стве. Вследствие этого основное количество масла содержится в виде капиллярного и масла в неразрушенных клетках. Особой формы связи масла во вторичных структурах ракушки также§ не обнаружено.
Совершенно очевидно, что из материала с различными фор мами связи масла его экстрагирование будет происходить с раз личной скоростью. Наиболее быстро экстрагируется свободное (поверхностное) масло.
Это и понятно. При омывании бензином поверхности масла имеет место процесс чистой диффузии (конвективная диффузия), не осложненной никакими силами и протекающей с постоянной скоростью, определяемой коэффициентом диффузии бензина в масло (и наоборот). Можно предположить, что в этот период имеет место не только молекулярная диффузия, но и чисто меха ническое смывание поверхностного масла текущим бензином. Вероятность этого явления очевидна из следующих соображе ний. Масло на поверхности мятки располагается не мономолекулярным слоем, а находится в виде полимолекулярного слоя» При этом нижний слой масла, непосредственно соприкасающий ся с поверхностью мятки, удерживается ее молекулярными си лами наиболее прочно. Последний, поверхностный слой молекул: из-за увеличения расстояния от поверхности мятки удерживается: наиболее слабо. При большом количестве поверхностного масла (его количество зависит от качества работы вальцовок) верхний слой молекул масла будет слабо удерживаться силовым полем поверхности мятки, и поэтому он легко может быть отделен от остальной массы масла текущим бензином.
Капиллярное масло тоже является поверхностным маслом,- оно находится в различных трещинах и в капиллярах элеоплазмы вскрытых клеток, однако экстрагируется оно значительно медленней, чем масло свободное. Меньшая скорость экстракции капиллярного масла объясняется более интенсивным действием силового молекулярного поля в капиллярах и более трудным проникновением бензина в них.
И наконец, масло из неразрушенных клеток экстрагируется наиболее медленно. Это объясняется большим диффузионным сопротивлением стенки клетки, через которую бензин должен диффундировать внутрь клетки, а образующаяся мисцелла — из клетки наружу.
Рассмотрим второй вопрос статики процесса экстракции — вопрос о равновесии системы бензин — жмых. Нами установлено [58], что зависимость между равновесной концентрацией мисцеллы и масличностью шрота подсолнечного лепестка имеет вполне определенный характер. Графически эта зависимость вы ражается наклонной прямой линией, проходящей через начало координат и описываемой таким уравнением:
Сш = ( 0 ,4 - 0 ,066Г) Снсц, |
(VI—20) |
19* |
291 |
где Сш — концентрация масла в шроте, %; Смсц— концентрация масла в мисцелле, %;
Г — гидромодуль.
Следует отметить значительное влияние на равновесную масличность шрота так называемого гидромодуля. Гидромодуль —• ' это отношение количества растворителя к количеству экстраги руемого материала, т. е. количество растворителя, приходящееся на 1 кг экстрагируемого материала. Для применяемых экстрак
торов |
гидромодуль колеблется в пределах 0,7—2,0. Интересно |
и то, |
что равновесная масличность шрота не зависит от темпе |
ратуры. Это на первый взгляд противоречивое явление легко объяснимо. Повышение или понижение температуры системы в обычных случаях приводит к смещению равновесия, что связа но с изменением растворимости экстрагируемого вещества при этих изменениях.
При экстрагировании масла бензином система состоит из компонентов, которые смешиваются при любой температуре в любых соотношениях. По этой причине изменение температу ры системы бензин — жмых не приводит к смещению равно весия. Равновесная кривая между растворителем и жмыхом по зволяет выбрать наиболее рациональный тип экстрактора и наи более подходящий режим его работы.
При помощи кривой равновесия можно найти число ступеней изменения концентраций в любом типе экстрактора при любом режиме его работы. Каждая ступень концентрации соответствует определенной конструктивной длине экстрактора и составляет эквивалентную длину ступени. Следовательно, чем больше сту пеней концентраций в экстракторе, тем короче эквивалентная длина ступени и тем более совершенно и полно протекает про цесс массообмена в этом экстракторе.
