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

мого компонента в экстрагенте. Построив ступенчатый график, получим число ступеней концентрации, необходимое для прове­ дения экстракции в заданных пределах концентрации.

Уравнение рабочей линии может быть получено из матери­ ального баланса поглощаемого компонента

где Gi — количество экстрагируемой жидкости, кг; G2— количество экстрагента, кг.

б) Аппараты для жидкостной экстракции

Наиболее простым экстрактором для жидкости является ре­ зервуар с мешалкой. На рис. 149 показана схема такой установ­ ки. Исходная смесь и экстрагент поступают в смеситель /, где они смешиваются механической мешалкой. В этом смесителе происходит процесс экстракции. Затем_ жидкость спускается в сепаратор (отстойник) 2. Здесь происходит расслоение жидко­ сти и образуются два слоя. Обычно подбирают экстрагент с плотностью, меньшей плотности исходной жидкости. Поэтому при расслоении экстракт образует верхний слой, а рафинат — нижний слой.

После расслоения жидкие фазы спускаются в различные со­ суды и из экстрактной фазы тем или иным способом выделяет­ ся экстрагированное вещество. Если в рафинате содержится

260

еще достаточно много экстрагируемого вещества, то к нему сно­ ва добавляют экстрагент и экстрагирование повторяется (мно­ гократная экстракция).

Рис. 150. Типы экстракторов непрерывного действия для системы жидкость — жидкость:

а —* распылительный, 6 — насадочный, в «— полочный,

гс ситчатыми тарелками.

Процесс, происходящий при работе аппарата, изображенно­ го на рис. 149, может быть'графически представлен диаграм­ мой (см. рис. 147).

Аппараты непрерывного действия весьма разнообразны по своему устройству. Наибольшее распространение получили ап­ параты колонного типа. На рис. 150 представлены некоторые типы этих аппаратов.

261

Колонные экстракторы

Р а с п ы л и т е л ь н а я к о л о н н а (рис. 150, а). Эта колон­ на представляет собой полый цилиндр, в нижней и верхней ча­ сти которого имеются приспособления для ввода жидкости и ее диспергирования. Легкая жидкость (экстрагент) поступает вни­ зу колонны, и ее капли поднимаются вверх. Тяжелая жид­ кость, которая при системе отвода, изображенной на рисунке, является сплошной фазой, опускается вниз. Легкая жидкость собирается в верхней части колонны и отводится, как экстракт. Эффективность этих колонн сравнительно мала. Скорость дви­ жения обменивающихся сред в них невелика — для сплошной среды 0,004—0,009 м/с. Поэтому они имеют небольшую произ­ водительность.

Н а с а д о ч н а я к о л о н н а (рис. 150, б ). В этой колонне в полом цилиндре на сетку помещают насадку. Наиболее часто применяются кольца Рашига. В насадочных экстракционных ко­ лоннах можно осуществить различные режимы, как и в абсорб­ ционных аппаратах этого типа. При малой скорости взаимодей­ ствующих потоков будет иметь место пленочный режим; при увеличении скорости потоков возникает режим эмульгирования. Насадочные экстракторы более эффективны, чем распылитель­ ные (см. рис. 150,а).

П о л о ч н а я к о л о н н а (рис. 150, в). В этой колонне име­ ются полки, изменяющие направление движения жидкости. Лег­ кая жидкость входит внизу колонны и отводится вверху. Тяже­ лая жидкость перемещается навстречу легкой жидкости. Полки занимают в этих колоннах до 70% от всего сечения колонны при расстоянии между ними /г= 75ч-100 мм. Суммарная скорость потоков обеих жидкостей в узком сечении может составлять до

лонна с ситчатыми тарелками. В этих тарелках легкая жидкость поднимается вверх, проходя через отверстия диаметром 2— 10 мм. Тяжелая жидкость течет по тарелкам, перетекая с одной тарелки на другую по сливным трубам, поднятым над тарелка­ ми. Расстояние между тарелками от 0,15 до 0,6 м. Живое сече­ ние тарелки 10—15%.

