Лекція 17-18 5. МАСООБМІННІ ПРОЦЕСИ ТА АПАРАТИ

Лекція 17-18

5. МАСООБМІННІ ПРОЦЕСИ ТА АПАРАТИ

5.1. ОСНОВНІ ЗАКОНОМІРНОСТІ МАСООБМІНУ

5.1.1. Класифікація процесів масообміну

Під масообмінними процесами розуміють процеси переходу однієї або декількох речовин з однієї фази в іншу через межу їхнього розділу в напрямі досягнення системою рівноважного стану. Цей перехід речовин відбувається завдяки молекулярній і конвективній дифузіям, тому такі процеси часто називають дифузійними. До масообмінних процесів відносять: абсорбцію, адсорбцію, екстрагування, перегонку, ректифікацію, кристалізацію, розчинення, сушіння та ін. Наведемо їх стислу характеристику та сфери використання.

Абсорбція - процес вибіркового поглинання компонентів газової (парової) суміші рідким поглиначем - абсорбентом, тобто має місце перехід речовини з газової (або парової) фази в рідку. Використовується в цукровому (сатурація), консервному (сульфітація), виноробному та інших виробництвах. Адсорбція - процес вибіркового поглинання компонентів газової, парової або рідкої суміші твердим поглиначем - адсорбентом. Широко використовується для очищення різноманітних харчових продуктів, наприклад, водо-спиртових сумішей, цукрових розчинів, рослинної олії від фарбуючих речовин. Процеси абсорбції та адсорбції часто об'єднують загальною назвою - процеси сорбції.

Екстрагування - процес вибіркового добування речовини з рідкої суміші або твердого тіла рідиною - екстрагентом; при цьому речовина з рідкої або твердої фази переходить у рідку. Екстрагування є основним процесом цукробурякового та масложирового виробництв. Використовується в ресторанному господарстві, лікеро-горілчаному, крохмале-патоковому, консервному, пивоварному та інших виробниц-твах.

Перегонка - процес розділення рідких (газових, парових) сумішей шляхом випаровування (конденсації) частини вихідної рідкої (газової, парової) суміші. Перегонка реалізується за наявності парової (газової) і рідкої фаз у системі.

Ректифікація - процес розділення рідких сумішей на окремі компоненти або суміші (фракції) шляхом взаємодії потоку пари і рідини. Під час ректифікації завжди існує дві фази - рідка і парова. Процеси перегонки і ректифікації застосовуються в спиртовому, лікеро-горілчаному, ефіроолійному, масложировому та інших виробництвах.

Кристалізація — виділення твердої фази у вигляді кристалів з перенасичених розчинів. Відіграє важливу роль у виробництві цукру, глюкози, кухонної солі та ін. Розчинення - перехід твердої фази в рідку (розчинник). Використовується в усіх галузях харчової промисловості та ресторанному господарстві.

Сушіння - вилучення вологи з твердих, пластичних і рідких матеріалів шляхом її випаровування; при цьому волога переходить з матеріалу, який висушується, у парову або газову фазу. Широко використовується в консервному, харчоконцентратному, молочному та інших виробництвах. За виглядом фаз масообмін класифікується на процеси в системі: - газ (пара) - рідина: абсорбція, ректифікація; - газ (пара) - тверде тіло: сушіння, адсорбція газів; - рідина - тверде тіло: екстрагування з твердих тіл, кристалізація, розчинення; - рідина - рідина: рідинна екстракція. За способом контакту між фазами процеси можуть здійснюватися: - безпосереднім контактом фаз; - контактом через напівпроникні мембрани; - без межі розділу фаз. За способом взаємодії фаз розрізняють масообмін прямотечійний, протитечійний та змішаний. За структурою робочого циклу розрізняють масообмінні процеси періодичні та безперервні. Процеси можуть бути також стаціонарними і нестаціонарними. Як правило всі періодичні процеси є нестаціонарними.

5.1.2. Способи масопередачі

Перехід речовини з однієї фази в іншу здійснюється шляхом молекулярної і конвективної дифузій, а також термодифузії та бародифузії.

