Сорбционные процессы. Растворение. Аппараты для растворения

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«ЮЖНО-УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(национальный исследовательский университет)

Кафедра «Технология и организация питания»

РЕФЕРАТ

по дисциплине: «Процессы и аппараты пищевых производств»

на тему: «Сорбционные процессы. Растворение. Аппараты для растворения»

студента Кафедры «Технология и организация питания»

Выполнил Маркевич И. Д.

Группа _ЭТТ-492 (заочная)

Проверил Лукин А. А.

Челябинск 2015

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

СОРБЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ

1. АБСОРБЦИЯ

1.1 Сущность процесса и область применения

1.2 Устройство абсорбционных аппаратов

2. АДСОРБЦИЯ

2.1 Сущность процесса и область применения

2.2 Аппараты для проведения процесса адсорбции1

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Сорбция (от лат. sorbeo -- поглощаю) -- поглощение твёрдым телом либо жидкостью различных веществ из окружающей среды. Поглощаемое вещество, находящееся в среде, называют сорбатом (сорбтивом), поглощающее твёрдое тело или жидкость -- сорбентом.

По характеру поглощения сорбата сорбционные явления делятся на два типа: адсорбцию -- концентрирование сорбата на поверхности раздела фаз или его поглощение поверхностным слоем сорбента и абсорбцию -- объёмное поглощение, при котором сорбат распределяется по всему объёму сорбента. сорбция жидкость аппарат

В свою очередь, различают два типа адсорбции -- физическую адсорбцию, при которой повышение концентрации сорбата на поверхности раздела фаз обусловлено неспецифическими (то есть не зависящие от природы вещества) силами Ван-дер-Ваальса и химическую адсорбцию (хемосорбцию), обусловленную протеканием химических реакций сорбата с веществом поверхности сорбента. Физическая адсорбция слабо специфична, обратима и её тепловой эффект невелик (единицы кДж/моль). Хемосорбция избирательна, обычно необратима и её теплота составляет от десятков до сотен (хемосорбция кислорода на металлах) кДж/моль.

Сорбционные процессы широко распространены в пищевой промышленности, например, в производстве спирта, сахара, вина.

Абсорбция. В пищевой промышленности процесс абсорбции применяют в производстве сахара для очистки сока, крахмала, в консервированном производстве (для получения растворов обеспечивающие хранение овощей) вина. Во всех указанных случаях абсорберм является вода.

В процессе абсорбции участвуют 2 фазы: газообразная -- смесь компонента, который поглощается с инертным носителем и жидкая -- абсорбент, избирательно поглощает компонент, который переходит в жидкий раствор. До границы раздела фаз от границы разделения вглубь абсорбента вещество поглощается, переносится с помощью преобразования, диффузии, поскольку при производственных условиях обе фазы обычно подвижны.

Повышение движения фаз, увеличивает скорость переноса вещества в каждой из фаз, вследствие чего возрастает общая скорость абсорбции. Скорость абсорбции прямо пропорциональна контакта фаз и давления, так как с ростом давления растворимость газов в жидкости также возрастает. Повышение температуры снижает скорость абсорбции, поскольку ухудшается растворимость газов в жидкости.

Адсорбция. В большинстве процессов пищевой технологии имеет место адбсорбуция из растворов. Например, в сахарном, ликероводочном, спиртовом, крахмалопаточной производства применяют для улавливания паров и уменьшение его расходов.

Адсорбция подразделяется на физическую, хемосорбцию, капиллярную, конденсацию. Общим для всех выделение адбсорбции остается то, что ее вызывают силы притяжения между атомами и молекулами. Количество вещества поглощенной весовой или объединенной единицей поглотителя, зависит от природы его вещества, которая поглощается ее концентрацией и смеси или растворов, окружающих адбсорбент температуры и в случае поглощения со газообразной среды, давления.

Процесс адбсорбции как и любой другой массообменное процесс протекает в направлении установления равновесия как фазами.

СОРБЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ

Поглощение каким-либо телом газов, паров или растворенных веществ из окружающей среды называется сорбционным процессом.

1. АБСОРБЦИЯ

1.1 Сущность процесса и область применения

Абсорбцией называется процесс поглощения газов или паров из газовых или парогазовых смесей жидкими поглотителями (абсорбентами). При физической абсорбции поглощаемый газ (абсорбтив) не взаимодействует химически с абсорбентом. Если же абсорбтив образует с абсорбентом химическое соединение, то процесс называется хемосорбцией.

