Интенсификация процесса экстракции хлопковой мятки

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ВЫСшЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО

ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН

БУХАРСКИЙ инженерно-тЕХНический инстиТУТ

высоких технологий

На правах рукописи

УДК 663.64.057

5А 520713 "Машины и агрегаты пищевой промышленности"

ДИССЕРТАЦИЯ

НА СОИСКАНИЕ академический степени Магистр

интенсификация процесса экстракции хлопковой мятки

амонов

илхом ШОДМОНОВИЧ

Бухара

2012



Содержание

Введение

Глава 1. Современное состояние теории и практики процесса экстракции

1.1 Особенности извлечение масла

1.2 Аппараты для экстракции масла

1.2.1 Экстрактор вертикальный шнековый НД-1250

1.2.2 Ленточный экстрактор

1.2.3 Карусельные экстракторы

1.3 Обзор работ по теории экстракции

Глава 2. Теоретические исследования процесса экстракции и методов его интенсификации

2.1 Механизм процесса экстракции

2.2 Влияние отдельных факторов на скорость и полноту экстракции

Глава 3. Структурная характеристика экстрагируемого материала

3.1 Экспериментальное исследование влияния структуры материала на эктрагируемость

3.2 Экспериментальное исследование замачивание экстрагируемого материала на остаточную масличность шрота

3.3 Математическое описание и расчет процесса экстракции и оборудования для его осуществления

Выводы

Список использованной литературы



Введение

Экономическое развитие страны, улучшение продовольственного обеспечения его населения продуктами питания основывается на совершенствование и интенсификацию процесса пищевых производств. Поэтому одной из основных принципов и наиболее важных рычагов экономического развития является совершенствование технологических процессов переработки сельскохозяйственного сырья.

В год в Республике вырашивается около 3,5 млн тонн хлопка сырьца. В свою очередь при ее переработке получается около 1,2 млн тонн высокомаслочных семян. Получение в полном объеме качественного пищевого масла является своевременной и актуальной задачей, стоящей перед специалистами отрасли.

Приоритетноважным направлением развития промышленности является разработка и внедрение современных и высокоэффективных технологий, основанных на перспективные методы переработки сырья. Эти технологии, в маслоэкстракционное производство, должны быть нацелены на решения важных продовольственных проблем, извлечения целевого продукта из сырья с наименьшими энергетическими затратами, более глубокому внедрению передовой технологии в сферу переработки маслосодержащего сырья.

Одной из основных задач отраслей переработки маслосодержащего сырья является развитие технологических процессов переработки. Для интенсивного развития перерабатывающих отраслей требуется внедрение прогрессивной техники и технологии в переработку маслосодержащего сырья.

Как отмечено в книге Президента страны Ислама Каримова "Мировой финансово-экономический кризис, пути и меры по его преодолению в условиях Узбекистана" И.А. Каримов Мировой финансово-экономический кризис, пути и меры по его преодолению в условиях Узбекистана. - Ташкент: Ўзбекистон, 2009. -С. 28-30., дальнейшее ускоренное проведение модернизации, технического перевооружения предприятий, широкое внедрение современных гибких технологий в базавых отраслях экономики относятся к ключевым задачам, предусмотренным в республиканской Антикризисной программе. Для достижения этих целей важное значение приобретает широкое внедрение в производство новейших разработок отечественных ученых.

Исходя из вышеизложенного, особую актуальность приобретают теоретическое и экспериментальное исследование методов обработки маслосодержащих материалов, способствующих интенсификации процесса экстракции.

Цель исследования являет интенсификация процесса экстракции хлопковой мятки, путем применения процессов предварительной обработки.

Задачи исследования:

анализ современного состояния теории и практики экстракции жмыха хлопковой мятки;

теоретическое исследование механизма массообмена при экстракции жмыха хлопковой мятки;

определение влияния внешного и внутренного структурообразования жмыха хлопковой мятки;

определение влияния предварительного замачивания хлопковой мятки на интенсивность процесса экстракции жмыха хлопковой мятки;

исследование методик математического описания процесса экстракции и аппарата для его осуществления.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования является жмых хлопковой мятки, подвергаемый экстракции. Предмет исследования составляет теоретическое и экспериментальное изучение методов интенсификации процесса экстракции хлопкового жмыха.

Степень изученности проблемы.

Современное состояние процесса массообмена имеет систематизированные данные по теории экстракции, они довольно широко приняты и применяются большинством исследователей при исследовании процесса экстракции. Имеется ряд работ по теории экстракции, освещающих отдельные проблемы этого процесса несколько с других позиций. Швитцер [1] к факторам, определяющим механизм экстракции, относит скорость проникновения растворителя в экстрагируемое вещество и диффундирование масла через клеточную мембрану. Он считает, что диффузия масла через клеточные мембраны протекает аналогично диффузии через пористые тела.

Буше и другие [2], проводя проверку теории диффузии путем экстракции растворителем пористых глиняных пластинок, пропитанных маслом, нашли, что такое диффундирование подчиняется закону Фика. Кинг и Катц [3 в результате своих исследований пришли к выводу, что причиной отклонения процесса экстракции масличных семян от условий идеальной экстракции пористой пластинки, пропитанной маслом, является также характер распределения масла в экстрагируемом материале.

Смит [4] для определения константы скорости экстракции по данным масличности шрота и времени экстракции и уяснения механизма экстракции растительных масел из семян путем сравнения данных реальной экстракции с данными, полученными на модельных пористых пластинках, в которых процесс экстракции заведомо является процессом молекулярной диффузии.

Научная новизна. В результате проведенных исследований получены следующие научные результаты:

· исследован механизм массообмена при экстракции хлопковой мятки;

· получены результаты влияния структуры жмыха хлопковой мятки на интенсификацию процесса экстракции;

· получены результаты интенсификации процесса экстракции засчет применения предварительного замачивания жмыха хлопковой мятки мисцеллой, различной масличностью.



