Лекция 5

 

 

ЛЕКЦИЯ 5

МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ

Цель: сформировать представление о массообменных процессах

План

1 Основы массопередачи

2 Абсорбция

3 Адсорбция

4 Перегонка и ректификация

5 Экстракция и экстрагирование

6 Сушка

 

1 Основы массопередачи

Массопередача — процесс перехода вещества из одной фазы в другую.

Югассификация процессов массопередачи представлена далее.

Абсорбция селективное поглощение газов или паров жидки­ми поглотителями — абсорбентами. Значение диффузионного пе­рехода заключается в переходе вещества из газовой или паровой фазы в жидкую.

Адсорбция — селективное поглощение газов, паров или раство­ренных в жидкости веществ поверхностью пористого твердого поглотителя. Значение диффузионного перехода заключается в переходе вещества из газовой, паровой или жидкой фаз в пори­стый твердый материал.

Перегонка и ректификация — частичное или полное разделение гомогенных жидких смесей на компоненты в результате различия их летучести и противоточного взаимодействия жидкости и пара. Значение диффузионного перехода заключается в переходе веще­ства из жидкой фазы в паровую и из паровой в жидкую.

Экстракция (в системе жидкость — жидкость) — извлечение вещества, растворенного в жидкости, другой жидкостью, прак­тически не смешивающейся с первой. Значение диффузионного перехода заключается в переходе вещества из одной жидкой фазы в другую.

Экстрагирование (в системе твердое тело — жидкость) — из­влечение вещества из твердого пористого материала с помощью растворителя. Значение диффузионного перехода заключается в переходе вещества из жидкой или газообразной фазы в твердую.

Сушка — удаление влаги из твердых влажных материалов путем ее испарения и отвода образующихся паров. Значение диффузи­онного перехода заключается в переходе влаги из твердого влаж­ного материала в паровую или газовую фазу.

Кристаллизация — выделение твердого растворенного вещества из его раствора или расплава. Значение диффузионного перехода заключается в переходе жидкой фазы в твердую.

Кинетика массопередачи. При массопередаче происходит пе­ренос вещества из одной фазы в другую в направлении равнове­сия.

 

                                              2 Абсорбция

Процесс поглощения газа или пара жидким поглотителем (аб­сорбентом) всем объемом называется абсорбцией.

Обратный процесс абсорбации — выделение из раствора по­глощенного им газа — называют десорбцией.

Различают физическую абсорбцию и хемосорбцию.

При физической абсорбции при растворении газа не происходит химической реакции.

При хемосорбции абсорбируемый газ вступает в химическую реакцию в жидкой фазе.

Абсорбцию широко используют в пищевой промышленности.

В спиртовом производстве и в виноделии абсорбция имеет ме­сто при промывке газов, выделяемых при брожении, водой для улавливания содержащихся в них паров этилового спирта.

В производстве безалкогольных напитков пива и некоторых сор­тов вин применяется насыщение их углекислым газом.

В свеклосахарном производстве сахарный раствор обрабатывают углекислым газом, а затем полученный сироп — сернистым газом.

Аппараты, применяемые при абсорбции, называются абсорбе­рами.

 

3 Адсорбция

Процесс поглощения газов, паров и жидкостей поверхностью пористых твердых тел-адсорбентов называется адсорбцией.

Адсорбция применяется во многих отраслях пищевой промыш­ленности.

В спиртовом производстве — для очистки водно-спиртовых смесей, для улавливания спирта из газов.

В сахарном производстве — для обесцвечивания соков и спиртов.

В пивоваренном производстве — для осветления пива.

Особенно велика роль адсорбции при решении задач эколо­гии, очистке сточных вод и других отходов производства.

Процессы адсорбции тесно связаны с обратным процессом — десорбцией.

В зависимости от природы сил, действующих на поверхности твердого тела, различают:

      физическую адсорбцию (вызываемую силами молекулярного взаимодействия);

      хемосорбцию (обусловливаемую силами химического взаи­модействия).

