Массообменные процессы и аппараты, используемые при переработке отходов

Размещено на http://www.allbest.ru

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

Кафедра «Экологическая безопасность автомобильного транспорта»

Курсовая работа

по дисциплине «Процессы и аппараты переработки отходов»

на тему: «Массообменные процессы и аппараты, используемые при переработке отходов»

Москва 2014



Введение

Массообменные процессы широко используются в промышленности для решения задач разделения жидких и газовых гомогенных смесей, их концентрирования, а также для защиты окружающей природной среды (прежде всего для очистки сточных вод и отходящих газов). Например, практически в каждом химическом производстве взаимодействие обрабатываемых веществ осуществляется в реакторе, в котором обычно происходит только частичное превращение этих веществ в продукты реакции. Поэтому выходящую из реактора смесь продуктов реакции и непрореагировавшего сырья необходимо подвергнуть разделению, для чего эту смесь направляют в массообменную аппаратуру, из которой не-прореагировавшее сырье возвращается в реактор, а продукты реакции направляются на дальнейшую переработку или использование.

молекулярный ректификация адсорбция



1. Процессы массообмена

Процессами массообмена называют такие процессы, в которых основную роль играет перенос вещества из одной фазы в другую. Движущей силой этих процессов является разность химических потенциалов. Как и в любых других процессах, движущая сила массообмена характеризует степень отклонения системы от состояния динамического равновесия. В пределах данной фазы вещество переносится от точки с большей к точке с меньшей концентрацией. Поэтому обычно в инженерных расчетах приближенно движущую силу выражают через разность концентраций, что значительно упрощает расчеты массообменных процессов.

Наибольшее распространение получили рассмотренные ниже массообменные процессы.

1. Абсорбция - переход вещества из газовой (или паровой) фазы в жидкую. Наиболее широко используется для разделения технологических газов и очистки газовых выбросов.

Процесс, обратный абсорбции, т.е. выделение растворенного газа из жидкости, называют десорбцией.

2. Перегонка и ректификация- переход компонентов из жидкой фазы в паровую и из паровой в жидкую. Процесс ректификации используется для разделения жидких смесей на составляющие их компоненты, получение сверхчистых жидкостей и для других целей.

3. Экстракция (жидкостная) - переход извлекаемого вещества из одной жидкой фазы в другую. Процесс применяют для извлечения растворенного вещества или группы веществ сравнительно невысоких концентраций.

4. Адсорбция - переход веществ из газовой, паровой или жидкой фазы в твердую. Адсорбцию применяют для извлечения того или иного вещества (или веществ) достаточно низкой концентрации из их смеси. Процесс, обратный адсорбции, т.е. выделение сорбированного вещества из твердого поглотителя, называют десорбцией.

5. Ионный обмен--избирательное извлечение ионов из растворов электролитов. Этот процесс представляет собой переход извлекаемого вещества из жидкой фазы в твердую. Процесс применяют для извлечения веществ из растворов, в которых эти вещества находятся при низких концентрациях.

6. Сушка - удаление влаги из твердых влажных материалов, в основном путем ее испарения. Этот процесс представляет собой переход влаги из твердого влажного материала в газовую или паровую фазы. Сушку широко применяют в технике для предварительного обезвоживания перерабатываемых веществ или обезвоживания готового продукта.

7. Растворение и экстрагирование из твердых тел - это процессы перехода твердой фазы в жидкую (растворитель). Извлечение на основе избирательной растворимости какого-либо вещества (или веществ) из твердого пористого материала называют экстракцией из твердого материала, или выщелачиванием. Применяют ее для извлечения ценных или токсичных компонентов из твердых материалов.

8. Кристаллизация--выделение твердой фазы в виде кристаллов из растворов или расплавов. Этот процесс представляет собой переход вещества из жидкой фазы в твердую. Применяется, в частности, для получения веществ повышенной чистоты.

9. Мембранные процессы - избирательное извлечение компонентов смеси или их концентрирование с помощью полупроницаемой перегородки - мембраны. Эти процессы представляют собой переход вещества (или веществ) из одной фазы в другую через разделяющую их мембрану. Применяются для разделения газовых и жидких смесей, очистки сточных вод и газовых выбросов.

Таким образом, во всех перечисленных выше процессах общим является переход вещества (или веществ) из одной фазы в другую.

1. Абсорбция

Абсорбцией называют процесс поглощения газа жидким поглотителем, в котором газ растворим в той или иной степени. Обратный процесс - выделение растворенного газа из раствора - носит название десорбции.

В абсорбционных процессах (абсорбция, десорбция) участвуют две фазы - жидкая и газовая, и происходит переход вещества из газовой фазы в жидкую (при абсорбции) или, наоборот, из жидкой фазы в газовую (при десорбции). Таким образом, абсорбционные процессы являются одним из видов процессов массопередачи.

Промышленное проведение абсорбции может сочетаться или не сочетаться с десорбцией. Если десорбцию не производят, поглотитель используется однократно. При этом в результате абсорбции получают готовый продукт, полупродукт или, если абсорбция проводится с целью санитарной очистки газов, отбросный раствор, сливаемый (после обезвреживания) в канализацию.

Сочетание абсорбции с десорбцией позволяет многократно использовать поглотитель и выделять абсорбированный компонент в чистом виде. Для этого раствор после абсорбера направляют на десорбцию, где происходит выделение компонента, а регенерированный (освобожденный от компонента) раствор вновь возвращают на абсорбцию. При такой схеме (круговой процесс) поглотитель не расходуется, если не считать некоторых его потерь, и все время циркулирует через систему абсорбер - десорбер - абсорбер.

В некоторых случаях (при наличии малоценного поглотителя) в процессе проведения десорбции отказываются от многократного применения поглотителя. Пои этом регенерированный в десорбере поглотитель сбрасывают в канализацию, а в абсорбер подают свежий поглотитель.

Поглотители, абсорбция в которых сопровождается необратимой химической реакцией, не поддаются регенерации путем десорбции. Регенерацию таких поглотителей можно производить химическим методом.

