Полная версия

Главная arrow Товароведение arrow ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ПРОИЗВОДСТВА РАСТИТЕЛЬНЫХ МАСЕЛ

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Вопросы теории и расчета экстракторов

Методика расчета экстракторов должна базироваться на учете: баланса массы, концентрационного равновесия в системе, кинетических закономерностей на всех этапах процесса и структуры потоков фаз в аппарате.

Расчет непрерывного процесса экстракции со встречным движением фаз начинается с задания производительности, концентраций во входящем и выходящем потоках, а также скоростей потоков фаз. Отметим, что применяемая в дальнейшем терминология распространена в маслоэкстракционном производстве.

В процессе экстракции растительных масел происходит межфазное перераспределение веществ: масло извлекается из частиц материала и в смеси с растворителем образует мисцеллу, а частицы материала насыщаются растворителем. При этом должен соблюдаться баланс по маслу, растворителю и экстрагируемому материалу. В ходе экстракции часть экстрагируемого материала — сухое обезжиренное вещество — остается неизменной и это позволяет упростить вывод балансовых уравнений.

Извлеченное из экстрагируемого материала удельное количество масла (на единицу массы сухого обезжиренного вещества), доли единицы

где шн и шк —соответственно, начальная и конечная масличности материала на единицу массы сухого обезжиренного вещества, доли.

Удельное количество масла можно определить через его количество в отходящей мисцелле

где GMu и Gc — соответственно, производительности экстрактора по отходящей мисцелле и сухому обезжиренному веществу, т/ч; смц — концентрация мисцеллы, доли.

Уравнения (9.1) и (9.2) можно приравнять и преобразовать относительно производительности экстрактора по сухому обезжиренному веществу

Баланс по растворителю с учетом его распределения между потоками мисцеллы и шрота можно представить в виде

где Ьшр — бензиноемкость шрота на сухое обезжиренное вещество, доли.

Выражая Gmu в уравнении (9.3) и подставляя в (9.4), после преобразования получим

Решая уравнение (9.5) относительно других входящих в него величин, можно получить:

Баланс массы экстрактора для непрерывной и противоточной работы имеет общий вид для любой конструкции экстрактора и позволяет, после преобразования выше приведенных уравнений, выполнить расчет концентрации экстракта (мисцеллы) и его расход, если заданы начальная Мн = 100 туи + тн) и конечная Мк = 100 тк/(1 + тк), масличности материала (% на общий вес), бензиноемкость проэкстрагированного материала (Б = 100 Ь/(1 + Ь), % на общий вес шрота) и соотношение растворитель-материал (R = G/GMeT, при этом GMT = Gc 100/(100 - Ми)).

В частности, концентрация отходящей мисцеллы (Кмц, %) определяется из уравнения баланса массы (9.7)

Расход мисцеллы (Gmu, кг/ч) равен

Рассмотрим бесступенчатое противоточное контактирование. Материальный баланс на дифференциальном участке экстрактора имеет вид

Здесь dM — количество извлеченного масла в единицу времени (кг/с) из частиц с поверхностью dF (м2) на дифференциальном участке экстрактора; V — объемный (в расчете на объем пор) расход экстрагируемого материала (м3/с); кт — коэффициент массопередачи (м/с); с(2) - концентрация масла в расчете на поровый объем экстрагируемого материала (кг/м3) и с#(2) — концентрация равновесная с внешним раствором (кг/м3).

В интегральном виде:

Левая часть этого уравнения — число единиц переноса (ЧЕП), которое обозначают NKT и называют «кажущимся», т.к. здесь принимается идеальное противоточное контактирование, от которого в действительности могут быть существенные отклонения. Если допустить, что кт = const и М = V(cH<2) - ск(2)), то уравнение (9.13) примет вид

отсюда:

Для того чтобы определить N^T проводится интегрирование левой части уравнения (9.14), используя уравнение материального баланса для части аппарата в пределах от сечения выхода проэкстрагированной твердой фазы и, соответственно, противоточно поступающего растворителя с относительным объемным расходом р = V/W и объемной концентрацией с(,) (индексы означают: н — начальное и к — конечное), до промежуточного сечения аппарата;

не учитывая адсорбционные эффекты при равновесии, примем с*(2)= 6Х)

С учетом материального баланса (9.16) и имея в виду, что для практически значимого случая ся(,) = 0, эффективность экстракции имеет вид

