Матеріальний баланс повітряної сушарки

Звичайно сушарки розраховують, виходячи із заданої кількості вологого матеріалу та його початкової і кінцевої воло­гості. Для витрат сухого повітря при визначенних витрат висуше­ного матеріалу, витрати видаляємої вологи і на висушування складають матеріальний баланс:

а) за абсолютно сухою речовиною: якщо немає втрат ма­теріалу, кількість абсолютної сухої речовини в ньому до і після висушування лишається незмінною; якщо ж і — маси воло­гого матеріалу до і після сушіння, кг/год, a і — вологості матеріалу до і після сушіння, % до загальної маси, то баланс за су­хою речовиною буде

(4.37)

звідки маси вологого матеріалу

(4.38)

 

або маси висушеного матеріалу

(4.39)

б) за вологою в матеріалі; кількість вологи W, яку вилучають під час висушування, дорівнює різниці мас вологого і висушено­го матеріалу

, (4.40)

Підставивши в останнє рівняння попереднє дістанемо

або

Матеріальний баланс за масою в сушаці можна подати і так

Звідки визначають витрати повітря на 1 кг вологи

або простіше

(4.41)

Рівняння енергетичного балансу дозволяють визначити за­трати енергії на вилучення вологи із висушуємого матеріалу. На поверхні вологого матеріалу під час випаровування вологи утворюється пограничний пароповітряний шар, який перебува­тиме у стані рівноваги з вологим матеріалом. Різниця парціаль­них тисків водяної пари над поверхнею матеріалу і в навко­лишньому середовищі , є рушійною силою процесу переходу во­логи з поверхневої плівки в навколишнє середовище

Кількість пари, що продифундувала, визначиться за законом випаровування з вільної поверхні

(4.42)

F— поверхня випаровування;

— тривалість процесу.

Порядок аналітичного розрахунку сушарки такий:

1. Визначають стан повітря перед калорифером. Для цього за відомою його початковою температурою в таблицях для наси­ченої водяної пари знаходять його тиск при насиченні . Розра­ховують вологовміст х при відомій відносності повітря . Знахо­дять ентальпію водяної пари , а потім — ентальпію повітря .

2. Визначають стан повітря після калорифера, тобто перед су­шильною камерою. Для цього треба вибрати температуру і відносну вологість . Ці параметри вибирають, виходячи з умов технології сушіння конкретного матеріалу.

3. Визначають стан повітря після сушильної камери, вибрав­ши температуру, відпрацьованого повіттря і відносну вологість

4. Обчислюють поправку на реальну сушарку.

5. Одержані значення i підставляють у відповідні рівняння. У результаті обчислень має бути тотожність. Якщо її немає, треба вибрати нові значення для і , знову виз-

начити параметри для повітря, що виходить з сушарки, а весь розрахунок повторити до одержання тотожності.

6. Розраховують питомі витрати сухого повітря, витрати теп­лоти в калорифері і додаткові витрати теплоти в сушильній камері.

З усього описаного випливає, що аналітичний розрахунок повітряної сушарки громіздкий, незручний, потребує кількох по­вторних обчислень. Аналітичний розрахунок не багато в чому поступається перед графічним методом, а похибки, що мають місце в результаті графічного розрахунку не виходять за межі звичайниих технічних розрахунків.

Розрахунок повітряної сушарки за 1-х діаграмою. Розрахува­ти повіряну сушарку — це означає визначити питомі і загальні втрати теплоти і повітря на висушування, а також значення інших парамерів, необхідних для розрахунку калорифера, су­шильної камери й витяжного пристрою (вентилятора). Побудова процесу сушіння в 1-х діаграмі дає можливість встановити харак­тер обміну теплотою і вологою, а також визначити проміжні і кінцеві параметри повітря.

Теоретична сушарка. Процес, що відбувається в теоретичній сушарці, на діаграмі (див. додаток 6) зображають так. За відомою початковою температурою повітря і його відносною вологістю знаходять на діаграмі точку А, для якої, в свою чергу, знахо­дять вологовміст та ентальпію . Оскількии повітря в калори­фері нагрівають при незмінному вологовмісті, перетин лінії = const із заданою ізотермою дає точку В, що характеризує стан повітря на вході в сушарку, для цієї точки знаходять ентальпію І.

Оскільки в теоретичній сушарці теплообмін відбувається при сталій ентальпії повітря, то спускаючись з точки В лінії сталої ен­тальпії = const до перетину кривої заданої температури повітря на виході з сушарки з ізотермою або з лінією, знаходять точку С кінцевого стану повітря. Для цієї точки на діаграмі зна­ходять значення вологовмісту і ентальпії

Знаючи параметри повітря на вході і виході, легко обчислити:

питомі витрати сухого повітря на випарювання 1 кг вологи — за рівнянням 4.41, а питомі витрати теплоти в калорифері — за рівнянням:

і цього рівняння випливає, що в теоретичній сушарці тепло витрачається на: випаровування кДж/кг вологи;

втрату з відпрацьованим повітрям

вологи.

Причому втрати теплати будуть тим меншими, чим нижча температура відпрацьованого повітря і вища температура свіжого повітря, що надходить у калорифер, а також чим менші питомі витрати сухого повітря.

Кристалізація

Кристалізацією називають процес вилучення речовини з роз­чину, розплаву або пари у вигляді кристалів. У промисловості пе­реважно мають справу з кристалізацією з розчинів.

