Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
МОДУЛЬ № 5
МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
ЛЕКЦИЯ № 28 ЭКСТРАКЦИЯ
Литература:
План лекции:
Контрольные вопросы:
ВОПРОС № 1 ЭКСТРАКЦИЯ В СИСТЕМЕ «ЖИДКОСТЬ – ЖИДКОСТЬ»
ВОПРОС 1.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Экстракцией в системе «жидкость — жидкость» называется процесс извлечения растворенного вещества или веществ из жид кости при помощи специальной другой жидкости, не растворяю щейся или почти не растворяющейся в первой, но растворяющей экстрагируемые компоненты.
Принципиальная схема экстракции приведена на рис. 1.
В экстрактор загружаются исходный раствор F, содержащий распределяемое (экстрагируемое) вещество или вещества М, и ра створитель L. Жидкость, используемая для извлечения компонен тов, называется экстрагентом (Е). Массообмен между фаза ми протекает при их непосредственном контакте. Полученная в результате экстракции жидкая смесь поступает в разделитель, где разделяется на экстракт (Э) — раствор экстрагированных веществ в экстрагенте и рафинат (R) — остаточный раствор, из которого экстрагированы извлекаемые компоненты. Разделение смеси на экстракт и рафинат происходит в результате отстаивания или се парирования.
Процесс экстракции проводят в аппаратах различной конст рукции — экстракторах.
Экстракцию широко используют для извлечения ценных про дуктов из разбавленных растворов, а также для получения кон центрированных растворов.
Основное преимущество экстракции — низкая рабочая темпе ратура процесса, что позволяет разделять жидкие смеси термола бильных веществ, например антибиотиков, разлагающихся при повышенных температурах.
Рис. 1 Принципиальная схема экстракции
Во многих случаях экстракцию применяют в сочетании с рек тификацией. Поскольку расход теплоты на ректификацию умень шается с увеличением концентрации исходного раствора, предва рительное концентрирование раствора экстракцией позволяет со кратить расход теплоты на разделение исходной смеси.
ВОПРОС 1.2. РАВНОВЕСИЕ В СИСТЕМЕ «ЖИДКОСТЬ – ЖИДКОСТЬ»
Переход распределяемого вещества из одной жидкой фазы (ис ходного раствора) в другую (экстрагент) происходит до установле ния равновесия, т. е. до выравнивания химических потенциалов в фазах. В процессе участвуют три компонента (К= 3) и две фазы (Ф= 2). Согласно правилу фаз вариантность системы F=3. Одна ко температура и давление при проведении процесса экстракции, как правило, поддерживаются постоянными. Тогда вариантность экстракционной системы будет равняться единице.
Следовательно, данной концентрации распределяемого веще ства в одной фазе в состоянии равновесия соответствует опреде ленная концентрация в другой.
Равновесие в процессах экстракции характеризуется коэффи циентом распределения φ, который равен соотношению равновес ных концентраций экстрагируемого вещества в обеих жидких фа зах — в экстракте и рафинате.
В простейших системах достаточно разбавленных растворов, подчиняющихся закону Бертло — Нернста, при постоянной тем пературе коэффициент распределения не зависит от концентра ции распределяемого вещества и ф = ур/х, где ур, х — равновесные концентрации распределяемого вещества в экстракте и рафинате. В этом случае линия равновесия — прямая:
(1)
Последнему уравнению отвечают начальные участки изотерм экстракции. При наличии диссоциации и ассоциации молекул ра створенного вещества и его химического взаимодействия с экстра гентом коэффициент распределения изменяется с концентрацией и изотермы экстракции отклоняются от прямой. В области высо ких концентраций такие отклонения вызваны изменением коэф фициентов активности в фазах.
Коэффициент распределения, как правило, в промышленных системах определяют экспериментальным путем.
Если считать обе жидкие фазы нерастворимыми друг в друге, то каждая из фаз будет представлять собой двухкомпонентный ра створ. В этом случае процесс экстракции по аналогии с другими массообменными процессами может быть изображен в координа тах у—х.
При частичной взаимной растворимости жидких фаз каждая из них при экстракции будет представлять собой трехкомпонентный раствор. Составы трехкомпонентных смесей представляют в тре угольной системе координат (рис. 2).
В вершинах L, М, Е равностороннего треугольника отложены составы частых (100 %-ных) компонентов: растворитель исходно го раствора L, экстрагент Еи распределяемое вещество М. Каждая точка на сторонах LM, ME и EL соответствует составу двухкомпонентных растворов.
Площадь, заключенная внутри треугольника, соответствует со ставам трехкомпонентных растворов (тройным смесям). Для опре деления содержания каждого компонента в растворе на сторонах диаграммы нанесены шкалы отсчета. Длина каждой стороны при нята за 100 % (массовых, объемных или мольных).
