Inżynieria procesowa
Oper. Jednostkowe (wywoływane siłą napędową):
1.Mechaniczne: -siły ciśnieniowe mech. -siła graw. Ziemi -siły odśrod. np. rozdrabnianie ciał stałych, prasowanie, tłoczenie. 2.Hyrdodynamiczne: -ciś. hydrostat. -ciś. hydrodyn np.przepływ płynów, miesz., opadanie ciał w płynach, filtracja 3.Cieplne: -różnice temp. między ośrodkami np. nagrzewanie i ochładzanie. subst., odparow. i kond. par . 4.Wymiany masy (dyfuzyjne): -róż stężeń subst. w różnych fazach npabsorpcjai adsorb., ekstrakcja.,susz., krystal., zamraż., desty., rektyf Przepływ płynów Wydajność przepł. masowe natęż. przepł.G[kg./s] , objtętośiowe natęż. przepł.U[m3/s] G = U * g gdzie: g -gęstość [kg/m³] Prawo ciągłości przepływu Masowe nat. przepł. przez układ jest stałe w dow. Miejscu przepływu. Bilans masowy strum. G1= G2= G3= .......= Gn= const Prawo Bernoulliego dla cieczy rzeczyw. Suma wszystkich form en. Powinna być wielkością stałą . Doświadczenie Reynoldsa przepływ uwarstwiony (uporz. lamin.)rurą płynie ciecz lepka i siły lepk. sprawiają, że barwnik znajduje się ciągle w osi rury. przepł. pośr. prędkość przepł.U2 > U1, podczas przepł. tej cieczy oprócz sił lepk. są też siły bezwład. przepł. turbulentny przy dalszym zwiększaniu prędkości domin. siły bezwład. I barwnik rozchodzi się we wszystkie strony. Liczba Reynoldsa (kryt. podobieństwa hydrodynam.) Re < 2100 przepł. lamin Re > 104 przepł. burzliwy (rozw. w pełni), pezepł. lamin. już nie występ. Re >3000 j. W 2100 <.Re < 3000 przepł. przejściowy Przepł. burzliwy (turbul.) Re > 3000 spłaszczony profil prędkości Re wyprowadz. dla przepł. lamin. nie mogą być stosow. Grubość warstwy lamin. przy ściance w ruchu burz. zależna od liczby Re Podczas przepływu płynu wzdłuż dowolnej ściany 1.prędk. ruchu elementów dotyk. ścian jest U = 0 2.zawsze jest obecna lamin. warstwa przejść. która: a)w przepł. uwarstw. wypełnia cały przewód b)w przepł burz. wyst. tylko przy ściance Spadki ciś. w instal. powodują : 1.opory liniowe 2op. miejsc. 3różnica poziomów - ciś. hydrostat. 4opory przepł. przez aparaty procesowe (np. wymienniki ciepła , filtry, cyklony itp.) Całkow. spadek ciś. w instal. równy jest sumie wszystkich oporów cząstkowych. Opory liniowe Podczas przep. cieczy lepkiej ciś. spada prop. do długości przewodu L Δp ~ L W warunkach przepł. lamin. im dłuższy przewód większa strata ciś., wzrost średn. - większe straty ciś. Współcz. oporu przepł. zależy od charakteru ruchu płynu (jest f. liczby Re)a ponadto zal. od stanu pow. rury (chropowatości)
Opory lokalne (miejscowe) *współ. oporu miejscowego zależy od rodzaju oporu, jest to wielkość bezwymiar., odczyt. się ją z tablic *opory lok. występ. tylko w miejscu, gdzie pojawia się zakłócenie przepł. *w każdym przepadku zwężenia bądź rozszerzeniem trzeba zwrócić uwage który przekrój jest uwzględniony w oblicz. spadku ciś. Opory miejscowe- długość zastępcza *Spadek ciś. płynu na oporach miejsc. można też obliczyć za pom. równania Dary- Weisbacha posługując się zastępczą długością przewodu Le *Wielkość przew. Le jest dług. prostego odc. przewodu stawiającego opór równoważny danemu oporowi miejscowemu *Dł. zastępcza przew. Le często podaje się jako wielokrotność śr . wewn. Le = n * d *Wartość n odczyt. się z tablic, wykresów *Długości zastępcze sumuje się tak samo współ oporów miejsc. ∑ Le = ∑ n * d *Obie met. obl. można stosować jednocześnie Opory do pokonania przez pompę 1.Wlot cieczy ze zbior. do przewodu. 