Аппараты с перемешивающими устройствами

В описанных экстракторах обменивающиеся среды переме­ щаются за счет силы тяжести. Поэтому они называются грави­ тационными. Чтобы увеличить диспергирование жидкости и улучшить контакт, применяют аппараты с различными переме­ шивающими устройствами: аппараты с мешалками; аппараты с пульсаторами; центробежные аппараты (рис. 151 и 152).

262

К о л о н н а с п о л к а м и и м е ш а л к о й (рис. 151, а) . В этой колонне неподвижные кольцеобразные полки укреплены на кор­ пусе. Диски, расположенные в центре колонны, укреплены на вращающемся валу, делащщем 400—600 об/мин. Тяжелая жид­ кость, стекающая вниз, падает на быстро вращающиеся диски и разбрызгивается, перемешиваясь с поднимающейся снизу лег­ кой жидкостью. В таких колоннах одной ступени концентрации соответствует 0,2—0,4 м высоты колонны.

Легкая

жидкость

Рис. 151. Экстракционные аппараты:

а — с мешалкой, б — с пульсатором.

П у л ь с а ц и о н н а я к о л о н н а . Пульсации для интенсифи­ кации процесса экстракции могут быть использованы в любом типе гравитационных колонн. На рис. 151,6 показана установка пульсатора при полочной колонне. Устройство для приведения массы в колонне в пульсирующее состояние представляет собой трубопровод, на котором установлена эластичная диафрагма. При помощи насоса диафрагма приводится в состояние быст­ рого возвратно-поступательного движения. Возникающие коле­ бания передаются всей массе жидкости в колонне, увеличивая взаимное перемешивание жидкостей. Эффективность работы ко­ лонны зависит от частоты и амплитуды (отклонения диафраг­ мы) пульсаций. Число колебаний рекомендуют принимать 200— 300 в минуту при амплитуде 1—2 мм.

Центробежные экстракторы

При малой разности плотностей жидкостей разделение их достигается под действием центробежных сил. Центробежный экстрактор, схема движения жидкости в котором показана на

263

рис. 152, состоит из горизонтального цилиндрического барабана, вращающегося с частотой 5000 об/мин. Внутри барабан разде­ лен спиральной перфорированной перегородкой 1 на каналы 2 прямоугольного сечения. Жидкости подают в аппарат с по-

г

Рис. 152. Схема движения жидкостей в ротационном экстракционном аппа­ рате.

мощью насосов по обособленным каналам, и в барабане они, двигаясь противотоком, многократно смешиваются при истече­ нии через отверстия и разделяются под действием центробеж­ ной силы.

Глава XVIII. СУШКА

1. СПОСОБЫ ОБЕЗВОЖИВАНИЯ

Сырые материалы, перерабатываемые в пищевых производ­ ствах, как правило, содержат некоторое количество воды. Иног­ да это количество настолько значительно, что оно затрудняет транспортирование сырья. Продукция пищевой промышленности также почти всегда содержит некоторое количество воды. Влаж­ ный пищевой продукт легко подвергается порче и не может дол­ го сохраняться на складах. Транспортирование продуктов и от­ ходов производства, содержащих много воды, нецелесообразно. Например, барда спиртовых заводов содержит около 90% воды. Кормовую ценность продукта составляют только его сухие ве­

производства, а иногда и сырье обезвоживают различными спо-

264

собами: механическими, физико-химическими и тепловыми (сушка).

М е х а н и ч е с к о е о б е з в о ж и в а н и е применяют для ма­ териалов, содержащих много воды. Влага отжимается в прессах или при помощи центробежной силы в центрифугах. Как пра­ вило, механическое отжатие воды является только первым эта­ пом обезвоживания. После механического обезвоживания в ма­ териале остается часть воды, которая удаляется при тепловой обработке — сушке.

Ф и з и к о - х и м и ч е с к и е с п о с о б ы обезвоживания при­ меняются в основном в лабораторной практике. Они основаны на применении водоотнимающих веществ. Помещая высушивае­ мый материал в закрытом сосуде над водоотнимающим веще­ ством (серная кислота, хлористый кальций), удается извлечь из высушиваемого вещества содержащуюся в нем воду.

