Остапчук М.В., Рибак А.І. Системи технологій (за видами діяльності)

Подождите немного. Документ загружается.

рис. 4.32 (крива а).

Реальні суміші не підлягають закону Рауля. Діаграми х -у для таких сумішей

будують за експериментальними даними. Типовою реальною сумішшю є

суміш етилового спирту з водою (крива б на рис. 4.32).

Відхилення від закону Рауля в реальних сумішах призводить до того, що при

незмінній температурі певному складу суміші може відповідати певний тиск

пари над сумішшю

)p(



більший (або менший), ніж пружність пари

за цієї температури будь-якого з компонентів, узятих у чистому вигляді.

Природно, що максимуму (мінімуму) на кривій тисків відповідає мінімум

(максимум) на кривій температур (крива тисків—це функція тиску пари над

сумішшю від її складу, а крива температур — це функція температури

кипіння суміші від її складу).

Суміші взаємно нерозчинних рідин відрізняються тим, що тиск пари над

сумішшю дорівнює сумі пружностей пари компонентів. Через це

температури кипіння таких сумішей завжди нижчі від температур кипіння

окремих компонентів за цього ж зовнішнього тиску.

Суміші обмежено розчинних одна в одній рідин відрізняються тим, що у

певних пропорціях вони взаєморозчинні і поводять себе як ідеальні або

реальні суміші. У випадку порушення вказаних пропорцій утворюються дві

взаємно нерозчинні рідкі фази: розчин і компонент, що є у надлишку.

Одноразовим випаровуванням (простою перегонкою) вихідну суміш можна

розділити на кілька фракцій, частина з яких міститиме більшу кількість

легколеткого, ніж його було у вихідній суміші, інша частина — меншу.

Якщо випаровувати суміш (криву рівноваги її зображено

лінією б на рис. 4.32, що містить

% легколеткого компонента, то

після відведення і конденсації пари, яка утвориться, одержимо

рідину (дистилят) з

% пегколеткого компонента. У міру випаро-

вування вихідної суміші вміст легколеткого компонента в ній, так само як і у

дистиляті, поступово зменшуватиметься. Нехай кінцевий вміст його у

випаровуваній рідині буде

що відповідає дистиляту

У результаті

вихідна суміш буде поділеною на дві фракції з легколеткими компонентами

і у (тут у —середнє між

)

Відводячи дистилят у міру зміни вмісту в ньому легколеткого компонента в

різні ємності, можна одержати фракції з різними значеннями у.

193

Дефлегмація. Якщо пару, що утворюється при одноразовому випаровуванні

суміші, частково конденсувати у спеціальному теплообміннику, то у першу

чергу конденсуватиметься важко-киплячий компонент. Лишок пари на

виході з теплообмінника міститиме більше легколеткого компонента, ніж

пара на вході в теплообмінник. Концентрація легколеткого кохмпонента в

парі зростатиме за рахунок її часткової конденсації (так званої дефлегмації).

Конденсат, що утворюється в теплообміннику, називають флегмою, а

теплообмінник — дефлегматором. Спрямовуючи решту пари, що лишилась

після дефлегмації, в конденсатор, одержують дистилят, вміст легколеткого

компонента в якому більший, ніж у дистиляті, що його одержують простою

перегонкою тієї самої суміші без дефлегмації.

Принципи безперервної перегонки в апаратах сучасного типу. У сучасних

колонних апаратах для перегонки (рис. 4.34) між дефлегматором і

випарником є пристрій для контакту флегми з парою, яка йде з випарника.

Оскільки при частковій конденсації пари в дефлегматорі / флегма завжди

містить більше легколеткого компонента, ніж початкова суміш, то між

парою, що піднімається з випарника, і флегмою відбувається масообмін. При

цьому легколеткий компонент переходить з рідкої в парову фазу, а

важколеткий — у зворотному напрямку, тобто система наближається до

стану фазової рівноваги. Завдяки процесу масо-

194

обміну пара надходить у дефлегматор збагаченою легколетким компонентом.