При абсорбционных процессах массообмен происходит на поверхности соприкосновения фаз. Поэтому абсорбционные аппараты должны иметь развитую поверхность соприкосновения между газом и жидкостью. Исходя из этого, абсорбционные аппараты можно подразделить на следующие группы:

а) Поверхностные абсорберы, в которых поверхностью контакта между фазами является зеркало жидкости (собственно поверхностные абсорберы) или поверхность текущей пленки жидкости (пленочные абсорберы). К этой же группе относятся насадочные абсорберы, в которых жидкость стекает по поверхности загруженной в абсорбер насадки из тел различной формы (кольца., кусковой материал и т. д.), и механические пленочные абсорберы. Для поверхностных абсорберов поверхность контакта в известной степени определяется геометрической поверхностью элементов абсорбера (например, насадки), хотя во многих случаях и не равна ей.

б) Барботажные абсорберы. в которых поверхность контакта развивается потоками газа. распределяющегося в жидкости в виде пузырьков и струек. Тaкое движение газа (барботаж) осуществляется путем пропускания его через заполненный жидкостью аппарат (сплошной барботаж) либо в аппаратах колонного типа с колпачковыми, ситчатыми или провальными тарелками. Подобный характер взаимодействия газа и жидкости наблюдается также в насадочных абсорберах с затопленной насадкой. В эту же группу входят барботажные абсорберы с перемешиванием жидкости механическими мешалками. В барботажных абсорберах поверхность контакта определяется гидродинамическим режимом (расходами газа и жидкости).

в) Распыливающие абсорберы, в которых поверхность контакта образуется путем распыления жидкости в массе газа на мелкие капли. Поверхность контакта определяется гидродинамическим режимом (расходом жидкости). К этой группе относятся абсорберы, в которых распыление жидкости производится форсунками (форсуночные, или полые, абсорберы), в токе движущегося с большой скоростью газа (скоростные прямоточные распыливающие абсорберы) или вращающимися механическими устройствами (механические распыливающие абсорберы).

Приведенная классификация абсорбционных аппаратов является условной, так как отражает не столько конструкцию аппарата, сколько характер поверхности контакта. Один и тот же тип аппарата в зависимости от условий работы может оказаться при этом в разных группах. Например, насадочные абсорберы могут работать как в пленочном, так и в барботажном режимах В аппаратах с барботажными тарелками возможны режимы, когда происходит значительное распыление жидкости и поверхность контакта образуется в основном каплями.

Области применения абсорбционных процессов в химической и смежных отраслях промышленности весьма обширны. Некоторые из этих областей указаны ниже:

1. Получение готового продукта путем поглощения газа жидкостью. Примерами могут служить: абсорбция SO3 в производстве серной кислоты; абсорбция НCl с получением соляной кислоты; абсорбция окислов азота водой (производство азотной кислоты) или щелочными растворами (получение нитратов) и т.д. При этом абсорбция проводится без последующей десорбции.

2. Разделение газовых смесей для выделения одного или нескольких ценных компонентов смеси. В этом случае применяемый поглотитель должен обладать возможно большей поглотительной способностью по отношению к извлекаемому компоненту и возможно меньшей по отношению к другим составным частям газовой смеси (избирательная, или селективная, абсорбция). При этом абсорбцию обычно сочетают с десорбцией в круговом процессе. В качестве примеров можно привести абсорбцию бензола из коксового газа, абсорбцию ацетилена из газов крекинга или пиролиза природного газа, абсорбцию бутадиена из контактного газа после разложения этилового спирта и т. п.

3. Очистка газа от примесей вредных компонентов. Такая очистка осуществляется прежде всего с целью удаления примесей, не допустимых при дальнейшей переработке газов (например, очистка нефтяных и коксовых газов от H2S очистка азотоводородной смеси для синтеза аммиака от СО2 и СО, осушка сернистого газа в производстве контактной серной кислоты и т. д.). Кроме того, производят санитарную очистку выпускаемых в атмосферу отходящих газов (например, очистка топочных газов от SO2; очистка от Сl2 абгаза после конденсации жидкого хлора; очистка от фтористых соединений газов, выделяющихся при производстве минеральных удобрений, и т.п.). В рассматриваемом случае извлекаемый компонент обычно используют, поэтому его выделяют путем десорбции или направляют раствор на соответствующую переработку. Иногда, если количество извлекаемого компонента очень мало и поглотитель не представляет ценности, раствор после абсорбции сбрасывают в канализацию.

4. Улавливание ценных компонентов из газовой смеси для предотвращения их потерь, а также по санитарным соображениям, например рекуперация летучих растворителей (спирты, кетоны, эфиры и др.).

Следует отметить, что для разделения газовых смесей, очистки газов и улавливания ценных компонентов наряду с абсорбцией применяют и иные способы: адсорбцию, глубокое охлаждение и др. Выбор того или иного способа определяется технико-экономическими соображениями. Обычно абсорбция предпочтительнее в тех случаях, когда не требуется очень полного извлечения компонента.

2. Перегонка и ректификация

Разделение жидких однородных смесей (растворов), состоящих из двух или большего числа летучих компонентов, производится перегонкой или ректификацией.

Разделение путем перегонки основано на различной температуре кипения отдельных веществ, входящих в состав смеси. Так, если смесь состоит из двух компонентов, то при испарении компонент с более низкой температурой кипения (низко- кипящий компонент) переходит в пары, а компонент с более высокой температурой кипения (высококипящий компонент) остается в жидком состоянии. Полученные пары конденсируются, образуя дистиллят или ректификат, а неиспаренная жидкость называется остатком.

В результате перегонки низкокипящий компонент переходит в дистиллят, а высококипящий - в остаток. Такой процесс называется простой перегонкой. При этом не достигается полного разделения смеси. Оба компонента являются летучими, оба переходят в пары, но в разной степени. Поэтому образующиеся при перегонке пары не представляют собой чистого низкокипящего компонента.

