Значение массообменных процессов в технологии

Пищевых продуктов

. Массообменные процессы классифицируют по агрегатному состоянию и характеру взаимодействия фаз. Наиболее часто встречаются экстрагирование и экстракция, абсорбция и адсорбция, перегонка и ректификация, растворение и кристаллизация и, наконец, сушка.

Движущей силой массообменных процессов является разность концентраций.

Основы массопередачи

В основе массопередачи лежит понятие равновесия фаз. Это равновесие, например концентрация растворенного вещества в двух взаимодействующих фазах, зависит от температуры и давления. Массоперенос начинается, когда концентрация вещества во взаимодействующих фазах отличается от равновесной.

Зная концентрацию компонента в фазах и условия равновесия, можно определить направление процесса. Состояние равновесия подчиняется правилу фаз Гиббса, оно гласит, что для равновесной термодинамической системы, на которую из внешних факторов действуют только температура и давление, число степеней свободы С равно числу компонентов К минус число фаз Ф, плюс два:

С = К – Ф + 2

С – число степеней свободы – это число независимых переменных (температура, давление и концентрация вещества в фазах).

Если однокомпонентная система (К=1) состоит из двух фаз (Ф=2), находящихся в равновесии, то число степеней свободы С=1-2+2=1. Это значит, что для такой системы можно произвольно выбирать только один параметр. Например, для однокомпонентной двухфазной системы вода-пар от изменения давления изменяется количество воды, обращенной в пар, и температура смеси.

Законы массопередачи

Перенос массы осуществляется различными способами.

Первый закон Фика – закон молекулярной диффузии.

Известно, что молекулы в газах и жидких растворах находятся в непрерывном хаотическом движении. Благодаря чему происходит перенос вещества из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией, который подчиняется первому закону Фика:

Количество диффундирующего вещества пропорционально градиенту концентраций, площади, перпендикулярной направлению диффузионного потока, через которую осуществляется перенос , и времени

¶c

dM = - D ¾ dFdt ,

¶x

где D - коэффициент диффузии;

¶c ¶x - градиент концентрации в направлении диффузии;

dF - площадь поверхности, через которую диффундирует вещество;

dt - продолжительность диффузии.

Коэффициент диффузии показывает, какое количество вещества переходит через поверхность в 1 м² за 1 с при разности концентраций на расстоянии 1 м, равной единице.

Знак минус в уравнении показывает, что перенос вещества осуществля-ется навстречу градиенту концентраций.

Коэффициент диффузии (D) зависит от агрегатного состояния систем, давления и температуры.

Коэффициенты молекулярной диффузии измеряются опытным путем, эти данные приводятся в справочниках.

Второй закон Фика – дифференциальное уравнение молекулярной диффузии. Аналогично дифференциальному уравнению теплопроводности Фурье уравнение молекулярной диффузии имеет вид:

¶c ¶²c ¶²c ¶²c

¾ = D ( ¾ + ¾ + ¾ ) ,

¶t ¶x² ¶у² ¶z²

или

¶c

¾ = DѲC

¶t

Абсорбция

Процесс поглощения газов или паров жидкостью называют абсорбцией.

Для большинства случаев это процесс обратимый, т. е. в определенных условиях, например при нагревании, можно выделить газ из жидкости. Такой процесс называется десорбцией.

В пищевых производствах процессы абсорбции занимают значительное место. Например, в производстве спирта, в процессах насыщения минеральной воды и различных напитков диоксидом углерода называют сатурацией.

Закон Генри.Равновесие при адсорбции. Количество газа, которое может поглотить жидкость, зависит от свойств газа и жидкости, температуры и парциального давления поглощаемого газа в газовой смеси над поверхностью жидкости.

В качестве примера рассмотрим разделение бинарной газовой смеси, состоящей из компонентов А и В. Пусть жидкость поглощает компонент А. Определим число степеней свободы для этой системы, воспользуясь правилом фаз Гиббса:

Ф + С = К + 2

Длянашегопримера Ф=2, т.к. в процессе участвуют две фазы – газ и жидкость. Число компонентов К=3: газовые компоненты А и В и третий компонент – поглощающая жидкость.

Тогда число степеней свободы

С = 3 + 2 – 2 = 3

Здесь три степени свободы – это три переменных параметра: температура, давление и концентрация.

Изменение любого из них нарушает равновесие.

В состоянии равновесия при постоянных температуре и общем давлении концентрации компонента А в газовой смеси соответствует определенная концентрация этого компонента в жидкости. Этот закон, известный как закон Генри, записывается уравнением:

Р_А= Ех_А,

Где Е – коэффициент пропорциональности, или константа Генри;

Х_А – концентрация компонента А в жидкости, моль.

Величина константы Генри зависит от свойств газа и жидкости, от их температуры и не зависит от общего давления.

Адсорбция

Процесс поглощения одного или нескольких компонентов из смеси газов, паров или жидких растворов поверхностью твердого тела называют адсорбцией. Процесс избирателен. Поглощенное вещество может быть выделено из адсорбента. Этот процесс регенерации называют десорбцией.

В пищевой промышленности адсорбция применяется при очистке водно-спиртовых смесей в ликеро–водочном производстве, при очистке и стабилизации вин, соков и других напитков. В свеклосахарной промышленности адсорбцией обеспечивается основная очистка диффузионного сока в процессе его сатурации, а также обесцвечивание сахарных сиропов перед кристаллизацией.

