem stałym a płynem- konwekcyjny opór wnikania jest mały i o szybkości procesu decyduje opór dyfuzyjny

opór dyfuzyjny wynika z: -Struktury materiału; -Ruch masy odbywa się w materiale heterogenicznym; -zmniejszenie oporu dyfuzyjnego może się odbywać jedynie poprzez zmniejszenie warstwy, w której odbywa się dyfuzja lub przez zastosowanie odpowiedniej obróbki technologicznej aby zniszczyć naturalną strukturę materiału, poprawiając dzięki temu warunki wymiany masy.

ABSORPCJA -proces wymiany masy między fazą gazową i ciekłą

-cel: rozdział mieszaniny gazowej lub usunięcie z niej jednego ze składników

- zakładamy: faza gazowa jest mieszaniną dwóch składników(1 składnik jest absorbowany, 2 składnik – interny w procesie), faza ciekła jest jednoskładnikowa

-rozpuszczalnik, w którym następuje absorpcja składnika musi spełniać warunki selektywności absorpcji, tzn. aby rozpuszczał się w nim tylko jeden ze składników mieszaniny gzowej

sposób realizacji procesu: - w celu zaabsorbowania odpowiedniej ilości gazu z fazy gazowej do ciekłej należy stworzyć kontakt między tymi fazami; - kontakt poprzez:

-Barbotaż gazu w ciągłej warstwie fazy ciekłej; -Natrysk ciągłej fazy gazowej kroplami cieczy; -Kontakt układu gaz-ciecz w kolumnach ze zwilżonymi ściankami

-wybór metody kontaktu zależy od własności fizykochemicznych układu absorpcyjnego

Barbotaż stosuje się w przypadku gdy absorbowany składnik gazu źle rozpuszcza się w cieczy- dla poprawienia kinetyki procesu należy intensywnie mieszać fazę ciekłą pęcherzykami gazowymi. Natrysk stosuje się wtedy gdy główny opór przenikania masy jest po stronie warstewki gazowej i fazę gazową miesza się przez natrysk kroplami cieczy. Kolumny wypełnione i ze zwilżonymi ściankami stosuje się wtedy gdy nie wiemy po której stronie jest opór

EKSTRAKCJA -proces selektywnego rozdzielania mieszaniny ciekłej albo stałej za pomocą rozpuszczalnika w którym składniki wykazują różną rozpuszczalność

Układy ekstrakcyjne(układy dwufazowe): -Ciecz-ciało stałe;-Ciało stałe- gaz w stanie nadkrytycznym; -Ciecz-ciecz

-zastosowanie: przemysł olejarski (ekstrakcja tłuszczu z nasion roślin oleistych; produkcja ekstraktów kawy i herbaty w przemyśle koncentratów spożywczych)

Ekstrakcja w dużym stopniu zależy od temperatury i z jej wzrostem przebiega szybciej , dla danego rozpuszczalnika maksymalna temperatura w której można prowadzić proces jest jego temperatura wrzenia, ekstrakcję przeprowadza się zazwyczaj pod ciśnieniem atmosferycznym. Dobór rozp. -uzależniony od mechanizmu procesu ekstrakcji, wymagań technologicznych stawianych procesowi oraz od właściwości substancji ekstrahowanej -cechy rozp.-Mała rozpuszczalność -Duża selektywność umożliwiająca ekstrakcję wybranego składnika -Duży współczynnik rozdziału -Duży współczynnik dyfuzji-większa szybkość procesu i mniejsze rozmiaru ekstraktora

-niepalność -niekorozyjność ( w odniesieniu do tworzywa konstrukcyjnego)

-nietoksyczność Najczęściej:- woda: nie powoduje znacznych zmian w obrabianym materiale;- rozpuszczalniki organiczne: roztwory kwasów organicznych i ich soli( np. kwas cytrynowy);- rozpuszczalniki neutralne: umożliwiają przeprowadzenie ekstrakcji pod ciśnieniem atmosferycznym, np. NaOH, etOH, benzyna, heksan, - gazy obojętne stosuje się w fazie ciekłej pod podwyższonym ciśnieniem i w obniżonej temperaturze (CO₂, eter etylowy) Ekstrakcja w układzie ciecz-ciecz:

-warunkiem prawidłowego przebiegu procesu ekstrakcji jest występowanie dwóch faz ciekłych, które można po zakończeniu procesu łatwo mechanicznie rozdzielić ( musi mieć miejsce wzajemna ograniczona rozpuszczalność ekstraktu i rafinatu)

Dwa rodzaje:-Gdy rozpuszczalniki praktycznie nie rozpuszczają się w sobie

-Gdy rozpuszczalniki wykazują wzajemną częściową rozpuszczalność

Prowadzenie proc: - okresowy lub ciągły kontakt rozpuszczalnika z surówką

- rodzaje ekstrakcji okresowej: jednostopniowa, wielostopniowa współprądowa, wielostopniowa przeciwprądowa // -e. jednostopniowa: zmieszanie surówki z rozpuszczalnikiem, po osiągnięciu stanu równowagi fizykochemicznej następuje rozwarstwienie mieszaniny dwufazowej na ekstrakt i rafinat oraz oddzielenie ich sposobami mechanicznymi; - charakteryzuje się małą skutecznością, względnie małą wydajnością oraz małym stopniem wyekstrahowania, można ją wielokrotnie powtórzyć otrzymując ekstrakcję wielostopniową współprądową/ E. wielostopniowa współprądowa (ekstrakcja w prądzie skrzyżowanym)-polega na dodawaniu świeżego rozpuszczalnika do każdego stopnia. Rafinat z pierwszego stopnia stanowi surówkę dla stopnia następnego, gdzie zostaje zmieszany z nowa porcją rozpuszczalnika. Ostatecznie otrzymujemy rafinat o żądanej czystości oraz wiele coraz słabszych ekstraktów / E. wielostopniowa przeciwprądowa - surówka ekstrakcyjna dopływa do pierwszego ekstraktora, a rozpuszczalnik wtórny do ostatniego, ekstrakt końcowy jest odprowadzany ze stopnia pierwszego a rafinat końcowy ze stopnia ostatniego

Strumienie ekstraktu i rafinatu płyną przez poszczególne stopnie ekstrakcyjne w kierunkach przeciwnych. EKSTRAKTORY : stan skupienia: -e.do ciał stałych i cieczy; rodzaj pracy: -okresowe,półciągłe, ciągłe ; kierunek przepływu surówki i rozp: -współprądowe, przeciwprądowe, -kombinowane // podstawowe cechy konstrukcyjne: kształt korpusu aparatu: -kolumnowe, zbiornikowe; rodz. urządzenia transportującego: -ślimakowe, łapowe, łańcuchowe, taśmowe, koszowe; położenie korpusu: -poziome,pionowe, pochyłe

DESTYLACJA –operacja jednostkowa,której celem jest rozdzielenie mieszaniny cieczy na jej skł. Polega na odparowaniu cieczy, odebraniu i skropleniu pozostałych par (destylat) // Równowaga destylacyjna: -określa zależność między składem cieczy i składem pary będącej nad tą cieczą w stanie równowagi termodynamicznej. –dla układów doskonałych ciśnienie cząstkowe pary składnika nad roztw.jest określane prawem Raoulta: p1=p1*x x1 p1-ciśn.cząstkowe pary skł.1 w fazie parowej ;

P1*- cieśn. pary nad czystym skł.1 ; x1- ułamek molowy skł.1 w roztw. Ciekłym

Rektyfikacja –wielokrotna destylacja, stos.w przem.spirytusowym i przy prod aromatów w przem.owocowo-warzywnym; polega na przeciwprądowym zetknięciu się cieczy i par z jednoczesną wymianą masy i ciepła

