Массообменные процессы. 3

Содержание

Массообменные процессы

Перегонка

Сушка пищевых продуктов

Сушильное оборудование

Сорбционные процессы

Кристаллизация и растворение в пищевой промышленности

Экстрагирование и экстракция 

Список используемой литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Массообменные процессы – такие технологические процессы, скорость протекания которых определяется скоростью переноса вещества (массы) из одной фазы в другую конвективной и молекулярной диффузией. Движущей силой массообменных процессов является разность концентраций распределяемого вещества во взаимодействующих фазах.

Массообменные процессы классифицируют по трем основным признакам: агрегатному состоянию  вещества, способу контакта фаз и  характеру их взаимодействия.

По  агрегатному состоянию вещества можно представить основные фазы: «газ – жидкость» (Г - Ж), «газ – твердое тело» (Г – Тв.т), «жидкость – жидкость» (Ж–Ж), «жидкость – твердое тело» (Ж – Тв.т) и др. В зависимости от сочетания фаз имеются способы их разделения. Так, при сочетании Г–Ж разделение возможно дистилляцией, ректификацией, абсорбцией и десорбцией, сушкой и увлажнением; Г – Тв.т – сублимационной сушкой, адсорбцией, ионным обменом, фракционной адсорбцией; Ж – Ж–жидкостной экстракцией; Ж–Тв.т – фракционной кристаллизацией, экстрагированием, адсорбцией, ионным обменом.

Перенос распределяемого вещества происходит всегда из фазы, в которой его  содержание выше равновесного, в фазу, в которой концентрация этого  вещества ниже равновесной. 
По способу контакта фаз массообменные процессы разделяют на процессы с непосредственным контактом фаз, контактом через мембраны и без видимой (четкой) границы фаз.

По  характеру взаимодействия массообменные  процессы и аппараты разделяют на периодические и непрерывные. В непрерывных процессах возможна организация прямоточного, противоточного, перекрестного и комбинированного движения компонентов.

 

 

 

 

 

 

 

 

Перегонка

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.

 

Сушка

Сушкой называется процесс  удаления влаги из веществ (обычно твердых  тел) путем ее испарения и отвода образующихся паров. Часто тепловой сушке предшествуют механические способы удаления влаги (отстаивание, фильтрование, центрифугирование и др.).

Во всех случаях при  сушке в виде пара удаляется легколетучий компонент (вода, органический растворитель и т.д.). Этот процесс применяется обычно или на конечной стадии технологического процесса с целью обеспечения высоких физико-механических характеристик получаемых продуктов, или на промежуточных стадиях, если удаление растворителя необходимо по технологическим соображениям.

По физической сущности сушка  является процессом совместного  тепломассопереноса и сводится к перераспределению и перемещению влаги под воздействием теплоты из глубины высушиваемого материала к его поверхности и последующему ее испарению. В процессе сушки влажное тело стремится к состоянию равновесия с окружающей парогазовой средой, поэтому его температура, и влагосодержание в общем случае являются функцией времени и координат.

По способу подвода  теплоты различают: 
конвективную сушку, проводимую путем непосредственного кон-такта материала и сушильного агента. Подвод теплоты осуществляется газовой фазой (воздух или смесь воздуха с продуктами сгорания топлива), которая в процессе сушки охлаждается с увеличением своего влагосодержания; 
контактную (кондуктиеную) сушку; которая реализуется путем передачи теплоты от теплоносителя к материалу через разделяющую их стенку; 
радиационную сушку - путем передачи теплоты инфракрасным излучением; 
сублимационную сушку, при которой влага удаляется из материала в замороженном состоянии (обычно в вакууме); 
диэлектрическую сушку, при которой материал высушивается в поле токов высокой частоты. 
Следует отметить, что при любом способе организации процесса материал находится в контакте с влажным газом. Поэтому целесообразно рассмотреть физические свойства влажного газа. В большинстве случаев удалению из материала подлежит вода, поэтому обычно рассматривают систему сухой воздух-пары воды.

 

Сушильное оборудование

Основные виды сушильных установок с краткими характеристиками. 
 
Барабанные сушилки. 
Чаще всего, для сушки сыпучих пищевых продуктов (сахарного песка, зерна, свекольных и картофельных отходов, используемых при производстве спирта, мезги и кукурузных ростков, используемых для производства крахмала и патоки) применяются барабанные сушилки, сушильным агентом в которых выступает дымовой газ и воздух. 
 