Состав раствора или смеси определяется длиной отрезков, про веденных параллельно каждой стороне треугольника до пересече ния с двумя другими.
Например, точка N характеризует тройную смесь, состоящую из 30 % растворителя L, 41 % экстрагента Еи30% распределяемо го вещества М.
На треугольной диаграмме изображают процессы изменения состава трехкомпонентных смесей. При прибавлении к раствору, характеризуемому точкой N (рис. 3, а), распределяемого веще ства М содержание компонентов Е и L не изменяется, а точки, определяющие составы полученных растворов, будут находиться на прямой NM, приближаясь к вершине треугольника М, в зави симости от количества прибавленного компонента М.
При извлечении распределяемого вещества М из смеси N точ ки, соответствующие получаемым составам, будут лежать на пря мой РМ, и чем более разбавлен раствор, тем ближе к стороне тре угольника LE.
Рис. 2. Треугольная диаграмма
Рис. 3. Изменение состава трехкомпо нентных смесей на треугольной диаграмме:
а — концентрирование и разбавление смеси; б— смешивание двух трехкомпонентных смесей
Разбавление смеси состава N экстрагентом Е характеризует ли ния NE.
С помощью треугольной диаграммы по известному количеству и составу исходной смеси (точка N) и составам, получаемым при ее разделении на экстракт (точка Э) и рафинат (точка R), можно определить количество этих фаз (рис. 3, б)
где R, Э, N— масса соответственно рафината, экстракта, исходной смеси, кг.
По правилам рычага
(2)
Изобразим линию равновесия в треугольной диаграмме. При мем условие, согласно которому распределяемое вещество М нео граниченно растворяется в обеих жидких фазах L и Е, а сами ра створители имеют ограниченную растворимость друг в друге (рис. 4).
Составы однородных двухкомпонентных растворов М и L и М и Е характеризуются точками на сторонах диаграммы LM и ЕМ. Ра створители L и Е образуют одно родные растворы только на не больших участках LR и ЭЕ. Смесь растворителей на участке RЭ рас слаивается на два однородных двухкомпонентных насыщенных
Рис. 4. Линия равновесия в треугольной диаграмме
раствора R (насыщенный раствор Е в L) и Э (насыщенный ра створ Z, в Е). Причем количество насыщенных растворов в каж дом из двух слоев определяется положением точки Nv. находится по правилу рычага [см. уравнение (2)].
При добавлении вещества М в смесь состава W образуется трой ная смесь состава, характеризуемого точкой N\, лежащей на пря мой NM. Смесь состава N\ расслаивается на две фазы с равновес ными составами Rx и Э{ в соотношении{RiN{). При даль нейшем добавлении в смесь распределяемого вещества М2, Мъ, ... получим тройные смеси составов N2, N3,..., которые также рассла иваются на фазы с равновесными составами R2 и Э2, R^ и Э3 и т. д. При этом меняются и массовые соотношения равновесных расхо дов до того момента, когда одна из фаз исчезнет в рассматривае мом случае при составе Л4- После этого при добавлении распреде ляемого вещества М образуются однородные тройные растворы состава N5 и др.
Если соединить R^ и Э\, R2 и Э2,... прямыми линиями, получим хорды равновесия R\3i, R232, ..., соответствующие равновесным составам. Хорды равновесия сходятся в точке К, называемой кри тической. Наклон хорды равновесия определяется природой ком понентов и составом фаз. Соединив точки, характеризующие рав новесные составы R, Ru R2, ... и Э, Эх, Э2,..., плавной кривой, по лучим кривую равновесия (бинодальную кривую).
Ветвь RK кривой равновесия характеризует равновесные соста вы фазы растворителя L, а ветвь ЭК— равновесные составы фазы растворителя Е.
Бинодальная кривая на треугольной диаграмме разграничивает области, соответствующие двухфазным смесям (под бинодальной кривой) и однофазным растворам (вне бинодальной кривой).
Приведенная на рис. 4 диаграмма равновесия составлена для постоянной температуры.
На практике приходится иметь дело с компонентами, обладаю щими частичной растворимостью в определенных интервалах концентраций. Соответственно поведению компонентов тре угольные диаграммы бывают с двумя и тремя зонами ограничен ной растворимости.
На равновесие системы влияет также температура. Взаимная растворимость компонентов, как правило, с повышением темпе ратуры увеличивается, следовательно, область существования ге терогенных систем уменьшается. С увеличением температуры би нодальная кривая на рис. 4 будет приближаться к оси LE, при этом площадь под линией ККЭ будет уменьшаться.