2.Prosty odc. przew. o średn. d1 3.Gwałt przewężenie przew. (red z d1 na d2) 4Prosty odc. przew. o śred. d2 5.Zawór 6.Kolanko (łuk)na przew. o śred. d2 7.Trójnik (rozgałęzienie) ze zmianą śred, przew. 8.Prosty odc. przew. o śred. d3 9.Kolanko na przew. o śred. d3 10.Wlot cieczy z przew. do zbior. 11.Różnica poz. cieczy 12.Kolanko nr 2 na przew. o śred. d3 Wymiana ciepła wyst. gdy istniej różnica temp. wew. pewnego ukł. lub między kilku ukł. mającymi wzajemne oddział. *Bilanse ciepła - ilość ciepła przenoszonego w aparacie, wyd. cieplna procesu , aparatu, obciążenie cieplne aparatu *Mechanizmy ruch ciepła- szybkość ruchu ciepła, wielkość (wymiary aparatu) Para stos. jako czynnik grzewczy powinna być parą nasyconą (ani przegrzaną ani mokrą). Para wodna jako nośnik ma ciepło skraplania. Skład substancji Ułamek masowy xi *Pro*cent masowy(xi%) Entalpia- zaw. ciepła lub poziom energetyczny substancji wyrażone względem wartości umownie przyjętej za zero. Woda w temp 0 ma entalpię 0 Entalpia pary wodnej - w normalnych war. ciepło par. = ciepło skrap. Entalpia lodu - Uzyskanie lodu w temp 0oC wymaga schłodzenia wody do 0ºC i odprowadzenia ciepła przemiany fazowej. Mechanizm ruchu ciepła I.Przewodzenie proces zach. w obrębie jakiegoś ciała w którym występ różn. temp. Cząsteczki o większej energii w wyniku ruchów molek. przekaz część swej energii cząst. uboższym w energię. Ruch ciepła przez przewodzenie występuje w ciałach stałych, a w cieczach i gazach wyłącznie w warstwach laminarnych. II. Konwekcja jest przen. Przez prądy czynnika w ten sposób, że te cząst. ulegając przemieszczeniu np. - pr. zachodzący w obrębie jednej fazy na styku z pow. oddającą lub pobierającą ciepło. Ciepło ku ściance stykają się z nią i oddają jej ciepło. Konw. występ. w ośrodkach płynnych. Rzeczywisty proces wym. ciepła między ścianą a płynem - wnikanie. III. Promieniowanie-ruch ciała polegający na emisji i absorpcji en. Promienistej, która jedno ciało oddaje drugiemu przez warstwę przezroczystego ośr. lub przez próżnię. Prom. fal elektromagnet. opisują prawa: Plancka, Stefana - Boltzmana, Kirhoffa i Lamberta. Rozróżniamy: *Ustalony ruch ciepła - rozkł. temp w przestrz. jest niezmienny w czasie. *Nieustalony ruch ciepła - temp. się zmienia w czasie ( ogrzewanie lub ostyganie ciał ) Przepływ następ. od temp wyższej do niższej Współcz. przew. ciepła-ilość ciepła jaka jest przen. w danym mat. przez pow. 1m ²przy gr. ściany 1m i sile napęd. równej 1oC (1K) Wnikanie ciepła jako pr. rzeczywisty Konwekcja-przen. ciepła przez prądy czynnika płynn., ruch ciepła nieodłącznie związ. jest z przepł. czynnika wzdłuż ściany. Wnikanie-rzeczywisty proc. wymiany ciepła między płynem i ścianą w którym występ. mech. konwekcyjny (w obsz. przepł.burzliw.) i przewodz. ciepła (w obrębie laminarnej warstwy przyściennej) Konwekcja: Wymuszona -ruch czynnika jest niezal. od proc. ciepln.