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

внешней диффузии. Уравнение экстракции в этом случае будет иметь такой вид:

где ACj— движущая сила процесса, которая в этом случае равна разности между концентрациями компонента на границе твердого тела

ижидкости и средней концентрации сахара в растворе;

й— толщина пограничной пленки, м;

DBm— коэффициент внешней диффузии, м2/с.

диффузией и формулы (308) и (309) могут быть записаны сле­ дующим образом:

где Ci — средняя концентрация экстрагируемого компонента в твердом теле; С2— концентрация на границе твердого тела и жидкости; С3— средняя концентрация экстрагируемого вещества в жидкости.

Из уравнений (310) и (311) имеем:

GR

Cf С2—

И

С2 — Сз — G6

250

Складывая почленно два последних равенства, получим:

циент массоотдачи.

Таким образом, последняя формула для G (в кг) принимает вид

Двн Р

б) Аппараты для экстракции веществ из твердых тел

Для экстрагирования веществ из твердых тел применяются аппараты периодического и непрерывного действия.

Аппарат периодического действия (рис. 138), называемый диффузором, применяется на свеклосахарных заводах для высолаживания сахара из свекловичной стружки. Теплая вода, проходя через стружку сверху вниз, извлекает из нее сахар с образованием сока, который, проходя через решетку /, отводит­ ся в сборник. Для возможно полного извлечения сахара и полу­ чения сока концентрацией не менее 13—14% диффузоры соеди­ няют в батарею. Тогда, в первый диффузор с наиболее высоло­ женной стружкой подается вода, а из последнего диффузора со свежей стружкой выходит сок. Батарея с помощью трубопрово­ дов и вентилей скомпонована так, что любой диффузор может быть отключен для загрузки свежей стружки или выгрузки обес­ сахаренной стружки (жома).

Впроизводстве растительных масел в подобных аппаратах

иустановках из масличных семян извлекают растительное мас­ ло с помощью бензина. Из полученного экстракта бензин отго­ няют, а масло очищают.

Современные непрерывно действующие экстракторы работа­ ют по принципу непрерывного противоточного движения взаи­ модействующих'между собой сред или по способу многоступен­ чатого орошения твердого тела экстрагентом.

Из экстракторов для противоточного движения сред широ­ кое применение получили шнековые вертикальные и наклонные экстракторы, реже применяют ротационные экстракторы.

На рис. 139 представлена схема вертикального (колонного) экстрактора для извлечения растительного масла из семян. Эк­ страктор состоит из загрузочной колонны 1, горизонтального

251

звена 2 и экстракционной колонны 3. Внутри колонн располо­ жены перфорированные шнеки 4, перемещающие сырье и про­ пускающие через отверстия витков экстрагент. Для предотвра­ щения вращения материала вместе со шнеком и обеспечения по­ ступательного движения его колонна внутри оборудуется план­ ками 5. Верхняя часть загрузочной колонны выполнена в виде конуса и заканчивается цилиндрическим декантатором, в кото-

ром происходит фильтрование экстракта в слое материала и от­ стаивание его.

В свеклосахарном производстве аппарат подобного типа со­ стоит из одной колонны, оборудованной внизу ситом с отвер­ стиями диаметром 2 мм. Стружка вместе с соком насосом пода­ ется в пространство над ситом, откуда перемещается шнеком кверху навстречу воде. Жом отводится сверху колонны, а сок, пройдя сито, снизу ее.

Наклонный экстрактор (рис. 140) получил широкое приме­ нение в свеклосахарном производстве для извлечения сахара из свекловичной стружки. Он выполнен в виде наклонного желоба с сечением, показанным на рисунке. В нем стружка перемещает­ ся шнеками 1 и 2, изготовленными из полосовой стали и распо­ ложенными так, что витки одного шнека заходят в витки дру­ гого. Щели между полосами витков служат для прохода сока. Для поддержания оптимального температурного режима про­ цесса сок и стружка в аппарате подогреваются паром, поступа­

252

ющим в паровую рубашку. Продолжительность экстрагирова­ ния около 65 мин.

Основным недостатком всех шнековых экстракторов являет­ ся измельчение сырья шнеком и попадание частиц продукта в

в) Расчет экстракторов для экстракции из твердых тел

Материальный баланс экстрактора

Составим материальный баланс экстрактора непрерывного действия. Количество материала, поступающего на экстракцию GH (в кг/ч). Количество растворителя №н (в кг/ч). Количество уходящего экстракта обозначим через WK и количество остаткачерез GK.

Содержание экстрагируемого компонента в поступающем материале обозначим через хн (в % ), а в уходящем материале А'к. Соответственно в растворителе содержание извлекаемого компонента обозначим через ун и ук (в %).