Из-за большой летучести низкокипящий компонент испаряется в большей степени, чем высококипящий компонент. Значит, в дистилляте содержание низкокипящего компонента выше, чем в исходной смеси, а в остатке наоборот: содержание низкокипящего компонента ниже, чем в исходной смеси. В этом и является отличие перегонки от выпаривания (при выпаривании растворенное вещество нелетучее, а в пары переходит только летучий компонент).

Простую перегонку применяют для грубого разделения смесей или для предварительной очистки продуктов от нежелательных примесей.

Для достижения наиболее полного разделения компонентов применяют достаточно сложный вид перегонки - ректификацию.

Ректификация заключается в многократном испарении исходной смеси и конденсации образующихся паров, в противо- точном воздействии паров, образующихся при перегонке, с жидкостью, получаемой при конденсации паров.

Способ разделения смеси на компоненты путем ректификации является основным в спиртовом и ликеро-водочном производствах, в производстве эфирных масел, при переработке нефтепродуктов и др.

Аппаратура для перегонки и ректификации

С помощью перегонки в спиртовом производстве из продуктов брожения сначала получают водноспиртовую жидкость, содержащую кроме этилового спирта эфиры, альдегиды, сивушные масла и др. Затем путем ректификации из этой жидкости получают указанные компоненты в почти чистом виде. В коньячном производстве с помощью перегонки из вина получают коньячный спирт, содержащий летучие примеси, образовавшиеся в вине при брожении.

Простая перегонка проводится на установке, состоящей из перегонного куба с подогревателем, поверхностного конденсатора и приемников. Исходная смесь в кубе кипит, пары поступают в охлаждаемый водой конденсатор. Дистиллят из конденсатора поступает в приемники. Остаток удаляется из куба. Максимальное количество низкокипящего компонента в дистилляте находится в начальный момент перегонки, по мере испарения смеси содержание его непрерывно уменьшается, в связи с чем состав дистиллята по легколетучему компоненту обедняется. При необходимости можно получать несколько фракций дистиллятов различного состава, раздельно отводя их в соответствующие сборники.

Способ разделения смеси на несколько фракций, в различной степени обогащенных низкокипящим компонентом, называется фракционной перегонкой.

Простая перегонка

Установки для простой перегонки используются при значительном различии температур кипения компонентов, а также когда нет необходимости получать фракции высокой чистоты. Простая перегонка может проводиться при атмосферном давлении или при разрежении. При понижении давления понижается температура кипения жидкости, что используют при разделении смесей нестойких легкоразлагаемых соединений.

Степень разделения компонентов может быть повышена применением установки для простой перегонки с дефлегмацией. Установка состоит из перегонного куба, дефлегматора, холодильника (конденсатора), приемных емкостей.

Дефлегматор представляет собой холодильник, в межтрубное пространство которого подается вода для охлаждения выходящих из куба паров. Расход охлаждающей воды регулируется, что может изменять количество конденсирующихся в дефлегматоре паров, возвращаемых обратно в куб.

Виды перегонки

В дефлегматоре конденсируются пары в основном высококипящего компонента. Низкокипящий компонент выходит из дефлегматора в парообразном состоянии и поступает в конденсатор. Состав выходящих из дефлегматора паров отличается от состава входящих в него паров высоким содержанием легколетучего компонента.

Таким методом достигается повышение качества дистиллята, выходящего из холодильника в приемные емкости. Но производительность установки снижается из-за возвращения части высококипящего конденсата в перегонный куб.

К специальным видам перегонки относятся перегонка с введением дополнительного компонента и так называемая молекулярная перегонка. При введении дополнительного компонента повышается давление пара низкокипящего компонента и облегчается его выделение из смеси. В качестве дополнительного компонента используют водяной пар (перегонка с водяным паром) или специальные растворители (экстрактивная и азеот- ропная перегонка).

Перегонку с водяным паром применяют для выделения из смесей высококипящих веществ, не растворимых в воде. При этом выделяемое вещество отгоняется в виде азеотропной смеси с водой, температура кипения которой ниже температуры кипения каждого из компонентов.

Перегонка с водяным паром

Экстрактивную и азеотропную перегонку применяют для разделения компонентов с близкими температурами кипения, а также для разделения азеотропных смесей. В смесях азеотропных или нераздельнокипящих максимальному общему давлению пара соответствует минимальная температура кипения, а минимальному общему давлению пара - максимальная температура кипения.

Такие смеси обладают рядом особенностей. Азеотропная смесь имеет минимальную или максимальную температуру кипения по сравнению со смесями этих компонентов другого состава; испарение ее, как и чистых веществ, происходит при постоянной температуре, испаряется без изменения состава. Азеотропные смеси не являются химическими соединениями, их образование - пример перехода количественных изменений в качественные.

Молекулярная перегонка и ректификация

Состав азеотропной смеси зависит от давления. При этом не соблюдается обязательный для каждого химического соединения закон постоянства состава. Так, смесь «этиловый спирт - вода» при абсолютном давлении 760 мм рт. ст. образует азеотропную смесь, содержащую 88,4 мол. % этилового спирта. При пониженном давлении состав азеотропной смеси изменяется в сторону повышения содержания спирта, а при абсолютном давлении ниже 90 мм рт. ст. азеотропная смесь вовсе не образуется.

Для повышения давления пара низкокипящего компонента применяют растворители избирательного действия, которые повышают давление пара низкокипящего компонента в большей степени, чем давление пара высококипящего компонента. Применяемый при экстрактивной перегонке растворитель менее летуч, чем разделяемые компоненты, и удаляется с остатком.

Молекулярную перегонку ведут в глубоком вакууме, соответствующем остаточному давлению 0,01-0,0001 мм рт. ст. При таком вакууме молекулы легко преодолевают силы взаимного притяжения, число ударов молекул друг о друга значительно уменьшается, а длина свободного пробега молекул между соударениями резко возрастает.