ВОПРОС 1.3. КОНСТРУКЦИИ ЭКСТРАКТОРОВ В СИСТЕМЕ «ЖИДКОСТЬ – ЖИДКОСТЬ»
Эффективность массопередачи в процессах экстракции про порциональна площади массообменной поверхности и средней движущей силе процесса. С целью увеличения площади массооб менной поверхности в экстракторах одна из жидких фаз дисперги руется и распределяется в другой в виде капель. Процесс массопе редачи протекает между дисперсионной и сплошной фазами. Для проведения процесса с наибольшей движущей силой в экстракто рах организуют взаимодействие потоков в условиях, приближаю щихся к идеальному вытеснению. Это достигается проведением процесса в тонком слое в насадочных, центробежных экстракто рах, путем секционирования экстракторов либо использования многоступенчатых секционных экстракционных установок.
Экстракторы по принципу организации процесса бывают не прерывного и периодического действия.
В зависимости от способа контакта фаз экстракторы можно разделить на три группы: ступенчатые, или секционные, диффе ренциально-контактные и смесительно-отстойные.
Ступенчатые (секционные) экстракторы состоят из отдельных секций, в которых концентрация в фазах изменяется скачкообраз но. В некоторых случаях каждая секция приближается по полю концентрации к аппарату идеального смешения. Экстрактор, coстоящий из нескольких таких секций, по полю концентраций приближается к аппарату идеального вытеснения.
Необходимость разделения фаз после каждой секции экстракции в случае плохо разделяемых эмульсий может приводить к значительному увеличению размеров экстрактора.
Дифференциально-контактные экстракторы обеспечивают не прерывный контакт между фазами и плавное непрерывное изме нение концентраций в фазах. Из-за продольного перемешивания фаз в таких аппаратах средняя движущая сила может значитель но снижаться по сравнению с аппаратами идеального вытесне ния.
Для диспергирования жидкой фазы требуются затраты энергии.
В зависимости от вида затрачиваемой энергии экстракторы могут быть без подвода и с подводом внешней энергии. Внешняя энер гия во взаимодействующие фазы может вводиться перемешиваю щими устройствами, вибраторами и пульсаторами, например в вибропульсационных экстракторах, в виде центробежной силы в центробежных экстракторах, кинетической энергии струи в ин жекторных и эжекторных экстракторах.
Рис. 5. Смесителъно-отстойная экстракцион ная установка:
1 — экстрактор; 2— сепаратор
Смесительно-отстойные экстракторы состоят из нескольких сту пеней, каждая из которых включает смеситель и разделитель. В смесителе в результате подвода внешней энергии происходит дис пергирование одной из жидких фаз с образованием дисперсион ной фазы, которая распределяется в другой — сплошной фазе. Дисперсной фазой может быть как легкая, так и тяжелая фаза.
В разделителе, который представляет собой отстойник, а в со временных установках — сепаратор, эмульсия разделяется на рафинат и экстракт. Схема простейшего смесительно-отстойного экстрактора приведена на рис. 5.
Посредством соединения нескольких смесительно-отстойных секций образуются различные по схемам экстракционные установки.
Приведенная схема из-за присущих ей недостатков, а именно: громоздкости, значительной производственной площади, высо кой металло- и энергоемкости, вытесняется более совершенными конструкциями.
Тарельчатые экстракторы (рис. 6) представляют собой ко лонные аппараты с ситчатыми тарелками различных конструкций, снабженными переливными устройствами. Фазы взаимодей ствуют в перекрестном токе на каждой тарелке. Диспергируемая фаза (легкая или тяжелая) проходит через отверстия в тарелках и дробится на капли. Сплошная фаза движется вдоль тарелки от пе релива к переливу. Капли на тарелках коалесцируют и образуют сплошной слой жидкости над тарелкой (тяжелая жидкость) или под тарелкой (легкая жидкость). Подпорный слой секционирует экстрактор по высоте и обеспечивает подпор для диспергирования жидкости через отверстия тарелок. Секционирование экстрактора снижает обратное перемешивание фаз и приводит к увеличению средней движущей силы процесса.
Рис. 6. Тарельчатый экстрактор:
1 — цилиндрический корпус; 2—переливное устройство; 3 — ситчатые тарелки
Скорость дисперсной фазы в отверстиях тарелки определяют из условий создания струйного режима. Критическая скорость, соответствующая переходу от капельного режима к струйному, за висит от диаметра отверстий:
Для работы экстрактора в устойчивом струйном режиме ско рость увеличивают примерно на 20 % по сравнению с критичес кой.
