На нашем интернет портале море информации по пищевой
и перерабатывающей промышленности, АПК и пищевой тематике
и перерабатывающей промышленности, АПК и пищевой тематике
Под явлением диффузии понимают способность приведенных в соприкосновение смешивающихся между собой различных веществ самопроизвольно проникать друг в друга до тех пор, пока не образуется однородная смесь. Движущая сила диффузии — разность концентраций веществ в соприкасающихся растворах, которая перемещает растворенное вещество в сторону меньшей концентрации. Причиной диффузии является беспорядочное непрерывное движение молекул вещества.
Если два раствора (или растворитель и раствор) непосредственно соприкасаются и самопроизвольно проникают один в другой, то такое явление называется свободной диффузией. Если же растворы разделены полупроницаемой перегородкой (мембраной), способной пропускать только чистый растворитель, то происходит несвободная диффузия, или осмос. Иногда полупроницаемая перегородка пропускает не только растворитель, но и частицы растворенных веществ только до определенного размера, задерживая более крупные; диффузия через такие перегородки называется диализом.
Закон диффузии. В 1855 г. Фик развил математическую теорию диффузии, которая оказалась аналогичной разработанной ранее теории теплопередачи.
Закон диффузии Фика утверждает, что количество растворенного
вещества S, продиффундировавшего сквозь некоторый слой растворителя (рис. 1-9),
пропорционально разности концентраций на границах этого слоя (С—с), времени т и
площади слоя F и обратно пропорционально толщине слоя (х), т. е. длине пути
диффундирования частиц.
Следовательно, 
(1-1)
где 
можно назвать градиентом концентрации, a D является коэффициентом пропорциональности
и называется коэффициентом диффузии. Он показывает, сколько данного вещества
про- диффундирует в единицу времени через единицу площади на расстояние единицы
длины при разнице концентраций, равной единице. Величина D зависит от рода
диффундирующего вещества и от температуры диффузии. Она приблизительно обратно
пропорциональна радиусу диффундирующих частиц растворенного вещества. Поэтому
высокополимеры имеют чрезвычайно малые коэффициенты диффузии, а кристаллоиды,
находящиеся в растворах в виде отдельных молекул, диффундируют несравненно
быстрее.
Рис. 1. Диффузия
С повышением температуры D увеличивается, так как возрастает скорость движения молекул и, кроме того, уменьшается вязкость растворителя, вследствие чего молекулы растворенного вещества легче продвигаются между молекулами растворителя. Таким образом, понятна зависимость, установленная Эйнштейном в 1905 г.
В сахарном производстве диффузионный процесс представляет собой сложный комплекс всех трех видов диффузии: свободной диффузии, осмоса и диализа, совершающихся примерно в следующем порядке. Вначале происходит диффузия сахара из разорванных при резании свеклы клеток (свободная диффузия), затем вода проникает в клеточный сок (осмос), и после прогрева стружки до 60°С и свертывания протоплазмы начинается основной процесс извлечения сахара из вакуолей клеток свеклы в диффузионный сок (диализ).
Раффиноза, карамели, белки и растворимые пектиновые вещества диффундируют значительно медленнее сахарозы в связи с тем, что они, отличаясь высокой молекулярной массой, имеют низкий коэффициент диффузии. Опытным путем было установлено, что получаемый при диффузии диффузионный сок содержит несахаров на 18— 20% меньше, чем натуральный клеточный сок.
Диффузионный процесс извлечения сахара из свекловичной стружки. Этот процесс заключается в противоточном омывании стружки сначала диффузионным соком с постепенно понижающейся концентрацией, затем чистой горячей водой. Схема противоточного непрерывного процесса следующая:
Стружка свеклы с концентрацией сахара С2 поступает в головную часть аппарата А и направляется к хвостовой его части В, отдавая сахар, в движущийся навстречу растворитель (вода, диффузионный сок). Во всех частях аппарата успешно идет процесс диффузии, так как разность концентраций сохраняется. В хвостовой части аппарата в стружке остается очень мало сахара, но диффузия продолжается, так как сюда поступает вода с нулевой концентрацией сахара.
