Теоретические основы массообменных процессов

Общие сведения. Массообменные процессы характеризуются переходом одного или нескольких веществ из одной фазы в другую. Они обладают следующими общими признаками.

1. Массообмен в гомогенных и гетерогенных системах приводит к разделению этих систем.

2. В любом массообменном процессе участвуют как минимум две фазы: жидкая и паровая, жидкая и газовая, твердая и парогазовая, твердая и жидкая, две жидкие.

3. Переход одной фазы в другую осуществляется за счет диффузии, в связи с чем массообменные процессы часто называют диффузионными.

4. Движущей силой процесса является разность концентрации диффундируемого компонента. Процесс протекает в направлении фазы, имеющей меньшую концентрацию компонента.

5. Перенос вещества из одной фазы в другую происходит через границу раздела фаз, на которой, как считают, состояние фаз является равновесным.

6. Переход вещества из одной фазы в другую завершается при достижении равновесного состояния. Обмен молекул через границу раздела фаз при этом не прекращается, но концентрации компонентов в обеих фазах остаются неизменными и равными равновесному состоянию.

7. Массообменные процессы относятся к обратимым. Это означает, что направление процесса, определяемое законами фазового равновесия, зависит от фактической концентрации компонентов в обеих фазах и от внешних условий (давления, температуры).

К основным массообменным процессам относятся:

1. Абсорбция – поглощение пара или газа жидкостью. При этом происходит переход вещества из газовой или паровой фазы в жидкую фазу. Обратный процесс, т. е. выделение газа из жидкости, называется десорбцией.

2. Адсорбция – процесс поглощения поверхностью твердого тела того или иного компонента из газа или жидкости. При адсорбции вещество из паровой, газовой или жидкой фазы переходит в твердую фазу. Обратный процесс, т. е. переход поглощенного газообразного или жидкого компонента с поверхности твердого тела, называется также десорбцией.

Процессы абсорбции и адсорбции часто объединяют общим названием – сорбционные процессы.

3. Экстракция (экстрагирование) – избирательное извлечение вещества из жидкости или твердого пористого тела жидкостью. При этом вещество из жидкой или твердой фазы переходит в жидкую фазу.

4. Ректификация – разделение гомогенных жидких смесей путем многократного взаимного обмена компонентами жидкой и паровой фаз. В процессе ректификации вещества из жидкой фазы переходят в паровую фазу, и наоборот.

5. Сушка – удаление влаги из твердых, пластичных и жидких материалов путем ее испарения. При этом влага из материалов переходит в паровую или газообразную фазу.

6. Кристаллизация – выделение твердой фазы из растворов. Вещество переходит из жидкой фазы в твердую фазу. К кристаллизации относятся также процессы превращения жидких расплавов в твердые кристаллические вещества.

7. Растворение – переход твердой фазы в жидкую. Фактически этот процесс может быть назван обратным процессом кристаллизации.

В общественном питании часть массообменных процессов проводят в целях приготовления тех или иных продуктов. Такими процессами являются: растворение, кристаллизация, сушка, экстракция и в отдельных случаях ректификация. Прочие массообменные процессы являются сопутствующими. Сорбционные процессы, экстракция, растворение, сушка сопутствуют варке и жарке. Кристаллизация сопутствует процессам, связанным сохлаждением и замораживанием кулинарных изделий.

СОРБЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ

ПРОЦЕСС АБСОРБЦИИ

Сущность процесса и область применения. Как уже указывалось, абсорбцией называют процесс поглощения газов или паров из газовых или парогазовых смесей жидкими поглотителями. Поглотители в этом случае называются абсорбентами, а поглощаемый газ – абсорбтивом. При физической абсорбции между абсорбентом и абсорбтивом не происходит химических взаимодействий. Если между ними возникает химическая реакция, то процесс называется хемосорбцией.

Для проведения процессов абсорбции применяют абсорбенты, обладающие избирательной, селективной способностью. Селективная способность абсорбентов позволяет проводить разделение самых сложных газовых смесей путем подбора таких поглотителей, которые абсорбируют только один определенный компонент.

Абсорбционные процессы, как правило, сопровождаются тепловыми процессами. При этом в большинстве из них наблюдается выделение теплоты.

Во многих отраслях промышленности процессы абсорбции широко применяют для извлечения ценных компонентов из газовых смесей, а также для очистки различных газовых систем от вредных примесей.

В общественном питании абсорбцию применяют для насыщения различных соков, напитков, воды углекислым газом. К абсорбции иногда прибегают для уменьшения влажности воздуха в складских помещениях, хранилищах. При этом абсорбтивом являются пары влаги, а абсорбентом – концентрированные кислоты.

Физическая сущность процесса абсорбции заключается в растворении газов в жидкости.

Аппараты, предназначенные для проведения абсорбционных процессов. Аппараты этого типа называют абсорберами. Современные абсорберы можно классифицировать на три основные группы: поверхностные и пленочные; насадочные; барботажные (тарельчатые).

Схематичное изображение абсорбера пленочного типа приведено на рис. 47. Жидкость движется по внутренней поверхности трубок в виде тонкой пленки. Навстречу ей снизу вверх поднимается газ, подлежащий разделению. Пленочные абсорберы имеют небольшую поверхность раздела фаз.