Физическая абсорбция в большинстве случаев обратима. На этом свойстве абсорбционных процессов основано выделение поглощенного газа из раствора десорбция. Сочетание абсорбции с десорбцией позволяет многократно использовать поглотитель и выделять поглощенный компонент в чистом виде.

В промышленности процессы абсорбции применяются главным образом

для извлечения ценных компонентов из газовых смесей или для очистки этих

смесей от вредных примесей. Для проведения процессов абсорбции применяют абсорбенты, обладающие избирательной, селективной способностью.

Абсорбционные процессы обычно сопровождаются тепловыми процессами. При этом в большинстве из них наблюдается выделение теплоты.

Физическая сущность процесса заключается в растворении газов в жидкости. Зависимость между растворимостью газа и парциальным давлением выражается законом Генри, в соответствии с которым растворимость газа при данной температуре прямо пропорциональна парциальному давлению газа над жидкостью:

X = p • ? , (1)

где X - количество растворенного газа, отнесенное к поглощающей жидкости, моль/м3; ш - коэффициент пропорциональности, зависящий от свойств абсорбента и температуры; p - парциальное давление абсорбтива, Па.

В соответствии с законом Дальтона в газовой смеси парциальное давление какого-либо компонента можно выразить уравнением:

p=у• pобщ (2)

где y - доля рассматриваемого компонента (абсорбтива) в газовой смеси; pобщ - общее давление газовой смеси, Па.

Линия равновесия процесса абсорбции 1 Рис.



Из выражений (1) и (2) следует:

, (3)

Обозначив отношение

Через H , получим уравнение фазового равновесия: y=H x, (4)

где H - константа фазового равновесия.

Уравнение (4) показывает, что зависимость между концентрацией данного компонента в газовой смеси и в равновесной с ней жидкости выражается прямой линией, проходящей через начало координат и имеющей угол наклона, тангенс которого равен m (рис.1). Численные значения m зависят от температуры и давления:

уменьшаются с увеличением давления и снижением температуры.

Таким образом, растворимость газа в жидкости увеличивается с повышением давления и снижением температуры.

1.2 Устройство абсорбционных аппаратов

Абсорбция протекает на поверхности раздела фаз. Поэтому абсорберы должны иметь развитую поверхность контакта фаз между жидкостью и газом. По способу образования этой поверхности абсорберы можно разделить на следующие четыре группы:

1. Поверхностные и пленочные (газ пропускается над поверхностью движущейся жидкости. Поверхностью контакта в пленочных абсорберах является поверхность стекающей пленки жидкости);

2. Насадочные, в которых поверхностью контакта фаз является поверхность растекающейся по специальной насадке жидкости;

3. Барботажные абсорберы, в которых поверхность контакта фаз создается потоками газа (пара) и жидкости;

4. Распыливающие абсорберы, в которых поверхность контакта фаз создается вследствие разбрызгивания жидкости.

Наибольшее применение получили насадочные абсорберы (рис.2), представляющий собой цилиндрическую колонну, заполненную насадкой

(кольца или другие твердые тела), которая укладывается на опорные решетки, имеющие отверстия для прохождения газа и стока жидкости. Абсорбирующая жидкость из разбрызгивателя поступает в слой насадки, покрывая её жидкой пленкой, стекая вниз. Газ, подлежащий разделению, поднимается вверх. Абсорбтив поглощается жидкостью.

В поверхностных абсорберах для увеличения поверхности контакта фаз устанавливаются несколько последовательно соединенных аппаратов, в которых газ и жидкость движутся противотоком друг к другу. Оросительный абсорбер (рис.3) состоит из горизонтальных труб, внутри которых протекает жидкость, уровень которой поддерживается с помощью порога. Охлаждение абсорбера происходит с поверхности орошаемой жидкости, используются такие аппараты для поглощения хорошо растворимых газов.



Рис. 2. Абсорбер насадочного типа:

1 - патрубок для входа газа;

2 - корпус; 3 - насадка;

4,6 - патрубки для входа и выхода абсорбента;

5- патрубок для выхода газа.

Рис. 3. Поверхностный абсорбер:

1 - распределитель;

2 - труба; 3 - порог.

Тарельчатые барботажные колонны являются эффективными и наиболее распространенными аппаратами, внутри которых одна над другой размещено определение количество горизонтальных перфорированных перегородок -- тарелок, обеспечивающих течение жидкости сверху вниз, а пара --снизу вверх.

Тарельчатые колонны бывают колпачковыми, клапанными, продольными ситчатыми тарелками, на которых имеет место неорганизованный перелив жидкости через отверстия, и с ситчатыми тарелками с переливными устройствами.

