7.4.2. Оборудование для ведения сорбционных процессов

В пищевой промышленности сорбционные процессы применяются для извлечения ценных компонентов из газовых смесей, а также для очистки различных газовых систем от вредных примесей.

Процесс сорбции - это поглощение каким-либо телом газов, паров или растворённых веществ из окружающей среды.

Различают:

Абсорбция - процесс поглощения газа жидким по­глотителем, в котором газ рас­творим в той или иной степени;

Адсорбция - поглощение поверхностью твёрдого тела компонентов из газа или жидкости.

Хемосорбция - поглощение газа, при котором происходит химическое взаимодействие между поглотителем и газом. Этот процесс используется в сахарном производстве.

Десорбция - процесс выделения вещества, которое поглощено жидкостью или твёрдым телом, с целью его дальнейшего использования. Этот процесс используется также для регенерации поглотителей (сорбентов).

Поглощающая жидкость называется абсорбент. В качестве абсорбента наиболее часто используют воду, водные растворы солей, кислот, спирта.

Например: абсорбция сернистого газа водой с образованием раствора сернистой кислоты. Этот процесс применяется при производстве кукурузного крахмала.

В спиртовом производстве абсорбция используется при промывке газов, выделяемых при брожении, водой для улавливания из них паров спирта.

При производстве сахара абсорбцию используют при получении сатурационного газа. Газ поступает из сатурационной печи, его «промывают» водой, удаляя посторонние примеси: диокиси азота, серы, хлоридов щёлочных металлов, смолистых веществ.

К абсорбционным процессам относится сатурация – процесс искусственного насыщения воды углекислым газом. Углекислый газ при взаимодействии с водой образуют водный раствор. Процесс используется при производстве газированных напитков.

Поглощающее твердое тело называется адсорбент. Поверхность адсорбента должна быть весьма большая.

Как адсорбенты используются пористые вещества, имеющеие большую удельную поверхность. Наиболее распространены активированный древесный уголь (уголь растительного или животного происхождения, подвёргнутый специальной обработке), целлюлозная масса, кизельгур, силикагель (обезвоженный гель кремниевой кислоты), глины, активированные серной кислотой.

Активированный уголь используют в ликёро-водочной промышленности для очистки водно-спиртовых растворов, в сахарной промышленности для обесцвечивания сахарных сиропов. С той же целью в крахмалопаточной производстве используют костный уголь. Целлюлозная маса используется для обесцвечивания пива, её адсорбциооная способность в десятки раз меньше активированного угля.

Адсорбция также используется при осветлении пива и фруктовых соков, обесцвечивание сахарных растворов, регулирование состава газовых сред при хранении сельскохозяйственной продукции

Сочетание сорбции с десорбцией позволяет многократно исполь­зовать поглотитель и выделять сорбированный компонент в чистом виде.

Процессы десорбции осуществляются нагреванием сорбентов, понижением общего давления в системе или их парциального давления, пропуском через сорбенты инертных газов или жидкостей, которые вытесняют сорбиты.

Ионный обмен – один из видов сорбции, распространённый в природе и получивший распространение во многих отраслях пищевой промышленности для умягчения воды, приготовления безалкогольных и алкогольных напитков, очистки соков и сиропов, удаления ионов железа и кальция, ухудшающих вкусовые качества вин, для очистки молока от ионов кальция.

Механизм ионного процесса основан на том, что на границе раздела твёрдого тела и жидкости во многих случаях образуется двойной электрический слой: поверхность твёрдого тела имеет один электрический заряд, а ионы второй фазы имеют противоположный заряд.

Ионы внешнего слоя удерживаются у поверхности раздела главным образом электрическими силами. Эти ионы обладают определённой подвижностью, благодаря чему могут обмениваться с ионами того же знака, находящимися в среде (жидкости или газе), т.е. твёрдые тела (иониты) приобретают возможность поглощать ионы из среды.

В качестве природных ионитов используют цеолиты, глинистые материалы, апатиты, целлюлозу, крахмал, хлопок и др., однако они обладают малой ёмкостью обмена.

Синтетические иониты (смолы) отличаются большой ёмкостью обмена, механической прочностью, нерастворимы в воде и агрессивных средах, способны к регенерации.