Если расстояние между поверхностями испарения и конденсации меньше длины свободного пробега молекул, то отрывающиеся от поверхности испарения молекулы низкокипящего компонента непосредственно попадают на поверхность конденсации и улавливаются на ней.

Молекулярная перегонка применяется для извлечения легколетучих ценных компонентов, содержащихся в исходной смеси в малых концентрациях, и для тонкой очистки продуктов от вредных примесей. Путем молекулярной перегонки получают концентраты некоторых витаминов. Ей могут подвергаться только вещества, достаточно устойчивые при температуре кипения, соответствующей глубокому вакууму.

Ректификацию можно проводить периодическим или непрерывным способом. Периодически действующие ректификационные установки применяют в основном в тех случаях, когда производительность по разделяемым продуктам мала.

В тех случаях, когда необходимо разделение большого количества продуктов, применяют непрерывно действующие ректификационные установки.

Непрерывная ректификация имеет следующие преимущества перед периодической ректификацией:

- условия работы установки не изменяются в ходе процесса, что позволяет установить точный режим, упрощает обслуживание и облегчает автоматизацию процесса;

- нет простоев между операциями, что приводит к повышению производительности установки;

- расход тепла меньше, так как возможно использование остатка тепла на подогрев исходной смеси в теплообменнике.

Аппараты для ректификации

В тех случаях, когда необходимо провести разделение многокомпонентных смесей при значительной производительности установок, применяют непрерывно действующие установки для многокомпонентной ректификации.

В основном используется непрерывная ректификация. В зависимости от температуры кипения разделяемых жидкостей ректификацию проводят под различным давлением и при температуре от +30 до +150 °С. Обычно применяют ректификацию под атмосферным давлением.

Ректификация в вакууме используется при разделении высококипящих жидкостей для снижения температур их кипения. Ректификацию под давлением проводят при разделении жидкостей с низкой температурой кипения, в частности, при разделении сжиженных газов.

Для ректификации применяют исключительно аппараты колонного типа - насадочные и барботажные ректификационные колонны. По устройству они не отличаются от абсорберов аналогичного типа. В колонных аппаратах (ректификационных колоннах) снизу вверх движутся пары, а навстречу им подается жидкость с почти чистым низкокипящим компонентом. При соприкосновении поднимающихся паров со стекающей жидкостью происходит частичная конденсация паров и частичное испарение жидкости.

При этом из паров конденсируется преимущественно высококипящий компонент, а из жидкости испаряется преимущественно низкокипящий компонент. Стекающая жидкость обогащается высококипящим компонентом, а поднимающиеся пары обогащаются низкокипящим компонентом. В результате этого выходящие из аппарата пары представляют собой почти чистый низкокипящий компонент. Эти пары поступают в конденсатор (дефлегматор), где и конденсируются.

Часть конденсата, возвращаемая на орошение аппарата, называется флегмой, другая часть, состоящая только из низкокипящего компонента, отводится в качестве дистиллята. Жидкость, удаляемая из нижней части колонны, по составу близка к чистому высококипящему компоненту и называется кубовым остатком.

Ректификация обеспечивает более полное по сравнению с простой перегонкой разделение, дает более чистые конечные продукты, но требует больших затрат труда и энергии.

3. Экстракция

Экстракция в системе «жидкость - жидкость» - процесс извлечения растворенного вещества или веществ из жидкости с помощью специальной другой жидкости, не растворяющейся или почти не растворяющейся в первой, но растворяющей экстрагируемые компоненты.

Жидкость, используемая для извлечения компонентов, называется экстрагентом. Массообмен между фазами протекает при их непосредственном контакте. Полученная в результате экстракции жидкая смесь поступает в разделитель, в котором разделяется на экстракт - раствор экстрагированных веществ в экстрагенте и рафинат - остаточный раствор, из которого экстрагированы извлекаемые компоненты. Процесс экстракции проводится в аппаратах различной конструкции - экстракторах.

При экстракции в системе «жидкость - жидкость» экстракт и рафинат разделяют отстаиванием, затем из экстракта выделяют растворенное вещество отстаиванием, выпариванием или другими методами.

В промышленности используют периодическую или непрерывную экстракцию по следующим схемам: одноступенчатой, многоступенчатой противоточной и многоступенчатой с перекрестным током экстрагента.

Одноступенчатая экстракция применяется тогда, когда высок коэффициент разделения. Она заключается в перемешивании исходного раствора и растворителя, а после установления равновесия фаз - в разделении смеси на экстракт и рафинат. Для разделения эмульсий используют отстойники, для трудноразделимых эмульсий - сепараторы.

Многоступенчатая экстракция проводится в многосекционных экстракторах или экстракционных установках. Она может проводиться с противотоком экстрагента или комбинированным способом при наличии нескольких экстрагентов. Многоступенчатая противоточная экстракция более эффективна, чем экстракция в перекрестном токе. При противоточной экстракции достигается более высокая средняя движущая сила процесса и происходит более полное извлечение компонента из раствора.

Типы экстракторов

В зависимости от способа контакта фаз экстракторы подразделяются на следующие группы: ступенчатые, или секционные, дифференциально-контактные и смесительно-отстойные.

Ступенчатые (секционные) экстракторы состоят из отдельных секций, в которых изменение концентрации в фазах происходит скачкообразно. Ступенчатые экстракторы бывают без механических перемешивающих устройств (тарельчатые) и смесительно-отстойные (горизонтальные, вертикальные, вертикальные центробежные).

Дифференциально-контактные экстракторы обеспечивают непрерывный контакт между фазами и плавное непрерывное изменение концентраций в фазах. Дифференциально-контактные экстракторы бывают без механических перемешивающих устройств (распылительные, с тарелками-перегородками, наса- дочные) и механические (многоступенчатые смесительные, пульсационные, центробежные).

Смесителъно-отстойные экстракторы состоят из нескольких ступеней, каждая из которых включает смеситель и разделитель. В смеситель подводится внешняя энергия, за счет которой происходит диспергирование одной из жидких фаз с образованием дисперсионной фазы, распределяющейся в другой - сплошной фазе. Дисперсной фазой может быть легкая или тяжелая фаза. Разделитель является отстойником или сепаратором, в которых происходит разделение эмульсии на рафинат и экстракт.

