книги из ГПНТБ / Стабников, В. Н. Процессы и аппараты пищевых производств учебник

ратуре и данной концентрации сорбтива в носителе. Динамическая активность определяется количеством сорб­

тива, поглощенного единицей объема сорбента при пропускании через него газа или жидкости, содержащих сорбтив до начала проскока. Под проскоком понимают прохождение сорбтива че­ рез слой сорбента без задержки. Проскоки начинаются через некоторое время работы сорбента, когда поверхность его в-ка­ кой-то мере насыщена сорбтивом. Активность сорбента зависит от температуры носителя и от концентрации в нем сорбтива.

Динамическая активность всегда меньше статической Расход адсорбента следует определять по его динамической

активности.

г) Массопередача в процессе адсорбции

Количество вещества G (в кг), адсорбированного 1 м3 адсор­ бента за время т (вс), принепрерывной адсорбции может быть определено по-формуле

где АС— средняя движущая сила процесса; Р— коэффициент массоотдачи; размерность этого коэффициента может

быть определена из уравнения (302);

Величину коэффициента адсорбции р определяют экспери­ ментально. Теория подобия приводит к следующей критериаль­ ной зависимости между диффузионными критериями Нуссельта и Прандтля:

Величину коэффициента А и показатели степеней т и п оп­ ределяют экспериментально.

При поглощении паров активированным углем при ориенти­ ровочных расчетах можно принять

Подставляя в это уравнение значения Nu' и Re, получим

Dw.0,54

240

При других температурах и давлениях D определяют по формуле

Т \3/2

(306)

4. ДЕСОРБЦИЯ

Процесс извлечения адсорбированного вещества из адсор­ бента носит название десорбции. Освобожденный от поглощенно­ го вещества адсорбент может быть использован вторично. Таким образом, происходит регенерация адсорбента. Чаще всего про­ цесс десорбции осуществляется путем пропускания через ад­ сорбент газа или пара. Десорбирующий агент извлекает из ад­ сорбента поглощенные компоненты. После проведения десорб­ ции адсорбент сушат.

Силикагель регенерируют продуванием сухого горячего га­ за. Костяной уголь регенерируют прокаливанием в печах. Про­ цессы десорбции производятся в аппаратах периодического или непрерывного действия.

5. ИОНООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ

Одной из разновидностей адсорбентов являются природные или синтетические иониты. Они обладают способностью обмени­ вать ионы на эквивалентное количество ионов того же знака из раствора, с которым они взаимодействуют. Таким образом, из раствора извлекаются и удерживаются адсорбентом ионы, под­ лежащие удалению из раствора. Различают иониты двух ро­ дов — аниониты и катиониты.

Аниониты обмениваются с обрабатываемыми электролитами анионами; катиониты обмениваются катионами. Синтетические иониты, применяемые в пищевой промышленности, относятся по своему характеру к смолам. Они обладают химической стой­ костью, механической прочностью, избирательной способно­ стью к обмену определенными ионами. При помощи ионного обмена в пищевой промышленности осуществляется ряд процес-

сов: умягчение и обессоливание воды, очистка водных раство­ ров этанола от примесей и др. Этот процесс в экономическом от­ ношении может конкурировать с процессом ректификации. На­ сыщенный поглощенным компонентом ионит может быть реге­ нерирован пропусканием через него регенерирующего раствора. При очистке воды таким раствором является, например, раствор

I

Рис. 129. Схема ионообменной установки периодичес­ кого действия:

для подачи исходного раствора и промывной воды после ре­

хлористого натрия. На рис. 129 показана схема ионообменной установки периодического действия.

Колонна для ионообмена представляет собой цилиндриче­ ский корпус 1 со сферическими крышками. В корпусе установле­ на решетка 2, на которую насыпается слой гравия, служащий опорой для слоя ионита. Колонна снабжена устройством для ввода очищаемого раствора и его вывода, а также баком для регенерирующего раствора 8 и насоса 7 для его подачи в колон­ ну. Цикл работы колонны состоит из следующих операций;

242

ионообмен, промывка ионита, регенерация ионита, промывка ионита от регенерирующего раствора.

Работает аппарат в следующей последовательности: внача­ ле через распределительное устройство 4 очищаемый раствор подается сверху на слой ионита, а пройдя через этот слой и слой гравия, через распределитель 5 удаляется из аппарата. Промыв­ ка производится водой, проходящей через аппарат в обратном направлении. Регенерирующий раствор поступает также свер­ ху. Промывка от него ионита производится водой, идущей сни­ зу вверх. Кроме аппаратов периодического действия, применя­ ются ионообменные аппараты непрерывного действия.

в зависимости от качества сиропа и угля—2—4 л/мин на 1 т угля, загруженного в колонну.

А д с о р б е р д л я п и в а. Адсорбер периодического дейст­ вия, показанный на рис. 131, применяется для осветления пива.