Аппараты, предназначенные для ведения абсорбционных процессов, называются абсорберами. Современные абсорберы можно классифицировать следующим образом:

поверхностные;

плёночные – каскадные, трубчатые, насадочные;

барботажные - тарельчатые;

распылительные;

механические.

В поверхностных абсорберах газ контактирует только по поверхности жидкости.

В плёночных - контакт газа происходит с тонкой плёнкой жидкости, которая стекает самотёком или движется по насадкам разной формы.

В барботажных абсорберах через шар жидкости пропускаются пузырьки газа.

В распылительных абсорберах газ контактирует с капельками распыленной жидкости.

Наиболее распространены в пищевой промышленности насадочные и тарельчатые абсорберы.

В поверхностных абсорберах (рис. 7.86) газ проходит над поверхностью неподвижной или медленно текущей жидкости, контактируя лишь по её поверхности. Величина поверхности контакта незначительна, поэтому поверхностные абсорберы применяют при не­больших масштабах производства.

Рис.7.86. Оросительный поверхностный абсорбер с водяным охлаждением.

Они используются в основном для абсорбции хорошо растворимых компонентов из небольших объемов газа при одновременном отводе тепла.

Поверхностный абсорбер, состоит из ряда горизонтальных труб, которые орошаются снаружи водой. Контакт между газом и водой происходит по её поверхности.

В пленочных абсорберах газ и жидкость соприкасаются на поверх­ности текущей жидкой пленки. Течение пленки происходит по верти­кальным поверхностям, представляющим собой трубы или пластины.

Рис. 7.87 Каскадный плёночный абсорбер: 1 – корпус; 2 – полки; 3 – патрубок для подачи абсорбирующей жидкости; 4 – патрубок для отвода газа; 5 – патрубок для отвода жидкости; 6 – патрубок для подачи газа.

В каскадных пленочных абсорберах газ контактирует с жидкостью, стекающей в виде тонкой плёнки с полки на полку (рис. 7.87) На нижних краях пленок пленка прерывается и в виде каскада капель и потоков стекает на расположенные ниже поверхности, где опять формируется пленка жидкости. Периодическое прерывание пленочного течения, образование, падение и разрушение капель и потоков способствуют перемешиванию пограничных поверхностных слоев жидкости (обновление поверхности контакта) и ускоряют абсорбцию.

Такие аппараты просты по конструкции с низким гидравлическим сопротивлением.

Трубчатые пленочные абсорберы (рис.7.88 а) 3а выполняют в виде кожухотрубных тепло­обменников, которые состоят из вертикального пучка труб 1, закреп­ленных в трубных решетках 2. Жидкость движется в виде плёнки по внутренней поверхности трубы, контактируя с газом.

В межтрубном пространстве абсорбера движется охлаждающая жидкость для отвода, выделяющегося при абсорбции тепла.

Рис. 7.88. Пленочные абсорберы: а - трубчатый; б - с листовой насадкой; 1 - трубы; 2 - трубные решетки; 3 - пластины; 4 - распределительное устройство.

Плёночные абсорберы с листовой насадкой (рис. 7.88 б) пред­ставляют собой колонны с насадкой в виде вертикальных пластин (насадок) 3 из твердого материала (металл, дерево, пластические массы) или натянутых полотнищ из ткани. Жидкость (абсорбент) стекает тонкой плёнкой по пластинам, контактирует с газом, извлекая необходимый компонент.

Абсорберы с восходящим движением пленки. При высоких скоростях (10-40 м/с) движущийся вверх по трубам газ увлекает жидкую пленку в направлении своего движения.

Рис. 7.89. Абсорбер с восходящим движением пленки: 1 - трубы; 2 - трубные решетки; 3 -камера; 4 - патрубки; 5 - щели.

Схема абсорбера с восходящим движением пленки показана на рис. 7.89. Абсорбер состоит из пучка труб 1, закрепленных в трубных решетках 2. Газ подводится из камеры 3 через патрубки 4, располо­женные соосно с трубами 1.

