Антипов С.Т. и др. Машины и аппараты пищевых производств. Книга 2. Том 2

Подождите немного. Документ загружается.

Всякая плодотворная гипотеза кладет начало

удивительному извержению потока

непредвиденных открытий.

БРИЛЛЮЭН ЛЕОН (1889-1969),

французский физик

Глава 20

АППАРАТЫ ДЛЯ ВЕДЕНИЯ ПРОЦЕССОВ

ДИФФУЗИИ И ЭКСТРАКЦИИ ПИЩЕВЫХ СРЕД

Диффузия - процесс массопередачи, связанный с переносом вещества из облас-

ти с большей концентрацией в область с меньшей. Процесс извлечения растворимых

веществ из клеток пищевого сырья обусловлен двумя стадиями: диффузией вещест-

ва в ткани данного сырья и массоотдачей с поверхности частиц к экстрагенту.

Для диффузии сахара из стружки в диффузионном аппарате должна поддержи-

ваться разница между концентрациями сахара в стружке и диффузионном соке, что

достигается при их встречном движении.

Экстракция - процесс извлечения одного или нескольких компонентов из

сложного по составу сырья с помощью жидкого растворителя, обладающего избира-

тельной способностью. Процесс экстракции с применением растворителя обеспечи-

вает практически полное извлечение продукта из соответствующего сырья. При

этом извлекаемый компонент диффундирует изнутри частицы материала к ее по-

верхности (молекулярная диффузия), а затем от поверхности частицы через погра-

ничный слой - в экстрагент (конвективная диффузия).

О, молодость! Молодость! Может быть, вся тайна

твоей прелести не в возможности все сделать,

а в возможности думать, что ты все сделаешь.

ТУРГЕНЕВ ИВАН СЕРГЕЕВИЧ (1818-1883),

русский писатель

20.1 НАУЧНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОЦЕССОВ ДИФФУЗИИ

И ЭКСТРАКЦИИ ПИЩЕВЫХ СРЕД

Основной закон молекулярной диффузии (закон Фика) устанавливает связь между

количеством экстрагируемого вещества dG (кг) и основными параметрами процесса

-DdFdx(dC /dx),

где D - коэффициент молекулярной диффузии, м

/с; - элементарная поверхность,

нормальная к направлению диффузии, м

; dr - промежуток времени, с; dC - раз-

ность концентраций, кг/м

; dx

—

путь диффундирования, м.

Коэффициент молекулярной диффузии является физическим параметром про-

дукта, характеризующим проводимость вещества в нем и численно равен массе ве-

щества, диффундирующего через единицу площади за единицу времени при гради-

енте концентраций, равном единице.

Уравнение конвективной диффузии представляет зависимость экстрагируемого

вещества dS (кг) в виде отдельных объемов его раствора

dS =

—QFdCdx,

где Р - коэффициент конвективной диффузии, м/с.

282

ЧАСТЬ

МАШИНЫ И АППАРАТЫ-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

пищевых сред

Коэффициент молекулярной диффузии D отражает только интенсивность теп-

лового движения молекул, а коэффициент конвективной диффузии р - интенсив-

ность действия гидродинамических факторов, определяющих интенсивность пере-

носа отдельных объемов вещества. При молекулярной диффузии перенос вещества

происходит за счет кинетической энергии теплового движения молекул, а при кон-

вективной диффузии - за счет энергии, вносимой извне.

В общем случае процесс экстракции основывается на изменении потока массы

извлекаемого вещества в экстрагенте и характеризуется векторным полем

dj^C-D,gradC%dx,

где & - поле скоростей; С - скалярное поле концентраций; D/ - коэффициент про-

дольной диффузии; S/ - площадь нормального сечения в направлении потока.

На основании определения концентрации извлекаемых компонентов dC(z, г, t) =

=dj(z, г, t) / (2pr drdz) проекции на оси z и г можно представить в виде систем диф-

ференциальных уравнений в частных производных

SC,

(z,

г,

х)/дх

-Э. (г)дС

(z,

г,

x)/8z

d[D

(z)dC

(z,

x)/dz]/8z

+ r~

[rD

(r)dC

{z,r,x)/dr^ir

{

(l)dl;

/„,

{z,r,x)/dx = -k

-C

{z,r,x%

(l)dl,

где k\, k

- коэффициенты массоотдачи; C

- предельная растворимость композици-

онного вещества в растворе; /, 1

- текущий и максимальный размеры частиц непод-

вижного слоя; k

- коэффициент формы частиц; foil) - счетная функция распределе-

ния частиц в слое.

