Лекція 10. Технологічне обладнання для проведення процесів екстракції, перегонки і ректифікації

 

1. Обладнання для проведення дифузійних процесів.

2. Апарати для дефекації і сатурації.

3. Апарати для перегонки і ректифікації.

 

1. Обладнання для проведення дифузійних процесів.

 

Апарати для виділення методом екстракції розчинних речовин із твердого подрібненого матеріалу називаються дифузійними апаратами або екстракторами. Процесом екстракції є вибіркове відбирання речовини із рідини або твердого пористого тіла рідиною.

Класифікацію екстракторів проводять за багатьма ознаками:

-  за режимом роботи – періодичні, напівбезперервні, безперервні;

-  за напрямком руху розчинника і екстрагуючої речовини – прямотечійні, протитечійні;

-  за тиском – атмосферні, вакуумні і ті, що працюють під тиском;

-  за конструкцією – колонні і камерні, шнекові, лопатеві, ланцюгові, ротаційні, стрічкові.

Найбільше розповсюдження в промисловості отримали нахилені двошнекові і вертикальні лопатеві дифузійні апарати безперервної дії.

Нахилені дифузійні апарати широко використовуються в цукровій промисловості. В нахиленому двошнековому дифузійному апараті стружка цукрового буряка рухається знизу вверх, а вода – зверху вниз.

Нахилений двошнековий дифузійний апарат А1-ПДС-60 (рис. 10.1) складається з корпусу 15, встановленого на опорах під кутом 8…11° до лінії горизонту. Корпус апарата вигитовляється у вигляді зварної конструкції, яка утворена двома циліндричними поверхнями, що перетинаються. В нижній частині корпусу знахлдиться камера для дифузійного соку і бункер 2 для завантаження бурякової стружки. У верхній частині розміщені шнеки 7 для вивантаження жому із апарата.

Всередині апарата розміщено два паралельних лопатевих вала 10 (лівий і правий) з лопатями 6, які розєднанні в середній частині апарату. Привід нижніх частин валів здійснюється електродвигунами 1, а верхніх – електродвигунами 8.

Принцип дії дифузійного апарату наступний. Бурякова стружка з приймального бункеа 2 переміщується шнеками здовж апарата. Екстрагуюча рідина, барометрична, жомопресова та інша вода поступає в апарат в зоні вивантажувальних шнеків, переміщається проти напряму руху стружки, насичується цукром і у вигляді дифузійного соку проходить через сито 12, збирається в соковій камері і через штуцер видаляється з апарату.

Перед подачею стружки апарат наповнюють водою і підігрівають до температури не нижче 80°С. Рівень води повинен бути приблизно 200 мм нижче верхньої точки шнеків безпосередньо біля фільтрувального сита.

 

Рисунок 10.1 – Нахилений двошнековий дифузійний апарат: 1, 8 – електродвигуни; 2 – прийомний бункер, 3 – кришка; 4 – опора, 5 – перегородка; 6, 9 – лопаті; 7 – вивантажувальний шнек; 10 – вал; 11 – гріюча камера; 12 – сито; 13 – штуцер для виведення дифузійного соку; 14 – ребро; 15 – корпус.

 

Такий рівень потрібно підтримувати протягом всієї роботи апарату. Приблизно через 30 хвилин після початку подачі стружки в апарат впикають в роботу регулятор дозування свіжої водо, щоб на 1 т стружки поступало 0,75 т води.

У нижній частині апарату є чотири парових камери, через які проводиться обігрів апарату парою. Температура соко-стружкової суміші в першій камері 68ºС, у другій і третій – 72ºС, у четвертій – 70ºС.

В багатьох галузях харчової промисловості використовують колонні дифузійні апарати. Колонний дифузійний апарат містить дифузійна установка типу КДА.

