PSM Curs 113.02.2012

Capitolul 1- Notiuni fundamentale referitoare la operatii si procese

1.1. Consideratii generale si clasificarea operatiilor Materiile prime sunt transformate in produse finite printr-o succesiune de operatii fizice , mecanice , chimice , biochimice si combinate . Se inteleg prin operatii o activitate desfasurate fie de un om sau un grup de oameni , fie de o masina sau o ........... in vederea atingerii unui obiectiv . Ansamblul operatiilor care concura la fabricarea unui anumit produs produs tehnologic . In functie de scopul urmarit operatiile se impart in 5 clase : - operatii de pregatire - operatii principale prin care materiile prime sunt transformate in semifabricate sau in produse brute - operatii de finisare - prelucreaza semifabricatele si produsele brute obtinandu-se produs finit comercializat - operatii de prelucrare a subproduselor si a deseurilor - operatii auxiliare Operatiile care apartin mai multor procese tehnologice si care de multe ori se repeta in cadrul aceluiasi proces tehnologic poarta numele de operatii unitare sau operatii tip . Din punnct de vedere al modului in care se actioneaza asupra substantelor si materialelor operatiile tip se impart in : operatii cu schimbarea starii fizice ( operatii cu schimbare de faza ) : - topireasolidificarea - evaporareacondensarea - sublimarea operatii de amestecare si aglomerare : - amestecare - framantarea ( malazarea ) - aglomerare - brichetarea - presarea - dizolvarea - agitarea operatii de divizare si separare : - taiere - spargere - maruntire - macinare - zdrobire - cernere - sortare si calibrare - sedimentarea

- decantare - filtrare - centrifugare - stoarcere - distilare - extractie - rectificare - uscare - cristalizare - separare pneumatica sau electrostatica operatii chimice si biochimice : - fermentare - maturare - acidulare - pasteurizare - sterilizare - neutralizare Sedimentarea presupune separarea unui component dintr-un amestec neomogen care contine cel putin doua faze , folosindu-se forte gravitationale sau centrifuge . Sistemele heterogene supuse operatiilor de sedimentare sunt : - sistemul solid-lichis ( suspensii ) - sistemul lichid-lichid (emulsii ) - sistemul solid-gaz ( dispersii gazoase ) - sistemul lichid-gaz ( aerosoli ) Decantare ( limpezire) - separarea unui component dintr-o suspensie sub actiunea fortelor gravitationale . Distilarea separarea unui component dintr-un amestec omogen lichid-lichid bazata pe diferenta dintre temperatura de fierbere ale componentelor . Componentul cu temperatura de fierbere mai mica se evapora primul si este trimis intr-o alta instalatie unde condenseaza . Operatia se realizeaza cu aport de caldura . Rectificarea separarea unuia sau a mai multor componente dintr-un amestec omogen lichid-lichis ( solutie ) in cazul in care temperaturile de fierbere ale componentelor sunt apropiate . Operatia se realizeaza prin mai multe distilari succesive . Extractie separarea unui component dintr-un amestec de doua sau mai multe substante prin folosirea unei alte substante in care componentul respectiv se dizolva . Daca amestecul e unul omogen de mai multe lichide si se foloseste alta substanta lichida pentru dizolvare extractia se numeste extractie lichid-lichidnumita rafinare ( ............. ) Se ................... si la extractie solid-lichid daca amestecul este format din particule solide imbinate cu lichid.................. Absorbtia o extractie solid-lichid sau solid-gaz realizata prin difuziune sau capilaritate ( fara caldura ) . Adsorbtie operatia prin care un corp solid atrage molecule de lichid sau gaz pe suprafata lui unde se formeaza o pelicula subtire . Cristalizare formarea unor cristale intr-o solutie cand e suprasaturata . In functie de natura lor operatiile pot fi : Operatii fizice : fara schimb de caldura si masa : - sedimentare - filtrare