( wytworz. przez pompę, wentyl.itp.) *Przepł. burz. *Przepł uwarstwiony *Przepł. przejściowy Niewymusz. Ruch czynnika zal. od proc. ciepln. i sił graw. *Konw. natural. (różnice temp. pow. różnice gęstości co przyczynia się do powst. prądów term.) *Spływ grawit. skroplin (skraplanie pary) *Wrzenie (odparowywanie) *Spływ grawit. cieczy po ścianie Opór cieplny procesu przenikania-jest suma oporów ciepl. proc. jednostkowych skład. się na całość procesu. Współczynniki przenikania ciepła- nie mogą być stabelaryzowane. Niektóre tab. podają orientac. wart. k stos. w oblicz. Odparow. wody z roztw. Wyparki-cel odparow.: -zwiększ. stęż subst. rozp. w roztworze -wydziel. subst. rozp. w postaci ciała stał.(krystalizacja) -wydziel. czyst. rozpuszczal.(destylacja) -odebranie ciepła -urz. chłodnicze Parowanie -temp. roztw. niższa od temp wrzenia a prężność pary wodn. nad cieczą jest niższa od ciśnienia otocz. Wrzenie -pręż. pary wodnej nad roztw. jest równa ciś. otocz.- przejście cieczy w stan pary odbywa się :w całej objęt. roztw. ,w stałej temp. Mechanizm powstawania pary-Cząsteczki wody znajduj. się w pobliżu pow. grzejnej i posiadające znaczną szybkość wydostają się ponad pow. cieczy i uwalniają się od oddziaływania sił przyciąg. pozost. cząsteczek. Każda odparow. cząsteczka przezwycięża siły międzycząst. i opór ciś. otoczenia kosztem en. dostarczonej z zew. Ilość ciepła potrz. do odparow. jednostki masy cieczy o określonej temp. nazywamy utajonym ciepłem parowania. Bilans cieplny wyparki Przychód ciepła:1. z roztw. Surowym S * i2= S * cs * ts, 2. z parą grzejną D *in Rozchód ciepła: 1. z oparami W * iw, 2. z roztw. zag. R * cR *tr, 3. ze skroplin. D * cw *tn,4. straty Q str Para grzejna dostarcza ciepło -jest ono zużywane na :podgrzanie roztw. do temp. wrzenia, odparow. wody, pokrycie strat do otocz. Proc. wymiany masy Dyfuzja-zjaw. przen. masy poleg. na przemieszczaniu się cząst. jednej lub wielu subst. wzgl. cząsteczek innych subst. w tej samej fazie wywoł. Występowaniem sił napędowych takich jak gradient stęż., temp.,ciś. Faza -część ukł. Jednolita pod wzgl. fiz. oddzielona od innych pow. rozdziału. Pomimo fiz. jednorodn. faza może skł. się z kilku skł . W większości procesów wymiany masy uczestniczą trzy subst. :1. subst. obojętna (inertna) stanow. pierwszą fazę, 2. subst. obojętna ( inertna) stanow. drugą fazę, 3. subst. rozdzielana przechodząca z jednej fazy do drugiej. Subst. obojętne (inerty) nie uczestn. w proc wymiany masy a są nośnikami subst. rozdzielanej. Procesy wymiany masy są odwracalne tzn. subst. rozdziel. może przechodzić z jednej fazy do drugiej w zależności od stęż. tej subst. w obu fazach I warunków równowagi Równowaga - skł. dwóch faz jaki ustala się po nieskończenie długim okresie tzn. każda subst.w każdej fazie występ w okreś. S\stęż. niezmiennym w czasi. W stanie równow. nie obserwuję się przechodz. subst. z jednej fazy do drugiej. Procesy dyfuzyjne Absorpcja-selektywne pochł. gazów lub par przez ciekły absorbent. Proces ten polega na przejściu jednej subst. z fazy gaz. lub par. do fazy ciekłej. Ekstrakcja - wydobycie subst. rozp. w jednej cieczy za pomocą innego rozp. W proc. tym następuje przejście subst. z jednej fazy ciekłej do drugie. Terminem ekstrakcji określa się również procesy przechodzenia subst. z fazy stałej do ciekłej. Wymywanie subst. rozp. z ciała stałego za pomocą wody jako rozp. nazywamy do fazy ciekłej. Rektyfikacja -rozdziel. miesz. ciekłej na skł. przez przeciwprądowe współdziałanie strumieni pary i cieczy Proc. ten obejmuje przejście subst. z fazy ciekłej do parowej I z parowej do ciekłej. Adsorpcja -selektywne pochł. gazów par lub subst. rozpuszcz. W cieczy przez pow. porowatego