Материальные балансы напишем в таком виде (рис. 142):

253

Выразим GKчерез GH:

GK= a GH,

где a = ~ r .

GH

Тогда уравнение (315) приобретает вид

Рис. 142. Схема к составлению мате­ риального баланса экстракционного аппарата.

Если WHвыразить через GH, то получим

Для решения этого уравнения в отношении WK нужно знать величины GH, а, хн, хк, ук. Зная WK из уравнения (320), можно определить WH.

П р и м е р 1. Составить материальный баланс экстрактора для извлечения сахара из свекловичной стружки. Содержание сахара в свекле хн = 16%, в жоме х„ = 0,25%- Выход жома к массе свеклы 90%.

Поступающая на экстракцию вода сахара не содержит. По­ лученный после экстракции сок содержит 14% сахара.

Р е ш е н и е . Будем вести расчет на 100 кг поступающей на экстракцию свекловичной стружки.. По формуле (320) оп­ ределим количество уходящего экстракта:

100(16 — 0,25) = W K-14,

отсюда WK— 112,5 кг.

По формуле (314) определим количество поступающего рас­ творителя:

100 + № „= 112,5 + 90, отсюда WH= 102,5 кг.

254

Тепловой баланс экстрактора

Если известны теплоемкость продуктов и заданы их темпе­ ратуры, то можно составить тепловой баланс процесса экстрак­

(Дж/(кг-К);

tw — начальная температура растворителя, °С;

н

Фдоп— количество тепла, вводимого в экстрактор, Дж/с.

Расход тепла Qpac может быть записан так:

^ р а с = ° к C G K + W K C W K { W K + ^ п о т >

где С/пот— потери тепла в окружающее пространство за счет конвекции и лу­ чеиспускания,-Дж/с (Вт).

Приравнивая Qnp к Qpac>получим:

так как оно не учитывает теплоту растворения. Однако, так как теплота растворения в системах, которые имеют место в пище­ вой промышленности, невелика, то ее можно не учитывать при составлении теплового баланса.

П р и м е р . Составить тепловой баланс на основании тепло­ вого баланса, составленного в предыдущем примере, при таких

нV.

Принимаем, что QnoT = 0,l Qnoп.

Р е ш е н и е . Подставим значения величин в уравнение

(321):

100-3771 -5+102,5-4190-45+<2дОп =

= 90-4190-48+112,5-3771-42+0,1 Qson

Решая это уравнение, найдем

0,9 (2доп= 14620000 Дж и <3д0п = 16,3- 10е Дж.

Определение основных размеров экстрактора

Размеры экстракционных аппаратов в настоящее время при­ нимают по нормативным данным. Для теоретического опреде­ ления этих размеров нужно найти число ступеней концентрации.

255

На рис. 143 показано построение для определения числа необ­ ходимых ступеней концентрации.

В коодинатах х—у построена линия равновесия. Для систе­ мы твердое тело — жидкость эта линия является диагональю, так как диагональ будет геометрическим местом точек, для ко­ торых концентрация экстрагируемого компонента одинакова в

1,17 м высоты колонны при времени диффундирования 60 мин. Умножая число полученных графическим расчетом ступеней концентрации на кжв, получим общую высоту или длину аппа­ рата.

3. ЭКСТРАКЦИЯ В СИСТЕМЕ ЖИДКОСТЬ — ЖИДКОСТЬ

а ) Теория процесса

Для экстрагирования из жидкой смеси какого-либо компо­ нента подбирают растворитель, который не смешивается с об­ рабатываемой жидкой смесью, но хорошо растворяет извлекае­ мый компонент. Этот растворитель (экстрагент), таким обра­ зом, нерастворим в исходной жидкости или слабо в ней раство­ рим. В результате обработки исходной жидкости экстрагентом получаются две жидкие фазы. Одной из них является исходная жидкость, содержащая остаток извлекаемых компонентов и не­ которое количество экстрагента, так как трудно подобрать аб­ солютно нерастворимый в исходной жидкости экстрагент. Эта фаза называется рафинатной или просто рафинат.

256

Вторую фазу составляет экстрагент с компонентами, извле­ ченными им из исходной смеси. Эта фаза называется экстрак­ том.

Распределение извлекаемого компонента между фазами оп­ ределяется условиями равновесия. В простейшем случае, если экстрагент и исходная жидкость полностью нерастворимы, усло­ вие равновесия будет записано простым уравнением

где у —-концентрация извлекаемого компонента в экстракте;

х— концентрация извлекаемого компонента в рафинате;

К— коэффициент распределения.

В координатах х—у линия равновесия ОА имеет вид пря­ мой линии, выходящей из начала координат (рис. 144). Вели­ чина коэффициента распределения К для заданной системы бу­ дет зависеть только от температуры. Если экстрагент частично растворим в исходной жидкости, то линия равновесия ОБ не будет прямой, так как на величину коэффициента' распределе­ ния оказывает влияние взаимная растворимость. В этом случае линия равновесия отклоняется от прямой, например, линия ОБ на рис. 144.