Между патрубками и трубами оставлены щели 5, через которые жидкость поступает в трубы 1. Жидкость увлекается газом и течет в виде пленки по внутренней поверхности этих труб снизу вверх. После выхода из труб жидкость сливается на верхнюю трубную решетку и выводится из аппарата. В случае необходимости отвода тепла по межтрубному пространству пропускают охлаж­дающую жидкость.

Насадочные плёночные абсорберы (рис.7.90) представляют собой колонны, загру­женные насадками из тел различной формы (кольца, кусковой материал, деревянные решетки и т.д.). Контакт газа с жидкостью про­исходит в основном на смоченной поверхности насадки. Поверхность насадок большая и поэтому в не­больших объемах можно создать значительные поверхности массопередачи.

Течение жидкости по насадке носит в основном пленочный характер. Но между насадочными и пленоч­ными абсорберами, в том числе абсорберами с листовой насадкой, есть различия. В пленочных абсорберах пленочное течение жид­кости происходит по всей высоте аппарата, а в насадочном - лишь по высоте элемента насадки. При перетекании жидкости с одного элемента насадки на другой пленка разрушается и снова образуется на нижележащем элементе. Течение жидкости в насадочных абсорберах может нарушатся, и контакт между газом и жид­костью осуществляется в режиме барботажа.

Рис. 7.102. Насадочные абсорберы: а - со сплошной загрузкой насадки; б - с послой­ной загрузкой насадки; 1 - поддерживающие ре­шетки; 2 - насадка; 3 - устройство для распределе­ния жидкости; 4 - перераспределитель; 5 - желоб; 6 - патрубок.

Насадочный абсорбер состоит из колонны, в которой помещена поддерживающая решет­ка 1. На этой решетке уложен слой насадок 2. Жидкость подается на насадку из распределительного устройства 3. В абсорбере (рис. 7.90 а) насадка уложена сплош­ным слоем по всей высоте. Иногда насадку укладывают несколькими слоями, устанавливая под каждым слоем е решетки (рис. 7.90 б). Иногда при послойной уклад­ке насадок между отдельными слоями устанавливают устройство 4 для перераспределения жидкости.

Насадочные абсорберы используются при производстве газированных напитков для насыщения воды углекислым газом. Аппараты для газирования называются сатураторами (рис. 7.91).

Насыщение воды газом происходит в сатурационной колонне 2. В верхней части колонны на решетке расположен слой насадок, на поверхности которых контактируют вода и газ.

Давление в колонке - 0,4...0,7 МПа. Вода в центральной трубе перемешивается с диоксидом углерода при помощи сетчатых перегоро­док, и поступает в верхнее пространство, затем стекает тонким слоем по насадкам навстречу углекислому газу.

Диоксид углерода поступает в колону ниже слоя насадок через барботер. В нижней части колонны собирается газированная вода.

Рис. 7 91. Сатуратор АСК. 1 – центральная труба; 2 – колонна насыщения; 3 – манометр; 4 – деаэрационная колонна; 5 – диафрагма; 6 – наклонный патрубок; 7 – коническая воронка с тарелкой; 8 – эжектор; 9 – насос.

Вода перед поступлением в колонну насыщения освобождается от воздуха в деаэрационной колонне 4. Колонна разделена на 3 секции, между которыми смонтированы раз­делительные конусы. В каждом конусе на диафрагме 5 размещен наклонный патрубок 6, вставленный нижним концом в коническую воронку 7 с тарелкой.

Вода подается в деаэратор через эжектор 8, распыляется и насыщается углекислым газом, который поступает из верхней части сатурационной колоны. Стекая, вода заполняет деаэратор, доходит до тарелки, и поднимается по наклонному патрубку вверх. При этом выделяется нерастворённый углекислый газ, заполняя пространство под диафрагмой, и создаёт вокруг наклонного патрубка подушку. Вследствие этого из воды выде­ляется воздух, который заполняет пространство под диафрагмой. Следующие порции воздуха создают давление и понижают уровень воды на тарелке до тех пор, пока не откро­ется выход газовоздушной смеси в наклонный патрубок через его верх­ний край.

Тарелка увеличивает поверхность воды, из которой выделяют воздух, направляя ее от периферии к центру. Про­цесс выделения воздуха повторяется на верхней тарелке.

