Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор работ по экстрагированию в системе твердое тело-жидкость 14
1.1. Особенности процесса экстрагирования в системе твердое тело-жидкость 14
1.1.1 Массообмен в процессе экстрагирования из твердой фазы 14
1.1.2 Строение твердых пористых тел 17
1.1.3 Методы кинетического расчета процессов экстрагирования 20
1.2 Методы интенсификации процессов экстрагирования из твердой фазы .29
1.3. Интенсификация процесса экстрагирования воздействием электрических разрядов 34
1.4. Конструктивное оформление процесса экстрагирования в системе твердое тело - жидкость 39
Задачи исследования 42
Глава 2. Экспериментальная техника и методика исследования процесса электроразрядного экстрагирования 43
2.1. Экспериментальная установка 43
2.2. Высоковольтные импульсные источники и устройства для регистрации тока и напряжения 45
2.3. Сырье для исследований 48
2.4. Методика электроразрядного экстрагирования алкалоидов из листьев растения красавка 49
Основные результаты и выводы по главе 2 50
Глава 3. Экспериментальное исследование процесса электроразрядного экстрагирования целевых компонентов из растительного сырья 52
3.1 Роль кавитации и пульсирующей парогазовой полости в процессах электроразрядного измельчения растительного сырья 52
3.2 Изучение кинетики массообмена при электроразрядном экстрагировании алкалоидов из коры раувольфии 59
3.3 Кинетика электроразрядного экстрагирования алкалоидов из листьев красавки при варьировании соотношения загрузки фаз с расчетом удельных энергозатрат. 64
3.4 Влияние режимных параметров процесса на кинетику электроразрядного экстрагирования целевого компонента из растительного сырья 69
Основные результаты и выводы по главе 3 79
Глава 4. Разработка кинетической математической модели процесса электроразрядного экстрагирования ...81
4.1 Обоснование и общая формулировка кинетической математической модели процесса 81
4.2 Обобщение экспериментальных данных по коэффициентам массопередачи по твердой фазе при электроразрядном экстрагировании .85
4.3 Критериальное уравнение для расчета коэффициентов массопередачи по жидкой фазе 93
4.4 Нестационарная массоотдача при электроразрядном экстрагировании.. 100
4.5 Изменения движущей силы процесса и коэффициента массопередачи в
ходе электроразрядного экстрагирования 106
Основные результаты и выводы по главе 4 113
Глава 5. Аппаратурно-технологическое оформление процесса электроразрядного экстрагирования 114
5.1 Конструктивное оформление процесса электроразрядного экстрагирования 114
5.2 Методика расчета электроразрядной экстракционной установки 116
5.3 Пример расчета электроразрядной экстракционной установки 120
5.4 Технико-экономический анализ применения электроразрядной установки 124
Основные результаты и выводы по главе 5 133
Основные результаты и выводы 134
Литература 136
- Методы интенсификации процессов экстрагирования из твердой фазы
- Высоковольтные импульсные источники и устройства для регистрации тока и напряжения
- Изучение кинетики массообмена при электроразрядном экстрагировании алкалоидов из коры раувольфии
- Обобщение экспериментальных данных по коэффициентам массопередачи по твердой фазе при электроразрядном экстрагировании
Введение к работе
Задачи интенсификации экстрагирования целевых компонентов из растительного сырья актуальны для пищевой, фармацевтической, химической отраслей промышленности, а также для переработки сельскохозяйственной продукции.
Традиционные процессы экстрагирования биологически активных соединений из растительного сырья обладают двумя основными недостатками - длительностью и неполным извлечением целевых продуктов. Поэтому интенсификация процессов переработки растительного сырья с целью более полного и быстрого извлечения ценных веществ является перспективной и актуальной задачей.