Молекулярна дифузія - це перехід речовини з однієї фази в іншу внаслідок хаотичного руху молекул у нерухомому рідкому (газоподібному) середовищі або в ламінарному потоці. Здійснюючи безладний рух, молекули будь-якого компонента рідини (газу) переходять з області з високою концентрацією в місце з меншою концентрацією. Якщо з посудини (рис. 5.1), що містить у різних камерах пофарбований розчин КМпО4 і воду, вийняти перегородку, то через короткий час відбудеться змішування рідин так, що в обох половинках посудини розчин матиме однакові забарвлення і концентрацію. Переміщення розчиненої твердої речовини КМп04 з однієї камери посудини в іншу почалося внаслідок різниці її концентрації і закінчилося, коли в кожній точці посудини концентрація стала однаковою - рівноважною.

Рушійною силою процесу масообміну, або масопередачі, є різниця між робочими і рівноважними концентраціями розчину.

Прикладом молекулярної дифузії є й процес перенесення аерозолю, що розпилюється з балону в нерухомому повітрі кімнати. Аерозоль з місця розпилення розповсюджується по всій кімнаті. Аналогічно мокрий одяг, який знаходиться в кімнаті, в кінцевому підсумку висихає, оскільки водяна пара з високою концентрацією, оточуюча одяг, дифундує в більш сухе повітря.

Молекулярна дифузія підкоряється закону Фіка, відповідно до якого кількість речовини М, що дифундує через шар, прямо пропорційна поверхні шару, тривалості процесу т, різниці концентрацій по обидва боки шару C і обернено пропорційна товщині шару.

Коефіцієнт молекулярної дифузії залежить від властивостей дифундуючої речовини, температури, тиску і концентрації.

У чистому вигляді молекулярна дифузія спостерігається лише в нерухомому середовищі.

Конвективна дифузія спостерігається в тих випадках, коли перенесення речовини відбувається в рідині або газі під час їхнього перемішування або турбулентного руху. При цьому перенесення речовини відбувається як за рахунок броунівського руху молекул (молекулярної дифузії), так і за рахунок перенесення більших частинок, утворених з багатьох молекул. Внаслідок цього під час конвективної дифузії швидкість переміщення речовини у багато разів переважає швидкість переміщення речовини під час молекулярної дифузії. Процес конвективної дифузії можна спостерігати, якщо в посудині (рис. 5.1) встановити мішалку і після вилучення перегородки включити її.

Конвективна дифузія підкорюється закону Щукарьова, згідно з яким кількість речовин, яка переходить від поверхні розділу фаз у середовище, що її приймає (потік, що рухається), пропорційна поверхні поділу, часу і різниці концентрацій перехідної речовини в поверхні поділу і центрі потоку, що рухається.

Розглянуті нами молекулярна і конвективна дифузії, називаються концентраційними, оскільки їхньою рушійною силою є різниця концентрацій речовини, що переміщається. На відміну від них, існують термічна дифузія (термодифузія) і бародифузія.

Термодифузія (ефект Соре) - молекулярна дифузія, що являє собою переміщення частинок речовини внаслідок перепаду температур у рідкому (газовому) середовищі.

Якщо, наприклад, між гарячою й холодною поверхнями знаходиться рідка (газова) суміш, що містить компоненти з різною густиною, то під впливом різниці температур важчий компонент 1 починає рухатися до холодної поверхні, а легкий компонент назустріч йому до нагрітої поверхні. У результаті термодифузії в рідині (газі) відбудеться розподіл компонентів на дві фракції: група компонентів, що володіють більшою густиною, збереться біля холодної поверхні, речовини з меншою густиною - біля гарячої. Роль явища термодифузії в харчовій технології надто істотна, особливо під час сушіння пористих колоїдних матеріалів.

Отже, якщо напрями концентраційної дифузії й термодифузії збігаються, то швидкість дифузії дорівнює сумі швидкостей перенесення маси, що створюються різницею концентрацій і різницею температур. Якщо напрямки різноманітні, то термодифузія буде послаблювати концентраційну дифузію.

Бародифузія - молекулярна дифузія, що спричинюється неоднорідністю тиску.