Граничные условия представленных зависимостей:

начальные условия

C,(z,r,0)=C

(z,r); и C

(z,r,o)=C

;

отсутствие потока вещества через стенку экстрактора

dC,(z,r

,T)/Sr

= 0;

условие осесимметричности задачи

ас,(г,0,т)/дг

условие на входе в рабочую зону экстрактора

{0,г,х)

{г,х);

(h,r,x)/dz

где

- высота рабочего участка аппарата.

Масса экстрагируемого вещества G рассчитывается в виде зависимости

2n))r[§

(r)c{h,r,x)-D

{h)dC{h,r,x)/dz\drdx,

О О

Глава 20 Аппараты для ведения процессов диффузии и экстракции 283

пищевых сред

где

- время «отработки» экстрагируемого слоя.

Частный случай процессов диффузии и экстракции - выщелачивание, с помо-

щью которого обрабатывают капиллярно-пористые тела растительного или живот-

ного происхождения. В качестве растворителей применяют воду для диффузии са-

хара из свеклы; спирт и водно-спиртовую смесь - для получения настоек и морсов в

ликероводочном производстве; бензин, трихлорэтилен, дихлорэтан - в масложиро-

экстракционном и эфиромасличном производствах; воду и пар - для экстракции

бульонов и желатина.

Движущей силой процесса выщелачивания является разность между концен-

трацией экстрагируемого вещества у поверхности твердого тела С„ (кг/м

) и его

средней концентрацией в массе экстрагента С

СР

(кг/м

). Скорость процесса в этом

случае оценивается зависимостью

dGl{Fdx)^

{C„-C

где р

- коэффициент массоотдачи в жидкой фазе, м/с.

Скорость молекулярной диффузии в пограничном слое толщиной 5 (м) опреде-

ляется уравнением

dG/{Fdx) =

D[(c

-C

)/d]

где D - коэффициент молекулярной диффузии, м /с.

Для установившегося процесса массоотдачи закон Щукарева при растворении

твердых тел имеет вид

G/t

= (D/ 8)F(C„ - С

СР

)=^F(C„-

где р

= D/S.

Уравнение для расчета коэффициента массоотдачи В

при выщелачивании

можно представить в критериальном виде

Nu„

0,SRe

РЛ

ЪЪ

где Nu

= В

(d/D) - число Нуссельта (здесь d - диаметр твердой частицы, м); Re =

=(vdp)/\x - число Рейнольдса (v - скорость движения экстрагента, .м/с; ц -

динамическая вязкость экстрагента, Пас); Pr = r\/D - число Прандтля (г) -

кинематическая вязкость, кг/с).

Каждый

раз, начиная сложную работу, никогда

не

спеши, дай время, смотря по работе, чтобы

войти

в эту сложную работу, мобилизоваться

порядке, а не бессмысленно, суетливо.

ПАВЛОВ

ИВАН ПЕТРОВИЧ (1849-1936),

русский

физиолог, академик АН

СССР

20.2 КЛАССИФИКАЦИЯ ОБОРУДОВАНИЯ

Аппараты, в которых осуществляется диффузия сахара из свекловичной стружки при

помощи экстрагирующей жидкости, называют диффузионными. Процесс извлечения са-

хара из свекловичной стружки осуществляют в колонных вертикальных аппаратах типа

КДА с выносным ошпаривателем, в наклонных двухшнековых типа ДДС и ПДС.

284

Часть II Машины и аппараты-преобразователи

пищевых сред

Процесс экстракции растительных масел ведут либо способом погружения экс-

трагируемого материала в противоточно движущийся растворитель (вертикальные

шнековые экстракторы типа НД-1250), либо способом ступенчатого орошения

растворителем противоточно перемещающегося обрабатываемого материала (лен-

точные экстракторы типа МЭЗ и роторные карусельные экстракторы).

Классификация диффузионных и экстракционных аппаратов представлена на

рис.

20.1.

Диффузионные и экстракционные аппараты, применяемые в свеклосахарном и

маслоэкстракционном производствах, могут быть периодическими и непрерывно-

действующими. Диффузионные и экстракционные аппараты непрерывного действия

подразделяются: на вертикальные одноколонные или двухколонные без транспор-

тирующего органа; со шнековым, цепным или лопастным транспортирующим орга-

ном; надтаклонные одно- и двухшнековые с ленточным и лопастным перфорирован-

ным шнеком; на горизонтальные со скребково-цепным, ленточным или шнековым

транспортирующим органом, а также на ротационные одно- и двухзаходные.