Глава 1. Современное состояние теории и практики процесса экстракции

1.1 Особенности извлечение масла

Растительные масла получают извлечением из растений масличного сырья. Согласно классификации проф. В.В. Белобородова, технологические процессы современного производства растительных масел делятся на: механические -- очистка семян, обрушивание семян, отделение от ядер плодовых и семенных оболочек, измельчение ядра и жмыха; диффузионные и диффузионно-тепловые -- кондиционирование семян по влажности, жарение мятки, экстракция масла, отгонка растворителя из мисцеллы и шрота; гидромеханические -- прессование мезги, отстаивание и фильтрация масла; химические и биохимические процессы -- гидролиз и окисление липидов, денатурация белков, образование липидно-белковых комплексов.

По технологическому признаку технологические процессы делятся на шесть групп: подготовка к хранению и хранение масличных семян; подготовка семян к извлечению масла; собственно извлечение масла; рафинация полученного масла; розлив; упаковка и маркировка (рис.1.1).

Извлечение масла производят двумя способами: прессованием и экстракцией. На основе этих двух способов разработаны следующие технологические схемы производства растительных масел: однократное прессование; двукратное прессование - извлечение масла путем предварительного отжима - форпрессования с последующим окончательным отжимом - экспеллированием; холодное прессование - извлечение масла из сырья без предварительной влаготепловой обработки; форпрессование - экстракция - предварительное обезжиривание масла путем форпрессования с последующим его извлечением путем экстракции бензином; прямая экстракция - экстракция растворителем без предварительного обезжиривания.

Влаготепловая обработка мятки - жарение. Для эффективного извлечения масла из мятки проводят влаготепловую обработку при непрерывном и тщательном перемешивании. В производственных условиях процесс влаготепловой обработки состоит из двух этапов:

Рис.1.1. Схема производства растительного масла

1-й этап - увлажнение мятки и подогрев в аппаратах для предварительной влаготепловой обработки мятки - инактиваторах или пропарочно-увлажнительных шнеках. Мятку нагревают до температуры 80-85 ^оС с одновременным увлажнением водой или острым паром. При этом происходят избирательное смачивание и уменьшение энергии связи масла с нелипидной частью семян на поверхности мятки. Влажность семян подсолнечника после увлажнения составляет 8-9%. 2-й этап -- высушивание и нагрев увлажненной мятки в жаровнях различных конструкций. При этом изменяются физические свойства масла - уменьшаются вязкость, плотность и поверхностное натяжение.

Материал, получаемый в результате жарения, называется мезгой. Предварительный отжим масла - форпрессование. В результате прессования извлекается 60-85% масла, т. е. осуществляется предварительное извлечение масла - форпрессование. Для прессования применяют прессы различных конструкций. В зависимости от давления на прессуемый материал и масличности выходящего жмыха шнековые прессы делят на прессы предварительного съема масла - форпрессы и прессы окончательного съема масла - экспеллеры.

Окончательный отжим масла - экспеллирование осуществляется в более жестких условиях, в результате чего содержание масла в жмыхе снижается до 4-7%.

Извлечение масла методом экстракции органическими растворителями эффективнее прессового метода, так как содержание масла в проэкстрагированном материале - шроте - менее 1%.

В производстве в качестве растворителей для извлечения масла из растительного сырья применяют экстракционный бензин марки А и нефрас с температурой кипения 63-75 °С. Экстракция - это диффузионный процесс, движущей силой которого является разность концентраций мисцеллы - растворов масла в растворителе внутри и снаружи частиц экстрагируемого материала. Растворитель, проникая через мембраны клеток экстрагируемой частицы, диффундирует в масло, а масло из клеток -- в растворитель. Под влиянием разности концентраций масло перемещается из частицы во внешнюю среду до момента выравнивания концентраций масла в частице и в растворителе вне ее. В этот момент экстракция прекращается.

Экстракцию масла из масличного сырья проводят двумя способами: погружением и ступенчатым орошением.

Экстракция погружением происходит в процессе непрерывного прохождения сырья через непрерывный поток растворителя в условиях противотока, когда растворитель и сырье продвигаются в противоположном направлении относительно друг друга. По способу погружения работают экстракторы НД-1000, НД-1250, "Олье-200". Такой экстрактор состоит из загрузочной колонны, горизонтального цилиндра и экстракционной колонны, внутри которых установлены шнеки.

Сырье в виде лепестка или крупки поступает в загрузочную колонну, подхватывается витками шнека, перемещается в низ загрузочной колонны, проходит горизонтальный цилиндр и попадает в экстракционную колонну, где с помощью шнека поднимается в верхнюю ее часть. Одновременно с сырьем в экстрактор подается бензин температурой 55-60 °С. Бензин перемещается навстречу сырью и проходит последовательно экстрактор, горизонтальный цилиндр и загрузочную колонну. Концентрация мисцелы на выходе из экстрактора составляет 15-17%.

Обезжиренный остаток сырья - шрот выходит из экстрактора с высоким содержанием растворителя и влаги (25-40%), поэтому его направляют в шнековые или чанные (тостеры) испарители, где из него удаляют бензин.

К преимуществам экстракции погружением относятся: высокая скорость экстракции, простота конструкторского решения экстракционных, аппаратов, безопасность их эксплуатации. Недостатками этого способа являются: низкие концентрации конечных мисцелл, высокое содержание примесей в мисцеллах, что осложняет их дальнейшую обработку.

Экстракция способом ступенчатого орошения. При этом способе непрерывно перемещается только растворитель, а сырье остается в покое в одной и той же перемещающейся емкости или движущейся ленте. Этот способ обеспечивает получение мисцеллы повышенной концентрации (25-30%), с меньшим количеством примесей. Недостатки этого способа -- большая продолжительность экстракции, повышенная взрывоопасность производства. В настоящее время широко эксплуатируется горизонтальные ленточные экстракторы МЭЗ-350, Т1-МЭМ-400, ДС-70, ДС-130, "Луги-100", "Лурги-200", ковшовые экстракторы "Джанациа", корзиночный экстрактор "Окрим". Более современным является карусельный экстрактор "Экстехник" (Германия), работающий по принципу многоступенчатого орошения в режиме затопленного слоя.

