Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Экстрагирование в системе твердое тело-жидкость ... 12
1.1. Особенности процесса экстрагирования в системе твердое тело-жидкость 12
1.2. Аппаратура для проведения процессов экстрагирования в системе твердое тело - жидкость 37
1.3. Выводы по первой главе 56
Глава 2. Разработка математической модели процесса пульсационного экстрагирования из твердых пористых тел 57
Глава 3. Экспериментальное изучение процесса экстрагирования из твердых пористых тел в пульсационном аппарате 66
3.1. Методы и объекты исследования 66
3.1.1. Методы исследования 66
3.1.2. Объекты исследования 67
3.2. Аппаратурное оформление
лабораторных исследований 70
3.3. Условия проведения эксперимента 74
3.4. Изучение кинетики экстрагирования из твердых пористых тел 74
3.5. Подтверждение адекватности полученной математической модели 80
Глава 4. Методика расчета емкостного пульсационного экстрактора периодического действия лабораторным данным 84
Глава 5. Технико-экономическая оценка различных видов
экстракционного оборудования 102
Основные результаты и выводы по диссертации 107
Литература 112
- Аппаратура для проведения процессов экстрагирования в системе твердое тело - жидкость
- Разработка математической модели процесса пульсационного экстрагирования из твердых пористых тел
- Методы исследования
- Подтверждение адекватности полученной математической модели
Аппаратура для проведения процессов экстрагирования в системе твердое тело - жидкость
Чтобы учесть внешнедиффузионное сопротивление П. В. Головин в более поздней работе [43] предлагает рассматривать свекловичную пластину как многослойную стенку, состоящую из стружки толщиной R\I2 и поверхностной пленки жидкости толщиной ЯгІ2, в которой диффузия рассматривается как молекулярная. Диффузионная проводимость первого слоя характеризуется коэффициентом стесненной диффузии сахара в свекле, а диффузионная проводимость второго слоя коэффициентом молекулярной диффузии D. Общий коэффициент диффузии для стенки D для стенки может быть найден по формуле: D = [(7?1/2)+(i?2/2)]/{[(/?1/2)/Dc+(7?2/2)/Z)]; (1.17)
Эта идея, безусловно, заслуживает внимания, так как в теории тепло- и массообмена доказано, что внешнее диффузионное сопротивление может быть заменено сопротивлением эквивалентного слоя твердого материала [44]. Такой подход требует, однако, дальнейшего уточнения картины процесса, так как представление о пограничном слое как о пленке, в которой имеется только молекулярная диффузия, современной физикохимией отвергнуто [45]. Для получения величины слоя экстрагируемого материала, заменяющего внешнее диффузионное сопротивление, необходимо точно определить коэффициент свободной диффузии и коэффициент массоотдачи, что невозможно сделать с помощью уравнения (1.16), этим и следует объяснить неточность в примерных расчетах, на основании которых В. П. Головин делает вывод, что внешним диффузионным сопротивлением можно пренебречь.
С. Ф. Дронов [46,47,48] рассматривает извлечение сахара из свеклы, как процесс имеющий две стадии: диффузию внутри стружки и конвективную диффузию в жидкости, омывающей стружку. Принимая распределение концентрации по толщине стружки прямолинейным, С. Ф. Дронов в отличии от П. В. Головина получил выражение для общего коэффициента массопередачи Кс, в которое входит, как внешнее диффузионное сопротивление, так и внутреннее диффузионное сопротивление: #с=1/[1/Д+Д/(2Д)]; (1.18) На основании уравнения (1.18) С. Ф. Дроновым выведены рабочие формулы для вычисления конечных концентраций сахара в стружке и экстрагенте в экстракционных аппаратах различных систем.
В.В. Белобородов [19,49,50] по характеру диффузионного пути разбивает процесс диффузионного извлечения растительных масел на три этапа: диффузию масла из частиц материала к их наружной поверхности, молекулярную диффузию масла через пограничный слой и конвективную диффузию масла от пограничного слоя в движущуюся мисцеллу. Используя первый закон Фика для твердой фазы и пограничного слоя, а также уравнение конвективной диффузии В. В. Белобородов получил выражение для общего коэффициента массопередачи:
Kc=\l[{Rxl2)l(nDc) +S/mi/j3\; (1.19) где /3- коэффициент конвективной диффузии; 5- толщина пограничного слоя; п — const - коэффициент, определяемый законом изменения концентраций по толщине лепестка.
