Процессы и аппараты в промышленности

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Процессы адсорбции и его применение в промышленности

адсорбция осадок промышленный фильтрующий

Адсорбцией называют процесс поглощения газов или паров из газовых смесей или растворенных веществ из растворов твердыми поглотителями - адсорбентами. Поглощаемое вещество называется адсорбтивом.

Характерная особенность процесса адсорбции -- избирательность и обратимость. Благодаря обратимости процесса возможно поглощение из парогазовых смесей или растворов одного или нескольких компонентов, а затем в определенных условиях выделение их из адсорбента.

Процесс, обратный адсорбции, называют десорбцией. Адсорбция широко распространена в различных отраслях промышленности для очистки и осушки газов, очистки и осветления растворов, разделения парогазовых смесей, для извлечения ценных летучих растворителей из их смеси с другими газами.

В пищевой технологии адсорбцию используют для очистки диффузионного сока и сахарных сиропов в сахарном производстве, осветления пива и фруктовых соков, очистки от органических и других соединений спирта, водки, коньяка и вин, сиропов в крахмало-паточном производстве и др.

Различают физическую и химическую адсорбцию. Физическая адсорбция имеет место при взаимном притяжении молекул адсорбтива и адсорбента под действием сил Ван-дер-Ваальса. При физической адсорбции не возникает химического взаимодействия адсорбированного газа с адсорбентом.

При поглощении паров адсорбция может сопровождаться конденсацией паров, при этом поры адсорбента заполняются жидкостью -- происходит капиллярная конденсация, которая возникает вследствие снижения давления пара над вогнутым мениском жидкости в капиллярах адсорбента

Химическая адсорбция, или хемосорбция, характеризуется образованием химической связи между молекулами поглощенного вещества и молекулами адсорбента, что является результатом химической реакции.

В разработке процессов адсорбции большая роль принадлежит отечественным ученым Т. Ловицу, обнаружившему в 1785 г. адсорбционные свойства активного угля, Н. Зелинскому, создавшему в 1915 г. первый угольный противогаз, А. Шилову, теоретически обобщившему закономерности адсорбции.

В пищевых производствах широко используют следующие адсорбенты: активные угли, силикагели (гель кремниевой кислоты), алюмогели (гидроокись алюминия), цеолиты, глины и другие природные адсорбенты. Адсорбенты, которые непосредственно контактируют с продуктами, должны быть биологически безвредными, т. е. они должны быть нетоксичными и прочными, не засорять продукт.

Адсорбенты характеризуются большой удельной поверхностью, отнесенной к единице массы вещества. Они имеют различные по диаметру поры, которые можно разделить на макропоры (более 2*10-4 мм), переходные поры (6*10-6...2*10 -4) и микропоры размером от 2*10-6 до 6*10-6 мм. От размера пор в большой степени зависит характер адсорбции. При адсорбции возможно образование слоев Молекул поглощенного вещества толщиной в одну молекулу (мономолекулярная адсорбция), толщиной в несколько молекул, так называемая полимолекулярная адсорбция.

Адсорбенты характеризуются поглотительной способностью (активностью), определяемой количеством вещества, поглощенного единицей массы или объема адсорбента.

Различают статическую и динамическую поглотительную способность. Статическая поглотительная способность определяется максимально возможным количеством вещества, поглощенного единицей массы (объема) адсорбента.

Динамическая поглотительная способность определяется при пропускании адсорбтива через слой адсорбента и определяется количеством вещества, поглощейного единицей массы (объема) адсорбента от начала адсорбции до «проскока» адсорбтива через слой адсорбента.

Максимальная поглотительная способность адсорбента при определенных температуре, давлении и концентрации адсорбируемого вещества называется равновесной активностью. В промышленности используют адсорбенты в виде гранул размером 2...7 мм либо в порошкообразном состоянии с размером частиц 50.. .200 мкм.

Активные угли получают при сухой перегонке углесодержащих веществ, таких, как дерево, торф, кости и др. Активирование проводят в основном прокаливанием углей при температурах свыше 900 °С.

