Всеволод Николаевич Стабинков
Виктор Маркович Лысянский
Владимир Дмитриевич Попов
Процессы и аппараты
пищевых производств
*** 1985 ***
|
ФPAГMEHT КНИГИ (...) Низкочастотные механические колебания позволяют так же существенно интенсифицировать процесс экстрагирования.
Если в процессе противоточного экстрагирования участвует только 20 — 25% всей внешней поверхности частиц, то блаюдаря низкочастотным механическим колебаниям при оптимальных их параметрах активная поверхность частиц приближается к 100%. На снижение внутреннего диффузионного сопротивления для ряда материалов, которые в значительной степени теряют свою упругость в процессе экстрагирования (цикорий, чай, ферменты и др.), может повлиять систематический отжим материала, например при переходе его нз одной ступени в другую. При этом процесс экстрагирования значительно ускоряется. Влияние на процесс экстрагирования ультразвука и электро-импульсных воздействий пока мало изучено. Однако предварительные исследования показали, что электрпимпульсные воздействия могут существенно ускорить процесс. Отжим растительного сырья, особенно отделение от частиц жидкости при перемещении их из секции в секцию в горизон- талышх секционных аппаратах, способствует уменьшению внешнего диффузионного сопротивления и соответственному ускорению процесса экстрагирования. По режиму работы экстракторы Делятся на периодические, полунепрерывные п непрерывные. По взаимному направлению движения экстраген га и твердых частиц — на прогивоточные, прямоточные, с замкнутым периоди чсским процессом, процессом идеального смешения, процессом в слое и комбинированными процессами. По виду циркуляции — на экстракторы с однократным прохождением экстрагента, с рециркуляцией экстрагента и оросительные. По давлению в экстракторе на атмосферные, вакуумные и работающие под давлением. По свойствам твердых частиц, участвующих в процессе, — на экстракторы для крупнозернистых, мелкозернистых, гонкодисперсных, пастообразных, волокнистыл и других материалов По конструкции исновные тины экстракторов классифицируются но неоднородным признакам: по виду корпуса аппарата — ¦ колонные и камерные, по виду транспорт органа — шнековые, лопастные, ценные, ковшовые, ротационные, ленточные; по расположению корпуса аппарата — на горизонтальные, вертикальные и наклонные. По гидродинамическому характеру процесса, протекающего в аппарате, — на аппараты с неподвижным слоем твердых частиц, движущимся слоем и кипящим слоем. В название аппарата обычно входит один из перечисленных выше при знаков, хотя в его конструкции имеются и другие важные конструктивные признаки, поэтому обычно название аппарата далеко ие полно характеризует его основные конструктивные особенности. Наиболее общая классификация экстракторов по конструктивному принципу включает такие их типы: колонные, ротационные, шнековые (двухшнековые наклонные), оросительные, аппараты с кипящим слоем, камерные и батарейные. Колонные аппараты. Процесс в них протекает противоточно и непрерывно, вся масса частиц постоянно находится в жидкой фазе. Такие аппараты занимают малые площади, обладают, как правило, малой металлоемкостью (все внутреннее пространство аппарата используется полезно). В зависимости от количества колонн аппараты делятся на одноколонные н многоколонные. По расположению основного корпуса (корпусов) — на вертикальные и горизонтальные и по виду транспортного органа на лопастные, шнековые н ценные. Одноколонный аппарат (рис. XXII 12) имеет лопасти, винтообразно расположенные на вертикальном валу, и контрлопасти, закрепленные внутри корпуса между лопастями и препятствующие вращению массы твердых частиц вместе с палом. При такой конструкции транспортного органа возникает определенная рециркуляция жидкости и твердых частиц, нарушающая противоток. Сложной является система поступления твер т.