Для процессов извлечения из растительного сырья большой интерес представляет метод электроразрядного экстрагирования (ЭРЭ), который обладает высокой степенью извлечения и сокращает длительность процесса до нескольких минут по сравнению с традиционными методами (мацерация, пер-коляция, перемешивание и т.д.). Несмотря на известные экспериментальные данные, не исследованы кинетические закономерности процесса, слабо разработаны инженерные методы расчета промышленных аппаратов. Физическое и математическое моделирование процесса ЭРЭ даст возможность определить оптимальные электрические параметры для проведения процесса, учесть специфику экстрагирования в электроразрядных аппаратах, оптимизировать выход извлекаемого вещества. Это определяет научную актуальность диссертации. Цель и задачи исследований.
Целью исследований являлась разработка высокоэффективной технологии экстрагирования целевых компонентов из растительного сырья при воздействии электрического импульсного разряда в жидкости. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Экспериментально изучить процесс электроразрядного экстрагирования целевых компонентов (ЦК) из растительного сырья на примере извлече-
7 ния алкалоидов из листьев растения красавки, выявить режимы, обеспечивающие их максимальный выход и интенсивное извлечение биологически активных веществ в электроразрядных аппаратах;
Исследовать влияние технологических (режимных) параметров электроразрядного экстрагирования (формы, длительности, амплитуды импульса напряжения, величины межэлектродного промежутка, количества импульсов, соотношения загружаемых фаз) на кинетику и эффективность извлечения экстрагирования,
Провести теоретические исследования процесса массопередачи, протекающей при воздействии электроразрядной обработки, с целью выявления его кинетических закономерностей;
Получить обобщающие зависимости для расчета коэффициентов массопередачи в условиях электроразрядного экстрагирования, необходимые для кинетических расчетов;
Разработать методику технологического расчета электроразрядного экстрактора;
6. Оценить экономическую эффективность исследуемого процесса.
Объект исследований.
Объектом исследования является процесс электроразрядного экстрагирования ЦК из растительного сырья. Методика исследований.
Поставленные задачи решены путем проведения теоретических и экспериментальных исследований. В работе использованы теории массообмена, электротехники, теории подобия, а также методы физического моделирования, и математической обработки экспериментальных данных. Научная новизна работы:
Изучена кинетика массообмена при ЭРЭ алкалоидов из растительного сырья при варьировании электрических параметров установки,
Получены экспериментальные зависимости по коэффициентам массопередачи в функции от технологических параметров (длительность им-
8 пульса напряжения, длина межэлектродного промежутка, длительность фронта импульса напряжения, частота подачи импульса, напряжение, соотношение загружаемых фаз).
Выявлены режимы работы электроразрядной установки, обеспечивающие максимальный выход ЦК и интенсивное его извлечение.
Разработана кинетическая математическая модель, описывающая процесс электроразрядного экстрагирования, определены ее параметры.
Получены критериальные уравнения для расчета коэффициента массо-псредами.
Аналитически исследована роль нестационарной диффузии в полуограниченной плоской среде при граничном условии массообмена первого рода.
Разработана методика инженерного расчета электроразрядной установки.
Практическая ценность:
Показана практическая целесообразность и эффективность применения метода ЭРЭ для извлечения ЦК из растительного сырья.
Разработана математическая модель и методика инженерного расчета электроразрядного аппарата, которые могут быть применены для расчета процесса экстрагирования различных ЦК из растительного сырья.
Получены данные по коэффициентам массопередачи, являющихся функциями электрических параметров и соотношения твердой и жидкой фаз в аппарате и могут быть использованы при расчете процесса электроразрядного экстрагирования из различенного растительного сырья. Критериальные уравнения применимы для нахождения оптимального выхода ЦК при различных вариациях режимных параметров.
Даны рекомендации по аппаратурно - технологическому оформлению процесса ЭРЭ.