Так как в процессе экстракции, описанном выше, участвуют три компонента, то при рассмотрении процесса жидкостной экстракции пользуются треугольной диаграммой (рис. 145).

На рис. 145 представлен равносторонний треугольник, на сто­ ронах которого отложено процентное содержание каждого из трех компонентов. Вершины треугольника соответствуют чис­ тым компонентам А, В и С. На сторонах треугольника отмече­ ны отрезки, соответствующие двойным смесям. Так, например,

точка а на стороне АС соответствует смеси, не содержащей ком­ понент В и состоящей из 50% компонента А и 50% компонента В. Любая точка G внутри треугольника изображает смесь трех компонентов. Чтобы определить этот состав, нужно из точки G провести линии, параллельные сторонам треугольника, как это показано на рис. 145. Состав смеси, соответствующий точке G,

будет: хА— 45%; хв — 26%; хс—29%.

Принято считать, что вершина А соответствует экстрагируе­ мой жидкости, точка С — экстрагенту, точка В — извлекаемому компоненту.

Исходная смесь содержит экстрагируемую жидкость А и компонент В (рис. 146). Например, точка S соответствует со­ держанию 50% компонента А и 50% компонента В. Если к этой смеси добавить экстрагент С, то состав смеси будет соответст­ вовать какой-то точке, лежащей внутри треугольника АВС. Мо­ жно доказать, что по мере увеличения в смеси экстрагента все точки, соответствующие промежуточным составам смеси, будут находиться на линии SC.

Так как экстрагент только частично растворим в исходной жидкости, то на тройной диаграмме будут изображаться две зоны: зона гомогенная, где все компоненты взаимно раствори­ мы; зона гетерогенная, где система имеет две фазы — рафинат и экстракт. Гетерогенная зона на рис. 146 лежит ниже линии

PKR.

Пусть, например, при прибавлении к исходной смеси экст­ ракта получен состав смеси, изображаемый точкой М. Эта точ­ ка находится в гетерогенной области, т. е. при этом составе смесь будет расслаиваться и образуются две жидкие фазы: экстрактная и рафинатная. Состав этих фаз может быть найден экспериментально, что позволит построить в диаграмме линии сопряжения или «коноды». Эти линии построены на рис. 146 пунктиром. Наклон конод определяется величиной коэффици­

256

ента распределения К. Если, например, при добавлении к смеси S экстрагента С получена *месь, изображаемая точкой М, то эта смесь расслоится, образуя две фазы. Состав одной из них, экст­ рактной, будет дан точкой F\ состав другой, рафинатной, точ­ кой Н. По рис. 146 можно определить не только состав фаз, но и соотношение их количеств. Массы фаз будут относиться друг к другу согласно уравнению

Это уравнение называется «правилом рычага».

Из изложенного вытекает, что для процесса экстракции пред­ ставляет интерес только та область диаграммы, которая лежит ниже области, ограничивающей гетерогенную зону кривой. Именно в этой зоне возможно расслаивание и выведение из си­ стемы экстрагируемого компонента.

Рассмотренная тройная диаграмма позволяет изобразить графически процесс, происходящий в экстракторе для жидко­ сти. Допустим, что имеем тройную диаграмму для какой-либо тройной системы (рис. 147).

Пусть состав исходной смеси задан точкой D, а состав экст­ рагента точкой Е. Допустим, что количество смеси с составом, соответствующим точке D, равно GD (в кг), а количество экстра­ гента взято Ge ( в к г ) . При их смешении получим состав смеси, соответствующей точке М. При этом

gd ME

ge ~ m d '

Полученная смесь, состав которой соответствует точке М, расслаивается, образуя экстракт и рафинат.

Таким образом, в результате однократного контакта исход­ ной смеси и экстрагента получаются две фазы, одна из которых (экстракт) обогащена компонентом D, а другая, наоборот, обед­ нена (рафинат). Количество этих фаз может быть найдено из рис. 147 по уравнению

_ M L

Gl ~ M R'

Жидкостную экстракцию можно представить как более про­ стой процесс, если считать, что исходная жидкость и экстрагент взаимно нерастворимы. Тогда графическое построение значи­ тельно упростится и может быть представлено диаграммой, при­ веденной на рис. 148. На этой диаграмме приведены линия рав­ новесия и рабочая линия. На горизонтальной оси отложены концентрации экстрагируемого компонента в экстрагируемой жидкости; на вертикальной оси отложены концентрации экстра­ гируемого компонента в экстрагенте. Рабочую линию строят по заданным конечным и начальным концентрациям экстрагируе­