SUSZENIE- polega na usunięciu części wody z materiału przez jej odparowanie, a ciepło przemiany fazowej najczęściej jest doprowadzane z zewnątrz; - obniżenie zawartości wody w materiale obniża jej aktywność, dzięki temu produkt może być przechowywany przez długi czas- bez wyraźnych objawów zepsucia

- suszenie jest jedną z najstarszych metod utrwalania żywności; -do materiału suszonego ciepło jest dostarczane poprzez: Konwekcję- czynnik grzejny obmywa materiał lub przepływa przez warstwę suszonego produktu, Przewodzenie- materiał suszony spoczywa bezpośrednio na powierzchni grzejne,j Promieniowanie-= nagrzewanie promieniami podczerwonymi stosuje się tylko w szczególnych przypadkach / - usuwanie wilgoci z materiału odbywa się najczęściej w wyniku konwekcji, co powoduje że ten sam czynnik grzejny może być użyty do dostarczenia ciepła jak i odprowadzania odparowanej wody - suszenie to jednoczesny proces wymiany ciepła i masy -materiał suszony ogrzewa się od gorącego powietrza (przy suszeniu konwekcyjnym) a odparowana woda przemieszcza się z materiału do otaczającego gazu - o szybkości procesu suszenia decydują opory ruchu masy ponieważ są one znacznie większe od oporów ruchu ciepła - siła napędowa procesu suszenia- różnica między prężnością pary wodnej na powierzchni materiału a prężnością pary wodnej w otaczającym gazie - stan wody zawartej w materiale zależy od stopnia jej powiązania ze składnikami materiału:

Woda bardziej aktywna- znajduje się na powierzchni materiału i w kapilarach o dużej średnicy, aktywność tej wody wyraża się wartością bliską 1 Woda mniej aktywna-unieruchomiona w strukturach żelowych ( np. cytoplazma) oraz utrzymująca się na skutek panującego ciśnienia osmotycznego wewnątrz struktur otoczonych membranami półprzepuszczalnymi / -Wartość aktywności wody stanowi informację o możliwości jej ruchu w materiale- zmniejszenie aktywności wody zmienia jej zdolność do przemieszczania się w materiale

Ruch wody w materiale suszonym 1.ruch wody w stanie cieczy:

Przepływ kapilarny- występuje w pierwszych etapach procesu suszenia ciał zawierających dużo wody( aktywność wody bliska 1) ; Dyfuzyjny ruch wody- wynika z różnicy stężeń; Termodyfuzja- uwzględnia ruch cieczy pod wpływem gradientu temperatury; Przepływ powierzchniowy wody- wynika on z różnicy między napięciami powierzchniowymi ciała stałego i cieczy a siłami powlekającymi

2.ruch wody w stanie pary: Molekularne przenoszenie masy-siłą napędową jest różnica prężności pary w kapilarach; Termodyfuzja; Konwekcja naturalna- różnica gęstości pomiędzy parą nasyconą a powietrzem suchym; Dyfuzja aktywowana- polega na desorpcji cząsteczek wody z powierzchni wilgotnych i ich adsorpcji na powierzchniach suchych, siłą napędową jest różnica potencjału adsorpcyjnego pomiędzy powierzchnią wilgotną a powierzchnią suchą

Opis ruchu za pomocą efektywnego wsp. dyfuzji- efektywny wsp. dyfuzji uwzględnia:

-Wszystkie mechanizmy przemieszczania się cieczy w materiale suszonym ; -Strukturę materiału; -Zawartość wody/ - podczas procesu suszenia powstają gradienty wilgotności – warstwy powierzchniowe są mniej wilgotne niż warstwy wewnętrzne

- od zawartości wody zależy również wytrzymałość mechaniczna produktów spożywczych –woda odgrywa rolę „smaru” i dlatego materiały wilgotne mają zdolność odkształcania się pod wpływem przyłożonej siły; - im mniejsza zawartość wody- ciało nabiera cech materiału kruchego