Для определения коэффициентов массоотдачи в дисперсной фазе можно рекомендовать выражение
(3)
Роторно-дисковый экстрактор (рис. 7) относится к экстрак торам с механическим перемешиванием фаз. Он представляет со бой вертикальный многосекционный аппарат, в цилиндрическом корпусе которого по оси установлен ротор с круглыми горизон тальными дисками. Диски вращаются в средней плоскости секции экстрактора и разделены кольцевыми перегородками, что препят ствует продольному перемешиванию потоков и способствует уве личению движущей силы процесса. При вращении ротора диски создают осевые потоки сплошной фазы, направленные от оси ро тора к стенкам экстрактора. Достигнув стенок, жидкость движется вдоль них вверх и вниз в пространстве, ограниченном кольцевыми перегородками. Отражаясь от колец перегородки, жидкость меня ет направление и движется к оси экстрактора. Так возникают то роидальные потоки сплошной фазы. В верхней и нижней частях экстрактора расположены отстойные зоны. Капли легкой фазы — экстракта движутся вверх и коалесцируют в верхней отстойной зоне. Для лучшего разделения фаз диаметр отстойных зон не сколько превышает диаметр зоны смешения.
Рис. 7. Роторно-дисковый экстрактор:
1, 5—отстойные зоны; 2—корпус; 3—кольцевые перегородки; 4—ротор
Рис. 8. Фрагмент роторно-насадочного экстрактора:
1—ротор; 2— слой насадки; 3—турбинные мешалки
Диаметр дисков ротора Dp составляет 0,5...0,7 диаметра экстрак тора, а диаметр отверстий кольцевых перегородок DK = (0,6...0,8) Д, (где Dэ — диаметр экстрактора), высота секции Н= (0,15...0,3) Dэ
В других конструкциях на роторе в средней плоскости каждой секции расположены открытые турбинные мешалки. Секциони рование достигается при помощи кольцевых перегородок. В таких экстракторах чередуются зоны смешения и разделения.
Вместо кольцевых перегородок зоны перемешивания могут разделяться слоем насадки, например колец Рашига, в которой тройная смесь разделяется на легкую и тяжелую жидкость. На рис. 8 показан экстрактор с турбинными мешалками и отстойными зонами, заполненными кольцами Рашига.
Вибрационные и пульсационные экстракторы позволяют повы сить интенсивность массопередачи и использовать положитель ные качества гравитационных экстракторов (простота конструк ции, низкая стоимость, небольшие затраты на эксплуатацию).
Колебательное движение жидкостям может сообщаться уста новленным вне экстрактора пульсатором либо посредством дви жущегося возвратно-поступательного блока ситчатых тарелок, на саженных на подвижный общий шток. В первом случае экстрак тор называется пульсационным (рис. 9), во втором — вибраци онным.
Золотниково-распределительный механизм состоит из диска, вращающегося в неподвижном корпусе. Диск и корпус имеют по два окна для соединения пульсационной камеры с системой сжатого воздуха и для сообщения камеры с атмосферой. При совпа дении прорезей для сжатого воздуха на диске и корпусе жидкость в пульсационной камере находится под избыточным давлением. За счет перепада давления жидкость приобретает поступательное движение. Когда пульсационная камера сообщается с атмосфе рой, при совпадении прорезей сброса давления на вращающемся диске и корпусе происходит сброс давления и жидкость совер шает возвратное движение. Регулируя частоту вращения диска, можно изменять частоту колебания жидкости в экстракторе. Ам плитуда колебаний определяется давлением сжатого воздуха. Ча стота пульсаций обычно составляет 30...250 мин-1, а амплитуда — 2...25 мм.
Рис. 9. Пульсационный экстрактор:
1 - неподвижный корпус; 2- вращающийся диск; 3 — окна для соединения с системой сжа того воздуха; 4 — окно для сообщения с атмосферой; 5—пульсационная камера
В зависимости от произведения амплитуды на частоту колеба ний (AJ) пульсационные экстракторы могут работать в смесительно-отстойном и эмульгационном режимах.
В смесительно-отстойном режиме за один цикл пульсаций лег кая фаза, перемещаясь с нижней на вышележащую тарелку, дис пергируется на тарелке и коалесцирует в межтарельчатом про странстве. Тяжелая фаза движется навстречу через слой легкой жидкости. Для этого режима характерны небольшие продолжи тельность контакта фаз и площадь межфазной поверхности. С возрастанием А/ размер капель уменьшается и возникает эмульга-ционный режим, для которого характерно наличие мелких капель примерно одного диаметра, заполняющих весь межтарельчатый объем экстрактора.
Размер отверстий в тарелках экстрактора составляет 3...5 мм, площадь всех отверстий принимается равной 20...25 % площади поперечного сечения колонны; расстояние между тарелками 50 мм.
