Post on 03-Jan-2016
description
Operatii unitare in industria alimentara (I)
Cuprins
�Capitolul 1. Introducere. Sisteme de unitati de masura. Legi ale conservarii masei si energieiale conservarii masei si energiei
�Capitolul 2. Elemente de statica si curgerea fluidelor
�Capitolul 3. Transportul fluidelor. Amestecarea fazelor lichide
�Capitolul 4. Separari ale fazelor disperse: sedimentarea si filtrarea in camp gravitational si centrifug
�Capitolul 5. Maruntirea, sitarea, amestecarea fazelor solide
�Capitolul 6. Elemente ale transferului de caldura: Transfer de caldura prin conductie, convectie si radiatie
Bibliografie
1. Em Bratu, Operatii si utilaje in industria chimica, vol 1-2, Ed Tehnica, Bucuresti 1985
2. G. Jinescu, Operatii hidrodinamice si utilaje specifice, Ed Didactica si Pedagogica, Bucuresti 1981
3. A. Stoica, M. Stroescu, T Dobre, O Floarea, Operatii termice in industria alimentara, Politehnica Press, 2007
4. O Floarea s.a., Operatii si utilaje –Probleme, Ed Didactica si Pedagogica, Bucuresti, 1984
Introducere
Industriile de proces, in particular industria alimentara, sunt caracterizate de o diversitate de operatii si utilaje in care acestea se desfasoara.
Descrierea operatiilor intr-o instalatie se poate realiza prin utilizarea “operatiilor unitare” ce grupeaza in cateva categorii multimea operatiilor. “operatiilor unitare” ce grupeaza in cateva categorii multimea operatiilor.
Clasificarea operatiilor unitare se realizeaza, dupa mecanismul de transport dominant (dependenta operatiei unitare de un fenomen fizic bine definit):
�Operatii hidrodinamice (legi ale curgerii fluidelor)
�Operatii de transfer termic (bazate pe legile transferului de caldura)
�Operatii de transfer de masa (se fundamenteaza pe principiile echilibrelor
de faza si ale transferului de masa)
�La acestea se adauga operatiile mecanice
Operatii hidrodinamice
�Fundamente ale curgerii fluidelor
�Transportul fluidelor
�Amestecarea fluidelor
�Separarea amestecurilor solid-lichid:
sedimentare in camp gravitational,
filtrare in camp gravitational,
intensificarea operatiei de separare prin utilizarea campului centrifug
Operatii mecanice
Maruntirea
Sitarea
Amestecarea fazelor solide
Operatii termice
Fundamente ale transferului de caldura
Racirea-incalzirea
CondensareaCondensarea
Evaporarea
Sterilizarea-Pasteurizarea
Cristalizarea (si ca operatie de transfer de masa)
Uscarea (si ca operatie de transfer de masa)
Operatii de transfer de masa
Fundamente ale transferului de masa
Uscarea
Distilarea
Rectificarea
Absorbtia
Extractia
Scopul cursului
Scopul acestui curs este studiul acestor operatii unitare si al principiilor pe care se bazeaza.
Marimi si unitati de masura
In calculele ingineresti intervin marimi masurate carora li se asociaza unitati de masura.
Rezultatul unei masuratori este constituit din:Rezultatul unei masuratori este constituit din:
-marimea masurata (lungine, masa, temperatura..)
-un numar care reprezinta raportul dintre valoarea obtinuta prin masurare si o valoare etalon pentru marimea respectiva
-unitatea de masura
-Exemplu: Lungime 2 m, volum 4 m3, masa 3 kg
Marimi fundamentaleProprietatile fizice ale unui sistem sunt interconectate prin legi fizice
Anumite marimi se considera ca fundamentale iar altele ca derivate
Marimi fundamentale: lungime (L) , timp (T), masa (M)
Pentru procese termice si temperatura ( θθθθ)
Celelalte marimi fizice pot fi expimate functie de acestea
� Exemple pentru dimensiunile unor marimi importante:
Marime formula dimensionala
� Viteza (variatia lungimii in timp) LT-1
� Acceleratia (variatia vitezei in timp) LT-2
� Suprafata L2
� Volum L3
� Densitate (masa unitatii de volum) ML-3
� Forta (masa × acceleratia) MLT-2
Sisteme de unitati de masura
�Istoric , au coexistat diverse sisteme de unitati
�Standardizarea s-a realizat prin introducerea sistemului international de unitati (SI).
Masuratori ale marimilor fizice se realizeaza/s-au realizat la diferite scale (laborator, industrie), in diferite perioade de timp, in variate procese deproductie sau domenii ale stiintei. Ca urmare valorile raportate sunt in diverse sisteme de unitati.