9 Автор защищает:
Результаты экспериментальных исследований по кинетике алкалоидов из листьев растения красавки методом ЭРЭ и выводы на их основе;
Выявленные закономерности по влиянию электрических параметров и соотношениятвердой и жидкой фаз в аппарате на коэффициент массопе-редачи и выход целевого компонента;
Математическую модель процесса ЭРЭ, учитывающую влияние электрических параметров;
Инженерную методику расчета периодически действующего электроразрядного экстрактора, учитывающую вышеуказанные эффекты.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на; научно - технических конференциях преподавателей и сотрудников МГАУ (г. Москва, Россия 2004 - 2006 гг.), V - й всероссийской выставке научно - технического творчества молодежи (Москва, ВВЦ 29 июня - 3 июля 2005г.); VI - й всероссийской выставке научно - технического творчества молодежи (Москва, ВВЦ 20 - 24 июня 2006г.). Публикации,
Материалы, изложенные в диссертации, нашли отражение в 6 опубликованных работах. Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, списка литературы изложена на 147 страницах машинописного текста, содержит 46 рисунков и 12 таблиц. Список литературы включает 130 наименований.
Методы интенсификации процессов экстрагирования из твердой фазы
Сильное влияние на увеличение скорости экстракционного процесса, а также на сокращение времени набухания растительного сырья оказывает повышение температуры [1-6,44]. С повышением температуры взаимная растворимость компонентов увеличивается, а скорость процесса возрастает благодаря увеличению коэффициента диффузии. Увеличение скорости экстрагирования с температурой отмечается также в [45,46]. Применение повышенной температуры позволяет проводить непрерывный процесс при меньших скоростях экстрагента, а растворитель, имеющий высокую температуру, обладает, как правило, меньшей вязкостью и большей селективностью. Однако повышение температуры на длительное время приводит к инактивации термолабильного ЦК, снижению выхода и качества продукции, а также способствует снижению упругости твердых частиц и таким образом ухудшает гидродинамический режим в слое и массообмен в нем. В то же время кратковременный нагрев может повысить эффективность процесса. Например, применение осциллирующего температурного режима с помощью СВЧ - нагрева интенсифицирует циркуляционные потоки экстрагента в капиллярах твердого тела при выделении ЦК из растительного сырья [47,48]. Недостатком этого метода является периодичность работы установок и их низкая производительность. Верхняя граница температуры при экстрагировании определяется точкой кипения растворителя и термической устойчивостью экстракта и твердой фазы.
Измельчение растительного сырья увеличивает поверхность контакта фаз, уменьшает внутреннее диффузионное сопротивление каждой частицы и приближает процесс экстрагирования к процессу вымывания (растворения вещества из клеток, разрушенных во время подготовки растительного сырья к экстрагированию), что приводит к увеличению скорости процесса [1,3,4,7,49]. Но одновременно с этим уменьшается порозность
слоя, повышается степень взаимной блокировки поверхностей частиц, ухудшается гидродинамическая обстановка в слое. При измельчении частиц до размеров менее 0,25 мм возникают проблемы, связанные с фильтрованием: заиливание фильтра, значительное увеличение времени фильтрования, необходимость установки дополнительных фильтрующих средств, повышение стоимости экстракционных установок. Кроме того, мелкие частицы твердой фазы ( 0,25 мм) при перемешивании системы практически повторяют движение жидкости, так как плотность растительного сырья близка к плотности экстрагента, (относительная скорость движения твердой фазы близка к нулю) и при этом не происходит снятия диффузионного барьера на границе раздела фаз [49]. Увеличение интенсивности перемешивания в этом случае не влияет на скорость экстрагирования. С увеличением степени измельчения резко возрастают энергетические затраты на процесс дробления. Следствием тонкого измельчения частиц является снижение качественных показателей процесса: большой расход экстрагента вследствие огромного внешнего влагопоглощения; высокое содержание балластных веществ в экстракте, что затрудняет очистку и концентрирование готового продукта; окисление ЦК, извлекаемого из растительного сырья, и потеря ароматических веществ при контакте с воздухом [7]. Чаще всего размер частиц выбирается оптимальным, достаточно малым, так как длительность процесса характеризуется временным показателем - критерием Фурье: Fom=D1T/(d )2; но и дростаточно значимым - для обеспечения качественных и экономических показателей процесса.
В качестве экстрагента при обработке растительного сырья чаще всего используют воду, ее солевые и спиртовые смеси, бензин, трихлорэтилен, изопропанол, этанол, ацетон, диоксин и т.д. [1-5,50]. В последнее время появились работы [51,52] по использованию в качестве экстрагента сжиженных газов (в основном СОг). Сжиженными газами хорошо извлекаются жидкие и эфирные масла, флавониды, некоторые алкалоиды, тогда как для водорастворимых веществ, гликозидов, растительных смол его применение не эффективно [52].