- maruntire etc cu schimb de caldura : - incalzire - racire - evaporare - condensare cu schimb de caldura si masa : - uscare - sublimare - prajire - extractie operatii mecanice : - operatii de depozitare - operatii de transport - operatii de ambalare - operatii de dozare - operatii de cantarire - operatii de masurare De multe ori o parte din aceste operatii sunt considerate operatii auxiliare si sunt direct precizate in procesela tehnologice . operatii chimice si biochimice ( precizate anterior ) 1.2. Procese tehnologice Reprezentarea grafica a unui proces tehnologic cu indicarea materiei prime , a materialelor auxiliare , a semifabricatelor si a produsului finit se numeste schema a procesului tehnologic sau schema bloc. In cadrul ei operatiile si procesele se reprezinta prin dreptunghiuri iar trecerea de la o operatie la alta prin sageti . In dreptul unor dreptunghiuri pot fi notate caracteristici ale prceselor tehnologice sau proprietati lae materialului ( concentratia , umiditatea , starea , etc. ) . Pentru exemplificare se prezinta schema procesului tehnologic de obtinere a amidonului si glucozei din cartofi . Concentrarea este operatia prin care se miscoreaza umiditatea crescand concentratia substantelor solide solubile ( evaporare , uscare ) SHEMA BLOC : Daca in locul dreptungiurilor se reprezinta simplificat prin scheme conventionale , utilajele folosite , se obtine schema liniei de fabricatie . Totalitatea masinilor , instalatiilor si aparatelor folosite la realizarea operatiilor poarta numele de sistem de masini si instalatii . In cadrul sistemului intra masini sau instalatii cu functionare continua sau instalatii discontinue. La masinile cu functionare continua alimentarea cu materiale principale sau auxiliare si energie , se efectueaza permanent , uniform si neintrerupt . Toate fazele procesului : alimentare , prelucrare , evacuare se desfasoara simultan . Instalatiile cu functionare discontinua au functionare ciclica . Instalatia se incarca cu materie prima si materiale auxiliare in .......... apoi se prlucreaza si cand au ajuns in faza de produs finit sunt evacuate din instalatie . Operatiile de prlucrare , alimentare si evacuare sunt decalate in timp . Structura sistemului de masini si instalatii coreleaza cu succesiunea logica si tehnologica a operatiilor din cadrul procesului tehnologic. Transpunerea in practica a

schitei liniei de fabricatiei si folosirea componentelor sistemului de masini si instalatii formeaza fluxul tehnologic sau linia de fabricatie . Capitolul 2- Instrumente de lucru pentru studiul operatiilor unitare Instrumentele de lucru folosite sunt : - analiza dimensionala - bilantul de materiale - bilantul termic sau caloric - consideratii economice - teoria similitudinii si modelarii - teoria echilibrelor fazelor 2.1. Elemente de analiza dimensionala 2.1.1. Precizarile referitoare la sistemul international de unitati ( S.I. ) S.I. are la baza sapte marimi si unitati fundamentale , doua marimi si unitati suplimentare restul fiind format din marimi si unitati derivate. Marimile fundamentale sunt marimi independente,masurabile si direct accesibile prin simturile si gandirea umana. Ele au fost stabilite in mod conventional si au unitatile de masura si contro lmetrologicse realizeaza experimental etaloane ale unitatilor de masura ale acestor unitati de masura cu cea mai mare precizie pentru momentul respectiv. Nr. Crt. 1. 2. 3. 4. 5. Domeniul Mecanica Mecanica Mecanica Termodinamica Termodinamica Marimea Simbolul Unitate de masura Simbolul unitatii de masura M S Kg K Kmol