Эквивалентная длина ступени зависит не только от совер шенства конструкции экстрактора, но также и от режима ра боты; поэтому эквивалентная длина ступени характеризует так же режим работы.
Статика процесса экстракции позволяет сделать материаль ный расчет аппарата, что дает возможность определить количе ство подаваемого бензина, или же решить вопрос, какой кон центрации мисцелла будет получаться в экстракторе при подаче определенного количества бензина в него.
Продолжительность экстрагирования материала, необходи мую для получения заданной масличности шрота, можно опре делить при помощи кинетики процесса экстракции.
Так как экстракция масла является диффузионным процес сом, то многие исследователи пытались для расчета этого про цесса использовать известное уравнение Фика
Однако скорость экстракции, вычисленная по уравнению Фика, и скорость экстракции, найденная практически, сильно меж ду собой отличаются. Да это и понятно, так как закон Фика выведен для случая диффузии двух жидкостей или газов, т. е. для веществ, которые не удерживаются какими-либо силами, что имеет место при экстракции из системы твердое тело — жид кость.
Таким образом, экстракция масла из сырой мятки или форпрессового жмыха является более сложным процессом, чем процесс молекулярной диффузии; поэтому и уравнение скорости экстракции должно быть более сложным, чем уравнение Фика.
Так как экстракция сопровождается передачей массы (мас ла) из одной фазы в другую, то этот процесс подчиняется основ ным закономерностям процесса массопередачи, а также основно му уравнению
Когда изменение концентрации экстрагируемого вещества в одной и другой фазе имеет линейный характер, что имеет место при экстракции масла из жмыха, разность концентраций Ау вы ражается среднелогарифмической разностью по уравнению
|
Ау„ — Аук |
(VI—23) |
|
А у ср — |
Ауи |
|
2,3 lg |
|
|
|
Аук |
|
где |
Аун— разность между содержаниями |
масла в поступающем |
жмыхе и |
|
уходящей из экстрактора мисцелле; |
|
|
Аук — разность между содержаниями |
масла в выходящем шроте и по |
|
ступающем бензине. |
|
|
|
Следовательно, основное уравнение массопередачи перепи |
шется в таком виде: |
|
|
|
dm = k 3 FAycp dx, |
(VI—24) |
где |
F — поверхность экстрагируемого лепестка или крупки; |
|
|
Ауср— среднелогарифмическая разность концентраций масла; |
|
х — время экстракции;
k3 — коэффициент массопередачи, или коэффициент экстракции.
Чтобы на практике пользоваться уравнением (VI—24), нуж но определить величину /гэ — коэффициента экстракции.
Коэффициент экстракции зависит от многих переменных, ко торые еще не полностью выявлены; кроме того, на коэффициент экстракции оказывает влияние и форма связи масла с твердым скелетом ядра. Первую попытку определить коэффициент экст ракции предпринял В. В. Белобородов [59] получивший урав нение
Nu' = a Fom,
где Nu'— диффузионный критерий Нуссельта; Fo — диффузионный критерий Фурье;
а н т — опытные коэффициенты.
Другие исследования по этому вопросу дают следующее ре шение [60, 61].
Известно, что уравнение диффузии для одномерной задачи может быть написано в виде
Поскольку в это уравнение входит скорость движения раст ворителя, то оно должно рассматриваться совместно с уравне
нием неразрывности (сплошности) его. |
|
Уравнение движения |
несжимаемой жидкости — раствори |
теля — для одномерной задачи имеет вид |
dw |
др |
д2 w |
|
|
(V I-26, |
В уравнениях (VI—25) и (VI—26) приняты такие обозна чения:
wx — скорость движения растворителя по оси х;
dC
-----— градиент концентрации; dx
D — коэффициент диффузии;
w — скорость движения растворителя; р — плотность растворителя;
g — ускорение свободного падения;
dp
— — градиент давления; ' dx
р — динамическая вязкость растворителя.