Увеличению скорости массоотдачи способствует механическое перемешивание фаз в экстракционном объеме. Однако механическое перемешивание, как было показано выше, слабо интенсифицирует процесс при экстрагировании ЦК из измельченного растительного сырья [4, 53-55]. Чем меньше размеры движущейся в потоке частицы, и чем ближе ее плотность к плотности жидкости, тем быстрее она реагирует на изменение скорости жидкости, тем, как следствие, меньше скорость обтекания. Последнее обстоятельство является причиной того, что для частиц малого размера увеличение скорости перемешивания не сопровождается эквивалентным увеличением скорости обтекания и скорости массообмена.
В подобных случаях более эффективно наложение поля низкочастотных колебаний (пульсаций) - акустического диапазона [56,57]. На процессы, характеризующиеся диффузионным механизмом мас-сопереноса, пульсации и вибрации также оказывают большое влияние.
Колебательные движения жидкости и свойственные им высокие ускорения создают необходимую обстановку для интенсивного массообмена -высокую скорость обтекания [58,59]. При этом достигается увеличение скорости внешней массоотдачи в 2-3 раза при одновременном снижении энергозатрат на перемешивание. Интенсификация процесса массообмена происходит за счет знакопеременного обтекания частиц жидкостью, устранения их слеживаемости, сокращения числа застойных зон в рабочем объеме аппарата. При наложении поля низкочастотных колебаний скорость массообмена зависит от параметров пульсаций и физических параметров взаимодействующих фаз.
Высоковольтные импульсные источники и устройства для регистрации тока и напряжения
К источнику импульсов, у которого в качестве нагрузки используется сопротивление искры в жидкости, предъявляют следующие основные требования : 1) при минимальной запасаемой энергии обеспечить оптимальные параметры импульса на нагрузке; 2) после пробоя обеспечить скорость выделения энергии в канале разряда, необходимую для оптимального протекания заданного процесса. Этим условиям наиболее полно отвечают генераторы, формирующие прямоугольные импульсы большой длительности с наносекундным фронтом. Электрическая схема генератора прямоугольных импульсов представлена на рис. 2.4.
Питание с пульта управления подается по цепи: регулировочный трансформатор - РТ; высоковольтный трансформатор - ВТ; выпрямительное устройство и далее на конденсатор С0, выполняющей роль накопителя энергии. Защитное сопротивление R, служит для ограничения тока в цепи в момент срабатывания разрядников и защищает обмотку высоковольтного трансформатора.
После зарядки формирующей линии Ьф до заданного уровня напряжения, срабатывает коммутатор - КУ, и сформированный импульс напряжения прямоугольной формы по передающей линии L„ поступает на экстракционную камеру. Подсчет количества импульсов, поданных на электроды экстракционной камеры, осуществляется счетчиком импульсов. Генератор прямоугольных импульсов позволял получать в режиме холостого хода импульс напряжения с длительностью фронта т =5-10"9с, амплитудой U=100KB и длительностью прямоугольного импульса т!(=1-10 6с.
В качестве формирующей линии (рис 2.5) использован коаксиальный одножильный кабель КПВ - /го с полиэтиленовой изоляцией диаметром 20 мм и рабочим напряжением 120 кВ. Время задержки кабеля КПВ - /2о составляет -5 нс/м, поэтому, чтобы без искажений передать на нагрузку сформированный импульс напряжения передающая линия LM должна иметь длину не менее 1м. Из технологических соображений передающая линия выполнена длиной 5м кабелем той же марки.
Нами применена импульсная зарядка формирующей линии с плавной регулировкой зарядного напряжения. Учитывая необходимость исследования влияния энергии импульса на кинетику экстракции, предусмотрена возможность изменения величины накопительной емкости. В качестве коммутирующего устройства - КУ использовали обостряющий разрядник, работающий в среде азота под давлением до 10-105 Па. Осциллограмма импульса напряжения представлена на рис. 2.6.
