4.6.7. Екстрагування

Екстрагуванням називають вилучення з твердої або рідкої складної речовини одного чи кількох її компонентів за допомо­гою розчинника з вибірковою розчинністю. Під вибірковою роз­чинністю розуміють здатність рідини розчиняти лише той компо­нент (компоненти), які треба добути.

У процесі екстракції, як і в інших масообмінних процесах, бе­руть участь три речовини (дві розподіляючі і третя розподіляєма):

200

перша, з якої добувають цільовий компонент;

друга (розчинник), за допомогою якої добувають цільовий компонент (компоненти), так званий екстрагент;

третя, яка переходить з одної фази в другу, так звана екстра­гована речовина.

Апарат, в якому відбувається екстракція, називають екстрак­тором.

Залежно від фазового стану першої розподільної речовини процес поділяють на: екстракцію в системі "тверде тіло — ріди­на", коли ця перша розподільна речовина тверде тіло, і екст­ракцію в системі "рідина — рідина", коли вона рідка.

У технології мають місце обидва види екстракції, проте знач­ного поширення набула екстракція в системі "тверде тіло — ріди­на". В ряді виробництв екстракція є одним з основних техно­логічних процесів. Це добування цукру з буряків, олії з насіння со­няшників, бавовнику, сої, ефірної олії, екстрагування ферментів з культур плісеневих грибів. Важливу роль процес екстракції в сис­темі тверде тіло — рідина відіграє у виробництві вина, пива, крох­малю, лікеро-горілчаних виробів, розчинної кави і чаю.

Рідинну екстракцію застосовують у виробництвах, пов'яза­них з одержанням спирту, вина, олії, бензолу, ацетону, оцтової кислоти, тощо. У найзагальнішому вигляді процес екстракції складається з чотирьох стадій:

1) проникнення розчинника в шпари частинок рослинної си­ровини;

2) розчинення цільового компонента (компонентів);

3) перенесення екстрагованої речовини всередині частинки сировини до поверхні поділу фаз;

4) перенесення екстрагованої речовини в рідкій фазі від по­верхні поділу фаз і розподіл її у всій масі екстрагенту.

Під час екстрагування розчинних речовин з тканини сирови­ни звичайно не всі чотири стадії мають місце або не всі відігра­ють істотну роль. Наприклад, у найпотужнішому харчовому ви­робництві — цукробуряковому — екстракція відбувається з рос­линної тканини, у якій екстрагована речовина перебуває у рідкій фазі, тобто в розчиненому вже стані. Екстракція у більшості інших виробництв, які за обсягом перероблюваного матеріалу значно менші цукробурякового, хоча і має усі чотири зазначені раніше стадії процесу, проте тривалість перших двох стадій не­значна порівняно з тривалістю двох останніх. Як правило, у роз-

201

рахунках екстракції дві перші стадії процесу або зовсім не беруть до уваги, або легко їх враховують, вводячи поправки до кінетич­них коефіцієнтів на початковій стадії процесу.

Швидкість екстракції, як і будь-якого іншого процесу техно­логії, прямо пропорційна рушійній силі і обернено пропорційна опору. Рушійна сила і характер її зміни під час екстракції зале­жать від типу відносного руху частинок та екстрагенту (виду про­цесу): прямотечії, протитечії і т. д., а також від співвідношення витрати мас екстрагенту L і твердих частинок G

, ( 4.52)

Де q— співвідношення витрат мас або гідромодуль, % (або

відносні одиниці);

L — витрата екстрагенту, кг/с;

G — витрата твердих частинок, кг/с.

Дифузійний опір складається з опорів на основних стадіях процесу: перенесенню речовини в частинці і рідині, що її оточує. Швидкість перенесення речовини крізь будь-який елемент по­верхні у будь-якому перетині або на поверхні частинки підляга­тиме закону Фіка

( 4.53)

Це рівняння дає можливість у першому наближенні оцінюва­ти вплив основних факторів на швидкість процесу перенесення речовини до поверхні поділу фаз.

Якщо розглядати певну масу частинок з поверхнею F, то кіль­кість речовини, перенесеної до цієї поверхні протягом одиниці часу

( 4.54)

буде тим більшою, чим більший коефіцієнт дифузії D і відносна поверхня даної маси частинок.