Накопленная в верхней части колонны газовоздушная смесь периодически выпускается через клапан.

Барботажные тарельчатые абсорберы.

Барботаж - это процесс пропускания газа или пара через слой жидкости. Газ продавливается через слой жидкости с помощью труб с мелкими отверстиями (3-6 мм), сетчатых или колпачковых тарелок абсорберов и ректификационных колонн.

При барботировании создаётся большая межфазная поверхность на границе «жидкость-газ», что способствует интенсификации тепло- и массообменных процессов, а также более полному химическому взаимодействию газов с жидкостями.

В тарельчатых барботажных абсорберах наиболее часто применяются колпачковые или сетчатые тарелки.

Абсорбционные колонны с псевдоожиженным слоем.

Рис. 7.92. Абсорбер с псевдоожжиженным слоем насадки: 1 – корпус; 2 – насадка (шары); 3 – опорная решетка; 4 - ограничивающая решетка; 5 – патрубок для отвода газа; 6 – патрубок для подвода жидкости; 7 - патрубок для подвода газа; 8 - патрубок для выхода раствора

Процессы в абсорбционных насадочных колоннах могут быть значительно интенсифицированы, если насадки будут приведены во взвешенное состояние, т.е. в состояние псевдоожижения.

На рис. 7.92 представлена схема адсорбера, который состоит из корпуса 1 с псевдоожиженным слоем насадок 2 в виде шаров, размещённых на решетке 3. Сверху установлена решётка 4, ограничивающая подъём шаров. Ожижающим агентом служит турбулизованный поток газа или жидкости. Легкие насадочные тела приводятся течением газа во взвешенное (псевдоожиженное) состояние.

Рис. 7.93. Абсорбер с плавающей насадкой: 1 – решётки; 2 – ограничивающая решётка; 3 – насадки (шары) 4 - распылитель

Рис. 7.94 . Барботажный абсорбер с сетчатыми тарелками

Положение слоя шаров фиксируется нижней (опорной) и верхней (ограничивающей) решетками. Нижняя решетка служит для поддержания насадки, верхняя препятствует уносу насадки из ап­парата, а также является опорной решеткой для верхней секции (в аппаратах с несколькими секциями). Таких сетчатых тарелок может быть несколько (рис. 7. 93) .

Преимущество этого типа абсорберов - самоочистка отверстий тарелки при ударах насадок. Они используются, когда при абсорбировании происходит химическая реакция, а осадок из образованных веществ забивает отверстия тарелок.

Абсорберы с пневможжиженным слоем насадок имеют высокий коэффициент полезного действия.

Барботажные абсорберы тарельчатого типа (рис.7.94) выполняют в виде ко­лонн круглого (иногда прямоугольного) сечения, по высоте которых расположены той или иной конструкции тарелки. Газ поступает в нижнюю часть колонны, проходит через слой жидкости на перфорированных перегородках и выходит сверху; жидкость подводится сверху и выходит снизу. На каждой тарелке, в зависимости от ее конструкции, может осуществляться тот или иной вид движения фаз, обычно перекрестный ток или полное перемешивание жидкости.

В распылительных абсорберах (рис. 7.95) тесный контакт между фазами достигается путем разбрызгивания жидкости специ­альными соплами или насадками. Через пространство, заполненное брызгами жидкости, пропускается газ. Процесс может проходить в колонне с распылительным уст­ройством для жидкости в верх­ней части и вводом газа в ниж­нюю часть.

Рис. 7.95 Распылительный абсорбер: 1-корпус; 2-форсунки.

Абсорберы с механическим перемешиванием жидкости представляют собой сосуды с мешалками, в которых газ барботирует через слой перемешиваемой жидкости. Механическое перемешива­ние повышает скорость массопередачи за счёт дробления пузырьков газа и увеличения поверхности контакта фаз.

Такие абсорберы используют при небольших соотношениях газ-жидкость, а также, если в жидкости присутствует мелко измель­ченное твердое вещество во взвешенном состоянии. Их используют также, когда требуется значительное время пре­бывания жидкости в аппарате при протекании химических реакций, и при периодической абсорбции.