При анализе противоточной экстракции в экстракторе полу чено уравнение сплошности (неразрывности)'процесса экстрак ции
дс |
дС |
т |
дг |
0, |
(VI—27> |
V ~ T ~ + т |
ох |
п — ~ |
дх |
|
от |
|
|
где V— количество'растворителя, проходящее через аппарат, м3/(м2-ч);
т — объем растворителя на единицу сечения экстрактора и на метр дли ны (или высоты) его, м3/(м2-м);
С — концентрация масла в растворителе, кг/м3; т— время экстракции, ч;
п— объем экстрагируемого материала (мятки или лепестка),-м3/(м2-м); г — содержание масла в экстрагируемом материале (мятке или лепест
ке) , кг/м3.
Таким образом, приведенные три уравнения— (VI—25), (VI—26) и (VI—27) — являются дифференциальными уравне ниями процесса экстракции. Прямое решение этих дифференци альных уравнений встречает непреодолимые трудности. Поэтому эти уравнения решены с использованием метода подобия, при котором трудности удается обойти.
Решение этих дифференциальных уравнений дает следующее равенство в неявном виде:
|
|
N u'= / (Re, Ре', Км, Гэ , Кр), |
(VI—28) |
|
где Nu' — диффузионный критерий Нуссельта; |
|
К |
I |
|
|
N u'= |
(здесь Кз — коэф |
|
фициент экстракции; I — характерный размер); |
|
|
|
|
|
|
|
|
wl |
|
|
|
Ре'— диффузионный критерий Пекле; Р е '= - ^ —; |
|
|
|
г, |
„ |
R e= |
top |
(здесь |
ц — вязкость; |
|
|
R e— критерии |
Рейнольдса; |
----- |
|
|
(> — плотность растворителя); |
Р |
|
|
|
|
|
|
кратность |
обмена |
растворителя; он |
|
Гэ — критерий |
характеризующий |
|
учитывает влияние гидромодуля на процесс экстракции; Гэ= |
пт |
|
----- ; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1т |
|
Км— критерий, характеризующий степень экстрагирования масла из ма- |
|
териала; |
ЦСТ |
|
|
|
|
|
|
|
|
Км= ----- ; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Inz |
|
распределение экстрагируемого |
масла |
|
Кр — критерий, характеризующий |
|
между фазами; Кр = |
nz |
|
|
|
|
|
|
|
----- . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
тс |
|
|
|
|
|
|
|
В этой неявной функции (VI—28) |
критерий Пекле |
может |
|
быть заменен критерием |
Прандтля |
Рг', |
если |
критерий |
Пекле |
разделить на критерий Рейнольдса Re; такая замена удобней, так как критерий Прандтля содержит только физические кон станты. При этом изменится вид функциональной зависимости:
Nu' = iJ)(Re, Рг', Км, Гэ, Кр). |
(VI-29) |
Раскрытие этой неявной функции может быть проведено толь ко при помощи экспериментальных данных, что является даль нейшей задачей при изучении кинетики процесса экстракции.
Однако ясно, что в связи с тремя различными формами свя зи масла с экстрагируемым материалом весь процесс экстракции в целом будет описываться тремя уравнениями вида (VI—29), из которых можно определить три коэффициента экстракции. Каждый коэффициент экстракции будет пригоден только для одного вида связи масла с твердым остатком.
Время, необходимое для экстракции с целью получения шро та определенной масличности, складывается из трех элементов:
г — Ti -f- т2 -(- т3. (VI—30)
где — время экстракции свободного поверхностного масла, ч; т2 — время экстракции капиллярного, масла, ч; т3 — время экстракции масла из неразрушенных клеток, ч.
Совершенно очевидно и то, что при экстракции масла одной формы связи с твердым остатком некоторые критерии будут ока зывать малое влияние на диффузионный критерий Нуссельта, поэтому они могут быть опущены, что упростит исходное урав нение (VI—28). Так, например, в период экстракции масла из неразрушенных клеток влияние критерия Рейнольдса на диф-
фузионный критерий Нуссельта очень мало и практически неза метно, и потому при расчете этого периода экстракции он может быть опущен. Видимо, аналогичная картина будет и с диффузи онным критерием Прандтля, который состоит только из физиче ских констант. Так как экстракция происходит при определенной температуре и с одними и теми же веществами, влияние крите рия Прандтля должно быть постоянным, и, следовательно, его можно опустить.