уравнение для определения кажущегося числа единиц переноса по твердой фазе без учета адсорбционных эффектов принимает вид

В общем случае, как указывалось выше, необходимо учитывать силы адсорбции при равновесии (при этом наклон равновесной зависимости m = c(,)/c*(2 который экспериментально определен для подсолнечного жмыха m = 0,07—0,1 и, соответственно, фактор экстракции Л = ш/р). Соотношение между параметрами процесса экстракции следующее

где г] = (сн<2) - ск(2))/(сн(2) - ск*(2)) — эффективность экстракции; / = (с(,)к - с(|,в)/(шс(2,в - С<»я) — фактор разделения (с<'>к = Кицриц/100, кг/м3; рмц = 895,6 + 2,ЗКми — 0,7Т, кг/м3); А = ш/р — фактор экстракции.

Тогда соотношения для определения кажущихся чисел единиц переноса: а) по твердой фазе

б) по жидкой фазе

Соответственно, связь между числами единиц переноса определяется через фактор экстракции

Для экстракторов поток массы пропорционален общей движущей силе массопередачи, т.е. локальной разнице концентраций экстрагируемого вещества в обеих фазах. В таких случаях концепция ЧЕП (число единиц переноса), при которой сопротивление массопередаче сосредоточено на границе твердое тело-жидкость, является общепринятой основой для метода расчета. Разделение, которое должно быть достигнуто, можно выразить через ЧЕП в режиме движения фаз, характеризующемся их «абсолютным вытеснением».

В таких условиях

где кож — осредненный коэффициент массопередачи по жидкой фазе, м/с; s — удельная эффективная межфазная площадь на единицу объема слоя, м23; V — объем слоя, м3; уж —расход потока жидкой фазы, м3/с; т — время экстракции, с.

С учетом баланса массы для линейного соотношения равновесия получено хорошо известное уравнение Колбурна (9.22).

На рис. 9.7 уравнение (9.22) представлено в графической форме, в зависимости от эффективности экстракции ц как параметра.

Очевидно, что рост как NKX, так и Л, обеспечивает высокую эффективность процесса, практически при Л > 1 даже при низких значениях Л^ж достигается требуемая в настоящее время эффективность экстракции. Оценка работы промышленного ленточного экстрактора типа МЭЗ при переработке лепестка подсолнечного жмыха показала, что обеспечивается его удовлетворительная работа при Л = 0,6.

Эффективность противоточного процесса экстракции

Рис. 9.7. Эффективность противоточного процесса экстракции

С использованием полученных зависимостей для противоточного процесса без учета перемешивания по обеим фазам можно дать предварительную оценку направления в создании эффективных экстракционных аппаратов.

Для реального процесса:

Структура потока фаз внутри аппаратов определяется на макромасштабном уровне локальным видом контакта фаз, неоднородностью распределения потока растворителя в слое твердой фазы и т.д.

Реальные экстракторы, в том числе конвейерные (ленточные и карусельные) и противоточные шнековые, не могут быть описаны простыми соотношениями. Структуры потоков взаимодействующих фаз часто описываются диффузионными моделями или моделями обратного перемешивания.

Корреляции между NK и Nu на основе по возможности более полного учета особенностей контактирования потоков в реальной конструкции устанавливаются на основе математического моделирования структуры потоков взаимодействующих фаз.

Для ленточных экстракторов установлена корреляция

где n — число ступеней экстракции; D и mh/(l — h) — распределительное отношение; h — доля межчастичного объема в экстрагируемом слое.

Соответственно, связь между числами единиц переноса в расчете по концентрациям различных фаз определяется через фактор экстракции по соотношению (9.23).

Для того чтобы рассчитать требуемое время пребывания твердых частиц в экстракторе для достижения требуемой степени разделения, из соотношении (9.24) необходимо знание общего коэффициента массопере- дачи ко, входящего в уравнение для Nu.

Согласно двухпленочной теории Льюиса, ко зависит от обоих коэффициентов массопередачи — в непрерывной жидкой фазе кж, и дисперсной твердой фазе кт. Расчет параметров массопередачи заключается в определении параметров внутреннего и внешнего массопереноса, которые связаны критериальным уравнением

где Sh = k6/D — число Шервуда (6 — характерный размер частиц; к и D — соответственно, коэффициент массопередачи (или массоотдачи) и коэффициент диффузии, относящийся к одной фазе); Bi = m(6/2)kx/DBH — число Био.