Дифузійний апарат КДА-25-59 (рис. 10.2) являє собою вертикальний циліндр (колону) висотою 15,37 м і діаметром 5,0 м. Усередині вертикального циліндра підвішений на сферичному опорному підшипнику пустотілий лопатевий вал діаметром 2,0 м, який має частоту обертання 0,6…1,0 об/хв, що дозволяє регулювати продуктивність апарату. Підігріта стружка з ошпарювача за допомогою насоса подається в нижню частину колони в проміжок між циліндричною стінкою апарату і порожнистим валом. Тут вона переміщається від низу до верху за допомогою лопатей, що утворюють переривчасту гвинтову поверхню. У проміжках між лопатями встановлені нерухомі контрлопаті, що не дозволяють масі стружки обертатися навколо осі циліндра.

Обезцукрена стружка виводиться з верхньої частини апарату і подається в віджимні шнеки за допомогою лопатевого пристрою, що обертається разом з валом. Через верхній 19-й ряд контрлопатей в колону подається свіжа вода, а трохи нижче підводиться вичавлена з обезцукреної стружки жомопресова вода, яка замінює частину свіжої води. Втрата цукру обезцукреної стружки становить 0,25-0,3% до маси буряка. Дифузійний сік в апараті рухається зверху вниз назустріч стружці і виводиться з колони в ошпарювач через сита, розташовані на нижньому кінці трубовала. Сік відкачують через ошпарювач (125-130% до маси буряка). Перед направленням у дифузійну колону стружку прогрівають в ошпарювачі для денатурації білків протоплазми клітин.

 

Рисунок 10.2 – Дифузійна установка типу КДА: 1 – ошпарювач; 2 – підігрівач і насоси; 3 – вертикальний колонний дифузійний апарат.

 

Апарат КДА-25-59 забезпечений ошпарювачем 0-25-59, який являє собою горизонтальний корпус циліндричної форми з шахтою для завантаження і попереднього підігріву стружки. Усередині корпусу обертається шнек (частота обертання 0,82…1,1 об/хв), що просуває стружку протягом 8 хв до розвантажувального кінця ошпарювача. Значна частина циліндричної поверхні корпусу ошпарювача забезпечена ситами, через які сік відбирається для підігріву. Підігрітий сік знову повертається в ошпарювач, де поперечними потоками омиває рухому стружку.

 

2. Апарати для дефекації і сатурації.

 

Дифузійний сік, отриманий на дифузійних апаратах, мутний, чорного кольору. Для очищення його нагрівають парою в особливих підігрівачах до температури 90°С і добавляють вапняне молоко. Ця операція називається дефекацією. При нагріванні соку і дії на нього вапна коагулюють білки і чорні барвникові речовини буряка.

Дефекацію соку проводять в дефекаторі ОД-6 (рис. 10.3). Він являє собою вертикальний циліндричний корпус 4 з конічним днищем 7 і плоскою горизонтальною кришкою. На кришці укріплена зварна рама 2 з встановленим на ній приводом перемішуючого пристрою, що складається з електродвигуна і редуктора. Вал перемішуючого пристрою зібраний за допомогою поздовжньо-скрутних муфт і складається з трьох частин із закріпленою в нижній частині лопатевою мішалкою 9.

Верхній кінець вала встановлений в двох підшипниках кочення, а нижній – в вертикальному підшипнику ковзання. В середині валу є проміжний підшипник ковзання з центруючими тягами.

У середині корпусу встановлено контрлопаті 5. Дифузійний сік подається по вигнутому патрубку 8, на якому встановлений патрубок, призначений для подачі вапняного молока. Вапняне молоко подається в кількості близько 12 % до маси соку. При обертанні мішалки суміш інтенсивно перемішується. При цьому відбувається розкладання амідів інвертного цукру, органічних і мінеральних кислот і пектинових речовин, а також утворення нерозчинних кальцієвих солей. Сік в апараті рухається від низу до верху і відводиться через переливний короб 3. Осад видаляється з дефекатора через кутовий вентиль 10.

Якщо процес дефекації проходить при зниженому рівні соку в апараті, то передбачений спеціальний патрубок (на малюнку не показаний). Для огляду і очищення апарату є люк і скоби. Встановлюється апарат безпосередньо на нижню частину корпусу з опорами 6.