В качестве адсорбента применяется фильтрационная масса. Тон­ кая волокнистая масса заполняет рамы фильтр-пресса. Каждая рама имеет два прилива: один для подачи нефильтрованного пи­ ва и другой для отвода осветленного пива. Когда рамы собра­ ны, приливы образуют трубы, по которым подводится и отводит­ ся пиво. В таком аппарате адсорбция происходит одновременно с фильтрацией пива через лепешку массы.

А д с о р б е р - м е ш а л к а . На рис. 132 показана схема уста­ новки периодического действия для адсорбции красящих ве­ ществ из сиропов при помощи активированных углей. Сироп по­ ступает в смеситель, где перемешивается с активированным уг­ лем в течение 5—10 мин. Затем суспензия подается на фильтр, где уголь отделяется от осветленной жидкости.

Все описанные установки — периодического действия.

А д с о р б е р н е п р е р ы в н о г о д е й с т в и я . Этот адсор­ бер схематически показан на рис. 133. Адсорбент (уголь) цир­ кулирует непрерывно, извлекая из исходного газа, поступающе­ го также непрерывно, адсорбируемый компонент. Газ поступает в нижнюю часть поглотительной камеры 1. Уголь поступает из бункера 2, проходя при этом через холодильник 3, где он охлаж­ дается. Насыщенный сорбтивом уголь поступает в десорбер 4, где он подогревается и обрабатывается перегретым водяным паром. Из десорбера уголь поступает в трубопровод 5. Уголь транспортируется пневматически. Воздух для транспортировки угля подается по штуцеру 6. В бункере 2 уголь задерживается, а транспортирующий газ уходит через штуцер в верхней части бункера.

А д с о р б е р с к и п я щ и м с л о е м . Адсорбер с кипящим слоем непрерывного действия представлен на рис. 134. В этом адсорбере адсорбент находится в особом состоянии, которое на­ зывается псевдоожиженным или кипящим. Если постепенно уве­ личивать скорость газа, проходящего через слой зернистого ма­

244

териала, лежащего на сетке, то при достижении некоторой ско­ рости наблюдается своеобразное явление: зерна материала ста­ новятся подвижными, и слой становится похожим на маловяз­ кую жидкость; частицы слоя перемещаются в пределах слоя, который как бы кипит.

В аппарате, показанном на рис. 134, адсорбент непрерывно поступает по трубе на сетку. Газ-носитель непрерывно поступает

/ — поглотительная зона, 2 — бункер, 3—хо­ лодильник, 4 — десорбер, 5 — трубопровод, 6 — штуцер для ввода транспортирующего газа.

под сетку и проходит через адсорбент, приводя его в состояние псевдоожижения. Очищенный газ выходит через верхний шту­ цер. Избыток адсорбента сливается через сливную трубу. Этот адсорбент содержит поглощенный адсорбтив и поступает на десорбцию, после этого адсорбент может быть использован снова.

П р и м е р . Определить количество активированного угля, которое необходимо для поглощения 100 кг паров этанола из его смеси с воздухом. .

активность 0,5%. Насыпная масса угля 550 кг/м3. Определить продолжительность поглощения углем паров этанола и диа­ метр адсорбера, если высота слоя .угля равна 1 м.

245

Р е ш е н и е . Согласно условию уголь поглощает пары эта­

откуда D —2,35 м.

Газ проходит через адсорбер при фиктивной (рассчитанной на свободное сечение) скорости 0,2 м/с за время т.

Время т определим из уравнения:

или 5,4 ч.

Глава XVII. ЭКСТРАГИРОВАНИЕ

скольких компонентов путем обработки этого вещества жидким растворителем. Для этой цели подбирают такой растворитель, чтобы он растворял только извлекаемые компоненты, т. е. чтобы он обладал избирательной растворяющей способностью.

Процесс экстракции сходен с процессом растворения. Эти два процесса различаются только тем, что при растворении веще­ ство переходит в раствор; при экстракции же вследствие раз­ личной растворимости компонентов в раствор переходит только часть компонентов вещества, другая же часть остается в твер­ дом состоянии. Таким образом, можно считать, что экстрак­ ция — избирательное растворение.

По агрегатному состоянию экстрагируемых веществ разли­ чают экстракцию из твердых тел (выщелачивание) и экстрак­ цию из жидкостей. К первой категории относится извлечение сахара из свекловичной стружки на свеклосахарном производ­ стве. Этот процесс называется диффузией, так как экстрагиро­ вание является диффузионным процессом.

Впроизводстве растительного масла широко применяется экстракция масла из масличных семян, предварительно обра­ ботанных термически и механически.

Вликерно-водочном производстве экстракция применяется при изготовлении ягодных и фруктовых морсов и соков.

Экстракция из жидкостей также получила применение на пищевых производствах. Так, при помощи экстракции выделя­

246

ют молочную кислоту из ферментационных растворов. В произ­ водстве антибиотиков при помощи экстракции извлекают анти­ биотики из ферментационных растворов. При экстрагировании из жидкости извлекающая жидкость должна быть нераствори­ ма в той жидкости, которая подвергается обработке. После про­ ведения экстракции жидкости должны легко отделяться, отли­ чаясь между собой плотностью.