При экстракции на ленточном экстракторе МЭЗ сырье из бункера подается на движущуюся сетчатую ленту транспортера, проходит под форсунками и оросителями, орошается последовательно мисцеллой и бензином. Экстрактор имеет 8 ступеней с рециркуляцией мисцеллы и соответственно 8 мисцеллосборников.

После экстракции мисцелла содержит до 1% примесей, и ее направляют на ротационные дисковые или патронные фильтры для очистки.

Дистилляция - это отгонка растворителя из мисцеллы. Наиболее распространены трехступенчатые схемы дистилляции.

На первых двух ступенях мисцелла обрабатывается в трубчатых пленочных дистилляторах. На первой происходит упаривание мисцеллы. На второй - мисцелла обрабатывается острым паром при температуре 180-220 °С и давлении 0,3 МПа, что вызывает кипение мисцеллы и образование паров растворителя. Пары растворителя направляются в конденсатор. На третьей ступени высококонцентрированная мисцелла поступает в распылительный вакуумный дистиллятор, где в результате барботации острым паром под давлением 0,3 МПа происходит окончательное удаление следов растворителя. После дистилляции масло направляют на рафинацию.

1.2 Аппараты для экстракции масла

Процесс экстракции масла с применением растворителя обеспечивает практически полное извлечение масла из подготовленного соответствующим образом масличного материала, чаше всего прошедшего предварительное обезжиривание прессованием. При этом вследствие относительно низких температур, как на стадии экстракции, так и на других стадиях экстракционного производства, создаются предпосылки сохранения качества продуктов (масла и шрота).

При современном аппаратурном оформлении экстракционное производство представляет собой высокомеханизированный и автоматизированный комплекс оборудования, требующий для своего обслуживания персонал сравнительно малой численности. Это, вместе с получением дополнительной продукции, позволяет значительно повышать производительность труда на маслоэкстракционных производствах.

Основными требованиями к процессу экстракции являются следующие. жмых замачивание экстрагируемый мятка

Глубина извлечения масла. Для различных масличных материалов надо обеспечивать масличность шрота около 1 %.

Интенсивность процесса. Одним из показателей интенсивности процесса является продолжительность процесса, которая в различных аппаратах в настоящее время колеблется от одного до нескольких часов. При современных требованиях высокой единичной мощности оборудования это приводит к большим габаритам экстракторов.

Эффективность процесса. Для процесса экстракции это означает способность его проведения с возможно меньшим количеством растворителя. Это зависит от степени подготовленности материала к извлечению масла экстракцией, а также от способа его проведения. Общим является применение в настоящее время последовательного непрерывного противоточного обезжиривания, но различными способами. Существуют два основных способа - погружение материала в противотоке с растворителем и ступенчатое орошение материала в противотоке с растворителем. Известны комбинации этих двух способов. Для способа экстракции погружением характерен диапазон соотношений растворитель/материал от 1/1 до 0,6/1, а для способа экстракции орошением - от 0,6/1 до 0,3/1.



1.2.1 Экстрактор вертикальный шнековый НД-1250

Наиболее распространенные и перспективные конструкции экстракгоров, реализующих основные способы экстракции погружения и орошения.

Наиболее распространенными в нашей стране в настоящее время являются вертикальные шнековые экстракторы, реализующие способ экстракции погружением

.

Рис. 1.2. Шнековый экстрактор НД - 1250

Данный тип экстрактора появился еще в середине ХХ-го в. и в настоящее время эксплуатируется в промышленности в виде модернизированного экстрактора НД-1250 (рис. 1.2).

Экстрактор имеет U-образную форму. Он состоит из трех колонн: двух вертикальных (загрузочной 3 к экстракционной 12) и горизонтальной, представляющей собой передаточный шнек 2.

В обеих вертикальных колоннах также размешены шнеки 4. На загрузочной колонне расположен декантатор 6 - устройство, в котором отходящая из экстрактора мисцелла очищается путем отстаивания от основного количества крупных взвешенных в ней части.

В верхней части экстракционной колонны расположен механизм сбрасывателя отходящего из экстрактора шрота. Шнеки всех трех колонн имеют индивидуальные приводы 1, 7, 8.

Колонны экстрактора сосгоят из царг с внутренним диаметром 1250 мм, Которые собираются на фланцах. Наружный диаметр шнеков а загрузочной колонне составляет 1242 мм, а в экстракционной колонне и передаточном горизонтальном шнеке - 1220 мм, так как в них для предотвращения проворачивания материала вместе со шнеками на внутренней поверхности царг имеются направляющие планки 14, 15.

На верхней царге экстракционной колонны расположены патрубок 10 для выхода шрота, смотровые окна 11, люк-лаз 13.

Для подачи бензина на картах экстракционной колонны в верхней части в патрубки вставлены на фланцах 9 самоочищающиеся форсунки. Такие же форсунки применяются в размывочной системе загрузочной колонны.

Торцы всех трех колонн экстрактора закрыты крышками, через центр которых проходят валы диаметром 120 мм (места прохода валов уплотнены). К валам приварены витки шнеков. Толщина перьев шнеков 10 мм. В загрузочной колонне число витков шнека, находящихся в зоне растворителя, составляет 9,5 шт. При этом шаг верхнего шнека 460 мм, а шаг остальных витков 560 мм. В передаточном горизонтальном шнеке 3,5 витка в экстракционной колонне - 27,5 витка. В этих колоннах шаг шнековых витков постоянный и одинаковый - 450 мм. Поверхность перьев шнеков перфорирована круглыми отверстиями с раззенковкой, расположенной на той стороне пера шнека, которая не соприкасайся с экстрагируемым материалом. Диаметр отверстий на перьях шнека загрузочной колонны 8 мм, а на перьях передаточного горизонтального шнека и экстракционной колонны - 10 мм. Валы загрузочной и экстракционной колонн составные, соединены на болтах в специальных муфтах. Верхние концы валов соединение вагами редукторов продольно-свертными муфтами, и таким образом, валы подвешены на упорных подшипниках редукторов. Нижние концы валов центрированы подшипниками скольжения.