Коефіцієнт дифузії залежить від температури, концентрації, структури матеріалу, фізичних властивостей екстрагованого ма­теріалу і розчинника. З підвищенням температури коефіцієнт ди­фузії зростає. Зменшення розміру частинок сприятиме зменшен­ню внутрішнього дифузійного опору.

Апарати для екстрагування з твердих тіл. У промисловості застосовують різноманітні типи екстракторів. Класифікують їх

202

за різними ознаками. За режимом роботи їх поділяють на напів-безперервні і безперервні; за видом процесу на протитечійні, із замкнутим періодичним процесом, з комбінованим процесом; за видом циркуляції на екстрактори з одноразовим проходженням фаз і рециркуляцією екстрагенту; за конструкцією на колонні, ро­таційні, стрічкові, ковшові, двошнекові нахилені, з киплячим ша­ром, батарейні.

Колонні екстракційні апарати. Процес у них відбувається протитечійно і безперервно, вся маса частинок постійно перебу­ває у рідкій фазі. Ці апарати займають малі площі, мають незнач­ну металоємність (весь внутрішній простір корисно використо­вується). Залежно від кількості колон апарати бувають одноко-лонні і багатоколонні, за положенням головного корпуса (кор­пусів) вертикальні і горизонтальні, за видом транспортного орга­на — лопатеві, шнекові і ланцюгові. В одноколонному апараті лопаті гвинтоподібно розміщені на вертикальному порожнисто­му валу, а контрлопаті закріплені на корпусі між лопатями і за­побігають обертанню маси твердих частинок разом з валом. За такої конструкції транспортного органа виникає певна рецирку­ляція рідини і твердих частинок, що порушує протитечію. Склад­ною лишається система надходження твердих частинок в апарат (нагнітання збагаченої рідиною суміші твердих частинок). Має місце значне подрібнення твердих частинок під час транспорту­вання, що погіршує гідродинамічні умови процесу. Не можна підводити тепло до певних ділянок апарата.

У багатоколонних апаратах з шнековим транспортним орга­ном може виникати закручування маси твердих частинок разом з обертовим органом, що утруднює їх транспортування в апараті. Має місце також підвищене дробіння частинок під час переходу їх з однієї колони в іншу та рециркуляція рідини.

В апаратах з ланцюговим транспортним органом тверді час­тинки невеличкими шарами лежать на сітках і в такий спосіб створюються найкращі умови для протитечії, крім того, тверді частинки не руйнуються. Легко встановити потрібний темпера­турний режим в апараті. Проте такі апарати складні в експлуа­тації, займають значно більший об'єм і площу приміщень, ніж одноколонні. Після переходу з однієї колони в іншу рівномір­ність розміщення шару частинок на сітці порушується, що яко­юсь мірою порушує гідродинамічний режим взаємодії рідкої і твердої фаз.

203

Ротаційні апарати (рис. 4.37). Корпус апарата обертається на котках. Внутрішня порожнина по всій його довжині поділена по діаметру сітковою перегородкою 2 (рис. 4.37). На внутрішній по­верхні корпуса змонтовані гвинтові перегородки 1, що не доходять до центра апарата, де є нахилені перегородки 4, що з'єднують між собою гвинтові. Апарат заповнюють сумішшю твердих частинок і рідини лише до рівня похилих перегородок (приблизно 1/4... 1/3 об'є­му). Під час обертання барабана екстрагент, що перебуває завжди у нижній частині апарата між суцільними гвинтовими витками, пе­реміщується вздовж апарата, а тверді частинки захоплюються сітко­вими перегородками, відокремлюються на них від рідини і після

204

певного кута повороту барабана завдяки нахиленим перегородкам сповзають у порожнину між сусідніми витками і в такий спосіб пе­реміщуються в апараті в протилежному руху рідини напрямі.

Процес екстракції у кожному проміжку між витками (камері) відбувається прямотечійно, а перехід між камерами здійснюється за принципом протитечії, тобто має місце змішаний процес. Транс­портна система апарата проста, тверді частинки не деформуються.