Отдельные виды массообменных процессов Лекция № 12
Различают следующие виды массообменных процессов: – сорбционные процессы; – перегонка; – экстракция; – сушка; – кристаллизация; – растворение.
1. Сорбционные процессы Различают следующие виды сорбционных процессов: абсорбция – поглощение жидкостью компонентов из газовой смеси (насыщение напитков углекислым газом, уменьшение влажности воздуха в складских помещениях концентрированными кислотами, очистка газовых систем от вредных примесей, извлечение ценных компонентов из газовых смесей, организация рабочего процесса в абсорбционных холодильных установках);
адсорбция – поглощение компонентов из газа или жидкости поверхностью твердого тела (набухание круп при замачивании, поглощение жира продуктом при жаренье, поглощение запахов, поглощение водяных паров из воздуха); десорбция – процесс, обратный абсорбции (или адсорбции), – выделение компонентов в газовую смесь из жидкости (в газовую смесь или жидкость с поверхности твердого тела). Если в результате сорбционных процессов наблюдается образование новых химических веществ, то такое явление называют хемосорбцией.
1. 1. Абсорбция Поглощаемый компонент называют абсорбтивом, а поглощающую среду (жидкость) – абсорбентом. Абсорбция может сопровождаться тепловыми эффектами. Равновесие при абсорбции устанавливается с помощью закона Генри и закона Дальтона: p=x*E ; p=y*P ; где p – парциальное давление компонента (абсорбтива) в газовой смеси; x, y – мольные концентрации абсорбтива в жидкости и газе соответственно; E – константа Генри (зависит от свойств абсорбента и абсорбтива, а также от температуры); P – общее давление газовой смеси над поверхностью жидкости.
Законы Генри и Дальтона позволяют получить соотношение между мольными концентрациями абсорбтива в жидкости и газе в равновесном состоянии (уравнение линии равновесия): E y= * x=m*x ; P где m – коэффициент распределения при абсорбции (m = E/P). При небольших концентрациях растворенного компонента в жидкости (разбавленные растворы) коэффициент распределения практически не зависит от концентрации – постоянная величина. В концентрированных растворах m может существенно зависеть от концентрации – переменная величина.
Фактические концентрации переходящих компонентов в фазах определяются по рабочей линии массообменного аппарата. Движущая сила процесса абсорбции определяется на основе сопоставления линии равновесия и рабочей линии. Аппараты для абсорбции подразделяются на поверхностные, пленочные, насадочные и барботажные (тарельчатые) адсорберы. В поверхностных абсорберах газ проходит над поверхностью неподвижной или медленно движущейся жидкости. Поверхность взаимодействия фаз (межфазная поверхность) в таких аппаратах относительно мала, поэтому они используются для хорошо растворимых газов.
В пленочных абсорберах межфазная поверхность образуется стекающей пленкой жидкости. Пленочные абсорберы, в свою очередь, подразделяются на трубчатые, плоскопараллельные и с восходящим движением пленки. В трубчатых абсорберах жидкость стекает по поверхности вертикальных труб, а в плоскопараллельных – по поверхности вертикальных пластин. При этом в обоих случаях газ движется вверх (реализуется противоток). В абсорберах с восходящим движением пленка поднимается по внутренней поверхности вертикальных труб за счет высокой скорости движущегося вверх газового потока (реализуется прямоток).
В насадочных абсорберах колонна заполняется насадкой – твердыми телами различной формы, уложенными на опорные решетки. Жидкость равномерно распределяется по насадке и стекает вниз по элементам насадки (телам) в виде пленки, контактируя с восходящим потоком газа. Барботажные (тарельчатые) абсорберы представляют собой вертикальные колонны, внутри которых на определенном расстоянии размещены горизонтальные перегородки – тарелки. Жидкая фаза последовательно перетекает с верхних тарелок на нижние. Газ движется снизу вверх, последовательно проходя через отверстия в тарелках, благодаря чему на тарелках образуется барботажный слой. Типы и конструкции тарелок весьма разнообразны.
1. 2. Адсорбция Поглощаемый компонент называют адсорбтивом, а поглощающее вещество (твердое тело) – адсорбентом. Адсорбция может сопровождаться тепловыми эффектами. В качестве адсорбентов используют активированный и костный уголь, силикагель (обезвоженный гель кремниевой кислоты), целлюлозу, цеолиты (алюминосиликаты), иониты (используются при ионообменной адсорбции). Общим свойством адсорбентов является высокая пористость, что обеспечивает развитую поверхность твердого вещества. Для этой же цели адсорбенты используют в мелкозернистом виде.
Важной характеристикой адсорбентов является их поглощательная (адсорбционная) способность – количество поглощенного адсорбтива на единицу массы или объема адсорбента. Линия равновесия при адсорбции обычно определяется на основе опытных данных и часто характеризуется степенной зависимостью: y = k * xn , где x и y – средние концентрации адсорбтива в твердой и жидкой (газовой) фазе соответственно; k и n – экспериментально определяемые коэффициенты (зависят от вида адсорбента и адсорбтива, а также от температуры). Аппараты для адсорбции, как правило, содержат неподвижный слой адсорбента, через который проходит жидкость или газовая смесь.
2. Перегонка Перегонкой называют частичное испарение смеси компонентов с различной степенью летучести с последующей конденсацией паров. Концентрация более летучего компонента в паре оказывается выше, чем его концентрация в исходном растворе. В результате после конденсации паров получают смесь, обогащенную более летучим компонентом. Перегонка в общественном питании используется для анализа состава и качества сырья и готовой продукции. В пищевой промышленности перегонка применяется в спиртовом и ликеро-водочном производстве, а также в виноделии.