Декантатор представляет собой цилиндр диаметром 2,2 м с конусообразным основанием, нижний диаметр которого имеет фланец для соединения с верхней партой загрузочной колонны. Верхняя крышка декантатора имеет горловину со съемной крышкой, по центру которой приварена центральная течка с циклонной питающей течкой, имеющей отверстие для входа экстрагируемого материала. На крышке декантатора также расположено смотровое окно, патрубки для выхода паровоздушной смеси. В конической часто декантатора установлены радиально-ориентированные пластины, препятствующие проворачиванию материала вместе со шнеком. На верхнюю полумуфту соединения валов надет распределительный конус. На цилиндрической части декантагора установлены три патрубка для выхода мисцеллы.

Модернизированный шнековый экстрактор НД-1250 принадлежит к группе экстракторов, работающих по способу погружения экстрагируемого материала в растворитель. В этих экстракторах извлечение масла происходит бесступенчато в условиях абсолютного противотока, иными словами, когда растворитель и экстрагируемый материал непрерывно передвигаются относительно друг друга.

Достоинства таких аппаратов:

- простота конструктивного оформления;

- небольшая потребная площадь для их установки;

- высокий коэффициент использования их вместимости (до 95...98 %);

- незначительная возможность образования в аппаратах взрывоопасных смесей воздуха и паров растворителя;

- легкость обслуживания;

- малая металлоемкость.

Недостатки таких экстракторов:

- получение мисцелл с низкой конечной концентрацией (15...20 %);

- нарушение первоначальной структуры экстрагируемого материала при его перемещении, что вызывает помутнение мисцеллы и усложняет ее фильтрацию перед дистилляцией;

- значительная габаритная высота аппаратов;

- возможность вымывания и уноса с мисцеллой мелких частиц экстрагируемого материала;

- возможность всплывания материала в случаях, когда его плотность ниже плотности конечных мисцелл.

Таблица 1.1 Техническая характеристика модернизированного шнекового экстрактора НД-1250
Производительность (количество перерабатываемых семян подсолнечника по схеме форпрессование -- экстракция), т/сут	500
Шаг, мм: верхнего приемного витка остальных витков	460 560 (450; 450)
Диаметр шнеков, мм	1242 (1220; 1220)
Диапазон изменения частоты вращения шнеков, мин-1	4,4 (3,5; 5,0)
Габаритные размеры, мм	5838x2535x13340

1.2.2 Ленточный экстрактор

Ленточный экстрактор (рис. 1.3) работает по способу орошения. Основным рабочим органом экстрактора является горизонтальный сетчатый ленточный транспортер 5. Лента состоит из двух параллельно расположенных бесконечных цепей, к шекам которых крепятся болтами поперечно 58 рамок рамки имеют размеры 2400 х 600 мм и для обеспечения жесткости снабжены продольными и поперечными ребрами. Сверху на рамки укладывают подкладочные листы с перфорацией (отверстия размером 8 х 8 или 20 х 20 мм), затянутые сверху специальной плетеной сеткой.

Цепи ленты надеты на звездочки ведущего 3 и ведомого 13 валов, расстояние между осями которых 15 м, поэтому длина верхней рабочей ветви транспортера 14,4 м. Для исключения провисания и смещения ленты между звездочками на пальцах цепей имеются ролики, которые катятся по направляющим. При этом с одной стороны одна направляющая гладкая, а с другой -- направлюшая имеет треугольное сечение. Соответственно, ролики также с одной стороны гладкие, а с другой имеют треугольную проточку. Проточка на роликах и треугольный выступ на направляющей обеспечивают отсутствие бокового смешения ленточного транспортера.

Рис. 1.3. Ленточный экстрактор МЭЭ-350

Вал с двумя ведущими звездочками жестко закреплен к хвостовой части аппарата, приводится во вращение в подшипниках от электродвигателя через вариатор, редуктор, цепную передачу и храповой механизм. Вариатор позволяет плавно регулировать скорость движения ленты в пределах от 2,5 до 5 м/ч. Движение ленты происходит прерывно из-за включения в кинематическую схему привода храпового механизма. Вал с двумя ведомыми звездочками имеет подвижные подшипнихи, он расположен в головной части экстрактора, где предусмотрено приспособление для натяжения цепей транспортера. Ленточный транспортер в экстракторе установлен не строго горизонтально. Ось ведущих звездочек расположена ка 150 мм выше оси ведомых эиездочск. Это препятствует отеканию бензина по поверхности слоя материала в выводной бункер 2.

Особенностью экстрактора ленточного типа является использование в рабочем процессе (транспортирование слоя экстрагируемого материала) только верхней ветви ленточного транспортера. Нижняя ветвь транспортера нерабочая, и в этой зоне лента подвергается вспомогательным операциям (очистке круглой щеткой и промывке частью мисцеллы из дозировочного бачка).

Под верхней ветвью ленты расположены десять мисцеллосборников, восемь из которых соединены с соответствующими насосами, которые объединены в два четкрехкоряусных насоса 14, 16. Каждый из восьми ценгробежных отдельных насосов питает мисцеллой соответствующую форсунку 6.

Для обеспечения равномерного распределения орошаюшей мисцеллы по слою экстрагируемого материала, получения хорошей проницаемости слоя, устранения скопления растворителя на верхней поверхности слоя экстрагируемого материала к крышке экстрактора на цепях подвешены грабельные рыхлители 7, которые прочесывают верхнийслой материала.