Skurcz materiału - na początku suszenia materiał jest wilgotny i się odkształca- usuwanie wody powoduje równoczesne zmniejszenie objętości materiału, a jego kształt nie ulega zmianie. Skurcz materiału odpowiada objętości usuniętej wody

- dalsze odparowywanie wody powoduje, że warstwy powierzchniowe staja się suche i tracą w dużym stopniu zdolność do odkształcania się. Wnętrze materiału jest wilgotne i może się odkształcać. ; - powstają wewnętrzne naprężenia skurczowe- sucha powierzchnia przeciwdziała kurczeniu się materiału, gdy wnętrze ma w dalszym ciągu tendencję do zmniejszania swojej objętości.

Kinetyka procesu suszenia -usuwanie wody z materiału powoduje, że masa i wilgotność materiału suszonego zmieniają się w czasie( dlatego są to parametry niewygodne do użycia w opisie procesu suszenia)

wilgotność właściwa- liczba jednostek masy cieczy przypadających na jedna jednostkę suchej substancji u= w/ 100-w w- wilgotność materiału, %

Krzywa suszenia AB- podgrzewanie materiału , ciepło jest zużywane głównie na podwyższenie temperatury materiału- odparowanie wilgoci jest niewielkie

BC- odcinek prostoliniowy; CD- odcinek krzywoliniowy zbliża się asymptotycznie do wartości odpowiadającej wilgotności równowagowej

u_e – wilgotność równowagowa- siła napędowa procesu suszeniu jest równa zeru, a więc prężność pary na powierzchni ciała stałego jest równa prężności pary wodnej w otaczającym powietrzu

Krzywa szybkości suszenia

BC- okres stałej szybkości suszenia- pierwszy okres suszenia

CD- okres malejącej szybkości suszenia- drugi okres suszenia

szybkość suszenia- masa wody odparowana z jednostki masy suchej substancji i jednostki powierzchni w jednostce czasu

Krzywa temperaturowa suszenia 1,okres podgrzewania materiału( temperatura rośnie) 2,okres stałej temperatury 3,okres wzrastającej temperatury materiału

Okresy suszenia: - I okres - okres stałej szybkości suszenia, ilość odparowywanej wody w jednostce czasu jest stała. Stan taki trwa dopóki strumień wody transportowany do powierzchni jest większy lub równy strumieniowi cieczy odprowadzanemu z powierzchni do otaczającego gazu / strumień masy i związany z nim strumień ciepła są stałe, ciepło dostarczane jest zużywane tylko na odparowanie wody

- du / Adτ = Q/ rAVρ_s A – powierzchnia parowania[m²] V- objętość materiału [m³]

r – ciepło parowania wody w temperaturze materiału [ J/kg] ρ_s – gęstość suchej substancji [kg/ m³] -du/ Adτ = Q/ rAVρ_s

-du/ Adτ = α (t₀ – t_a )/ rAVρ_s α- współczynnik wnikania ciepła [W/ m²K]

t_a – temperatura powierzchni parowania ºC, t₀ – temperatura otaczającego powietrza ºC

-du/ Adτ= k_p ( p_a – p₀ ) Związek między intensywnością wymiany ciepła a intensywnością wymiany masy w pierwszym okresie suszenia

Kp(p_a – p₀ ) = α (t₀ –t_a )/ rAVρ_s

- II okres - gdy opory wewnętrznego ruchu masy zaczynają być większe od oporów konwekcyjnego przenoszenia masy- szybkość suszenia zaczyna maleć

o przebiegu procesu decyduje wewnętrzne przenoszenie masy, im wilgotność materiału jest niższa tym niższa jest jego zdolność do transportu wody / ilość dostarczanego ciepła jest większa niż potrzeba na -odparowanie malejącej ilości wody- temperatura materiału rośnie