Помітимо, що під час помірних перепадів температур і тиску (випадок найчастіше трапляється в інженерній практиці) термо- і бародифузією можна зневажити порівняно з концентраційною дифузією. Як уже відзначалося, цілий ряд масообмінних процесів (сушіння, екстрагування, адсорбція та ін.) визначаються перенесенням речовини всередині твердих тіл, структура яких характеризується певною пористістю. Масоперенесення в твердій фазі має місце і під час приготування продуктів харчування шляхом їх теплового оброблення, тобто варення і смаження. Це перенесення здійснюється шляхом масопровідності, при цьому всередині пор твердої фази діє, як правило, лише механізм молекулярної дифузії.

5.1.3. Рівняння масопередачі

Більшість масообмінних процесів протікає між двома фазами, які перебувають між собою в безпосередньому контакті. Саме тому перенесення речовини з однієї фази в іншу проходить в декілька стадій: перенесення всередині однієї з фаз з глибини її до поверхні поділу фаз, перехід через межу поділу фаз і перенесення від межі поділу фаз углиб другої фази. Перенесення маси в межах однієї фази до межі поділу фаз або від неї називають масовіддачею, а загальний процес перенесення маси з однієї фази в іншу - масопередачею. Під час масопередачі можуть мати місце два типових варіанта: один, характерний для систем газ - рідина і рідина - рідина, тобто систем без твердої фази, і другий, характерний для систем із твердою фазою (тверде тіло - рідина, тверде тіло - газ). Є ряд теорій перенесення маси: плівкова, проникності, оновлення поверхні фазового контакту, міжфазової турбулентності та ін. В основі їх лежать різні спрощені моделі перенесення маси поблизу поверхні фазового контакту. Не зупиняючись на їхній суті, відзначимо, що всі запропоновані теорії масоперенесення - це тільки більш-менш вдалі спроби описати ті складні явища, що існують насправді, і кожна з теорій не може вважатися повною. За основу більшості теоретичних моделей покладено такі допущення:

1) загальний опір перенесенню маси з однієї фази в іншу складається з опору двох фаз і опору поверхні поділу фаз; останній у більшості випадків вважають рівним нулю;

2) на поверхні поділу фази знаходяться в рівновазі, причому рівновага на межі фаз установлюється значно швидше від зміни середньої концентрації в ядрі фаз.

Процеси масообміну і теплообміну мають багато спільного. Так, явища тепловіддачі та теплопровідності подібні відповідно процесам масовіддачі і молекулярній дифузії.

Процеси теплота масообміну супутні один одному. Теплообмін є часто причиною виникнення та прискорення масообміну. Прикладами такого тісного взаємозв'язку є випарювання, сушіння, кристалізація та інші процеси харчових виробництв.

Питання для самоперевірки

1. Наведіть приклади процесів масопередачі.

2. Чому речовина, що розподіляється в рідкому чи газовому середовищі, переходить із області з більшою концентрацією в область з меншою концентрацією?

3. Чому щоб розчинити цукор у склянці його перемішують ложечкою?

4. У чому виявляється аналогія в перенесенні теплоти і маси?

5. Від чого залежить швидкість процесу масопередачі?

6. Як визначають рушійну силу в процесах масоперенесення?

7. Які процеси називаються масообмінними і чому їх називають дифузійними? Охарактеризуйте сутність цих процесів.

8. Наведіть основні закони дифузії. Від чого залежить процес молекулярної дифузії? Що являється основою теорії дифузії?

9. Що є фізичною причиною процесу дифузії? Що розуміють під молекулярною і конвективною дифузією і в чому їх різниця?

10. Покажіть існуючу аналогію теплових і дифузійних явищ.

11. У чому суть теорії перенесення маси і термодифузії?

12. Масовіддача та масопередача. Сформулюйте їх сутність.

