5.3. Стадії процесу екстрагування I їх кількісні характеристики

У процесі екстрагування відбувається масопередача, тобто перехід однієї або кількох речовин з однієї фази (сировини) в іншу (екстрагент). Масопередача із сировини з клітинною струк­турою —складний процес, в якому можна виділити три стадії:

1. «внутрішню дифузію», що включає всі явища перенесення речовин усередині частинок сировини;

2. перенесення речовини в межах безпосередньо дифузійного пограничногошару;

73

3) перенесення речовини рухомим екстрагентом (конвективнадифузія).

Екстрагування із зневодненої сировини з клітинною структурою починається проникненням екстрагента в матеріал, змочуванням речовин, що знаходяться усередині клітини, розчиненням їх та десорбцією. Далі відбувається молекулярне перенесення розчине­них речовин — спочатку в екстрагент, що знаходиться в міжклі­тинному просторі, потім в екстрагент, який заповнює мікро- і ма-кротріщини, і, нарешті, на поверхню шматочків матеріалу.

Зобразимо схематично (рис. 5.1)частинку матеріалу, яка зна­ходиться в екстрагенті, і позначимо середню концентрацію ре­човин, що екстрагуються всередині частинки, як С_х, а на її по­верхні —С₂.

пограничного шару (концентрація С₃). Зараз уже загальновизна­не існування на поверхні шматочків сировини пристінного шару, екстрагента, названого дифузійним пограничним шаром. Цей шар чинить великий опір подальшому перенесенню екстрагованих ре­човин у екстрагент. Товщина його залежить від гідродинаміки процесу, передусім від швидкості перемішування екстрагента. Чим більша швидкість перемішування, тим тонший пограничний шар. У межах дифузійного пограничногошару перенесення речовин здійснюється за законом вільної дифузії і може бути виражене у вигляді першого закону Фіка:

Тоді кількість речовини, що продифундувала із внутрішніх структур частинки на поверхню (перша стадія), буде пропорційна коефіцієнтові внутрішньої дифузії D_BH, поверхні частинки мате­ріалу F, часові т, різниці концентрації всередині частинки С_х та на її поверхні С₂, обернено пропорційна розмірові частинок рос­линної сировини 1 і може бути записана рівнянням:

де S—кількість речовини, що продифундувала, кг; £>_вн —коефіцієнт внутрішньої дифузії, м²/с; F —поверхня розділення фаз, м²; 1 —товщина частинки матеріалу, крізь яку дифундують

речовини, м; т —час дифузії, c;Cj,С₂ —концентрація речовини, кг/м³.

На другій стадії починається дифузія речовин від поверхні частинки (концентрація С₂) до зовнішньої поверхні дифузійного

де d —товщина дифузійного пограничногошару, м.

На третій стадії процесу екстрагування перенесення діючих речовин триває завдяки руху екстрагента (конвективнадифузія). Якщо позначити середню концентрацію екстрагента в об'ємі, що омиває частинку, як С₄, то кількість речовини, перенесеної в ек­страгент у процесі конвективної дифузії, може бути обчислена за допомогою рівняння:

де P—коефіцієнт конвективної дифузії, м/с, який тим вищий чим інтенсивніше перемішування.

Звичайно коефіцієнт конвективної дифузії Pу багато разів біль ший за коефіцієнт молекулярної дифузії D.

Сумарний процес перенесення речовини з частинок матеріалу в екстрагент виражається основним рівнянням масопередачі:

де K —коефіцієнт масопередачі, м/с, що враховує всі розміри, які є кількісними характеристиками трьох стадій проце­су екстракції. Визначається він з рівняння:

Аналіз рівнянь (5.1—5.7)засвідчує, що процес екстрагування залежить від багатьох чинників, найважливіші з яких: гідроди­намічні умови, поверхня розділення фаз, різниця концентрацій, тривалість процесу, в'язкість екстрагента, температура. Крім того, на повноту витягу та швидкість впливають: додавання поверхне­во-активних речовин, характер завантаження сировини, вибір екстрагента, пористість і порозність сировини, коефіцієнт вими-

74

75

вання, вплив вібрацій, пульсацій, електроімпульсний розряд у рід­кому середовищі, здрібнення і деформація сировини в екстраген­ті. Розглянемо вплив кожного із цих чинників.