В спиртовом и ликеро-водочном производствах используют активные угли растительного происхождения (березовый БАУ, буковый).

Удельная площадь поверхности активных углей составляет 600... 1750 м2/г, насыпная плотность -- 250.. .450 кг/м3, объем микро- пор -- 0,23...0,6 см3/г. Они отличаются низким содержанием золы (менее 8%).Эффективность адсорбционной очистки во многом определяется пористой структурой адсорбента, решающая роль принадлежит микропорам. Рекомендуется применять угли с предельным объемом адсорбционного пространства 0,3 см3/г. Размеры микропор определяют скорость каталитических реакций в адсорбированной фазе. Оптимальными являются активные угли с размером микропор 0,8...10 мкм.

Активные угли обычно используют для очистки промышленных газовых выбросов.

В спиртовом и ликеро-водочном производствах активные угли применяют для извлечения из сортировки (смесь спирта с водой) и спирта-ректификата альдегидов, кетонов, сложных эфиров, карбо- новых кислот и высокомолекулярных веществ (сивушных масел). Уголь извлекает глюкозу и фруктозу, содержащиеся в некоторых сортах водки. Активный уголь используют для осветления пива и фруктовых соков. Для обесцвечивания сахарных сиропов применяют активный уголь, полученный на базе костяного угля. Типичным мелкозернистым углем для обесцвечивания сахарных сиропов, коньяков, вин, фруктовых соков, эфирных масел, желатина является уголь деколар. В ряде случаев одновременно с обесцвечиванием происходит удаление запаха, привкуса, коллоидных и других примесей.

Силикагели представляют собой продукты обезвоживания геля кремниевой кислоты. Их получают обработкой раствора силиката натрия минеральными кислотами или растворами их солей. Удельная площадь поверхности силикагелей составляет 400...780 м2/г, их насыпная плотность -- 100...800 кг/м3. Диаметр гранул силикагеля достигает 7 мм.

Силикагели используют для осушки воздуха, осветления пива и фруктовых соков.

Цеолиты -- водные алюмосиликаты природного или синтетического происхождения. Размер пор синтетических цеолитов соизмерим с размерами сорбируемых молекул, поэтому они могут адсорбировать молекулы, проникающие в поры. Такие цеолиты называют молекулярными ситами. Цеолиты некоторых марок используют для концентрирования соков.

Цеолиты характеризуются высокой поглотительной способностью и применяются для осушки газов и жидкостей. Цеолиты выпускают в гранулированном виде с гранулами диаметром 2.. .5 мм.

Глины и другие природные глинистые адсорбенты -- бентонитовые глины на основе монтмориллонита и отбеливающие глины гумбрин, асканит и др. -- являются высокодисперсными системами со сложным химическим составом. В них входят Si02, А12Оэ, Fe203, CaO, MgO и другие окислы металлов.

Наиболее распространенный метод активации природных глин -- обработка их минеральными кислотами. При этом удаляются оксиды кальция, магния, железа, алюминия и других металлов, образуются дополнительные поры.

Удельная площадь поверхности глин составляет от 20 до 100 м2/г, средний радиус пор изменяется от 3 до 10 мкм.

Отбеливающая способность активных глин повышается с увеличением катионообменной емкости. Высокая отбеливающая способность бентонитовых глин связана с их кислыми свойствами -- содержанием в обменном положении ионов Н+ и А1+. Удаление соединений из жидкостей происходит вследствие хемосорбции на кислотных центрах поверхности адсорбентов.

Глинистые материалы применяют в основном для очистки различных жидких сред от примесей, например окрашенных веществ, в результате чего продукт обесцвечивается. Поэтому природные глинистые адсорбенты иногда называют отбеливающей землей.

Глинистые адсорбенты используют в пищевой промышленности для осветления вин, пива, фруктовых соков, рафинирования растительных масел, воды и для других целей. Для осветления пива широко применяют бентонитовые глины.