Дистилят і флегма також збагачуються ним, а отже, підвищується вміст

легколеткого компонента у парі, що надходить у дефлегматор, і т.д. Дистилят

і флегма містять тим більше легколеткого компонента, чим більша площа і

кращі умови контакту між парою і флегмою.

У дефлегматорі можна конденсувати всю пару, яка в нього надходить,

розділяючи потім конденсат на флегму і дистилят. У цьому випадку в

дефлегматорі не спостерігатиметься ефекту дефлегмації — підвищення

вмісту легколеткого компонента у парі за рахунок її часткової конденсації,

хоча збережеться основний процес масообміну на контактних пристроях,

який супроводжується переходом легколеткого компонента з флегми у

парову фазу. У колонному апараті початкову сумішМ можна безперервно

подавати в нижню 4 (кубову) частину апарата, а кубовий залишок К

безперервно відводити. Це так звана концентраційна колона 3. В ній можна

одержувати дистилят зі значним вмістом легколеткого компонента, хоча

частина його потрапляє і в кубовий залишок. Щоб уникнути цього, апарати

для перегонки обладнують так званою витяжною частиною, яка знаходиться

нижче від точки введення вихідної суміші. Щоб забезпечити добрий контакт

пари з флегмою і початковою сумішшю, апарати обладнують спеціальними

контактними пристроями. На рис. 4.34, б зображено колонний апарат для

перегонки з концентраційною З і видобувною 2 частинами, обладнаний так

званим тарілчастими контактними пристроями 5 (тарілками). Початкова

суміш, стікаючи разом з флегмою у кубкову частину 1, звільняється від

легколеткого компонента за допомогою пари, що піднімається з кубової

частини апарата, внаслідок чого кубовий залишок містить мінімальну

кількість легколеткого компонента. У концентраційній частині пара,

перебуваючи у контакті з флегмою, поступово рухаючись від тарілки

живлення дефлегматора 4, збагачується лег-Іколетким компонентом і після

дефлегмації і остаточної конденсації перетворюється на

висококонцентрований дистилят.

4.6.6. Сорбція

Сорбцією називається процес поглинання певним тілом газів, пари або

розчинених речовин з навколишнього середовища. Тіло, що поглинає

речовину, називають сорбентом. Типові для сорбції процеси — абсорбція і

адсорбція.

195

Абсорбція — поглинання речовини, що супроводжується наступною її

дифузією в глибину тіла і утворенням розчину. Поглинаючу речовину у

цьому процесі називають абсорбентом. Нею звичайно є рідина.

Адсорбція — це поглинання речовини поверхнею твердого поглинача —

адсорбента.

Якщо під час сорбції відбувається хімічна взаємодія між речовиною, що

поглинається, і сорбентом, то такий процес називають хемосорбцією. Якщо ж

поглинання супроводжується конденсацією пари в порах поглинача, таке

явище називають молекулярною конденсацією.

Процес сорбції зворотний. Виділення речовин під час зворотного процесу

називають десорбцією.

Сорбційні процеси дуже поширені у виробництві спирту, цукру, крохмалю,

вина, ядерного палива.

Абсорбцію застосовують у виробництві цукру (для очищання соку і сиропу),

крохмалю (для одержання екстрагенту—розчину сірчистої кислоти), у

консервному виробництві (для одержання розчинів, що забезпечують

зберігання плодів і овочів), вина, спирту та інших продуктів. В усіх

зазначених випадках абсорбентом є вода.

У процесі абсорбції беруть участь дві фази: газоподібна — суміш

компонента, який поглинається, з інертним носієм і рідка — абсорбент, що

вибірково поглинає компонент, який переходить у рідкий розчин. До границі

розділення фаз і від границі розділення вглиб абсорбента речовина, що

поглинається, переноситься за допомогою конвективної дифузії, оскільки за

виробничих умов обидві фази звичайно рухливі.

