Для создания новой высокоэффективной массообменной аппаратуры на основе представления о кинетике массообменных процессов необходимо знать современную теорию массопередачи. Предлагаемое учебное пособие посвящено теоретическим основам массообменных процессов.
В книге рассмотрены вопросы термодинамического равновесия двухфазных бинарных и многокомпонентных систем, а также гидродинамика и массообмен в двухфазных системах.
Рассматриваются кинетические закономерности процессов абсорбции, адсорбции, перегонки, ректификации, экстракции, сушки, кристаллизации.
В заключительной главе рассматривается применение электронных вычислительных машин для расчета и оптимизации массообменных процессов.
Таблиц 40, иллюстраций 147, библиография — 162 названия.
л»
ПРЕДИСЛОВИЕ
Массообменные процессы нашли широкое применение в различных отраслях пищевой промышленности.
Создание новой высокоэффективной массообменной аппаратуры немыслимо без знания теории массопередачи.
Советскими и зарубежными учеными разрабатываются теория массообменных процессов и методы расчета аппаратуры: разрабатываются методы изучения равновесных состояний в различных системах, а также вопросы, связанные с гидродинамическим состоянием границы раздела фаз; исследуются кинетические закономерности диффузионных процессов.
Целью настоящего учебного пособия является обобщение этих исследований и систематическое изложение теоретических основ массообменных процессов, протекающих как в системах с твердой фазой, так и в системах без твердой фазы.
Процессы массообмена протекают при отклонении системы от состояния равновесия.
Вопросам термодинамического равновесия в учебном пособии уделено значительное внимание. Их изложение построено на основе общего уравнения для двухфазных многокомпонентных систем.
При расчете массообменной аппаратуры особое значение приобретает кинетика процесса. Кинетические закономерности процессов рассматриваются на основе теоретических представлений о процессах межфазного переноса массы. В связи с этим в учебном пособии особое внимание уделено условиям взаимодействия потоков в системах, а также гидродинамике и массо-обмену в различных контактных устройствах.
В последние годы для расчета массообменных процессов все большее распространение получают вычислительные машины.
Применение электронных вычислительных машин изменяет методы расчета массообменных процессов и повышает роль математического моделирования.
Вопросы математического моделирования, применения электронно-вычислительных машин и оптимизации массообменных процессов изложены канд. техн. наук Ф. X. Таушаном. Автор приносит ему благодарность за участие в написании учебного пособия.
Автор выражает глубокую благодарность заведующему кафедрой процессов и аппаратов пищевых производств Киевского технологического института пищевой промышленности проф. В. Н. Стабникову и заведующему кафедрой машин и оборудования химических производств Казанского химико-технологического института им. С. М. Кирова проф. А. М. Николаеву за ценные Указания при рецензировании рукописи настоящего учебного пособия.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие........................................................ 3
Введение............................•................................. 4 ,
Г л а в а I Основы термодинамики необратимых процессов
1. Необратимые процессы .............................;.............. 8
2. Фазовое равновесие системы и химический потенциал фазы ........ 10
3. Характеристика фазового равновесия системы.................... 12
4. Правило фаз •--:.............--..........--'................ 14
5.-Движущая сила массообменных процессов г....................... 15
, 6. Основные принципы термодинамики необратимых процессов ........ 16
Принцип линейности .....••....................................... 16
Принцип Кюри..............--................................. 17
Термодиффузия (эффект Соре) и теплопроводность в результате
диффузии растворенного вещества (эффект Дюфо) ....."......... 18
Принцип взаимности Онсагера..........................'........ 18
Литература.......................................--...........<...... 19
*
Г л а ва II Термодинамическое равновесие двухфазных систем
1. Условия равновесия многокомпонентных и бинарных двухфазных систем.....................................'...,................... 19
Общие уравнения состояния равновесия .......................... 19
v Уравнение Гиббса—Дюгема ......'...............'................. 23
Уравнение Дюгема—Маргу леса.................................. 25
2. Летучесть и активность компонентов...............'................ 26
. 3. Законы Генри и Рауля--..--....................^............. 27
4. Идеальные и неидеальные (реальные) системы .................... 28
5. Способы выражения концентраций вещества в фазах................ 29
6. Равновесие в системе газ—жидкость......---.................... 30
Константы фазового равновесия................................... 30
Равновесие в идеальных и реальных растворах.................. 32
7. Равновесие в системе пар—жидкость.............................. 33
Идеальные растворы............................................ 34
Неидеальные растворы с полной взаимной растворимостью компонентов ..................ч........................................ 40
Жидкости, частично растворимые одна в другой .................. 45
Жидкости со слабой взаимной растворимостью .................. 47
Жидкости, взаимно нерастворимые одна в другой................ 47
Экспериментальные методы исследования равновесных состояний
в системе пар—жидкость.............'........................... 48
Аналитические выражения фазового равновесия неидеальных систем
при полной взаимной растворимости компонентов .....'........... 53
8. Равновесие в системе жидкость—жидкость --.__,.............. 54
Коэффициент распределения .................................... 54
Кривые равновесия в системе жидкость—жидкость .............. 55
337
Влияние температуры и давления на состояние равновесия ...... 57 ,
, 9. Равновесие в системе твердое тело—газ (пар) ...................... 58