В процессе исследований для регистрации электрических параметров импульсных напряжений нами использовался электронный осциллограф 6ЛОР-4М, позволяющий фиксировать временной интервал до 10 не и осциллограф C8-I3 с блоком памяти. Осциллограммы фиксировались на рентгеновскую фотопленку типа РФ-500 устройством "Снежинка" для 6ЛОР-4М с последующей обработкой и расшифровкой.
Для подсчета количества импульсов, затраченных на обработку лекарственного сырья, применялся частотомер 43-33, для оценки времени обработки -электронный секундомер СЭД-1М. При регистрации процессов наносекундной длительности использовали ёмкостный делитель напряжения Флетчера [103] и малоиндуктивный токовый шунт, встроенные в передающую линию [104]. Для устранения ошибок при оп ределении N(t) и E(t), вызванных отставанием тока по фазе от напряжения, использовали схему, приведенную в [105]. Делитель напряжения вместе с осциллографом дают погрешность 3% для измеряемых величин.
Электромагнитное излучение, температура, давление и т.п., являющиеся характеристиками импульсной электрической искры, определяются мощностью N(t) и E(t), и рассчитываются по осциллограммам тока и напряжения (рис. 2.6).
При экстрагировании из растительного сырья наибольший интерес представляет сырье, экстрагирование ЦК из которого затруднено классическими методами или выход целевого продукта настолько незначителен, что его переработка представляется экономически не целесообразной. Выбор растений определяется также возможностью практического использования разрабатываемой технологии и быстрого ее внедрения в фармацевтическое производство.
В данной работе исследовали процесс электроразрядного экс фагирования биологически активных компонентов (БЛК) из растительного сырья, а именно алкалоидов из листьев растения «Красавка». Выбор листьев красавки в качестве сырьевого материала был обусловлен ценностью экстрагируемых компонентов с точки зрения их фармакологических свойств. Красавка введена в культуру в Краснодарском крае (Россия) и в Крыму. Листья красавки содержат: алкалоиды -производные тропана в количестве 0,05 - 0,8% (гиосциамин, скопаломин), а также стероиды, фенольные кислоты и их производные, флавоноиды, производные кверцетина, кемпферола, оксикумарины, алифатические сиропы. Листья красавки входят в состав противоастматического сбора и используются для приготовления настойки, которая входит во многие комплексные препараты, например капли Зеленина. Все препараты красавки обладают спазмолитическим, болеутоляющим, седативным действием. Их применяют при язвенной болезни желудка, двенадцатиперстной кишки, заболеваниях, сопровождающихся спазмами гладкой мускулатуры органов брюшной полости, а также при болезнях дыхательной, эндокринной и сердечно - сосудистой систем.
Исследования по выделению, разделению, идентификации веществ, содержащихся в получаемом экстракте, проводили в лабораториях кафедр биохимии, органической химии, фармакогнозии Пятигорской государственной фармацевтической академии.
Изучение кинетики массообмена при электроразрядном экстрагировании алкалоидов из коры раувольфии
В [121] исследовали процесс электроразрядного экстрагирования биологически активных компонентов (БАК), а именно алкалоидов из коры раувольфии в экстракционной камере. Опыт проводили при температуре 18 С. Количество извлеченных алкалоидов определяли в каждом опыте через 60, 180, 300, 420, 600 с после начала опыта. Результаты исследований приведены в табл. 3.2. Результаты этих экспериментов сопоставлены с данными по извлечению алкалоидов из коры раувольфии методом настаивания 5% - ной уксусной кислотой [121]. Результаты сравнения (рис. 3.4) показывают, что средний удельный выход алкалоидов при использовании электроразрядного способа экстрагирования увеличивается в 1,32 раза по сравнению с настаиванием. Кинетические кривые, построенные по результатам опытов, асимптотически приближаются к равновесным значениям (рис. 3.5), это указывает на то, что система в конце опыта достаточно близка к состоянию фазового равновесия. Однако процесс нецелесообразно доводить до полного равновесия, так как в ходе опытов выявлено, что оптимальное время проведения электроразрядного экстрагирования не превышает 600с, т.к. далее начинается выход балластных веществ, смещающих фазовое равновесие целевого компонента в сторону уменьшения.