Лучшее распределение и диспергирование достигаются на та релках с прямоугольными отверстиями и направляющими лопат ками.
В вибрационных экстракторах вибрация блока тарелок проис ходит при больших частотах и меньших амплитудах, чем пульса ция жидкости в пульсационных экстракторах. Расход энергии на вибрацию блока тарелок значительно меньше, чем в пульсацион ных экстракторах на перемещение всего столба жидкости.
Преимущество пульсационных и вибрационных экстракто ров—эффективная массопередача, которая достигается путем увеличения коэффициентов массоотдачи, средней движущей силы процесса и создания развитой поверхности фазового контакта. ВЭТС в таких экстракторах в 5...6 раз ниже, чем в тарельчатых ситчатых экстракторах.
Удельные нагрузки [30...80 м3/(м2•ч)] превышают допустимые в роторно-дисковых экстракторах.
Высокая эффективность массопередачи позволяет значительно сократить металлоемкость экстракционного оборудования, что приводит к снижению капитальных затрат.
В то же время для пульсационных и вибрационных экстракто ров требуются более мощные фундаменты, выдерживающие зна чительные динамические нагрузки. Эксплуатационные затраты для таких экстракторов несколько выше, чем для обычных тарель чатых экстракторов.
В центробежных экстракторах (рис. 10) экстракция протекает при непрерывном контактировании движущихся противотоком фаз при минимальной продолжительности взаимодействия.
В корпусе машины, состоящем из двух кожухов: верхнего и нижнего, расположен вал с закрепленным на нем ротором. Вал с двух концов полый и выполнен по типу «труба в трубе», а в цент ральной части цельный, с каналами для отвода легкой жидкости. Вал вместе с ротором вращается с частотой около 4500 мин-1.
Обрабатываемый раствор и экстрагент поступают в экстрактор с противоположных концов полого вала, как показано на рис. 10 Легкая жидкость подводится со стороны привода, а тяже лая — с противоположного конца вала. Вал уплотняется с помощью двойных торцевых уплотнений. Уплотнительной жидкостью служит обрабатываемая в экстракторе жидкость.
Рис. 10. Экстрактор «Подбильняк»:
1 - корпус экстрактора; 2 - V-образное кольцо; 3 - ротор; 4 - труба для подвода легкой жид кости; 5-труба для отвода легкой жидкости; 6-труба для подвода тяжелой жидкости; 7-канал для выхода тяжелой жидкости
Внутри ротора находится пакет концентрических V-образных колец. В нем предусмотрены каналы для прохода легкой и тяже лой жидкости. Тяжелая жидкость поступает в пакет ротора, в его центральную часть, в то время как легкая жидкость — в перифе рийную часть. При вращении ротора вместе с пакетом колец тя желая жидкость под действием центробежной силы устремляется к наружному периметру ротора, а легкая движется навстречу валу ротора. Таким образом, жидкости контактируют в противотоке. Благодаря многократному диспергированию жидкости на капли и их коалесценции достигается высокая эффективность экстрак ции.
После разделения тройной смеси жидкости выводятся по кана лам в роторе в пустотелый вал: тяжелая жидкость выводится со стороны привода, а легкая — с противоположного конца вала, со стороны входа тяжелой жидкости.
Внутри ротора происходит инверсия фаз. Если в периферий ной части ротора дисперсная фаза легкой жидкости взаимодей ствует со сплошной фазой тяжелой жидкости, то в зоне, прилежа щей к оси ротора, наоборот, дисперсная фаза тяжелой жидкости контактирует со сплошной фазой легкой жидкости.
На отводной трубе легкой жидкости предусмотрен обратный клапан для регулирования положения границы двух фаз в ради альном направлении. Изменяя обратным клапаном рабочее давле ние легкой жидкости, можно получить необходимое соотношение объемов легкой и тяжелой жидкости, удерживаемых в роторе экст рактора.
Эффективность экстракции можно регулировать в зависимости от свойств обрабатываемых жидкостей путем изменения объема удерживаемой в роторе тяжелой и легкой жидкости.
С повышением частоты вращения ротора возрастают эффек тивность экстракции и производительность экстрактора, устраня ется «захлебывание» и повышается эффективность разделения тройной смеси.
Центробежные экстракторы характеризуются компактностью и высокой эффективностью. Их отличительной чертой является су щественное ускорение процессов смешения и разделения фаз в поле центробежных сил. Время пребывания фаз в таких экстрак торах в зависимости от конструкции составляет от нескольких се кунд до нескольких десятков секунд.
В центробежных экстракторах можно обрабатывать жидкости с малой разностью плотностей и при низком модуле экстрагента.