Підвищення швидкості руху фаз збільшує швидкість перенесення речовини у

кожній з фаз, внаслідок чого зростає загальна швидкість абсорбції.

Швидкість абсорбції прямо пропорційна також площі контакту фаз і тиску,

оскільки із зростанням тиску розчинність газів у рідині також зростає.

Підвищення температури знижує швидкість абсорбції, оскільки погіршується

розчинність газів у рідині.

Рівновага в процесі абсорбції. Рушійною силою процесу абсорбції є різниця

концентрацій речовин, що поглинається, у газі у і в розчині х. Процес

припиниться, якщо концентрації зрівноважаться або коли парціальний тиск

газу, шо поглинається, нал

розчином досягне значення рівноважного

196

Основним законом, що характеризує рівновагу в системі газ-рідина, є закон

Генрі, за яким при незмінній температурі розчинність газу в рідині прямо

пропорційна парціальному тиску р цього газу над розчином





x 

(4.46)

Де х — концентрація в абсорбенті газу, що поглинається,

кмолъ/кмолъ;



— коефіцієнт пропорційності (за Генрі).

Парціальний тиск газу в суміші виражається залежністю

(4.47)

де у— концентрація в газовій суміші газу, що поглинається, кмолъ/кмолъ;

Р — загальний тиск у суміші. З рівнянь (4.46) і (4.47) витікає

(4.48)

Де





— константа фазової рівноваги.

Рис. 4.35. Крива абсорбційної рівноваги

yPp 

mxy 

Рис. 4.36. Схема протитечійного абчорбційного апарата

У загальному випадку залежність між концентраціями у і х

F(X))

(

графічно виражається кривою лінією (4), яку називають

197

кривою рівноваги. Будують її за звичай за експериментальними даними.

Матеріальний баланс абсорбції. У разі безперервного процесу в апараті,

протитечія створює найбільшу середню рушійну силу (рис. 4.35).

Концентрація в газі компонента, що поглинається, змінюється від

уу

кП

до

а у рідкій фазі—від

до

кмоль/кмоль.

Витрати інертного газу G і абсорбента L (кмоль/с) у процесі не змінюються.

Якщо під час абсорбції не втрачається і речовина, яку поглинають, то

кількість цієї речовини, що входить в абсорбер з газом

і абсорбентом

дорівнюватиме кількості речовини, яка виходить з апарата з газом

і абсорбентом

LGLG 

або

(4.49)

З рівняння (4.49) витікає

(4.49)

Абсорцію здійснюють в насадочних та тарілчастих

колонах. Тарілчасті колони дорожчі від насадочних, гідравлічний опір в них

вищий, а ефективність розподілу вища.

У більшості процесів всіх технологій має місце адсорбція з розчинів.

Наприклад, у цукровому, лікеро-горілчаному, спиртовому, крохмале-

патоковому виробництвах адсорбцію використовують для очищення і

знебарвлювання продуктів або для очищання води, що надходить у

виробництво, або вже використаної. У спиртовому і лікеро-горілчаному

),(L)(G









виробництвах адсорбцію застосовують для уловлювання пари і зменшення її

витрат.

Адсорбція розподіляється на фізичну, хемосорбцію, капілярну конденсацію.

Загальним для всіх видів адсорбції лишається те, що її зумовлюють сили

тяжіння між атомами і молекулами. Кількість речовини, поглинутої масовою

або об'ємною одиницею поглинача залежить від природи його і речовини, яка

поглинається, її концентрації в парогазовій суміші або розчині, що оточують

адсорбент, температури і, в разі поглинання з газоподібного середовища,

тиску.

Процес адсорбції, як і будь-який інший масообмінний процес, перебігає в

напрямі встановлення рівноваги між фазами. При незмінній температурі для

даної пари адсорбент-адсорбтив за

198

рівноважних умов має місце точно визначена залежність концен-

трації адсорбтиву в адсорбенті

від концентрації в навколиш-

ньому газі (розчині) С

Цю залежність, що виражає статику процесу, називають рівнянням ізотерми

адсорбції. У найзагальнішому випадку рівноважна концентрація тим вища,

чим більшими будуть молекулярна маса газу, що поглинається, тиск у

парогазовій фазі і нижчою температура.

