Лекция 5 - Процессы и аппараты пищевых производств

# Процессы и аппараты пищевых производств

5B007280 - Технология перерабатывающих производств __ст.преводаватель__ Саидов А.М.

## Лекция 5

ЛЕКЦИЯ 5

МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ

Цель: сформировать представление о массообменных процессах

План

1 Основы массопередачи

2 Абсорбция

3 Адсорбция

4 Перегонка и ректификация

5 Экстракция и экстрагирование

6 Сушка

1 Основы массопередачи

Массопередача — процесс перехода вещества из одной фазы в другую.

Югассификация процессов массопередачи представлена далее.

Абсорбция — селективное поглощение газов или паров жидкими поглотителями — абсорбентами. Значение диффузионного перехода заключается в переходе вещества из газовой или паровой фазы в жидкую.

Адсорбция — селективное поглощение газов, паров или растворенных в жидкости веществ поверхностью пористого твердого поглотителя. Значение диффузионного перехода заключается в переходе вещества из газовой, паровой или жидкой фаз в пористый твердый материал.

Перегонка и ректификация — частичное или полное разделение гомогенных жидких смесей на компоненты в результате различия их летучести и противоточного взаимодействия жидкости и пара. Значение диффузионного перехода заключается в переходе вещества из жидкой фазы в паровую и из паровой в жидкую.

Экстракция (в системе жидкость — жидкость) — извлечение вещества, растворенного в жидкости, другой жидкостью, практически не смешивающейся с первой. Значение диффузионного перехода заключается в переходе вещества из одной жидкой фазы в другую.

Экстрагирование (в системе твердое тело — жидкость) — извлечение вещества из твердого пористого материала с помощью растворителя. Значение диффузионного перехода заключается в переходе вещества из жидкой или газообразной фазы в твердую.

Сушка — удаление влаги из твердых влажных материалов путем ее испарения и отвода образующихся паров. Значение диффузионного перехода заключается в переходе влаги из твердого влажного материала в паровую или газовую фазу.

Кристаллизация — выделение твердого растворенного вещества из его раствора или расплава. Значение диффузионного перехода заключается в переходе жидкой фазы в твердую.

Кинетика массопередачи. При массопередаче происходит перенос вещества из одной фазы в другую в направлении равновесия.

2 Абсорбция

Процесс поглощения газа или пара жидким поглотителем (абсорбентом) всем объемом называется абсорбцией.

Обратный процесс абсорбации — выделение из раствора поглощенного им газа — называют десорбцией.

Различают физическую абсорбцию и хемосорбцию.

При физической абсорбции при растворении газа не происходит химической реакции.

При хемосорбции абсорбируемый газ вступает в химическую реакцию в жидкой фазе.

Абсорбцию широко используют в пищевой промышленности.

В спиртовом производстве и в виноделии абсорбция имеет место при промывке газов, выделяемых при брожении, водой для улавливания содержащихся в них паров этилового спирта.

В производстве безалкогольных напитков пива и некоторых сортов вин применяется насыщение их углекислым газом.

В свеклосахарном производстве сахарный раствор обрабатывают углекислым газом, а затем полученный сироп — сернистым газом.

Аппараты, применяемые при абсорбции, называются абсорберами.

3 Адсорбция

Процесс поглощения газов, паров и жидкостей поверхностью пористых твердых тел-адсорбентов называется адсорбцией.

Адсорбция применяется во многих отраслях пищевой промышленности.

В спиртовом производстве — для очистки водно-спиртовых смесей, для улавливания спирта из газов.

В сахарном производстве — для обесцвечивания соков и спиртов.

В пивоваренном производстве — для осветления пива.

Особенно велика роль адсорбции при решении задач экологии, очистке сточных вод и других отходов производства.

Процессы адсорбции тесно связаны с обратным процессом — десорбцией.

В зависимости от природы сил, действующих на поверхности твердого тела, различают:

• физическую адсорбцию (вызываемую силами молекулярного взаимодействия);

• хемосорбцию (обусловливаемую силами химического взаимодействия).

Адсорбенты

Способностью адсорбции может обладать любое твердое тело с сильно развитой внутренней пористой поверхностью различных размеров.

В зависимости от размеров различают три типа пор: микропо- ры; переходные поры; макропоры.

Микропоры имеют малые размеры, соизмеримые только с размерами молекул поглощаемого компонента. Радиусы микропор (можно определить только рентгеновским методом) находятся в интервале от 5 • 10 10 до 1 ■ 10~9 м.

Переходные поры имеют радиусы, намного превышающие размеры адсорбируемых молекул, и лежат приблизительно в пределах от 1,0 10“9 до (1 ...2) • 10 7 м.

Макропоры — самые крупные поры адсорбентов, радиусы их больше 2 ■ 10 7 м. Они представляют целые каналы в зернах адсорбентов.

В зависимости от размера пор все адсорбенты подразделяются на три структурных вида: микропористые; переходно-пористые; макропористые.

К числу микропористых адсорбентов относят активированные угли и так называемые «молекулярные сита» — цеолиты.