На (рис.4) представлен участок тарельчатой барботажной колонны с ситчатыми тарелками и переливными устройствами.

Распыливающие абсорберы работают по принципу контакта фаз в результате распыливания или разбрызгивания жидкости в газовом потоке.

Простейшим примером распыливающих абсорберов является полый распыливающий абсорбер с механическими форсунками (рис.5).

Наибольшие коэффициенты массопередачи имеют место в момент распыления жидкости, а затем они резко снижаются вследствие коалесценции капель и уменьшения поверхности фазового контакта.

Часто форсунки устанавливаются по всей высоте абсорбера.

Распыливающие абсорберы применяют для абсорбции хорошо растворимых газов.

Рис. 4 Ситчатые тарелки с переливными устройствами:

1 -- тарелка; 2 -- переливное

устройство; 3,4 -- пороги

К распыливающим абсорберам также относятся механические абсорберы, в которых разбрызгивание жидкости производится вращающимися устройствами. Механические абсорберы компактны и эффективнее распыливающих абсорберов.

Рис. 5 Распыливающий абсорбер

2. АДСОРБЦИЯ

2.1 Сущность процесса и область применения

Под адсорбцией понимают процесс поглощения одного или нескольких компонентов из газовой смеси или раствора твердым веществом - адсорбентом. Поглощаемое вещество носит название адсорбата или адсорбтива.

Процессы адсорбции избирательны и обычно обратимы. Благодаря их обратимости становится - возможным выделение поглощенных веществ из адсорбента или проведения десорбции.

Механизм процесса адсорбции отличается от механизма процесса абсорбции, вследствие того, что извлечение веществ осуществляется твердым поглотителем.

Процессы адсорбции широко применяются в промышленности при очистке и осушке газов, очистке и осветлении растворов, разделении смесей газов или паров; в частности при извлечении летучих растворителей из их смеси с воздухом или другими газами.

Значение адсорбционных процессов сильно возросло за последнее время вследствие расширения потребности в веществах высокой чистоты.

Адсорбенты, применяемые в промышленных условиях, должны отвечать следующим основным требованиям:

- обладать избирательностью (селективностью) - способностью поглощать только тот компонент (те компоненты), которые необходимо выделить или удалить из смеси;

- иметь максимальную адсорбционную емкость (активность) - количество адсорбтива, поглощенного единицей массы или объема адсорбента;

- обладать способностью предельно десорбироваться, необходимой для регенерации адсорбента;

- иметь достаточную прочность гранул адсорбента, так как их разрушение

ухудшает гидродинамику процесса:

- обладать химической инертностью по отношению к поглощаемым веществам;

- иметь низкую стоимость.

В промышленности адсорбенты используются в виде гранул размером 2-7 мм либо в порошкообразном состоянии с размером частиц 50-200 мкм.

В качестве адсорбентов широко применяются активные угли, которые получают при сухой перегонке углесодержащих веществ, таких, как дерево, торф, кости и др. Активирование проводят в основном прокаливанием углей при температурах свыше 9000C, перед обугливанием вводят активирующие добавки (растворы хлористого цинка, кислот, щелочей и др.).

В спиртовом и ликероводочном производствах используются активированные угли растительного происхождения (березовый БАУ, буковый) для извлечения из сортировки (смесь спирта с водой) и спирта-ректификата альдегидов, кетонов, сложных эфиров, карбоновых кислот и высокомолекулярных веществ (сивушных масел). Уголь извлекает глюкозу и фруктозу, содержащиеся в некоторых сортах водки. Активированный уголь применяется для осветления пива и фруктовых соков. Для обесцвечивания сахарных сиропов применяется активированный уголь, полученный на базе костяного угля. Типичным мелкозернистым углем для обесцвечивания сахарных сиропов, коньяков, вин, фруктовых соков, эфирных масел, желатина является уголь деколар.

В ряде случаев одновременно с обесцвечиванием происходит удаление запаха, привкуса, коллоидных и других примесей. Удельная площадь поверхности активированных углей составляет 600-1750 м2/г.

Активированные угли применяются также для очистки промышленных газовых выбросов.

Силикагели представляют продукты обезвоживания геля кремниевой кислоты. Их получают обработкой раствора силиката натрия минеральными кислотами или растворами их солей. Удельная площадь поверхности силикагелей составляет 400-780 м2/г. Силикагели используются для осушки воздуха, осветления пива и фруктовых соков.