Кристалічна будова твердої фази найстійкіша, оскільки структурні елементи (атоми, іони або молекули), утворюючи кристалічні решітки, розташовуються найбільш компактно і ма­ють мінімум вільної енергії. Тому аморфні речовини поступово кристалізуються (наприклад, кристалізація сахарози в карамелі та інших кондитерських масах під час тривалого зберігання). Зовні кристали являють собою багатогранники різної форми, з певною симетрією. Саме властивість симетрії і покладено в осно­ву класифікації кристалів.

У випадку масової кристалізації (за умов промислового ви­робництва) кристали однієї й тієї самої речовини відрізняються між собою розмірами і зовнішнім виглядом (габітусом). Проте ку­ти між відповідними гранями у всіх кристалів цієї речовини лиша­ються однаковими. Ця властивість, пов'язана з особливостями внутрішньої будови, називається законом сталості кутів (закон Гюї). Деякі речовини мають кілька кристалічних форм, стійких у певних інтервалах тиску і температури (явище поліморфізму). Пе­рехід з однієї кристалічної форми в іншу супроводжується тепло­вим ефектом у зв'язку з перебудовою кристалічних решіток. Бага­то речовин кристалізується з включенням у кристалічні решітки молекул води, утворюючи так звані кристалогідрати.

Кристалографія, спираючись на симетрію, зводить усю різно­манітність форм кристалів до 230 груп, які, в свою чергу, об'єдну­ються в 7 кристалічних систем (сингоній): триклинну, моноклин-ну, ромбічну, тригональну, тетрагональну, гексагональну і кубічну. Наприклад, кристали поширеної — сахарози — відно­сять до моноклинної сингонії. Вони характеризуються трьома кристалографічними осями з нерівними відрізками, причому дві

осі розташовані під прямими кутами, а третя — похило ( °)

У промисловості за допомогою кристалізації одержують речо­вини (сіль, цукор, глюкозу, лактозу) у чистому і зручному для ви­користання вигляді. Щоб дістати надчисті речовини, вдаються до багаторазової перекристалізації (наприклад, при виробництві цу­кру). Крім чистоти, важливою характеристикою є розмір.крис­талів та їх однорідність. Звичайно прагнуть одержати крупнокри-сталічний однорідний продукт, що добре фільтрується і сушиться.

У процесі виготовлення карамелі вживають усіх заходів, щоб запобігти кристалізації (зцукрюванню) — додають крохмальну патоку, інвертний цукор та інші антикристалізатори. Крис­талізація — небажане явище і під час зберігання багатьох конди­терських мас. А при виробництві кристалічного ірису, навпаки, прагнуть прискорити процес кристалізації. У виробництві мар­меладу і пастили цей процес регулюють так, щоб утворилася то­ненька кристалічна кірочка, яка надає виробам товарного вигля­ду. Процес кристалізації використовують також під час згущу­вання виморожуванням термонестійких рідких продуктів. При цьому зберігаються їх поживні властивості.

Зворотний кристалізації процес переходу твердої фази в рідкий стан, коли молекули твердої речовини розподіляються між молекулами розчинника, називають розчиненням. Розчинен­ня супроводжує процес кристалізації в промислових умовах при коливаннях температури і концентрації. Поряд з цим він має са­мостійне значення у більшості виробництв, де використовують цукор, сіль та інші розчинні продукти.

Процеси кристалізації і розчинення не є суворо зворотними. Часто за однакових значень рушійної сили (різниці концент­рацій) розчинення відбувається значно швидше, ніж крис­талізація. Зазначимо, що процес кристалізації набагато складніший. Кристалізація, як і будь-який фізико-хімічний про­цес, характеризується статикою, кінетикою і динамікою.

Статика кристалізації визначає умови рівноваги між криста­лами і розчином, з якого вони утворювались, а також зв'язок між початковими і кінцевими параметрами процесу.

Кінетика встановлює величину швидкості переходу речовини з однієї фази в іншу при заданих умовах.

Динаміка кристалізації визначає характер зміни параметрів системи в часі при зміні керованих параметрів (температури, кон­центрації).

На основі статики складають матеріальні і теплові баланси,

потрібні для розрахунку виходу кристалічного продукту, а також витрати теплоти. Кінетичний розрахунок застосовують для ви­бору конструкції та визначення розмірів кристалізатора. Ди­намічні характеристики кристалізаторів потрібні для автоматич­ного керування і оптимізацїі процесу.

Фізичні основи процесу. Кристалізація відбувається в резуль­таті обмеженої розчинності речовин. Якщо в розчинник ввести достатню кількість кристалів розчинної речовини, то процес роз­чинення через деякий час припиниться і встановиться динамічна рівновага між розчином, що утворився, і твердою фазою, яка не розчинилася. Такий розчин називають насиченим, а його концен­трацію — розчинністю. Розчин, концентрація якого менша від рівноважної, називають ненасиченим, а більша—перенасиченим.

Як ненасичені, так і насичені розчини перебувають у сталому стані і можуть зберігатись у незмінному вигляді необмежений час. При цьому в насиченому розчині міститься стала максималь­но можлива за даних умов кількість розчиненої речовини. На відміну від них, перенасичений розчин нестійкий. Надлишкова (порівняно з рівноважною) кількість розчиненої речовини в ньо­му може випасти в осад у вигляді кристалів, і розчин перетво­риться на насичений. Отже, процес кристалізації — це перехід не­сталого перенасиченого розчину в сталий насичений.