ых частиц в аппарат (нагнетание обогащенной жидкостью смеси твердых частиц). Имеет место значительное дробление твердых частиц при транспортировке, ухудшающее гидродинамические условия в процессе. Невозможно осуществлять подвод тепла на определенных участках аппарата. В многоколонных аппаратах со шнековым транспортным органом (рис. XXII-13) может возникать закручивание массы твердых частиц вместе с вращающимся органом, что затрудняет их транспортировку по аппарату. Имеет место повышенное дробление частиц при переходе их из одной колонны в другую, рециркуляция жидкости. В аппаратах с цепным транспортным органом (рис. XXII 1 1)F твердые частипы небольшими слоями лежат на сетках и создаются наилучшне условия для осуществления противотока. Кроме того, твердые частицы не подвергаются разрушению. Легко осуществлять заданный температурный режим по аппарату. Однако такие аппараты сложны в эксплуатации, занимают больший объем и площади помещений по сравнению с одноколонными. Кроме того, после перехода из одной колонны в другую равномерность расположения слоя частиц на сегке нарушается, что несколько нарушает гидродинамический режим взаимодействии жидкой и твердой фаз. Ротационные аппараты. Корпус аппарата (рис. XXII-15, а) вращается на опорных роликах. Внутрения полость аппарата по всей его длине разделена по диаметру перфорированной перегородкой 2 (рис. ХХП-15, б). На внутренней поверхности корпуса расположены винтовые перегородки с прямоугольными отверстиями в центральной части, не доходящие до центра аппарата. В отверстиях винтовых перегородок установлены наклонные лотки 4 (см. рис. XXI1-15, б), соединяющие между собой отдельные камеры аппарата. Аппарат заполнен смесыо частиц и жидкостью только до уровня отверстий в винтовых перегородках (примерно Ча — 1/з объема). При вращении барабана экстрагент, находящийся всегда в нижней части аппарата между сплошными винтовыми витками, перемешается вдоль аппарата, а твердые частицы увлекаются дырчатой перегородкой 2, отделяются на ней от жидкости и после определенного угла поворота барабана по наклонным лоткам 4 сползают в полость между соседними витками и таким образом перемешаются по аппарату в противоположном направлении. Процесс экстракции в каждом промежутке между витками протекает прямоточно, а переход между камерами осуществляется по принципу противотока, т. с. имеет место комбинированный процесс. Транспортная система аппарата проста и не деформирует твердых частиц. Главным недостатком аппарат» этого типа яплястся олень низкий коэффициент использования его объема, громоздкиегь и трудность поддержания необходимого температурного режима по его длине. Ленточные экстракторы. Твердые частицы перемещаются на ленте (рис. XX1I-16) или системе лент, образованных из перфорированных пластин, экс трагепт под определенным участком ленточного транспортера собирается в сборниках и с помощью насоса через специальные сопла направляется на орошение частиц на соседнем участке транспортера, расположенном в направлении, противоположном движению ленты. Частицы лежат небольшим слоем, мало деформируются. Процесс в аппарате протекает по сложной схеме: поперечный ток па каждом участке (в сущности, процесс смешения) и противоток при переходе от участка к участку. Конструкция сложная, металлоемкая, не обеспечивающая хорошего использования объема аппарата. Ремонт и обслуживание аппа- Рис. ХХ11-17. Вертикальным кошио- рзта трудоемки. У экстракторов этого типа имеются ковши с перфорированным днищем, закрепленные на непрерывно движущейся ленте. У вертикальных ковшовых экстракторов (рис. XXII-17) материал загружается сверху, в верхний ковш опускающегося ряда и орошается растворителем, частично обогащенным экстрагирующим веществом после прохождения через поднимающийся ряд ковшей. Проходя через частицы в ковше и перфорированное дно. экстрагент поступает в следующий ковш. Таким образом, в опускающемся ряду ковшей имеет место прямоточный процесс. Верхний ковш поднимающегося ряда ковшей орошается сверху чистым растворителем, следовательно, в этом ряду имеет место противоточный процесс. Жидкость, прошедшая через последний ковш этого ряда, собирается на дне аппарата и направляется в верхний ковш опускающегося ряда. Горизонтальные ковшовые экстракторы работают по тому же принципу, что и ленточные: группа ковшей одновременно орошается жидкостью, которая собирается под ковшами и направляется на орошение соседней группы ковшей, расположенной в направлении, противоположном движению транспортера. В отличие от ленточного экстрактора в ковшовом горизонтальном экстракторе используются обе его ветви. Хотя ковшовые экстракторы н более производительны, чем ленточные, они в полной море имеют те же недостатки: нарушение противотока, большие габариты, плохое использование объема аппарата. Двухшнековые наклонные аппараты (рис. XXII-18). Аппарат этого типа представляет собой корытообразный, наклонно установленный корпус с рубашками на внешней поверхности для обогрева аппарата паром. Внутри корпуса, имеющего в поперечном сечении ш-образную