Установки для экстракции настоек и морсов бывают с интенсивным движением

водно-спиртового раствора через слой сырья, а также с испарением под вакуумом

высококонцентрированного слоя жидкой фазы в пограничном слое сырья.

Аппараты для экстракции бульонов и желатина могут быть периодического и

непрерывного действия. К ним относятся экстракторы для желатина, аппараты для

обезжиривания костей и диффузоры для обесклеивания костного шрота.

Спорьте, заблуждайтесь, ошибайтесь, но, ради

бога, размышляйте, и хотя криво, да сами.

ЛЕССИНГ ГОТХОЛЬД ЭФРАИМ (1729-1781),

немецкий писатель и критик

20.3 АППАРАТЫ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ДИФФУЗИОННОГО СОКА

Диффузионные аппараты, в которых осуществляется экстракция сахара из свек-

ловичной стружки, должны обеспечивать в производственных условиях: обессаха-

ривание наиболее тонкой свекловичной стружки при равномерном омывании ее

диффузионным соком; противоточное перемещение свекловичной стружки и диф-

фузионного сока; минимальные потери сахара в отходах (жоме) при максимальной

концентрации диффузионного сока; высокое качество диффузионного сока при ми-

нимальном содержании в нем мезги.

Одноколонный диффузионный аппарат КДА-30 (рис. 20.2) состоит из кор-

пуса 6, в нижней части которого находится труба для подвода сокостружечной сме-

си

и патрубок 2 для отвода сока, а сбоку размещены установка 75 для подачи фор-

малина и люки 16. Нижние контрлопасти 4, выполняющие одновременно и роль

фильтрующей поверхности, упрочнены, и фильтрующая поверхность их представ-

ляет собой латунный лист толщиной 3 мм с коническими отверстиями диаметром

3 мм. Фильтрующая поверхность регенерируется обратным током сока при помощи

коммуникации 3. Контрлопасти, установленные на внутренней поверхности колон-

ны,

могут изменять угол наклона к горизонтальной плоскости при помощи уст-

ройств 5. Усовершенствован подвод аммиачной и жомопрессовой воды в аппарат.

Аммиачная вода поступает через внутреннюю часть вала в лопасти 9, а жомо-

прессовая - в лопасти 7. Это позволяет равномерно распределять аммиачную и жо -

Диффузионные и экстракционные аппараты

Аппараты для получения

диффузионного сока

Установки для экстракции

настоек и морсов

Аппараты для экстракции

растительного масла

Аппараты для экстракции

бульонов и желатина

-с

се

Он

св

ые

о X

ч X

о о

со

•в"

•в-

в к

со

тан

йст

нь

ь.

о о

тра

рио

Экс

пе

СИ)

<и о.

я о

Э U

2 ОН

о п

Он

се

^ се

си

*Э"

3 <->

я «

Рн

се

Он

св

ИТ

се

ч ч

ть

ев

Он

се

СО

се

о н

для

шро

иО

Он

со

•&

Рис.

20.1 Классификация диффузионных и экстракционных аппаратов

286

Часть II Машины и аппараты-преобразователи

пищевых сред

мопресссовую воду по всему сечению аппарата, а также равномерно распределить

стружку с помощью распределителя 10 и ситчатых лопастей 11 (рис. 20.3).

Для ошпаривания стружки, поступающей в аппарат, установлены предошпари-

ватель и ошпариватель. Жом из аппарата удаляют при помощи двух параллельно

расположенных шнеков, имеющих индивидуальные приводы. Лопастный вал, со-

стоящий из трубовала 8 с лопастями 7 и 9, имеет опору в нижней части, а сверху

установлен в направляющем подшипнике. Отбор сока из аппарата осуществляется

через горизонтальные сита 12 и боковые, установленные в нижней царге. Привод

Рис.

20.2 Одноколонный диффузионный аппарат КДА-30

Глава 20 Аппараты для ведения процессов диффузии и экстракции 287

пищевых сред

аппарата состоит из электродвигателя 14 и редуктора 13.

Суточная производительность аппаратов составляет от

1 ООО

до 4000 т свеклы в

сутки при диаметре колонн от 3300 до 6300 мм.

Техническая характеристика одноколонного

диффузионного аппарата КДА-30

Производительность по свекле, т/сут 3000

Удельная нагрузка свекловичной стружкой, кг/м

65...