Для анализа кинетики рассматриваемого процесса полученные данные обработаны в соответствии с теорией массопередачи, с целью получения значений модифицированного коэффициента массопередачи по жидкой фазе КЧЛ. По уравнению (3.7) были рассчитаны значения Кк v для рассматриваемого концентрационного интервала из кривых кинетики процесса, приведённых на рис. 3.5. В этих расчетах в качестве равновесных концентраций принимались предельные (асимптотические) значения концентрации распределяемого вещества в жидкой фазе (рис. 3.5). Результаты этих вычислений приведены (рис. 3.6), которые показывают, что коэффициент Kxv можно считать постоянным в диапазоне исследуемых концентраций (разброс значений Kx,v по-видимому объясняется погрешностью эксперимента), Полученные значения коэффициента массопередачи могут быть использованы при кинетическом расчете процесса ЭРЭ алкалоидов из коры рауволь-фии. Исследован процесс электроразрядного экстрагирования биологически активных компонентов (БАК) из растительного сырья, а именно алкалоидов из листьев растения «Красавка» (толщина листьев 0,2 мм). В качестве экстраген-та использовали 1,5%-ный раствор уксусной кислоты. В установке периодического действия проводили серию опытов, варьируя массовое отношение загружаемых фаз, в диапазоне от L/S=10 до L/S=25 при постоянстве других технологических параметров: длительность импульса 0,6 мке, напряжение 32 кВ, частота импульсов 5 Гц, величина межэлектродного промежутка 1,5мм, длительность фронта импульса 5нс, температура процесса 18 С. масса твердой фазы S=5-10 3 кг. Количество извлеченных алкалоидов определяли в каждом опыте через 20, 40, 60, 80, 100, 120,130 с после начала опыта. Результаты опытов приведены на рис. 3.7 в виде кинетических зависимостей (у„ - у)/ун =/(т). Концентрацию ЦК в твердой фазе рассчитывали по уравнению материального баланса откуда при х=0 имеем Равновесная концентрация определялась как асимптотическая величина на кинетических кривых. Соответствующие значения приведены в табл. 3.3.
Обобщение экспериментальных данных по коэффициентам массопередачи по твердой фазе при электроразрядном экстрагировании
При расчете периодического процесса ЭРЭ заданными можно считать суточную производительность цеха (отделения) по сырью SCjT (кг/сут), общую массу твердой фазы, загружаемой в аппарат S, оптимальное (с точки зрения высокого выхода продукта при низких энергозатратах) соотношение (L/S)onT (в данной работе найдено, что при ЭРЭ алкалоидов из листьев красавки оптимальное (L/S)=25), начальную и конечную концентрации ЦК в сырье и начальную его концентрацию в экстрагенте х„. Задаваясь значением (L/S)0„r, можно найти массу экстрагента, загружаемого в аппарат: и далее из уравнения материального баланса процесса конечную концентрацию ЦК в экстрагенте При известных величинах L и S рабочий объем аппарата можно найти как: где рж, р, - плотность жидкой и твердой фазы соответственно, кг/м3. При прямом кинетическом расчете процесса ЭРЭ заданными являются суточная производительность экстракционного отделения ScyT (кг) и количество часов его работы в сутки (одно -, двух - , или трехсменная работа) тс п, (ч). Количество циклов т, необходимых для обеспечения суточной производительности, составляет: Количество же циклов, которое может выполнить в течение суток один аппарат, равно где время цикла тц определяется по уравнениям (4.1), (4.3) или (4.4). Следовательно, для обеспечения суточной производительности экстракционного отделения необходимо установить b аппаратов ЭРЭ с рабочим объемом V, равное При выполнении расчетов по представленной выше кинетической математической модели число аппаратов может оказаться слишком большим или слишком маленьким. Тогда, варьируя величиной S, а следовательно и рабочим объемом аппарата V можно добиться желаемого результата.