Экстракционная установка непрерывного действия (рис. 11) включает экстрактор, а также емкости для исходного раствора, экстрагента, рафината и экстракта. Исходный раствор подается в верхнюю часть экстрактора из емкости 3 насосом 2. Из емкости 4 насосом 1 экстрагент (легкая жидкость) подается в нижнюю часть экстрактора.
Массообмен в экстракторе происходит в противотоке: экстра гент проходит через тарелки снизу вверх, а исходный раствор дви жется навстречу. В итоге из верхней части экстрактора выходит экстракт, а из нижней — рафинат, которые собираются в соответ ствующие емкости.
Рис. 11. Схема непрерывнодействующей экстракционной установки:
1, 2—насосы; 3, 4, 6, 7—емкости; 5—экстрактор
ВОПРОС 2. Экстракция в системе «твердое тело – жидкость»
ВОПРОС 2.1. Общие сведения
Выщелачивание (частный случай экстракции) — это извлече ние из твердого тела одного или нескольких веществ при помощи растворителя, обладающего избирательной способностью.
В пищевой промышленности выщелачиванием обрабатывают капиллярно-пористые тела растительного или животного проис хождения.
В качестве растворителей применяют: воду—для экстрагирова ния сахара из свеклы, кофе, цикория, чая; спирт и водно-спиртовую смесь—для получения настоев в ликероводочном и пивобезалкогольном производствах; бензин, трихлорэтилен, дихлорэтан — в маслоэкстракционном и эфиромасличном производствах и др. Выщела чивание—основной процесс в свеклосахарном производстве, его применяют для извлечения сахара из сахарной свеклы. С помощью бензина извлекают растительное масло из семян подсолнечника.
За выщелачиванием в технологической схеме часто следуют процессы фильтрования, выпаривания и кристаллизации.
ВОПРОС 2.2. СТАТИКА И КИНЕТИКА ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ
Процесс выщелачивания заключается в проникновении ра створителя в поры твердого тела и растворении извлекаемых ве ществ.
Равновесие при выщелачивании устанавливается при выравни вании химических потенциалов растворенного вещества и его хи мического потенциала в твердом материале. Достигаемая концен трация раствора, соответствующая его насыщению, называется растворимостью.
Вблизи поверхности твердого тела равновесие устанавливается в течение короткого промежутка времени, поэтому при анализе про цесса массопередачи принимают, что концентрация на поверхнос ти раздела фаз твердое тело — растворитель равняется концентра ции насыщенного раствора утс.
Основная задача кинетики выщелачивания — определение продолжительности контакта взаимодействующих фаз, необходи мой для достижения заданной степени извлечения экстрагируемо го вещества. По продолжительности контакта фаз определяют раз меры экстракционных аппаратов.
На массопередачу при выщелачивании большое влияние ока зывает внутреннее строение твердого тела: размеры и форма ка пилляров, химический состав частиц. От внутреннего строения твердого тела зависит скорость массопередачи. Как было указано в главе 16, сложность внутреннего строения пористого тела затруд няет аналитическое описание процесса массопередачи внутри ка пиллярно-пористого тела.
Выщелачивание представляет собой сложный многостадийный процесс, который заключается в диффузии растворителя в поры твердого тела, растворении извлекаемых веществ или вещества, диффузии экстрагируемых веществ в капиллярах внутри твердого тела к поверхности раздела фаз и массопередачи экстрагируемых веществ в жидком растворителе от поверхности раздела фаз в ядро потока экстрагента.
Из перечисленных четырех стадий процесса лимитирующими общую скорость массопередачи являются, как правило, последние две, так как скорость массопереноса на первых двух стадиях обыч но значительно выше по сравнению со скоростью протекания двух последующих стадий.
Таким образом, общее диффузионное сопротивление массопе реноса складывается из диффузионных сопротивлений внутри твердого тела и в растворителе.
Особенно низкая скорость массопроводности характерна для капиллярно-пористых тел растительного и животного происхождения.
Рис. 12. Растительная клетка:
1 — клеточная оболочка; 2 — протоплазма; 3,4 — полупрони цаемые мембраны; 5— вакуоль
На рис. 12 показана схема строения растительной клетки.
Основное сопротивление массопереносу оказывает протоплазма клетки, поэтому перед проведением процесса выщелачивания растительное сырье подвергают специальной обработке. Пос ле денатурации стенки диффузионное сопротивление в клетке резко снижается и соответственно увеличивается коэффициент массопроводности.
Коэффициент массопроводности зависит от внутренней струк туры твердого тела, физических свойств экстрагента, концентра ции экстрагируемого вещества и температуры процесса. Зависи мость коэффициента массопроводности от перечисленных факто ров устанавливают опытным путем.