Туннельные сушилки. 
Среди прочих атмосферных видов сушильных установок можно выделить туннельные сушилки, в качестве сушильного агента в которых выступает топочный газ и воздух. Такой вид сушилок довольно удобен, поскольку в них продукт практически не теряет своего первоначального вида. Так, например, в пищевой промышленности такая сушильная установка применяется для высушивания овощей и фруктов, макарон и сухарей, пастилы и мармелада. Кроме того, в туннельных сушилках высушиваются керамические и деревянные изделия. 
 
Ленточные сушилки. 
Ленточные сушильные установки особенно часто используются для высушивания овощей и фруктов, хлебных изделий, крахмала, мелких макаронных изделий. Такой аппарат разделён на несколько отсеков, с различной температурой и относительной влажностью сушки в них. 
 
Шахтные сушилки. 
Сушильные аппараты шахтного типа используются для высушивания сыпучих продуктов, жома, зерна, свекловичной стружки, овощей, а также глины, угля и прочих подобных материалов. Движение высушиваемого продукта осуществляется под воздействием силы тяжести, для его замедления сушилки оснащаются деревянными полками различной конфигурации. 
 
Распылительные сушилки. 
Данный вид сушильных установок используется для высушивания жидкостей, как, например, молоко, желатин, альбумин, барды, яйца и прочее. 
 
Сушильная камера в распылительной сушильной установке представляет собой большой полый цилиндр. В верхней части сушилки распыляется подаваемый продукт, получившиеся мелкие капли опускаются вниз и сталкиваются с сушильным агентом, который подаётся в нижнюю или верхнюю часть цилиндра, в зависимости от того, в каком направлении движется высушиваемый продукт и сушильный агент (то есть прямоточное либо противоточное движение). Происходит диспергирование продукта, путём разбрызгивания с применением центробежного распыления. Кроме того, распыление может производиться пневматически с использованием сжатого газа либо через форсунки. Благодаря распылению, площадь высушиваемого продукта увеличивается во много раз, что обеспечивает максимальный контакт с сушильным агентом и ускоряет процесс сушки. Как правило, сушильный агент при распылительной сушке развивает скорость лишь 0,2-0,4 м/с, но, даже при такой скорости, он увлекает мельчайшие элементы продукта. Для этого нагретый воздух пропускается через ряд фильтров и циклонов. В зависимости от типа высушиваемого продукта, сушильные аппараты обладают разными температурными и гидродинамическими свойствами, конструкцией и комплектацией, как самой сушилки, так и дополнительного оборудования. 
 
Чаще всего, распылительные сушильные аппараты используются в тех случаях, когда: 
 
1. Сушится продукт, который не выдерживает длительного воздействия высокой температуры. Сушка осуществляется в течение нескольких секунд, так что термочувствительные продукты не успевают разрушиться в процессе сушки. 
 
2. Сушится пастообразный, липкий продукт. Распылительная сушка не допускает налипания продукта на стенки сушилки. Жидкие продукты при помощи центробежного диска превращаются в мелкие капли, которые разбрасываются по стенкам цилиндра. Постепенно, с уменьшением скорости вращения диска, частицы материала перестают налипать на стенки цилиндра, в результате того, что просто не долетают до них либо высыхают по пути. 
 
Камерные сушилки. 
Высушивание продуктов в таких сушилках осуществляется периодически при атмосферном давлении. Камерные сушилки, как правило, разделены на несколько отсеков, где высушиваемый продукт, расположенный на вагонетках либо полках, сушится в неподвижном виде. Отсеки (камеры) загружают и выгружают через имеющуюся дверь, а вагонетки двигают вручную либо с помощью лебёдок. Одним из вариантов камерных сушилок является шкафная воздушно-циркуляционная сушилка, периодически подогреваемая и оснащённая вентиляцией. 
 
Сушилка виброкипящего слоя. 
В подобных сушильных аппаратах псевдоожиженный слой образуется в результате продувания сквозь опорную решётку теплоносителя либо путём механических вибраций. Виброкипящий слой обладает однородной структурой, при этом отсутствует истирание частиц. Мелкие частицы высушиваемого продукта в виброкипящем слое движутся параллельно друг другу. Также, продольное движение вибрирующего слоя может быть обеспечено принципом полного вытеснения. В условиях крупного производства это позволяет организовать перекрёстный ток на более низкой скорости газа. Тепло при этом обеспечивается за счёт нагревателей, расположенных в виброкипящем слое.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сорбционные процессы

Сорбцией называют любой  процесс поглощения одного вещества (сорбтива) другим (сорбентом). В зависимости от механизма поглощения различают адсорбцию, абсорбцию, хемосорбцию и капиллярную конденсацию. Сорбционные процессы используют для разделения однородных и неоднородных систем с использованием явления сорбции.

Абсорбция – поглощение одного вещества другими во всем объеме сорбента. Примером абсорбции является растворение газов в жидкостях. Поглощаемое вещество в этом процессе называют абсорбатом, а поглощающее – абсорбентом.