Intensyfikacja procesu suszenia

- w I okresie suszenia wymiana masy jest limitowana oporami konwekcyjnego wnikania pary wodnej od powierzchni do otaczającego gazu, -zwiększenie prędkości przepływu gazu, -podwyższenie temperatury- zwiększenie współczynnika dyfuzji pary wodnej, -obniżenie wilgotności

- w II okresie suszenia główny opór ruch masy znajduje się wewnątrz materiału

-odpowiednie przygotowanie materiału- zastosowanie procesów które częściowo niszczą strukturę materiału, spowoduje to zwiększenie efektywnego współczynnika dyfuzji, -zmniejszenie grubości materiału, -zmiana kształtu materiału

SPOSOBY SUSZENIA -Okresowe: nieruchomy lub wprawiony w lokalny ruch materiał jest omywany czynnikiem suszącym; -Ciągłe: materiał i czynnik suszący poruszają się względem siebie Suszenie ciągłe: -Współprądowe: ruch gazu zgodny z ruchem materiału; stosuje się wtedy gdy istnieje obawa, że suszony materiał po zetknięciu się z gorącym powietrzem ulegnie zniszczeniu; -Przeciwprądowe: materiał wysuszony kontaktuje się z gorącym i suchym powietrzem; stosuje się dla materiałów mało wrażliwych na temperaturę i nie ulegających zaskorupieniu; -W prądach skrzyżowanych: ruch materiału jest prostopadły do kierunku ruchu czynnika suszącego; stosowany tylko w przypadku materiałów odpornych na działanie wysokiej temperatury

SUSZARKI Składają się z 3 elementów: -Podgrzewacza: czynnik suszący doprowadzany do odpowiedniej temperatury; -Komory suszenia: czynnik suszący kontaktuje się z materiałem; -Urządzenia wywołującego ruch czynnika suszącego

SUSZARKI KONWEKCYJNE -Komorowe: budowane w postaci pojedynczej lub kilku komór, wewnątrz których materiał suszony jest umieszczony na odpowiednich sitach

-Tunelowe: do suszenia dużych ilości jednorodnego materiału – materiał na tacach

-Taśmowe: do materiałów pastowanych lub w postaci dużych kawałków

-Bębnowe: do materiałów odpadowych, krystalicznych i ziarnistych

SUSZARKI KONTAKTOWE -Walcowe: do materiału pastowanego, zawiesin odpornych na działanie wysokiej temperatury;

System L*a*b* graficzna forma sfery; L* współrzędna przestrzenna ozn. jasność (proc)

+a- oś barwy czerwonej; -a – oś barwy zielonej; +b –żółty; -b –niebieski

Ogólna różnica w barwie: ∆E*ab= √(∆L*)²+(∆a*)²+(∆b*)²

Zmiany achromatyczne-jasność, chromatyczne – barwne

MIKROFILTRACJA- rodzaj filtracji membranowej(oczyszczanie lub rozdzielanie roztworu), siła napędową jest różnica ciśnien po obu str. membrany (0,01-0,1 MPa);

Rozmiary porów w membranach (0,05µm-10µm), -oddzielenie wodnych roztworów cukrów, soli, niektórych białek jako filtratu,pozostawiając w koncentracie najdrobniejsze cząst. stałe i koloidy; zastosowanie: -sterylizacja i klarowanie soków, wina, piwa; -oddzielanie plam krwi otrzymywanie b. czystej wody w przem.mat/elektronicznych;

ULTRAFILTRACJA- membrany o porach 1-50nm, umożliwia rozdzielenie składników na poz.molekularnym –zatrzymywanie w retentacie zw. O dużej masie cz. ; stosowane ciśnienia nie przekraczają 1 MPa; zastosowanie: - separacja białek, odzysk skrobi ziemniaczanej, oczyszczanie soków, piwa, wina; wyodrębnianie enzymów i antybiotyków

NANOFILTRACJA –(ultra osmoza) – zatrzymaniu ulegają białka i pozostałe polimery, część cukrów i kw. Organicznych, -odsalanie serwatki