Адсорбенты

Способностью адсорбции может обладать любое твердое тело с сильно развитой внутренней пористой поверхностью различных размеров.

В зависимости от размеров различают три типа пор: микропо- ры; переходные поры; макропоры.

Микропоры имеют малые размеры, соизмеримые только с раз­мерами молекул поглощаемого компонента. Радиусы микропор (можно определить только рентгеновским методом) находятся в интервале от 5 • 10 10 до 1 ■ 10~9 м.

Переходные поры имеют радиусы, намного превышающие раз­меры адсорбируемых молекул, и лежат приблизительно в преде­лах от 1,0 10“9 до (1 ...2) • 10 7 м.

Макропоры — самые крупные поры адсорбентов, радиусы их больше 2 ■ 10 7 м. Они представляют целые каналы в зернах адсор­бентов.

В зависимости от размера пор все адсорбенты подразделяются на три структурных вида: микропористые; переходно-пористые; макропористые.

К числу микропористых адсорбентов относят активированные угли и так называемые «молекулярные сита» — цеолиты.

К переходно-пористым адсорбентам относят силикагели, алю­могели, природные глины: бентониты, диатомиты, каолины.

Характеристики некоторых наиболее широко распространенных адсорбентов. Активированный уголь — продукт сухой перегонки уг­лесодержащих веществ (кости, древесина) с последующим про­каливанием при температурах, превышающих 900 °С.

Он применяется:

для очистки промышленных газов и воздуха, спирта-ректифи­ката от уксусно-эфирных альдегидов, высокомолекулярных кис­лот (сивушных масел), водки от глюкозы и фруктозы;

осветления пива, фруктовых соков;

обесцвечивания сахарных сиропов, вин, коньяков, эфирных масел (для парфюмерного производства);

удаления запаха, привкуса различных примесей.

Размер кусков активированного угля составляет 1...5 мм. Ос­новной его недостаток — горючесть и низкая механическая проч­ность.

Силикагели — продукты обезвоживания геля кремниевой кис­лоты при обработке силиката натрия (жидкого стекла) минераль­ными кислотами или растворами их солей.

Силикагели применяют для осветления воды, пива, фрукто­вых соков и удаления влаги из воздуха. Диаметр гранул силикаге­ля приближенно равен 7 мм. Силикагель негорюч и обладает до­статочной механической прочностью.

Цеолиты представляют алюмосиликаты, содержащие в своем составе окиси щелочных и щелочноземельных металлов. Принцип разделяющей способности цеолитов несколько другой, чем у всех адсорбентов: молекулы поглощаемого компонента как бы «просе­иваются» сквозь ажурную структуру цеолита, поэтому данный адсорбент называют молекулярным ситом.

Цеолиты широко применяются в мембранной технологии и благодаря своей поглотительной способности используются для глубокой осушки газов и воздуха; добывают карьерным способом. Последнее время природные цеолиты заменяют на синтетические, гранулы которых достигают 2... 5 мм.

Алюмогели — продукты термической обработки гидроокиси алю­миния. По свойствам и применению алюмогель близок к силика­гелю, хотя имеет меньшую удельную поверхность.

Глины и глинистые материалы — бентониты, диатомиты, као­лины играют значительную роль при выборе адсорбента. При об­работке минеральными кислотами из них удаляются оксиды ка­лия, магния, железа, алюминия и образуются дополнительные поры (средний радиус пор составляет 3... 10 мкм). Глины и глини­стые материалы применяют для удаления краски из веществ, обес­цвечивания, осветления вин, фруктовых соков, рафинирования растительных масел. Некоторые глины выполняют несколько функ­ций. Так, бентонит натриевый не только осветляет вина, но и стабилизирует, ускоряет сроки созревания и выдержки.

Свойства адсорбентов. Все адсорбенты, используемые в пище­вой промышленности, должны обладать определенными свойства­ми: избирательностью (селективностью); максимальной адсорб­ционной емкостью (активностью); способностью к десорбции; механической прочностью; химической инертностью; экологиче­ской безопасностью; низкой стоимостью.