К переходно-пористым адсорбентам относят силикагели, алюмогели, природные глины: бентониты, диатомиты, каолины.

Характеристики некоторых наиболее широко распространенных адсорбентов. Активированный уголь — продукт сухой перегонки углесодержащих веществ (кости, древесина) с последующим прокаливанием при температурах, превышающих 900 °С.

Он применяется:

для очистки промышленных газов и воздуха, спирта-ректификата от уксусно-эфирных альдегидов, высокомолекулярных кислот (сивушных масел), водки от глюкозы и фруктозы;

осветления пива, фруктовых соков;

обесцвечивания сахарных сиропов, вин, коньяков, эфирных масел (для парфюмерного производства);

удаления запаха, привкуса различных примесей.

Размер кусков активированного угля составляет 1...5 мм. Основной его недостаток — горючесть и низкая механическая прочность.

Силикагели — продукты обезвоживания геля кремниевой кислоты при обработке силиката натрия (жидкого стекла) минеральными кислотами или растворами их солей.

Силикагели применяют для осветления воды, пива, фруктовых соков и удаления влаги из воздуха. Диаметр гранул силикагеля приближенно равен 7 мм. Силикагель негорюч и обладает достаточной механической прочностью.

Цеолиты представляют алюмосиликаты, содержащие в своем составе окиси щелочных и щелочноземельных металлов. Принцип разделяющей способности цеолитов несколько другой, чем у всех адсорбентов: молекулы поглощаемого компонента как бы «просеиваются» сквозь ажурную структуру цеолита, поэтому данный адсорбент называют молекулярным ситом.

Цеолиты широко применяются в мембранной технологии и благодаря своей поглотительной способности используются для глубокой осушки газов и воздуха; добывают карьерным способом. Последнее время природные цеолиты заменяют на синтетические, гранулы которых достигают 2... 5 мм.

Алюмогели — продукты термической обработки гидроокиси алюминия. По свойствам и применению алюмогель близок к силикагелю, хотя имеет меньшую удельную поверхность.

Глины и глинистые материалы — бентониты, диатомиты, каолины играют значительную роль при выборе адсорбента. При обработке минеральными кислотами из них удаляются оксиды калия, магния, железа, алюминия и образуются дополнительные поры (средний радиус пор составляет 3... 10 мкм). Глины и глинистые материалы применяют для удаления краски из веществ, обесцвечивания, осветления вин, фруктовых соков, рафинирования растительных масел. Некоторые глины выполняют несколько функций. Так, бентонит натриевый не только осветляет вина, но и стабилизирует, ускоряет сроки созревания и выдержки.

Свойства адсорбентов. Все адсорбенты, используемые в пищевой промышленности, должны обладать определенными свойствами: избирательностью (селективностью); максимальной адсорбционной емкостью (активностью); способностью к десорбции; механической прочностью; химической инертностью; экологической безопасностью; низкой стоимостью.

Одним из основных свойств адсорбентов является максимальная адсорбционная емкость (активность), которая определяет количество поглощаемого компонента единицей массы или объема адсорбента.

Активность адсорбента. Адсорбенты характеризуются статической и динамической активностью. После некоторого периода работы адсорбент перестанет полностью поглощать извлекаемый компонент и наступает так называемый проскок компонента через слой адсорбента. С этого момента концентрация компонента в отходящей парогазовой смеси возрастает вплоть до наступления равновесия.

Количество вещества, поглощаемого единицей веса (или объема) адсорбента за период от начала адсорбции до начала проскока, определяет динамическую активность адсорбента. Количество вещества, поглощенное тем же количеством адсорбента за период от начала адсорбции до установления равновесия, характеризует статическую активность.

Активность адсорбента зависит от температуры газа и концентрации в нем поглощаемого компонента. Динамическая активность всегда меньше статической, поэтому расход адсорбента определяется по его динамической активности.

Десорбция. Адсорбенты, обладающие большой активностью, в основном дорогостоящие материалы, поэтому целесообразно их использовать многократно. Для этого необходимо после проведения процесса адсорбции регенерировать адсорбент, т.е. отделять из него ранее поглощенное вещество, осуществлять десорбцию.

Способы регенерации адсорбента следующие:

• повышение температуры адсорбента или понижение давления над ним (для удаления легколетучих компонентов);

• продувка нагретым газом или перегретым паром;

• вытеснение поглощенных компонентов другим веществом, обладающим более высокой степенью адсорбируемости, и затем легко удаляемым одним из простых способов десорбции.

Возможны комбинированные способы регенерации.

Десорбция протекает ускоренно при повышении температуры процесса. Для этого необходимо выбирать такую температуру адсорбции, чтобы при максимальном удалении поглощенных компонентов не происходило бы разрушение адсорбента при перегреве.

Для достижения полной регенерации адсорбента после десорбции предусматривают процесс сушки и последующее охлаждение адсорбента. Следует отметить, что при десорбции не всегда удается полностью восстановить первоначальную активность адсорбента. В первый цикл регенерации она снижается больше; после каждого последующего цикла гораздо в меньшей степени.