5.2. ПРОЦЕСИ СОРБЦІЇ

5.2.1. Процес абсорбції та апаратура

Абсорбцією називається масообмінний процес поглинання газу (пари) або вибіркового поглинання окремих компонентів з газової (парової) суміші рідкими поглиначами. Компоненти газової (парової) суміші, що абсорбуються, називаються абсорбтивом, рідкий поглинач - абсорбентом, частина газової (парової) суміші, що не абсорбується - інертом. Якщо поглинання абсорбтива здійснюється шляхом його розчинення в абсорбенті, то такий процес називається фізичною абсорбцією. Коли розчинення абсорбтива супроводжується хімічною реакцією між ним і абсорбентом, то цей процес називається хемосорбцією. Зворотний процес виділення з абсорбенту поглинутих газів або окремих компонентів називається десорбцією. При цьому відбувається регенерація абсорбенту. У промисловості десорбцію здійснюють у тому випадку, якщо поглинута речовина є цінним продуктом або абсорбент являє собою дефіцитний і дорогий матеріал, що використовується повторно. Для проведення процесів абсорбції застосовують абсорбенти, що володіють вибірковою, селективною спроможністю. Вибіркова спроможність абсорбентів дозволяє проводити розподіл найскладніших газових сумішей шляхом підбору таких абсорбентів, що абсорбують тільки один певний компонент. Абсорбцію широко застосовують у харчових виробництвах для таких процесів: - для насичення води, безалкогольних напоїв, пива і деяких видів вин вуглекислим газом; - для уловлювання пари етилового спирту з газів, що виділяються під час бродіння в спиртовому і виноробному виробництвах; - для одержання розчину сірчистої кислоти з сірчаного газу, що використовується під час замочування зерна в крохмало-паточному виробництві, під час сульфітації цукрового соку і сиропу (з метою зниження їх кольоровості), виноградного соку (з метою запобігання зброджування під час зберігання), плодів і овочів (з метою консервування і запобігання від потемніння); - для зменшення вологості повітря в сховищах, складських приміщеннях, лабораторному обладнанні з використанням абсорбентів - концентрованих кислот; - для охорони навколишнього повітряного середовища від шкідливих викидів промислових підприємств. Процеси абсорбції (поглинання) газоподібного аміаку водою і десорбції водоаміачного розчину лежать в основі роботи абсорбційної холодильної машини.

Відзначимо, що інколи процес абсорбції є явищем небажаним. Наприклад, 1 літр олії під час охолоджування обжарювальної печі абсорбує 10-12 см повітря. Десорбція повітря з олії пов'язана з його перегрівом, бо починається тільки за температури 180°С.

Фізична сутність процесу абсорбції полягає в розчиненні газів у рідині, що залежить від властивостей абсорбенту і абсорбтиву, парціального тиску газу, або окремого компонента в газовій (або паровій) суміші, що розчиняється, а також від температури процесу.

Залежність між розчинністю газу та його парціальним тиском висловлюється законом Генрі, згідно з яким розчинність газу за даної температури прямо пропорційна парціальному тиску газу над рідиною.

Апарати, призначені для проведення абсорбційних процесів, називають абсорберами.

Абсорбція протікає на поверхні стикання взаємодіючих фаз. Тому абсорбери повинні мати розвинуту поверхню контакту фаз між газом і рідиною. За способом утворення цієї поверхні розрізняють три основні групи абсорберів, а саме:

1) апарати, в яких поверхня контакту утворюється в процесі руху потоків рідини і газу;

2) апарати, в яких газ і рідина стикаються на поверхні, що створюється тілами тієї або іншої форми (фіксованою поверхнею);

3) апарати, в яких контакт між фазами створюється за допомогою механічного впливу на фази.

Усі абсорбери є апаратами безперервної дії

Рідина надходить через патрубок, рухається по внутрішній поверхні трубок у вигляді тонкої плівки і виходить через патрубок. Назустріч їй знизу вгору піднімається газ, підлягаючий розподілу. Входить газ в абсорбер через патрубок, виходить - через патрубок. Для відведення теплоти, що виділяється в процесі абсорбції, через міжтрубний простір апарата пропускають охолоджувальний агент Q. Розпилювальні абсорбери працюють за принципом контакту фаз у результаті розпилювання або розбризкування рідини в газовому потоці. Найпростішим прикладом такого апарата є порожнистий розпилювальний абсорбер з механічними форсунками. Часто форсунки встановлюють по всій висоті абсорберу. Розпилювальні абсорбери застосовуються для абсорбції добре розчинних газів. Такого типу абсорбційний пристрій застосовується в сатураційній установці автоматів з приготування газованої води. Абсорбер з механічним перемішуванням, що інколи називається скрубером, складається з валу, на який насаджено ряд дисків з металевої сітки. У нижній частині абсорберу є піддон, згори вал з дисками закривається кожухом.