Рис. 47. Схема абсорбера пленочного типа:

1 – патрубок для входа газа; 2 – корпус абсорбера;

3 – патрубок для входа абсорбента; 4 – патрубок для выхода газа;

5 – трубки; 6 – патрубок для выхода абсорбента

В абсорберах насадочного типа (рис. 48) для увеличения поверхности раздела используется так называемая насадка, представляющая собой кольца или какие-либо другие твердые тела. Эта насадка помещается в колонны. Абсорбирующая жидкость из разбрызгивателя поступает в слой насадки. Все ее элементы, т. е. отдельные кольца, покрываются жидкой пленкой. По насадке абсорбент стекает вниз и отводится из аппарата. Газ, подлежащий разделению, поднимается вверх. Абсорбтив поглощается жидкостью.

Рис. 48. Схема абсорбера насадочного типа:

1 – патрубок для входа газа; 2 – корпус аппарата; 3 –насадка;

4 –патрубок для входа абсорбента; 5 – патрубок для выхода газа;

6 – патрубок для выхода абсорбента

Значительное распространение имеют также барботажные абсорберы (рис. 49). В этих аппаратах разделяемая газовая смесь проходит через слой жидкости. Жидкость поступает сверху колонны на перфорированную перегородку и протекает через вертикальные переливные трубки с перегородки на перегородку. Газ поднимается снизу вверх, проходя через перфорированные перегородки, называемые ситчатыми тарелками.

Рис. 49. Схема барботажного абсорбера с ситчатыми тарелками:

1 – патрубок для выхода жидкости; 2 – корпус аппарата;

3 – ситчатые тарелки; 4 – патрубок для выхода газа;

5 – патрубок для входа воды; 6 – переливные трубки;

7 – патрубок для входа газа

ПРОЦЕСС АДСОРБЦИИ

Сущность процесса и область применения. Как указывалось выше, адсорбцией называют процессы поглощения одного или нескольких компонентов из газовой, паровой смеси или раствора твердым веществом. Твердое вещество, поглощающее какой-либо компонент, называется адсорбентом. Вещество, которое поглощается, называется адсорбтивом. Поглощение при адсорбции осуществляется поверхностью твердого вещества. Возможны два вида адсорбции: физическая и химическая (хемосорбция). Сущность физической адсорбции заключается во взаимном притяжении молекул адсорбента и адсорбтива, без химического взаимодействия между ними. При хемосорбции между адсорбентом и адсорбтивом происходит химическая реакция.

Физическая адсорбция обратима, химическая не всегда бывает обратимой.

При адсорбции водяных паров на поверхности адсорбента может происходить их конденсация. Конденсат заполняет поры адсорбента, в связи с чем адсорбцию в этом случае часто называют капиллярной конденсацией. Эти процессы широко применяются в разных отраслях промышленности при очистке и осушке газов, очистке и осветлении растворов, разделении газов и жидкостей. В пищевой промышленности и в общественном питании адсорбция применяется для осветления различного рода сиропов, соков, бульонов.

Адсорбенты и их адсорбционная способность. Для того чтобы процесс адсорбции шел интенсивно, в качестве адсорбентов применяют твердые вещества, пронизанные капиллярами или порами, с большой удельной поверхностью. В зависимости от диаметра капилляров адсорбенты подразделяют на адсорбенты с макропорами (диаметр капилляров более 2х10^-4 мм), адсорбенты с переходными порами (диаметр 6х10^-6 – 2х10^-4 мм) и адсорбенты с микропорами (диаметр 2х10^-6 – 6х10^-5 мм).

Поглощаемые газы, пары, жидкость образуют на поверхности этих капилляров слои. Если слой имеет толщину, равную диаметру молекулы адсорбтива, то процесс называется молекулярной адсорбцией. Если же слой имеет толщину в несколько молекул, то процесс называется полимолекулярной адсорбцией.

Адсорбенты характеризуются также своей поглотительной, или адсорбционной, способностью. Она определяется концентрацией адсорбтива в единице массы или объема адсорбента. Адсорбционная способность к данному веществу зависит от температуры и давления, при которых происходит процесс, а также от концентрации адсорбтива. Максимально достижимая при заданных условиях поглотительная способность адсорбента называется его равновесной активностью.

В промышленности в качестве адсорбентов применяют различные вещества. Наибольшее распространение в пищевых отраслях промышленности имеют активированный древесный уголь, целлюлозная масса, костный уголь, силикагели, цеолиты и иониты.

Активированные угли относятся к высокопористым адсорбентам. Удельная поверхность их достигает величины 600-1700 м²/г. Активированные угли применяют в виде гранул, имеющих размер 1-5 мм. Насыпная плотность составляет 350-450 кг/м³.

Активированный уголь получают путем специальной обработки древесного угля, в частности путем его прокаливания при температуре до 900 °С.

Костный уголь получают из обезжиренных костей крупного рогатого скота путем их прокаливания без доступа воздуха. Удельная адсорбционная поверхность костного угля также измеряется сотнями квадратных метров на 1 г угля.

