Теоретические основы массообменных процессов

Общие сведения. Массообменные процессы характеризуются переходом одного или нескольких веществ из одной фазы в другую. Они обладают следующими общими признаками.

1. Массообмен в гомогенных и гетерогенных системах при­водит к разделению этих систем.

2. В любом массообменном процессе участвуют как мини­мум две фазы: жидкая и паровая, жидкая и газовая, твердая и парогазовая, твердая и жидкая, две жидкие.

3. Переход одной фазы в другую осуществляется за счет диффузии, в связи с чем массообменные процессы часто назы­вают диффузионными.

4. Движущей силой процесса является разность концентра­ции диффундируемого компонента. Процесс протекает в на­правлении фазы, имеющей меньшую концентрацию компонента.

5. Перенос вещества из одной фазы в другую происходит через границу раздела фаз, на которой, как считают, состояние фаз является равновесным.

6. Переход вещества из одной фазы в другую завершается при достижении равновесного состояния. Обмен молекул через границу раздела фаз при этом не прекращается, но концентра­ции компонентов в обеих фазах остаются неизменными и рав­ными равновесному состоянию.

7. Массообменные процессы относятся к обратимым. Это оз­начает, что направление процесса, определяемое законами фа­зового равновесия, зависит от фактической концентрации ком­понентов в обеих фазах и от внешних условий (давления, тем­пературы).

К основным массообменным процессам относятся:

1. Абсорбция – поглощение пара или газа жидкостью. При этом происходит переход вещества из газовой или паровой фазы в жидкую фазу. Обратный процесс, т. е. выделение газа из жидкости, называется десорбцией.

2. Адсорбция – процесс поглощения поверхностью твердого тела того или иного компонента из газа или жидкости. При адсорбции вещество из паровой, газовой или жидкой фазы пе­реходит в твердую фазу. Обратный процесс, т. е. переход по­глощенного газообразного или жидкого компонента с поверх­ности твердого тела, называется также десорбцией.

Процессы абсорбции и адсорбции часто объединяют общим названием – сорбционные процессы.

3. Экстракция (экстрагирование) – избирательное извлече­ние вещества из жидкости или твердого пористого тела жид­костью. При этом вещество из жидкой или твердой фазы пере­ходит в жидкую фазу.

4. Ректификация – разделение гомогенных жидких смесей путем многократного взаимного обмена компонентами жидкой и паровой фаз. В процессе ректификации вещества из жид­кой фазы переходят в паровую фазу, и нао­борот.

5. Сушка – удаление влаги из твердых, пластичных и жидких материалов путем ее испарения. При этом влага из матери­алов переходит в паровую или газообраз­ную фазу.

6. Кристаллизация – выделение твер­дой фазы из растворов. Вещество перехо­дит из жидкой фазы в твердую фазу. К кри­сталлизации относятся также процессы превращения жидких расплавов в твердые кристаллические вещества.

7. Растворение – переход твердой фазы в жидкую. Факти­чески этот процесс может быть назван обратным процессом кристаллизации.

В общественном питании часть массообменных процессов проводят в целях приготовления тех или иных продуктов. Та­кими процессами являются: растворение, кристаллизация, су­шка, экстракция и в отдельных случаях ректификация. Прочие массообменные процессы являются сопутствующими. Сорбци­онные процессы, экстракция, растворение, сушка сопутствуют варке и жарке. Кристаллизация сопутствует процессам, связан­ным сохлаждением и замораживанием кулинарных изделий.

СОРБЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ

ПРОЦЕСС АБСОРБЦИИ

Сущность процесса и область применения.Как уже указы­валось, абсорбцией называют процесс поглощения газов или паров из газовых или парогазовых смесей жидкими поглотите­лями. Поглотители в этом случае называются абсорбентами, а поглощаемый газ – абсорбтивом. При физической абсорбции между абсорбентом и абсорбтивом не происходит химических взаимодействий. Если между ними возникает химическая реак­ция, то процесс называется хемосорбцией.