Наиболее часто применяют турбинные мешалки, создающие радиальный поток жидкости. Чтобы избежать образова­ния воронки при перемешивании, у стенок сосуда располагают отражательные перегородки. Газ подают под мешалку через центральную трубу, перфо­рированное трубчатое кольцо , полый вал, а иногда через пористую перегородку или перфорированный лист.

Адсорберы классифицируют по нескольким признакам:

1. По характеру работы: непрерывного и периодического действия.

2. По состоянию адсорбента: с подвижным взвешенным адсорбентом и с неподвижным адсорбентом.

3. По агрегатному состоянию среды: для адсорбции из газовой фазы и жидкой фазы.

Адсорбер периодического действия (рис. 7.96) в простейшем виде пред­ставляет собой вертикальный цилиндр, снабженный опорными решетками, покрытыми густой сеткой или пористыми керамическими плитами. Разделяемая газовая смесь проходит через слой адсорбента, лежащий на решетке, снизу вверх. В аппаратах предусмотрены штуцеры для входа и выхода исходной и очищенной смесей, используемые также для входа и выхода десорбента.

Рис. 7.96. Вертикальный адсорбер. 1 - кор­пус; 2 - слой адсорбента; 3 - решетка; 4 - вход исходной смеси; 5 - выход инертного (относительно адсорбента) и десорбирующего потоков; 6 - вход перегретого водяного пара; 7 - выход па­ровой смеси.

В случаях, когда десорбция производится перегретым водяным паром, для его входа и выхода его смеси предусмотрены отдельные штуцеры.

Рис. 7.97. Кольцевой адсорбер: 1 – корпус; 2 – штуцер подачи газа или жидкости; 3 – штуцер отвода десорбента; 4 - штуцер подачи десорбента; 5 – люк выгрузки сорбента; 6, 7 – кольцевые решетки; 8 – люк подачи сорбента.

Кольцевой адсорбер (рис. 7.97) может использоваться как для очистки газовых смесей, так и воды.

Газ или жидкость, подлежащие очистке, подаются через штуцер 4 в наружную часть адсорбера, проходят через кольцевой слой адсорбента, который находится между внутренней 7 и внешней 6 цилиндрическими решетками, и выводятся через штуцер 4.

После полного насыщения адсорбента (например, активированного угля) проводят его десорбцию. Дессорбент (водяной пар) подается через штуцер 4, а парогазовая смесь отводится через штуцер 3.

Загрузка адсорбента проводится через два люка 8, а его выгрузку после полного насыщения - через люк 5.

В адсорбере непрерывного дей­ствия (рис. 7.98) адсорбент непрерывно движется в зам­кнутом цикле, проходя последовательно через аппараты для адсорбции, нагревания, десорбции и охлаждения адсорбента.

Последний непрерывно перемещается в адсорбере вниз навстречу потоку разделяемой смеси, проходит че­рез десорбер, снабженный поверхностью нагрева.

Р ис. 7.988. Адсорбционная установка непрерывного действия: 1 - адсорбер; 2,3 - вход исходной и выход очищенной смесей; 4 - десорбер; 5 - поверхность нагрева десорбера; 6,7 - вход и выход теплоносителя; 8, 9 - вход десорбирующего потока и выход паров после десорбции; 10 - пневмотранспортная труба; 11 - вход транспор­тирующего газа; 12 - бункер; 13 - холодильник ад­сорбента; 14, 15 - вход и выход охлаждающего агента; 16 - выход транспортирующего газа.

Далее адсорбент подается пневмотранспортом в бункер, а оттуда через холодильник возвращается в адсорбер. В ряде случаев пневмотранспорт заменяют ковшевыми элеваторами и винтовыми подъемни­ками. Адсорбер представляет собой вертикальную цилиндрическую колонну, иногда снабженную несколькими провальными колосниковыми решетками с целью упорядочения встречных потоков газовой и твердой фаз.

Аппараты для адсорбционной очистки воды и водных растворов.

Преимуществом адсорбционной обработки воды являются: высокая степень очистки, отсутствие отходов и загрязнений на самой установке, стабильность степени очистки непостоянных во времени уровнях загрязнения, экономичность, связанная с многократностью использования сорбента.