Натриевый бентонит не только осветляет и стабилизирует вина, но и ускоряет срок созревания и выдержки. Окислительно-восстановительные и другие реакции, происходящие в винах, катализируются минералами и катионами, входящими в состав бентонита.

2. Сортирование и машины для сортирования

Под сортировкой понимается процесс разделения сыпучей смеси строительных материалов по крупности на требуемые сорта (фракции). Сортировка выполняется на сортировочных машинах - грохотах, рабочим органом которых служит просеивающая поверхность - колосниковая решетка, решето (листовая сталь с отверстиями) или сито (сетка, сплетенная из проволочек). Частицы размером меньше отверстий сит (решет) проходят через них, составляя более мелкий сорт, а частицы больших размеров сходят с просеивающей поверхности и составляют более крупный сорт.

Сортировку можно вести сухим и мокрым способами. Сухой способ применяют главным образом для разделения смеси на крупные и средние фракции; мокрый - для разделения мелких фракций и когда в сортируемом материале имеются примеси глины, пыли и т. д.

На сортировочной машине может быть установлено одно или несколько сит (решет), расположенных последовательно в одной плоскости, одно под другим или комбинированно. Число сортов материала после сортировки всегда на единицу больше числа сит, установленных на машине.

Показателем, характеризующим степень точности разделения материала, является коэффициент эффективности грохочения, определяемый как отношение веса прошедших через отверстие сита (решета) зерен мелкого сорта (нижнего класса) к весу зерен того же сорта, содержащихся в исходном материале. В грохотах с плоской просеивающей поверхностью коэффициент эффективности грохочения равен 0,8-0,9, а с цилиндрической - 0,6-0,7.

Сита на грохотах можно менять в зависимости от крупности сортируемого материала. Их подбирают по следующей зависимости: при квадратных отверстиях сита а= (1,1-1,5)d2 при прямоугольных а = (1,5-1,7)d1 при круглых - d=1,7d2 где а - меньшая сторона отверстия сита в мм, d- диаметр отверстия решета в мм, d2- средний размер наибольших частиц, проходящих через сито, мм. Преимущества сит перед решетами - большая полезная площадь просеивания; недостатки - возможность раздвигания проволочек, быстрое засорение при сравнительно небольшой влажности, меньший срок службы.

Машины для сортировки делятся: по характеру действия - на грохоты с неподвижной и подвижной просеивающей поверхностью, по форме просеивающей поверхности - на плоские и цилиндрические.

Грохоты с неподвижной просеивающей поверхностью применяются только для предварительной сортировки, преимущественно с колосниковой решеткой, устанавливаемой под углом 30-50° к горизонту. Грохоты с подвижной просеивающей поверхностью делятся на эксцентриковые (гирационные), инерционные и барабанные.

3. Фильтрование, схема фильтрования, скорость фильтрования

Фильтрацией называется процесс отделения осадка от суспензий при помощи пористых, фильтрующих перегородок, которые задерживают осадок и пропускают осветленную жидкость.

Жидкообразные неоднородные пищевые среды представляют собой мутную полидисперсную систему, состоящую из грубых и мелкодисперсных частиц, коллоидных веществ. Для их осветления применяют отстаивание, фильтрование, центрифугирование и сепарирование.

Отстойное центрифугирование используется для разделения плохо фильтрующихся суспензий с малой концентрацией, а также для классификации суспензий по крупности и удельному весу частиц.

Фильтрационное центрифугирование применяется для разделения суспензий, имеющих дисперсионную фазу кристаллической или зернистой структуры, а также для обезвоживания влажных материалов, поры которых целиком или частично заполнены жидкостью.

Фильтрационное центрифугирование получило распространение в сахарной промышленности для фуговки утфеля.

Утфель представляет собой двухфазную вязкую массу, содержащую 45...60 % по объему кристаллов сахара и межкристальный раствор.

Процесс фуговки осуществляется за счет действия центробежной силы на утфель, загруженный в цилиндрический перфорированный ротор центрифуги, вращающейся с окружной скоростью 50...90 м/с. Для лучшего отделения межкристального оттека и задержания кристаллов сахара внутри ротора центрифуги устанавливают подкладочные и фильтрующие сита.