Для проведения процессов абсорбции применяют абсор­бенты, обладающие избирательной, селективной способностью. Селективная способность абсорбентов позволяет проводить раз­деление самых сложных газовых смесей путем подбора таких поглотителей, которые абсорбируют только один определен­ный компонент.

Абсорбционные процессы, как правило, сопровождаются тепловыми процессами. При этом в большинстве из них наблю­дается выделение теплоты.

Во многих отраслях промышленности процессы абсорбции широко применяют для извлечения ценных компонентов из га­зовых смесей, а также для очистки различных газовых систем от вредных примесей.

В общественном питании абсорбцию применяют для насы­щения различных соков, напитков, воды углекислым газом. К абсорбции иногда прибегают для уменьшения влажности воздуха в складских помещениях, хранилищах. При этом аб­сорбтивом являются пары влаги, а абсорбентом – концентри­рованные кислоты.

Физическая сущность процесса абсорбции заключается в растворении газов в жидкости.

Аппараты, предназначенные для про­ведения абсорбционных процессов.Аппараты этого типа называют абсорберами. Современные абсор­беры можно классифицировать на три основные группы: поверх­ностные и пленочные; насадочные; барботажные (тарельчатые).

Схематичное изображение абсорбера пленочного типа при­ведено на рис. 47. Жидкость движется по внутренней поверх­ности трубок в виде тонкой пленки. Навстречу ей снизу вверх поднимается газ, подлежащий разделению. Пленочные абсор­беры имеют небольшую поверхность раздела фаз.

Рис. 47. Схема абсорбера пленочного типа:

1 – патрубок для входа газа; 2 – корпус абсорбера;

3 – патрубок для входа аб­сорбента; 4 – патрубок для выхода газа;

5 – трубки; 6 – патрубок для выхода абсорбента

В абсорберах насадочного типа (рис. 48) для увеличения поверхности раздела используется так называемая насадка, представляющая собой кольца или какие-либо другие твердые тела. Эта насадка помещается в колонны. Абсорбирующая жид­кость из разбрызгивателя поступает в слой насадки. Все ее элементы, т. е. отдельные кольца, покрываются жидкой плен­кой. По насадке абсорбент стекает вниз и отводится из аппа­рата. Газ, подлежащий разделению, поднимается вверх. Абсорбтив поглощается жидкостью.

Рис. 48. Схема абсорбера насадочного типа:

1 – патрубок для входа газа; 2 – корпус аппа­рата; 3 –насадка;

4 –патрубок для входа аб­сорбента; 5 – патрубок для выхода газа;

6 – патрубок для выхода абсорбента

Значительное распространение имеют также барботажные абсорберы (рис. 49). В этих аппаратах разделяемая газовая смесь проходит через слой жидкости. Жидкость поступает сверху колонны на перфорированную перегородку и проте­кает через вертикальные переливные трубки с перегородки на перегородку. Газ поднимается снизу вверх, проходя через перфорированные перегородки, на­зываемые ситчатыми тарелками.

Рис. 49. Схема барботажного абсорбера с ситчатыми тарелками:

1 – патрубок для выхода жидкости; 2 – корпус аппа­рата;

3 – ситчатые тарелки; 4 – патрубок для выхода газа;

5 – патрубок для входа воды; 6 – перелив­ные трубки;

7 – патрубок для входа газа

ПРОЦЕСС АДСОРБЦИИ

Сущность процесса и область приме­нения.Как указывалось выше, адсорб­цией называют процессы поглощения од­ного или нескольких компонентов из га­зовой, паровой смеси или раствора твер­дым веществом. Твердое вещество, по­глощающее какой-либо компонент, назы­вается адсорбентом. Вещество, которое поглощается, называется адсорбтивом. Поглощение при адсорбции осуществля­ется поверхностью твердого вещества. Возможны два вида адсорбции: физиче­ская и химическая (хемосорбция). Сущ­ность физической адсорбции заключается во взаимном притяжении молекул адсор­бента и адсорбтива, без химического взаимодействия между ними. При хемосорбции между адсорбентом и адсорб­тивом происходит химическая реакция.