4 Перегонка и ректификация

Процесс разделения жидкой смеси на составляющие ее ком поненты в результате различия их летучести и противоточного взаимодействия жидкого и парового потоков называется перегон кой.

Исходная смесь при подводе к ней теплоты разделяется на лег колетучий компонент (ЛЛК) (нижекипящий - НК) и тяжелоле тучий (ТЛК) (вышекипящий - ВК).

В практике различают простую перегонку и сложную перегонку.

Простая перегонка - грубое однократноеразделение сложных смесей.

Сложная перегонка (ректификация) - многократное разделе ние сложных смес ей.

Перегонка и ректификация применяются в спир товом и лике роводочном про изводствах, а также в виноделии: в спиртовом производстве из браги первоначально получают водно-спиртовую смесь, содержащую примеси (альдегиды. , сивушные масла и др.),затем ректификацией из этой жидкости получают почти чистые компоненты; в конечном производстве из вина образуется конь ячный спирт. Кроме этого, данные процессы используют в производстве душистых эфирных масел.

5 Экстракция

Процесс разделения жидких смесей и извлечение компонен тов из твердых веществ с помощью жидкого растворителя (экстр агента), избирательно растворяющего только извлекаемые ком поненты, называется экстрагированием (или экстракц ией).

Экстрагирование подразделяют на собственно экстрагирование в системе <<твердое тело - жидкость>> и экстракцию в системе - жидкость-жидкость».

Эти процессы используют в пищевой промышленности для из влечения сахара из свекловичной стружки, растительного масла из масличных семян, получения пищевого красителя из овощей, выделения молочной кислоты и др.

Экстракция в системе <<жидкость-жидкость». Из носителя (жИд кость А+ В) извлекается растворенный компонент (А) экстра гентом (жидкость С) и в остатке (рафинат В) получают экстракт ( С+ А экстрагент и растворенный компонент).

К свойствам экстрагентов предъявляются следующие требования: избирательность целевого компонента; высокая экстракционная емкость по целевому компоненту (извлечение целевого компо нента лучше, чем исходного растворителя); хорошая реэкстрак ция (извлечение поглощенного компонента); хорошее расслаива ние фаз; безопасность (экстрагент не должен быть токсичным, взрывоопасным, летучим); стойкость при хранении; низкая сто имость и доступность.

6 Перегонка и ректификация

Процесс однократного разделения смеси на компоненты при кипении называется простой перегонкой. При простой перегонке (рис. 5.24) смесь загружается в пере гонный куб 1, обогреваемый паром через змеевик или рубашку либо топочными газами. После подогрева смеси до температуры

Сложная перегонка (ректификация). Процесс многократного разделения смеси на компоненты при кипении называется ректификацией.

7 Сушка

Сушка - это процесс удаления влаги из материала путем ее испарения и отвода образующихся паров. Так как при проведении процесса к высушиваемому материалунеобходимо подводить теп лоту, вследствие чего происходит внутридиффузионный перенос влаги в твердом теле, следовательно,сушка - сложный тепло массообменный процесс.

Во всех производствахпищевой отрасли используется сушка,

которая является если не обязательной, то вспомогательной опе рацией, и представляетсобой достаточносложную технологичес кую стадию процесса.

Сушка применяется в свеклосахарном производстве - получают сахар-песок ; в спиртовом - отходы производства (барду, пище вые дрожжи, комбикорма для животных); в пивоваренном - солод и отход производства: дробину; в консервном - сухофрукты; в хле бопекарном - сухари и др.

Все влажные материалы можно подразделить на три вида: твердые (штучные, кусковые, зернистые); пастообразные;

жидкие (суспензии, растворы).

При подробном комплексном анализе сиойств влажных мате риалов осуществляют выбор метода сушки и типа сушилки.

Наиболее важными отличительными свойствами пищевых ма териалов, которые следует учитывать при выборе метода сушки , являются низкая термостойкость, склонность к окислению и дест рукции; склонность к короблению и потере товарного вида; неод нородность материала по начальному содержанию воды; наличие

активных биохимических и химически активных веществ и ряд других особенностей.

Существуют разные виды сушки:

контактная сушка - передача теплоты от теплоносителя (на пример, насыщенного водяного пара) к материалу через разделя ющую их стенку;

конвективная, или воздушная, сушка - подвод теплоты при непосредственном контакте сушильного агента с высушиваемым материалом;

радиационная сушка - передача теплоты инфракрасными из лучателями;

диэлектрическая сушка (СВЧ-сушка) - нагревание материала в поле токов высокой частоты;

сублимационная сушка - сушка в глубоком вакууме в заморо женном состоянии.

Статика сушки. В природе влажный твердый материал способен поглощать магу из окружающей среды или отдавать ее окружающей среде. В свою очередь, окружающая среда может содержать либо только водяной пар, либо смесь водяного пара с газами.

Контрольные вопросы

1 Что относят к массообменным процессам?

2 Чем адсорбция отличается от абсорбции?

3 Что называют экстрагированием?

4 Какие существуют виды сушки?

Пилипенко, "Процессы и аппараты" стр. 105-121