Дефекований сік насичують двоокисом вуглецю, проводячи першу сатурацію. При цьому частина вапна перетворюється в нерозчинний дрібний кристалічний осад СаСО₃ на поверхні частинок якого адсорбуються деякі нецукри. Схема сатуратора наведена на рис. 10.4.

Сатуратор представляє собою циліндричний корпус 2 з конічним днищем 9. В нижній частині корпусу встановлені на рівних відстанях одна від одної три чавунні решітчасті перегородки 8, призначені для більш повного розбивання пухирців сатураційного газу.

Сік по трубі 3 надходить на розподілювальний зонт 4. На нижню перегородку по патрубку надходить також сік та пісок, що спускаються з дефекатора при його чистці.

 

 

Рисунок 10.3 – Дефекатор ОД-6: 1 – привід; 2 – рама; 3 – короб; 4 – корпус; 5 – контрлопать; 6 – опора; 7 – конічне дно; 8 – патрубок для підводу соку; 9 – лопатева мішалка; 10 – кутовий вентиль.

 

Сатураційний газ через патрубок 6 надходить в колектор, а з нього дванацятьма трубами, які розміщені в два яруси, по дотичній надходить в конічну частину сатуратора.

Газ, що використовується, та пара, що виникла, підіймаються в верхню частину апарату. Там на їх шляху встановлений відбивний зонт 1 для відділення краплин, що переміщуються разом з газом. Додаткове відокремлення краплин соку виконується також у сепараторі, що знаходиться над відбивним зонтом. Очищений газ по патрубку виходить в трубу, що виведена на кришу заводу. Вловлений сік по трубці стікає в контрольний ящик. Для гасіння піни над відбивним зонтом встановлений кільцевий барботер 11, в який по патрубку подається пара.

Відсатурований сік по трубам направляється в середнє відділення контрольного ящика, звідки відбирається на подальші технологічні операції.

 

 

Рисунок 10.4 – Сатуратор 1С-6: 1 – відбивний зонт; 2 – корпус; 3 – труба для підведення соку; 4 – розподілювальний зонт; 5 – люк; 6 – труба для підведення газу; 7 – опора; 8 – решітка; 9 – конічне днище; 10 – відвідна труба; 11 – барботер парового піногасника.

 

Сік що пройшов сатурацію, для покращення фільтрації нагрівають до 90°С і фільтрують на вакуумфільтрах, які відділяють осад (СаСО₃ + цукри на ньому). Профільтрований сік світло-жовтого кольору. В ньому міститься незначна кількість надлишкового вапна, тому сік піддають другій сатурації діоксином вуглецю і знову фільтрують.

 

3. Апарати для перегонки і ректифікації.

 

Розділення рідких сумішей, що складаються із компонентів неоднакової леткості, ректифікація і кінцеве очищення продукту виконується в колонних апаратах. Ректифікація – це розділення гомогенних рідких сумішей шляхом багаторазового взаємного обміну компонентами рідкої і парової фаз. В процесі ректифікації речовини із рідкої фази переходять в парову , і навпаки.

Брагоректифікаційні установки використовуються в спиртовій промисловості. Вони комплектуються бражною, епюраційною і ректифікаційною колонами.

Ректифікаційні колони, які входять в склад установок бувають повні, відгінні і концентраційні (рис. 10.5).

 

 

Рисунок 10.5 – Схеми ректифікаційних колон: а – повна; б – неповна відгінна; в – неповна концентраційна.

 

Повна колона 1 (рис. 10.5, а) складається з відгінної і концентраційної частин, до складу яких входить дефлегматор 2 і холодильник дистиляту 3. Гріюча пара підводиться в нижню частину колони, а вода проходить через дефлегматор і холодильник. Двохкомпонентна суміш в повну колону вводиться в середню частину (на верхню тарілку відгінної частини колони). Дистилят відводиться з холодильника дистиляту.

Відгінна колона 1 (неповна) (рис. 10.5, б) має тільки відгінну частину, в ній відсутній дефлегматор 2, а двохкомпонентна суміш подається на її верхню тарілку. У цій колоні рідка суміш, що надходить, виробляється низькокиплячим компонентом.