Тарельчатые экстракторы - это колонные аппараты с сит- чатыми тарелками, снабженными переливными устройствами. Взаимодействие фаз происходит в перекрестном токе на каждой тарелке. Диспергируемая фаза проходит через отверстия в тарелках и дробится на капли, а сплошная фаза движется вдоль тарелки от перелива к переливу.

Роторно-дисковый экстрактор относится к экстракторам с механическим перемешиванием фаз. Это вертикальный многосекционный аппарат, в котором диски разделены кольцевыми перегородками, что препятствует продольному перемешиванию потоков и способствует увеличению движущей силы процесса.

Движущиеся противотоком жидкие фазы смешиваются в каждой секции и в некоторой степени разделяются при обтекании неподвижных кольцевых перегородок, ограничивающих секции. Эффективность указанных экстракторов зависит от числа оборотов ротора, соотношения размеров дисков, расстояния между ними, соотношения расходов фаз. Разновидностью аппаратов этого типа являются экстракторы с турбинными мешалками вместо плоских дисков.

Преимущество роторно-дисковых аппаратов заключается в высокой производительности и интенсивности массопередачи.

Вибрационные и пульсационные экстракторы позволяют повышать интенсивность массопередачи. Если колебательное движение жидкостям сообщается пульсатором, то экстракторы относятся к пульсационным. Если это движение сообщается посредством движущегося возвратно-поступательного блока ситчатых тарелок, насаженных на подвижной общий шток, то экстракторы относятся к вибрационным. Пульсационные экстракторы могут работать в смесительно-отстойном и эмульгационном режимах.

В центробежных экстракторах экстракция протекает при непрерывном контактировании движущихся противотоком фаз при минимальном времени взаимодействия.

В экстракционной установке непрерывного действия имеются экстрактор, емкости для исходного раствора, экстрагента, рафината и экстракта. Массообмен в экстракторе происходит в противотоке: экстрагент проходит через тарелки вверх, а исходный раствор движется ему навстречу.

Экстракция твердых тел - выщелачивание

Экстракцию широко применяют для извлечения ценных продуктов из разбавленных растворов, а также для получения концентрированных растворов. Преимущество экстракции заключается в том, что она проводится при низкой рабочей температуре процесса.

Это позволяет разделять жидкие смеси веществ, которые при повышенных температурах разлагаются (например, антибиотики).

Экстракция из твердых тел (выщелачивание, экстрагирование) - извлечение из твердого тела одного или нескольких веществ с помощью растворителя, обладающего избирательной способностью.

Выщелачивание представляет собой сложный многостадийный процесс, заключающийся в диффузии растворителя в поры твердого тела, растворении извлекаемых веществ, диффузии экстрагируемых веществ в капиллярах твердого тела к поверхности раздела фаз и массопередачи экстрагируемых веществ в ядро потока экстрагента.

В пищевой промышленности выщелачиванием обрабатывают капиллярно-пористые тела растительного или животного происхождения. Примерами таких процессов могут служить посол, маринование, копчение и др. В них солевой или водный раствор либо сложный по составу газ проникает в глубь твердого пористого продукта, смешивается с водными растворами, заполняющими их поры, и передает им часть своих растворенных веществ.

В качестве растворителей используют воду (для экстрагирования сахара из свеклы, кофе, цикория, чая), спирт и водно- спиртовую смесь (для получения настоев в ликеро-водочном и пивобезалкогольном производствах), бензин, трихлорэтилен, дихлорэтан (в маслоэкстракционном и эфиромасличном производствах) и др.

Выщелачивание является основным процессом в свеклосахарном производстве. С помощью бензина извлекается растительное масло из семян подсолнечника.

Виды экстрагирования

Различают экстракторы по режиму работы, направлениям движения, виду циркуляции, давлению, свойствам твердых частиц, конструкции корпуса, гидродинамическому характеру процесса.

Экстрагирование в пищевом производстве может быть выполнено различными способами: погружением экстрагируемого материала; ступенчатым орошением растворителем; смешанным способом, при котором материал проходит стадию замачивания, затем стадию орошения.

При погружении экстрагируемого материала процесс происходит в условиях противотока, когда растворитель и экстрагируемый материал непрерывно передвигаются навстречу друг другу.

Преимущество экстрагирования погружением заключается в высокой скорости, простоте конструкции экстракционного аппарата. К недостаткам следует отнести значительные габариты экстракторов по высоте, высокое содержание примесей в конечном продукте, низкую концентрацию конечного продукта. Для очистки целевого продукта применяют отстойники, гидроциклоны и фильтры. По способу погружения различают шнековый экстрактор, двухшнековый наклонный экстрактор.

При экстрагировании ступенчатым орошением непрерывно перемещается только растворитель, а экстрагируемый материал остается в покое в одной и той же перемещающейся емкости (ковше, камере и т.п.) или на движущейся ленте.

Экстрагирование способом орошения обеспечивает получение конечного продукта (например, мисцелл) повышенной концентрации и чистоты благодаря самофильтрации через слой экстрагируемого материала. Если содержание примесей в целевом продукте невелико, то его пропускают через раствор электролита.

Недостатками данного способа являются повышенная длительность экстракции, невысокий коэффициент использования геометрического объема.

По способу орошения выделяют горизонтальный ленточный экстрактор, вертикальный ковшовый экстрактор.

При экстрагировании смешанным способом процесс протекает в две стадии. На первой стадии осуществляется тщательное замачивание и перемешивание (стадия экстракции погружением) экстрагируемого материала в прямоточно движущемся растворителе. На второй стадии методом ступенчатого орошения достигается окончательное экстрагирование и промывка материала чистым растворителем.

Совмещение экстрагирования погружением и ступенчатым орошением в одной установке позволяет использовать преимущества способов экстрагирования и избежать их основных недостатков.