Мисцеллосборники разделены перегородками, в которых имеются отверстия для перетока мисцеллы последовательно из сборника в хвостовой части экстрактора в головной.

Все рабочие органы экстрактора заключены в корпус 4, который выполнен из листовой стали и швеллеров в виде коробчатой конструкции. В верхней части корпуса расположен загрузочный бункер 10, над которым имеется шлюзовой затвор 9 с индивидуальным электроприводом. Загрузочный бункер экстрактора имеет два ограничителя 11, 12 (верхний и нижний) флажкового типа с микропереключателями МП-1 для автоматического управления загрузкой аппарата экстрагируемым материалом. При этом также обеспечивается создание слоя материала, играющего роль затвора, препятствующего прорыву паров растворителя за пределы объема экстрактора. В нижней части загрузочного бункера расположен вертикальный регулировочный шибер 8, снабженный указателем, при помощи которого устанавливается определенная высота (0,8-1,4 м) слоя материала.

В хвостовой части экстрактора снизу имеется разгрузочный бункер, который имеет сужающееся боковое сечение с расположенным в самом низу двусторонним лопастным шнеком 1 и шлюзовыми затворами.

На корпусе экстрактора для наблюдения за рабочим процессом в нескольких местах установлены иллюминаторы и электросветильники, а для ремонта - люки. Сверху корпуса практически на всю длину установлена съемная крышка, которая своей отбортовкой по всему периметру свободно ставится в желоб, не прерывающийся по всему периметру. Для предотвращения прорыва паров бензина из рабочего объема экстрактора в цех в месте стыковки корпуса и крышки, в желоб наливают воду и тем самим создают гидравлический затвор. Корпус экстрактора установлен на опорах 15.

Экстрактор работает следующим образом. Экстрагируемый материал, подготовленный в виде лепестка, а также, возможно, в виде крупки, подается транспортером и после прохождения электромагнита через шлюзовой затвор поступает в загрузочный бункер, где автоматически поддерживается слой материала, опирающийся на ленту.

При движении ленты вместе с ней из загрузочного бункера транспортируется слой материала, высота которого регулируется шибером. На всем пути движения материала в рабочей зоне экстрактора на верхней ветви ленты происходит орошение слоя материала из восьми оросителей мисцеллой последовательно увеличивающейся концентрации и противотоке. Свежий материал орошается крепкой мисцеллой, а материал в конце пути на ленте орошается чистым растворителем.

Мисцелла или растворитель, фильтруясь через слой материала, экстрагирует из него масло. Пройдя через слой материала и сетчатую ленту, мисцелла стекает в соответствующий мисцеллосборник, откуда откачивается и подается вновь на орошение.

В принятой схеме циркуляции мисцеллы на ступени (из мисцеллосборника насосом мисцелла подается в ороситель, расположенный над этим же мисцеллосборником) противоточное движение мисцеллы осуществляется путем перелива ее в смежный мисцеллосборник. Направление движения мисцеллы к месту загрузки материала путем перелива из одного мисцеллооборника в другой обеспечивается соответствующим снижением уровня переливной щели в последовательности мисиеллосборников. В хвостовой части экстрактора проэкстрагированный материал после зоны стока разрыхляется разгрузочным разрыхлителем к сбрасывается в разгрузочный бункер. Здесь материал двусторонним лопастным шнеком подается на два шлюзовых затвора и выводится из экстрактора.

Мисаелла при фильтрации через высокий слой материала очищается от взвесей и не нуждается в специальной очистке на фильтрах после выхода из экстрактора.

Таблица 1.2 Техническая характеристика экстрактора МЭЗ-350
Производительность экстрактора по семенам, т/сут: подсолнечника и хлопчатника сои	380 140
Количества подаваемого в экстрактор растворителя, м3/ч	5-6
Масличность шрота, (%) при переработке: подсолнечника и хлопчатника сои	1,0 0,6-0,7
Концентрация мисцеллы, (%) при переработке: подсолнечника и хлопчатника сои	25-30 25-35
Установленная мошность электродвигателя проводов, кВт: экстрактора Шлюзового затвора загрузочного бункера Разгрузочного шнека и шлюзового затвора разгрузочного бункера	3 0,6 1,5
Габаритные размеры, мм	18450х3950х9750
Масса, кг	57400

1.2.3 Карусельные экстракторы

В карусельных экстракторах реализуется тот же принцип, что и в ленточных, -- принцип многоступенчатого орошения слоя мастосодержащего материала с фильтрацией рециркулирующей мисиеллы через слой экстрагируемого материала.

Из известных конструкций карусельных экстракторов рассмотрим экстракторы со стационарным днищем, разработанные фирмой "Экстехник" (Герсания) и изготавливаемые фирмой СКЕТ. Экстракторы поставляются в одно- и двухъярусном исполнении.

Рис. 1.4. Одноярусный роторный карусельний экстрактор

Одноярусный экстрактор (рис. 1.4) -- это цилиндрический аппарат 4 с перфорированным стационарным днищем 5, над которым перемешается ротор 9 с радиальными перегородками 7, а под днишем размешаются мисцеллосборники 14, 15. Имеются загрузочные и разгрузочные устройства и насосы 1, 10, 11 привод, рециркуляционные насосы с оросителями 2, 3, 12.

Днище экстрактора неподвижно и имеет зеерную (щелевую) конструкцию. При этом зеерные прутья имеют концентрическое расположение, а в сечении -- трапециевидную форму.

Зазор между смежными веерными прутьями через определенные участки прерывается особым переплетением зеерных прутьев, что способствует выводу из зазора застрявших части. Нижняя кромка радиальной перегородки при движении ротора увлекает в движение вдоль зазора застрявшую частицу, и она достигнув переплетения, попадает на наклонную плоскость и выскальзывает из зазора.