Концентраційна колона 1 (неповна) (рис. 10.5, в) забезпечена дефлегматором 2, а двохкомпонентна суміш надходить під нижню тарілку в пароподібному вигляді.

У повній ректифікаційній колоні 1 створюється можливість для отримання практично в чистому вигляді обох компонентів бінарної (двохкомпонентної) суміші, яка розділяється. У неповній відгінній колоні з нижньої частини відводиться практично чистий важколеткий компонент, а з верхньої - пара, трохи збагачена легколетким компонентом. З верхньої частини неповної концентраційної колони відводиться практично чистий легколеткий компонент, а з нижньої – залишок, трохи збагачений важколетким компонентом.

Основним елементом колони ректифікації, на якому здійснюється процес масообміну між парою і рідиною є контактний пристрій. Інтенсивний масообмін на контактному пристрої досягається шляхом створення розвиненої поверхні контакту фаз і активної гідродинамічної обстановки. У спиртовій промисловості, як правило, застосовують тарілчасті контактні пристрої, на яких здійснюється послідовно ступінчастий контакт фаз. Тарілки ректифікаційних колон можуть бути (рис. 10.6): ковпачковими, сітчастими, клапанними, лускатими, сітчатоклапанними, жалюзійно-клапанними і ін. У всіх випадках на тарілці утримується шар рідини, через який проходить пара, в результаті чого здійснюється масообмін.

Найпростіша одноковпачкова тарілка одинарного кип'ятіння використовується в бражних колонах установок малої продуктивності (для поділу рідин з завислими частинками або здатних виділяти осад). У одноковпачкової тарілки подвійного кип'ятіння барботаж відбувається з під вінця ковпачка і комірця. Завдяки цьому створюються зустрічні потоки пари, що поліпшують контакт пари і рідини.

Багатоковпачкові тарілки застосовують в колонах для поділу рідин, що не містять зважених часток. Вони мають великий периметр барботажу і більш ефективні. Сітчасті (решітчасті) тарілки мають отвори діаметром 2,5...3,5 мм (для розгону рідин, здатних виділяти осад) і 8...12 мм (для розгону рідин з завислими частинками).

У провальній тарілці (решітчастого типу) немає зливних склянок і рідка фаза зливається через ті ж отвори, через які надходить на тарілку пара. Тарілки виготовляються зі сталевих або мідних листів товщиною 2,5...6 мм. Щілини тарілки виконуються штампуванням або фрезеруванням з живим перетином 10...15 %. Відстань між тарілками становить 300...600 мм. Такі тарілки застосовуються в бражних колонах при перегонці мелясної і зернокартопляної бражки.

У клапанних тарілках розподільним пристроєм для пари є клапани (пластини тієї чи іншої форми), які перекривають отвори тарілки і під тиском пари піднімаються, пропускаючи пару. Гранична висота підйому клапана визначається висотою обмежувального пристрою. Клапанні тарілки мають здатність до самоочищення. Вони використовуються в ректифікаційних і епюраційних колонах.

Лускаті тарілки відносяться до групи односпрямованих, де пара і рідина рухаються в одному напрямку, причому пара сприяє руху рідини. Їх доцільно встановлювати в бражних колонах, які працюють на мелясній і зернокартопельній бражці. Лускаті тарілки забезпечують високу ефективність і продуктивність при роботі в струменевому режимі, коли швидкість пари в щілинах перевищує 12 м/с.

 

 

Рисунок 10.6 – Тарілки ректифікаційних колон: а – одноковпачкова одинарного кипіння; б – одноковпачкова подвійного кипіння; в – багатоковпачкова; г – сітчаста (решітчаста); д – провальна; е – клапанна; ж – луската.

 

Роботу тарілок оцінюють за пропускною здатністю по парі і рідині, за можливості розділяти робочу суміш, за діапазоном стійкої роботи, за гідравлічним опором та ін. Пропускна здатність за парою і рідиною характеризує продуктивність колон (питомий обсяг кінцевого продукту з одиниці поперечного перерізу колони).