Перевищення концентрації перенасиченого розчину С над

Розчинністю Co називають перенасиченням (П=С – Со), а їх відношення — коефіцієнтом перенасичення а=С/Со

Розчинність Со що характеризує стан динамічної рівноваги

між кристалами і розчином, залежить від властивостей системи, температури і наявності домішок.

 

Перегонка і ректифікація

За допомогою процесу перегонки багатокомпонентну рідку суміш розподіляють на фракції, що містять компоненти суміші в концентрованому вигляді. Ректифікацією називають процес ба­гатократної перегонки, за допомогою якого з рідкої суміші вилу­чають незначні кількості небажаних домішок.

Переганяють і ректифікують суміші, що складаються з ком­понентів, які відрізняються своєю леткістю. Під час випаровуван­ня рідкої суміші окремі компоненти переходять у пароподібний стан інтенсивніше, завдяки чому їх вміст у паровій фазі більший, ніж у рідкій.

Діаграми рівноваги. Якщо на горизонтальній осі х координат відкладати вміст компонента А від 0 до 100% в бінарній рідкій суміші А + В, а на вертикальній осі у — вміст цього компонента в паровій фазі, що утворюється під час кипіння рідкої суміші різного складу, то одержаний графік і буде діаграмою, або кривою рівно­ваги. За допомогою цієї кривої визначають вміст компонента А (а отже, і компонента В) у рідкій і паровій фазах, що перебувають у рівновазі. На осях координат кривих рівноваги відкладають вміст легколеткого компонента, позначаючи його в рідкій фазі через х, а у паровій — через у. Відношення х до у для будь-якої точки кривої рівноваги називають коефіцієнтом випаровування А = у/х.

Графік характерних кривих рівноваги для різних бінарних сумішей подано на рис. 4.32. Крива а відповідає суміші, в якій знаходиться легко-леткий незалежно від складу суміші компо­ненті, вміст якого в фазах відкладено на осях х і у.

Коефіцієнт випаровування його завжди більший від одиниці

Крива б відповідає суміші, в якій компонент А до певної концентрації його в суміші легколеткий (цю концентрацію позначають точкою О), а при вищій концентрації—важколегкий (к < 1). Точку О, так само, як і відповідну їй суміш називають азе­отропними (для азеотропної суміші (к = 1). Криві рівноваги ши­роко використовують у розрахунках процесів перегонки бінар­них сумішей. Розраховуючи процеси ректифікації, користуються величинами коефіцієнтів А випаровування домішок — відношен­ням вмісту домішки у паровій фазі до її вмісту в рідкій за умов рівноваги. При незначному вмісті домішки її коефіцієнт випаро­вування залежить від вмісту двох інших компонентів у рідкій суміші і не залежить від вмісту в суміші самої домішки. Криві ко­ефіцієнтів випаровування для характерних домішок, що супрово­джують суміші етилового спирту з водою, подано на рис. 4.33.

Рис. 4.32. Криві рівноваги різних бінарних сумішей

Рис. 4.33. Криві коефіцієнтів випаровування домішок етилового

спірту: 1 — діетиловий спирт; 2 — ацетальдегід; 3 — метилацетат;

4 — н.маслянип альдегід; 5 — етилацетат; 6 — метанол

Класифікація сумішей. У бінарних сумішах виділяють їх ос­новні групи: ідеальні, реальні, взаємно нерозчинних рідин і обме­жено взаємно розчинних рідин.

Ідеальні суміші підлягають законам Рауля і Дальтона. За зако­нами Рауля, парціальний тиск р компонента над сумішшю про­порційний його молярній частці в ній х. Для компонента А

(4.43)

Де —пружність (тиск) пари компонента А.

За законом Дальтона, загальний тиск пари над сумішшю

дорівнює сумі парціальних тисків її компонентів

, (4.44)

Де —пружність (тиск) пари компонента В.

На підставі законів Рауля і Дальтона, знаючи склад рідкої фа­зи, можна аналітично визначити вміст компонентів у паровій

фазі. Для компонента

(4.45)

Характерну форму кривої рівноваги для ідеальної суміші бу­ло показано на рис. 4.32 (крива а).

Реальні суміші не підлягають закону Рауля. Діаграми х -у для таких сумішей будують за експериментальними даними. Типо­вою реальною сумішшю є суміш етилового спирту з водою (кри­ва б на рис. 4.32).

Відхилення від закону Рауля в реальних сумішах призводить до того, що при незмінній температурі певному складу суміші може відповідати певний тиск пари над сумішшю більший (або менший), ніж пружність пари за цієї температури будь-якого з компонентів, узятих у чистому вигляді. Природно, що максимуму (мінімуму) на кривій тисків відповідає мінімум (максимум) на кривій температур (крива тисків—це функція тис­ку пари над сумішшю від її складу, а крива температур — це функція температури кипіння суміші від її складу).

Суміші взаємно нерозчинних рідин відрізняються тим, що тиск па­ри над сумішшю дорівнює сумі пружностей пари компонентів. Че­рез це температури кипіння таких сумішей завжди нижчі від темпе­ратур кипіння окремих компонентів за цього ж зовнішнього тиску.

Суміші обмежено розчинних одна в одній рідин відрізняються тим, що у певних пропорціях вони взаєморозчинні і поводять се­бе як ідеальні або реальні суміші. У випадку порушення вказаних пропорцій утворюються дві взаємно нерозчинні рідкі фази: роз­чин і компонент, що є у надлишку.