и из жидких продуктов. На рис. 153 представлена принципиаль­ ная схема сушильного процесса. Влажный продукт поступает в сушильную камеру, здесь он обогревается сушильным аген­ том — воздухом, топочными газами или перегретым водяным паром. Сушильный агент подводит к нему тепло, необходимое для испарения воды, и отводит из сушильной камеры испарен­ ную из продукта воду.

Влажный

продукт

Высушенный

продукт

Рис. 153. Принципиальная схема сушильного процесса.

Тепло, переданное сушильным агентом, проникает в продукт. Влага перемещается из глубины продукта на поверхность, ис­ паряется и диффундирует в сушильный агент, который ее выно­ сит из камеры. Поэтому, как указано выше, сушка является как тепловым, так и диффузионным процессом. В процессе сушки влага удаляется из продукта за счет тепловой энергии, подво­ димой к нему.

265

2. ПРИМЕНЕНИЕ СУШКИ В ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Процесс сушки играет большую роль в народном хозяйстве Советского Союза. Около 12% от всего расхода топлива в про­ мышленности используется на сушку.

Все отрасли пищевой промышленности широко используют этот процесс. В свеклосахарном производстве высушивают са­ хар-песок, сахар-рафинад, жом, в спиртовом производстве — от­ ходы производства: барду, кормовые и пищевые дрожжи, в пи­ воварении— солод и отход производства— дробину, в крахма­ ло-паточном производстве — крахмал и отходы производства. Сушке подвергаются также такие пищевые продукты, как мо­ локо, яйца, фрукты, овощи, хлеб и пр.

Сушка отходов используемых на корм животным, произво­ дится чаще всего при помощи топочных дымовых газов. Сушка продуктов, используемых на питание человека, производится нагретым воздухом. Поэтому свойства воздуха играют большую роль в теории и практике сушильного процесса.

3. СВОЙСТВА ВЛАЖНОГО ВОЗДУХА

Влажный воздух является смесью сухого воздуха и водяно­ го пара. Эта смесь с достаточной для технических расчетов точ­ ностью подчиняется законам идеальных газов. Поэтому к ней применимы следующие положения термодинамики:

1)общее давление смеси равно сумме парциальных давле­ ний, газов, составляющих смесь;

2)парциальное давление газа пропорционально содержа­ нию газа в (кг) в единице объема (в м3);

3)газ, входящий в состав смеси, занимает тот же объем, что и вся смесь. Его температура равна температуре всей смеси,

адавление равно парциальному давлению газа;

4)масса газа в смеси в данном объеме прямо пропорцио­ нальна давлению и обратно пропорциональна абсолютной тем­ пературе газа.

Рассмотрим характеристики влажного воздуха

а) Абсолютная влажность

Абсолютная влажность — это количество водяных паров, со­ держащихся в единице объема влажного воздуха. Абсолютная влажность выражается в кг/м3 и обозначается р.

Если влажный воздух охлаждать, то при некоторой темпе­ ратуре начнет выпадать влага в виде росы. Температура, при которой наблюдается это явление,, называется точкой росы. В этом состоянии воздух содержит максимально возможное ко­ личество водяного пара. Его абсолютная влажность в состоя­ нии насыщения обозначается рн (в кг/м3).

266

Состояния насыщения можно достичь и иным путем — при данной температуре в воздух вводят водяной пар. Когда будет достигнута абсолютная влажность рн, начинается конденсация

пара.

Очевидно, что рн— это масса 1 м3 сухого насыщенного пара при данной температуре; рн можно найти по таблицам сухого насыщенного водяного пара или по формуле

где рн— абсолютная влажность насыщенного воздуха, г/м3; t„ — температура воздуха, °С.

б) Относительная влажность, или степень насыщения

Отношение абсолютной влажности воздуха к абсолютной

Р

влажности его в состоянии насыщения — =q> характеризует

Рн

степень насыщения воздуха влагой. Это отношение называется относительной влажностью/ Она выражается в долях единицы или в процентах.