У процесі адсорбції звичайно виділяється значна кількість теплоти, і, якщо її

не відводити, температура шару адсорбента підвищиться, що негативно

позначиться на його активності.

Процес адсорбції зворотний. У виробничих умовах зворотний процес

(десорбція) нерозривно зв'язаний з прямим процесом. Процесу десорбції

активно сприяє підвищення температури і зниження тиску в середовищі, що

оточує адсорбент.

До адсорбентів промислових адсорберів належать: активоване вугілля

(деревне, кам'яне, кісткове), силікагель, алюмогель, цеоліти, глини.

Активоване вугілля одержують в результаті сухої перегонки відповідної

сировини (деревини, тирси, кісточок з фруктів, кісток тварин відходів шкіри

та інших матеріалів) з наступним вилученням смолистих речовин з шпар цих

речовин. Питома поверхня

активованого вугілля (600...700)

г/

використовують його у ви-

гляді гранул розміром (1...7) мм або порошків з частинок розміром (25... 250)

мкм.

Силікагель (зневоджений гель кремнієвої кислоти) відрізняється від

активованого вугілля однорідністю шпар рівномірним їх розподілом по

об'єму частинки і здатністю витримувати високі температури. Питома

поверхня його (300...750)

г/

Розміри зерен — (0,2...7) мм.

Алюмогель (суміш нормального гідрату окису алюмінію з полігідратами)

широко використовують для висушування газів,

питома поверхня його (200...600)

г/

Цеоліти — водні алюмосилікати

натрію і калію (бентоніт, шабазит, десміт та інші мінерали) з винятково

тоненькими шпарами можна розглядати як молекулярні сита. їх поглинальна

здатність в два — чотири рази вища від поглинальної здатності силікагелів і

алюмогелів.

Глини (інфузорна земля, трепел) із меншою питомою поверхнею шпар, ніж в

усіх згаданих раніше матеріалів — (200...400)

г/

199

Проте через низьку вартість і значне поширення в природі

знаходять застосування в промисловості.

Матеріальний баланс процесу адсорбції виражають рівнянням, аналогічним

рівнянню (4.49) для процесу абсорбції, оскільки в обох процесах можна

вважати незмінними кількості інертного газу G у кожній фазі, а також не

рахуватися з втратами розподіленої в фазах речовини, що поглинається.

Кінетика процесу адсорбції також має багато спільного з процесом екстракції

в системі "тверде тіло — рідина". Процес складається з двох основних стадій:

перенесення речовини всередині твердого тіла за законами молекулярної

дифузії і масообміну на поверхні твердого тіла за законами конвективної

дифузії.

Процес адсорбції у промислових умовах може відбуватись періодично і

безперервно. У першому випадку зернистий шар адсорбенту нерухомий, а

газоподібна (рідка) фаза з речовиною, яку треба поглинати, фільтрується

крізь шар. На початку процесу ад-сорбтив поглинається першими за рухом

суцільного середовища шарами адсорбента. На певній висоті шару

концентрація речовини, що поглинається, в газі впаде практично до нуля,

потім фронт руху газу, на якому концентрація переходить від істотно більшої

від нуля до нульової, буде повільно просуватися по висоті шару. Слідом за

цим шаром, на певній відстані від нього, рухатиметься фронт суцільного

середовища з концентрацією адсорбтива, що дорівнює початковій Со

а весь шар адсорбента за цим фронтом оуде повністю насиченим і не

поглинатиме більше адсорбтива.

Щоб процес адсорбції відбувався безперервно, адсорбент повинен рухатись

назустріч потоку газу (рідини). Це можливо у тому випадку, коли частинки

адсорбента після їх повного насичення безперервно регенеруватимуться,

охолоджуватимуться, а потім знову надходитимуть у робочу ділянку шару,

де відбувається процес адсорбції.