КОНСТРУКЦИИ ЭКСТРАКТОРОВ
Экстракция осуществляется в аппаратах, называемых экст ракторами. Конструкций экстракторов известно много, однако у нас находят применение только некоторые конструкции: вертн- кально-шнековые экстракторы НД-1000, НД-1250, ленточные фирм «Де-Смет» (Бельгия), «Лурги» (ФРГ) и башенные фир мы «Олье» (Франция).
Так, на 1 января 1969 г. в нашей промышленности работали экстракторы следующих марок [62]:
НД—1000, в том числе модернизированные |
— 28 |
установок |
НД—1250, в том числе модернизированные |
— 50 |
установок |
«Де-Смет» |
— |
2 |
установки |
«МЭЗ» ..................................................... |
— |
4 |
установки |
« Л ур ги » ..................................................... |
— |
2 |
установки |
«Олье» ..................................................... |
— |
2 установки |
В табл. VI—1 приводятся основные технические характерис тики некоторых типов экстракторов.
Показатели |
НД-1000 |
НД-1250 |
|
|
Производительность |
ПО |
340 |
семенам, т/сут. . |
230 |
Продолжительность |
эк- |
55—60 |
стракции, |
мин . |
55—60 |
Концентрация мисцеллы, |
14—15 |
% ...................... |
14—15 |
Содержание |
твердой фа- |
0,4 |
зы в мисцелле, % |
0,5 |
Масличность |
шрота, |
% 1,0 |
0.8—1,2 |
|
Т а б л и ц а |
VI—1 |
Тип экстрактора |
|
|
ft |
ft |
-130» |
|
О |
3 |
|
|
О |
СМ |
Смет |
|
<и |
U |
|
J2 |
5 |
|
|
о, |
Де«- |
МЭЗ |
v |
■5 |
Ч |
|
|
|
О |
|
|
|
280 ' |
430 |
360 |
360 |
150— |
120— |
170— |
170— |
180 |
150 |
180 |
180 |
7—8 |
25 |
25—30 |
25 |
0,15— |
— |
0,03 |
— |
0,20 |
|
0,9— |
0,8— |
1,8—2.0 1,0— |
|
1,2 |
1,0 |
1,0 |
Как видно из таблицы, наилучшие технические показатели имеет установка системы «Де-Смет» (ДС-130), которая принята
в основном для оснащения вновь строящихся экстракционных заводов и реконструируемых прессовых заводов при переводе их па экстракционный метод работы.
Худшие технические показатели имеют башенные экстракто ры фирмы «Олье». Этот экстрактор дает мисцеллу низкой кон центрации, что предопределяет большой расход пара на ее пе реработку. Кроме того, экстрактор дает наибольшую масличность шрота, что создает наибольшие потери масла в процессе его получения.
Рассмотрим конструкции некоторых типов экстракторов.
ВЕР ТИ К А Л Ь Н О - Ш Н Е К О В Ы И ЭКСТРАКТОР НД-1000 (С И С Т Е М Ы Г И Л Ь Д Е Б Р А Н Д Т А )
Этот экстрактор (рис. VI—4) работает при относительно вы соком гидромодуле, т. е. по способу погружения экстрагируемо го материала в растворитель.
Вертикально-шнековый экстрактор состоит из трех основных частей: загрузочной колонны 1, поперечного шнека 2, экстракци онной колонны 3 [67]. Каждая из основных частей экстрактора представляет собой цилиндр диаметром 1000 мм. Загрузочная колонна высотой 7,5 м и экстракционная колонна высотой 10,0 м внизу соединены поперечной царгой, в которой помещается по перечный шнек. Внутри колонн помещены шнеки 4 диаметром
990 мм, имеющие шаг 460 мм. Перья |
шнека имеют сверленые |
отверстия диаметром 6, 7,5 или 8 мм |
с раззенковкой их до |
12 мм. |
|
Рассмотрим подробней устройство отдельных частей экстрак тора.