В сахарной промышленности для извлечения сахара из свекловичной стружки получили широкое распространение диффузионные аппараты непрерывного действия: наклонный двухшнековый, цилиндрический одноколонный, двухколонный, с взвешенным слоем.

В двухколонном диффузионном аппарате скорость перемещения экстрагента по отношению к свекловичной стружке вдвое больше по сравнению с другими диффузионными аппаратами. Это положительно сказывается на процессе экстрагирования сахара. Колонные аппараты занимают малые площади. Их недостатком является частичная неконтролируемая рециркуляция жидкости, необходимость нагнетания смеси снизу в вертикальные колонны и др.

В производствах сравнительно небольшой производительности находят применение перколяторы с неподвижным слоем твердого материала с экстракцией в батарее диффузоров (пять и более экстракторов). Батарея экстракторов работает по принципу противотока, т.е. свежий экстрагент взаимодействует с экстрагированным материалом, а наиболее концентрированный раствор - со свежим материалом.

Недостатком работы диффузионной батареи является неравномерность обтекания массы экстрагируемого материала в каждом аппарате и обусловленная этим малая скорость процесса.

Более эффективно работают экстракторы при перемешивании твердой фазы. Этот способ используется, например, в ликероводочном производстве для получения морсов.

Экстракторы с кипящим слоем применяют для интенсификации экстракции. Экстрагирование осуществляется при низких температурах (+30...60 °С). Пары растворителя направляют в дефлегматор, а конденсат возвращают в экстрактор, подобный выпарному аппарату периодического действия.

4. Растворение и экстрагирование твердых тел

В простейшем случае тщательно измельченную смесь твердых веществ суспендируют в растворителе, не растворяющем примеси, но обладающем растворяющей способностью по отношению к искомому продукту. После фильтрования или декантирования получают раствор, который может быть упарен или подвергнут другим обработкам с целью выделения вещества в чистом виде. Значительно реже экстрагирование применяют для избирательного извлечения легкорастворимых примесей. В этом случае растворитель, разумеется, должен как можно меньше растворять основное вещество.

Поскольку растворение -- процесс медленный, целесообразно оставить смесь в контакте с растворителем на некоторое время. Перемешивание суспензии способствует более быстрому извлечению продукта. Большое значение имеет также степень измельчения исходной смеси. Как известно, при повышении температуры резко увеличивается не только растворимость веществ, но и скорость растворения. Поэтому экстрагирование горячим растворителем предпочтительнее, если это, конечно, допустимо по другим соображениям. При экстрагировании труднорастворимых веществ не следует использовать сразу все количество растворителя. Наиболее полного извлечения можно добиться, обрабатывая смесь несколько раз небольшими порциями экстрагента (растворителя).

Аппарат Сокслета: 1 --колба с растворителем; 2--трубка для подъема паров растворителя: 3--резервуар для гильзы с веществом; 4--сифонная трубка для стока экстракта; 5 -- обратный холодильник

2. Аппарат с пористой стеклянной пластинкой для экстрагирования твердых тел

3. Аппарат для экстрагирования твердых тел при температуре кипения растворителя: 1 -- колба с растворителем; 2 -- отверстия для прохода пара; 3--резервуар для гильзы с веществом; 4 -- сифонная трубка для стока экстракта; 5 -- обратный холодильник

Если извлекаемое соединение бесцветно, об окончании экстрагирования судят по отсутствию остатка при упаривании досуха на часовом стекле нескольких капель последней порции экстракта. Для этой же цели могут быть использованы простейшие качественные реакции.

При необходимости извлечения соединений, растворимость которых в выбранном растворителе очень мала, незаменимы различные автоматически действующие экстракторы, например аппарат Сокслета (рис1.). Небольшое количество растворителя в колбе 1 нагревают до кипения, пары по трубке 2 поступают в обратный холодильник, конденсат стекает в резервуар 3, содержащий измельченный экстрагируемый материал. По мере заполнения резервуара экстракт периодически стекает по трубке 4 обратно в колбу. Во избежание уноса мелких твердых частиц вместе с жидкостью, вещество, подвергаемое экстракции, помещают в гильзу из фильтровальной бумаги или достаточно плотной ткани или используют аппарат с пористой стеклянной пластинкой (рис2.).

Последний не только проще по конструкции, но и более эффективен, поскольку обеспечивает непрерывную обработку растворителем, тогда как в аппарате Сокслета осуществляется периодический контакт вещества с экстрагептом. Обогрев колбы регулируют таким образом, чтобы скорость отгонки растворителя не превышала скорости фильтрования.

Очень важное преимущество автоматических экстракторов -- возможность многократной обработки смеси сравнительно небольшим количеством растворителя. При этом одновременно происходит растворение вещества, фильтрование раствора, упаривание растворителя и кристаллизация чистого вещества. После окончания процесса из колбы извлекают кристаллы целевого продукта, часто не нуждающиеся в дальнейшей очистке.

Следует однако отметить, что экстрагирование с применением описанных выше приборов -- весьма длительный процесс, длящийся иногда несколько суток. Поэтому почти во всех случаях обычным аппаратам Сокслета следует предпочесть несколько видоизмененные конструкции, одна из которых изображена на рис. 3. Растворение вещества в таком приборе происходит при температуре кипения растворителя, что приводит к значительному ускорению процесса. Дополнительным преимуществом модифицированного аппарата является его меньшая хрупкость, поскольку наиболее уязвимая часть прибора -- сифон-пая трубка -- находится внутри рубашки.



5. Адсорбция

Адсорбция - процесс избирательного выделения одного или нескольких компонентов из газовой, парогазовой или жидкой смеси и концентрирования их на поверхности твердого пористого тела (адсорбента), поглощаемое вещество адсорбента - адсорбатом.

Процессы адсорбции являются избирательными и обратимыми. Это значит, что каждый поглотитель обладает способностью поглощать лишь определенные вещества и не поглощает (или почти не поглощает) другие вещества, содержащиеся в газовой смеси или растворе. Поглощенное же вещество всегда может быть выделено из поглотителя путем десорбции. Для того чтобы процесс был эффективным, активная поверхность адсорбента должна быть велика.