4.6.7. Екстрагування

Екстрагуванням називають вилучення з твердої або рідкої складної речовини

одного чи кількох її компонентів за допомогою розчинника з вибірковою

розчинністю. Під вибірковою розчинністю розуміють здатність рідини

розчиняти лише той компонент (компоненти), які треба добути.

У процесі екстракції, як і в інших масообмінних процесах, беруть участь три

речовини (дві розподіляючі і третя розподіляєма):

200

перша, з якої добувають цільовий компонент;

друга (розчинник), за допомогою якої добувають цільовий компонент

(компоненти), так званий екстрагент;

третя, яка переходить з одної фази в другу, так звана екстрагована речовина.

Апарат, в якому відбувається екстракція, називають екстрактором.

Залежно від фазового стану першої розподільної речовини процес поділяють

на: екстракцію в системі "тверде тіло — рідина", коли ця перша розподільна

речовина тверде тіло, і екстракцію в системі "рідина — рідина", коли вона

рідка.

У технології мають місце обидва види екстракції, проте значного поширення

набула екстракція в системі "тверде тіло — рідина". В ряді виробництв

екстракція є одним з основних технологічних процесів. Це добування цукру з

буряків, олії з насіння соняшників, бавовнику, сої, ефірної олії,

екстрагування ферментів з культур плісеневих грибів. Важливу роль процес

екстракції в системі тверде тіло — рідина відіграє у виробництві вина, пива,

крохмалю, лікеро-горілчаних виробів, розчинної кави і чаю.

Рідинну екстракцію застосовують у виробництвах, пов'язаних з одержанням

спирту, вина, олії, бензолу, ацетону, оцтової кислоти, тощо. У

найзагальнішому вигляді процес екстракції складається з чотирьох стадій:

1) проникнення розчинника в шпари частинок рослинної сировини;

2) розчинення цільового компонента (компонентів);

3) перенесення екстрагованої речовини всередині частинки сировини до

поверхні поділу фаз;

4) перенесення екстрагованої речовини в рідкій фазі від поверхні поділу фаз

і розподіл її у всій масі екстрагенту.

Під час екстрагування розчинних речовин з тканини сировини звичайно не

всі чотири стадії мають місце або не всі відіграють істотну роль. Наприклад,

у найпотужнішому харчовому виробництві — цукробуряковому —

екстракція відбувається з рослинної тканини, у якій екстрагована речовина

перебуває у рідкій фазі, тобто в розчиненому вже стані. Екстракція у

більшості інших виробництв, які за обсягом перероблюваного матеріалу

значно менші цукробурякового, хоча і має усі чотири зазначені раніше стадії

процесу, проте тривалість перших двох стадій незначна порівняно з

тривалістю двох останніх. Як правило, у роз-

201

рахунках екстракції дві перші стадії процесу або зовсім не беруть до уваги,

або легко їх враховують, вводячи поправки до кінетичних коефіцієнтів на

початковій стадії процесу.

Швидкість екстракції, як і будь-якого іншого процесу технології, прямо

пропорційна рушійній силі і обернено пропорційна опору. Рушійна сила і

характер її зміни під час екстракції залежать від типу відносного руху

частинок та екстрагенту (виду процесу): прямотечії, протитечії і т. д., а також

від співвідношення витрати мас екстрагенту L і твердих частинок G

q 

, ( 4.52)

Де q— співвідношення витрат мас або гідромодуль, % (або

відносні одиниці);

L — витрата екстрагенту, кг/с;

G — витрата твердих частинок, кг/с.

Дифузійний опір складається з опорів на основних стадіях процесу:

перенесенню речовини в частинці і рідині, що її оточує. Швидкість

перенесення речовини крізь будь-який елемент поверхні у будь-якому

перетині або на поверхні частинки підлягатиме закону Фіка

,dFd

DdM





( 4.53)

Це рівняння дає можливість у першому наближенні оцінювати вплив

основних факторів на швидкість процесу перенесення речовини до поверхні

поділу фаз.