форму, расположены два вращающихся навстречу друг другу шнека, опирающихся на ряд равномерно расположенных но длине аппарата подшипников. Витки шнеков частично заходят один за другой, чем предотвращается вращение частиц вместе со шнеками. Перед нижней торцевой стенкой аппарата находится сито, которое вместе со стенкой образует камеру для отделения экстрагента. Сито очищается вращающимися скребками. Над головной частью аппарата находится приемный бункер, одна из стенок которого является продолжением нижней торцевой стенки аппарата. Шнеки приводятся во вращение двумя специальными приводами, установленными у нижней и верхней торцевых стенок аппарата. Для удаления частиц из аппарата в верхней части аппарата имеется колесо с черпаками. Растворитель в аппарат подастся специальными поворотными патрубками с соплами в верхней части аппарата над последними витками шнеков. Двухшноковыс наклонные аппараты имеют наименьшую из всех широко применяемых в промышленности типов экстракторов металлоемкость, занимают наименьший объем здания, имеют меньший раеход энергии и меньшую стоимость всей установки в сравнении с другими аппаратами такой же производительности. Конструкция их достаточно проста и доступна для эксплуатации и ремонта. Недостатками аппаратов этого типа являются рециркуляция частиц и экстрагента по длине аппарата, значительное дробление твердых частиц и трудности в создании необходимого температурного режима в аппарате, особенно в аппаратах больших размеров. Для подачи сырья из одной секции в другую к перегородке крепится наклонная направляющая 8, которая с целью индивидуального регулирования производительности каждой секции может поворачиваться. Аппарат снабжен паровой рубашкой 13 для поддержания заданной температуры, дозатором 2 и контрольно-измерительными приборами (ротаметром, термометрами и др.). Экстрактор работает следующим образом. Сырье с помощью дозатора подается в первую секцию. С этого момента возникает контакт фаз. В каждой секции сырье лопастями 4 перемещается вдоль оси аппарата в зону действия перегрузочных ковшей, захватывается ими и поднимается выше уровня жидкости. При этом происходит свободный сток жидкости через перфорацию в ковше и направляющем секторе 9 обратно в секцию. При дальнейшем движении ковша материал отжимается между ним и тормозящей перегородкой. Затем ковш преодолевает сопротивление тормозящей перегородки 3 и материал попадает на наклонную направляющую 3, по которой поступает в следующую секцию. К задней стенке ковша прикрепляется хвостовик 10, о который ударяется возвращающаяся в исходное положение тормозящая перегородка. При этом происходит встряхивание ковша и полное отделение от него твердой фазы. В каждой следующей секции цикл контактирования фаз, отжима и перегрузки повторяется. Из последней секции подвергшийся экстрагированию материал выгружается аналогичным образом. Экстрагент (вода) подается в последнюю секцию и через не-рсточные отверстия 11 в перегородке 6 попадает в предыдущую секцию, так как благодаря наклону корпуса уровень жидкости в каждой последующей секции выше, чем в предыдущей. Аналогичным образом экстрагент переходит далее из секции в секцию, двигаясь навстречу твердой фазе, а экстракт, имеющий максимальную концентрацию, отводится из первой секции. Переточные отверстия в перегородке очищаются ножами 5. Секционирование и огжатис жидкости в каждой секции существенно снижает степень продольного перемешивания как твердой, гак и жидкой фаз. Отжатие на каждой ступени способствует улучшению массообмсна на последующей ступени и несколько увеличивает перенос внутри материала. Все это делает аппарат высокоэффективным. Экстракторы периодического и нолупериодичсского действия применяются преимущественно в rex отраслях пищевой, мясной и молочной промышленности, где производится небольшие партии продукции разнообразного ассортимента. К основным тинам экстракторов периодического действия относятся камерные аппараты (реакторы) с механическим, пневматическим и пневмомеханическим перемешиванием, настойные чаны с неподвижным слоем твердых частиц с циркуляцией (нерколяторы) и без циркуляции экстрагента. Камерный аппарат (реактор) представляет собой сосуд цилиндрической формы с плоским или коническим днищем, выполненный из обычной или нержавеющей стали. Если экстрагент представляет собой агрессивную среду, внутренняя поверхность аппарата покрывается кислотоупорным материалом. В перколяторах, или