Одноразовим випаровуванням (простою перегонкою) вихідну суміш можна розділити на кілька фракцій, частина з яких міститиме більшу кількість легколеткого, ніж його було у вихідній суміші, інша частина — меншу.

Якщо випаровувати суміш (криву рівноваги її зображено

лінією б на рис. 4.32, що містить % легколеткого компонента, то

після відведення і конденсації пари, яка утвориться, одержимо

рідину (дистилят) з % пегколеткого компонента. У міру випаро-

вування вихідної суміші вміст легколеткого компонента в ній, так само як і у дистиляті, поступово зменшуватиметься. Нехай кінцевий вміст його у випаровуваній рідині буде що відповідає дистиляту У результаті вихідна суміш буде поділеною на дві фракції з легколеткими компонентами

і у (тут у —середнє між і )

Відводячи дистилят у міру зміни вмісту в ньому легколеткого компонента в різні ємності, можна одержати фракції з різними значеннями у.

Дефлегмація. Якщо пару, що утворюється при одноразовому випаровуванні суміші, частково конденсувати у спеціальному теплообміннику, то у першу чергу конденсуватиметься важко-киплячий компонент. Лишок пари на виході з теплообмінника міститиме більше легколеткого компонента, ніж пара на вході в теплообмінник. Концентрація легколеткого кохмпонента в парі зростатиме за рахунок її часткової конденсації (так званої деф­легмації). Конденсат, що утворюється в теплообміннику, назива­ють флегмою, а теплообмінник — дефлегматором. Спрямовуючи решту пари, що лишилась після дефлегмації, в конденсатор, одержують дистилят, вміст легколеткого компонента в якому більший, ніж у дистиляті, що його одержують простою перегон­кою тієї самої суміші без дефлегмації.

Принципи безперервної перегонки в апаратах сучасного ти­пу. У сучасних колонних апаратах для перегонки (рис. 4.34) між дефлегматором і випарником є пристрій для контакту флегми з парою, яка йде з випарника. Оскільки при частковій конденсації пари в дефлегматорі / флегма завжди містить більше легколетко­го компонента, ніж початкова суміш, то між парою, що піднімається з випарника, і флегмою відбувається масообмін. При цьому легколеткий компонент переходить з рідкої в парову фазу, а важколеткий — у зворотному напрямку, тобто система наближається до стану фазової рівноваги. Завдяки процесу масо-

обміну пара надходить у дефлегматор збагаченою легколетким компонентом. Дистилят і флегма також збагачуються ним, а от­же, підвищується вміст легколеткого компонента у парі, що над­ходить у дефлегматор, і т.д. Дистилят і флегма містять тим більше легколеткого компонента, чим більша площа і кращі умо­ви контакту між парою і флегмою.

У дефлегматорі можна конденсувати всю пару, яка в нього надходить, розділяючи потім конденсат на флегму і дистилят. У цьому випадку в дефлегматорі не спостерігатиметься ефекту деф­легмації — підвищення вмісту легколеткого компонента у парі за рахунок її часткової конденсації, хоча збережеться основний про­цес масообміну на контактних пристроях, який супроводжується переходом легколеткого компонента з флегми у парову фазу. У колонному апараті початкову сумішМ можна безперервно пода­вати в нижню 4 (кубову) частину апарата, а кубовий залишок К безперервно відводити. Це так звана концентраційна колона 3. В ній можна одержувати дистилят зі значним вмістом легколетко­го компонента, хоча частина його потрапляє і в кубовий зали­шок. Щоб уникнути цього, апарати для перегонки обладнують так званою витяжною частиною, яка знаходиться нижче від точ­ки введення вихідної суміші. Щоб забезпечити добрий контакт пари з флегмою і початковою сумішшю, апарати обладнують спеціальними контактними пристроями. На рис. 4.34, б зображе­но колонний апарат для перегонки з концентраційною З і видо­бувною 2 частинами, обладнаний так званим тарілчастими кон­тактними пристроями 5 (тарілками). Початкова суміш, стікаючи разом з флегмою у кубкову частину 1, звільняється від легколет­кого компонента за допомогою пари, що піднімається з кубової частини апарата, внаслідок чого кубовий залишок містить міні­мальну кількість легколеткого компонента. У концентраційній частині пара, перебуваючи у контакті з флегмою, поступово ру­хаючись від тарілки живлення дефлегматора 4, збагачується лег-Іколетким компонентом і після дефлегмації і остаточної конден­сації перетворюється на висококонцентрований дистилят.

Сорбція

Сорбцією називається процес поглинання певним тілом газів, пари або розчинених речовин з навколишнього середовища. Тіло, що поглинає речовину, називають сорбентом. Типові для сорбції процеси — абсорбція і адсорбція.

Абсорбція — поглинання речовини, що супроводжується на­ступною її дифузією в глибину тіла і утворенням розчину. Погли­наючу речовину у цьому процесі називають абсорбентом. Нею звичайно є рідина.

Адсорбція — це поглинання речовини поверхнею твердого по­глинача — адсорбента.

Якщо під час сорбції відбувається хімічна взаємодія між речо­виною, що поглинається, і сорбентом, то такий процес назива­ють хемосорбцією. Якщо ж поглинання супроводжується кон­денсацією пари в порах поглинача, таке явище називають моле­кулярною конденсацією.

Процес сорбції зворотний. Виділення речовин під час зворот­ного процесу називають десорбцією.

Сорбційні процеси дуже поширені у виробництві спирту, цу­кру, крохмалю, вина, ядерного палива.