Равновесные состояния при поглощении газов (паров) адсорбентами............................................................ 58
Равновесные состояния при сушке и увлажнении ................ ч 61
Литература ....._................................................... 65
Глава III < Гидродинамика и массообмен в двухфазных системах
1. Диффузия в жидкостях и газах.................................. 66
Молекулярная диффузия ...,..................................... 66
Конвективная диффузия ........................................ 73
2 Массообмен в системах с твердой фазой.......................... 74
Массоотдача в жидкую или газовую (паровую) фазу от поверхности
твердой фазы........................................-......... 74
Дифференциальное уравнение движения Навье—Стокса.......... 76
Структура пограничного слоя при ламинарном и турбулентном
течениях....................................................... 78
Массопроводность и массопередача в системах с твердой фазой 84
3. Массообмехн в системах без твердой фазы .......................... 87
Двухпленочная теория.......................................... 87
Теория «проницания» ............................................ 88
Теория обновления поверхности .................................. 90
Межфазная турбулентность ...................................... 92
Структура пограничного слоя в системах без твердой фазы........ 93
Выражение коэффициента массопередачи через коэффициенты мас-
соотдачи . . . ••>...................................-............. 99
4. Материальный баланс массообменных процессов и уравнение линии рабочих концентраций ...........,................................. 101
5. Выражение для движущей силы массообменных процессов ........ 103
6. Методы расчета массообменных аппаратов........................ ПО
Метод, при котором используются понятия числа единиц переноса
и высоты, эквивалентной единице переноса ...................... ПО
Метод, щри котором используются понятия теоретической ступени изменения концентрации и высоты, эквивалентной теоретической
ступени......................................................... 112
Метод, основанный на использовании коэффициентов массопередачи 115 Соотношение между коэффициентом массопередачи, числом единиц переноса и коэффициентом полезного действия тарелки ...... 115
Графический метод определения числа тарелок на основе коэффициентов массопередачи...........................'............... 116
Литература ........................................................ 118
Глава IV Моделирование массообменных процессов
1. Физическое моделирование .,...................................... 118
Сущность теории подобия.....,.................................. 118
Основные теоремы подобия и их практическое применение........ 124
Анализ размерностей ............................................ 126
Подобие массообменных процессов ............................... 129
2. Математическое моделирование.................................... 134
Выбор модели процесса.......................................... 135
Модель идеального вытеснения.................................. 137
Модель идеального перемешивания .............................. 137
Однопараметрическая диффузионная модель...................... 138
Двухпараметрическая диффузионная модель ...................... 139
338
Ячеечная модель......................--.................,..... 139
Комбинированные модели....................................-- 140
Проверка адекватности выбранной модели рассматриваемому объекту ............................................................ НО
Составление полной математической модели с учетом кинетики
процесса ......................................................... 142
3. Моделирование контактных устройств массообменных аппаратов .... 144
Литература ........................................................ 147
Г л а в а V Перегонка
1. Применение процесса перегонки в пищевой промышленности и способы его проведения .............................................. '48
2. Простая (постепенная) перегонка и дефлегмация бинарных систем .. 149
Простая перегонка .............................................. 149
Простая дефлегмация.......................................,.- • 150
3. Простая (постепенная) перегонка многокомпонентных систем ...... 152
4'. Однократная перегонка и дефлегмация бинарных систем............ 154
5. Однократная перегонка многокомпонентных систем ................ 155
6. Процесс перегонки при получении коньячного спирта .............. 156
7. Перегонка с водяным паром ...................................... 159
Литература......................................................... 162
Г л а в а VI Ректификация
1. Применение процесса ректификации в пищевой промышленности .... 163
2. Анализ работы аппаратов при ректификации бинарных систем...... 163
Уравнения линий рабочих концентраций для укрепляющей и исчерпывающей частей колонны...................................... 163
Минимальное и рабочее флегмовое число ........................ 165
Расчет числа теоретических тарелок ректификационных колонн по
комбинированной тепловой диаграмме............................ 168
3. Ректификация многокомпонентных систем........................ 173
Схемы разделения многокомпонентных систем .................... 173
Классификация методов расчета процесса ректификации многокомпонентных систем .............................................. 175
Ступенчатый метод расчета процесса ректификации многокомпонентных систем .,.........................................,...... 176
Метод расчета ректификации многокомпонентных систем, основанный на их сведении к бинарным системам ........................ 183
4. Контактные устройства для взаимодействия потоков в системах пар
(газ) -1 жидкость.............................................. 186
Контактные устройства со сплошным барботажным слоем ........ 186
Тарелочные контактные устройства.............................. 187
Насадочные контактные устройства.............................. 191
Контактные устройства с вихревым паровым (газовым) потоком 192
Контактные инжекционные устройства ............................ 194
