Екстрагування
Екстрагуванням називають вилучення з твердої або рідкої складної речовини одного чи кількох її компонентів за допомогою розчинника з вибірковою розчинністю. Під вибірковою розчинністю розуміють здатність рідини розчиняти лише той компонент (компоненти), які треба добути.
У процесі екстракції, як і в інших масообмінних процесах, беруть участь три речовини (дві розподіляючі і третя розподіляєма): перша, з якої добувають цільовий компонент; друга (розчинник), за допомогою якої добувають цільовий компонент (компоненти), так званий екстрагент; третя, яка переходить з одної фази в другу, так звана екстрагована речовина.
Апарат, в якому відбувається екстракція, називають екстрактором.
Залежно від фазового стану першої розподільної речовини процес поділяють на: екстракцію в системі "тверде тіло — рідина", коли ця перша розподільна речовина тверде тіло, і екстракцію в системі "рідина – рідина", коли вона рідка.
У технології мають місце обидва види екстракції, проте значного поширення набула екстракція в системі "тверде тіло – рідина". В ряді виробництв екстракція є одним з основних технологічних процесів. Це добування цукру з буряків, олії з насіння соняшників, бавовнику, сої, ефірної олії, екстрагування ферментів з культур плісеневих грибів. Важливу роль процес екстракції в системі тверде тіло – рідина відіграє у виробництві вина, пива, крохмалю, лікеро-горілчаних виробів, розчинної кави і чаю.
Рідинну екстракцію застосовують у виробництвах, пов'язаних з одержанням спирту, вина, олії, бензолу, ацетону, оцтової кислоти, тощо. У найзагальнішому вигляді процес екстракції складається з чотирьох стадій:
1) проникнення розчинника в шпари частинок рослинної сировини;
розчинення цільового компонента (компонентів);
перенесення екстрагованої речовини всередині частинки сировини до поверхні поділу фаз;
перенесення екстрагованої речовини в рідкій фазі від поверхні поділу фаз і розподіл її у всій масі екстрагенту.
Під час екстрагування розчинних речовин з тканини сировини звичайно не всі чотири стадії мають місце або не всі відіграють істотну роль. Наприклад, у найпотужнішому харчовому виробництві - цукробуряковому - екстракція відбувається з рослинної тканини, у якій екстрагована речовина перебуває у рідкій фазі, тобто в розчиненому вже стані. Екстракція у більшості інших виробництв, які за обсягом перероблюваного матеріалу значно менші цукробурякового, хоча і має усі чотири зазначені раніше стадії процесу, проте тривалість перших двох стадій незначна порівняно з тривалістю двох останніх. Як правило, у розрахунках екстракції дві перші стадії процесу або зовсім не беруть до уваги, або легко їх враховують, вводячи поправки до кінетичних коефіцієнтів на початковій стадії процесу.
Апарати для екстрагування з твердих тіл. У промисловості застосовують різноманітні типи екстракторів. Класифікують їх за різними ознаками. За режимом роботи їх поділяють на напівбезперервні і безперервні; . за видом процесу на протитечійні, із замкнутим періодичним процесом, з комбінованим процесом; за видом циркуляції на екстрактори з одноразовим проходженням фаз і рециркуляцією екстрагенту; за конструкцією на колонні, ротаційні, стрічкові, ковшові, двошнекові нахилені, з киплячим шаром, батарейні.
Колонні екстракційні апарати. Процес у них відбувається протитечійно і безперервно, вся маса частинок постійно перебуває у рідкій фазі. Ці апарати займають малі площі, мають незначну металоємність (весь внутрішній простір корисно використовується). Залежно від кількості колон апарати бувають одноколонні і багатоколонні, за положенням головного корпуса (корпусів) вертикальні і горизонтальні, за видом транспортного органа - лопатеві, шнекові і ланцюгові. В одноколонному апараті лопаті гвинтоподібне розміщені на вертикальному порожнистому валу, а контрлопаті закріплені па корпусі між лопатями і запобігають обертанню маси твердих частинок разом з валом. За такої конструкції транспортного органа виникає певна рециркуляція рідини і твердих частинок, що порушує протитечію. Складною лишається система надходження твердих частинок в апарат (нагнітання збагаченої рідиною суміші твердих частинок). Має місце значне подрібнення твердих частинок під час транспортування, що погіршує гідродинамічні умови процесу. Не можна підводити тепло до певних ділянок апарата.
У багатоколонних апаратах з шнековим транспортним органом може виникати закручування маси твердих частинок разом з обертовим органом, що утруднює їх транспортування в апараті. Має місце також підвищене дробіння частинок під час переходу їх з однієї колони в іншу та рециркуляція рідини.
В апаратах з ланцюговим транспортним органом тверді частинки невеличкими шарами лежать на сітках і в такий спосіб створюються найкращі умови для протитечії, крім того, тверді частинки не руйнуються. Легко встановити потрібний температурний режим в апараті. Проте такі апарати складні в експлуатації, займають значно більший об'єм і площу приміщень, ніж одноколонні. Після переходу з однієї колони в іншу рівномірність розміщення шару частинок на сітці порушується, що якоюсь мірою порушує гідродинамічний режим взаємодії рідкої і твердої фаз.
Ротаційні апарати (рис. 7). Корпус апарата обертається на котках. Внутрішня порожнина по всій його довжині поділена по діаметру сітковою перегородкою 2 (рис. 7). На внутрішній поверхні корпуса змонтовані гвинтові перегородки 1, що не доходять до центра апарата, де є нахилені перегородки 4, що з'єднують між собою гвинтові. Апарат заповнюють сумішшю твердих частинок і рідини лише до рівня похилих перегородок (приблизно 1/4 ... 1/3 об'єму). Під час обертання барабана екстрагент, що перебуває завжди у нижній частині апарата між суцільними гвинтовими витками, переміщується вздовж апарата, а тверді частинки захоплюються сітковими перегородками, відокремлюються на них від рідини і після певного кута повороту барабана завдяки нахиленим перегородкам сповзають у порожнину між сусідніми витками і в такий спосіб переміщуються в апараті в протилежному руху рідини напрямі.
Процес екстракції у кожному проміжку між витками (камері) відбувається прямотечійно, а перехід між камерами здійснюється за принципом протитечії, тобто має місце змішаний процес. Транспортна система апарата проста, тверді частинки не деформуються.
Лекція 13