Якщо розглядати певну масу частинок з поверхнею F, то кількість речовини,

перенесеної до цієї поверхні протягом одиниці часу





( 4.54)

буде тим більшою, чим більший коефіцієнт дифузії D і відносна поверхня

даної маси частинок.

Коефіцієнт дифузії залежить від температури, концентрації, структури

матеріалу, фізичних властивостей екстрагованого матеріалу і розчинника. З

підвищенням температури коефіцієнт дифузії зростає. Зменшення розміру

частинок сприятиме зменшенню внутрішнього дифузійного опору.

Апарати для екстрагування з твердих тіл. У промисловості застосовують

різноманітні типи екстракторів. Класифікують їх

202

за різними ознаками. За режимом роботи їх поділяють на напів-безперервні і

безперервні; за видом процесу на протитечійні, із замкнутим періодичним

процесом, з комбінованим процесом; за видом циркуляції на екстрактори з

одноразовим проходженням фаз і рециркуляцією екстрагенту; за

конструкцією на колонні, ротаційні, стрічкові, ковшові, двошнекові нахилені,

з киплячим шаром, батарейні.

Колонні екстракційні апарати. Процес у них відбувається протитечійно і

безперервно, вся маса частинок постійно перебуває у рідкій фазі. Ці апарати

займають малі площі, мають незначну металоємність (весь внутрішній

простір корисно використовується). Залежно від кількості колон апарати

бувають одноко-лонні і багатоколонні, за положенням головного корпуса

(корпусів) вертикальні і горизонтальні, за видом транспортного органа —

лопатеві, шнекові і ланцюгові. В одноколонному апараті лопаті

гвинтоподібно розміщені на вертикальному порожнистому валу, а

контрлопаті закріплені на корпусі між лопатями і запобігають обертанню

маси твердих частинок разом з валом. За такої конструкції транспортного

органа виникає певна рециркуляція рідини і твердих частинок, що порушує

протитечію. Складною лишається система надходження твердих частинок в

апарат (нагнітання збагаченої рідиною суміші твердих частинок). Має місце

значне подрібнення твердих частинок під час транспортування, що погіршує

гідродинамічні умови процесу. Не можна підводити тепло до певних ділянок

апарата.

У багатоколонних апаратах з шнековим транспортним органом може

виникати закручування маси твердих частинок разом з обертовим органом,

що утруднює їх транспортування в апараті. Має місце також підвищене

дробіння частинок під час переходу їх з однієї колони в іншу та рециркуляція

рідини.

В апаратах з ланцюговим транспортним органом тверді частинки

невеличкими шарами лежать на сітках і в такий спосіб створюються

найкращі умови для протитечії, крім того, тверді частинки не руйнуються.

Легко встановити потрібний температурний режим в апараті. Проте такі

апарати складні в експлуатації, займають значно більший об'єм і площу

приміщень, ніж одноколонні. Після переходу з однієї колони в іншу

рівномірність розміщення шару частинок на сітці порушується, що якоюсь

мірою порушує гідродинамічний режим взаємодії рідкої і твердої фаз.

203

Ротаційні апарати (рис. 4.37). Корпус апарата обертається на котках.

Внутрішня порожнина по всій його довжині поділена по діаметру сітковою

перегородкою 2 (рис. 4.37). На внутрішній поверхні корпуса змонтовані

гвинтові перегородки 1, що не доходять до центра апарата, де є нахилені

перегородки 4, що з'єднують між собою гвинтові. Апарат заповнюють

сумішшю твердих частинок і рідини лише до рівня похилих перегородок

(приблизно 1/4... 1/3 об'єму). Під час обертання барабана екстрагент, що

перебуває завжди у нижній частині апарата між суцільними гвинтовими

витками, переміщується вздовж апарата, а тверді частинки захоплюються

сітковими перегородками, відокремлюються на них від рідини і після