Уравнение (1-19) справедливо для установившегося стационарного процесса в целом, если все величины в него входящие постоянны. Для нестационарного процесса уравнение (1.19) справедливо для каждого данного момента времени.
Для синусоидального распределения концентрации масла по толщине лепестка, что соответствует аналитическому решению уравнения (1.4) для пластины, В. В. Белобородовым [19,20] определена величина «=5.88. Кроме того, он показал [49], что при скоростях извлекающей фазы больших 0.005 м/с сопротивлением внешней диффузии (второй и третий этап) можно пренебречь. Тогда выражение для расчета общего коэффициента массопередачи будет иметь вид: 1 Гс=5.88Д/(Лі/2); (1.20) Для случая когда Кс =const, или для средних в данном диапазоне концентраций значений Кс, задача использования общего коэффициента массопередачи решается В. В. Белобородовым [50] при помощи теории подобия. Критериальное уравнение для расчета процесса диффузионного извлечения, записанное В. В. Белобородовым, имеет вид: Nu=m(Fof; (1.21) где Nu= KcdlD; Fo=Dtld ; d- средний размер частиц. Тот факт, что в Nu и в Fo входит коэффициент молекулярной диффузии D, свидетельствует о неправомерности данного критериального уравнения. Как было показано ранее, на основании применения методов теории подобия к дифференциальному уравнению (1.4) и краевым условиям (1.5), (1.6) критериальное уравнение должно иметь вид: E=f(Bi, Fo, х). Использовать общий коэффициент массопередачи Кс можно только, применяя, например, к процессу противоточного диффузионного извлечения методы расчета абсорбционных и ректификационных аппаратов [51].
Разработка математической модели процесса пульсационного экстрагирования из твердых пористых тел
Степень извлечения ЦК определялась по стандартной методике: "определение содержания экстрактивных веществ в лекарственном растительном сырье" [117].
Содержание ЦК в экстракте определялось стандартным массо-аналитическим методом "определение сухого остатка в экстрактах" [118].
Распределение пор по радиусам определялось микроскопическим методом на сканирующем электронном микроскопе "AMRAY 1830 I" с последующей обработкой данных на IBM PC с использованием программного обеспечения Image Pro.
Пористость твердой частицы определялась путем взвешивания сухого и насыщенного водой образца [2].
Гранулометрический состав измельченного растительного сырья определялся методом ситового анализа на ситах по ГОСТ 214-83, ГОСТ 4403-77, ГОСТ 3584-83 [4, 118]. Равновесные концентрации экстрактивных веществ в экстрагенте определялись по стандартной методике "методика определения растворимости" [117]. Определение влажности растительного сырья производилось по стандартной методике [117]. Отбор проб при определении концентрации ЦК в экстракте проводился по стандартной методике "отбор проб лекарственных средств" [118].
При получении БАД-ов методом экстрагирования, твердой фазой, как правило, является высушенное растительное сырье. При получении настоев в ликеро-водочном производстве растительное сырье принято классифицировать по употребляемой части и по технологическим признакам.
По употребляемой части растительное сырье подразделяется на 6 групп: 1) травы и листья; 2) цветы; 3) корни и корневища; 4) древесная кора; 5) плоды и ягоды; 6) корки цитрусовых. При получении БАДов обычно используются 1-я и 3-я группы.
По технологическим признакам растительное сырье подразделяется на 3 группы: 1) ароматическое (травы, цветы, корни, древесная кора, сухие и сочные плоды); 2) неароматическое (травы, корни, древесная кора); 3) плодово-ягодное. При получении БАДов используется 2-я группа.
Так как строение растительных сырья применяемого при получении БАДов весьма разнообразно и может оказывать значительное влияние на кинетику экстрагирования, для проведения исследований были выбраны два вида лекарственного растительного сырья: трава солянка холмовая Herbae salsola collina по ТУ 7604-15327-32.1-91 и корень женьшеня сухой Panax ginseng С. A. Meyer. Анализ растительного сырья проводили в соответствии с требованиями ГФ XI (вып. 2) [118]. Высушенное лекарственное растительное сырье имеет влажность не более 10 %.