adsorbenta stałego zdolnego do pochł. jednej lub kilku subst. z ich mieszaniny. Proc. ten polega na przejściu subst. z fazy gaz., parowej lub ciekłej do porow. mat. stałego. Suszenie -usuwanie wilgoci z wilgotnych mater. przez jej odparow. Proces ten stanowi przejście wilgoci ze stałego mat. wilgot.do fazy gazowej. Systematyka procesów dyfuz.: Wymiana może przebiegać :jednokierunkowo, przeciwkier., z wymiana jednego skład., z wymianą wielu skład., z równoczesną reakcją chem., z równoczesną wymianą ciepła, izotermicznie, nieizotermicznie. Mechanizm przen. masy: Dyfuzja molekularna-przemieszczanie się cząstek subst pod wpływem gradientu stężeń w obrębie jednej fazy. Wnikanie masy-złożony proces przen. masy do pow. granicznej do rdzenia fazy, gdzie w obrębie warstwy lamin. dominuje dyfuzja molekul., a w obszarze burzliwym konwekcja. Przenikanie masy złożony proc. przen. masy z rdzenia jednej fazy do rdzenia drugiej przez pow. graniczną. Suszenie obejmuje: podgrzanie mat. do temp. parow. wilgoci, transport wilg. wew. susz. mat., przenosz. masy (wilgoci) z pow. mat do powietrza, zjawiska na pow. granicznej mat. z powietrzem. Suszenie kontaktowe -gdy ciepło niezbędne do odparow. wilg. jest dost. mat. bezpośr. przez gorącą pow. urządz. Suszenie konwek.- gdy ciepło jest dost. przez gorący gaz( powietrze) Woda związana- woda ściśle powiąz. z suchą subst. prod. spożyw. wykazująca odmienne właściwości od czystej wody daje prężność pary niższą niż nad czystą wodą. Woda niezwiąz.- woda będąca w nadmiarze w stos. do równowagowej wilgot. mat. wzglęem pow. nasyc. jest to nadmiar wilgoci w stosunku do wilgoci związanej. Woda wolna woda zatrzym. mech. w wolnych przestrzeniach mat. wykazująca wł. Zbliż. do czystej wody. Wilgotność równowagowa- wilg. prod. znajdującego się w stanie równowagi z powietrzem o danej temp. wilgot. Wilgoć swobodna- będąca w nadmiarze w stosunku do wilg. równowag. Jest to max ilość wody jaką możemy teoretycznie usunąć z mat. podczas proc. susz. w danych warunkach. Aktywność wodna- współ. Charakteryz. dostępność wody w prod. spoż. dla reakcji chem. i wzrostu mikroorganiz. Suszarka teoretyczna -założenia :nie ma strat ciepła do otoczenia (Qstr = 0),nie ma urz. transport. (Qt = 0),nie ma podgrzew. wew.(Qw = 0), mat. susz. nie podgrzewa się i ma stałą temp.(tm1 = tm2 =0oC) Układy niejednorodne:ciekłe zawiesiny(ciecz + ciało st.), emulsje (ciecz + ciecz), piany (ciecz +gaz);gazowe pyły (gaz + ciało stałe), mgły (gaz + ciecz).Metody rozdziału układów niejednorodnych: osadzanie- ruch cząstki fazy rozprosz. względem ośrodka płynnego, siła napęd. -działanie sił (grawitacji, odśrod., elektrostat., przy występujących różnicach gęstości faz, opadanie grawitac. (osadniki), rozdzielanie siłami bezwładności (cyklony do rozdzielania pyłów ,hydrocyklony),rozdzielan. w polu przyspiesz. odśrodkowego (wirówki);filtracja-ruch fazy ciągłej względem przegrody zatrzym. fazę rozproszoną, siła napęd.- różnica ciśnień niezbędna do pokonania oporu hydraul. przegrody, osadu ,przegrody z osadem, różnica gęstości nie jest warunkiem dokon. rozdziału. Filtracja - proc rozdziału zawiesin polegający na przepuszczaniu cieczy przez specjalne ciało porowate lub/ i warstwy osadu i zatrzymaniu fazy rozproszonej na przegrodzie siła napędowa procesu jest różnicą ciśnień nad i pod przegrodą filtracyjną.