диффузорах, экстрагирование производится жидкостью, фильтрующейся через неподвижный плотный слой частиц. Такие аппараты располагаются обычно вертикально и имеют комбинированную форму: в основной своей части — цилиндрическую, а с одного или с обоих концов форму усеченного конуса (рис. XXII-20). Верхнее отверстие служит для загрузки, нижнее — для выгрузки твердых частиц. К отверстиям с помощью специальных механических или гидравлических устройств прижимаются крышки. Циркуляция экстрагента через слой частиц обеспечивается насосом Последовательное соединение в группу лг = 4ч-16 нерколяторов позволяет проводить процесс полу-периодическн При этом он может протекать по двум схемам: 1) в течение определенного периода ВО всех аппаратах жидкость неподвижна, а затем экстрагент продвигается из аппарата в аппарат; 2) после подключения каждого последующего перколятора со свежим материалом сразу же начинается движение экстрагента, которое прерывается только на период подключения очередного аппарата. В первом случае процесс следует рассматривать как комбинированный, во втором — как приближающийся к противоточному. Главный недостаток батарей аппаратов — большие затраты ручного труда при эксплуатации, значительные потери экстрагируемого вещества (нередко частицы выгружаются вместе с последними порциями растворителя), высокая металлоемкость, трудность регулирования процесса, сложность его механизации и автоматизации. Достоинством их является то, что неподвижно лежащий слой частиц не разрушается в процессе экстрагирования. Это обеспечивает лучшие гидродинамические условия процесса и более высокое качество экстрак га, позволяет создать любой температурный режим, поскольку экегргмот одного аппарата в другой через теплообменник. Применять единичные перколяторы целесообразно в случаях, когда процесс протекает особенно длительно, а также при получении экстрактивных веществ в малых количествах, но многих наименований. Наиболее эффективными среди периодически действующих экстракторов являются аппараты с кипящим слоем. Для обеспечения низких температур экстрагирования (30 — 60иС) кипение в них осуществляют под вакуумом. ¦Образовавшиеся нары направляются в дефлегматор (холодильник), откуда конденсат возвращается в экстрактор. Благодаря кипению интенсифицируется массооб-мен у поверхности раздела фаз, а замкнутый характер процесса позволяет сохранить все экстрактивные, в том числе и летучие, вещества, что улучшает качество продуктов и снижает потери. По конструкции аппарат с кипящим слоем имеет много общего с вертикальным выпарным аппаратом периодического действия. Главная отличительная его особенность — наличие Двух люков для загрузки и выгрузки сырья и сита над сливными отверстиями (рис. ХХП-21). Кроме экстрактора в установку входит дефлегматор и вакуум-насос. Многочисленность конструкций экстракторов связана с большим разнообразием видов сырья, перерабатываемого в этих аппаратах. Если, например, твердые частицы легко разрушаются в процессе экстракции, то необходимо применять экстракторы оросительного типа, при частиках малоупругих и склонных к слеживанию предпочтительно применение многоколонных и двух-шнсковых аппаратов. Определенное значение имеет и то, что ни одна из существующих конструкций экстракторов не отвечает всем требованиям, предъявленным к аппаратам этого типа: протекание строго про-тивоточного процесса с малым внешним диффузионным сопротивлением при малых размерах частиц, минимальная металлоемкость, малые габаритные размеры аппарата, простота конструкции, доступность для эксплуатации и ремонта. При экстракции в системе жидкость — жидкость в контакт приводятся исходный раствор (сырец), содержащий компинент, подлежащий извлечению, и растворитель, хорошо растворяющий этот компонент. Эти жидкости полностью нерастворимы или частично растворимы друг в друге, образуют две жидкие фазы. Переход экстрагируемого вещества из одной жидкой фазы в другую подчиняется законам массопередачи, растворимости и состояния межфазового равновесия. Теория массопередачи позволяет находить способы контакта между фазами, обеспечивающие наиболее полное и быстрое проведение процесса. Теория растворов дает возможность ориентироваться при выборе растворителя, который должен обладать плотностью, отличающейся от плотности исходного раствора, и малой растворимостью в нем, высоким коэффициентом распределения, большим коэффициентом диффузии, максимальной избирательностью и другими свойствами. |
