- •Котова н.А.
- •«Математическое моделирование технологических машин»
- •Теория подобия и физическое моделирование процессов
- •Понятие о подобии физических явлений
- •Понятие об обобщённых безразмерных величинах
- •Первая теорема подобия
- •Вторая теорема подобия
- •Метод размерностей
- •Экспериментальное определение констант критериального уравнения
- •Третья теорема подобия
- •Моделирование и виды моделей
- •Процессы обработки пищи
- •Основные технические свойства пищевого сырья и продуктов
- •Процессы измельчения пищевых продуктов
- •Дробление
- •Резание
- •Резание пластинчатым ножом
- •Резание дисковым ножом
- •Процессы перемешивания пищевых продуктов
- •Перемешивание жидких и пластичных масс
- •Пенообразование и взбивание
- •Расчёт перемешивающих устройств
- •Процессы получения соков
- •Процессы обработки пищи сверхвысокочастотной энергией
- •Взаимодействие переменного электромагнитного поля с пищевыми продуктами
- •Свч печи
- •Параметры свч-нагрева
- •Оптимальная загрузка свч-печи
- •При доведении до температуры кулинарной готовности:
- •Тепловая обработка пищевых продуктов в свч-поле
- •Разогрев
- •Размораживание
- •(Масса 0,5 кг, мощность 2 кВт): 1 – судак; 2 – говядина тушеная; 3 – курица в белом соусе
- •Свч размораживатели
- •Свч сублиматоры
- •Процессы обработки пищевых продуктов и жидкостей
- •Выпечка
- •Уборочные процессы
- •Процессы удаления пыли и очистки изделий
- •Определение пыли.
- •Основные свойства пыли
- •Коагуляция пыли
- •Основные закономерности движения и осаждения пыли
- •Гравитационное осаждение
- •Осаждение под действием центробежной силы
- •Инерционное осаждение
- •Осаждение частиц пыли в электрическом поле
- •Фильтрация через пористые материалы
- •Мокрая очистка
- •Термофорез
- •Очистка изделий от пыли в быту
- •Механическая чистка изделий
- •Пневмомеханическая чистка изделий
- •Пневматическая чистка изделий
- •Процессы очистки газов, жидкостей и растворов
- •Процессы очистки газов
- •Процессы очистки жидкостей и растворов
- •Отстаивание и осаждение
- •Отстойное центрифугирование
- •Флотация
- •Фильтрование
- •Общая характеристика процесса
- •Гидравлическое сопротивление зернистого или пористого слоя при фильтровании
- •Фильтрование под действием перепада давлений
- •Фильтрование под действием центробежной силы
- •Ультрафильтрация и обратный осмос
- •Процессы кондиционирования помещений
- •И лучи тепловлажностных процессов
- •Процессы мойки бытовых изделий и посуды
- •Процессы облагораживания воздуха
- •Общие понятия о микроклимате
- •Вентилирование
- •Безразмерные характеристики различных типов вентиляторов
- •Электроотопление
- •Процессы химической чистки изделий
- •Обработка изделий струями жидкостей
- •Процессы обработки изделий из тканей
- •Процессы стирки
- •Моющий процесс при стирке
- •А) сферическая мицелла, б) пластинчатая мицелла
- •Динамика перемещения ткани во вращающемся барабане
- •Теория активаторного процесса стирки
- •Теория отжима белья
- •Процессы сушки изделий из тканей
- •Процессы фильтрации растворов
- •Теория фильтрования с образованием осадка
- •Теория фильтрования без образования осадка
- •Процессы влажно-тепловой обработки тканей
- •Процессы соединения тканей
- •Подача материалов в швейных машинах
- •Подача ниток в швейных машинах
- •Прокалывание материалов иглой
- •С материалом при прокалывании
- •Соединение ткани ниточным способом
- •Рабочие органы универсальной швейной машины
- •Процесс образования челночного стежка
- •Образование стежка на швейной машине с вращающимся челноком.
- •В зависимости от соотношения натяжения ветвей ниток
- •Процесс образования цепного (петельного) стежка
- •Образование однониточного цепного стежка на тамбурной машине с вращающимся петлителем.
- •(Римские цифры – положения отверстия)
- •Образование двухниточного петельного стежка на машине с колеблющимся крючком.