Абсорбцію застосовують у виробництві цукру (для очищання соку і сиропу), крохмалю (для одержання екстрагенту—розчину сірчистої кислоти), у консервному виробництві (для одержання розчинів, що забезпечують зберігання плодів і овочів), вина, спирту та інших продуктів. В усіх зазначених випадках абсорбен­том є вода.

У процесі абсорбції беруть участь дві фази: газоподібна — суміш компонента, який поглинається, з інертним носієм і рідка — абсорбент, що вибірково поглинає компонент, який пе­реходить у рідкий розчин. До границі розділення фаз і від гра­ниці розділення вглиб абсорбента речовина, що поглинається, переноситься за допомогою конвективної дифузії, оскільки за ви­робничих умов обидві фази звичайно рухливі.

Підвищення швидкості руху фаз збільшує швидкість перене­сення речовини у кожній з фаз, внаслідок чого зростає загальна швидкість абсорбції. Швидкість абсорбції прямо пропорційна також площі контакту фаз і тиску, оскільки із зростанням тиску розчинність газів у рідині також зростає. Підвищення температу­ри знижує швидкість абсорбції, оскільки погіршується роз­чинність газів у рідині.

Рівновага в процесі абсорбції. Рушійною силою процесу аб­сорбції є різниця концентрацій речовин, що поглинається, у газі у і в розчині х. Процес припиниться, якщо концентрації зрівнова­жаться або коли парціальний тиск газу, шо поглинається, нал

розчином досягне значення рівноважного .

Основним законом, що характеризує рівновагу в системі газ-рідина, є закон Генрі, за яким при незмінній температурі роз­чинність газу в рідині прямо пропорційна парціальному тиску р цього газу над розчином

(4.46)

Де х — концентрація в абсорбенті газу, що поглинається,

кмолъ/кмолъ;

— коефіцієнт пропорційності (за Генрі).

Парціальний тиск газу в суміші виражається залежністю

(4.47)

де у— концентрація в газовій суміші газу, що поглинається, кмолъ/кмолъ;

Р — загальний тиск у суміші. З рівнянь (4.46) і (4.47) витікає

(4.48)

Де — константа фазової рівноваги.

Рис. 4.35. Крива абсорбційної рівноваги

Рис. 4.36. Схема протитечійного абчорбційного апарата

У загальному випадку залежність між концентраціями у і х графічно виражається кривою лінією (4), яку називають

кривою рівноваги. Будують її за звичай за експериментальними даними.

Матеріальний баланс абсорбції. У разі безперервного проце­су в апараті, протитечія створює найбільшу середню рушійну си­лу (рис. 4.35). Концентрація в газі компонента, що поглинається, змінюється від а у рідкій фазі—від кмоль/кмоль.

Витрати інертного газу G і абсорбента L (кмоль/с) у процесі не змінюються. Якщо під час абсорбції не втрачається і речовина, яку поглинають, то кількість цієї речовини, що входить в абсорбер з газом і абсорбентом

дорівнюватиме кількості речовини, яка виходить з апарата з газом

і абсорбентом

або

(4.49)

З рівняння (4.49) витікає

(4.49)

Абсорцію здійснюють в насадочних та тарілчастих колонах. Тарілчасті колони дорожчі від насадочних, гідравлічний опір в них вищий, а ефективність розподілу вища.

У більшості процесів всіх технологій має місце адсорбція з розчинів. Наприклад, у цукровому, лікеро-горілчаному, спирто­вому, крохмале-патоковому виробництвах адсорбцію викорис­товують для очищення і знебарвлювання продуктів або для очи­щання води, що надходить у виробництво, або вже використаної. У спиртовому і лікеро-горілчаному виробництвах адсорбцію за­стосовують для уловлювання пари і зменшення її витрат.

Адсорбція розподіляється на фізичну, хемосорбцію, капіляр­ну конденсацію. Загальним для всіх видів адсорбції лишається те, що її зумовлюють сили тяжіння між атомами і молекулами. Кількість речовини, поглинутої масовою або об'ємною одини­цею поглинача залежить від природи його і речовини, яка погли­нається, її концентрації в парогазовій суміші або розчині, що оточують адсорбент, температури і, в разі поглинання з газо­подібного середовища, тиску.

Процес адсорбції, як і будь-який інший масообмінний процес, перебігає в напрямі встановлення рівноваги між фазами. При незмінній температурі для даної пари адсорбент-адсорбтив за

рівноважних умов має місце точно визначена залежність концен-

трації адсорбтиву в адсорбенті від концентрації в навколиш-

ньому газі (розчині) С

Цю залежність, що виражає статику процесу, називають рівнян­ням ізотерми адсорбції. У найзагальнішому випадку рівноважна кон­центрація тим вища, чим більшими будуть молекулярна маса газу, що поглинається, тиск у парогазовій фазі і нижчою температура.

У процесі адсорбції звичайно виділяється значна кількість теплоти, і, якщо її не відводити, температура шару адсорбента підвищиться, що негативно позначиться на його активності.

Процес адсорбції зворотний. У виробничих умовах зворот­ний процес (десорбція) нерозривно зв'язаний з прямим процесом. Процесу десорбції активно сприяє підвищення температури і зни­ження тиску в середовищі, що оточує адсорбент.

До адсорбентів промислових адсорберів належать: активова­не вугілля (деревне, кам'яне, кісткове), силікагель, алюмогель, це­оліти, глини.

