Теоретический анализ экстракции в массообменнике с пористой перегородкой

объясняется малой пористостью комплексного сорбента. Максимум сорбции наблюдается для частиц с размером 0,25 мм. Это можно объяснить значительным ростом внешней удельной поверхности при уменьшении размера частиц.

Таблица

Сорбция веществ, % от исходного

Средний Наимено- количества

размер вание Фенольные Красящие

фракции, сорбента

мм вещества вещества Белки

А У 19,6 26,2 7,7

УМС 19,2 33,6 8,9

АУ 18,0 22,4 6,0

УМС 17,1 27,1 6,4

АУ 14.9 18,3 3,7

УМС 14,1 22,6 4,3

АУ 10,4 15,2 2,9

УМС 10,1 18,6 3,2

Для исследования сорбционных свойств сорбентов был взят красный сухой необработанный ви-номатериал из винограда сорта Каберне АПФ Фанагория (Краснодарский край). Кондиции винома-териала: содержание этилового спирта — 10,1% об., фенольные вещества — 1520 мг/дм3, красящие вещества — 425 мг/дм3, белки — 70 мг/дм'5, титруемая кислотность — 7,1 г/дм0. Определение веществ производилось по действующим методи-

кам [5]. Данные по обработке виноматериала стационарным способом в течение 30 мин при дозировке сорбентов 1 г/дм3 представлены в таблице.

Красящие вещества и белки УА4С удаляет лучше, чем АУ, а фенольные вещества почти так же. Хорошая сорбционная способность комплексного сорбента по высокомолекулярным веществам свидетельствует, на наш взгляд, о развитой системе крупных пор, локализованных на поверхности минеральной матрицы. Лучшими сорбционными свойствами обладает фракция сорбентов 0,25 мм, Таким образом, частицы сорбентов с размером фракции 0,25 мм хорошо/сорбируют как крупные молекулы МГ и высокомолекулярные вещества из виноматериала, так и относительно небольшие молекулы йода, что свидетельствует об эффективности данной фракции для. удаления высокомолекулярных соединений из водных растворов и ви-номатериалов,- *

ЛИТЕРАТУРА

1. Бутырин Г.М. Высокопорйстые углеродные материалы. — М.: Химия, 1976. — 192.'с.

2. Кельцев Н.В, Основы, адсорбционной техники. 2-е изд., перераб. и доп. -г- М.: Химия, 1984. — 592 с.

3. Тарасевич Ю.И. Угольно-минеральные сорбенты: их получение, свойства и применение в водоочистке / / Химия и технология воды. — 1989. — 11. — № 9. — С. 789-804.

4. Справочник. Активные угли / Д.А. Колышкин, К.К. Михайлова. — Л.: Химия, 1972. — 68 с.

5. Сборник технологических инструкций, правил и нормативных материалов по винодельческой промышленности. 6-е изд., перераб. и дон.'/— М.: Агропромиздат, 1985, —

511 с.

Кафедра технологии виноделия

Поступила 22.03.01 г.

66.061.001.2

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ЭКСТРАКЦИИ В МАССООБМЕННИКЕ С ПОРИСТОЙ ПЕРЕГОРОДКОЙ

и

Е.П. КОШЕВОЙ, B.C. КОСАЧЕВ, Х.Р. БЛЯГОЗ,

А.А. СХАЛЯХОВ

Кубанский государственный технологический университет Майкопский государственный технологический институт

Существующие массообменные колонны для жидкостной экстракции с различными насадками для создания контактов рассеивают одну жидкую фазу в другой, что приводит к снижению эффективности массообмена, а это обусловливает необходимость создавать колонны большой высоты. При попытке обеспечить высокую пропускную способность этих колонн возникают явления захлебывания колонны или образования эмульсий.Существенно на устойчивость работы колонны влияет разность плотностей растворителя и подаваемой исходной смеси.

В последнее время обращено внимание на развитие техники для мембранного разделения жидких смесей и предложено реализовать в таких аппаратах процесс экстракции, в том числе и используя в качестве растворителя сжиженные газы в различном состоянии [1]. В предложенной конструкции подаваемая жидкая смесь непрерыв-

но перекачивается;через модуль пористого фильтра. СверхкритичесНа'?! двуокись углерода течет про-тивоточно с другой'стйроны мембраны. Типичные мембраны — полипропилен с размером пор 0,2 мк, представляют собой полые волоконные трубки или спиральные листы. Такая конструкция устраняет перечисленные выше недостатки колонных аппаратов, кроме этого позволяет строить аппараты по модульной схеме и располагать произвольно в пространстве с любым относительным направлением движения фаз.Важный полезный признак мембранных контакторов — их постоянная площадь поверхности раздела, что дает возможность надежного масштабирования аппарата. Большие удельные площади поверхности раздела на единицу объема мембранных контакторов позволяют рассчитывать на эффективность экстракции в 10-200 раз большую, чем в существующих колонных аппаратах, при использовании обычных или сверх-критических растворителей [2, 3].

