ВОПРОС 2.2. СТАТИКА И КИНЕТИКА ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ

 

Процесс выщелачивания заключается в проникновении ра­створителя в поры твердого тела и растворении извлекаемых ве­ществ.

Равновесие при выщелачивании устанавливается при выравни­вании химических потенциалов растворенного вещества и его хи­мического потенциала в твердом материале. Достигаемая концен­трация раствора, соответствующая его насыщению, называется растворимостью.

Вблизи поверхности твердого тела равновесие устанавливается в течение короткого промежутка времени, поэтому при анализе про­цесса массопередачи принимают, что концентрация на поверхнос­ти раздела фаз твердое тело — растворитель равняется концентра­ции насыщенного раствора у_тс.

Основная задача кинетики выщелачивания — определение продолжительности контакта взаимодействующих фаз, необходи­мой для достижения заданной степени извлечения экстрагируемо­го вещества. По продолжительности контакта фаз определяют раз­меры экстракционных аппаратов.

На массопередачу при выщелачивании большое влияние ока­зывает внутреннее строение твердого тела: размеры и форма ка­пилляров, химический состав частиц. От внутреннего строения твердого тела зависит скорость массопередачи. Как было указано в главе 16, сложность внутреннего строения пористого тела затруд­няет аналитическое описание процесса массопередачи внутри ка­пиллярно-пористого тела.

Выщелачивание представляет собой сложный многостадийный процесс, который заключается в диффузии растворителя в поры твердого тела, растворении извлекаемых веществ или вещества, диффузии экстрагируемых веществ в капиллярах внутри твердого тела к поверхности раздела фаз и массопередачи экстрагируемых веществ в жидком растворителе от поверхности раздела фаз в ядро потока экстрагента.

Из перечисленных четырех стадий процесса лимитирующими общую скорость массопередачи являются, как правило, последние две, так как скорость массопереноса на первых двух стадиях обыч­но значительно выше по сравнению со скоростью протекания двух последующих стадий.

Таким образом, общее диффузионное сопротивление массопе­реноса складывается из диффузионных сопротивлений внутри твердого тела и в растворителе.

Особенно низкая скорость массопроводности характерна для капиллярно-пористых тел растительного и животного происхождения.

 

Рис. 12. Растительная клетка:

1 — клеточная оболочка; 2 — протоплазма; 3,4 — полупрони­цаемые мембраны; 5— вакуоль

 

На рис. 12 показана схема строения растительной клетки.

Основное сопротивление массопереносу оказывает протоплазма клетки, поэтому перед проведением процесса выщелачивания растительное сырье подвергают специальной обработке. Пос­ле денатурации стенки диффузионное сопротивление в клетке резко снижается и соответственно увеличивается коэффициент массопроводности.

Коэффициент массопроводности зависит от внутренней струк­туры твердого тела, физических свойств экстрагента, концентра­ции экстрагируемого вещества и температуры процесса. Зависи­мость коэффициента массопроводности от перечисленных факто­ров устанавливают опытным путем.

Экспериментальными данными установлено, что при экстра­гировании сахара из свеклы коэффициент массопроводности К увеличился с 0,19- 10~⁹м²/с при t=20'C до 0,55- 10~⁹м²/с при /=60 °С, а при уменьшении концентрации сахара в свекле коэф­фициент массопроводности снижался до 0,4 • Ю^-9 м²/с

При экстрагировании соевого масла из растительного сырья трихлорэтиленом коэффициент массопроводности в области вы­соких концентраций составляет (7,5 • Ю^-11)...(12,8 • Ю^-11) м²/с, а в области низких концентраций — (0,6 • Ю^-1')...(1,9 • 10~^п) м²/с.

В случае, когда основное диффузионное сопротивление сосре­доточено в жидкой фазе, для описания процесса может быть ис­пользовано уравнение массоотдачи .

Движущей силой процесса выщелачивания является разность между концентрацией экстрагируемого вещества у поверхности твердого тела у^ = у_нас и его средней концентрацией в массе экст­рагента у_ср.

Скорость процесса в этом случае

 

(4)

Где β_у – коэффициент массоотдачи в жидкой фазе.

