Массообменные процессы

Массообменными называют такие технологические процессы, скорость протекания которых определяется скоростью переноса вещества (массы) из одной фазы в другую конвективной молекулярной диффузией. К ним относятся абсорбция, перегонка и ректификация, экстракция, сушка, адсорбция, кристаллизация и др. Аппараты, в которых протекают эти процессы, называются массообменными.

При абсорбции наблюдается селективное поглощение газов или паров жидкости поглотителями – абсорбентами, т.е. вещество переходит из газовой или паровой фазы в жидкую фазу.

Процессы абсорбции в технике применяются для разделения углеродистых газов и получения соляной и сернистых кислот, аммиачной воды, очистки отходящих газов с целью улавливания ценных продуктов или обезвреживания газовых выбросов. Аппараты для проведения процессов абсорбции называются абсорберами.

В технике используют следующие принципиальные схемы абсорбционных процессов: прямоточные, противоточные, одноступенчатые с рециркуляцией и многоступенчатые с рециркуляцией.

При перегонке и ректификации жидкая смесь разделяется на составляющие компоненты. Вещество переходит из жидкой фазы в паровую фазу и из паровой в жидкую фазу.

Перегонка и ректификация – наиболее распространенные методы разделения жидких однородных смесей, состоящих из двух или нескольких летучих компонентов.

Процессы перегонки и ректификации широко применяют в пищевой промышленности: получение технического и пищевого этилового спирта; производство ароматических веществ и др. Перегонку используют для грубого разделения смесей, а для более полного разделения смесей, применяют ректификацию.

Перегонка представляет собой процесс однократного испарения жидкой смеси и конденсации образовавшихся паров.

Ректификация представляет собой разделение смеси на составляющие ее компоненты путем многократного частичного испарения жидкости и конденсации паров.

Экстракцией в системе «жидкость – жидкость» называется процесс извлечения растворенного вещества или веществ из жидкости при помощи специальной другой жидкости, не растворяющейся или почти не растворяющейся в первой, но растворяющей экстрагируемые компоненты.

При этом в системе жидкость – жидкость вещество переходит из одной жидкой фазы в другую жидкую фазу.

Во многих случаях экстракцию применяют в сочетании с ректификацией. Расход теплоты на ректификацию уменьшается, с увеличением концентрации исходного раствора. Предварительное концентрирование раствора экстракцией позволяет сократить расход теплоты на разделение исходной смеси.

Процесс извлечения из твердого тела с помощью растворителя называется выщелачиванием. При этом вещество переходит из твердой фазы в жидкую фазу.

В пищевой промышленности выщелачиванием обрабатывают капиллярно-пористые тела растительного или животного происхождения.

Выщелачивание – основной процесс свеклосахарного производства. Для выщелачивания может использоваться вода, водно-спиртовой раствор. С помощью бензина извлекают растительное масло из подсолнечника и сои.

За выщелачиванием в технологической схеме часто следуют процессы фильтрования, выпаривания и кристаллизации.

При адсорбции происходит избирательное поглощение газов, паров или растворенных в жидкостях веществ, твердым поглотителем – адсорбентом, способным поглощать один или несколько компонентов из их смеси. Процесс используется во многих производствах, где из смеси газов, паров или растворенных веществ необходимо извлечь тот или иной компонент. Вещества переходят из газовой или жидкой фазы в твердую фазу.

В пищевой технологии адсорбцию используют для очистки диффузионного сока и сахарных сиропов в сахарном производстве, осветлении пива и фруктовых соков, очистки от органических и других соединений спирта, сиропов в крахмалопаточном производстве и др.

Сушка – это удаление влаги из твердых или жидких влажных материалов путем ее испарения. В этом процессе имеет место переход влаги из твердого влажного материала в паровую или газообразную фазу. Это сложный теплообменный процесс. Скорость его определяется скоростью внутридиффузионного переноса влаги в твердом теле.

В производстве многих пищевых продуктов сушка, как правило, является обязательной операцией и представляет собой достаточно энергоемкую технологическую стадию процесса. От аппаратно-технологического оформления и режима сушки зависит в большой степени качество продукта.

Сушке может предшествовать удаление влаги из материалов другими методами, например отжимом на прессах, центрифугированием. Однако механическим способом может быть удалена только часть свободной воды.

Метод и тип сушилки выбирают на основе комплексного анализа свойств пищевых материалов как объектов сушки.

Требования, предъявляемые к выбору рационального метода сушки и типа сушилки, заключается в достижении самых высоких технико-экономических показателей работы сушилки при получении продукта с заданными свойствами, обеспечении надежности работы, снижении или исключении газовых выбросов в атмосферу.

При кристаллизации из жидкой фазы выделяется вещество в виде кристаллов. При этом происходит переход вещества из жидкой фазы в твердую фазу в результате возникновения и роста кристаллов в растворе.

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.

Производственный технологический процесс кристаллизации состоит из нескольких стадий: кристаллизация, отделение кристаллов от маточных растворов, перекристаллизация (если требуется), промывка и сушка кристаллов.

Массопередача - процесс перехода вещества (или нескольких веществ) из одной фазы в другую в направлении достижения равновесия.

В массообмене участвуют как минимум три вещества: распределяющее вещество (или вещества), составляющее первую фазу; распределяющее вещество (или вещества), составляющее вторую фазу; распределяемое вещество (или вещества), которое переходит из одной фазы в другую.

В процессах массопередачи следует различать несколько случаев массообмена: между потоком газа или пара и потоком жидкости; между потоками жидкости; между потоками жидкости твердой фазой; между потоками газа или пара и твердой фазой.

Изучая раздел «массообменные процессы», следует ознакомиться: с основными терминами и законами массопередачи; движущими силами массообменных процессов; с принципиальными схемами абсорбции и конструкцией абсорберов; с видами перегонки и аппаратами, применяемыми при перегонке; с видами ректификации и схемами ректификационных установок; видами и схемами экстракции, конструкцией экстракторов; видами адсорбентов и схемами адсорбционных установок; с видами сушки и аппаратами, применяемыми при сушке; методами кристаллизации и типами кристаллизаторов.