Процесс фуговки утфеля делится на три ш риода: образование осадка, уплотнение и механическая сушка осадка. Первый период - обычная фильтрация, причем давление обусловливается гидравлическим напором под действием центробежных сил.

Во время второго периода центрифугируй мая масса представляет собой двухфазную си; тему, причем вначале твердые частицы имеют минимум точек касания.

В дальнейшем происходит сближение частиц с уменьшением объема пор массы и выжимание жидкой фазы из этих пор. Hа межкристальную жидкость оказывают давлен»; твердые частицы и центробежные силы. С течением процесса сжатия осадка число точек касания между частицами увеличивается. Одновременно давление на жидкость, вызванное действием поля центробежных сил, падает вследствие уменьшения гидравлического напора по мере удаления межкристального раствора. Когда уровень жидкости опускается до дренирующего слоя, начинается третий период.

К началу третьего периода на поверхности кристаллов и в местах их соприкосновения остается межкристальная патока, удерживаемая капиллярными и молекулярными силами. Этот период характеризуется стеканием патоки по незаполненные порам с поверхности кристаллов до тех пор, пока силы молекулярного сцепления оставшейся пленки патоки на кристаллах уравновешиваются центробежными силами. Чтобы удалить оставшийся на поверхности кристаллов раствор, их промывают водой и сушат паром (пробелка).

Одной из характеристик центрифуг является ускорение центробежного поля создаваемого ими. Отношение центробежной силы к силе тяжести является фактором разделения.

Рабочим органом сепаратора, в котором происходит процесс разделения, является барабан.

Принцип действия сепаратора-разделителя заключается в следующем. Исходная гетерогенная система по центральной трубке поступает в тарелкедержатель, откуда по каналам, образованным отверстиями в тарелках, поднимаете! вверх комплект тарелок и растекается между ними. Под действием центробежной силы легкая фракция оседает на верхнюю поверхность нижележащей тарелки. По этой поверхности легкая фракция движется к центру барабана, далее по зазору между кромкой тарелки и тарелкодержателем поднимается вверх барабана и отводится по коммуникациям.

Тяжелая фракция в межтарелочном пространстве оттесняется к нижней поверхности тарелки. По этой поверхности фракция движется к периферии тарелки и по зазору между разделительной тарелкой и крышкой барабана поднимается вверх барабана, откуда отводится по специальным коммуникациям.

Сущность процесса осветления заключается в следующем. Продукт, подвергаемый очистке, по центральной трубке поступает в тарелкодержатель, из которого направляется в шламовое пространство между кромками пакета тарелок и крышкой. Затем жидкость поступает в межтарелочные пространства. По зазору между тарелкодержателем и верхними кромками тарелок поднимается вверх и через прорезь выходит из барабана. Процесс очистки начинается в шламовом пространстве и завершается в межтарелочных.

Процесс разделения гетерогенных систем осуществляется главным образом в межтарелочном пространстве. При этом траектория частиц дисперсной фазы состоит из двух стадий. Легкая фракция дисперсной фазы движется к оси вращения а тяжелая - к периферии.

Саморазгружающиеся сепараторы разделяются на две основные группы: с непрерывным и пульсирующим отводом осадка.

В сепараторах с непрерывным отводом осадка последний удаляется вместе с частью жидкой фазы через сопла в виде концентрированной тяжелой фракции.

В сепараторах с пульсирующим отводом осадка последний выбрасывается из барабана при перемещении подвижного элемента, открывающего разгрузочные щели на периферии барабана.

При полной разгрузке периодически прекращается поступление продукта на сепарирование, разгрузочные щели барабана открываются и все его содержимое, т.е. выделенный осадок и жидкая фаза, выбрасывается в приемник.

Основные конструктивные факторы, которые оказывают существенное влияние на эффективность процесса сепарирования, вытекают из формул для определения производительности сепараторов. К этим факторам относятся частота вращения барабана, размеры барабана и тарелок, расстояния между тарелками.