Сконденсированные пары называют дистиллятом. Неиспарившуюся часть жидкой смеси – остатком (кубовым остатком). В случае однократного частичного испарения смеси с последующей конденсацией паров процесс называют простой перегонкой. При многократном частичном испарении жидкости и конденсации паров в условиях непрерывного контакта потоков жидкости и пара процесс называют ректификацией. При ректификации в паровую фазу испаряются преимущественно легколетучие компоненты, а в жидкую фазу конденсируются преимущественно компоненты с малой летучестью.
Равновесные концентрации компонентов в жидкой и в паровой фазах устанавливаются на основе законов Рауля и Дальтона: p = Pa * x , p=P*y , где p – парциальное давление компонента в газовой смеси; Pa – давление паров чистого компонента при той же температуре; x , y – мольные концентрации компонента в жидкой и паровой фазах; P – общее давление паров над поверхностью жидкости.
На основе законов Рауля и Дальтона получают уравнение равновесия: y= Pa x , P Фактические концентрации переходящих компонентов в фазах определяются по рабочей линии массообменного аппарата. Движущая сила процесса перегонки определяется на основе сопоставления линии равновесия и рабочей линии. Простая перегонка осуществляется в установках, основой которых являются перегонные кубы (емкости с системой подогрева). Ректификация осуществляется в ректификационных колоннах.
3. Экстракция – это извлечение одного или нескольких компонентов из растворов или твердых тел с помощью избирательно действующих растворителей. В общественном питании экстракция имеет место при варке бульонов, кофе, заварке чая. В пищевых производствах экстракция применяется при извлечении сахара из свеклы, растительного масла из масличного сырья, при производстве вина, пива, крахмала, растворимых кофе и чая.
Различают экстракцию в системе жидкость – жидкость и в системе твердое тело – жидкость. В первом случае растворитель смешивается с жидкой средой и растворяет один или несколько компонентов. В дальнейшем происходит отделение растворителя и выделение из него растворенного вещества. Во втором случае на первой стадии происходит движение растворенного компонента к поверхности твердого тела (массопроводность); на второй стадии – перенос компонента с поверхности твердого тела в жидкость (массоотдача). Типы и конструкции экстракторов в различных отраслях промышленности весьма разнообразны.
4. Сушка является тепло-массообменным процессом, предназначенным для обезвоживания материалов. В процессе сушки к материалу подводится теплота, в результате чего происходит испарение влаги с поверхности материала. Влага с помощью сушильного агента (чаще всего воздуха) отводится от продукта. В процессе испарения влаги происходит постепенное углубление поверхности испарения внутрь материала. Сушке подвергаются сахар-песок и рафинад, молоко, дрожжи, крахмал, сухари, макароны, фруктовые пюре и пасты, овощи, какао-бобы и другие изделия. Сушка способствует сохранности и транспортабельности изделий.
По энергии связи влаги с материалом различают механически связанную влагу (влагу капилляров), физико-механическую (адсорбированную, осмотическую, структурную) и химическую (молекулярно связанную с веществом воду). При сушке, как правило, удаляется механическая и частично физико-механическая влага. На начальных стадиях сушки удаляется менее прочно связанная влага, затем более прочно связанная. При этом скорость удаления влаги (скорость сушки) постепенно замедляется.
l l l Способы сушки: конвективная сушка (горячим воздухом); кондуктивная сушка (за счет соприкосновения с нагретой поверхностью); радиационная сушка (в инфракрасных лучах); диэлектрическая сушка (в электромагнитном поле высокой и сверхвысокой частоты); сублимационная сушка (в вакууме при низких температурах, при непосредственном испарении замерзшей влаги). Аппараты для сушки подразделяются на ленточные, вальцовые, распылительные и предназначенные для сушки в псевдоожиженном слое.
5. Кристаллизация и растворение Кристаллизацией называется выделение твердой фазы в виде кристаллов из раствора или расплава. Кристаллы имеют различную геометрическую форму и ограничены плоскими гранями. Каждому химическому соединению соответствует одна или несколько кристаллических форм. Явление образования нескольких кристаллических форм называется полиморфизмом. Кристаллы, включающие молекулы воды, называются кристаллогидратами.
Кристаллизацию проводят, понижая растворимость кристаллизуемого вещества понижением температуры раствора или испарением части растворителя. В производственных условиях кристаллизация состоит из следующих операций: собственно кристаллизации, отделения кристаллов от маточных растворов, перекристаллизации (в случае необходимости), промывки и сушки кристаллов. Кристаллизация является завершающей стадией производства сахарного песка, глюкозы, лимонной кислоты и др. В ряде случаев требуется создать условия, при которых кристаллизация не допускается (производство карамели). В других случаях кристаллизация способствует основному технологическому процессу (образование мелкокристаллической сахаро-яблочной корочки на поверхности мармелада).
Растворение – это процесс, обратный кристаллизации. Растворение предполагает взаимодействие растворителя с твердым телом только по его внешней поверхности. При этом не должно происходить образования остаточной пористой структуры (скелета) или шлама (нерастворимого остатка). В ряде пищевых производств растворение имеет самостоятельное значение (растворение сахара-песка при производстве рафинада, соли – в хлебопекарном производстве и т. п. ). Путем чередования процессов кристаллизации и растворения (перекристаллизации) можно получить наиболее чистый продукт, например сахар-рафинад. В общественном питании растворение имеет место приготовлении сахарных сиропов, рассолов, при выработке кулинарных изделий, в состав которых входят сахар, соль и другие растворимые компоненты.
Скачать презентацию Отдельные виды массообменных процессов Лекция 12
ПАПП Лекция 12.ppt