- •Расход мощности в процессе работы универсальной швейной машины
- •Процессы получения холода
- •Естественное и искусственное охлаждение
- •Влияние холода на пищевые продукты
- •Нахождения в замороженном состоянии :
- •Вспомогательные средства холодильного хранения продуктов
- •Термодинамические основы процессов трансформации тепла
- •Замораживание
- •Охлаждение
- •Домораживание
- •Способы получения низких температур
- •Расширение газов
- •Дросселирование
- •Эффект Пельтье и Ранка-Хильша
- •Вибрация
- •Колебания механических систем
- •Подавление вибрации
Фильтрование под действием центробежной силы
Центробежное фильтрование суспензий осуществляется в центрифугах с вращающимися перфорированными барабанами с вмонтированной внутри фильтровальной перегородкой.
Под действием центробежной силы, возникающей в массе фильтруемой суспензии, развивается давление, которое расходуется на преодоление сопротивления слоя осадка, образовавшегося на фильтровальной перегородке, и создание фильтрату необходимой кинетической энергии для прохождения его с определенной скоростью через слой осадка и фильтровальную перегородку.
Для центробежного фильтрования применимы приведенные выше закономерности кинетики фильтрования при . В данном случае давление определяется величиной центробежной силы, которая изменяется с изменением радиуса вращения частицы.
Согласно схеме центрифуги непрерывного действия с ножевым съемом осадка (Рис. 68, а, б) находят величину давления на стенку барабана, вращающегося с угловой скоростью . Для этого в жидкости плотностьюна расстоянии от оси вращения выделяют элементарный кольцевой слой толщиной с массой.
Рис. 68. Центрифуга с ножевым съемом осадка:
а – схема центрифуги; б –к расчету величины центробежного давления
Элементарная центробежная сила, действующая на эту массу:
.
Отнеся эту силу к боковой поверхности цилиндра , на которую она действует, получают величину элементарного давления:
.
Интегрируя левую часть этого выражения от 0 до и правую часть отдо, находят давление (в Па), действующее на стенку барабана:
.
Тогда применительно к центробежному фильтрованию, протекающему при , основное уравнение для скорости центробежного фильтрования запишется так:
.
Ультрафильтрация и обратный осмос
Методы обратного осмоса и ультрафильтрования заключаются в фильтровании растворов под давлением через полупроницаемые мембраны, избирательно пропускающие растворитель и полностью или частично задерживающие молекулы растворенных в них веществ. Иногда в специальной литературе обратный осмос и ультрафильтрование объединяют под общим названием «гиперфильтрование» – процесс фильтрования растворов через полупроницаемые мембраны с порами размером менее 0,5 мкм. В основе этих способов лежит явление осмоса – самопроизвольного перехода растворителя (воды) в раствор через полупроницаемую мембрану (Рис. 69, а). Давлениев растворе, заставляющее растворитель переходить через мембрану, называют осмотическим. Создав над раствором давлениеравное осмотическому (Рис. 69, б), осмос прекращается и наступает состояние равновесия. Если же над раствором создать избыточное давление, превышающее осмотическое давлениена величину(Рис. 69, в), то переход растворителя будет осуществляться в обратном направлении и тогда процесс называют обратным осмосом.
Согласно простейшей теории механизм фильтрования через пористую мембрану объясняется тем, что поры такой мембраны достаточно велики для того, чтобы пропускать молекулы растворителя, но слишком малы, чтобы пропускать молекулы растворенных веществ. По другим представлениям этот механизм намного сложнее и избирательная способность мембран, очевидно, обусловливается электрическими силами, возникающими в мембране, различием коэффициентов диффузии компонентов раствора, формой и размерами молекул и др. Обратный осмос и ультрафильтрование имеют принципиальное отличие от обычного фильтрования. Если при обычном фильтровании осадок откладывается на фильтровальной перегородке, то при обратном осмосе и ультрафильтровании образуются два раствора, один из которых обогащен растворенным веществом. В этих процессах накопление вещества в виде осадка на поверхности мембраны недопустимо, так как это приводит к резкому ухудшению ее работы.
Рис. 69. Изображение осмотических процессов
Вместе с тем обратный осмос и ультрафильтрование имеют много общего: для их осуществления используются мембраны, изготовленные из одного и того же материала, но имеющие различные размеры пор. В процессе ультрафильтрования мембраной задерживаются вещества с молекулярной массой 500 и более, а низкомолекулярные вещества и растворитель свободно проходят через поры. При обратном осмосе мембраной задерживаются как высокомолекулярные вещества, так и большая часть низкомолекулярных, а проходит через нее почти чистый растворитель. Таким образом, ультрафильтрование является способом концентрирования высокомолекулярных веществ с одновременной очисткой их от низкомолекулярных веществ, а обратный осмос – способом концентрирования всех веществ, находящихся в данном растворе, или способом выделения чистого растворителя из раствора.