Цеолиты - водные алюмосиликаты природного или синтетического происхождения. Размер пор синтетических цеолитов соизмерим с размерами сорбируемых молекул, поэтому они могут адсорбировать молекулы, проникающие в поры. Такие цеолиты называют молекулярными ситами. Цеолиты некоторых марок используются для концентрирования соков. Цеолиты характеризуются высокой поглотительной способностью и применяются для осушки газов и жидкостей.

Глины и другие природные глинистые адсорбенты - бентонитовые глины и отбеливающие глины гумбрин, асканит и др. -являются высокодисперсными системами со сложным химическим составом. Наиболее распространенным методом активации природных глин является обработка их минеральными кислотами. При этом удаляются оксиды кальция, магния, железа, алюминия и других металлов, происходит образование дополнительных пор.

Удельная площадь поверхности глин составляет от 20 до 100 м2/г.

Глинистые материалы применяются в основном для очистки различных жидких сред от примесей, например, окрашенных веществ, в результате чего продукт обесцвечивается. Поэтому природные глинистые адсорбенты иногда называют "отбеливающая земля". Глинистые адсорбенты используются в пищевой промышленности для осветления вин, пива, фруктовых соков, рафинирования растительных масел, воды и для других целей.

2.2 Аппараты для проведения процесса адсорбции

Адсорберы по организации процесса делятся на аппараты периодического и непрерывного действия.

Адсорберы периодического действия бывают с неподвижным и псевдоожиженным слоем адсорбента. Для очистки растворов в спиртовом и водочном производствах применяются также емкостные адсорберы с механическим перемешиванием.

рис. 6 Адсорбер с неподвижным слоем адсорбента:

1 - корпус; 2 - колосниковая решетка; 3 - кольцевая труба; 4 - адсорбент

Вертикальный цилиндрический адсорбер (рис.6) является наиболее распространенной конструкцией адсорберов периодического действия. Слой гранулированного адсорбента загружается через верхние люки на колосниковую решетку. Выгрузка адсорбента происходит через нижние люки. Такие адсорберы используются для адсорбционной очистки парогазовых смесей и жидких растворов. Для подачи исходных смесей и острого пара адсорбер снабжён соответствующими штуцерами. Исходная жидкая смесь, как правило, подаётся снизу вверх через кольцевую трубу. Парогазовая смесь может податься и сверху вниз. В этом случае при десорбции острый пар подается через кольцевую трубу.

Процесс в представленном адсорбере проходит в четыре стадии: адсорбция, десорбция, сушка, охлаждение адсорбента. После отработки адсорбента возникает задача регенерации слоя поглотителя. Десорбция адсорбированного вещества из адсорбента является необходимой стадией технологического процесса, которая решает две задачи: извлечение вещества и регенерацию адсорбента.

Основным методом десорбции является вытеснение из адсорбента поглощенных компонентов с помощью веществ, например насыщенного водяного пара, обладающих лучшей адсорбционной способностью. Для увеличения скорости десорбции процесс часто проводят при повышенных температурах.

Рис. 7 Адсорбер с кольцевым слоем адсорбента:

1 -- корпус; 2,3 -- внутренняя и внешняя цилиндрические решетки; 4 - адсорбент

Вертикальный адсорбер с неподвижным кольцевым слоем адсорбента (рис.7) предназначен для поглощения компонентов из парогазовой смеси. Адсорбер состоит из вертикального корпуса, внутри которого между перфорированными сетками расположен слой адсорбента. На стадии адсорбции парогазовая смесь подается в нижнюю часть адсорбера и распределяется по кольцевому сечению адсорбента.

Пройдя через слой адсорбента, очищенная парогазовая смесь выходит через центральный патрубок. На стадии десорбции водяной пар подается в адсорбер через центральный патрубок

Рис. 8 Адсорбер с псевдоожиженным слоем:

1 -- корпус; 2 -- распределительная решетка; 3 -- сепаратор

Смесь паров десорбированного компонента и воды удаляется через нижний боковой штуцер. Для сушки адсорбента подается горячий воздух, а для охлаждения -- холодный воздух. После охлаждения адсорбента цикл работы повторяется. Загрузка адсорбента происходит - через верхние люки, а выгрузка -- через нижнюю течку.

Адсорбер с псевдоожиженным слоем (рис.8) заполнен мелкозернистым адсорбентом. Исходная смесь подается снизу под распределительную решетку при скорости, превышающей скорость псевдоожижения частиц адсорбента. При этом слой расширяется и переходит в подвижное состояние.

Проведение адсорбции в псевдоожиженном слое значительно интенсифицирует процесс массообмена и сокращает продолжительность процесса.