Пленочные контактные устройства .............................. 195
Контактные устройства с подводом механической энергии ........ 195
5. Гидродинамические режимы при взаимодействии потоков в-системах
, пар (газ) — жидкость .......................................... 200
Тарелочные контактные устройства.............................. 200
Насадочные контактные устройства __".......................... 204
Вихревые контактные устройства ................................ 206
Пленочные контактные устройства .............................. 206
Контактные устройства ротационного типа.......................... 207
6. Массообмен в процессе ректификации............................ 209
Уравнения массоотдачи, основанные на аддитивности сопротивлений в жидкой и паровой фазах.................................. 210
Уравнения массопередачи, учитывающие гидродинамическое взаимодействие- фаз.................................................... 212
Определение коэффициента полезного действия тарелки .......... 214
7. Сравнительная характеристика контактных устройств --.......... 215
Литература........................................................ 217
Глава VII Абсорбция
1. Применение процесса абсорбции в пищевой промышленности........ 218
2. Материальный баланс процесса и число теоретических контактов' аппарата...........................................<••............... 21S
3. Массообмен в процессе абсорбции................................ -221
Тарелочные аппараты ...'..........................,............... 225
НЦсадочные колонны ............,............................... 224
Пленочные колонны с орошаемыми стенками .................... 22J
Литература -->.................................................-- 226
Глава VIII Сушка
1. Применение процесса сушки в пищевой промышленности .......... 22(
2. Взаимодействие частиц твердого тела с газом...................... 22'
Фильтрация газа через неподвижный слой частиц................ 22'
Противоточное взаимодействие твердых частиц с газом .......... 22)
Псевдоожижение................................................ 22!
3. Тепло- и массообмен в процессе сушки -............................ 23'
Тепло- и массообмен в процессах испарения и переноса влаги в окружающую среду ..--.............--....'..........,.......... 23'
Тепло- и массообмен в капиллярнопористых телах................ 23
Кривые сушки и скорости сушки................................ 23!
Продолжительность процесса сушки.............................. 24
4. Принципы технологии сушки пищевых материалов.................. 24
Пищевые материалы как объекты сушки.......................... 24
Изменение структурно-механических Свойств материала в процессе
сушки и механизм образования трещин.......................... 24
Усадка материала в процессе сушки.............................. 24
5. Методы сушки пищевых материалов.......................-....... 25
Конвективная сушка............................................ 25
Сушка зерна....................--. —.................. 2Е
Сушка хлеба............................................. 2?
Сушка сахара-рафинада.................................?. 2Е
Сушка молока............................................ 2Е
Сушка инфракрасными лучами и нагретым воздухом --........ 2Е
. Контактная сушка.............................................. 2Е
Сушка в поле токов высокой частоты........__................ 2Е
Сушка сублимацией ..,...........,........................:-.... 26
Литератора ...__...........................',-..__................ 26
Глава IX Адсорбция
1. Применение процесса адсорбции в пищевой промышленности ...... 2(
2. Адсорбенты и их статическая и динамическая активность......-- 2(
3. Уравнение динамики адсорбции...................................'• 265
4. Массообмен в процессе адсорбции..........:..................... 268
Литература .........................•............................... 269
ГлаваХ '
""" Экстракция
Применение процесса экстракции в пищевой промышленности ..-- 270
А. Экстракция в системе твердое тело—жидкость .....:........'.;... 270
1. Материальный баланс и уравнение рабочей линии................... 270
2. Определение числа теоретических ступеней контакта в процессе экстракции из твердых тел .......................................•-- 272
3. Взаимодействие частиц твердого ^гела с жидкостью...........'...... 273
Контакт в замкнутом объеме /..................................• • 273
Фильтрация жидкости через слой ....................'.....;...... 273
Противоточное взаимодействие твердых частиц с жидкостью...... 273
4. Массообмен в процессе экстракции из твердого тела .............. 277
Стадии процесса.......................................,........ 277
Влияние отдельных факторов на процесс экстракции из растительного сырья ....'.................................................. 279
Периоды процесса экстракции веществ из растительного сырья .... 279
^Периодически замкнутый процесс экстракции .................... 280
Процесс экстракции в слое...................................... 281 .
"Противоточный процесс экстракции..........................-- 281
Б. Экстракция в системе жидкость—жидкость..................-- ' 283
1. Материальный баланс и ступени изменения концентрации при жидкостной экстракции --.......................................... 284
Одноступенчатая экстракция .................................... 284
Противоточная многоступенчатая экстракция.................... 286
2. Контактные устройства для взаимодействия потоков в системах жидкость—жидкость.................. л......................'......... 288
Распылительные устройства.....................'................. 288
Полочные устройства.........................................^... 289
Тарелочные устройства.......................................... 290
Насадочные устройства ........................__.............^.- 290
Аппараты с мешалками.......................................... 291
Пульсационные аппараты ......................................../о 291
Центробежные аппараты........................................ 292
3.
Цена: 300руб.