В пищевых производствах наиболее распространеннымиадсорбентами являются активные угли, силикагели (гель кремниевой кислоты), алюмогели (гидроокись алюминия), цеолиты, глины и другие природные адсорбенты.

Активные угли получают при сухой перегонке углесодержащих веществ (дерево, торф, кости и др.) при последующем прокаливании углей при температурах свыше +900 °С.

В спиртовом и ликеро-водочном производствах используют активные угли растительного происхождения (березовый БАУ, буковый). Их применяют для извлечения из сортировки (смесь спирта с водой) и спирта-ректификата альдегидов, сложных эфиров, кетонов, карбоновых кислот и высокомолекулярных веществ (сивушных масел). Уголь извлекает глюкозу и фруктозу из некоторых сортов водки.

Активный уголь используют для осветления пива и фруктовых соков. Для обесцвечивания сахарных сиропов применяют активный уголь, полученный на базе костяного угля. Мелкозернистым углем деколар обесцвечивают сахарные сиропы, коньяки, вина, фруктовые соки, эфирные масла, желатин. В ряде случаев одновременно с обесцвечиванием происходит удаление запаха, привкуса, коллоидных и других примесей.

Адсорбенты

Силикагель используют в основном для поглощения влаги (например, для осушения газов), а также для осветления пива и фруктовых соков. Достоинствами силикагелей является негорючесть и большая механическая прочность в сравнении с активными углями.

В промышленности применяют цеолиты (природные или синтетические минералы) - алюмосиликаты натрия, калия, магния, кальция. Используют в основном искусственно приготовленные цеолиты. Они характеризуются высокой поглотительной способностью по отношению к воде и применяются для глубокой осушки газов перед ожижением.

В качестве адсорбентов используют иониты (аниониты и катеониты) - глинистые минералы, ископаемые угли, плавленые цеолиты, ионообменные смолы. Иониты необходимы для извлечения малых количеств веществ, растворимых в воде, при получении чистой обессоленной воды и др.

Глинистые материалы применяют в основном для очистки различных жидких сред от примесей. В пищевой промышленности ими осветляют вина, пиво, фруктовые соки, рафинированные растительные масла, воду и др. Для осветления пива используют бентонитовые глины, для осветления и стабилизации вин, ускорения срока созревания и выдержки - натриевый бентонит.

Процессы адсорбции проводятся в аппаратах периодического действия (с неподвижным зернистым адсорбентом) и аппаратах с движущимся или кипящим (псевдоожиженным) слоем адсорбента. Наибольшее распространение имеют адсорберы с неподвижным слоем поглотителя.

Для обработки жидких систем с целью их обесцвечивания применяют адсорбционные колонны, фильтры и смесители.

Колонный адсорбер используют для обесцвечивания сахарных сиропов при помощи активного угля. Сироп поступает сверху вниз, проходя через уголь, помещенный на металлическое сито, и выходит из аппарата через контрольный тканевый фильтр. Иногда адсорбент вводят в осветляемый раствор, перемешивают, затем пропускают через фильтр и возвращают его в производство.

Для фильтрования и осветления пива в фильтр-адсорбер помещается целлюлозная масса в виде лепешки.

Адсорберы с движущимся зернистым адсорбентом представляют собой колонны, в которых зернистый адсорбент движется самотеком сверху вниз либо перемещается при помощи специальных транспортных устройств (шнеков, элеваторов).

При проведении адсорбции в кипящем (псевдоожиженном) слое адсорбента гидравлическое давление невелико, что позволяет создавать скорости газового потока большие, чем в неподвижном слое адсорбента. Быстрое выравнивание температуры предотвращает опасность перегрева адсорбента. Но при соприкосновении газового потока с адсорбентом на выходе из кипящего слоя может происходить частичная десорбция поглощенного вещества.

При интенсивном перемешивании в кипящем слое происходит сильное истирание твердых частиц адсорбента, в связи с чем для проведения указанного процесса необходимо применять адсорбенты, обладающие достаточной механической прочностью.

На установках периодического действия процесс, проводимый в адсорбере, складывается из следующих четырех операций или циклов:

1. поглощение адсорбентом распределенного в газе вещества (собственно адсорбция);

2. отгонка поглощенного газа из адсорбента при его нагреве водяным паром (десорбция);

3. сушка адсорбента горячим воздухом;

4. охлаждение адсорбента холодным воздухом.

Здесь совмещают циклы сушки и охлаждения адсорбента с циклом поглощения, что позволяет сократить продолжительность процесса.

Для проведения адсорбции непрерывным способом применяют установки из двух и более адсорберов, включаемых для адсорбции газа поочередно. Все циклы проводятся при этом последовательно.

6. Сушка

Процесс сушки - удаление влаги из твердых влажных, пастообразных или жидких материалов (суспензий) путем ее испарения и отвода образовавшихся паров.

Сушка применяется в химической промышленности и во всех отраслях пищевой промышленности (в свеклосахарном, спиртовом, пивоваренном и других производствах). Сушке подвергаются зерно, хлеб, макаронные изделия, мармелад, пастила, молоко, яйца, фрукты, овощи и др. Это тепловой и диффузионный процесс, при котором влага удаляется из продукта за счет тепловой энергии, подводимой к нему.

По способу подвода теплоты к высушиваемому материалу различают сушку: конвективную (воздушную), кондуктивную (контактную), терморадиационную (инфракрасную), микроволновую, сублимационную, акустическую и др.

Конвективный способ сушки основан на передаче тепла высушиваемому продукту за счет энергии нагретого сушильного агента - воздуха или парогазовой смеси. При этом способе сушки за счет сообщаемой продукту тепловой энергии идет испарение находящейся в продукте влаги, а пары влаги уносятся сушильным агентом.



