Общая схема противоточного высолаживания
19-12-2016, 14:24
Законы диффузии. Строение клетки свеклы указывает, что сахароза находится в растворе в клеточном соке в вакуолях клеток. Эти вакуоли со всех сторон окружены тонким слоем протоплазмы. Протоплазма является полупроницаемой перегородкой: она пропускает через себя воду, но не пропускает веществ, растворенных в клеточном соке. Поэтому кусочек свеклы, сколько бы он ни лежал в воде, не отдаст сахара; сахар не высолаживается из клетки, пока цела ее протоплазма. Если же протоплазма убита, свернулась под влиянием нагревания выше 60° С или путем замораживания, то она уже не удерживает растворенных веществ и они легко диффундируют из клетки в воду. Таким образом, основным условием диффузионного процесса является нагревание стружки до температуры не менее 60°С. Для надежного достижения этого условия температура сока обычно должна быть не менее 70° С.
Фик в 1855 г. развил математическую теорию диффузии, которая оказалась совершенно аналогичной теории теплопередачи, разработанной Фурье значительно ранее. Закон диффузии, найденный Фиком, утверждает, что количество растворенного вещества 5, продиффундировавшего сквозь некоторый слой растворителя, пропорционально разности концентраций на границах этого слоя С—с, пропорционально времени т и площади слоя F и обратно пропорционально толщине слоя х, т. е. длине пути диффундирования. Следовательно,
Здесь D — коэффициент пропорциональности, который называется коэффициентом диффузии. Он показывает, сколько данного вещества продиффундирует в единицу времени через единицу площади на расстояние единицы длины при разности концентраций, равной единице (при этом, конечно, подразумевается, что за время т концентрации С и с поддерживаются каким-то образом постоянными):
Величина коэффициента диффузии D зависит от рода диффундирующего вещества и от температуры, при которой происходит диффузия. С увеличением размера частицы растворенного вещества D уменьшается; оно приблизительно обратно пропорционально радиусу диффундирующих частиц. Поэтому коллоиды и высокополимеры имеют чрезвычайно малые коэффициенты диффузии, а растворы кристаллоидов, находящихся в растворе в виде отдельных молекул, диффундируют несравненно быстрее, причем для кристаллоидов с меньшей молекулярной массой обычно коэффициент диффузии больше.
Влияние температуры на диффузию легко объясняется с точки зрения кинетической теории растворов: с повышением температуры увеличивается скорость движения молекул и, кроме того, уменьшается вязкость растворителя, вследствие чего молекулы растворенного вещества легко продвигаются при диффундировании между молекулами растворителя. Таким образом, понятна та зависимость, которую теоретически установил в 1905 г. Эйнштейн:
здесь k0 — постоянная, зависящая от размеров частиц растворенного вещества;
Т — абсолютная температура;
η — вязкость растворителя при данной температуре.
Однако за последнее время проведен ряд работ по определению коэффициента диффузии сахарозы, причем оказалось, что повышение температуры несколько больше увеличивает скорость диффузии, чем по формуле Эйнштейна. Поэтому для учета влияния температуры на диффузию будем пользоваться непосредственно последними экспериментальными данными определения коэффициента диффузии сахарозы.
Например, при 70° С скорость диффузии сахара будет больше, чем при 40° С, в 83,5/39,2 = 2,13 раза (а по формуле Эйнштейна нашли бы увеличение лишь в 2,05 раза).
Отношения коэффициентов диффузии для различных веществ при изменении температуры остаются приблизительно прежние. Большая часть несахаров диффундирует быстрее сахарозы в диффузионный сок. Только раффиноза диффундирует медленнее. Значительно медленнее идет диффузия белков (высоконолимеры), но диффузия их вообще почти не имеет значения, так как они свертываются от нагревания и большая часть их оказывается в нерастворимом состоянии в жоме.
До нагревания стружки полупроницаемые пленки живой протоплазмы исключают диффузию сахарозы. После нагревания белки протоплазмы получаются в виде отдельных сгустков, уже не мешающих диффузии. Некоторое препятствие представляют лишь клеточные стенки, которые, однако, могут только несколько замедлить диффузию кристаллоидов.
Закон Фика вполне приложим и при исследовании диффузии сахара из свекловичной стружки, но коэффициент диффузии будет несколько меньше, чем для диффузии в чистой воде без препятствий в виде клеточных стенок.