Загрузочная колонна. Она состоит из пяти царг, различных по высоте. Во вторую (сверху) царгу колонны вставлена так на зываемая цедилка (или зеерный фильтр 5), которая предназна чена для предварительной, грубой фильтрации отходящей мисцеллы. Цедилка имеет верхнее и нижнее кольца, которые соеди нены между собой поставленными на ребро планками. Планки соединены семью прутьями диаметром 8 мм. Эта конструкция образует каркас цедилки.
На прутья каркаса, которые расположены горизонтально, в вертикальном направлении навиваются медные полоски специ ального профиля. Сечение этих полосок таково, что при сборке их на каркасе образуется щель шириной с внутренней стороны 0,3 мм и расширяющаяся кнаружи до 1 мм. Такая конструкция щели предотвращает ее забивание при работе. Для очистки внутренней поверхности цедилки от прилипшего шрота на кон цах перьев шнека прикреплены металлические щетки.
Цедилка заключена в глухой кожух, из которого по двум тру бам отводится получаемая мисцелла. Для периодической про
мывки цедилки обратным током бензина к кожуху цедилки под веден бензиновый трубопровод.
Внутри колонны помещен шнек 4, который имеет 15 витков и подвешен в приводном устройстве, расположенном выше ко
лонны. Соосность шнека и колонны достигается |
при |
помощи |
|
направляющего подшипника 7, |
|
помещенного внутри |
колонны. |
|
Сальник 6, |
расположенный в |
|
крышке колонны, также вы |
|
полняет роль |
направляющего |
|
подшипника. Чтобы шнек мож |
|
но |
было |
вынуть |
из колонны, |
|
он сделан составным из трех |
|
частей, |
которые |
между собой |
|
соединены |
|
муфтами. |
|
|
|
|
Сальниковое |
уплотнение, |
|
расположенное в |
крышке ко |
|
лонны, предотвращает проник |
|
новение паров бензина в поме |
|
щение. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Шнек приводится в дви |
|
жение |
от |
индивидуального |
|
электродвигателя через вариа |
|
тор, |
редуктор |
и |
|
коническую |
|
передачу. |
Благодаря |
наличию |
|
вариатора |
|
шнеку |
могут быть |
|
сообщены три частоты |
враще |
|
ния: а) |
1 оборот вала за 157 с; |
|
б) |
1 |
оборот |
вала |
за |
133 с; |
|
в) |
1 оборот вала за |
118 с. |
|
|
Изменение частоты |
враще |
|
ния шнекового вала загрузоч |
|
ной колонны позволяет |
изме |
|
нить |
в |
некоторых |
|
пределах |
|
время пребывания экстрагиру |
|
емого материала в экстракто |
|
ре. Мощность приводного элек |
|
тродвигателя 2,0 кВт. Лепесток |
|
в колонну |
|
поступает по течке |
Рис. V I—4. Экстрактор НД-1000. |
через отверстие в йрышке ко |
лонны. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Горизонтальный шнек. Эта часть экстрактора служит для передачи материала из загрузоч ной колонны в экстракционную. В отличие от загрузочной колон ны в горизонтальной царге на внутренней поверхности ее по всей
длине имеется |
шесть приваренных планок 8 |
размером 46Х |
X II мм. Они |
способствуют предотвращению |
проворачивания |
материала совместно со шнеком и заставляют его преимущест венно двигаться аксиально.
В связи с наличием тормозящих планок на внутренней по верхности царги диаметр перьев шнека меньше, чем в загрузоч ной колонне, и составляет 970 мм. Горизонтальный шнек приво дится во вращение от индивидуального электродвигателя через редуктор и пару цилиндрических шестерен и вращается со ско ростью 1 оборот за 73 с. Мощность электродвигателя 3 кВт.
Экстракционная колонна. Эта колонна предназначена для окончательного извлечения масла из материала, который шне ком подается снизу вверх. Колонна имеет внутренний диаметр 1000 мм и состоит из четырех царг различной высоты, соединен ных между собой фланцами. На внутренней поверхности колон ны, так же как и в горизонтальной царге, приварено шесть пла нок размером 46ХП мм; они предотвращают проворачивание поднимаемого материала. Бензин вводится в колонну в верхней ее части на расстоянии 1600 мм от крышки колонны через четы ре сопла 9. Таким образом, место ввода бензина расположено выше места вывода мисцеллы примерно на 800 мм.
