Operatii unitare in industria alimentara (I)CuprinsCapitolul 1. Introducere. Sisteme de unitati de masura. Legi ale conservarii masei si energieiCapitolul 2. Elemente de statica si curgerea fluidelorCapitolul 3. Transportul fluidelor. Amestecarea fazelor lichide

Capitolul 4. Separari ale fazelor disperse: sedimentarea si filtrarea in camp gravitational si centrifugCapitolul 5. Maruntirea, sitarea, amestecarea fazelor solideCapitolul 6. Elemente ale transferului de caldura: Transfer de caldura prin conductie, convectie si radiatie

BibliografieEm Bratu, Operatii si utilaje in industria chimica, vol 1-2, Ed Tehnica, Bucuresti 1985G. Jinescu, Operatii hidrodinamice si utilaje specifice, Ed Didactica si Pedagogica, Bucuresti 1981A. Stoica, M. Stroescu, T Dobre, O Floarea, Operatii termice in industria alimentara, Politehnica Press, 2007O Floarea s.a., Operatii si utilaje Probleme, Ed Didactica si Pedagogica, Bucuresti, 1984

IntroducereIndustriile 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. 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 hidrodinamiceFundamente ale curgerii fluidelorTransportul fluidelorAmestecarea fluidelorSepararea amestecurilor solid-lichid:sedimentare in camp gravitational, filtrare in camp gravitational,intensificarea operatiei de separare prin utilizarea campului centrifug

Operatii mecaniceMaruntireaSitareaAmestecarea fazelor solide

Operatii termiceFundamente ale transferului de calduraRacirea-incalzireaCondensareaEvaporareaSterilizarea-PasteurizareaCristalizarea (si ca operatie de transfer de masa)Uscarea (si ca operatie de transfer de masa)

Operatii de transfer de masaFundamente ale transferului de masaUscareaDistilareaRectificareaAbsorbtiaExtractia

Scopul cursuluiScopul acestui curs este studiul acestor operatii unitare si al principiilor pe care se bazeaza.

Marimi si unitati de masuraIn calculele ingineresti intervin marimi masurate carora li se asociaza unitati de masura.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 respectivaunitatea de masuraExemplu: 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 derivateMarimi fundamentale: lungime (L) , timp (T), masa (M)Pentru procese termice si temperatura ( )

Celelalte marimi fizice pot fi expimate functie de acestea

Exemple pentru dimensiunile unor marimi importante: Marimeformula dimensionalaViteza (variatia lungimii in timp) LT-1Acceleratia (variatia vitezei in timp) LT-2Suprafata L2 Volum L3Densitate (masa unitatii de volum) ML-3Forta (masa acceleratia) MLT-2

Sisteme de unitati de masuraIstoric , 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 sistemAre ca marimi fundamentale L, M, TLungimea : 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 unitatiEste 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)Timp T: unitati secunda (1 s)Unitati derivateForta: 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 molareSe utilizeaza cand in proces au loc reactii chimice, se utilizeaza legile gazelor ideale, intervin echilibre de faza in calculul operatiilorMolul (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, 6,0221023. (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 moleculara MA.

Analiz dimensional Analiza dimensionala se bazeaza pe conceptul fundamental ca orice ecuaie sau relatie intre variabile trebuie sa fie consistenta dimensional adica toti termenii relatiei trebuie sa aibe aceleasi dimensiuni. (exemple la lucrari practice)Corolar al acestui principiu este : Impartirea tuturor termenilor unei relatii la unul dintre termeni conduce la o relatie in care toti termenii sun adimensionali. Utilizarea grupurilor adimensionale sau criterii adimensionale, sunt foarte importante in dezvoltarea relatiilor in ingineria de proces.

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 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 i evacuare i compoziiile acestora; zestrea (cantitatea ce exist n utilaj n orice moment); durata (medie) de staionare.

Regim discontinuu: lucrul in sarjecantitati raportate la o sarja sau la o alta cantitate de referinta (ex la 100 kg materie prima) date necesare- mrimea arjei (cantitatea de referinta); - durata arjei; - concentraiile la momentul iniial i la momentul final al prelucrrii.

Regim stationar ( fara variatii intimp a marimilor ce intervin in calcul) - Nu se produc acumulari (pozitive sau negative) de materiale sau energiese poate defini pentu procesele continueRegim nestationar (variatie in timp a unor marimi): Se produc acumulari de materiale sau energie.de regula aparate sau instalatii cu functionare discontinua, in sarjeRegim tranzitoriu- caracterizeaza intrarea in regim stationarRegim stationar, nestationar, tranzitoriu

Bilant de materiale in regim stationarConturul pe care se scrie bilantul de materiale este chiar operatia unitara studiataIn lipsa acumularilor, legea conservarii masei se exprima ca:ni= nr de debite de intrarene= nr de debite de iesire

Bilant partial in regim stationarIn cazul amestecurilor (solutiilor) trebuie sa putem exprima aportul 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 volumicFractie molaraRaport molar

Concentratia

Exprimarea concentratiei

masice recomandate pentru amestecuri solide sau lichidemolare (n reacii, numrul de moli variaz uneori)- recomandate cand apare o reactie chimicade volum (volumice) uzuale cand se lucreaza cu amestecuri de gazeFracii (=1) masice w (weight), molare x, y Procente (=100)wi fractii masicexi fractii molare

P1, wA,p1Bilant partial pentru componentul AwA este concentratia componentului ACantitate (debit) de component A intrat cu miCantitate (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 materialeAmestecareZahar, 100%Solutie 20 % zaharSolutie 50 % zaharS1S2S3

Exemplu-continuarePasul 2: Formularea bilantului de materiale (1)Bilant total(2)Bilant partial pe zaharPasul 3Rezolvarea sistemului de ecuatii pentru S2=100 kg

Bilant de materiale in regim nestationar Materiale existente/ materiale ramasem1m2p1p2p3Materiale existente + Materiale intrate = Materiale iesite + Materiale ramaseMateriale intrate - Materiale iesite = Materiale ramase - Materiale existente = Acumulare Bilantul se scrie pentru un interval de timp

Exemplu calculDebilele de alimentare si produs nu variaza in timpConcentratia componentului A in alimentare este constanta in timp, la valoarea wA,1Concentratia componentului A la iesirea din vas variaza in timp, wA(t) si este egala, in orice moment, cu concentratia din vas (modelul amestecarii perfecte)Masa din vas variaza in timp, M(t)Gm,1 Gm,2 debite masice de alimentare si produswA, wA, wA,0 fractii masice

Ipoteze:

Cu conditiile initiale:Ecuatiile modelului matematicDaca Gm1 > Gm,2 masa din vas creste in timp (acumulare pozitiva)- vasul se umpleDaca wA1 >wA0 concentratia componentului A din vas creste in timp