Активоване вугілля одержують в результаті сухої перегонки відповідної сировини (деревини, тирси, кісточок з фруктів, кісток тварин відходів шкіри та інших матеріалів) з наступним вилучен­ням смолистих речовин з шпар цих речовин. Питома поверхня

активованого вугілля (600...700) використовують його у ви-

гляді гранул розміром (1...7) мм або порошків з частинок розміром (25... 250) мкм.

Силікагель (зневоджений гель кремнієвої кислоти) відрізняється від активованого вугілля однорідністю шпар рівномірним їх розподілом по об'єму частинки і здатністю витри­мувати високі температури. Питома поверхня його (300...750)

Розміри зерен — (0,2...7) мм.

Алюмогель (суміш нормального гідрату окису алюмінію з полігідратами) широко використовують для висушування газів,

питома поверхня його (200...600) Цеоліти — водні алюмосилікати натрію і калію (бентоніт, ша­базит, десміт та інші мінерали) з винятково тоненькими шпарами можна розглядати як молекулярні сита. їх поглинальна здатність в два — чотири рази вища від поглинальної здатності силікагелів і алюмогелів.

Глини (інфузорна земля, трепел) із меншою питомою поверх­нею шпар, ніж в усіх згаданих раніше матеріалів — (200...400)

Проте через низьку вартість і значне поширення в природі

знаходять застосування в промисловості.

Матеріальний баланс процесу адсорбції виражають рівнян­ням, аналогічним рівнянню (4.49) для процесу абсорбції, оскіль­ки в обох процесах можна вважати незмінними кількості інертно­го газу G у кожній фазі, а також не рахуватися з втратами роз­поділеної в фазах речовини, що поглинається.

Кінетика процесу адсорбції також має багато спільного з про­цесом екстракції в системі "тверде тіло — рідина". Процес скла­дається з двох основних стадій: перенесення речовини всередині твердого тіла за законами молекулярної дифузії і масообміну на поверхні твердого тіла за законами конвективної дифузії.

Процес адсорбції у промислових умовах може відбуватись періодично і безперервно. У першому випадку зернистий шар ад­сорбенту нерухомий, а газоподібна (рідка) фаза з речовиною, яку треба поглинати, фільтрується крізь шар. На початку процесу ад-сорбтив поглинається першими за рухом суцільного середовища шарами адсорбента. На певній висоті шару концентрація речови­ни, що поглинається, в газі впаде практично до нуля, потім фронт руху газу, на якому концентрація переходить від істотно більшої від нуля до нульової, буде повільно просуватися по висоті шару. Слідом за цим шаром, на певній відстані від нього, рухатиметься фронт суцільного середовища з концентрацією адсорбтива, що дорівнює початковій Со

а весь шар адсорбента за цим фронтом оуде повністю насиченим і не поглинатиме більше адсорбтива.

Щоб процес адсорбції відбувався безперервно, адсорбент по­винен рухатись назустріч потоку газу (рідини). Це можливо у то­му випадку, коли частинки адсорбента після їх повного насичен­ня безперервно регенеруватимуться, охолоджуватимуться, а потім знову надходитимуть у робочу ділянку шару, де відбу­вається процес адсорбції.

Екстрагування

Екстрагуванням називають вилучення з твердої або рідкої складної речовини одного чи кількох її компонентів за допомо­гою розчинника з вибірковою розчинністю. Під вибірковою роз­чинністю розуміють здатність рідини розчиняти лише той компо­нент (компоненти), які треба добути.

У процесі екстракції, як і в інших масообмінних процесах, бе­руть участь три речовини (дві розподіляючі і третя розподіляєма):

перша, з якої добувають цільовий компонент;

друга (розчинник), за допомогою якої добувають цільовий компонент (компоненти), так званий екстрагент;

третя, яка переходить з одної фази в другу, так звана екстра­гована речовина.

Апарат, в якому відбувається екстракція, називають екстрак­тором.

Залежно від фазового стану першої розподільної речовини процес поділяють на: екстракцію в системі "тверде тіло — ріди­на", коли ця перша розподільна речовина тверде тіло, і екст­ракцію в системі "рідина — рідина", коли вона рідка.

У технології мають місце обидва види екстракції, проте знач­ного поширення набула екстракція в системі "тверде тіло — ріди­на". В ряді виробництв екстракція є одним з основних техно­логічних процесів. Це добування цукру з буряків, олії з насіння со­няшників, бавовнику, сої, ефірної олії, екстрагування ферментів з культур плісеневих грибів. Важливу роль процес екстракції в сис­темі тверде тіло — рідина відіграє у виробництві вина, пива, крох­малю, лікеро-горілчаних виробів, розчинної кави і чаю.

Рідинну екстракцію застосовують у виробництвах, пов'яза­них з одержанням спирту, вина, олії, бензолу, ацетону, оцтової кислоти, тощо. У найзагальнішому вигляді процес екстракції складається з чотирьох стадій:

1) проникнення розчинника в шпари частинок рослинної си­ровини;

2) розчинення цільового компонента (компонентів);

3) перенесення екстрагованої речовини всередині частинки сировини до поверхні поділу фаз;

4) перенесення екстрагованої речовини в рідкій фазі від по­верхні поділу фаз і розподіл її у всій масі екстрагенту.