Адсорбция – изменение концентрации вещества на границе раздела фаз. Она происходит на любых межфазовых поверхностях, и адсорбироваться могут любые вещества. Адсорбционное равновесие, т. е. равновесное распределение вещества между пограничным слоем и граничащими фазами, является динамическим и устанавливается быстро. Поглощаемое вещество в этом процессе называют адсорбатом, а поглощающее – адсорбентом.

Хемосорбция – поглощение вещества, сопровождающееся химическими реакциями.

Капиллярная конденсация  – ожидание паров в микропористых  сорбентах. Она высказывается тем, что давление паров над вогнутым мениском жидкости в смачиваемых  ею узких капиллярах меньше, чем  давление насыщенного пара над плоской  поверхностью жидкости при той же температуре. Это связано с тем, что над вогнутым мениском на каждую молекулу газа приходится относительно большая площадь поверхности  жидкости, чем над плоской поверхностью. В результате вероятность перехода молекулы газа в жидкость увеличивается и объем газа становится меньше. Вследствие этого температура конденсации газа над вогнутым мениском оказывается выше, чем в окружающей среде. Поэтому если температура в газовой среде поддерживается близкой к температуре конденсации, но несколько выше ее,  то во внесенных в нее микропористых сорбентах из лиофильного материала возможно начало конденсации газов. Такой процесс можно интерпретировать как адсорбцию газов лиофильными микропористыми сорбентами при поддержании соответствующих температурных режимов.

Любой сорбционный процесс  начинается на границе соприкасающихся  фаз, т. е. с адсорбции. Граница может  быть границей жидких, газообразных или  твердых фаз.

Десорбция – выделение сорбата из сорбента.

Сорбционным процессам свойственна  избирательность поглощения. Это  важное свойство создает значительные возможности для разделения веществ  путем подбора сорбентов. При протекании сорбционных процессов выделяется (иногда поглощается)  теплота, а в замкнутых системах изменяется давление. В связи с этим процессы сорбции, как правило, ускоряются  с понижением температуры и повышением давления.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Кристаллизация  и растворение в пищевой промышленности

Кристаллизация – процесс разделения однородных жидких растворов на твердую и жидкую фазы: растворенное вещество и растворитель. При этом может быть выделение твердого растворенного вещества из его раствора (кристаллизация из раствора) или процесс выделения твердой фазы при затвердевании веществ, находящихся в расплавленном состоянии (кристаллизация из расплава).

Процесс кристаллизации широко применяют при получении сахарозы, глюкозы, поваренной соли, лимонной и молочной кислот, глютамата натрия и др.

Кристаллизация  из растворов основана на ограниченной растворимости твердых веществ. Раствор, содержащий максимальное количество растворенного вещества в данном количестве растворителя при определенной температуре, называется насыщенным. Если раствор содержит большее количество растворенного вещества, чем его растворимость, то он является пересыщенным. Если же раствор содержит меньшее количество растворенного вещества, то называется ненасыщенным.

Растворение - процесс, образования однородного раствора из твердой и жидкой фаз, процесс обратный кристаллизации. Растворение происходит при концентрации растворяемого продукта, меньшей концентрации насыщения.

Этот процесс включает следующие стадии: перенос растворителя к поверхности кристалла; химическая межфазная реакция на поверхности кристаллов; отвод продукта растворения от поверхности реакции.

Ненасыщенные  растворы сами по себе устойчивы, но если к ним добавить растворимое твердое вещество, то оно будет растворяться до тех пор, пока раствор не станет насыщенным. 
Если растворы перенасыщены, то они неустойчивы и из них выделяется избыточное количество растворенного вещества, т.е. происходит процесс кристаллизации.

После выделения кристаллов раствор становится насыщенным. Этот насыщенный раствор, полученный в результате выделения кристаллов, называется маточным раствором или маточником. Отделение  маточного раствора от кристаллов производится центрифугированием и другими методами.

 

 

Для создания перенасыщенных растворов, т.е. проведения процесса кристаллизации, используют следующие ее способы:  
1. изменение температуры раствора;  
2. удаление части растворителя;  
3. комбинирование;  
4. кристаллизация из расплавов.

При положительной растворимости (с повышением температуры растворимость  растет) для выделения кристаллов раствор необходимо охладить. Охлаждение проводят путем отбора тепла водой  через стенку, охлаждающими рассолами  либо обдувом воздухом. При обдуве воздухом процесс кристаллизации протекает  медленнее, но образуются однородные и  более крупные кристаллы.

При отрицательной растворимости (при повышении температуры растворимость  падает) кристаллизацию осуществляют путем нагрева теплой водой или  водяным паром.