Одним из основных свойств адсорбентов является максималь­ная адсорбционная емкость (активность), которая определяет ко­личество поглощаемого компонента единицей массы или объема адсорбента.

Активность адсорбента. Адсорбенты характеризуются статичес­кой и динамической активностью. После некоторого периода ра­боты адсорбент перестанет полностью поглощать извлекаемый ком­понент и наступает так называемый проскок компонента через слой адсорбента. С этого момента концентрация компонента в отходящей парогазовой смеси возрастает вплоть до наступления рав­новесия.

Количество вещества, поглощаемого единицей веса (или объе­ма) адсорбента за период от начала адсорбции до начала проско­ка, определяет динамическую активность адсорбента. Количество вещества, поглощенное тем же количеством адсорбента за период от начала адсорбции до установления равновесия, характеризует статическую активность.

Активность адсорбента зависит от температуры газа и концент­рации в нем поглощаемого компонента. Динамическая активность всегда меньше статической, поэтому расход адсорбента опреде­ляется по его динамической активности.

Десорбция. Адсорбенты, обладающие большой активностью, в основном дорогостоящие материалы, поэтому целесообразно их использовать многократно. Для этого необходимо после проведе­ния процесса адсорбции регенерировать адсорбент, т.е. отделять из него ранее поглощенное вещество, осуществлять десорбцию.

Способы регенерации адсорбента следующие:

  повышение температуры адсорбента или понижение давле­ния над ним (для удаления легколетучих компонентов);

продувка нагретым газом или перегретым паром;

вытеснение поглощенных компонентов другим веществом, обладающим более высокой степенью адсорбируемости, и затем легко удаляемым одним из простых способов десорбции.

Возможны комбинированные способы регенерации.

Десорбция протекает ускоренно при повышении температуры процесса. Для этого необходимо выбирать такую температуру ад­сорбции, чтобы при максимальном удалении поглощенных ком­понентов не происходило бы разрушение адсорбента при перегреве.

Для достижения полной регенерации адсорбента после десорб­ции предусматривают процесс сушки и последующее охлаждение адсорбента. Следует отметить, что при десорбции не всегда удает­ся полностью восстановить первоначальную активность адсорбента. В первый цикл регенерации она снижается больше; после каждо­го последующего цикла гораздо в меньшей степени.

 

 

4 Перегонка и ректификация

Процесс разделения жидкой смеси на составляющие ее ком­ поненты в результате различия их летучести и противоточного взаимодействия жидкого и парового потоков называется перегон­ кой.

Исходная смесь при подводе к ней теплоты разделяется на лег­ колетучий компонент (ЛЛК) (нижекипящий - НК) и тяжелоле­ тучий  (ТЛК)  (вышекипящий  -   ВК).

В практике различают простую  перегонку и  сложную перегонку.

Простая перегонка - грубое однократноеразделение сложных смесей.

Сложная перегонка (ректификация) -  многократное разделе­ ние сложных смес ей.

Перегонка и ректификация применяются в спир товом и лике­ роводочном про изводствах, а также в виноделии: в спиртовом производстве из браги первоначально получают водно-спиртовую смесь, содержащую примеси  (альдегиды.  , сивушные масла и др.),затем ректификацией из этой жидкости получают почти чистые компоненты; в конечном производстве из вина образуется конь­ ячный спирт. Кроме этого, данные процессы используют в производстве душистых эфирных масел.

 

5 Экстракция

Процесс разделения жидких смесей и извлечение компонен­ тов из твердых веществ с помощью жидкого растворителя (экстр­ агента), избирательно растворяющего только извлекаемые ком­ поненты, называется экстрагированием (или экстракц ией).

Экстрагирование подразделяют  на собственно  экстрагирование в системе <<твердое    тело -   жидкость>>  и экстракцию в системе -  жидкость-жидкость».