Разработка перспективной техники мембранной экстракции требует развития теоретических положений. В данной работе приводятся результаты начальной части исследований, посвященные опи-

санию аппарг Расі одногс идеалі не чер торая

КОЛОН]

мембр труба> та х) странс нента чи и

ВЫСОТ! обеих новив от вре нента Ура симоп поло» компо прост] рез ме dh им

Ма-

понен

ренци

Ані прост] при п

при п где

Кол d име Сое редачі уравн

санию концентрационных распределении по длине аппарата.

Рассмотрим случай экстракции растворителем одного компонента из экстрагируемой смеси при идеализированных условиях массообмена в колонне через пористую перегородку — мембрану, которая практически имеет трубчатую форму и в колонне может быть не одна. По обеим сторонам мембраны текут: фаза экстрагируемой смеси — в трубах (концентрация экстрагируемого компонента х) и фаза растворителя — в межтрубном пространстве (концентрация экстрагируемого компонента у). Примем, что коэффициент массопереда-чи и объемные скорости потоков постоянны по высоте колонны. Допустим, что перемешивание в обеих фазах отсутствует. Рассмотрим только установившийся режим, характерный независимостью от времени концентрации экстрагируемого компонента в каждом сечении колонны.

Уравнения для вычисления количества переносимого вещества йМ (знак М условно принимается положительным при переходе экстрагируемого компонента из фазы трубного в фазу межтрубного пространства) при экстракции растворителем через мембранную перегородку для элемента высоты сИг имеют следующий вид:

йМ = крБ^х - хп)йк;

йМ - 1гт05

йМ = куо5

йМ = КоБЬр^х - труту)с1к;

Материальный баланс для экстрагируемого компонента из фазы в трубном пространстве дифференциальной высоты <Иг

-С? Хйх = Клп

Аналогично в фазе растворителя в межтрубном пространстве:

при прямотоке 1

О/У = Клпй{Ц)хтх - 1руту)

при противотоке

Я/у = - Клп

ГДе Ухт И Уут ~~ Коэффициенты распределения рЭС-

творенного вещества между двумя различными фазами, определяемые следующим образом: грхт =

. . = х*/хп п%т = уУУп’

х , хп и у , уп —две пары равновесных концентраций, которые относятся к условиям на обеих сторонах поверхности мембраны между фазами;

К — коэффициент массопередачи; а — поверхность контакта фаз (мембраны) в единице объема колонны;

5 — сечение колонны;

Колонна с п мембранными трубками диаметром й имеет произведение оБ - пжй.

Соотношение между коэффициентами массопередачи и массоотдачи может быть получено из уравнений

1 = Ъг. , _1 К й к„

тр

Г угп

где 1гх и ку — коэффициенты массоотдачи в соответствующем данной фазе смеж-: • ном канале к стороне мембраны;

кт — приведенный (к толщине мембраны ?) коэффициент массопроводно-сти в пределах мембраны.

Определим следующие безразмерные группы:

<Р

.

. ~ %тУо) У ^хтЧ ~ Ч'упУй) ’

К = тхЖ;

1 - ,

где £ — длина мембранных трубок;

Р — площадь поверхности мембраны,

= лпйЦ

(р и <ру— изменения нормализованной концентрации растворенного вещества в фазе экстрагируемой среды в мембранных трубках и в фазе растворителя в межтрубном простран-1 стве, соответственно, по сравне-

нию с максимально возможным изменением концентрации;

Их и N — числа единиц переноса по фазе в трубном и межтрубном пространстве;

и С}у — объемные расходы фазы в трубном и межтрубном пространстве. Подстановка уравнений (9)—(13) в уравнения (5)-(7) дает

для обоих случаев по трубному пространству

<Ру+ 0 = -

при прямотоке по межтрубному пространству

Му

при противотоке по межтрубному пространству

иу{<рх-ч>у+\) = -

Распределение концентрации растворенного вещества в фазе экстрагируемой среды в мембранных трубках и в фазе растворителя в межтрубном пространстве для прямоточных систем может быть получено решением системы уравнений (14) и (15) одновременно с использованием следующих граничных условий:

<Рх =

Результат:

<Рх = -(Я/иу)<ру = \ых/(Ых +

х [е-

Выходные концентрации <рХК и цр 'к получаются затем подстановкой £ = 1 в уравнение

Ч>* = -^Х/Му) <рук = [М/(ЫХ + АП] X

X [е-

Из уравнения (19) следует, что обе выходные

концентрации <рх1с и (рук Ы„. Можно также отметить

функции только А/’г и что эти выходные

концентрации зависят от полной площади массопередающей поверхности Р, но не зависят прямо

от длины Ь, диаметра (1 и числа мембранных трубок/г.