Силикагели представляют собой продукты обезвоживания гелей кремниевой кислоты. Силикагели имеют удельную поверхность в пределах от 400 до 800 м²/г. Размер гранул силикагеля составляет от 0,2 до 7 мм. Силикагели способны удерживать до 50 % воды к своей массе. В связи с этим их применяют главным образом для поглощения влаги.

Целлюлозная масса имеет меньшую удельную поверхность, чем угли и силикагели. Применяется она в качестве адсорбента при осветлении соков, пива.

Цеолиты по своей химической природе являются алюмино-силикатами. Цеолиты отличаются однородной структурой пор, размер которых соизмерим с размерами молекул адсорбтива.

Адсорбенты с порами, размер которых соизмерим с величиной молекул, относятся к так называемым молекулярно-ситовым веществам. Цеолиты отличаются высокой способностью поглощать воду и водяные пары. Это свойство используется для глубокой осушки газов.

Иониты являются адсорбентами природного и искусственного происхождения. Их синтетически приготовляют из различных органических и неорганических веществ. К ионитным адсорбентам относятся также ионитные смолы, получаемые синтетическим путем. Эти смолы отличаются большой объемной емкостью, избирательностью, химической стойкостью и механической прочностью. В связи с этим ионитные смолы все большее значение приобретают в промышленности для глубокого разделения различных жидкостных систем. Адсорбцию, проводимую с применением ионитов, иногда называют ионообменной адсорбцией.

Аппараты, предназначенные для проведения процесса адсорбции. В пищевой промышленности наибольшее распространение приобрели адсорберы с неподвижным слоем адсорбента. В качестве примера аппаратов этого типа может служить схема колонного адсорбера (рис. 50), применяемого для очистки сахарных сиропов. Он представляет собой цилиндрический резервуар, наполненный активированным углем. Сверху поступает сироп, подлежащий очистке. После прохождения сиропом адсорбера он обязательно поступает на фильтр для очистки его от частичек угля.

Рис. 50. Схема адсорбера колонного типа:

1 – патрубок для выхода жидкости; 2 – корпус аппарата (колонна);

3 – адсорбент; 4 – патрубок для входа жидкости

Самопроизвольная адсорбция. В общественном питании адсорбция протекает при гидромеханической и тепловой обработке продуктов как сопутствующий самопроизвольный процесс. Так, при варке, жарке продукт не только выделяет, но и поглощает влагу или расплавленный жир. При этом также идет адсорбция продуктом газов и паров.

Процессы адсорбции имеют место при кулинарной гидромеханической обработке круп. При мойке и предварительном замачивании некоторых из них происходят поглощение влаги и набухание этих круп. Процесс поглощения влаги, т. е. их набухания, зависит от свойств круп и продолжительности процесса.

Способность круп адсорбировать влагу используется в практике. Предварительное набухание (не как самопроизвольный процесс) круп применяется для ускорения процесса варки. Кроме того, использование адсорбционных свойств круп при их замачивании способствует сохранению их формы при кулинарной обработке.

Набухание круп при их замачивании объясняется не только адсорбционными процессами. В определенной мере влага проникает в крупу за счет капиллярных сил, обусловливающих передвижение воды по порам. Движение воды по порам может не сопровождаться явлениями адсорбционного поглощения влаги. Необходимо также подчеркнуть, что при набухании имеют место осмотические явления. Влага проникает в клетки круп за счет осмоса.

За счет адсорбционных явлений очень часто пищевые продукты, особенно сыпучие, обладающие большой удельной поверхностью, поглощают из окружающей среды различного рода лары, газы, в том числе и пахучие. Этим свойством обладают и некоторые несыпучие продукты. Поэтому в целях предотвращения порчи продуктов необходимо, чтобы они хранились в хорошо вентилируемых помещениях, свободных от наличия каких-либо запахов и нежелательных газовых компонентов.

Многие продукты способны поглощать из окружающего воздуха водяные пары. Поглощение паров, т. е. увлажнение продукта, создает благоприятные условия для их порчи – ускоряются химические и биохимические реакции, происходит повышение температуры продукта, что способствует интенсивному развитию микроорганизмов.

ПРОЦЕССЫ ДЕСОРБЦИИ

Десорбционные процессы имеют двоякое назначение. Они применяются для восстановления поглотительных (сорбционных) свойств абсорбентов и адсорбентов в целях их повторного использования, а также для извлечения из них абсорбтивов и адсорбтивов в целях их дальнейшей переработки.

На практике, как правило, после завершения сорбционных процессов приступают к десорбционным. Процессы десорбции осуществляют несколькими путями. Основными из них являются следующие: нагревание сорбентов (абсорбентов и адсорбентов); понижение общего давления в системе, или парциального давления сорбитов (абсорбтивов, адсорбтивов); пропускание через сорбенты инертных газов или жидкостей, которые вытесняют сорбиты.

Для регенерации сорбентов после хемосорбции используют соответствующие химические реагенты. В общественном питании десорбции, например просушиванию и проветриванию, подвергают сахар, соль, муку и другие продукты, которые при хранении адсорбировали влагу из окружающей среды.