Движущей силой фильтрации является разность давлений на входе в фильтр, состоящем из фильтрующей перегородки и слоя осадка, и на выходе из него.

Для создания разности давлений на одной стороне фильтрующего слоя должно быть избыточное давление или вакуум, в любом случае фильтрат (очищенная жидкость) поступает в сторону пониженного давления.

В качестве фильтрующих перегородок используют ткани (хлопчатобумажные, бязь, лавсан, бельтинг, капроновые, нейлоновые), ацетатцеллюлозу, полисульфон, листовой картон, металлокерамику, намывные фильтры (диатомитовые, керамические, гравиевые), патронные фильтры.

Таким образом, процесс фильтрации основан на задержании твердых взвешенных частиц фильтрующими перегородками, способными пропускать только жидкость и задерживать частицы твердой фазы. При прохождении суспензии через пористую перегородку за счет разности давлений до и после перегородки жидкая фаза проходит через поры перегородки и собирается в виде освобожденного от твердых примесей фильтрата, а твердые частицы задерживаются на поверхности фильтрующей перегородки, образуя слой осадка. Образующийся на поверхности перегородки слой осадка и: пользуется как фильтрующая cpeда: исходная суспензия, проходя через пористые каналы слоя осадка, частично освобождается от примесей.

Для уменьшения его гидравлического сопротивления необходим периодически удалять большую часть осадка с фильтрующей перегородки.

Характер и толщина слоя осадка, отлагающегося на поверхности фильтрующей перегородки, являются важными параметрами, определяющими эффективность фильтрации.

Различают два типа осадков:

- несжимаемые - получаемые из недеформируемых (кристаллических) частиц.

- сжимаемые - получаемые из деформируемых (аморфных) частиц.

Скорость фильтрования суспензий, образующих несжимаемые осадки, растет с увеличением давления на жидкость, а при одном и том же давлении зависит тс. от толщины слоя осадка.

При образовании сжимаемых осадков с повышением давления осадок сжтмается, поры его уменьшаются и скорость фильтрации снижается. Следовательно, в этом случае скорость фильтрации растет не пропорционально разности давлений, а и некоторое отставание. Более того, скорость фильтрации при некоторой разности давлений не только не увеличивается, а, наоборот, уменьшается вследствие сжатия осадка.

Исходя из этого, процесс фильтрования ведут двумя способами: при постоянном давлении суспензии и уменьшающейся скорости фильтрования; при постоянной скорости фильтрования и переменно возрастающем давлении.

На скорость фильтрации влияют следующие основные факторы: перепад давления действующего на суспензию; толщина слоя осадка на фильтре; структура и характер осадка; состав, вязкость и температура суспензии.

На основе анализа многочисленных экспериментальных работ можно считать, что движение фильтруемой среды при протекании через поры осадка и через поры фильтрующей перегородки носит ламинарный характер вследствие малого paзмера пор и небольшой скорости движения жидкости. Поэтому скорость движения жидкости в порах v (м/с) можно определить из известного закона ламинарного течения - уравнения Пуазейля.

Список используемой литературы

1. Глущенко Л.Ф., Глущенко Н.А. Процессы и аппараты пищевых производств: Учебное пособие/ Л.Ф. Глущенко, Н.А. Глущенко. - Великий Новгород: ООО «Позитив», 2012. - 339с.

2. Кавецкий Г.Д., Васильев Б.В. Процессы и Аппараты пищевой технологии. - 2-ое изд., перераб. И доп. - -М.: Колос, 2000.- 551 с. (Учебники и учеб. пособия для студентов высших учебных заведений).

3. Машины и аппараты пищевых производств. В 2 Кн. 1: Учеб. Для вызов/ С.Т. Антипов, И.Т. Кретов, А.Н. Остриков и др.; Под ред. Акад. РАСХН В.А. Панфилова. - Высш. Шк., 2001. - 703с.: ил.

Размещено на Allbest.ru