Полезная вместимость аппарата, м

208

Высота активной зоны аппарата, мм 13 320

Внутренний диаметр, мм 5 000

Общая площадь поверхности фильтрующих сит, м

.... 24,2

Наружный диаметр лопастного вала, мм 2000

Электродвигатель привода лопастного вала:

тип ПН-100

мощность, кВт 70

Частота вращения лопастного вала, мин

-1

0,2...0,6

Габаритные размеры, мм 20 000x8600x5500

Масса аппарата, кг 202 000

Рис.

20.3 Сечения одноколонного диффузионного аппарата КДА-30 .

Наклонный двухшнековый аппарат А1-ПДС-60 представлен на рис. 20.4.

Корпус аппарата с ребрами 10 на опорах 16 установлен под углом 8... 11° к горизон-

ту. В верхней части аппарата установлены приемный бункер 2 для загрузки свекло-

вичной стружки и шнеки 8 для удаления жома из аппарата. Лучшему удалению жо-

ма способствуют также лопасти 14. Внутри аппарата стружка перемещается двумя

лопастными валами 5, приводимыми во вращение от электродвигателей 1 и 9. Вит-

ки валов с опорами 7 состоят из отдельных лопастей, расположенных по винтовой

линии. Валы параллельны друг другу, и лопасти одного вала заходят в межлопаст-

ное пространство другого. Это предотвращает возможность вращения свекловичной

стружки по длине аппарата. Для этой же цели установлены контрлопасти 15, уплот-

нение 13 и перегородки 4 на нижней части крышек 3.

288

Часть II Машины и аппараты-преобразователи

пищевых сред

34500

Рис.

20.4 Наклонный двухшнековый аппарат А1-ПДС-60

Удаляют жом из аппарата в верхней его части шнеками 8 в лоток 18. Они смон-

тированы под прямым углом к транспортирующим шнекам и вращаются в противо-

положных направлениях по отношению друг к другу. Масса сокостружечной смеси

в аппарате подогревается при помощи камер 17 с изоляцией И и 12, установленных

по всей длине в нижней части корпуса аппарата.

Техническая характеристика аппарата АЫ1ДС-60

Производительность по свекле, т/сут 6000

Наружный диаметр шнеков, мм 4000

Расстояние между осями валов, мм 2820

Диаметр вала шнеков, мм 1000

Шаг шнеков, мм 720

Частота вращения шнеков, мин

до 1,1

Продолжительность диффундирования, с 3600.. .4000

Электродвигатели шнеков:

число электродвигателей постоянного тока„ 8

мощность каждого электродвигателя, кВт 42

частота вращения, мин"' 1500

Мощность электродвигателя разгрузочного устройства, кВт 12

Габаритные размеры, мм 34 500x8800x13 400

Глава 20 Аппараты для ведения процессов диффузии и экстракции

289

пищевых сред

Принцип действия диффузионного аппарата заключается

следующем. Струж-

ка

из

приемного бункера

перемещается шнеками вдоль аппарата

лопастям

6 я 14,

которые передают

ее в

виде жома

на

шнеки

Экстрагирующая жидкость поступает

в концевую часть аппарата, перемещаясь противоточно относительно стружки,

на-

сыщается сахаром

и в

виде диффузионного сока через сито

удаляется

из

аппарата

через штуцер

20.

Инженерные расчеты. Производительность колонного диффузионного аппа-

рата

(т/сут) рассчитывается

по

формуле

n = H6,W„q/T,

где

V„

полезная вместимость аппарата,

; q -

масса стружки

на

единицу полезной

вместимости аппарата, кг/м

(q =

600...700 кг/м

);

т -

продолжительность активного

диффундирования,

с (х =

4200

с).

Производительность наклонного диффузионного аппарата

(т/сут) определя-

ется зависимостью

1,1

3(DI

- d

\yr\SqqnmiJ<

где

наружный диаметр шнека,

м; d -

диаметр вала шнека,

м; \|/ -

коэффициент

перекрытия витков шнека;

г\ -

коэффициент, учитывающий увеличение сечения

стружки

аппарате;

S - шаг

витков шнека,

м; q -

масса стружки

на

единицу вмести-

мости аппарата, кг/м

(q =

580...600 кг/м

);

ф -

коэффициент наполнения аппарата

стружкой;

п -

частота вращения шнека, об/мин;

т -

число одновременно работаю-

щих шнеков;

\ -

эксплуатационный коэффициент;

к -

коэффициент подачи свекло-

вичной стружки.