lungimea L metrul timpul T secunda masa M kilogramul temperatura kelvin cantitatea de kilomol substanta 6. Electricitate si Intensitatea I amper electromagnetism curentului A electric 7. Optica si Intensitatea J candela Cd fotometrie luminoasa Marimile suplementare se folosesc in geometrie si unt : unghiul plan ( radianirad ) si unghiul solid ( steradiansr ) . Marimile derivate formeaza un sistem coerent de unitati de masura bazate pe relatiile de definitie ale marimilor respectiv in care intra numai unitatile de masura fundamentale fara a fi implicati coeficienti cu valoare diferita de 1. Exemplu : Pentru putere : P=Lm/t [P]=[Lm]/[t]=[F]*[d]/[t]=[m]*[a]*[d]/[t]=(M/T)*L ( [l]/ [t]^2) =( M*L^2 )/T^3= ML^2T^-3 =kg m^2s^-3 =/= J/s = W( watt) 1W= 1 J/s = 1 kg*m^2*s^-3 Unitatile de masura care deriva din nume proprii se simbolizeaza cu litere mari dar se scriu in DEX cu litere mici . newtonN

wattW faradF coulombC Toate celelalte unitati se simblolizeaza cu litere mici . Modul de scriere a unitatilor derivate are forma m/s ,ms^-1 Simbolurile prin care se noteaza multiplii si submultiplii se scriu osingura data in fata primei unitati de masura fara a se folosi prefixe compuse. nF=nanofarad m=micrometru

PSM Curs 2 - 20.02.2012 2.1.2. Domeniul si modul de activitate al analizei dimensionale Analiza se face in trei directii : - verificarea corectitudinii unei relatii care descriu anumite procese tehnice - determinarea naturii factorilor implicati in relatii fizice - stabilirea formei generale a ecuatilor care descriu fenomene si procese Analiza dimensionala are la baza ecuatii dimensionale : [X] dimensiunea unei valori x [X]= (L^a)*(M^b)*(T^c)*(^d)*(^e)*(I^f)*(J^g) ecuatia dimensionala Exponentii se determina cu ajutorul metodelor : a) Verificarea corectitudinii unei relatii care descriu anumite procese tehnice se urmareste sa se verifice daca relatia data este omogena din punct de vedere dimensional sau din punct de vedere al unitatilor de masura . Exemplu : Sa se verifice corectitudinea relatiei prin care se exprima debitul de lichid printrun orificiu mic practicat intr-un rezervor . Q=S2gh - coeficient adimensional , coeficient de debit determinat intotdeauna experimental S - aria sectiunii transversale a orificiului g - acceleratia gravitationala h - presiunea lichidului la nivelul orificiului exprimata in metrii coloana de Hg. Se scrie ecuatia dimensionala pentru fiecare marime din relatie . [Q] = [V]/[ = ]L^3/T= L^3*T^-1 V- volum -interval de timp []=1 [S]=L^2 [a]=L/T^2=L*T^-2 [k]=L [S2gh]=L^2L*T^-2*L= L^3*T^-1 [Q]=[S2gh]relatia omogena din punct de vedere dimensional Sepoate scrie si o ecuatie cu utilizarea unitatilor de masura. =/m^3/s =m^2