Центральным и наиболее трудно рассчитываемым звеном в этой модели является определение времени экстрагирования тосн. Для расчета т ,, по уравнению (4.3) или (4.4) необходимы данные по КХЛ, или Кул. Эти данные представленные в разделах 3.2 и 3.3 диссертации, получены на конкретных системах и носят частный характер, справедливый только для условий проведенных экспериментов. Обобщить их на другие условия проведения процесса и на другие системы можно с помощью теории подобия и представления опытных данных в виде критериального уравнения подобия где К] -определяемый критерий, который содержит коэффициент массо-передачи Kx.v или Ky,v; К2, Кз,... - определяющие критерии (числа) подобия, составленные из величин, заданных по условию. Набор уравнений (4.1) ... (4.12) составляет кинетическую математическую модель процесса ЭРЭ, разрабатываемую в данной работе. Для ее завершения необходимо на основе полученных опытных данных получить конкретное критериальное уравнение для расчета коэффициентов массопере-дачи К Л, Ky.v в условиях электроразрядного экстрагирования [125]. Этому вопросу посвящен следующей параграф данной главы. 4.2 Критериальное уравнение для расчета коэффициента мас-сопередачи по твердой фазе В разделе 3.4 представлены опытные данные по влиянию режимных параметров процесса на кинетику электроразрядного экстрагирования целевого компонента из растительного сырья - алкалоидов из листьев растения красавки. В нем были определены параметры, соответствующие максимальной интенсификации процесса, построены зависимости объемного коэффициента массопередачи от исследуемых параметров. Ниже дало обобщение этих данных, которое было проведено на основе теории подобия. В качестве определяемого критерия было выбрано модифицированное число ShT, а в качестве определяющих чисел (критериев) подобия - модифицированное число Рейнольдса Re, число Шмидта Sc, и параметрические критерии, обсуждаемые ниже. Анализ состава алкалоидов показал, что преобладающим компонентом в экстракте является гиосциамин, поэтому его коэффициент молекулярной диффузии в воде был использован при выражении числа Sh. В случае периодического электроразрядного экстрагирования на массопе-редачу влияют такие факторы как: длительность импульса напряжения ти, длительность фронта импульса напряжения тф, длина межэлектродного промежутка d, амплитуда напряжения U, частота подачи импульсов f, удельной электрической энергии, вводимой в систему Nv. Влияние данных параметров на определяемый критерий - модифицированное число Шервуда Shr представим критериальным уравнением в виде степенной функции: где A, m, n, k, р, q, z- опытные константы, подлежащие определению; Х1-Х4 - параметрические критерии. Согласно многочисленным экспериментальным данным по массоотдаче в системах «жидкость - твердое» показатель степени q при числе Sc может быть принят равным 0,33 [126]. Для выражения числа Шервуда через коэффициент массопередачи запишем условие массообмена на границе раздела фаз «твердое - жидкость» в виде: где Kc.rv - объемный коэффициент массопередачи по твердой фазе, отнесенный к разности концентраций ЦК, кг/((кг/м3)м3с); D, - эффективный коэффициент молекулярной диффузии целевого компонента в твердой фазе равный: где к - коэффициент сопротивления пористой среды частицы массоперено-су. Анализируя уравнение (4.14) методом приведения теории подобия и опуская константу к согласно этому методу, получим следующее выражение для числа ShT через коэффициент массопередачи Kcxv или Ксг: где h - характерный размер, м; a - удельная поверхность фазового контакта, развиваемая в 1м рабочего объема аппарата, равная
Отметим, что для получения безразмерного числа Shr в нем должен быть использован коэффициент массопередачи, отнесенный к разности концентраций, выраженных в размерности кг/м", что и сделано выше. В качестве характерного размера в соотношении (4.16) примем толщину листа красавки l=h. Значения коэффициента массопередачи Ky.v найденные в разделе 3.4 отнесены к движущей силе, выраженной в массовых долях целевого компонента в твердой фазе. Их пересчет в значения КСТЛ. можно осуществить по соотношению