Для проверки адекватности полученной математической модели необходимо экспериментально найти значения ряда параметров. Было проведено исследование свойств твердой фазы. Для определения среднего радиуса пор было экспериментально определено распределение пор по радиусам (рисунок З.1.), и установлено, что они после набухания изменяются незначительно. Были определены значения удельного объема пор тр (пористости) частицы, рассчитана ее средняя плотность рн (таблица З.1.). Так как исходное растительное сырье имеет слишком большой размер частиц, то оно дополнительно измельчалось на ножевой мельнице. Были определены гранулометрический состав перерабатываемого сырья (рис. 3.2., 3.3.) и содержание в нем экстрактивных веществ (теоретический выход) (таблица 3.2).
Также, определялись равновесные концентрации экстрактивных веществ в экстрагенте. Для ЦК, получаемых из корня женьшеня, равновесная концентрация в экстрагенте для условий проведения эксперимента составила: 0.45x10" кг/м , а для ЦК получаемых из травы солянки холмовой: 0.32x10" кг/м .
Методы исследования
Процесс осуществлялся следующим образом. В экстрактор загружалось предварительно измельченное растительное сырье определенного гранулометрического состава. После чего заливался экстрагент. В качестве экстрагента использовались вода (для экстракции травы солянки холмовой) и 24% водный раствор этанола (для экстракции корня женьшеня). Для достижения наиболее полного извлечения ЦК из сырья, проводили три стадии экстракции. Время первой экстракции составило 2.5 часа, время второй экстракции составило 2 часа, время третьей экстракции составило 1 час. Соотношение масс жидкой и твердой фаз (гидромодуль) на всех стадиях экстракции равнялось 10, количество используемого экстрагента составило 3 кг на каждую стадию экстракции.
Для проверки предположения о пульсации жидкости в порах твердого тела был проведен эксперимент установивший, что при наложении на систему низкочастотных колебаний (пульсаций), наибольшая скорость экстрагирования достигается при создании в экстракторе избыточного давления, чем при выхлопе воздуха в атмосферу (рисунок 3.5).
Зависимость концентрации ЦК в жидкой фазе С (кг/кг) от времени t и режима проведения процесса пульсационного экстрагирования при / = 1 Гц, А = 150 мм (система: измельченный корень женьшеня - ЦК - 24 %-ный раствор этанола в воде).
Влияние частоты и амплитуды пульсации на скорость экстрагирования.
Как показали дальнейшие эксперименты, частота пульсаций (в пределах 0.5-1.5 Гц) практически не влияет на скорость экстрагирования (рисунок 3.6), однако, при увеличении давления на пульсацию (амплитуды пульсации) скорость экстрагирования за данный промежуток времени возрастает (рисунок 3.7).
Зависимость концентрации ЦК в жидкой фазе С (кг/кг) от времени t и амплитуды пульсации А при / = 1 Гц (система: измельченный корень женьшеня - ЦК - 24 %-ный раствор этанола в воде). Сравнение различных методов интенсификации процесса.
Следует отметить преимущества использования пульсационного метода перед другими методами интенсификации процесса. Проведенные нами эксперименты показали, что наложение пульсаций при экстрагировании растительного сырья дает эффект более значительный, чем при использовании механического перемешивания и кипения под вакуумом (рисунок 3.8). Результаты определения суммарного выхода ЦК (по результатам трех экстракций) приведены в таблице 3.2.
Зависимость концентрации ЦК в жидкой фазе С (кг/кг) от времени t и способа интенсификации процесса (системы: измельченная трава солянка холмовая - ЦК - вода и измельченный корень женьшеня - ЦК - 24 %-ный раствор этанола в воде). Таблица 3.2. Результаты определения суммарной степени извлечения ЦК при различных способах проведения экстрагирования. Сырье: Способы проведения процесса: механическое перемешивание кипение под вакуумом пульсационное перемешивание корень женьшеня 0.67 0.72 0.99 трава солянки холмовой 0.80 0.89 0.98 Влияние температуры проведения процесса экстрагирования на скорость экстрагирования. Сильное влияние на увеличение скорости процесса оказывает повышение температуры (рисунок 3.9), однако повышение температуры лимитируется термолабильностью ЦК. Поэтому во всех экспериментах процесс проводился при постоянной максимально допустимой температуре (50С), а при создании математической модели процесса этот фактор не учитывался.