В головной части аппарата разницу концентраций (С2 — с2) увеличивают снижением с2 в результате повышения откачки сока. Благодаря такой противоточной экстракции можно извлечь максимум сахара из стружки.
Для осуществления диффузионного процесса извлечения сахара из свеклы на сахарных заводах СССР применяют диффузионные аппараты периодического (диффузионные батареи) и непрерывного действия.
Применение непрерывно действующих диффузоров по сравнению с аппаратами периодического действия имеет следующие преимущества: обеспечивается непрерывность диффузии, что позволяет полностью автоматизировать процесс работы, сделать его устойчивым и уменьшить число обслуживающих работников; сокращается потребность завода в водоочистных сооружениях в связи с отсутствием диффузионной воды; снижаются потери сахара на диффузии до 0,25—0,30% к массе свеклы против предельно допустимых нормативных потерь сахара 0,40% при работе на диффузионных батареях.
В настоящее время на сахарных заводах СССР есть много диффузионных аппаратов непрерывного действия: горизонтальных, ротационных, вертикальных колонных (одноколонных, многоколонных), наклонных двухшнековых. Типовыми являются одноколонные аппараты КДА и наклонные аппараты С-17.
Одноколонные аппараты. Одноколонная диффузионная установка непрерывного действия типа КДА (рис. 2) состоит из горизонтального ошпаривателя и вертикального колонного диффузионного аппарата. Установки этого типа имеют несколько модификаций, отличающихся одна от другой производительностью и небольшими конструктивными особенностями.
Рис. 2. Диффузионная установка типа КДА:
1 — ошпариватель: 2 — подогреватель и насосы; 3 — башня (колонна).
Предназначенный для переработки 25000 ц свеклы в сутки диффузионный аппарат КДА-25-59 представляет собой вертикальный цилиндр (колонну) высотой 15,37 м и диаметром 5,0 м. Внутри вертикального цилиндра подвешен на сферическом опорном подшипнике пустотелый лопастной вал диаметром 2,0 м, имеющий частоту вращения 0,6—1,0 об/мин, что позволяет регулировать производительность аппарата. Подогретая стружка из ошпаривателя с помощью насоса подается в нижнюю часть колонны в промежуток между цилиндрической стенкой аппарата и пустотелым валом. Здесь она перемещается снизу вверх с помощью лопастей, образующих прерывистую винтовую поверхность. В промежутках между лопастями установлены неподвижные контрлопасти, не позволяющие массе стружки вращаться вокруг оси цилиндра.
Обессахаренная стружка выводится из верхней части аппарата и подается в отжимные шнеки с помощью лопастного устройства, вращающегося вместе с валом. Через верхний 19-й ряд контрлопастей в колонну подается свежая вода, а несколько ниже подводится выжатая из обессахаренной стружки жомопрессовая вода, которая заменяет часть свежей воды. Потеря сахара с обессахаренной стружкой составляет 0,25—0,3% к массе свеклы. Диффузионный сок в аппарате движется сверху вниз навстречу стружке и выводится из колонны в ошпариватель через сита, расположенные на нижнем конце трубовала. Сок откачивают через ошпариватель (125—130% к массе свеклы). Оптимальная длина 100 г стружки для этого аппарата 10,5—12,5 м. Перед направлением в диффузионную колонну стружку прогревают в ошпаривателе для денатурации белков протоплазмы клеток.
Аппарат КДА-25-59 снабжен ошпаривателем 0-25-59, который представляет собой горизонтальный корпус цилиндрической формы с шахтой для загрузки и предварительного подогрева стружки. Внутри корпуса вращается шнек (частота вращения 0,82— 1,1 об/мин), продвигающий стружку в течение 8 мин к разгрузочному концу ошпаривателя. Значительная часть цилиндрической поверхности корпуса ошпаривателя снабжена ситами, через которые сок отбирается для подогрева. Подогретый сок вновь возвращается в ошпариватель, где поперечными потоками омывает движущуюся стружку.