Шнек колонны имеет 21 виток; он так же, как в загрузочной колонне, подвешен в приводном устройстве и имеет два направ ляющих подшипника. Шнек приводится во вращение от инди видуального электродвигателя мощностью 4 кВт и совершает 1 оборот за 73 с.
Иногда необходимо экстрактор освободить от мисцеллы; для этого в нижней части экстракционной колонны имеется спускной штуцер 10. Чтобы мисцелла выходила из колонны чистая, в до нышке экстракционной колонны установлена плоская цедилка 11, аналогичная цедилке загрузочной колонны. Для очистки по верхности плоской цедилки от шрота на последнем витке шнека прикреплена щетка из кожи, которая скользит по поверхности плоской цедилки. В экстракционной колонне проэкстрагированиый материал поднимается выше уровня ввода бензина; в ре зультате этого бензин стекает из шрота, что уменьшает количе ство бензина, уносимого шротом/
Поднимаясь дальше, шрот сбрасывается в выводное отвер стие и таким образом выводится из экстрактора. Для улучшения сбрасывания шрота у выводного отверстия устроен лопастной сбрасыватель 12, который вращается в направлении, противопо ложном направлению вращения шнека, и делает 27 об/мин.
Схема привода лопастного сбрасывателя показана на рис. VI—5. Для предотвращения поломки шнековых валов при пере грузке, запрессовке или попадании постороннего предмета внутрь экстрактора в редукторах имеется специальное предохра нительное устройство, связанное с сигнальной лампой. Это уст ройство представляет собой фрикционную муфту, у которой сила сцепления между дисками регулируется нажимной пружи
ной. При переполнении экстрактора или заклинивании шнековохо вала подвижная часть муфты отходит, сжимая пружину, и нажимает на рычаг, замыкая сигнальную цепь.
Работа экстрактора протекает следующим образом. Экстра гируемый материал, поданный в загрузочную колонну шнеком, направляется вниз к горизонтальному шнеку. Этот шнек пере
|
|
дает материал в низ экстрак |
|
|
ционной |
колонны, |
где он под |
|
|
хватывается |
шнеком и транс |
|
|
портируется вверх. После вы |
|
|
хода шрота из растворителя он |
|
|
сбрасывается |
в |
выводное |
от |
|
|
верстие. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Бензин .подаваемый насо |
|
|
сом, через форсунки направ |
|
|
ляется в экстракционную ко |
|
|
лонну. Здесь бензин опускает |
|
|
ся книзу, переходит в горизон |
|
|
тальный шнек и поступает в |
|
|
нижнюю часть загрузочной ко |
|
|
лонны. |
Затем |
бензин |
подни |
|
|
мается вверх, все более обога |
|
|
щаясь маслом, и образует мис- |
|
|
целлу, |
которая |
фильтруется |
|
|
через цедилку и выходит из |
|
|
экстрактора. |
|
|
в экстрак |
|
|
Таким образом, |
|
|
торе НД-1000 |
материал |
и |
|
|
бензин движутся в противо |
|
|
положных направлениях; сле |
|
|
довательно, |
этот |
экстрактор |
|
|
является |
противоточным. |
|
|
|
Производительность |
экст |
|
|
рактора составляет 230 т семян |
|
|
подсолнечника в сутки; рас |
|
Рис. VI—5. Схема привода сбрасыва |
творителя через него проходит |
|
6 м3/ч. При таких показателях |
|
теля шрота в экстракторе НД-1000. |
|
работы |
гидромодуль процесса |
|
|
составляет 1,45, что обеспечивает получение масличности шрота, равный 1%, а концентрации мисцеллы 10—12%.
Экстрактор НД-1000 имеет некоторые достоинства: относи тельная простота конструкции, большая производительность, немногочисленный обслуживающий персонал.
Однако рассматриваемый экстрактор имеет большие недо статки: большую высоту, в результате чего для экстракционного цеха необходимо четырехэтажное здание; увеличение расхода пара при переработке полученной мисцеллы из-за относительно низкой концентрации последней; унос значительного количества