Равновесие при адсорбции. Уравнения Фрейндлиха и Лангмюра.

Как и в процессах абсорбции, количество вещества, поглощаемое твердым дсорбентом, увеличивается с увеличением давления. Но эти явления не подчиняются линейному закону Генри. Количество вещества, поглощенного адсорбентом, зависит от концентрации поглощаемого вещества в парогазовой смеси или растворе, а также от температуры. Условия равновесия для адсорбции

Х^*= f (у₁ Т),

где Х^* - относительная (к 1 кг адсорбента) концентрация поглощаемого вещества в адсорбенте, равновесная с относительной концентрацией этого вещества в газовой или жидкой фазе у, кг/кг

Для изотермических процессов это уравнение принимает вид уравнения Фрейндлиха:

Х^*= Су ,

Где С и n – константы для данных веществ, зависящие от температуры

Скорость процесса адсорбции зависит от свойств адсорбента, температуры, давления, свойств поглощаемых веществ и состава фазы, из которой они поглощаются.

Концентрацию поглощаемого из газа ( или пара) вещества можно заменить его парциальным давлением

Х^*= С₁ р ,

Где – С₁, m константы, зависящие от температуры.

Отметим, что уравнения Фрейндлиха дают большую погрешность при малых значениях Х^* и при Х^*, близких к насыщению. Для более точного описания процесса адсорбции пользуются уравнением Лангмюра

,

где b – коэффициент, зависящий от свойств адсорбента и поглощаемого вещества, имеет размерность давления.

В случае низких давлений (р << b) величиной р можно пренебречь, Х^* становится пропорциональной величиние p (уравнение Лангмюра). При высоких давлениях (р >>b), пренебрегая b, получим Х^*=Х_пр, что также удовлетворяет этому же уравнению.

Равновесная концентрация Х^* уменьшается при повышении давления. Для увеличения скорости адсорбции необходимо понижать температуру или повышать давление.

Адсорбенты

Количество поглощаемого вещества адсорбентом зависит от площади поверхности поглотителя. Поэтому адсорбенты обладают чрезвычайно развитой поверхностью, что достигается за счет образования большого количества пор в твердом теле.

В пищевой промышленности применяют следующие адсорбенты:

- активированный уголь, его получают сухой перегонкой дерева с последующей активацией – прокаливанием при t = 900 ⁰C.

- силикагели, их получают обезвоживанием геля кремниевой кислоты, обрабатывая силикат натрия (жидкое стекло) минеральными кислотами. Силикагели эффективно поглощают пары органических веществ, влагу из воздуха и газов.

- цеолиты - это пористые водные алюмосиликаты катионов элементов I и II групп Периодической системы Д. И. Менделеева. В промышленности применяют синтетические цеолиты.

Цеолиты отличаются высокой поглотительной способностью по отношению к воде , поэтому их используют для глубокой очистки газа и воздуха с незначительным содержанием влаги.

- иониты – природные и искусственные адсорбенты, действие их основано на химическом взаимодействии с очищаемыми растворами. Это процессы хемосорбции – адсорбции, сопровождаемой химическими реакциями. Так, в сахарорафинадном производстве с помощью ионообменных смол обесцвечивают сиропы, применяют их в производстве спирта-ректификата из спирта-сырца.

- естественные адсорбенты – мелкодисперсные глины: бентонит, диатомит, каолин, их применяют для осветления вин.

Экстракция

Экстракция – процесс избирательного извлечения одного или нескольких компонентов из растворов или твердых тел с помощью жидкого растворителя – экстрагента.

В пищевой промышленности экстрагированию чаще подвергают сырье растительного происхождения, например семена масличных культур, сахарную свеклу, фрукты и т. п.

Различают 3 типа экстракции:

-простейший процесс можно осуществить, заполнив аппарат сырьем и жидким экстрагентом. Процесс закончится, когда концентрации сравняются;

- фильтрование экстрагента через неподвижный слой сырья;

- сырье и экстрагент непрерывно перемещаются в противотоке.

Расчет процесса экстрагирования выполняют, исходя из основного уравнения массопередачи

М = k_m DC F ,

где k_m – коэффициент массопередачи.

F – площадь поверхности, через которую перемещается вещество.

Так как при экстрагировании сочного растительного сырья (сахарная свекла), первая и вторая стадии процесса отсутствуют, то рассчитывают скорость переноса внутри куска (внутренняя диффузия) или скорость переноса с поверхности в окружающую жидкость (внешняя диффузия). В зависимости от величины сопротивления на каждой из этих стадий процесс может протекать по разному.

В первом случае скорость внешней диффузии превышает скорость внутренней. Этот процесс осуществляется в аппаратах с совершенным перемешиванием фаз. Количество извлекаемого вещества М (кг), например при уэкстрагировании свекловидной стружки, в этом случае зависит от скорости внутренней диффзии и определяется уравнением;

,

где Д_ВН – коэффициент внутренней диффузии, м²/с;

- определяющий размер, м;

F – суммарная поверхность стружки, м²;

∆С – разность между средней концентрацией вещества внутри стружки и средней концентрацией вещества в растворе, окружающем стружку;

τ – продолжительность процесса, с.