У піддон підводиться і відводиться рідина, в кожусі є штуцери для підведення і відведення газу. Рідина і газ рухаються в апараті протитечією. Під час обертання валу рідина підбирається з нижньої частини і розбризкується сітками, внаслідок чого досягаються значний розвиток поверхні, добрий контакт між фазами і, отже, ефективна робота апарата. Проте механічні абсорбери складні за конструкцією і в експлуатації, потребують підвищеної витрати енергії. Розрахунок абсорберів полягає у визначенні витрати абсорбенту, гідравлічного опору, діаметра і висоти апарата. При цьому звичайно відомі витрата газу, склад, початкова і остаточна концентрації газової суміші, початкова концентрація газу в абсорбенті.

5.2.2. Процес адсорбції та апаратура

Адсорбцією називається процес вибіркового поглинання одного або декількох компонентів з газової, парової або рідкої суміші твердою речовиною - адсорбентом. Речовина, яка поглинається з газу або рідини, називається адсорбтивом, а після її переходу в фазу адсорбента - адсорбатом. Поглинання під час адсорбції здійснюється поверхнею твердого пористого тіла. Розрізняють суто фізичну адсорбцію, за якої молекули речовини, що адсорбується, і адсорбенту не вступають у хімічну реакцію, і хемосорбцію, коли між адсорбентом і поглинаючою речовиною виникає хімічний зв'язок. Хемосорбція в процесах харчової технології трапляється дуже рідко. Процес фізичної адсорбції зворотний, і під час зміни умов процесу можливе виділення поглинутих речовин адсорбентом - десорбція; хемосорбція не завжди буває зворотною. Під час адсорбції водяної пари на поверхні адсорбенту може відбуватися її конденсація. Конденсат заповнює пори адсорбенту, у зв'язку з чим адсорбцію в цьому випадку часто називають капілярною конденсацією. Явище адсорбції зумовлене силами взаємодії, що виникають між молекулами адсорбтиву і адсорбенту на поверхні поділу фаз. Між частинками (атомами, молекулами, іонами) твердого адсорбенту є надто значні сили взаємного зчеплення. Ці сили всередині твердого поглинача взаємно компенсуються і тому не виявляються як адсорбційні. Зовсім інший стан у частинок твердого тіла, які знаходяться на межі поділу фаз: з боку молекул твердого тіла на них діють ті самі сили, а аналогічні зв'язки з боку іншої фази відсутні, тобто молекули на поверхні твердого тіла не врівноважені, завдяки чому вони набувають спроможності притягати до себе і утримувати молекули іншої фази. Молекули інших речовин (газу, пари, рідини) створюють на адсорбенті адсорбційний шар. Сили взаємодії між молекулами адсорбенту і адсорбата залежно від природи цих речовин можуть бути різними, але найчастіше вони зв'язані з електростатичними ефектами (сили Ван-дер-Ваальса). Процес адсорбції звичайно супроводжується виділенням значної кількості теплоти. Це вказує на те, що процес адсорбції не є просте осідання молекул газу або рідини на поверхні твердого тіла, а є більш складним процесом, що супроводжується змінами в стані молекул адсорбенту і адсорбтива. Встановлено, що згідно з основним рівнянням масообміну, кількість речовини, адсорбованої на поверхні твердого адсорбенту, зростає прямо пропорційно величині поверхні контакту. Отже, основна вимога, що подається адсорбенту, полягає в тому, щоб він мав розвинуту поверхню. Як і всякий процес сорбції, адсорбція прискорюється при зниженні температури і підвищенні тиску. Під час підвищення температури збільшується амплітуда коливання молекул в адсорбційному шарі, внаслідок чого вони залишають поле притягання адсорбенту і настає десорбція. У харчових виробництвах адсорбція застосовується для таких процесів: - очищення дифузійного соку і цукрових сиропів у цукровому виробництві; - освітлення пива в пивоварному виробництві, фруктових соків -у консервному, вина - у виноробстві; - очищення води, спирту, горілки, коньяку в спиртовому і лікеро-горілчаному виробництвах; - очищення сиропів у крохмало-потоковому виробництві; - знебарвлення (назване відбілюванням) жирів у масло-жировому виробництві; - під час рафінування олій; - під час осушення та очищення газів, стічних вод та інших відходів виробництва.