Під час екстрагування розчинних речовин з тканини сирови­ни звичайно не всі чотири стадії мають місце або не всі відігра­ють істотну роль. Наприклад, у найпотужнішому харчовому ви­робництві — цукробуряковому — екстракція відбувається з рос­линної тканини, у якій екстрагована речовина перебуває у рідкій фазі, тобто в розчиненому вже стані. Екстракція у більшості інших виробництв, які за обсягом перероблюваного матеріалу значно менші цукробурякового, хоча і має усі чотири зазначені раніше стадії процесу, проте тривалість перших двох стадій не­значна порівняно з тривалістю двох останніх. Як правило, у роз-

рахунках екстракції дві перші стадії процесу або зовсім не беруть до уваги, або легко їх враховують, вводячи поправки до кінетич­них коефіцієнтів на початковій стадії процесу.

Швидкість екстракції, як і будь-якого іншого процесу техно­логії, прямо пропорційна рушійній силі і обернено пропорційна опору. Рушійна сила і характер її зміни під час екстракції зале­жать від типу відносного руху частинок та екстрагенту (виду про­цесу): прямотечії, протитечії і т. д., а також від співвідношення витрати мас екстрагенту L і твердих частинок G

, (4.52)

Де q— співвідношення витрат мас або гідромодуль, % (або

відносні одиниці);

L — витрата екстрагенту, кг/с;

G — витрата твердих частинок, кг/с.

Дифузійний опір складається з опорів на основних стадіях процесу: перенесенню речовини в частинці і рідині, що її оточує. Швидкість перенесення речовини крізь будь-який елемент по­верхні у будь-якому перетині або на поверхні частинки підляга­тиме закону Фіка

(4.53)

Це рівняння дає можливість у першому наближенні оцінюва­ти вплив основних факторів на швидкість процесу перенесення речовини до поверхні поділу фаз.

Якщо розглядати певну масу частинок з поверхнею F, то кіль­кість речовини, перенесеної до цієї поверхні протягом одиниці часу

(4.54)

буде тим більшою, чим більший коефіцієнт дифузії D і відносна поверхня даної маси частинок.

Коефіцієнт дифузії залежить від температури, концентрації, структури матеріалу, фізичних властивостей екстрагованого ма­теріалу і розчинника. З підвищенням температури коефіцієнт ди­фузії зростає. Зменшення розміру частинок сприятиме зменшен­ню внутрішнього дифузійного опору.

Апарати для екстрагування з твердих тіл. У промисловості застосовують різноманітні типи екстракторів. Класифікують їх

за різними ознаками. За режимом роботи їх поділяють на напів-безперервні і безперервні; за видом процесу на протитечійні, із замкнутим періодичним процесом, з комбінованим процесом; за видом циркуляції на екстрактори з одноразовим проходженням фаз і рециркуляцією екстрагенту; за конструкцією на колонні, ро­таційні, стрічкові, ковшові, двошнекові нахилені, з киплячим ша­ром, батарейні.

Колонні екстракційні апарати. Процес у них відбувається протитечійно і безперервно, вся маса частинок постійно перебу­ває у рідкій фазі. Ці апарати займають малі площі, мають незнач­ну металоємність (весь внутрішній простір корисно використо­вується). Залежно від кількості колон апарати бувають одноко-лонні і багатоколонні, за положенням головного корпуса (кор­пусів) вертикальні і горизонтальні, за видом транспортного орга­на — лопатеві, шнекові і ланцюгові. В одноколонному апараті лопаті гвинтоподібно розміщені на вертикальному порожнисто­му валу, а контрлопаті закріплені на корпусі між лопатями і за­побігають обертанню маси твердих частинок разом з валом. За такої конструкції транспортного органа виникає певна рецирку­ляція рідини і твердих частинок, що порушує протитечію. Склад­ною лишається система надходження твердих частинок в апарат (нагнітання збагаченої рідиною суміші твердих частинок). Має місце значне подрібнення твердих частинок під час транспорту­вання, що погіршує гідродинамічні умови процесу. Не можна підводити тепло до певних ділянок апарата.

У багатоколонних апаратах з шнековим транспортним орга­ном може виникати закручування маси твердих частинок разом з обертовим органом, що утруднює їх транспортування в апараті. Має місце також підвищене дробіння частинок під час переходу їх з однієї колони в іншу та рециркуляція рідини.

В апаратах з ланцюговим транспортним органом тверді час­тинки невеличкими шарами лежать на сітках і в такий спосіб створюються найкращі умови для протитечії, крім того, тверді частинки не руйнуються. Легко встановити потрібний темпера­турний режим в апараті. Проте такі апарати складні в експлуа­тації, займають значно більший об'єм і площу приміщень, ніж одноколонні. Після переходу з однієї колони в іншу рівномір­ність розміщення шару частинок на сітці порушується, що яко­юсь мірою порушує гідродинамічний режим взаємодії рідкої і твердої фаз.

Ротаційні апарати (рис. 4.37). Корпус апарата обертається на котках. Внутрішня порожнина по всій його довжині поділена по діаметру сітковою перегородкою 2 (рис. 4.37). На внутрішній по­верхні корпуса змонтовані гвинтові перегородки 1, що не доходять до центра апарата, де є нахилені перегородки 4, що з'єднують між собою гвинтові. Апарат заповнюють сумішшю твердих частинок і рідини лише до рівня похилих перегородок (приблизно 1/4... 1/3 об'є­му). Під час обертання барабана екстрагент, що перебуває завжди у нижній частині апарата між суцільними гвинтовими витками, пе­реміщується вздовж апарата, а тверді частинки захоплюються сітко­вими перегородками, відокремлюються на них від рідини і після

певного кута повороту барабана завдяки нахиленим перегородкам сповзають у порожнину між сусідніми витками і в такий спосіб пе­реміщуються в апараті в протилежному руху рідини напрямі.