Эти процессы используют в пищевой промышленности для из­ влечения сахара из свекловичной стружки, растительного масла из масличных семян, получения пищевого красителя из овощей, выделения молочной кислоты и др.

Экстракция в системе <<жидкость-жидкость». Из носителя (жИд­ кость А+ В) извлекается растворенный компонент  (А)  экстра­ гентом (жидкость  С)  и  в остатке  (рафинат  В)  получают  экстракт ( С+ А  экстрагент  и  растворенный компонент).

К свойствам экстрагентов предъявляются следующие требования: избирательность целевого компонента; высокая экстракционная емкость по целевому компоненту (извлечение целевого компо­ нента лучше, чем исходного растворителя); хорошая реэкстрак­ ция (извлечение поглощенного компонента); хорошее расслаива­ ние фаз; безопасность (экстрагент не должен быть токсичным, взрывоопасным, летучим); стойкость при хранении; низкая сто­ имость и доступность.

 

 

6 Перегонка и ректификация

Процесс однократного разделения смеси на компоненты при кипении называется простой перегонкой. При простой перегонке (рис. 5.24) смесь загружается в пере­ гонный куб 1, обогреваемый паром через змеевик или рубашку либо топочными газами. После подогрева смеси до температуры

Сложная перегонка (ректификация). Процесс многократного разделения смеси на компоненты при кипении называется рек­тификацией.

 

 

 

 

 

7 Сушка

Сушка - это процесс удаления влаги из материала путем ее испарения и отвода образующихся паров. Так как при проведении процесса к высушиваемому материалунеобходимо подводить теп­ лоту, вследствие чего происходит внутридиффузионный перенос влаги в твердом теле, следовательно,сушка - сложный тепло­ массообменный  процесс.

Во  всех производствахпищевой отрасли используется сушка,

которая является если не обязательной, то вспомогательной опе­ рацией, и представляетсобой достаточносложную технологичес­ кую стадию процесса.

Сушка применяется в свеклосахарном производстве - получают сахар-песок ; в спиртовом - отходы производства (барду, пище­  вые дрожжи, комбикорма для животных);  в пивоваренном  -  солод и отход производства: дробину; в консервном - сухофрукты; в хле­ бопекарном -   сухари и др.

Все влажные материалы можно подразделить на три вида: твердые  (штучные,  кусковые,  зернистые); пастообразные;

жидкие (суспензии, растворы).

При подробном комплексном анализе сиойств влажных мате­ риалов осуществляют выбор метода сушки и типа сушилки.

Наиболее важными отличительными свойствами пищевых ма­ териалов, которые следует учитывать при выборе метода сушки , являются низкая термостойкость, склонность к окислению и дест­ рукции; склонность к короблению и потере товарного вида; неод­ нородность материала по начальному содержанию воды; наличие

активных биохимических и химически активных веществ и ряд других особенностей.

Существуют  разные  виды сушки:

контактная сушка - передача теплоты от теплоносителя (на­ пример, насыщенного водяного пара) к материалу через разделя­ ющую  их стенку;

конвективная, или воздушная, сушка - подвод теплоты при непосредственном контакте сушильного агента с высушиваемым материалом;

радиационная сушка - передача теплоты инфракрасными из­ лучателями;

диэлектрическая сушка (СВЧ-сушка) - нагревание материала в поле токов высокой частоты;

сублимационная сушка - сушка в глубоком вакууме в заморо­ женном  состоянии.

Статика сушки. В природе влажный твердый материал способен поглощать магу из окружающей среды или отдавать ее окружающей среде. В свою очередь, окружающая среда может содержать либо только водяной пар, либо смесь водяного пара с газами.

Контрольные вопросы

1 Что относят к массообменным процессам?

2 Чем адсорбция отличается от абсорбции?

3 Что называют экстрагированием?

4 Какие существуют виды сушки?

 

Пилипенко, "Процессы и аппараты" стр. 105-121