=m*s^-2 => =m^2*ms^-2m=m^3s^-1 =m Observatie : Prin procedeul de analiza dimensionala nu se poate verifica corectitudinea semnelor sau lipsa unui termen cand relatia este data sub forma de suma sau diferenta de termeni . b) Stabilirea formei factorilor implicati in relatie Ecuatia dimensionala folosita are expresia generala: (L^a)*(T^b)*(M^c)*(^d)*(^e)=[f]*(L^g)*(T^h)*(M^i)*(^j)*(^k) [f]=(L^a-g)*(T^b-h)*(M^c-i)*(^d-j)*(^e-k) Se considera ecuatia : (p-d/V^2)(V-b)=RT ecuatia termic de stare pentru gazele reale ecuatia lui Vanderwalls. pV^3-pbV^2-aV+ab= RTV^2 p presiunea gazului ideal exprimata in Pa V - volumul molar exprimat in m^3/kmol V=V/ V- volumul numarul de kmoli de substanta T temperatura termodinamica exprimate in grade K R constanta gazului real Se ia in consideratie termenul care nu contine nici un factor si se scrie ecuatia dimensionala pentru acest termen . [pV^3]=[p][V^3]=[F]/[S] * [V^3] ={ [m]*[a]/ [S] } [V^3=MLT^(-2)L^9/L^2*^3 Este necesar ca toti tremeni sa aiba aceeasi dimensiune. Bilantul de materiale In cursul operatiilor,materialele isi schimba proprietatile modificandu-se de multe ori si cantitatile.Operatile se impart in doua categorii:-cu desfasurare continua ; -cu desfasurare discontinua. La operatiile cu desfasurare continua alimentarea, prelucrarea si evacuarea sunt faze ce se desfasoara simultan pe cand la cele cu desfasurare discontinua se lucreaza cu sarje de material astfel incat alimentarea, prelucrarea si evacuarea se succed in timp. L operatiile cu desfasurare continua alimeentarea se poate face in doua moduri:-alimentare in flux continuu;- alimentare divizata cu elemente discrete. Parametrii caracteristici pentru operatiile cu functionare continua sunt: -M:cantitatea de produs ce se afla in instalatie la un moment dat; -Qi:debitul de alimentare; -Qe:debitul de evacuare; -:timpul in care materialul se afla in instalatie. La operatiile cu functionare discontinua paraemetrii caracteristici sunt: -M:maasa unei sarje; -:durata ciclului de prelucrare; -N:nr de cicluri realizate intr-un interval de timp t; -Qm:debit mediu care este de fapt un debit fictiv si care este egal cu M/. Capacitatea de prelucrare la aceste operatii se exprima si prin produsul P=NQm=(t/ *)Qm. Orice instalatie prin care se realizeaza practic operatiile are un regim de functionare stationar sau nu. Regimul stationar este cel la care parametrii de stare (P,T, concentratie, umiditate) precum si parametrii de proces (debit,viteza,cantitate,timp de prelucrare) sunt constanti in timp.

Bilantul de materiale exprima circulatia materialelor intr-o instalatie sau in intreaga linie de fabricatie si se determina pentru punctele sau pt zonele in care se face schimb de materiale intre sistemul termic considerat si mediul inconjurator. Pe baza rezultatelor bilantului este posibila conducerea economica a procesului tehnologic precum si dimensionare optica a masinilor si instalatilor folosite. Se folosesc: -bilantul total; -bilantul partial; bilantul total se aplica unei instalatii sau intregii linii de fabricatie si ia in consideratie toate cantitatile de materiale participante la proces. Expresia generala a unui bilant total:Mi+Ma=Mr+Me+Mp Mi-cant de material ce intra in instalatie in intervalul de timp pt care se face bilantul Ma-cant de material ce se afla in instalatie la inceputul perioadei pt care se face bilantul Mr-cant de material ramasa in instalatie la sfarsitul perioadei Me- cantitatea de material evacuata din instalatie in intervalul de timp considerat Mp-pierderi de material pe durat procesului Aceasta expresie generala caracterizeaza bilantul total de material pentru operatiile cu functionare discontinua. Notam: Mr+Ma=A(acumulare)=> Mi=Me+A+Mp La operatiile cu functionare continua A=0 +>ecuatia de bilant este de forma: Mi=Me+Mp Bilantul partial de materiale se refera fie numai la o parte a sistemului tehnic considerat , fie numai la un component al produselor fabricate. Daca in cursul unui proces, concentratia unui component se modifica expresia bilantului partial referitor la acest component are forma: (ci/100)*Mi+(ca/100)*Ma=(cm/100)*Me+(cr/100)*Mr+(cp/100)*Mp unde ci,ca ,ce, cr, cp sunt concentratiile masice procentuale ale componentului respectiv in diferite faze al operatiilor. Rezultatele bilantului de material se folosesc pentru calculul consumului specific si pt calculul randamentului de fabricatie. Consumul specific este cantitatea de materie prima si materiale auxiliare necesara pentru prelucrarea unui produs. Randamentul de fabricatie este raportul dintre cantitatea de produse si cantitatea de materie prima si materiale utilizate. Prezentatrea sintetica a bilantului de material se face sub forma grafica sau tabelara. Pt prezentarea grafica se traseaza un contur simplificat al sistemului tehnic si se reprezinta grafic fluxurile de materiale la o scara convenabila aleasa folosind marimi fizice de aceeasi masura. Aceste cantitati de materiale din schema sunt de aceeasi natura, au aceeasi unit de masura si sunt reprezentate la aceeasi scala. Mt-cant totala de material Mp-pierderile de material din cursul operatilor Pfp-produs final principal Pfs-produs final scundar In prezentarea tabelara se consemneaza materialele intrate si evacuate, sunt indicate operatiile, simbolurile, unitatea de masura, cantitate si eventual relatiile de calcul. Bilantul termic