Основными частями ротора являются внутренняя 8 и внешняя обечайки, образующие кольцевое пространство, которое разделено радиальными перегородками 7. В поперечном сечении каждая радиальная перегородка имеет сужающуюся книзу форму, что предохраняет от зависания материала при его выгрузке из секторного пространства ротора. выделенного двумя смежными радиальными перегородками. Выгрузку обезжиренного материала производят через секторный вырез в днище. Вслед за этим вырезом следует участок 13, выполненный сплошным, на котором происходит загрузка исходною материала для экстракции через бункер, снабженный мешалкой для предотвращения зависания материала. Для равномерной загрузки камеры экстрактора по всему радиусу материал из загрузочного бункера транспортируется несколькими параллельными шнеками разной длины. Загрузочный бункер снабжен уровнемером.

1.3 Обзор работ по теории экстракции

По теории экстракции, освещающих отдельные проблемы этого процесса несколько с других позиций. Швитцер [1] к факторам, определяющим механизм экстракции, относит скорость проникновения растворителя в экстрагируемое вещество и диффундирование масла через клеточную мембрану. Он считает, что диффузия масла через клеточные мембраны протекает аналогично диффузии через пористые тела.

Авторм [2], исследуя теории диффузии путем экстракции растворителем пористых глиняных пластинок, пропитанных маслом, нашел, что такое диффундирование подчиняется закону Фика. Однако в силу того, что свойства пористых пластинок, пропитанных маслом, не соответствуют свойствам лепестка из масличных семян или жмыха и что уравнение экстракции, выведенное на основе работ с пористыми пластинками, должно корректироваться с учетом различия структур экстрагируемого материала. Авторами [3] в результате своих исследований пришли к выводу, что причиной отклонения процесса экстракции масличных семян от условий идеальной экстракции пористой пластинки, пропитанной маслом, является также характер распределения масла в экстрагируемом материале. Они основываясь на том, что кривые экстракции смеси сырых соевых лепестков различной толщщш на полулогарифмической сетке не являются прямыми линиями, какими они должны быть на основании зависимости для коэффициента диффузии, выведенной Буше в результате работы с пористыми пластинками одинаковой толщины, пропитанными маслом, пришли к выводу, что для практических целей нужно пользоваться эмпирическими зависимостями. Автором [4] для уяснения механизма экстракции растительных масел из семян и определения константы скорости экстракции по данным масличности шрота и времени экстракции путем сравнения данных реальной экстракции с данными, полученными на модельных пористых пластинках, в которых процесс экстракции заведомо является процессом молекулярной диффузии, в лабораторных условиях проводил экстракцию способами настаивания, последовательного обезжиривания в жидкой фазе и орошения. Как видно из рис. 1.5, кривые экстракции масла из пористых пластинок (последовательным обезжириванием 1) и сырого лепестка при разных способах экстракции (погружением 2, настаиванием 3 и орошением 4) имеют различный характер. После экстрагирования пористых пластинок около 20 минут кривая приближается к прямой. В результате изучения кривых экстракции и других исследований Смит пришел к следующему выводу:

Остаток масла в шроте, %

Время, мин.

Рис. 1.5. Крывая экстракции

а) процессы экстракции масла из действительных материалов и из моделированных пластинок неодинаковы, поэтому экстракция должна изучаться только на действительных материалах;

б) константы скорости экстракции, полученные на действительных материалах при настаивании, орошении и последовательном обезжиривании, действительны в течение всего периода экстракции;

в) константа скорости экстракции Пропорциональна диффузионной способности масла и растворителя;

г) влияние переменных факторов в случае экстрагирования пористых пластин и действительных материалов оказались одинаковыми.

Из этого видно, что диффузия контролирует процесс экстракции масла из действительных материалов.

Явления диффузии при экстракции масла из масличных семян подтверждаются и работами Фана и Мориса [5], которые проводили извлечение масла, из срезов арахисовых семян при температуре 24-26° н-пентаном (30-60°), н-гексаном (60-71°). Определяя q/q₀ (где q-количество масла в единице экстрагируемого материале через ф секунд после начала диффузии, а q₀--количество масла в материале при ф = 0) в условиях лабораторной экстракции и рассчитывая это же соотношение по уравнению

где: 2l - толщина среза; D - коэффициент молекулярной диффузии, получены соответствующие графики (рис. 1.6) на полулогарифмической сетке, из которых кривые 1 и 2 строились на основе лабораторных соединений, кривая 3 - по уравнению.

Остаток масла в шроте, %

Время, мин.

Рис. 1.6. Кривые экстракции

Как видно из графиков, независимо от характера отклонений кривых в начале процесса, в дальнейшем после тридцатиминутной экстракции опытные кривые переходили в прямые линии, подобные теоретическим. Это говорит о том, что экстракция действительного клеточного материала в конечных фазах представляет диффузионный процесс, подчиняющийся закону Фика.

Известный интерес представляет работа Отмера и Агарвэла [6]. Экстрагируя гаксаном целые семена сои и половинки их, авторы установили, что за 168 часов экстракции из целых семян сои было извлечено всего 0,08%, а, из половинок - 0,19% исходного масла.

На основе этого авторы делают вывод, что стенки клеток масличного семени непроницаемы для масла и растворителя и что они препятствуют диффузии масла и растворителя.

Проводя далее опытные экстракции с мисцеллой различной концентрации измельченного в лепесток соевого семени, авторы пришли к заключению, что концентрация мисцеллы не оказывает влияния на скорость экстракции. Отсюда делается вывод, что к экстракции масла из масличных семян неприменим диффузионный закон Фика и что нет необходимости применять противоточную экстракцию. Поэтому для экстракции будет достаточным простое замачивание и перемешивание растворителя (чистого или в виде мисцеллы) и твердого экстрагируемого материала. Окончательная стадия экстракции должна заключаться в промывке экстрагируемого материала противоточным или чистым растворителем. Промывка может осуществляться как ступенчатым орошением, так и погружением в противоточно движущийся растворитель. Количество промывок можно легко вычислить при помощи материального баланса, в котором удержание мисцеллы шротом считают постоянным. К последнему положению о постоянстве мисцеллоемкости экстрагируемых частиц авторы пришли в ходе изучения экстракции соевого масла из развальцованных лепестков различной толщины. Ими установлено, что мисцеллоемкость - отношение количества мисцеллы к количеству сухого вещества - лепестка является постоянной величиной и не зависит от остаточной масличности шрота - отношение количества масла к количеству сухого вещества. Следует отметить, что такое (недиффузионное) представление об экстракции растительного масла из семян находит последователей в среде конструкторов экстракционной аппаратуры и технологов.