Подтверждение адекватности полученной математической модели
Технологические и энергетические параметры работы экстрактора с кипением под вакуумом были взяты из работы [24], а также, при анализе экспериментальных данных.
Технологические и энергетические параметры работы пульсационного экстрактора рассчитывались следующим образом [86].
Расчет пульсационных систем для баковых аппаратов проводится последовательно от технологического аппарата к генератору импульсов. 1. Расчет гидравлической подсистемы аппаратов с малой высотой налива. Для определения расхода воздуха на пульсацию необходимо знать давление в пульсационной камере. Большой экспериментальный материал, накопленный при исследованиях работы пульсационных аппаратов, позволяет с необходимой точностью использовать для этого некоторые эмпирические соотношения. Так, максимальное давление газов в пульсационном тракте можно определить в зависимости от статического перепада Н, реализуемого в аппарате, и плотности перемешиваемых реагентов по формуле (1.29). 2. Расчет подсистемы пульсопровода и пульсатора. Движение газа в пульсопроводах можно рассматривать как стационарное, так как время распространения возмущения в коротком пульсопроводе (10-15 м) мало по сравнению с периодом пульсации. Для создания в пульсопроводе колебаний давления от Ртах до Pmin давление на ресивере Рр должно быть больше Ртах. Отношение Ртах1Рр по существу определяет потери энергии в пульсаторе и пульсопроводе и должно быть не менее 0.8. 104 На основании проведенных расчетов в зависимости от объема аппарата и перемешиваемых сред был выбран пульсопровод диаметром 35 мм, при этом от одного пульсатора может работать 2 аппарата [86]. Выбор проходного сечения пульсатора производится таким образом, чтобы оно было меньше проходного сечения пульсопровода пульсационного аппарата. 3. Расчет расхода воздуха на пульсацию.
Общие энергозатраты на пульсационное перемешивание можно определить как расход энергии на сжатие газа от атмосферного давления до давления в ресивере. При расчете расхода газа следует различать две зоны пульсационного тракта: 1. от пульсатора до верхнего положения уровня жидкости в пульсационной камере Vnmp. За каждый такт пульсации эта зона заполняется газом, имеющим давление от Ртіп до Ртах. 2. от верхнего положения уровня в пульсационной камере до нижнего (объем импульса) Vlmn. За каждый такт пульсации эта зона наполняется воздухом, имеющим давление от р0 до Ртах, поскольку вначале этот объем заполнен жидкостью. Расход газа на заполнение Vnmp для данного случая можно определить по формуле (5.1): Jn.mp. j п.тр"\ max - тії; )pJpo, (5.1) а заполнение объема VlMn GllM„ =/У1Шп.60Ртахрг/р0. (5.2) Считая, что Pmi„ ро можно записать )рг1р0. (5.3) Общий расход газа на пульсацию 105 Зная Рр и G можно подсчитать мощность, необходимую для сжатия газа (1.28), и оценить тем самым энергозатраты на пульсационное перемешивание.
По рассчитанному G, выбираем пульсационный экстрактор объемом 0.63 м с мощностью пульсационной системы 0.28 кВт [86].
Так как от одного пульсатора могут работать несколько пульсационных экстракторов, то для обеспечения работы системы по каталогу выбираем компрессор мощностью 2.2 кВт.
При проведении технико-экономической оценки различных видов экстракционного оборудования было выявлено, что при производительности в 1.3 раза большей, чем у экстрактора с механическим перемешиванием ив 1.2 раза большей, чем у экстрактора с кипением под вакуумом, энергопотребление пульсационного экстрактора в 1.2 раза меньше чем у экстрактора с механическим перемешиванием и в 7.1 раза меньше чем у экстрактора с кипением под вакуумом. Данные, полученные при проведении технико-экономической оценки различных видов экстракционного оборудования, приведены в таблице 5.1.