Конвективная сушка

Различают конвективную сушку материалов в слое, при которой применяются сушилки с омыванием материала в слое или изделия агентом сушки (туннельные, камерные, петлевые, валковые, турбинные, ленточные, шахтные сушилки), а также конвективную сушку с сопловым обдувом плоских материалов. Кроме этого, различают конвективную сушку материалов или изделий во взвешенном и полувзвешенном состоянии в барабанных установках, в установках с кипящим слоем, в пневматических трубах-сушилках, в вихревом потоке, а также с помощью сушки распылением.

Установки имеют высокие удельные энергозатраты (от 1,6 до 2,5 кВт-ч/кг). Эта сушка сопровождается потерями тепла на нагрев конструкций и окружающей среды; существенно снижается качество конечного продукта: изменяется цвет, вкус и естественный аромат продукта, снижается его восстанавливаемость при замачивании. Высокая температура и высокая продолжительность сушки способствуют развитию окислительных процессов и приводят к потерям в продукте витаминов и биологически активных веществ.

Способы сушки

Кондуктивный способ сушки пищевых продуктов основан на передаче тепла высушиваемому продукту путем непосредственного контакта с нагреваемой поверхностью сушильного оборудования.

Для сушки продуктов питания этот способ используется нечасто. Высокого качества конечного продукта достичь не удается вследствие неравномерности его влажности и потери питательных веществ из-за перегрева.

Большее применение этот способ находит при сушке пиломатериалов, а также сырья и продукции в текстильной промышленности.

Терморадиальный способ сушки продуктов питания основана на том, что инфракрасное излучение определенной длины волны (8-10 мк) поглощается водой, содержащейся в продукте, но не поглощается тканью высушиваемого продукта.

В связи с этим удаление влаги возможно при невысокой температуре (+40...60 °С), что позволяет практически полностью сохранить витамины, биологически активные вещества, естественный цвет, вкус и аромат подвергающихся сушке продуктов.

Инфракрасное оборудование применяется для сушки овощей и фруктов, мясного и рыбного сырья, пищевых полуфабрикатов, закусок и готовых блюд, а также продуктов быстрого приготовления, лекарственного сырья и растений; широко используется для сушки непищевых продуктов, в основном листовых тонкослойных материалов и лакокрасочных покрытий.

По сравнению с традиционными способами сушки (конвективным, кондуктивным) овощи и фрукты, обработанные инфракрасной сушкой, после восстановления обладают вкусовыми качествами, максимально приближенными к свежим продуктам; увеличивается срок хранения продуктов.

В качестве источников инфракрасного излучения применяют электрические лампы (ламповые сушилки) либо экраны или панели, обогреваемые газом (радиационные газовые сушилки).

Основные достоинства радиационных сушилок следующие: быстрое удаление влаги из тонкослойных материалов, компактность, легкость регулирования, незначительность потерь тепла в окружающую среду. Недостатками сушки инфракрасным излучением являются непригодность сушки толстых слоев материала; неравномерность нагрева высушиваемого материала, связанная с быстрым нагреванием поверхностного слоя и медленной передачей тепла во внутренние слои; высокий расход энергии (1,5-2,5 кВт-ч на 1 кг влаги).

Для высушивания толстых слоев материала, в частности пастообразных материалов, перспективно применение комбинированных способов сушки: терморадиационной и конвективной сушки или терморадиационной сушки и сушки токами высокой частоты.

Сублимационная вакуумная сушка - это удаление влаги непосредственно из твердой фазы свежезамороженных продуктов в паровую фазу, минуя жидкое состояние, в условиях вакуума.

Чем быстрее и глубже замораживается продукт, тем менее крупные кристаллы льда образуются в продукте, тем быстрее они испаряются на втором этапе сушки продукта и тем выше качество получаемого продукта.

Скорость сублимационной сушки зависит от особенностей строения и состава продукции, степени измельчения, производительности установки. Быстро высушиваются жидкие и пюре- образные продукты, медленнее - твердые продукты. Качество продуктов сублимационной сушки значительно выше, чем при обычной сушке.

Сублимационный способ сушки дорогостоящ, в связи с чем применяется для ценных пищевых продуктов, плазмы крови, медицинских препаратов и др.

Наибольшее использование сублимационная вакуумная сушка получила в технологиях производства лекарственных препаратов, ферментов, заквасок, экстрактов лекарственных трав и других объектов, которым требуется обеспечить сохранность в продукте всех полезных составляющих сырья в течение длительных периодов.

Это один из самых современных методов обратимого консервирования микроорганизмов и биопрепаратов, который обеспечивает наилучшее качество продукта и высокую восстанавливаемость лактобактерий при минимальной продолжительности процесса и, соответственно, минимальных затратах.

В производстве продуктов питания сублимационная вакуумная сушка используется в качестве средства консервации и сохранения питательных веществ, при этом нет необходимости в применении ароматизаторов, консервантов и красителей. Одним из важнейших достоинств вакуумной сушки продуктов является малая усадка исходного продукта и быстрое восстановление сублимированных продуктов путем добавления воды.

Акустическая сушка продуктов основана на воздействии на обезвоживаемый продукт интенсивных ультразвуковых волн. Данный процесс сушки носит циклический характер, волна выбивает влагу, находящуюся на поверхности продукта, затем оставшаяся влага равномерно распределяется по капиллярам и процесс повторяется снова до достижения заданной влажности.

Данный способ позволяет сушить продукты сельского хозяйства (зерно, овощи, фрукты и др.), древесину, хлопок, лекарственные препараты и травы, бумагу, продукцию химической и других отраслей промышленности.

При акустической сушке влага экстрагируется из подвергаемого сушке продукта под действием звука с соответствующими характеристиками. Принципиальная особенность способа: сушка протекает без повышения температуры продуктов, т.е. реализуется холодная сушка. Это обстоятельство снимает все негативные последствия, связанные с термическим воздействием на продукт. Именно поэтому акустическая сушка - единственный способ, пригодный для сушки термочувствительных и легко окисляющихся материалов.

...