Глава 2. Теоретические исследования процесса экстракции и методов его интенсификации

На современном этапе развития производства растительных масел экстракционный способ является самым распространенным, обеспечивающим наиболее полное извлечение масла из масличного сырья. Основное преимущество этого способа получения растительных масел по сравнению с прессовым заключается в значительном увеличении выходов масла, особенно при переработке низкомасличных семян.

В производстве для извлечения масла экстракцией пользуются двумя методами: методом настаивания и методом последовательного обезжиривания. Сущность первого метода заключается в том, что загруженное в аппарат масличное сырье заливается чистым растворителем.

Недостатком метода настаивания является то, что в результате повторного действия чистого растворителя на обезжиренный товар получаются слабо концентрированные мисцеллы, требующие для отгонки растворителя большого количества тепла. В настоящее время этот метод в маслоэкстракционном производстве применяется очень мало.

По второму методу экстрагирование происходит непрерывно и по принципу противотока, т. е. чистый растворитель поступает на наиболее обезжиренное сырье, а наиболее масличное, свежезагруженное сырье обрабатывается концентрированной мисцеллой. Работа по этому методу значительно сокращает время экстрагирования и дает более концентрированную мисцеллу, что в свою очередь экономит растворитель и уменьшает расход тепла на отгонку растворителя из мисцеллы. По методу последовательного обезжиривания работают батарейные установки периодического действия и установки непрерывного действия.

За столетнюю историю промышленного применения экстракционного способа получения растительных масел техника и технология его значительно усовершенствовалась. Вместо экстракторов периодического действия, работающих по методу настаивания, а также по методу последовательного обезжиривания, к настоящему моменту повсеместно внедряются аппараты непрерывного действия, причем число конструкций и типов их все время возрастает. Большие усовершенствования внесены как в технологию подготовки масличных семян к экстракции, так и непосредственно в способы извлечения масла растворителем, отгонки его из шрота и мисцеллы, а также в процессы регенерации растворителя. До недавнего времени маслоэкстракционное производство развивалось на чисто эмпирической основе. Однако за последние шесть-семь лет в литературе появились многочисленные работы по теории экстракции. Хотя в этих работах развиты общие представления о механизме процесса экстракции растительных масел и частично изучено влияние отдельных факторов на полноту и скорость извлечения масла, тем не менее, все эти теоретические изыскания не охватывают всех проблем экстракции. До сих пор не найдены практически- применимые формулы расчета экстракторов, не найдены ответы на такие вопросы, как определение остаточной масличности шрота по заданному режиму форпреосования и экстракции или как по установленному коэффициенту диффузии определить необходимое время экстракции. Выведенные уравнения, относящиеся к исследованию процесса экстракции, а также вспомогательные формулы для определения коэффициента маслопередачи являются математической обработкой частных случаев экстракции того или иного материала в конкретной обстановке опыта. Широкое внедрение экстракционного способа производства растительных масел требует дальнейшего и непрестанного совершенствования основных процессов экстракции и ее аппаратурного оформления.

2.1 Механизм процесса экстракции

Поскольку процесс экстракции является процессом массообмена, то передача вещества в нем может происходить посредством молекулярной диффузии, конвективной диффузии, сочетанием обоих видов диффузии и других видов массопередачи.

Молекулярная диффузия. К основным законам массопередачи при молекулярной диффузии относятся первый и второй законы Фика.

Первый закон говорит о количестве вещества, переносимого через элемент сечения. Представим себе, что перенос вещества от большей концентрации к меньшей идет по направлению стрелки.

Выделим в растворе объемный элемент длиной dx и площадью поперечного сечения F. Предположим далее, что на границе I концентрация растворенного вещества будет С, а осмотическое давление (осмотическое давление--это давление, которое оказывают молекулы' растворенного вещества внутри раствора) р, на границе II соответственно -- С-dC и р-dp на единицу поперечного сечения (рис.2.1).

Рис. 2.1. К уравнению движущей силы растворенной частицы

Если диффузия происходит под влиянием разности осмотического давления, то это давление на границе I будет pF, а на границе II - (р-dp)F.

В этом случае движущая сила растворенной частицы будет

pF-(р-dp)F= dpF. (2.1)

Так как скорость движения частицы пропорциональна силе; то можно написать, что количество вещества dm, проходящее за время dф через сечение F, будет

dm/ dф = KdpF, (2.2)

где К -- фактор пропорциональности.

Но количество вещества, переносимое через сечение F, обратно пропорционально длине выделенного элемента, следовательно

dm = K(dp•dф•F/dx) (2.3)

Если осмотическое давление по закону Вант-Гоффа p=RTC,

где: R - газовая постоянная; Т - абсолютная температура; С - концентрация, т. е. число молей в 1 л, то при постоянной температуре dp=RTdC. Подставляя это выражение в формулу (2.3), получим

dm/ dф = KRT (dC•dф•F/dx). (2.4)

Обозначим постоянные величины KRT через D. Так как dm, F и dф--величины положительные, а величина dC/dx отрицательная (концентрация убывает), то, ставя перед этим выражением знак минус, получаем выражение для первого закона Фика

dm = -DF (dC/dx) •dф. (2.5)

В этой формуле константа D есть количество вещества, которое продиффундирует за время, равное единице, через сечение, равное единице, при разности концентраций, равной единице.

