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):

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-

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

, (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

(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

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.

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

певного кута повороту барабана завдяки нахиленим перегородкам сповзають у порожнину між сусідніми витками і в такий спосіб пе­реміщуються в апараті в протилежному руху рідини напрямі.

Процес екстракції у кожному проміжку між витками (камері) відбувається прямотечійно, а перехід між камерами здійснюється за принципом протитечії, тобто має місце змішаний процес. Транс­портна система апарата проста, тверді частинки не деформуються.

4.7. Штучне охолодження

Для одержання низьких температур, які неможливі при охо­лодженні водою та повітрям, використовують штучне охолод­ження, яке необхідне для скраплення пари та газів, при заморо­жуванні грунтів, будівництві підземних споруд, кондиціонуванні повітря, зберіганні продуктів харчування, тощо.

Найбільш відомий спосіб штучного охолодження — це вико­ристання холодильних сумішей (суміш солі та інших речовин з льодом). Суміш кухонної солі з льодом (22% NaCl) може дати

температуру -21C° суміш хлористого кальцію з льодом (30%

дає температуру -55 C° Зарараз використовують такі способи одержання холоду: Випаровування низькокиплячих рідин. Так, при випарову­ванні рідкого скрапленого аміаку при абсолютному тиску 0,04 Мпа досягають температури (біля -50 C°)

При зниженні тиску винаровування досягають більш низьких температур.

Розширення зтиснутих газів в розширювальній машині (де­тандері). Газ при розширенні здійснює зовнішню роботу за раху­нок своєї внутрішньої енергії і завдяки цьому його температура знижується.

Дроселювання стиснених газів і пари через звуження трубо­проводу або іншу перепону. Цей процес приводить до зниження температури тіла без здійснення зовнішньої роботи.

Умовно поділяють помірне (до -100 C°)

та глибоке (нижче 100 C°) охолодження. Помірне охолодження здійснюють абсорційними, компресійними і пароежекторними холодильними ма­шинами, а глибоке — дроселюванням і розширеням газів.

Найпростішою холодильною машиною є повітряна, в якій хо­лод отримують розширенням стиснутого повітря в детандері, але її холодильний коефіцієнт дуже низький. Тому зараз використо­вують парові компресійні холодильні машини, що з'явилися у

1834 році, в яких холод отримують випаровуванням низькокип-лячих рідких холодоагентів.

Найменші витрати енергії, тобто найбільший холодильний коефіцієнт досягається, якщо круговий процес здійснюється за зворотнім циклом Карно (цикл ідеальної компресійної машини), наведеному на діаграмі T-S (рис. 4.38).

Рис. 4.38. Цикл ідеальної компресійної машини:

І — компресор; II — конденсатор; III— детандер (розширювач); IV— випарник

Точка 1 відтворює стан пари холодоагента перед компресо­ром. В компресорі І пара адіабатично стискується (при S - const) — лінія 1-2. В конденсаторі II відбувається конденсація пари при сталій температурі Тк (лінія 2-3). З конденсатора холодоагент над­ходить до детендера III, в якому відбувається адіабатне розширен­ня (лінія 3-4) з частковим випаровуванням рідини. Потім холодоа­гент випаровується у випарнику IV при сталій температурі То (лінія 4-1), повертаючись до первісного свого стану (точка 1).

Теплота, яка витрачається на випаровування холодоагента, дорівнює холодопродуктивності 1кг холодоагента і зображується площею а-4-1-б-а, тобто а теплота, що виводиться в конденсаторі зображується площею б-2-З-а-в і дорівнює

Затрачена робота у відповідності з енергетичним балансом (робота компресора мінус робота в детандері) складає

і зображується різницею площ б-2-З-а-б та а-4-1-б-а і співпадає з рівнянням для визначення мінімальної роботи на одержання штучного холоду

Холодильний коефіцієнт цикла дорівнює

Оскільки на діаграмі T-S холодопродуктивність не зовсім зручно визначити, то при розрахунках використовують "тиск — ентальпія" (діаграми Р-І) на якій основні лінії діаграми для холо­допродуктивності і роботи зображені як прямі.

На рис. 4.39 показано основні лінії діаграми Р-І, а також ізо­терми (t = const) та адіабати (S = const). Лінія ABC є граничною кривою, а точка В відповідає критичній точці. Область нижча граничної кривої відповідає вологій парі, а вище і вліво від точ­ки В — рідині. Вище кривої ABC і вправо від точки В — пе­регрітій парі. В області вологої пари лінії t = const співпадають з горизонтальними (Р = const), а в області рідини йдуть близько до вертикалі. На цій же діаграмі показано цикл ідеальної компресій­ної машини. Лінії стиснення (1-2), розширення (3-4) співпадають з лініями S = const, а випаровування (4-1) і конденсації (2-3) зображені відповідними і випаровування

Критичні точки різні для різних речовин. Для води критична точка В відповідає тиску = 22,12 МПа, = 374,15 °C, а для аміаку = 11,65 МПа і = 132,4°C.

Для найбільш розповсюдженого холодильного агенту фреону-12 (діфтордіхлоретан ця точка відповідає = 4,11 МПа і

= 112,04°C.

В критичних точках різниця властивостей рідини та пари відсутня. При звичайному циклі Карно теплота перетворюється в ро­боту і процес іде в зворотному напрямку, тобто 1-4-3-2-1, що ха­рактерно для компресорів, двигунів внутрішнього згорання, то­що. Термічний ККД цикла Карно залежить від верхнього зни-

ження температури. Так для 100 °C = 76,9, для 2000°C = 87,1.