Однократное высолаживание. Если свекловичную стружку хотя бы и при температуре более 60° С 1 раз залить водой и оставить в покое до наступления равновесия, то это даст только слабый эффект диффузии: ведь диффузия происходит лишь, когда есть разность концентраций, она будет продолжаться лишь, пока вследствие диффузии концентрации сахара внутри и вне стружки не уравняются. Если объем налитой воды равен объему сока в стружке, то диффузия прекратится, когда половина сахара перейдет из стружки в воду, т. е., например, при стружке с 16% сахара в соке получим после остановки диффузии лишь слабый по концентрации сок с 16/2 = 8% сахара и останется в стружке тоже еще 8% сахара. Совсем другие, более совершенные результаты высолаживания получаются при применяемом повсюду на заводах противоточном высолаживании.
Заводские диффузионные аппараты. В них создается движение свекловичной стружки с одного конца аппарата к другому и противоточное движение высолаживающей воды сквозь массу движущейся стружки. Стружка свеклы с концентрацией сахара поступает в головную часть аппарата и движется к хвосту аппарата, отдавая сахар путем диффузии в движущуюся навстречу высолаживающую воду. Из конца аппарата уходит уже высоложенная стружка с малой концентрацией (отход, называемый жомом), а вода, двигаясь и получая сахар путем диффузии, превращается в диффузионный сок со значительной концентрацией, получаемый из головной части аппарата. Во всех частях аппарата успешно идет процесс диффузии. В хвостовой части в стружке остается очень мало сахара, но диффузия все же продолжается, так как сюда поступает вода, в которой нет сахара и, следовательно, есть еще разность концентраций C1-0 = C1. В головной части аппарата разность концентраций С2-с2, где с2 — значительно меньше С2, так как на 100 кг свеклы получают не 100 кг диффузионного сока, а несколько больше, например 120 кг (эту величину, показывающую количество диффузионного сока на 100 кг свеклы, называют «откачкой» сока). Поэтому диффузионный сок имеет меньшую концентрацию, чем сок, содержащийся в поступающей свекловичной стружке.
Эффект такого противоточного высолаживания весьма значителен, например на 100 кг свекловичной стружки с содержанием 17,5% сахара получают 120 кг диффузионного сока с содержанием около 14,3% сахара, а теряется в жоме лишь около 0,3% сахара, т. е. лишь 0,3*100/17,5 = 1,7% от сахара свеклы.
Типы диффузионных аппаратов непрерывного действия. Устройство диффузионных аппаратов непрерывного действия, работающих на сахарных заводах, разнообразно, но сущность их действия одна и та же — только что изложенное противоточное высолаживание.
Колонный диффузионный аппарат КДА. Это колонна высотой 16—17 м. Она заполнена водой, движущейся сверху вниз и превращающейся постепенно в диффузионный сок, уходящий через сито из нижней части колонны. Свекловичная стружка, смешанная с диффузионным соком, подается насосом в нижнюю часть колонны и движется при помощи лопастного шнека вверх по колонне навстречу воде, отдавая сахар в воду путем диффузии и постепенно превращаясь в обессахаренный жом, уходящий из верхней части колонны.
Наклонный диффузионный аппарат С-17, аналогичный аппарату датской конструкции (DdS), представляет собой двойной ленточный шнек длиной 26 м, поставленный наклонно (подъем 1/7) и передвигающий стружку снизу вверх, где она уже в виде жома удаляется из аппарата. Вода подается в верхнюю часть аппарата на уходящий жом и движется вниз навстречу стружке, превращаясь постепенно в диффузионный сок, уходящий из нижней части аппарата.
Ротационный диффузионный аппарат РДА — это горизонтальный цилиндр, опирающийся на ролики и вращающийся, диаметром около 5 м и длиной 27 м. Он делает 18—30 оборотов в час. Внутри аппарата нет никаких шнеков, движущихся отдельно от всего аппарата, но есть ряд прикрепленных к аппарату перегородок. Они разделяют аппарат на секции (например, на 30 секций) и устроены так, что при вращении аппарата заставляют воду и сок перемещаться в одном направлении, а стружку — навстречу.
Аппарат Олье — это французский аппарат, в котором путь стружки очень длинен (70 м) и сложен.
Аппарат J — венгерский, у которого труба значительно шире, но путь гораздо короче и проще.
Цепные аппараты. Они представляют собой трубу, через которую движется пара бесконечных цепей. К ним прикреплен ряд дырчатых перегородок на небольшом расстоянии одна от другой. Эти перегородки и проталкивают стружку по трубе навстречу движущейся высолаживающей воде.