 

Скорость молекулярной диффузии в пограничном слое толщи-

ной 8 определяют по уравнению Фика:

 

где D — коэффициент молекулярной диффузии.

 

Сопоставляя последние уравнения, А. Н. Щукарев получил уравнение для скорости растворения твердых тел

 

(5)

 

Установлено экспериментально, что 5 = D^1/3. Тогда из выраже­ния (4) следует, что $_у пропорционально /Я/³. Путем обобще­ния экспериментальных данных с учетом указанной зависимости получено уравнение для расчета коэффициента массоотдачи р_у при выщелачивании

Из выражения (5) видно, что р* увеличивается с уменьшени­ем толщины диффузионного слоя 6. Из теории пограничного слоя известно, что толщина диффузионного слоя уменьшается с увели­чением критерия Рейнольдса, т. е. с увеличением относительной скорости движения экстрагента (относительно твердых частиц). Следовательно, процесс выщелачивания можно интенсифициро­вать созданием эффективной гидродинамической обстановки, в том числе путем измельчения твердого материала.

Измельчение приводит к увеличению площади поверхности массопередачи, а также к уменьшению пути диффузии экстраги­руемого материала из глубины капилляров к поверхности матери­ала. В связи с тем что коэффициент массопроводности возрастает с повышением температуры, выщелачивание проводят при тем­пературах, близких к температуре кипения экстрагента. При этом возрастает также концентрация насыщенного раствора у_нас, что приводит к увеличению движущей силы выщелачивания и раство­рения.

Скорость массопроводности также можно увеличить путем специальной обработки пищевого сырья (см. выше), приводящей к снижению диффузионного сопротивления в клетке.

Практически интенсификация процесса может быть достигну­та в экстракторах с эффективной гидродинамической обстанов­кой, например в экстракторах с псевдоожиженным слоем, а также в вибрационных и пульсационных экстракторах.

Как было отмечено в главе 10, проведение процессов в псевдо-ожиженном слое с измельченными материалами приводит к рез­кому увеличению поверхности массопередачи и снижению диф­фузионного сопротивления.

В главе 19 указывалось, что низкочастотные колебания взаимо­действующих фаз приводят к существенной интенсификации про­цесса экстракции.

 

 

В пищевой промышленности растворение и выщелачивание проводят периодическим и непрерывным способами соответ­ственно в перколяторах и диффузионных аппаратах различной конструкции в прямотоке и противотоке.

Перколятор(рис. 13) представляет собой вертикальный ци­линдрический аппарат с коническим днищем и крышкой. В дни­ще расположена решетка, на которую через верхний люк загружается слой измельченного твердого материа­ла. После выщелачивания материал выгру­жается через нижний откидывающийся люк.

Перколяторы соединяют последователь­но в батареи. Число перколяторов в батарее составляет от 4 до 15. Растворитель прока­чивается насосом снизу вверх последова­тельно через все перколяторы. Батарея ра­ботает по принципу противотока. В любой

 

Рис. 13. Перколятор:

1 — крышка; 2, 5—штуцера для растворителя; 3 — корпус; 4—решетка; 6— откидывающийся люк; 7—твердый материал

 

момент времени один из аппаратов, в котором достигнута задан­ная степень извлечения, отключается на разгрузку отработанного материала и загрузку свежего. Материал выгружается из перколя-тора самотеком под давлением. В целом вся установка работает непрерывно.

Аппараты с псевдоожиженным слоемпозволяют повысить эф­фективность выщелачивания и растворения.

Аппарат представляет собой колонну, в нижней части которой расположена распределительная решетка. На эту решетку загру­жается измельченный твердый материал, а растворитель подается под решетку. Скорость растворителя выбирают такой, чтобы со­здать перепад давления в слое твердого материала, достаточный для его псевдоожижения (см. главу 10). Такие аппараты могут ра­ботать в полунепрерывном и непрерывном режимах.

Диффузионные аппараты непрерывного действияполучили ши­рокое распространение в сахарной промышленности для извлече­ния сахара из свекловичной стружки.