Экспериментальными данными установлено, что при экстра гировании сахара из свеклы коэффициент массопроводности К увеличился с 0,19- 10~9м2/с при t=20'C до 0,55- 10~9м2/с при /=60 °С, а при уменьшении концентрации сахара в свекле коэф фициент массопроводности снижался до 0,4 • Ю-9 м2/с
При экстрагировании соевого масла из растительного сырья трихлорэтиленом коэффициент массопроводности в области вы соких концентраций составляет (7,5 • Ю-11)...(12,8 • Ю-11) м2/с, а в области низких концентраций — (0,6 • Ю-1')...(1,9 • 10~п) м2/с.
В случае, когда основное диффузионное сопротивление сосре доточено в жидкой фазе, для описания процесса может быть ис пользовано уравнение массоотдачи .
Движущей силой процесса выщелачивания является разность между концентрацией экстрагируемого вещества у поверхности твердого тела у^ = унас и его средней концентрацией в массе экст рагента уср.
Скорость процесса в этом случае
(4)
Где βу – коэффициент массоотдачи в жидкой фазе.
Скорость молекулярной диффузии в пограничном слое толщи-
ной 8 определяют по уравнению Фика:
где D — коэффициент молекулярной диффузии.
Сопоставляя последние уравнения, А. Н. Щукарев получил уравнение для скорости растворения твердых тел
(5)
Установлено экспериментально, что 5 = D1/3. Тогда из выраже ния (4) следует, что $у пропорционально /Я/3. Путем обобще ния экспериментальных данных с учетом указанной зависимости получено уравнение для расчета коэффициента массоотдачи ру при выщелачивании
Из выражения (5) видно, что р* увеличивается с уменьшени ем толщины диффузионного слоя 6. Из теории пограничного слоя известно, что толщина диффузионного слоя уменьшается с увели чением критерия Рейнольдса, т. е. с увеличением относительной скорости движения экстрагента (относительно твердых частиц). Следовательно, процесс выщелачивания можно интенсифициро вать созданием эффективной гидродинамической обстановки, в том числе путем измельчения твердого материала.
Измельчение приводит к увеличению площади поверхности массопередачи, а также к уменьшению пути диффузии экстраги руемого материала из глубины капилляров к поверхности матери ала. В связи с тем что коэффициент массопроводности возрастает с повышением температуры, выщелачивание проводят при тем пературах, близких к температуре кипения экстрагента. При этом возрастает также концентрация насыщенного раствора унас, что приводит к увеличению движущей силы выщелачивания и раство рения.
Скорость массопроводности также можно увеличить путем специальной обработки пищевого сырья (см. выше), приводящей к снижению диффузионного сопротивления в клетке.
Практически интенсификация процесса может быть достигну та в экстракторах с эффективной гидродинамической обстанов кой, например в экстракторах с псевдоожиженным слоем, а также в вибрационных и пульсационных экстракторах.
Как было отмечено в главе 10, проведение процессов в псевдо-ожиженном слое с измельченными материалами приводит к рез кому увеличению поверхности массопередачи и снижению диф фузионного сопротивления.
В главе 19 указывалось, что низкочастотные колебания взаимо действующих фаз приводят к существенной интенсификации про цесса экстракции.
В пищевой промышленности растворение и выщелачивание проводят периодическим и непрерывным способами соответ ственно в перколяторах и диффузионных аппаратах различной конструкции в прямотоке и противотоке.
Перколятор (рис. 13) представляет собой вертикальный ци линдрический аппарат с коническим днищем и крышкой. В дни ще расположена решетка, на которую через верхний люк загружается слой измельченного твердого материа ла. После выщелачивания материал выгру жается через нижний откидывающийся люк.
Перколяторы соединяют последователь но в батареи. Число перколяторов в батарее составляет от 4 до 15. Растворитель прока чивается насосом снизу вверх последова тельно через все перколяторы. Батарея ра ботает по принципу противотока. В любой
Рис. 13. Перколятор:
1 — крышка; 2, 5—штуцера для растворителя; 3 — корпус; 4—решетка; 6— откидывающийся люк; 7—твердый материал
момент времени один из аппаратов, в котором достигнута задан ная степень извлечения, отключается на разгрузку отработанного материала и загрузку свежего. Материал выгружается из перколя-тора самотеком под давлением. В целом вся установка работает непрерывно.
Аппараты с псевдоожиженным слоем позволяют повысить эф фективность выщелачивания и растворения.