Отделить высокомолекулярные вещества от низкомолекулярных очень трудно, поэтому нельзя четко разграничить ультрафильтрование и обратный осмос. В обоих случаях приходится преодолевать осмотическое давление фильтруемого раствора, так как растворитель переносится в направлении, противоположном возрастанию концентрации растворенного вещества, задерживаемого мембраной.
Величина осмотического давления (в Па) для растворов определяется по уравнению Вант–Гоффа:
где – коэффициент Вант–Гоффа;– степень диссоциации растворенного вещества;– газовая постоянная;– абсолютная температура раствора,;– концентрация растворенного вещества,;– молекулярная масса растворенного вещества,.
Из уравнения следует, что осмотическое давление растворов прямо пропорционально их температуре и концентрации и обратно пропорционально молекулярной массе растворенного вещества.
Успех мембранных методов разделения во многом зависит от качества изготовляемых пористых мембран. Для изготовления таких мембран применяют полимерные пленки, пористое стекло, металлокерамику и другие материалы. Для практического применения изготовляемые мембраны должны отвечать следующим основным требованиям:
иметь высокую разделяющую способность (селективность);
избирательно пропускать одни вещества и не пропускать другие;
иметь высокую удельную производительность (проницаемость);
быть устойчивыми к действию разделяемой среды и микроорганизмов;
иметь достаточную механическую прочность и постоянство технических характеристик в процессе эксплуатации мембраны;
не содержать токсических веществ;
иметь невысокую стоимость.
Селективность (в %) мембран определяют по формуле:
,
где и– концентрация растворенного вещества в исходной смеси и в фильтрате, мас. %.
Проницаемость мембраны зависит от ее пористости, а также от формы и длины пор. В мембранах на 1 поверхности приходится околопор диаметром около 0,1 мкм и менее. Проницаемостьмембран, или удельная производительность (в), выражается объемомфильтрата, получаемом с единицы рабочей площадимембраны в единицу времени, т. е. согласно формуле .
Общую пористость мембраны и средний диаметр ее пор с достаточной для технических расчетов точностью можно определить по уравнению Пуазейля:
,
где – количество жидкости, протекающей через капилляр за единицу времени;– диаметр капилляра;– вязкость жидкости;– длина капилляра.
Предполагая, что поры мембраны имеют цилиндрическую форму с одинаковым сечением и расположены перпендикулярно ее поверхности, для мембраны площадью (в), толщиной(в м) и с числом порна 1уравнение Пуазейля примет вид:
.
Пористость мембраны можно выразить соотношением:
.
Найдя из этого выражения и подставив его в уравнение , получают общий объем фильтрата (в):
,
откуда средний диаметр пор (в м):
.
Общую пористость мембраны (в %) можно рассчитать как:
,
где – плотность материала мембраны;– плотность мембраны, определяемая взвешиванием определенного объема ее.
Поскольку разделение с помощью мембран осуществляется без фазовых превращений и энергия в процессе расходуется в основном на продавливание раствора через мембрану, то затрата энергии в этих процессах намного меньше, чем в других методах разделения. Например, для опреснения морской воды методом обратного осмоса расходуется около 7 , в то время как на опреснение такой воды путем перегонки расходуется около 80.
Благодаря простоте мембранных установок, проведению процессов при обычной температуре и экономичности методы ультрафильтрования и обратного осмоса применяют для сгущения фруктовых соков, молока и творожной сыворотки, сахарных растворов, ферментных препаратов, опреснение морских и соленых вод, очистки виноматериалов, пива и других продуктов.
Установлено, что обработка ультрафильтрованием пищевых продуктов улучшает их качество. Это, по–видимому, объясняется отсутствием в полученном продукте вредных микроорганизмов и сохранением в нем нужных солей и кислот. Интересные результаты получены при применении ультрафильтрования вместо тепловой пастеризации пива. При этом из пива удаляются бактерии и высокомолекулярные вещества, ухудшающие качество пива. Такая обработка в 2,5 раза экономичней тепловой пастеризации и увеличивает срок хранения при улучшении качества пива.