Распределение концентрации растворенного ве-

___^ ~ т,, Т ГЛ ,,Л..Й«ЛТ,ТТ,1Л1

lU.cc 1 оа а крале э1 ра\. ир^смип ^.рсАсн о тсмираппшл

трубках и в фазе растворителя в межтрубном пространстве для прямоточных систем может быть получено решением системы уравнений (14) и (16) с использованием следующих граничных условий:

<ру = 0 при £ = 1.

Результаты интегрирования системы уравнений (14) и (16) можно представить в виде ,п = \вЩ ~ -'V? - 11 /Г1 - (М /}

'М Л х

X еЩ ~ Л'->) ] ;

. [

Выходная концентрация <рхк получается при подстановке £ = 1 в уравнение (2,) а выходная концентрация <рик —: при подстановке £ = 0 в уравнение (23):

ч>л = -(n/n^ - [Л - і] / (Ч:

[1 - (N/Nx)e{%-^>\

Из уравнения (24) для противотока видно, что как и при прямотоке обе (рхк и <р к — функции только N и N и эти выходные концентрации

зависят от полной площади массопередающеи поверхности F.

ВЫВОДЫ

1. Экстракция жидкофазных материалов в аппаратах с пористыми перегородками позволяет устранить ряд недостатков, присущих традиционным колонным аппаратам.

2. Зависимости распределения концентраций по длине пористой перегородки для обеих взаимодействующих фаз в процессе экстракции без продоль-

НОГО ПврвМбШИВЗНИЯ ДЛЯ ПрЯМОТОКа И ПрОТЙВОТОКЗ

находятся путем интегрирования уравнений материального баланса.

3. Для прямотока и противотока обе выходные концентрации взаимодействующих фаз являются функциями только чисел переноса по обеим фазам и зависят от полной площади массопередающей поверхности.

ЛИТЕРАТУРА

1. Robinson J.R., Sims М. Method and System for Extracting a Solute from a Fluid Using Dense Gas and a Porous Membrane, — U.S. Pat. 5490884; Feb. 13; 1996.

2. Gussler E.L. Hollow Fiber Contactors, in ’’Membrane Processesln Separation and Purification", J.Q. Grespo and K.W. Boedddeker (Eds), Kluwer Academic Publishers, Netherlands (1994).

3. Seibert A.F., Fasr J.R. Scale-up of I lollow Fiber Contactors // Separation Science and Technology, 1997, 32 (1-4), 573-583.

Кафедра машин и аппаратов пищевых производств

Поступила 28.02.01 г.

664.1.037

ХИМИЗМ ПРОЦЕССОВ, ПРОТЕКАЮЩИХ НА ИЗВЁСТКОВО-УГЛЕКЙСЛОТНОЙ ОЧИСТКЕ САХАРНЫХ РАСТВОРОВ

Р.С. РЕШЕТОВА

Кубанский государственный технологический университет

Результаты исследований в области технологии сахара по изучению физико-химических процессов ; при растворении извести в воде и водно-сахарных растворах зачастую имеют противоречивый харак-

три г» г*г» а и тлт т тт п о сот г*а г/пигтатопидтл гКау'ггмэ тл 1_го 1 Ср , \Л:£?аХЛХЛ~1Х11ЛЛ 1Л_/ » V.-/! Ч-р Ы Г\ 1 ЧУ О д Пч,

имеют точного и полного обоснования [1-3].

Как правило, не учитывается факт двухступенчатой диссоциации гидроксида кальция в водном растворе, хотя такая диссоциация с образованием на первой ступени комплексного однозарядного иона гидроксида кальция широко известна и приведена в учебных пособиях по технологии сахара

[4]:

,Са(ОН)„ - СаОН+ + ОН;

гСа2+ + 2 ОН"

вносит существенные изменения в имеющиеся представления о химизме процессов, протекающих на известково-углеквслотной очистке.

Растворимость извести в воде. Под термином "известь” в технологической литературе фигурируют два различных химических вещества — оксид кальция СаО и гидроксид кальция Са(ОН)2. Первый является основным компонентом свежеобож-женной извести, второй образуется в результате гашения оксида кальция водой. Растворение обоих в воде будет проходить неодинаково и иметь разные конечные результаты.

Растворение оксида кальция является следствием его гидратации в результате сильной экзотермической реакции гашения:

СаО + Н90 -» Са(ОН-), + 61,1, Дж,

В известковых растворах могут существовать два вида ионов кальция, причем в разном соотношении в зависимости от условий среды. Реакции с образованием малорастворимых солей кальция могут проходить только с двухзарядным ионом кальция, Однозарядный ион гидроксикальция может образовывать лишь растворимые соли, как и все однозарядные щелочные металлы и аммоний. Это

Весь оксид кальция свежеобожженной извести должен пройти через эту реакцию, образуя гидроксид кальция.

Концентрация оксида кальция в образовавшемся известковом растворе (молоке) определяется двумя факторами: скоростью гашения оксида и скоростью кристаллизации гидроксида кальция.

Скорость гашения можно увеличить измельчением оксида в порошок. Чем оно тоньше, тем