Ex: in laborator cantitatile masurate sunt relativ mici⇒ sitemul de unitati de masura “c, g, s” (cm, g, s), in timp ce intr-un proces industrial masa, de exemplu, va fi masurata in kg.
� Inainte de a face calcule toate marimile ce intervin trebuie sa fie exprimate in acelasi sistem de unitati
Sistemul c-g-sSistem mult utilizat pentru masuratorile in laborator, multe date fizice sunt raportate in acest sistem
Are ca marimi fundamentale L, M, T
�Lungimea : Dimensiunea: L; Unitatea: centimetru (1 cm)�Lungimea : Dimensiunea: L; Unitatea: centimetru (1 cm)
�Masa: Dimensiunea: M; Unitatea: gram (1 g)
�Timp: Dimensiune: T; Unitatea secunda (1 s)
Unitati derivate:
�Forta: Formula Dimensional MLT-2; Unitate dyna (1 dyn =1g cm s-2)
�Energie: Dimensions ML2T-2; Unitate erg (1 erg=1 g cm2 s-2)
�Putere: Dimensions ML2T-3; Unitate erg/s
Sistemul international de unitati
�Este in esenta o modificarea a sistemului c-g-s, utilizabil la scara mai mare(tehnologica).�Dimensiunile fundamentale sunt aceleasi ca in sistemul c-g-s: L, M, si T.�Lungime L: unitati metru (1 m)
Masa M: unitati kilogram (1 kg)�Masa M: unitati kilogram (1 kg)�Timp T: unitati secunda (1 s)Unitati derivate�Forta: expresie dimensiomnala MLT-2, unitati Newton ( 1 N =1 kg m/s2)�Energie: expresie dimensiomnala ML2T-2, unitati Joule (1 J= 1 kg m2/s2)�Putere: expresie dimensiomnala ML2T-3, unitate Watt (1 W= 1 kg m2/s3)�Presiune: expresie dimensiomnala ML-1T-2: unitati Pascal (1Pa= 1 N/m2)
Unitati molare
�Se utilizeaza cand in proces au loc reactii chimice, se utilizeaza legile gazelor ideale, intervin echilibre de faza in calculul operatiilor�Molul (mol) este definit in SI ca si cantitatea de substanta ce contine un numar de entitati (atomi, molecule or unitati ce constituie o formula) egal cu numarul lui Avogadro, 6,022⋅1023. (Acest numar corespunde la nr de atomi din 12 g de 12C)�In paractica este mai util kilomolul (kmol). Numarul de kilomoli dintr-o substanta A se calxculeaza prin impartirea masei (M) in kg la masa molecularaMA.
Analiză dimensională
� Analiza dimensionala se bazeaza pe conceptul fundamental caorice ecuaţie sau relatie intre variabile trebuie sa fie “consistentadimensional” adica toti termenii relatiei trebuie sa aibe aceleasidimensiuni. (exemple la lucrari practice)
�Corolar al acestui principiu este : Impartirea tuturor termenilorunei relatii la unul dintre termeni conduce la o relatie in care totitermenii sun adimensionali.
�Utilizareagrupurilor adimensionale saucriterii adimensionale,sunt foarte importante in dezvoltarea relatiilor in ingineria deproces.
Conservarea masei si energiei
- Orice operatie unitara trebuie sa respecte legile fundamentale ale conservarii masei si energiei
- Expresia acestor legi constituie bilanturile de materiale si energie- Expresia acestor legi constituie bilanturile de materiale si energie
- Forma ecuatiilor de bilant depinde de:
• natura procesului (continuu sau discontinuu)
• regimul de lucru (stationar sau nestationar)
• conturul pentru care se scrie ecuatia de bilant (bilant pe intraga instalatie, bilant pe un grup de operatii, pentru o singura operatie)
Bilanturile de materiale si energie (termic) sunt fundamentale in stabilirea unui proces tehnologic si in controlul lui.
Regimuri de lucruRegim continuu: instalatia este alimentata continuu si uniform (debit constant) cu materie prima si utilitati si debiteaza neintrerupt si uniform produsul (ex: concentrarea solutiilor prin evaporare, separarea amestecurilor multiple prin rectificare)
Date necesare: -debite de alimentare şi evacuare şi compoziţiile acestora;- zestrea (cantitatea ce există în utilaj în orice moment);- durata (medie) de staţionare.
Regim discontinuu: lucrul in sarje
cantitati raportate la o sarja sau la o alta cantitate de referinta (ex la 100 kg materie prima)
date necesare
- mărimea şarjei (cantitatea de referinta);
- durata şarjei;
- concentraţiile la momentul iniţial şi la momentul final al prelucrării.
Regim stationar ( fara variatii intimp a marimilor ce intervin in calcul) - Nu se produc acumulari (pozitive sau negative) de materiale sau energie
Regim stationar, nestationar, tranzitoriu
� se poate defini pentu procesele continue
Regim nestationar (variatie in timp a unor marimi): Se produc acumulari de materiale sau energie.