Bilantul termic(caloric) stabileste relatiile intre caldura intrata in sistem caldura utila si caldura evacuata din sistem.El reprezinta o forma simplificata a bilantului energetic si se bazeaza pe teorema de variatie si conservare a energiei exprimata prin principiul unu al termodinamicii:Q=L+U (Q-caldura; L-lucru mecanic efectuat de sistem; U-variatia energiei intrata dependenta de temperatura) Pentru intocmirea bilantului termic se efectueaza urmatoarele operatii preelimare: -delimitare sitemului tehnic si fixarea duratei pt care se scrie ecuatia de bilant; -determinarea cantitatii de materiale implicate -precizarea starii fizice a materialelor (stare de agregare, temperatura, concentratie, umiditate etc) -calculul entalpiilor specifice pt materialele la care schimbul de caldura este exprimat prin variatia entalpiilor si calculul caldurilor schimbate -calculul caldurii in care nu sunt implicate variatiile entalpiilor numite si calduri sensibile -expresia generala a unei ecuatii de bilant are forma:Qi+Qa=Qe+Qr+Qp (Qi-caldura intrata in sit.;Qa-caldura aflata in sit la inceputul perioadei la care se face bilantul;Qe-caldura evacuata din sistem;Qr-caldura ramasa in sitem la sfarsitul perioadei;Qp-pierderi de caldura). Prop termofizice ale materialelor folosite pt scrierea ec de bilant termic a) caldura specifica(c) reprezinta caldura schimbata de un kg de substanta cu mediul extern cand isi modifica temperatura cu un K c=Q/mT(Q-caldura schimbata de m kg cand acestea isi modifica temperatura cu T) =/=J/kgK Q=mcT=mc(Tf-Ti) c apare in relatia de schimb de caldura (Tf-timp in stare finala; Ti-timp in stare initiala) Q>0 implica faptul ca materialul a primit caldura;Qi=i=>i=ce (Tf-T0)+l+cp(TTf) Q=mi- caldura ce se calculeaza cu ajutorul entalpiei

Curs 4 3.4. Curgerea lichidelor prin conducte b. Curgerea laminara Pierderi de sarcina Ptr pierderi liniare se porneste de la expresia vitezei medie a lichidelor in curgere laminara Re = VxD/ c. Curgerea turbulenta = curgerea caracterizata prin variatie in timp si in spatiu a vitezelor particulelor de lichid in modul - la trecerea particulelor de lichid printr-un punct, vitezele acestora sunt diferite -pierderile de sarcina sunt influentate de regimul de curgere si de rugozitatea conductei Rugozitatea: Rugozitate absoluta : K=D0-Dc /2 mm D0 = diametrul apoteotic al conductei dupa ce aspiratiile ar fi indepartate Dc = diametrul conductei dupa omogenizarea aspiratiilor Rugozitate relativa : = K/l = 2K/D Rugozitatea echivalenta (KD) = rug unei conducte cu particule de nisip lipite pe partea interioara la care pierderea de presiune e egala cu pierderea de pres a conductei considerate cand scurgerea are aceleasi caracteristici KD