Кристаллизацию с удалением части растворителя проводят при его частичном испарении или вымораживании.

При комбинированном способе  кристаллизации ее проводят с испарением части растворителя и одновременным  охлаждением раствора. В некоторых  случаях проводят кристаллизацию под  вакуумом и дробную кристаллизацию. При дробной кристаллизации содержащиеся в растворе вещества извлекают из него последовательно.

Кристаллизации из расплавов подвергают такие вещества, как нафталин, сера, паранитроанилин и подобные, когда в процессе участвует вся масса расплавленного вещества.

Одним из способов кристаллизации также является добавление в раствор водоотнимающих веществ, или высаливание, т.е. добавление в раствор веществ, понижающих растворимость выделяемой соли. При высаливании используют вещества, связывающие воду (например, кристаллизация сульфата натрия при добавлении спирта или аммиака), или соединения, содержащие одинаковый ион с данной солью (например, кристаллизация хлористого натрия при добавлении хлористого магния, кристаллизация медного купороса при добавлении концентрированной серной кислоты).

Кристаллизация начинается с возникновения зародышей, или центров кристаллизации, вокруг которых происходит рост кристаллов. Облегчают образование зародышей чужеродные поверхности (стенки аппарата, труб, взвешенные пылинки, включение газа и др.). Более крупные зародыши дают начало кристаллам. Образование зародышей может происходить самопроизвольной кристаллизацией.

Оба процесса (образование  зародышей и рост кристаллов) протекают  одновременно. Если скорость образования  зародышей больше скорости их роста, то получается большое количество мелких кристаллов. Если же скорость роста  больше скорости образования зародышей, то получается меньшее количество крупных  кристаллов.

Можно изменять факторы и  регулировать размеры кристаллов. Так, быстрое охлаждение, перемешивание раствора, высокая температура, низкая молекулярная масса кристаллов – факторы, способствующие образованию зародышей и получению мелких кристаллов. Получению крупных кристаллов способствуют медленное охлаждение, неподвижность раствора, низкая температура, высокая молекулярная масса.

Для облегчения образования центров кристаллизации в аппарат вводят «затравку» – мелко измельченный порошок кристаллического вещества, являющийся зародышами кристаллов. Кристаллизация при этом происходит в основном за счет роста внесенных в раствор затравочных кристаллов. Для получения крупных кристаллов число затравочных кристаллов должно быть невелико.

Центры кристаллизации могут быть образованы при воздействии на пересыщенные растворы ультразвука. Количество зародышей будет зависеть от частоты, мощности и времени обработки. Особенно благоприятны волны низкой частоты.

Размеры кристаллов имеют значение для последующей их обработки. Крупные кристаллы легче высушиваются, отстаиваются, отфильтровываются, промываются и удерживают меньше влаги при промывке и фильтровании. Мелкие и крупные кристаллы часто содержат маточник вместе с находящимися в нем примесями. Для получения особо чистых веществ их подвергают перекристаллизации с удалением маточного раствора, промывкой и сушкой полученного продукта.

Во избежание слеживания следует получать более крупные  кристаллы либо мелкие кристаллы  одинакового размера. Мелкие кристаллы  разной величины, особенно кристаллическая  пыль, способствуют слеживанию продукта.

 

Движущей силой кристаллизации является разность концентраций веществ. В пищевых производствах преобладают периодические методы кристаллизации.

Процесс кристаллизации можно  представить как два последовательно  протекающих процесса: диффузия молекул  к кристаллу и их осаждение  на поверхности.

В пищевой промышленности используют следующие методы кристаллизации: с частичной отгонкой воды, с охлаждением  или нагреванием исходного раствора, комбинированные.

Простейшими аппаратами для кристаллизации являются ящичные кристаллизаторы. Они представляют собой открытые прямоугольные ящики, в которых подвешиваются ленты или нити. Кристаллизация происходит путем естественного охлаждения раствора и испарения частиц растворителя в воздухе. Основная масса чистых кристаллов осаждается на поверхности лент или нитей и удаляется вручную. Примеси осаждаются на дне ящиков и удаляются вместе с маточником.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Экстрагирование и 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.

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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список используемой литературы

1. Плаксин Ю. М., Малахов Н.Н., Ларин В. А. Процессы и аппараты пищевых производств. 2-е изд. М.: КолосС, 2007. 760с.
2. Кафаров В. В. Основы массопередачи. 3-е изд. М.: Высшая школа, 1У79. 439 с.
3. Лыков М.В. Сушка в химической промышленности. М.: Химия, 1976. 432 с.
4. Основы жидкостной зкстракции/Под ред. Г. А. Ягодина. М.: Химия, 1981- 400 с.