Физическая адсорбция обратима, химическая не всегда бывает обратимой.

При адсорбции водяных паров на поверхности адсорбента может происходить их конденсация. Конденсат заполняет поры адсорбента, в связи с чем адсорбцию в этом случае часто назы­вают капиллярной конденсацией. Эти процессы широко приме­няются в разных отраслях промышленности при очистке и осушке газов, очистке и осветлении растворов, разделении га­зов и жидкостей. В пищевой промышленности и в обществен­ном питании адсорбция применяется для осветления различ­ного рода сиропов, соков, бульонов.

Адсорбенты и их адсорбционная способность.Для того чтобы процесс адсорбции шел интенсивно, в качестве адсорбентов применяют твердые вещества, пронизанные капиллярами или порами, с большой удельной поверхностью. В зависимости от диаметра капилляров адсорбенты подразделяют на адсор­бенты с макропорами (диаметр капилляров более 2х10^-4 мм), адсорбенты с переходными порами (диаметр 6х10^-6 – 2х10^-4 мм) и адсорбенты с микропорами (диаметр 2х10^-6 – 6х10^-5 мм).

Поглощаемые газы, пары, жидкость образуют на поверхно­сти этих капилляров слои. Если слой имеет толщину, равную диаметру молекулы адсорбтива, то процесс называется молеку­лярной адсорбцией. Если же слой имеет толщину в несколько молекул, то процесс называется полимолекулярной адсорб­цией.

Адсорбенты характеризуются также своей поглотительной, или адсорбционной, способностью. Она определяется концент­рацией адсорбтива в единице массы или объема адсорбента. Адсорбционная способность к данному веществу зависит от температуры и давления, при которых происходит процесс, а также от концентрации адсорбтива. Максимально достижи­мая при заданных условиях поглотительная способность адсорбента называется его равновесной активностью.

В промышленности в качестве адсорбентов применяют раз­личные вещества. Наибольшее распространение в пищевых от­раслях промышленности имеют активированный древесный уголь, целлюлозная масса, костный уголь, силикагели, цеолиты и иониты.

Активированные угли относятся к высокопористым адсор­бентам. Удельная поверхность их достигает величины 600-1700 м²/г. Активированные угли применяют в виде гранул, имеющих размер 1-5 мм. Насыпная плотность составляет 350-450 кг/м³.

Активированный уголь получают путем специальной обра­ботки древесного угля, в частности путем его прокаливания при температуре до 900 °С.

Костный уголь получают из обезжиренных костей крупного рогатого скота путем их прокаливания без доступа воздуха. Удельная адсорбционная поверхность костного угля также из­меряется сотнями квадратных метров на 1 г угля.

Силикагели представляют собой продукты обезвоживания гелей кремниевой кислоты. Силикагели имеют удельную поверх­ность в пределах от 400 до 800 м²/г. Размер гранул силикагеля составляет от 0,2 до 7 мм. Силикагели способны удерживать до 50 % воды к своей массе. В связи с этим их применяют глав­ным образом для поглощения влаги.

Целлюлозная масса имеет меньшую удельную поверхность, чем угли и силикагели. Применяется она в качестве адсорбента при осветлении соков, пива.

Цеолиты по своей химической природе являются алюмино-силикатами. Цеолиты отличаются однородной структурой пор, размер которых соизмерим с размерами молекул адсорбтива.

Адсорбенты с порами, размер которых соизмерим с величиной молекул, относятся к так называемым молекулярно-ситовым веществам. Цеолиты отличаются высокой способностью погло­щать воду и водяные пары. Это свойство используется для глу­бокой осушки газов.

Иониты являются адсорбентами природного и искусствен­ного происхождения. Их синтетически приготовляют из раз­личных органических и неорганических веществ. К ионитным адсорбентам относятся также ионитные смолы, получаемые син­тетическим путем. Эти смолы отличаются большой объемной емкостью, избирательностью, химической стойкостью и меха­нической прочностью. В связи с этим ионитные смолы все боль­шее значение приобретают в промышленности для глубокого разделения различных жидкостных систем. Адсорбцию, прово­димую с применением ионитов, иногда называют ионообменной адсорбцией.