В качестве стандартных диффузионных аппаратов в России приняты аппараты КДА (колонный) и С-17 (наклонный), ставятся также венгерские J-аппараты. Они в дальнейшем и описаны более подробно, а все прочие типы аппаратов описаны кратко. Следует заметить, что все типы аппаратов непрерывного действия были поставлены и испытаны в России в годы семилетнего плана развития народного хозяйства.
Фик в 1855 г. развил математическую теорию диффузии, которая оказалась совершенно аналогичной теории теплопередачи, разработанной Фурье значительно ранее. Закон диффузии, найденный Фиком, утверждает, что количество растворенного вещества 5, продиффундировавшего сквозь некоторый слой растворителя, пропорционально разности концентраций на границах этого слоя С—с, пропорционально времени т и площади слоя F и обратно пропорционально толщине слоя х, т. е. длине пути диффундирования. Следовательно,
S = DF*C-c/x*т
Здесь D — коэффициент пропорциональности, который называется коэффициентом диффузии. Он показывает, сколько данного вещества продиффундирует в единицу времени через единицу площади на расстояние единицы длины при разности концентраций, равной единице (при этом, конечно, подразумевается, что за время т концентрации С и с поддерживаются каким-то образом постоянными):
С — с/х можно назвать «градиентом» концентрации.
Величина коэффициента диффузии D зависит от рода диффундирующего вещества и от температуры, при которой происходит диффузия. С увеличением размера частицы растворенного вещества D уменьшается; оно приблизительно обратно пропорционально радиусу диффундирующих частиц. Поэтому коллоиды и высокополимеры имеют чрезвычайно малые коэффициенты диффузии, а растворы кристаллоидов, находящихся в растворе в виде отдельных молекул, диффундируют несравненно быстрее, причем для кристаллоидов с меньшей молекулярной массой обычно коэффициент диффузии больше.
Влияние температуры на диффузию легко объясняется с точки зрения кинетической теории растворов: с повышением температуры увеличивается скорость движения молекул и, кроме того, уменьшается вязкость растворителя, вследствие чего молекулы растворенного вещества легко продвигаются при диффундировании между молекулами растворителя. Таким образом, понятна та зависимость, которую теоретически установил в 1905 г. Эйнштейн:
D = k0T/η
здесь k0 — постоянная, зависящая от размеров частиц растворенного вещества;
Т — абсолютная температура;
η — вязкость растворителя при данной температуре.
Однако за последнее время проведен ряд работ по определению коэффициента диффузии сахарозы, причем оказалось, что повышение температуры несколько больше увеличивает скорость диффузии, чем по формуле Эйнштейна. Поэтому для учета влияния температуры на диффузию будем пользоваться непосредственно последними экспериментальными данными определения коэффициента диффузии сахарозы.
Например, при 70° С скорость диффузии сахара будет больше, чем при 40° С, в 83,5/39,2 = 2,13 раза (а по формуле Эйнштейна нашли бы увеличение лишь в 2,05 раза).
Отношения коэффициентов диффузии для различных веществ при изменении температуры остаются приблизительно прежние. Большая часть несахаров диффундирует быстрее сахарозы в диффузионный сок. Только раффиноза диффундирует медленнее. Значительно медленнее идет диффузия белков (высоконолимеры), но диффузия их вообще почти не имеет значения, так как они свертываются от нагревания и большая часть их оказывается в нерастворимом состоянии в жоме.
До нагревания стружки полупроницаемые пленки живой протоплазмы исключают диффузию сахарозы. После нагревания белки протоплазмы получаются в виде отдельных сгустков, уже не мешающих диффузии. Некоторое препятствие представляют лишь клеточные стенки, которые, однако, могут только несколько замедлить диффузию кристаллоидов.
Закон Фика вполне приложим и при исследовании диффузии сахара из свекловичной стружки, но коэффициент диффузии будет несколько меньше, чем для диффузии в чистой воде без препятствий в виде клеточных стенок.
Однократное высолаживание. Если свекловичную стружку хотя бы и при температуре более 60° С 1 раз залить водой и оставить в покое до наступления равновесия, то это даст только слабый эффект диффузии: ведь диффузия происходит лишь, когда есть разность концентраций, она будет продолжаться лишь, пока вследствие диффузии концентрации сахара внутри и вне стружки не уравняются. Если объем налитой воды равен объему сока в стружке, то диффузия прекратится, когда половина сахара перейдет из стружки в воду, т. е., например, при стружке с 16% сахара в соке получим после остановки диффузии лишь слабый по концентрации сок с 16/2 = 8% сахара и останется в стружке тоже еще 8% сахара. Совсем другие, более совершенные результаты высолаживания получаются при применяемом повсюду на заводах противоточном высолаживании.