Процес екстракції у кожному проміжку між витками (камері) відбувається прямотечійно, а перехід між камерами здійснюється за принципом протитечії, тобто має місце змішаний процес. Транс­портна система апарата проста, тверді частинки не деформуються.

4.7. Штучне охолодження

Для одержання низьких температур, які неможливі при охо­лодженні водою та повітрям, використовують штучне охолод­ження, яке необхідне для скраплення пари та газів, при заморо­жуванні грунтів, будівництві підземних споруд, кондиціонуванні повітря, зберіганні продуктів харчування, тощо.

Найбільш відомий спосіб штучного охолодження — це вико­ристання холодильних сумішей (суміш солі та інших речовин з льодом). Суміш кухонної солі з льодом (22% NaCl) може дати

температуру -21C° суміш хлористого кальцію з льодом (30%

дає температуру -55 C° Зарараз використовують такі способи одержання холоду: Випаровування низькокиплячих рідин. Так, при випарову­ванні рідкого скрапленого аміаку при абсолютному тиску 0,04 Мпа досягають температури (біля -50 C°)

При зниженні тиску винаровування досягають більш низьких температур.

Розширення зтиснутих газів в розширювальній машині (де­тандері). Газ при розширенні здійснює зовнішню роботу за раху­нок своєї внутрішньої енергії і завдяки цьому його температура знижується.

Дроселювання стиснених газів і пари через звуження трубо­проводу або іншу перепону. Цей процес приводить до зниження температури тіла без здійснення зовнішньої роботи.

Умовно поділяють помірне (до -100 C°)

та глибоке (нижче 100 C°) охолодження. Помірне охолодження здійснюють абсорційними, компресійними і пароежекторними холодильними ма­шинами, а глибоке — дроселюванням і розширеням газів.

Найпростішою холодильною машиною є повітряна, в якій хо­лод отримують розширенням стиснутого повітря в детандері, але її холодильний коефіцієнт дуже низький. Тому зараз використо­вують парові компресійні холодильні машини, що з'явилися у

1834 році, в яких холод отримують випаровуванням низькокип-лячих рідких холодоагентів.

Найменші витрати енергії, тобто найбільший холодильний коефіцієнт досягається, якщо круговий процес здійснюється за зворотнім циклом Карно (цикл ідеальної компресійної машини), наведеному на діаграмі T-S (рис. 4.38).

Рис. 4.38. Цикл ідеальної компресійної машини:

І — компресор; II — конденсатор; III— детандер (розширювач); IV— випарник

Точка 1 відтворює стан пари холодоагента перед компресо­ром. В компресорі І пара адіабатично стискується (при S - const) — лінія 1-2. В конденсаторі II відбувається конденсація пари при сталій температурі Тк (лінія 2-3). З конденсатора холодоагент над­ходить до детендера III, в якому відбувається адіабатне розширен­ня (лінія 3-4) з частковим випаровуванням рідини. Потім холодоа­гент випаровується у випарнику IV при сталій температурі То (лінія 4-1), повертаючись до первісного свого стану (точка 1).

Теплота, яка витрачається на випаровування холодоагента, дорівнює холодопродуктивності 1кг холодоагента і зображується площею а-4-1-б-а, тобто а теплота, що виводиться в конденсаторі зображується площею б-2-З-а-в і дорівнює

Затрачена робота у відповідності з енергетичним балансом (робота компресора мінус робота в детандері) складає

і зображується різницею площ б-2-З-а-б та а-4-1-б-а і співпадає з рівнянням для визначення мінімальної роботи на одержання штучного холоду

Холодильний коефіцієнт цикла дорівнює

Оскільки на діаграмі T-S холодопродуктивність не зовсім зручно визначити, то при розрахунках використовують "тиск — ентальпія" (діаграми Р-І) на якій основні лінії діаграми для холо­допродуктивності і роботи зображені як прямі.

На рис. 4.39 показано основні лінії діаграми Р-І, а також ізо­терми (t = const) та адіабати (S = const). Лінія ABC є граничною кривою, а точка В відповідає критичній точці. Область нижча граничної кривої відповідає вологій парі, а вище і вліво від точ­ки В — рідині. Вище кривої ABC і вправо від точки В — пе­регрітій парі. В області вологої пари лінії t = const співпадають з горизонтальними (Р = const), а в області рідини йдуть близько до вертикалі. На цій же діаграмі показано цикл ідеальної компресій­ної машини. Лінії стиснення (1-2), розширення (3-4) співпадають з лініями S = const, а випаровування (4-1) і конденсації (2-3) зображені відповідними і випаровування

Критичні точки різні для різних речовин. Для води критична точка В відповідає тиску = 22,12 МПа, = 374,15 °C, а для аміаку = 11,65 МПа і = 132,4°C.

Для найбільш розповсюдженого холодильного агенту фреону-12 (діфтордіхлоретан ця точка відповідає = 4,11 МПа і

= 112,04°C.

В критичних точках різниця властивостей рідини та пари відсутня. При звичайному циклі Карно теплота перетворюється в ро­боту і процес іде в зворотному напрямку, тобто 1-4-3-2-1, що ха­рактерно для компресорів, двигунів внутрішнього згорання, то­що. Термічний ККД цикла Карно залежить від верхнього зни-

ження температури. Так для 100 °C = 76,9, для 2000°C = 87,1.