Адсорбенти, що використовуються в харчових виробництвах, повинні мати такі основні властивості:

- вибірність (селективність) - спроможність поглинати тільки той компонент, що необхідно виділити або усунути із суміші;

- максимальну адсорбційну ємність (активність);

- спроможність гранично десорбуватися, необхідну для регенерації адсорбенту;

- здатність володіти хімічною інертністю за відношенням до речовин, які поглинаються;

- достатню міцність гранул, низьку вартість.

Вибірність адсорбенту і його адсорбційна ємність залежать від природи і побудови молекул адсорбенту та адсорбтиву. При цьому особливо важливу роль відіграє величина питомої поверхні (поверхня одиниці маси або об'єму адсорбенту) і розміри пор адсорбенту, які значною мірою пов'язані між собою: чим менший розмір пор, тим більша питома поверхня адсорбенту і, відповідно, його активність.

Адсорбенти мають пористу структуру і тому дуже розвинуту поверхню. Вони характеризуються поглинаючою спроможністю, що визначається кількістю речовини, поглиненої одиницею маси або об'єму адсорбенту.

При цьому розрізняють статичну і динамічну спроможності. Максимально досяжна за заданих умов поглинаюча спроможність адсорбенту називається його рівноважкою активністю.

Як адсорбенти в харчовій технології широко використовують активне вугілля, силікагелі, алюмогелі, цеоліти, глини та інші природні матеріали.

Наведемо стислу характеристику основним видам адсорбентів. Активне вугілля одержують внаслідок сухої перегонки відповідної органічної сировини (кам'яного вугілля, деревини, тирси, кісточок з фруктів, відходів шкіряного, паперового, м'ясного виробництв) з наступним вилученням смолистих речовин з пор цієї сировини.

5.2.3. Процеси десорбції

Як уже було сказано, виділення поглинутого компонента з розчину (абсорбенту) або з поверхні твердого адсорбенту називається десорбцією. Десорбційні процеси мають подвійне призначення. Вони застосовуються для відновлення поглинальних (сорбційних) властивостей абсорбентів і адсорбентів з метою їхнього повторного використання, а також для добування з них абсорбтивів і адсорбтивів з метою їхньої подальшої переробки. Десорбція є важливою частиною абсорбційних і адсорбційних процесів, які проводяться в замкненому циклі; на практиці, як правило, десорбція здійснюється відразу після їхнього завершення. Десорбція проводиться такими основними способами: - підвищенням температури сорбентів (абсорбентів і адсорбентів); - зниженням загального тиску в системі або парціального тиску сорбтивів (абсорбтивів і адсорбтивів); - продуванням нагрітим газом або перегрітою парою; - витисненням поглинутих компонентів іншою речовиною, що має вищу поглинальну здатність, але легко після цього видаляється одним з простих способів десорбції. Останній спосіб відноситься до комбінованого. Можливі й інші способи комбінованої десорбції. Спосіб десорбції вибирається залежно від системи, що обробляється. Як десорбуючий агент найчастіше використовують водяну пару.

Питання для самоперевірки

1. Сорбційні процеси, використання їх у харчовій промисловості.

2. Сутність процесу абсорбції.

3. Сутність процесу адсорбції.

4. Дайте характеристику способам десорбції. З якою метою вони застосовуються?

5. Наведіть схему абсорбера плівкового типу.

6. Залежність між розчинністю газів у рідині і тиском.

7. Наведіть приклади адсорбційності продуктів харчування.

8. Як здійснюється процес адсорбції та якими паралельними процесами він супроводжується? Що є рушійною силою процесу?

9. Назвіть відомі вам адсорбенти.

10. Типи адсорбентів, які застосовуються в харчовій промисловості, та вимоги, які пред'являються до них.