Заводские диффузионные аппараты. В них создается движение свекловичной стружки с одного конца аппарата к другому и противоточное движение высолаживающей воды сквозь массу движущейся стружки. Стружка свеклы с концентрацией сахара поступает в головную часть аппарата и движется к хвосту аппарата, отдавая сахар путем диффузии в движущуюся навстречу высолаживающую воду. Из конца аппарата уходит уже высоложенная стружка с малой концентрацией (отход, называемый жомом), а вода, двигаясь и получая сахар путем диффузии, превращается в диффузионный сок со значительной концентрацией, получаемый из головной части аппарата. Во всех частях аппарата успешно идет процесс диффузии. В хвостовой части в стружке остается очень мало сахара, но диффузия все же продолжается, так как сюда поступает вода, в которой нет сахара и, следовательно, есть еще разность концентраций C1-0 = C1. В головной части аппарата разность концентраций С2-с2, где с2 — значительно меньше С2, так как на 100 кг свеклы получают не 100 кг диффузионного сока, а несколько больше, например 120 кг (эту величину, показывающую количество диффузионного сока на 100 кг свеклы, называют «откачкой» сока). Поэтому диффузионный сок имеет меньшую концентрацию, чем сок, содержащийся в поступающей свекловичной стружке.
Эффект такого противоточного высолаживания весьма значителен, например на 100 кг свекловичной стружки с содержанием 17,5% сахара получают 120 кг диффузионного сока с содержанием около 14,3% сахара, а теряется в жоме лишь около 0,3% сахара, т. е. лишь 0,3*100/17,5 = 1,7% от сахара свеклы.
Типы диффузионных аппаратов непрерывного действия. Устройство диффузионных аппаратов непрерывного действия, работающих на сахарных заводах, разнообразно, но сущность их действия одна и та же — только что изложенное противоточное высолаживание.
Колонный диффузионный аппарат КДА. Это колонна высотой 16—17 м. Она заполнена водой, движущейся сверху вниз и превращающейся постепенно в диффузионный сок, уходящий через сито из нижней части колонны. Свекловичная стружка, смешанная с диффузионным соком, подается насосом в нижнюю часть колонны и движется при помощи лопастного шнека вверх по колонне навстречу воде, отдавая сахар в воду путем диффузии и постепенно превращаясь в обессахаренный жом, уходящий из верхней части колонны.
Наклонный диффузионный аппарат С-17, аналогичный аппарату датской конструкции (DdS), представляет собой двойной ленточный шнек длиной 26 м, поставленный наклонно (подъем 1/7) и передвигающий стружку снизу вверх, где она уже в виде жома удаляется из аппарата. Вода подается в верхнюю часть аппарата на уходящий жом и движется вниз навстречу стружке, превращаясь постепенно в диффузионный сок, уходящий из нижней части аппарата.
Ротационный диффузионный аппарат РДА — это горизонтальный цилиндр, опирающийся на ролики и вращающийся, диаметром около 5 м и длиной 27 м. Он делает 18—30 оборотов в час. Внутри аппарата нет никаких шнеков, движущихся отдельно от всего аппарата, но есть ряд прикрепленных к аппарату перегородок. Они разделяют аппарат на секции (например, на 30 секций) и устроены так, что при вращении аппарата заставляют воду и сок перемещаться в одном направлении, а стружку — навстречу.
Аппарат Олье — это французский аппарат, в котором путь стружки очень длинен (70 м) и сложен.
Аппарат J — венгерский, у которого труба значительно шире, но путь гораздо короче и проще.
Цепные аппараты. Они представляют собой трубу, через которую движется пара бесконечных цепей. К ним прикреплен ряд дырчатых перегородок на небольшом расстоянии одна от другой. Эти перегородки и проталкивают стружку по трубе навстречу движущейся высолаживающей воде.
В качестве стандартных диффузионных аппаратов в России приняты аппараты КДА (колонный) и С-17 (наклонный), ставятся также венгерские J-аппараты. Они в дальнейшем и описаны более подробно, а все прочие типы аппаратов описаны кратко. Следует заметить, что все типы аппаратов непрерывного действия были поставлены и испытаны в России в годы семилетнего плана развития народного хозяйства.