Адсорберы реакторного типа с механическим и пневматическим перемешиванием используются для очистки спиртоводочных растворов. Адсорбер состоит из цилиндрического корпуса с эллиптическим днищем. Внутри корпуса вращается лопастная мешалка. Раствор заливается в адсорбер через верхний патрубок, адсорбентзагружается через верхний люк. Суспензия исходной смеси сливается из аппарата через нижний патрубок и поступает на фильтр, где разделяется. Активный уголь направляется на ренерацию в десорбер. Адсорбционные установки с адсорберами периодического действия состоят из нескольких аппаратов, работающих попеременно. Часть адсорберов работает в стадии адсорбции, в то время как в других происходит регенерация адсорбента.

Адсорберы непрерывного действия бывают с движущимся плотным или псевдоожиженным слоем адсорбента. Адсорберы с движущимся слоем зернистого адсорбента представляют собой полые колонны с перегородками и переливными патрубками и аппараты с транспортирующими приспособлениями. На (рис.9) показан многосекционный колонный адсорбер для очистки парогазогазовыхм смесей, состоящий из холодильника, подогревателя и распределительных тарелок. В первой секции происходит охлаждение адсорбента после регенерации. Эта секция выполнена в виде кожухотрубчатого теплообменника. Охлаждающая жидкость подается в межтрубчатое пространство теплообменника, а адсорбент проходит по трубам.

Рис. 9 Адсорбер с движущимся слоем адсорбента:

1 -- холодильник; 2 -- распределительные тарелки; 3 -- подогреватели: 4 -- шлюзовой затвор; 5 -- распределитель острого пара; 6 -- распределитель исходной смеси

Вторая секция представляет собой собственно адсорбер, в котором адсорбент взаимодействует с исходной парогазовой смесью. Из первой секции во вторую адсорбент перетекает через патрубки и распределительные тарелки, обеспечивающие равномерное распределение адсорбента по сечению колонны и служащие затворами, разграничивающими первую и вторую секции. Далее адсорбент поступает в десорбционную секцию, представляющую собой кожухотрубчатый теплообменник, в котором нагревается и взаимодействует с десорбирующим агентом -- острым водяным паром. Регенерированный адсорбент удаляется из адсорбера через шлюзовой затвор. Адсорберы с псевдоожиженным зернистым адсорбентом бывают одноступенчатыми и многоступенчатым ожиженным слоем показан на (рис.10). Он представляет собой цилиндрический вертикальный корпус, внутри которого смонтированы газораспределительная решетка и пылеулавливающее устройство типа циклона. Адсорбент загружается в аппарат сверху через трубу и выводится через трубу снизу. Исходная парогазовая смесь вводится в адсорбер при скорости, превышающей скорость начала псевдоожижения, под газораспределительную решетку через нижний патрубок, а выводится через верхний патрубок, пройдя предварительно пылеулавливающее устройство.

Рис. 10 Одноступенчатый адсорбер непрерывного действия с псевдоожиженным слоем: 1 -- пылеулавливающее устройство; 2 -- газораспределительная решетка; 3 -- корпус

Многоступенчатый тарельчатый адсорбер с псевдоожиженным слоем показан на (рис.11). Он представляет собой колонну, в которой расположены газораспределительные решетки с переливными патрубками, служащими одновременно затворами для газового потока. Адсорбент поступает в верхнюю часть адсорбера и перетекает с верхней на нижнюю тарелку. С нижней тарелки адсорбент через шлюзовой затвор выгружается из адсорбера. Исходная парогазовая смесь поступает в адсорбер снизу и удаляется через верхний патрубок.



Рис. 11 Адсорбент Многоступенчатый адсорбер с псевдоожиженным слоем: 1 -- корпус; 2 -- газораспределительная решетка; 3--переливной патрубок; 4 -- шлюзовой затвор

Многоступенчатый адсорбер отличается от одноступенчатого тем, что работает по схеме, близкой к аппаратам идеального вытеснения, что позволяет проводить процесс адсорбции в противотоке.



СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Иванец В.Н., Крохалев А.А., Бакин И.А.., Потапов А.Н. ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ конспект лекций по курсу ПАПП Часть 2.для студентов заочного факультета

2. https://ru.wikipedia.org

3. Процессы и аппараты пищевых производств. В 2 кн. Кн. 2: Учеб. для ву-зов/ А.Н. Остриков, Ю.В. Красовицкий, С.М. Петров и др.; Под ред. А.Н. Острикова.- С-Пб.: ГИОРД, 2006.- 559 с.: ил

Размещено на Allbest.ru

...