Таким образом как при экстракции из твердого тела, так и при экстракции из жидкости имеются две фазы: в первом слу­ чае твердая и жидкая, во втором случае две жидкие фазы.

Чтобы в процессе экстрагирования между этими фазами про­ исходил обмен компонентами, фазы должны находиться в тес­ ном контакте. Для экстрагирования применяются аппараты, на­ зываемые экстракторами.

2. ЭКСТРАКЦИЯ ИЗ ТВЕРДЫХ ТЕЛ

а) Теория процесса

На пищевых производствах при помощи экстракции извле­ кают различные компоненты из клеточных структур. Возможно несколько вариантов проведения этого процесса.

1. Твердое тело и жидкий растворитель находятся некоторое время в сосуде, в котором обеспечивается их тесный контакт. В этом случае концентрация экстрагируемого вещества в твер­ дом теле непрерывно уменьшается, а в жидком растворителе она увеличивается. Процесс экстракции носит нестационарный характер (рис. 135,а).

2. Твердое тело, разделенное на мелкие части, неподвижно, а жидкий растворитель непрерывно или периодически переме­ щается, выщелачивая из него экстрагируемый компонент

(рис. 135,6).

3. Частицы твердого тела и жидкость непрерывно перемеща­ ются в противоположных направлениях (рис. 135, б). В этом случае в любом сечении аппарата устанавливается постоянная концентрация в твердой и жидкой фазах. Следовательно, в каж­ дой точке аппарата процесс стационарен, хотя за время про­ хождения твердого тела в аппарате концентрация в нем извле­ каемого компонента непрерывно уменьшается.

В пищевой промышленности применяют все три вида экстрак­ ции. Первый вид — получение морсов в ликерно-водочном про­ изводстве, второй и третий виды — применяют в свеклосахарном производстве при извлечении сахара из свекловичной стружки.

Рассмотрим теорию экстракции применительно к извлечению какого-либо компонента из твердого тела, обладающего клеточ­ ной структурой. К таким телам относится, например, свеклович­ ная стружка, которая имеет сложную тканевую структуру, со­ стоящую из большого числа микроскопических клеток, включаю-

247

щих свекловичный сок. Экстракция сахара из стружки затруд­ няется тем, что сахар растворен в клеточном соке и протоплаз­ менная оболочка клетки не пропускает его. Поэтому для начала диффузионного перехода сахара в экстрагирующую жидкость нужно нагреть свекловичную стружку до такой температуры,

Рис. 135. Типы экстракторов:

при которой белки протоплазмы свернутся (60° С ). После этого клеточные стенки будут оказывать диффузии незначительное со­ противление.

тпшкнаЭкстрагирующая жидкость

£

пограничные

’777/т//ШУ^ слои

Зкстрагирцнщая

Рис. 136. Схема процесса экстракции в системе твердое тело — жидкость.

Экстракция сахара из стружки производится водой, и меха­ низм процесса может быть схематически представлен следую­ щим образом (рис. 136). Сахар, находящийся в стружке, диф­ фундирует внутри стружки по направлению к ее поверхности. Этот процесс называется внутренней диффузией. На поверхно­ сти стружки согласно законам гидродинамики образуется погра­ ничный слой. Через этот слой сахар должен пройти и он оказы­

248

вает более или менее значительное сопротивление. Пройдя че­ рез пограничный слой, сахар поступает в основной поток воды. Прохождение сахара через пограничную пленку и переход его в воду называется внешней диффузией. Таким образом, экстрак­ ция состоит из двух процессов: внутренней диффузии и внешней диффузии. Скорость экстракции зависит от скорости этих про­ цессов.

Рассмотрим три случая.

1. Скорость внешней диффузии значительно больше скоро­ сти внутренней диффузии. В этом случае скорость экстракции определяется внутренней диффузией.

всок, кг;

С— средняя концентрация сахара внутри стружки, кг/м3;

с — средняя концентрация сахара в растворе, окружающем стружку, кг/м3;

г — толщина стружки, м (рис. 137); F — поверхность стружки, м2;

т— время экстракции, с;

г/4 — средняя длина пути диффундирования, м; DBH— коэффициент диффузии, м2/с.

Принимают, что концентрация сахара в стружке С, входя­ щая в формулу (308), изменяется по закону прямой линии.

В действительности, однако, распределение концентраций в стружке подчиняется более сложному закону. Кроме того, на скорость экстракции влияет также скорость внешней диффузии. Последнее обстоятельство не учитывается уравнением (308), по­ этому для его учета нужно ввести поправочные коэффициенты.

2. Скорость внутренней диффузии больше скорости внешней диффузии. В этом случае процессом внутри твердого тела мож­ но пренебречь и считать определяющей величиной скорость

249