13. Экстракция в системе твердое тело-жидкость. Устройство экстракционных аппаратов для выщелачивания.

Выщелачивание

Выщелачиванием (выщелачивание – частный случай экстракции) называется извлечение из твердого тела одного или нескольких веществ с помощью растворителя, обладающего избирательной способностью.

В пищевой промышленности выщелачиванием обрабатывают капиллярно-пористы е тела растительного или животного происхождения. В качестве растворителей применяются: вода – для экстрагирования

сахара из свеклы, кофе, цикория, чая; спирт и водно-спиртовая смесь – для получения настоев в ликеро-водочном и пиво-безалкогольном производствах; бензин, трихлорэтилен, дихлорэтан – в маслоэкстракционном и эфиромасличном производствах и др. Выщелачивание является основным

процессом в свеклосахарном производстве и применяется для извлечения сахара из сахарной свеклы. С помощью бензина извлекается растительное масло из семян подсолнечника.

Процесс выщелачивания заключается в проникновении растворителя в поры твердого тела и растворении извлекаемых веществ. Равновесие при выщелачивании устанавливается при выравнивании величин химических потенциалов растворенного вещества и его химического потенциала в твердом материале. Достигаемая концентрация раствора, соответствующая его насыщению, называется растворимостью.

В пищевой промышленности растворение и выщелачивание проводят переодическим и непрерывным способами соответственно в перколяторах и диффузионных аппаратах различной конструкции в прямотоке и противотоке.

Диффузионные аппараты непрерывного действия получили широкое распространение в сахарной промышленности для извлечения сахара из свекловичной стружки. Перколятор представляет собой вертикальный цилиндрический аппарат с коническим днищем и крышкой. В днище расположена решетка, на которую через верхний люк загружается слой измельченного твердого материала. После выщелачивания материал выгружается через нижний откидывающийся люк.

Перколяторы соединяются последовательно в батареи. Число перколяторов в батарее составляет от 4 до 15. Растворитель прокачивается насосом снизу вверх последовательно через все перколяторы. Батарея работает по принципу противотока. В любой момент времени один из аппаратов, в котором достигнута заданная степень извлечения, отключается на разгрузку отработанного и загрузку свежего материала. Материал выгружается из перколятора самотеком под давлением. В целом вся установка работает непрерывно.

14. Кристаллизация. Статика процесса. Кинетика и условия кристаллизации.

Условие кристаллизации Кристаллизация возможна только при определенных условиях, а именного при пересыщении раствора, т.е. когда содержание растворенного вещества превышает растворимость

Статика процесса кристаллизации. Кристаллизацией называется процесс выделения твердой фазы в виде кристаллов из растворов и расплавов. Кристаллы представляют собой твердые тела различной геометрической формы, ограниченные плоскими гранями. Кристаллы, содержащие молекулы воды, называются кристаллогидратами. В пищевой технологии выделение твердой фазы из растворов или расплавов в виде кристаллического продукта является завершающей стадией технологического процесса получения сахарозы, глюкозы, соли и других кристаллических продуктов. Кристаллизацию, как правило, проводят из водных растворов. При понижении температуры или удалении части растворителя уменьшается растворимость твердого вещества. Раствор становится пересыщенным, и твердое вещество выпадает из раствора в осадок. Раствор, находящийся в равновесии с твердой фазой при данной температуре, называется насыщенным. В таких растворах между твердым веществом и раствором имеет место динамическое равновесие, характеризующееся тем, что в единицу времени количество частиц, растворяющихся из кристаллов и переходящих в раствор, равно числу частиц, кристаллизующихся в растворе и переходящих в твердую фазу. Пересыщенными называются такие растворы, в которых концентрация растворенного вещества больше его растворимости. Пересыщенные растворы неустойчивы, легко переходят в насыщенные растворы. При таком переходе из пересыщенных растворов выпадает твердая фаза. Поведение растворов с изменением их температуры, характеризуют диаграммы состояния растворов. Растворы при концентрациях, соответствующих метастабильной области, кристаллизуются очень быстро, а растворы при концентрациях, соответствующих метатабильной области, кристаллизуются сравнительно медленно в зависимости от температуры раствора, скорости отвода теплоты или скорости испарения растворителя, перемешивания и других факторов. Для растворов веществ, зависимость которых от температуры неярко выражена, переход в область пересыщенных растворов происходит только при очень значительном снижении температуры. При изменении температуры от t2 до t1 количество выпавшей из раствора твердой фазы невелико и пропорционально изменению концентрации раствора ух – у'0. Пересыщение раствора может быть достигнуто и при постоянной температуре t2 путем удаления части растворителя. При этом из раствора выпадает часть твердой фазы, пропорциональная разности концентраций у"x – у0. Следовательно, кристаллизацию так их растворов можно провести как снижением температуры раствора, так и путем удаления части растворителя.

Кинетика кристаллизации Переход вещества из раствора в твердую фазу осуществляется путем диффузии растворенного веществ а через пограничный слой, окружающий поверхность кристалла. Скорость процесса кристаллизации может определяться скоростью диффузии растворенного вещества через пограничный слой, либо скоростью слияния вещества с телом кристалла, либо зависеть от обеих стадий одновременно.

Рассмотрим процесс кристаллизации сахарозы. В процессе роста кристаллы окружены пограничным слоем пересыщенного межкристального раствора толщиной δ . Избыток молекул сахарозы из этого слоя пересыщенного раствора быстро выделяется на поверхности кристаллов, и раствор становится насыщенным с концентрацией сахарозы ун. На некотором расстоянии от граней кристаллов в окружающем растворе сохраняется пересыщение с концентрацией сахарозы уп.Вследствие разности концентраций уп – ун сахароза диффундирует через пограничный слой раствора. Приблизившись к граням кристаллов, молекулы сахарозы переходят в кристаллическую решетку – происходит фазовый переход. Таким образом, скорость роста кристаллов обусловлена скоростью диффузии сахарозы и скоростью фазового перехода на границе раздела фаз. Если скорость фазового перехода намного выше скорости диффузии сахарозы, то лимитирующей стадией процесса кристаллизации сахарозы является ее диффузия. Скорость роста кристаллов сахарозы можно выразить уравнением dM/dτ = [DF(уп – ун)] / δ, где dM – количество вещества, выкристаллизованного в единицу времени; D – коэффициент диффузии; F – площадь поверхности кристаллов, на которых выкристаллизовывается вещество; уп – концентрация вещества в объеме пересыщенного раствора; ун – концентрация вещества у поверхности кристалла (принимается равной концентрации раствора); δ – толщина пограничного слоя раствора, в котором концентрация изменяется от уп до ун. Интегрируя уравнение, получаем М = [D(уп – ун) Fτ]/δ. Скорость кристаллизации М/ Fτ = D(уп – ун) /δ .Толщина пограничного слоя, имея в виду ламинарный харак тер обтекания кристалла пересыщенным раствором,

δ=(μv)0.5, где μ – вязкость насыщенного раствора; v – скорость движения кристалла в растворе. Согласно закону Стокса, v = 1/μ.