Стадии процесса экстрагирования и их количественные характеристики

В процессе экстрагирования происходит массопередача, характеризуемая переходом одного или нескольких веществ из одной фазы (сырья) в другую (экстрагент). Массопередача из сырья с клеточной структурой - сложный процесс, в котором можно выделить три стадии:

1) «внутренняя диффузия», включающая все явления переноса веществ внутри частиц сырья;

2) перенос вещества в пределах непосредственно диффузионного пограничного слоя;

3) перенос вещества движущимся экстрагентом (конвективная диффузия).

На первой стадии экстрагирование из обезвоженного сырья с клеточной структурой начинается с проникновения экстрагента в материал, смачивания веществ, находящихся внутри клетки, растворения и десорбции их. Далее следует молекулярный перенос растворенных веществ вначале в экстрагент, находящийся в межклеточном пространстве, затем в экстрагент, заполняющий микро- и макротрещины, и наконец на поверхность кусочков материала.

Представим в виде схемы (рис. 1.1) частичку материала, находящуюся в экстрагенте, и обозначим среднюю концентрацию экстрагируемых веществ внутри частицы С₁, а на ее поверхности – С₂.

Тогда количество продиффундировавшего вещества из внутренних структур частицы на ее поверхность (первая стадия) пропорционально его коэффициенту внутренней диффузии D_вн, поверхности частицы материала F, времени τ, разности концентрации внутри частицы С₁ и на ее поверхности С₂, обратно пропорционально размеру частиц растительного сырья l и может быть записано в виде уравнения:

(1.3)

где S – количество продиффундировавшего вещества, кг;
D _вн – коэффициент внутренней диффузии, м²/с;
F – поверхность раздела фаз, м²;
l - толщина частицы материала, через которую диффундируют вещества м;
τ – время диффузии, с;
С₁,С₂ – концентрация вещества, кг/м³.

На второй стадии идет диффузия веществ от поверхности частицы, (концентрация С₂) к наружной поверхности диффузионного пограничного слоя (концентрация С₃). В настоящее время общепризнано существование на поверхности кусочков сырья пристенного слоя, экстрагента, называемого диффузионным пограничным слоем. Пограничный диффузионный слой оказывает большое сопротивление дальнейшему переносу экстрагируемых веществ в экстрагент. Толщина этого слоя зависит от гидродинамики процесса и, в основном, от скорости перемешивания экстрагента. Чем больше скорость перемешивания, тем меньше толщина пограничного слоя. В пределах диффузионного пограничного слоя перенос веществ осуществляется по закону свободной диффузии и может быть записан в виде первого закона Фика:

(1.4)

где d – толщина диффузионного пограничного слоя,м.

Далее, на третьей стадии процесса экстрагирования перенос действующих веществ осуществляется за счет движения экстрагента (конвективная диффузия). Если обозначить среднюю концентрацию экстрагента в объеме, омывающем частичку, через С₄, то количество вещества, перенесенного в экстрагент за счет конвективной диффузии, может быть вычислено из уравнения:

S = β × F × (C₃ – C₄) × τ, (1.5)

где β - коэффициент конвективной диффузии, м/с, который тем выше, чем интенсивнее перемешивание.

Обычно коэффициент конвективной диффузии β во много раз больше коэффициента молекулярной диффузии D.

Суммарный процесс переноса вещества из частицы материала в экстрагент выражается основным уравнением массопередачи:

S = K × F × (C₁ – C₄), (1.6)

где К - коэффициент массопередачи [м/с], который учитывает все величины, являющиеся количественными характеристиками трех стадий процесса экстракции и определяется из уравнения:

(1.7)

Анализ уравнений (1.1 - 1.7) показывает, что процесс экстрагирования зависит от многих факторов, основные из которых: гидродинамические условия, поверхность раздела фаз, разность концентраций, продолжительность процесса, вязкость экстрагента, температура. Кроме того, на полноту и скорость извлечения влияют: добавка поверхностно-активных веществ, характер загрузки сырья, выбор экстрагента, пористость и порозность сырья, коэффициент вымывания, воздействие вибраций, пульсаций, электроимпульсный разряд в жидкой среде, измельчение и деформация сырья в экстрагенте. Рассмотрим влияние каждого из этих факторов.