Коэффициент заполнения

колонного диффузионного аппарата стружкой

оп-

ределяется

по

формуле

(#-0,1)/Я,

где

Н—

высота колонны,

м.

Удельная нагрузка полезной части аппарата стружкой принимается

для

наклонных

аппаратов

= 650 кг/м

, для колонных

700 кг/м

Длительность диффундирования

z<>

обратно пропорциональна частоте вращения

вала, поэтому

при

изменении частоты

его

вращения значение

определяется

из

пропорции

/z,

= n

где

нормативная длительность диффундирования,

(мин);

z\ -

измененная дли-

тельность диффундирования,

(мин);

п„

нормативная частота вращения вала,

-1

;

измененная частота вращения вала,

-1

Эксплуатационный коэффициент диффузионных аппаратов

е = 1.

Расход воды

на

проведение диффузионного процесса рассчитывается

на

основе

материального баланса

=а

+а

1(1

!ак "III

290

Часть II Машины и аппараты-преобразователи

пищевых сред

где а

—

количество стружки, % к массе свеклы; W

—

количество жомопрессовой

воды, % к массе свеклы (находится в зависимости от степени отжатая жома); We -

количество свежей воды, % к массе свеклы; а

- выход жома, % к массе свеклы; а

отбор диффузионного сока, % к массе свеклы.

Определенная цель, самообладание, искренность

с самим собою, труд неутомимый и знающий,

что время дорого, - вот что вы должны взять

на себя, юноши.

ОГАРЕВ НИКОЛАЙ

ПЛА

ТОНОВИЧ (1813-1877),

русский поэт, публицист, философ

20.4 УСТАНОВКИ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ НАСТОЕК И МОРСОВ

Экстракционная установка для получения настоек и морсов (рис. 20.5) со-

стоит из экстрактора 7, напорного мерника 1 и центробежного насоса 13. Экстрактор

и напорный мерник изготовляются из нержавеющей стали или из листовой меди с

покрытием внутренней поверхности оловом. Экстрактор имеет загрузочный 6 и раз-

грузочный 10 люки и снабжен водомерным стеклом 9, патрубком 8 для залива и пат-

рубком 12 для спуска жидкости. Напорный мерник имеет люк 3 для мойки и чистки.

Спирт и вода поступают в мерник по патрубку 2, жидкость удаляется через патрубок

4. Воздушные пространства экстрактора и мерника сообщены трубкой 5.

Экстрагирование протекает при интенсивном движении водно-спиртового рас-

твора через слой сырья, укладываемого на ситчатое днище // экстрактора. Процесс

экстракции начинается с момента поступления из мерника водно-спиртового рас-

твора в экстрактор для настаивания. Каждый час в течение 10...

мин жидкость

перекачивают из экстрактора в мерник. Из мерника раствор спускают снова в экс-

трактор. В такой последовательности перекачивают жидкость до тех пор, пока не

получат настой с требуемой концентрацией растворимых веществ. Готовый настой

насосом подают в производство. Для извлечения спирта отработанное сырье промы-

вают водой в течение

6...20

ч. После этого экстрактор разгружают и операции по-

вторяют со свежей порцией сырья.

Продолжительность процесса приготовления спиртовых настоев в экстракци-

онной установке сокращается до 2...4 сут вместо 10...28 сут при настаивании в ап-

паратах или бочках, а потери спирта снижаются с 6...1 до 3...5 %. Кроме того,

уменьшается потребность в емкостях и производственных площадях.

Для получения морсов свежее или сушеное плодово-ягодное сырье настаивают

с водно-спиртовым раствором крепостью 40...50 %. Настаивание производят в те-

чение 14 сут. Процесс этот требует много времени и большого числа емкостей, что

связано со значительными потерями спирта. В настоящее время морсы получают

только из сушеного сырья. Из свежего плодово-ягодного сырья целесообразнее по-

лучать соки.

С целью интенсификации процесса экстракции применяют метод, который суще-

ственно снижает диффузионное сопротивление в пограничном слое за счет более вы-

сокого, целенаправленного энергетического воздействия на пограничный слой. Таким

методом является испарение под вакуумом высококонцентрированного слоя жидкой

фазы в пограничном слое предварительно смоченного растительного сырья. Целевые

компоненты из растительного сырья извлекаются под вакуумом методом испарения

непосредственно из высококонцентрированной пленки, образуемой в процессе экс-