Число Био удобно определять через число Шервуда для жидкой фазы

где DM, DT — соответственно, коэффициенты свободной молекулярной и внутренней диффузии, м2/с.

где Re = 6 ржУжж — число Рейнольдса.

Здесь рж, хж — плотность и вязкость мисцеллы; wjk — скорость мисцеллы. Фактор внешней массоотдачи

Число Шмидта

Коэффициент массопередачи дисперсной твердой фазы кт зависит от времени. Установлено, что для экстрагирования число Шервуда ShT = kTdJDj имеет асимптотическое значение для длительных времен контакта, так что для постоянного коэффициента диффузии DT в твердой фазе кт имеет постоянное значение, которое может быть вычислено из аналитического решения уравнения диффузии с граничными условиями, относящимися к прямотоку или противотоку.

Зависимость для расчета в общем случае (включая малые числа Био (Bi < 100)) асимптотического значения числа Шервуда по твердой фазе для частиц в форме пластины (лепестка) имеет вид

При незначительном влиянии сопротивления внешней массоотдачи (это имеет место при Bi -»оо и практически достаточно Bi > 100) соотношение (9.32) в результате предельного перехода упрощается

Переход на другие формы частиц производится по соотношению

Коэффициенты формы v принимают значение: v = 1 — пластина (лепесток); v = 2 — цилиндр (гранула); v = 3 — шар (крупка).

Таким образом, используя правило аддитивности для сопротивлений массопередаче, ко может быть определен из оценочного значения кж и асимптотического значения kr. Хотя это правило точно только для постоянных значений кт и кж, ошибка при этом мала. Заключительным этапом является расчет размера экстрактора из требуемого времени пребывания и заданной производительности.

Основные зависимости для расчета производительности и мощности привода колонных аппаратов.

Производительность для колонного аппарата (НД)

Мощность для колонного аппарата (НД):

— шнек загрузочной колонны

— шнек горизонтальный (переходный)

— шнек разгрузочный

Здесь Q — производительность, т/ч; q> = 0,7—0,8 — коэффициент проскальзывания; п — частота вращения вала, об/мин; р — объемная масса материала, т/м3; D — наружный диаметр шнеков, м; S — шаг шнека, м; ? = 0,7—0,8 — коэффициент заполнения; h. — высота слоя материала на отдельной лопасти, м; рт, рж — плотности твердой и жидкой фаз, т/м3; г) — кпд привода; f — коэффициент трения материала о стенки корпуса; m = 0,5—0,7 — коэффициент бокового распора.

Основные зависимости для расчета производительности и мощности привода ленточных и карусельных экстракторов.

Производительность:

— для ленточных экстракторов

— для карусельных экстракторов

Мощность:

— для ленточных экстракторов

— для карусельных экстракторов

где Q — производительность, т/ч; v — скорость движения конвейера, м/с; b — ширина конвейера, м; h — высота слоя материала, м; р — объемная масса материала, т/м3; L — длина конвейера, м; рр — объемная масса материала с учетом задержки растворителя в слое, т/м3; Go — масса движущихся частей транспортера, т; р — коэффициент трения в подшипниках скольжения; d — диаметр подшипника скольжения, м; к — коэффициент трения качения по поверхности роликов; р = 1,2—1,5 — коэффициент, учитывающий трение в ребордах и торцах подшипника; ? — коэффициент бокового распора слоя материала; f — коэффициент трения материала о стенки корпуса и днище; г) — кпд привода; D — наружный диаметр роликов; DK, dK — наружный и внутренний диаметр карусели, м; Н — высота слоя материала, м; п — частота вращения карусели, об/ч.

Контрольные вопросы

  • 1. Каковы основные требования к процессу экстракции?
  • 2. Каков механизм экстрагирования растительных масел?
  • 3. Каковы основные факторы процесса экстракции?
  • 4. Как устроен и работает вертикальный шнековый экстрактор?
  • 5. Какие особенности эксплуатации и техники безопасности работы на вертикальном шнековом экстракторе?
  • 6. Как устроен и работает ленточный экстрактор?
  • 7. Какие особенности эксплуатации и техники безопасности работы на ленточном экстракторе?
  • 8. Как устроен и работает карусельный одноярусный экстрактор?
  • 9. Как устроен и работает карусельный двухъярусный экстрактор?
 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>