XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

Экстракция – один из эффективных методов разделения веществ в технологии. Этот метод позволяет извлекать рассеянные, редкие элементы, цветные и другие металлы из растворов, полученных в результате кислотного разложения природных руд, получать концентрированные кислоты из разбавленных растворов без выпаривания, смещать реакции обменного разложения в сторону образования требуемых кислот и солей, осуществлять реакции, не идущие в водных системах, производить кристаллизацию солей из водных растворов, экстрагируя из них воду, осуществлять глубокую очистку веществ, разделять близкие по свойствам элементы, извлекать нужные компоненты из растительного сырья.

Виды экстракции

Экстракция бывает разовой и непрерывной. Разовая экстракция может быть как однократной (т.е. проводиться один раз), так и многократной (проводиться два и более количества раз), если это необходимо. Непрерывная экстракция. Такой вид процесса также называют перколяцией. Она проводиться в более сложных аппаратах, которые называются экстракторами (например, таких как аппарат Сокслета).

Математическое описание и расчет процесса экстракции и оборудования для его осуществления

Математическое моделирование процесса экстракции и аппарата для его проведения в основном базируется на учете: баланса массы, концентрационного равновесия в системе, кинетических закономерностей на всех этапах процесса.

Расчет непрерывного процесса экстракции со встречным движением фаз начинается с задания производительности, концентраций во входящем и выходящем потоках, а также скоростей потоков фаз.

В процессе экстракции растительных масел происходит межфазное перераспределение веществ: масло извлекается из частиц материала и в смеси с растворителем образует мицеллу, 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

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

g_м=m_н-m_к , (1)

где m_н и m_к --соответственно начальная и конечная масличности материала на единицу массы сухого обезжиренного вещества, доли.

Удельное количество масла можно определить через его количество в отходящей мицелле

g_м=G_мц•с_мц/G_с , (2)

где G_мц и G_с -- соответственно, производительности экстрактора по отходящей мицелле и сухому обезжиренному веществу, т/ч; с_мц -- концентрация мицеллы, доли.

Уравнения (1) и (2) можно приравнять и преобразовать относительно производительности экстрактора по сухому обезжиренному веществу

G_с =G_мц•с_мц/(m_н-m_к) (3)

Баланс по растворителю с учетом его распределения между потоками мицеллы и шрота можно представить и виде:

G_р =G_мц•(1-с_мц)+b_шр•G_с, (4)

где b_шр -- бензиноемкость шрота на сухое обезжиренное вещество, доли.

Выражая G_мц в уравнении (3) и подставляя в (4), после преобразования получим

G_с= G_р / [b_шр + (m_н - m_к) (1-с_мц)/с_мц] (5)

Решая уравнение (5) относительно других входящих в него величин, можно получить:

(6)

с_мц =G_с(m_н - m_к)/[ G_р - b_шр G_{с +} G_с (m_н - m_к)] (7)

G_р = G_с [b_{шр +} (m_н - m_к) (1-с_мц)/с_мц ] (8)

b_шр = [G_р - G_с(m_н - m_к) (1-с_мц)/с_мц]/ G_с(9)

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 (мицеллы) и его расход, если заданы начальная

М_н =100m_н /(1+ m_н)

и конечная

М_к=100m_к/(1+m_к)

масличности материала (% на общий вес), бензиноемкость проэкстрагированного материала

(Б=100b/(1+b),

% на обший вес шрота) и соотношение растворитель-материал (R=G_р /G_мат при этом

G_мат = G_с 100/(100- М_н )).

В частности, концентрация отходящей мицеллы

(К_мц , %) определяется из уравнения баланса массы (7)

(10)

Расход мицеллы (G_мц, кг/ч) равен

G_мц = G_мат [(М_н - М_к)/(100-М_к)](100/К_мц). (11)

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

dМ=-Vdc⁽²⁾=k_T(c⁽²⁾-c*⁽²⁾). (12)

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 материла (м³/с): k_T -- 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).

Для экстракторов поток массы пропорционален, обшей 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, начнется 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

N_к.ж.=k_о.жsV/v_ж=k_о.жs , (13)

где k_о.ж-- осредненный коэффициент массопередачи по жидкой фазе, м/с; s -- удельная эффективная межфазная площадь на единицу объема слоя, м²/м³; V - объем слоя, м³; v_ж - расход потока жидкой фазы, м³/с; - время экстракции, с.

Согласно двухпленочной теории Льюиса, k_o зависит от обоих коэффициентов массопередачи - в непрерывной жидкой фазе k_ж, и дисперсной твердой фазе k_T. Расчет параметров массопередачи заключается в определении параметров внутреннего и внешнего массопереноса, которые связаны критериальным уравнением

1/Sh_o- 1/Sh_T + 1/2Bi, (14)

где Sh=k/D - чисто Шервуда ( -- характерный размер частиц; k и D -- соответственно, коэффициент массопередачи (или массоотдачи) и коэффициент диффузии, относящийся к одной фазе); Bi = m( /2)k_ж/D_BH -- число Био.

Число Био удобно определять через число Шервуда для жилкой фазы

Bi=m(D_H/2D_T)Sh_ж, (15)

где D_Н, D_Т - соответственно, коэффициенты свободной молекулярной и внутренней диффузии, м²/с.

Shж =hj_m Re(Sc)^0.33 /h, (16)

где Re= с_ж w_ж/µ_ж - число Рейнольдса.