Константа D называется коэффициентом диффузии, его размерность - см²/сек. Если обозначим через q количество вещества, переносимое в единицу времени через единицу поверхности, то первый закон Фика можно выразить так:

dq = -D(dC/dx). (2.6)

Таким образом, первый закон Фика выражает стационарный процесс диффузии и характеризует скорость переноса вещества при постоянном градиенте концентрации (dC/dx). При экстракции масличных семян практически имеет место нестационарный процесс диффузии, выражаемый вторым законом Фика, который говорит об изменении концентрации диффундирующего вещества в определенной точке в зависимости от времени. Он выводится из первого таким путем.

При молекулярной диффузии перенос вещества обусловливается тепловым движением молекул экстрагируемого вещества.

Применительно к жидкостям наиболее современной является "дырчатая" теория молекулярной диффузии [7].

С точки зрения этой теории молекулярная диффузия зависит от размера молекул экстрагируемого вещества и от вязкости среды. Вследствие этого для данного вещества с увеличением температуры возрастает и скорость молекулярной диффузии.

Зависимость молекулярного коэффициента диффузии от указанных выше факторов хорошо описывается формулой Эйнштейна:

D = RT/N6рзr , (2.7)

где: R - газовая постоянная; N - число Авогадро; Т - абсолютная температура; з - абсолютная вязкость растворителя; r - радиус молекул диффундирующего вещества.

Эта формула, как указывает Френкель [8], хорошо согласуется с данными опыта в тех случаях, когда размеры молекул диффундирующего вещества намного превышают размеры молекул растворителя.

Конвективная диффузия. Перенос вещества в силу перемещения одной фазы относительно другой как целого носит название конвекции.

Если причиной замещения фаз является разность концентраций, то такой вид конвекции называется свободной, или естественной. Если перемещение вызвано внешними силами, то перенос носит название вынужденной конвекции. Для этого случая переноса вещества зависимость между диффузионным потоком и разностью концентраций будет такова [9]

q = - в (С₁ - С₂), (2.8)

или

q = - в ДС, (2.9)

где: в -- конвективный коэффициент диффузии (или константа скорости), который выражает количество вещества, переносимое через единицу поверхности в единицу времени при разности концентраций, равной единице;

его размерность - см²/сек; ДС - разность концентраций.

При конвективной диффузии в отличие от молекулярной влияние размера молекул, вязкости растворителя и других факторов незначительно и решающим для скорости переноса вещества будут скорость и режим движения жидкости, вязкость жидкости, характер поверхности и т. п.

Для процессов, в которых перенос вещества происходит как в силу молекулярной, так и конвективной диффузии уравнения массопередачи Фика должны дополниться конвективным членом и будут таковы:

для первого закона Фика

q = - D dС/dx + V_x C, (2.10)

для второго закона

, (2.11)

где V_x - составляющая скорости конвективного переноса вещества в направлении х.

Исходя из представлений о внутренней структуре экстрагируемого материала и о распределении в нем масла, а также учитывая силы, которыми удерживается масло на поверхности частиц и в их порах (капиллярах), можно на основе суммирования соображений различных исследователей [2-4,8,9] по вопросу механизма экстракции процесс извлечения масла применительно к одной элементарной частице представить следующим образом:

а) смачивание растворителем экстрагируемой частицы и растворение масла, находящегося на поверхности частицы в свободном состоянии;

б) проникновение растворителя в толщу экстрагируемой частицы, смыкание внешних и внутренних растворов в единую систему;

в) движение масла вместе с потоком мисцеллы изнутри частицы к ее поверхности по свободным поверхностям, по капиллярам, через перепонки, создаваемые вторичными структурами, и через неразрушенные клеточные стенки масличного семени;

г) диффузия масла, вышедшего с мисцеллой на поверхность частицы, через диффузионный слой, окружающий ее;

д) конвективный перенос масла от внешней поверхности диффузионного слоя в общий поток мисцеллы, движущийся в экстракционном аппарате.

Смачивание экстрагируемых частиц растворителем и проникновение его внутрь происходит:

1) под действием капиллярных сил, развивающихся до тех пор, пока поры экстрагируемой частицы не заполнятся мисцеллой (жидкостью); капиллярные силы помогают гидрофобному растворителю проникать в частицы, если стенки пор сухи и хорошо смачиваются; если стенки частицы материала в силу высокой влажности не смачиваются, то капиллярные силы направлены в обратную сторону и мешают проникновению растворителя внутрь частицы;

2) в силу разности давлений внутри пор частиц и вне их; давление вне экстрагируемых частиц может быть как гидростатическим, так и гидродинамическим вследствие скоростного напора, создаваемого насосом;

3) под действием сил диффузии паров растворителя, диффундирующих в воздух, находящийся в порах частиц экстрагируемого материала;

4) под действием электрических сил (кинетического потенциала), возникающих при движении растворителя в порах (капиллярах) частиц;

5) вследствие адсорбции растворителя экстрагируемым материалом.

Для установления факторов, влияющих на величину движущих сил, рассмотрим законы, действующие на величины сил, ее слагающих.

Как известно, величина капиллярных сил определяется высотой подъема жидкости в капилляры и может быть вычислена по формуле:

, (2.12)

где: h - высота подъема; r - радиус капилляра; g - ускорение силы тяжести; с₁ - плотность жидкости; с₂ - плотность окружающего воздуха; И - краевой угол смачивания; у - коэффициент поверхностного натяжения.

Как следует из формулы, высота подъема (всасывания) прямо пропорциональна коэффициенту поверхностного натяжения растворителя и обратно пропорциональна его плотности и радиусу капилляра. Таким образом, капиллярные силы зависят от природы растворителя, температуры его и структуры экстрагируемого материала (лепестка, крупки). Чем пористей материал, тем больше капилляров в единице объема экстрагируемого материала.

...