Применяя к влажному воздуху законы идеальных газов, мо­ жно написать:

Относительная влажность является важной характеристикой воздуха в процессе сушки. Чем меньше насыщен воздух, тем эффективнее он может быть использован в процессе сушки. Воздух, насыщенный влагой, не может быть сушильным агентом.

Для определения относитель­ ной влажности воздуха пользуют­ ся прибором психрометром. Психрометр состоит из двух тер­ мометров. Шарик одного термо­ метра смачивается (рис. 154), и этот термометр называется мок­ рым; второй термометр сухой. Помещенные в изучаемом возду­ хе термометры показывают раз­ личную температуру.

Разность Дt = t c—tu называет­ ся психрометрической разностью температур. Чем меньше относи­ тельная влажность, тем интенсив­ нее происходит испарение воды на поверхности шарика мокрого

267

термометра и тем сильнее он охлаждается. Поэтому с умень­ шением относительной влажности воздуха повышается психрометрическая разность температур. По наблюдаемой At, пользуясь психрометрическими таблицами, определяют от­ носительную влажность воздуха. Для определения относитель­ ной влажности воздуха можно также воспользоваться психро­ метрической формулой

термометра; рн— давление насыщенного водяного пара при температуре воздуха, т. е.

где w— скорость воздуха, м/с;

6— барометрическое давление, Па.

Другой, менее распространенный способ определения отно­ сительной влажности — гигрометрический. 0.н основан на свой­ стве некоторых материалов (например, обезжиренный человече­ ский волос) изменять длину при изменении влажности окружа­ ющего его воздуха.

П р и м е р . Определить относительную влажность воздуха, если барометрическое давление 6=99,1 кПа. Температура су­ хого термометра /о = 30°С, а мокрого /М= 2 0 °С . Скорость про­ текания воздуха около психрометра го = 0,5 м/с.

Р е ш е н и е . По таблицам насыщенного водяного пара на­

По формуле (327) находим относительную влажность воздуха:

в) Влагосодержание

Влагосодержанием воздуха называется количество водяных паров (в кг), приходящееся на 1 кг абсолютно сухого воздуха. Эта величина обозначается через х, ее размерность кг/кг. Иног­ да применяют также размерность г/кг, и тогда влагосодержа­ ние обозначают через d.

Влагосодержание воздуха не меняется с изменением его тем­ пературы, так как масса пара и воздуха при изменении темпе­

268

ратуры не меняется. Поэтому эта величина очень удобна при проведении расчетов. Если в определенном объеме влажного воздуха содержится Gn (в кг) воды и Сс.в (в кг) абсолютно су­ хого воздуха, то х (в кг/кг)

Используя уравнение состояния идеального газа, можно по­ лучить приближенное уравнение, которое связывает влагосодержание х (в кг/кг) и парциальное давление водяных паров,

Р — Ря

где р — полное давление влажного воздуха.

г) Теплосодержание (энтальпия) влажного воздуха

Энтальпия влажного воздуха складывается из энтальпии су­ хого воздуха и энтальпии водяного пара. Энтальпию влажного воздуха I (в Дж/кг сухого воздуха) относят к 1 кг сухого воз­ духа, содержащегося во влажном воздухе;

Для определения in (в Дж/кг) в термодинамике применяет­ ся формула

где г0— энтальпия пара при 0° С; она равна 2493-103 Дж/кг; сп — удельная теплоемкость пара;

сп = 1,97-10® Дж/(кг-К).

Если удельную теплоемкость сухого воздуха принять равной 1000 Д ж дкг-К ), то уравнение (330) может быть записано так;

Если количество тепла выразить в килокалориях, то уравне­ ние (330) будет записано так:

4. ДИАГРАММА ВЛАЖНОГО ВОЗДУХА

а) Описание I —х-диаграммы

Свойства влажного воздуха и процессы, происходящие в нем, особенно наглядно представляются графически при помощи ди­ аграммы влажного воздуха.

269