Здесь с_ж и µ_ж -- плотность и вязкость мицеллы; w_ж--скорость мицеллы. Фактор внешней масссотдачи

hj_m= 0,765/Re^0,82 + 0,365/Re^0.38 (17)

Число Шмидта

Sc= µ_ж/ с_ж D_M. (18)

Коэффициент массопередачи дисперсной твердой фазы зависит от времени. Установлено, что для экстрагирования число Шервуда Sh_r=k_Td_ч/D_Т имеет асимптотическое значение для длительных времен контакта, так что для постоянного коэффициента диффузии D₁ в твердой фазе k_T, имеет постоянное значение, которое может быть вычислено из аналитического решения уравнения диффузии с граничными условиями, относящимися к прямотоку или противотоку.

Основные зависимости для расчета производительности и мощности привода колонных аппаратов.

Производительность для колонного аппарата (НД)

Q= 15D²Sn (19)

Мощность для колонного аппарата (НД):

- шнек загрузочной колонны

N_з = D²n fh_o(с_т - с_ж) (mS + D/30)/24000; (20)

- шнек горизонтальный (переходный)

N_п = D²n fl(с_т - с_ж)(S + Dm/30]/24000; (21)

- шнек разгрузочный

N_p = D²n[(с_т - с_ж) h_ж+с_оh_o] [(1+fm)S + Df/30]/24000. (22)

Здесь Q - производительность, т/ч; = 0,7-0,8 - коэффициент проскальзывания: n - частота вращения вала об/мин; с - объемная масса материала, кг/м³; D - наружный диаметр шнеков, м; S - шаг шнека, м; - 0,7-0,8 - коэффициент заполнения; h - высота слоя материала на отдельной лопасти, м; с_т, с_ж -- плотности твердой и жидкой фаз, т/м³; - 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 коруселных экстракторов.

Производительность:

- для ленточных экстракторов

Q = 3600bhvс. (23)

- для карусельных экстракторов

Q = (D_к²-d _к²)Hnс/4. (24)

Мощность:

- для ленточных экстракторов

N =(10v/ )[(bhLс_p, + G_o)(µd + 2k) /D + h²Lс f] (25)

- для карусельных экстракторов

N = Нс_p f(D_к³-d _к³)/600 (26)

где Q - производительность, т/ч; v - скорость движения конвейера, м/с; b - ширина конвейера, м; h - высота слоя материала, м; с - объемная масса материала, кг/м³; L - длина конвейера, м; с_p - объемная масса материала с учетом задержки растворителя в слое, кг/м³; G_o - масса движущихся частей транспортера, т; м - коэффициент трения в подшипниках скольжения; d - диаметр подшипника скольжения, м; k - коэффициент трения качения по поверхности роликов; в = 1,2-1,5 - коэффициент, учитывающий трение в ребордах и торцах подшипника: о - коэффициент бокового распора слоя материала - коэффициент трения материала о стенки корпуса и днище; - КПД привода; D - наружный диаметр роликов; D_{к ,}d_к - наружный и внутренний диаметр карусели, м; Н - высота слоя материала, м; n - частота вращения карусели, об/ч.

Технологическое оборудование для экстракции

Под экстрагированием подразумевают процессы извлечения  жидких или твердых веществ из органического или растительного сырья при помощи избирательных (селективных)  экстрагентов (растворителей).

Экстракционные аппараты или экстракторы используются для извлечения полезных веществ из растительного или органического сырья путем воздействия на него растворителем. В качестве экстрагента могут быть использованы спирт различной крепости, вода и водные растворы, масла, бензин, керосин, ацетон и другие жидкости.

Применение производимых «Агромолмаш» экстракторов позволяет интенсифицировать процесс путем сокращения в разы времени экстракции, увеличения выхода активных веществ и выхода продукции.

Виды экстракторов: экстрактор с ректификационной колонной и дефлегматором; экстрактор периодического действия с мешалкой; экстрактор периодического действия.

Конструктивно емкость экстрактора представляет собой вертикально ориентированный, цилиндрический, герметичный аппарат. Исходное сырье загружается в специальных мешках или сетках. При помощи насоса или гидродинамического генератора производится циркуляция раствора экстрагента. Подача раствора осуществляется при помощи распылителя. Забор раствора из аппарата – при помощи заборного устройства щелевого типа.

Наиболее распространенными являются способы:

-настаивание при перемешивании

-фильтрование экстрагента через непрерывный слой сырья

-перемешивание сырья и экстрагента в противотоке

Это способы позволяют практически полностью извлекать необходимые вещества из сырья. При условии выдерживания графика времени.

Гидродинамическая экстракция позволяет интенсифицировать процесс, уменьшить время его проведения, уменьшить затраты энергии и увеличить выход извлеченного продукта. Сырье помещают в загрузочную емкость, оснащенную якорной мешалкой. Вносится экстрагент. Его рециркуляция проводится согласно технологическому процессу через гидродинамический генератор. Последний состоит из многоступенчатого роторного кавитационого гомогенизатора специальной конструкции.

Процесс интенсифицируется за счет пульсации воздействующего экстрагента на границе раздела « жидкость-твердое вещество».

При использовании данной установки выход активных веществ увеличивается в 2-2,5 раза, и в разы сокращается время экстракции.

В составе линии: - емкость загрузочная, оснащенная теплообменной рубашкой, специальной конструкции; - многоступенчатый роторно-кавитационный гомогенизатор специальной конструкции; - емкость приемная, оснащенная пропеллерной мешалкой; - запорная аппаратура, трубопроводы, пульт управления.

Код для цитирования: Скопировать