Аппарат представляет собой колонну, в нижней части которой расположена распределительная решетка. На эту решетку загру жается измельченный твердый материал, а растворитель подается под решетку. Скорость растворителя выбирают такой, чтобы со здать перепад давления в слое твердого материала, достаточный для его псевдоожижения (см. главу 10). Такие аппараты могут ра ботать в полунепрерывном и непрерывном режимах.
Диффузионные аппараты непрерывного действия получили ши рокое распространение в сахарной промышленности для извлече ния сахара из свекловичной стружки.
Наклонный двухшнековый диффузионный ап парат (рис. 14) установлен под углом 8...1Г к горизонту. В
Рис. 14. Наклонный двухшнековый диффузионный аппарат:
1, S— электродвигатели; .2—приемный бункер; 3 — крышка; 4—опора; 5— пере городка; 6, 9—лопасти; 7—разгрузочный шнек; 10—шнек; 11 — греющая камера; 12 — сито; 13 — штуцер для вывода диффу зионного сока; 14—ребро; 15— изоляция; 16—контрлопасть
верхней части аппарата расположены бункер для загрузки свекло вичной стружки и шнеки для удаления жома из аппарата.
Внутри аппарата стружка перемещается двумя параллельно расположенными шнеками снизу вверх. Шнеки образуются лопа стями, расположенными по винтовой линии. Лопасти каждого шнека заходят в межлопастное пространство другого. Такое уст ройство шнеков способствует равномерному перемещению струж ки по длине аппарата и предотвращает возможность вращения свекловичной стружки вместе с лопастями. Для этой же цели уста новлены контрлопасти и перегородки на нижней части крышек.
Удаляют жом из аппарата в верхней его части разгрузочными шнеками. Лучшему удалению жома способствуют также лопасти. Разгрузочные шнеки смонтированы под прямым углом к транс портирующим шнекам и вращаются в противоположном направ лении. Для подогрева массы в нижней части корпуса аппарата ус тановлены подогревательные камеры.
Диффузионные аппараты с взвешенным слоем лишены этих недостатков. В двухколонном аппарате (рис. 15), разработанном проф. С. М. Гребенюком, свекловичная стружка находится во взвешенном состоянии. Движущей силой для пере мещения содержимого в аппарате служит разность давлений над материалом в первой и второй колоннах. При движении поршне вого транспортирующего устройства вверх под ним создается раз режение. Свекловичная стружка поступает в верхнюю часть пер вой колонны, которая до определенного уровня заполнена диффу зионным соком. Уровень сока поддерживается при помощи уров немера. Таким образом, свекловичная стружка поступает в диффузионный сок и равномерно распределяется в объеме аппа рата.
Свекловичная стружка перемещается при помощи поршня транспортирующего устройства. При движении поршня вниз он входит в массу жома и жидкости, которая поступает через откры тые клапаны поршня. Чтобы масса в аппарате не перемещалась в направлении движения поршня, под ним установлена задержива ющая решетка. В нижнем положении поршень делает выстой. В это время клапаны поршня закрываются. После выстоя поршень перемещается вверх, а масса — в направлении движения поршня. В это же время в левой колонне масса перемещается вниз на такое же расстояние. Задерживающие решетки обеспечивают фильтро вание диффузионного сока. Вследствие периодического движения поршня стружечная масса в аппарате находится во взвешенном состоянии. Порция жома, захваченная поршнем, поступает на ре шетку, где жомовая вода отделяется и отводится через сито под поршень, а жом шнековым устройством направляется в разгрузоч ный желоб.
Рис. 15. Двухколонный диффузионный аппарат с взвешенным слоем:
1—загрузочная воронка; 2—ситовый пояс; 3, 4—подогревательные камеры; 5—задержива ющие решетки; б—уровнемер; 7—транспортирующее устройство; 8—шнековое устройство; 9—привод; 10—разгрузочный желоб
Рис. 16. Ленточный экстрактор:
1 — корпус; 2—сопла; 3 — загрузочная шахта; 4—транспортирующее устройство; 5—насосы
Производительность диффузионных аппаратов по свекле, т/сут,
Ленточные экстракторы (рис. 16) применяют для экстракции масла из семян подсолнечника. Твердая фаза — раздробленные се мена перемещаются по ленте тонким слоем, а экстрагент — бен зин подается сверху при помощи насосов и орошает находящийся на ленте материал. Процесс осуществляется по сложной комбини рованной схеме движения потоков твердого материала и экстра-гента: поперечный ток на каждом участке и противоток в целом в экстракторе. Конструкция экстрактора не обеспечивает эффек тивного взаимодействия твердой фазы с экстрагентом, экстракция протекает с невысокой скоростью. Для полного извлечения масла требуется несколько ступеней экстракции.
PAGE 21