Аппараты, предназначенные для проведения процесса ад­сорбции.В пищевой промышленности наибольшее распростра­нение приобрели адсорберы с неподвижным слоем адсорбента. В качестве примера аппаратов этого типа может служить схема колонного адсорбера (рис. 50), применяемого для очистки са­харных сиропов. Он представляет собой цилиндрический резер­вуар, наполненный активированным углем. Сверху поступает сироп, подлежащий очистке. После про­хождения сиропом адсорбера он обяза­тельно поступает на фильтр для очистки его от частичек угля.

Рис. 50. Схема адсорбера колонного типа:

1 – патрубок для выхода жидкости; 2 – корпус ап­парата (колонна);

3 – ад­сорбент; 4 – патрубок для входа жидкости

Самопроизвольная адсорбция.В об­щественном питании адсорбция проте­кает при гидромеханической и тепловой обработке продуктов как сопутствующий самопроизвольный процесс. Так, при варке, жарке продукт не только выде­ляет, но и поглощает влагу или расплав­ленный жир. При этом также идет ад­сорбция продуктом газов и паров.

Процессы адсорбции имеют место при кулинарной гидромеханической обра­ботке круп. При мойке и предваритель­ном замачивании некоторых из них про­исходят поглощение влаги и набухание этих круп. Процесс поглощения влаги, т. е. их набухания, зависит от свойств круп и продолжительно­сти процесса.

Способность круп адсорбировать влагу используется в прак­тике. Предварительное набухание (не как самопроизвольный процесс) круп применяется для ускорения процесса варки. Кроме того, использование адсорбционных свойств круп при их замачивании способствует сохранению их формы при ку­линарной обработке.

Набухание круп при их замачивании объясняется не только адсорбционными процессами. В определенной мере влага про­никает в крупу за счет капиллярных сил, обусловливающих пе­редвижение воды по порам. Движение воды по порам может не сопровождаться явлениями адсорбционного поглощения влаги. Необходимо также подчеркнуть, что при набухании имеют ме­сто осмотические явления. Влага проникает в клетки круп за счет осмоса.

За счет адсорбционных явлений очень часто пищевые про­дукты, особенно сыпучие, обладающие большой удельной поверхностью, поглощают из окружающей среды различного рода лары, газы, в том числе и пахучие. Этим свойством обладают и некоторые несыпучие продукты. Поэтому в целях предотвраще­ния порчи продуктов необходимо, чтобы они хранились в хо­рошо вентилируемых помещениях, свободных от наличия ка­ких-либо запахов и нежелательных газовых компонентов.

Многие продукты способны поглощать из окружающего воз­духа водяные пары. Поглощение паров, т. е. увлажнение про­дукта, создает благоприятные условия для их порчи – ускоря­ются химические и биохимические реакции, происходит повы­шение температуры продукта, что способствует интенсивному развитию микроорганизмов.

ПРОЦЕССЫ ДЕСОРБЦИИ

Десорбционные процессы имеют двоякое назначение. Они применяются для восстановления поглотительных (сорбционных) свойств абсорбентов и адсорбентов в целях их повторного использования, а также для извлечения из них абсорбтивов и адсорбтивов в целях их дальнейшей переработки.

На практике, как правило, после завершения сорбционных процессов приступают к десорбционным. Процессы десорбции осуществляют несколькими путями. Основными из них явля­ются следующие: нагревание сорбентов (абсорбентов и адсор­бентов); понижение общего давления в системе, или парциаль­ного давления сорбитов (абсорбтивов, адсорбтивов); пропускание через сорбенты инертных газов или жидкостей, которые вытесняют сорбиты.

Для регенерации сорбентов после хемосорбции используют соответствующие химические реагенты. В общественном пита­нии десорбции, например просушиванию и проветриванию, под­вергают сахар, соль, муку и другие продукты, которые при хра­нении адсорбировали влагу из окружающей среды.