• de regula aparate sau instalatii cu functionare discontinua, in sarje
Regim tranzitoriu- caracterizeaza intrarea in regim stationar
Bilant de materiale in regim stationar
Operatia
unitara
m1
m2
p1
p2
p3
Conturul pe care se scrie bilantul de materiale este chiar operatia unitara studiata
In lipsa acumularilor, legea conservarii masei se exprima ca:
1 1
ni ne
i ji j
m p= =
=∑ ∑2 3
1 1
1 2 1 2 3
i ji j
m p
m m p p p
= =
=
+ = + +
∑ ∑
ni= nr de debite de intrare
ne= nr de debite de iesire
Bilant partial in regim stationar
In cazul amestecurilor (solutiilor) trebuie sa putem exprima aportul fiecarui component in amestec, concentratia in componentul respectiv
Concentratia
fiecarui component in amestec, concentratia in componentul respectiv
Moduri de exprimare a concentratiei (vezi lucrari practice)
-Fractie masica sau procent masic (gravimetric)
-Fratie volumica sau procent volumic
-Fractie molara
-Raport molar
Exprimarea concentratiei
masicemasice –– recomandaterecomandate pentru amestecuri solide sau lichidepentru amestecuri solide sau lichide
molare (în reacţii, numărul de moli variază uneormolare (în reacţii, numărul de moli variază uneorii))-- recomandate recomandate cand apare o reactie chimicacand apare o reactie chimica
de volum (volumice) de volum (volumice) –– uzuale cand se lucreaza cu amestecuri de uzuale cand se lucreaza cu amestecuri de de volum (volumice) de volum (volumice) –– uzuale cand se lucreaza cu amestecuri de uzuale cand se lucreaza cu amestecuri de gazegaze
FracţiiFracţii ((ΣΣ=1) masice =1) masice ww ((weightweight), molare ), molare xx, , yy
ProcenteProcente ((ΣΣ=100)=100)
wi fractii masice
xi fractii molare
P1, wA,p1
Operatia
unitara
m1, wA,m1
m2,wA, m2
P2, wA,p2
P3, wA,p3
Bilant partial pentru componentul A
wA este concentratia componentului A
∑∑==
⋅=⋅ne
1jp,Aj
ni
1im,Ai ji
wpwm
Cantitate (debit) de component A intrat cu mi
Cantitate (debit) de component A iesit cu pj
Atentie! Unitatile de masura pentru debite (cantitati) trebuie sa fie corelate cu modul de definire a concentratiei
Exemplu:
Calculati cantitatea de zahar uscat ce trebuie adaugata la 100 kg solutie ce contine zahar in concentratie de 20 % pentru a ridica concentratie solutiei la 50 %.
Pasul 1: identificarea operatiei, stabilirea conturului pe care se scrie ecuatia de bilant de materiale
AmestecareZahar, 100%
Solutie 20 % zahar
Solutie 50 % zaharS1
S2
S3
Exemplu-continuare
321 SSS =+
Pasul 2: Formularea bilantului de materiale
(1) Bilant total
100
50S
100
20S
100
100S 321 ⋅=⋅+⋅(2) Bilant partial pe zahar
32
32
S5,0S2,0100
SS100
⋅=⋅+=+ S2=60 kg
S3=160 kg
Pasul 3 Rezolvarea sistemului de ecuatii
Bilant de materiale in regim nestationar
Materiale existente/ materiale ramase
m1
m2
p1
p2
p3
Materiale existente + Materiale intrate =
Materiale iesite + Materiale ramase
Materiale intrate - Materiale iesite =
Materiale ramase - Materiale existente = Acumulare
Bilantul se scrie pentru un interval de timp
Exemplu calcul
Gm,1 Gm,2 debite masice de alimentare si produswA, wA, wA,0 fractii masice
•Debilele de alimentare si produs nu variaza in timp•Concentratia componentului A in alimentare este constanta in timp, la valoarea wA,1
•Concentratia componentului A la iesirea din vas variaza in timp, wA(τ) si este egala, in orice moment, cu concentratia din vas (modelul amestecarii perfecte)•Masa din vas variaza in timp, M(τ)
Ipoteze:
mm GGd
dM −= 21τ 0
w0
0
w
MM
====
ττ
Cu conditiile initiale:
Ecuatiile modelului matematic
AmAmA wGwG
d
Mwd ⋅−⋅= 21,1
)(
τ0,A w0 Aw==τ
Daca Gm1 > Gm,2 masa din vas creste in timp (acumulare pozitiva)- vasul se umpleDaca wA1 >wA0 concentratia componentului A din vas creste in timp