Наклонный двухшнековый диффузионный ап­парат (рис. 14) установлен под углом 8...1Г к горизонту. В

 

 

Рис. 14. Наклонный двухшнековый диффузионный аппарат:

1, S— электродвигатели; .2—приемный бункер; 3 — крышка; 4—опора; 5— пере­городка; 6, 9—лопасти; 7—разгрузочный шнек; 10—шнек; 11 — греющая камера; 12 — сито; 13 — штуцер для вывода диффу­зионного сока; 14—ребро; 15— изоляция; 16—контрлопасть

 

верхней части аппарата расположены бункер для загрузки свекло­вичной стружки и шнеки для удаления жома из аппарата.

Внутри аппарата стружка перемещается двумя параллельно расположенными шнеками снизу вверх. Шнеки образуются лопа­стями, расположенными по винтовой линии. Лопасти каждого шнека заходят в межлопастное пространство другого. Такое уст­ройство шнеков способствует равномерному перемещению струж­ки по длине аппарата и предотвращает возможность вращения свекловичной стружки вместе с лопастями. Для этой же цели уста­новлены контрлопасти и перегородки на нижней части крышек.

Удаляют жом из аппарата в верхней его части разгрузочными шнеками. Лучшему удалению жома способствуют также лопасти. Разгрузочные шнеки смонтированы под прямым углом к транс­портирующим шнекам и вращаются в противоположном направ­лении. Для подогрева массы в нижней части корпуса аппарата ус­тановлены подогревательные камеры.

Диффузионные аппараты с взвешенным слоем лишены этих недостатков. В двухколонном аппарате (рис. 15), разработанном проф. С. М. Гребенюком, свекловичная стружка находится во взвешенном состоянии. Движущей силой для пере­мещения содержимого в аппарате служит разность давлений над материалом в первой и второй колоннах. При движении поршне­вого транспортирующего устройства вверх под ним создается раз­режение. Свекловичная стружка поступает в верхнюю часть пер­вой колонны, которая до определенного уровня заполнена диффу­зионным соком. Уровень сока поддерживается при помощи уров­немера. Таким образом, свекловичная стружка поступает в диффузионный сок и равномерно распределяется в объеме аппа­рата.

Свекловичная стружка перемещается при помощи поршня транспортирующего устройства. При движении поршня вниз он входит в массу жома и жидкости, которая поступает через откры­тые клапаны поршня. Чтобы масса в аппарате не перемещалась в направлении движения поршня, под ним установлена задержива­ющая решетка. В нижнем положении поршень делает выстой. В это время клапаны поршня закрываются. После выстоя поршень перемещается вверх, а масса — в направлении движения поршня. В это же время в левой колонне масса перемещается вниз на такое же расстояние. Задерживающие решетки обеспечивают фильтро­вание диффузионного сока. Вследствие периодического движения поршня стружечная масса в аппарате находится во взвешенном состоянии. Порция жома, захваченная поршнем, поступает на ре­шетку, где жомовая вода отделяется и отводится через сито под поршень, а жом шнековым устройством направляется в разгрузоч­ный желоб.

 

 

Рис. 15. Двухколонный диффузионный аппарат с взвешенным слоем:

1—загрузочная воронка; 2—ситовый пояс; 3, 4—подогревательные камеры; 5—задержива­ющие решетки; б—уровнемер; 7—транспортирующее устройство; 8—шнековое устройство; 9—привод; 10—разгрузочный желоб

 

 

Рис. 16. Ленточный экстрактор:

1 — корпус; 2—сопла; 3 — загрузочная шахта; 4—транспортирующее устройство; 5—насосы

 

Производительность диффузионных аппаратов по свекле, т/сут,

 

 

 

Ленточные экстракторы(рис. 16) применяют для экстракции масла из семян подсолнечника. Твердая фаза — раздробленные се­мена перемещаются по ленте тонким слоем, а экстрагент — бен­зин подается сверху при помощи насосов и орошает находящийся на ленте материал. Процесс осуществляется по сложной комбини­рованной схеме движения потоков твердого материала и экстра-гента: поперечный ток на каждом участке и противоток в целом в экстракторе. Конструкция экстрактора не обеспечивает эффек­тивного взаимодействия твердой фазы с экстрагентом, экстракция протекает с невысокой скоростью. Для полного извлечения масла требуется несколько ступеней экстракции.