Вертикальные одноколонные диффузионные установки полностью автоматизированы, и управляет ими один оператор. К достоинствам этих аппаратов можно отнести устойчивость в эксплуатации, малую металлоемкость, небольшую занимаемую площадь, высокую удельную нагрузку, относительно малые потери сахара, удобство эксплуатации и малую подверженность коррозии. Недостатки таких аппаратов — относительная сложность изготовления, необходимость усиленного фундамента, повышенная откачка сока, сильное перемешивание и измельчение стружки, отсутствие возможности промежуточного подогрева сока в колонне, смешение соков различных концентраций, ухудшение работы на свекле низкого качества.
Наклонные диффузионные аппараты. Диффузионный аппарат С-17 (рис. 3) принят типовым, он рассчитан на производительность 1500 т свеклы в сутки. Корпус этого аппарата представляет собой установленный на постаменте под уклоном 8° корытообразный желоб длиной 22,5 м и шириной 4,1 м, днище которого составлено из двух цилиндрических поверхностей. На наружной стороне днища расположены паровые камеры для нагревания сокостружечной смеси без предварительного ошпаривания стружки. Внутри корпуса вращаются в противоположные стороны два параллельных однозаходных шнека диаметром по 2,4 м, частота вращения их 0,4—1,2 об/мин. Bитки одного шнека заходят в витки другого, что предотвращает вращение стружки вместе со шнеком.
Свекловичную стружку загружают в нижнюю часть корыта, откуда
она, увлекаясь витками шнеков, передвигается в верхнюю его часть, куда поступает
свежая горячая вода и возвращаемая жомопрессовая вода. Здесь же находится
колесо для выгрузки обессахаренной стружки, имеющее карманы, которые
захватывают ее выше уровня шнека и подают на грабельный транспортер,
подведенный к прессам.
В нижней торцовой части корыта через сито откачивается сок.
Достоинства наклонных аппаратов — малая металлоемкость, простота конструкции, удобство обслуживания, большая удельная нагрузка стружки, сравнительно невысокая откачка сока и малые потери сахара, возможность регулирования температуры процесса в самом аппарате, отсутствие дополнительной аппаратуры для ошпаривания.
К недостаткам таких аппаратов следует отнести возможность поломки валов и редукторов при нарушении синхронности работы шнеков, большую чувствительность к качеству стружки, сильное перемешивание и измельчение стружки, смешение соков разных концентраций. Наклонный аппарат полностью автоматизирован и управляет им один оператор.
Длительность диффундирования в аппаратах непрерывного действия в связи с необходимостью применения для них более грубой свекловичной стружки несколько выше, чем в диффузионной батарее. По нормативам она составляет 70—80 мин.
Роль различных факторов в работе диффузионных аппаратов. Качественно эту роль можно проанализировать с помощью уравнения (1-1) закона диффузии.
С увеличением откачки сока извлечение сахара из стружки будет полнее, так как при этом понижается с и увеличивается С — с, что приводит к увеличению 5.
Увеличение длительности экстрагирования т вызовет также более полное извлечение сахара, потому что в уравнении Фика т стоит в числителе.
С повышением температуры улучшается процесс извлечения сахара, так как значительно возрастает коэффициент диффузии сахарозы D.
Рис. 3. Наклонный диффузионный аппарат С-17.
Увеличение длины 100 г стружки влечет за собой уменьшение толщины ее (снижается х) и одновременно увеличение поверхности стружки F. Следовательно, увеличение длины стружки является важным фактором, вдвойне благоприятствующим ее обессахариванию.
Однако не все эти факторы могут быть использованы полностью в работе сахарных заводов, так как в процессе диффузии нельзя допускать заметного понижения чистоты сока и его разбавления водой. Чрезмерное увеличение длительности диффузии и повышение температуры на практике может привести к заметному снижению чистоты диффузионного сока в результате пептизации высокополимеров, особенно пектиновых веществ свеклы. Повышение откачки сока приводит к снижению концентрации сухих веществ в нем и, следовательно, увеличивает расход тепла на выпаривание воды. Диффузионные аппараты непрерывного действия очень чувствительны к размягчению стружки вследствие начального гидролиза протопектина, поэтому на них работают при температуре не выше 70—72°С. Температура ниже 70°С также опасна в связи с усилением действия микроорганизмов. Длина 100 г стружки при работе на этих аппаратах ограничена, так как тонкая стружка при движении в диффузоре измельчается и препятствует движению сока.