При адсорбции органических веществ применяют такие сорбенты, как активированные угли; измельчённые органические материалы: уголь, кокс, сорбенты на основе целлюлозы и резины, синтетические полимеры. Другие сорбенты, например, глины, силикагели при адсорбции органических веществ малоэффективны, и используются для удаления с воды неорганических веществ, которые находятся в ионной форме.

Адсорбенты используются в виде порошка или гранул.

Отработанный адсорбент регенерируют или утилизируют.

При одноступенчатой очистке воду смешивают со свежим углем, перемешивают в смесителе, и отделяют уголь.

При двухступенчатой очистке воду вначале очищают частично отработанным углем, а тонкую очистку проводят свежим углем. Степень очистки при этом способе выше.

Рис. 7.99. Адсорбер с неподвижным слоем активированного угля: 1 - корпус; 2 – слой адсорбента; 3 - люк для загрузки угля;4 - штуцер подачи воды на очистку; 5 - штуцер подачи воды для поверхностной промывки; 6 - решетки; 7 - штуцер для отвода очищенной воды и подачи промывной воды; 8 - люк для выгрузки отработанного сорбента.

Схема адсорбера с неподвижным слоем сорбента для очистки воды показана на рис. 7.99 . Обычно одновременно работают несколько адсорберов, в которых протекает определенная стадия процесса. Адсорберы работают периодически, а очистка воды происходит непрерывно. Взвешенные вещества, задержанные в верхних слоях адсорбента, периодически удаляют при промывке водой, проходящей через слой угля снизу вверх.

Более экономичной и производительной является схема работы, при которой из адсорбера периодически удаляется отработанная часть слоя сорбента при одновременном добавлении свежего. Такой принцип работы позволяет использовать лишь один адсорбер, сокращаются затраты времени на отключение и пуск адсорбера (продувка, сушка).

Непрерывную адсорбционную очистку проводят в схемах с движущимся или псевдоожиженным слоем сорбента.

Рис. 7.100.  Адсорбер с псевдоожиженным слоем активного угля: 1 - выносной уплотнитель; 2 - центральная труба; 3 - дырчатая кольцевая труба; 4 - распределительные решетки; 5 – диффузор.

Сорбционная установка непрерывного действия (рис. 7.100.) с псевдоожиженным слоем активного угля оснащена выносным углеуплотнителем 1 с принудительным отсосом адсорбента. Вода и адсорбент подаются в виде суспензии по центральной трубе 2 через диффузор 5. Пройдя через решетки 4, вода контактирует с взвешенным слоем угля. Очищенную воду отводят через трубу 3.

Ионные реакторы предназначены (рис. 7.101.) для обработки пищевых продуктов ионитами (ионообменными смолами). Реактор для очистки паточных и глюкозных сиропов используется в крахмало-паточной промышленности. Это вертикальный цилиндрический сосуд 1 со сферическими крышкой и днищем, объёмом до 8 м³. В нижней части реактора установлена решётка 2. На решётку засыпают слой крупного 4 и мелкого 5 кварцевого песка, а затем – слой ионообменной смолы 6. Над смолой имеется свободный объём, который обеспечивает качественное промывание при регенерации и не допускает вынос зёрен смолы в патрубок отвода регенерирующего раствора 11.

Рис. 7.101. Ионообменный реактор: 1 – корпус; 2 – опоры; 3 – решётка; 4, 5 – крупно и мелкозернистые слои кварцевого песка; 6 – ионообменная смола; 7 – распределительное устройство; 8 – приёмник. Патрубки: 9 – подачи сиропа; 10 – отвода очищенного сиропа; 11 – отвода регенерирующего раствора.

На очистку сироп поступает через распределительное устройство 7, очищенный сироп собирается в приемнике 8 и выходит через штуцер 10.

Гранулы смолы в процессе использования разрушаются и вымываются при регенерации, поэтому в реактор периодически добавляют свежую смолу.

Ионообменные адсорбенты в зависимости от характеристик массообмена разделяются на катиониты и аниониты.

Регенерация катионитов производится с помощью слабых растворов минеральных кислот и солей; ионитов – растворами щёлочей или аммиака с последующей обработкой водой.