Использование процесса растворения в промышленности

• Введение
• 1. Основные определения и понятия
• 2. Теоретические закономерности процесса растворения
• 3. Способы реализации процесса растворения, аппараты для реализации процесса растворения
• 3.1 Способы растворения
• 3.2 Классификация аппаратов
• 3.3 Аппараты для растворения
• Заключение
• Список использованных источников

Растворение — физико-химический процесс, протекающий между твердой и жидкой фазами и характеризующийся переходами твердого вещества в раствор. Растворенным веществом считается тот из компонентов, который при обычных условиях находится в агрегатном состоянии, отличном от агрегатного состояния растворителя.

В пищевой промышленности растворение — самый распространенный способ обработки сырья, полупродуктов, получения готовой продукции. В заводских условиях, а также в крупных аптечных учреждениях этим способом получают различные водные, спиртоводные, масляные растворы кристаллических веществ, растворы сухих и густых экстрактов, спирты, ароматные воды, растворы коллоидов, других высокомолекулярных соединений (ВМС).

Цель данной курсовой работы — изучить процесс растворения.

Структура курсовой работы включает в себя введение, три главы, заключение, список использованных источников.

Введение

содержит актуальность данной темы, где и для чего используется процесс растворения, структуру работы, информационную базу.

В первой главе содержатся основные определения и понятия процесса растворения.

Во второй главе представлена теоретическая закономерность процесса растворения..

В третьей главе рассмотрены способы реализации процесса, аппараты для реализации процесса измельчения.

Для написания данной курсовой работы были изучены учебные издания, в которых наиболее полно изложен материал по процессу растворения, специальная литература.

1. Основные определения и понятия.

Растворение — образование однородного раствора из твердой и жидкой фаз. Непосредственный результат растворения заключается в получении раствора, т. е. гомогенной смеси двух и более веществ. Обычно взаимодействие растворителя с полностью растворяющейся твердой фазой происходит на поверхности частиц, в ряде случав это взаимодействие может затрагивать пористую структуру внутри частиц. Можно выделить два основных класса реакций растворения:

1. Обратимое растворение;

2. Необратимое растворение.

Обратимое растворение сводится к образованию сольватов на поверхности реагирующей твердой фазы и переносу их в раствор. Обратимость этого процесса заключается в том, что полученный раствор можно кристаллизацией разделить на исходные реагенты. Примером такого процесса является растворение ионных кристаллов в воде с образованием пересыщенных растворов и их кристаллизация.

Необратимое растворение можно по типу реакций разбить на 3 подгруппы:

а) реакции, сводящиеся к образованию сольватов на поверхности и последующему переносу их в раствор. По своему типу эти реакции могут быть сходными с теми, которые наблюдаются при обратимом растворении. Однако полученный раствор уже нельзя кристаллизацией разделить на исходные компоненты. Примером таких реакций может служить растворение смешанных кристаллов, состоящих из ионных молекул, либо стекол в полярных и неполярных жидкостях;

б) окислительно-восстановительные реакции, приводящие к образованию сольватированных ионов и продуктов восстановления окислителя. К такого рода реакциям относятся взаимодействие металлов или их сплавов с окислителями или комплексообразователями в водных растворах;

в) реакции присоединения, замещения, нейтрализации. К этой подгруппе относятся реакции взаимодействия молекулярных и ионных кристаллов с полярными и неполярными жидкостями, приводящие к образованию сольватированных молекул и ионов.

Все эти реакции объединяет общее для гетерогенных процессов свойство: реакции растворения всегда включают в себя несколько стадий Плаксин Ю. М., Малахов Н. Н., Ларин В. А., Процессы и аппараты пищевых производств. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: КолосС, 2008. — 760 с.: ил. — (Учебники и учеб. пособия для студентов высш. учеб. заведений)., с. 638:

· перенос растворителя к поверхности кристалла;

· химическая межфазная реакция на поверхности кристаллов;

· отвод продукта растворения от поверхности реакции.

Суммарная скорость процесса растворения определяется скоростями отдельных стадий. Если скорость одной из стадий процесса существенно меньше, чем скорость других, суммарная скорость процесса будет определяться скоростью именно этой наиболее медленной стадии. В том случае, когда медленной (лимитирующей) стадией является химическое взаимодействие, концентрация реагирующего вещества у поверхности совпадает с концентрацией в объеме, а наблюдаемая скорость реакции зависит от внешних параметров (т.е. от температуры и концентрации) точно также, как и истинная скорость реакции на поверхности. Такую предельную область гетерогенного процесса принято называть кинетической.

Если же медленной стадией процесса является подвод реагентов к поверхности или отвод продуктов реакции от поверхности, то скорость процесса определяется скоростью диффузии, и макроскопическая кинетика реакции не имеет ничего общего с истинной кинетикой на поверхности. Эту предельную область гетерогенного процесса называют диффузионной.

В наиболее сложном случае совместного влияния факторов процесс называют диффузионно-кинетическим.

2. Теоретические закономерности процесса растворения.

С точки зрения химии растворение — процесс, включающий химическую реакцию между растворителем и растворенным веществом, завершающийся образованием соединений растворенных ионов (молекул) с молекулами растворителя. Эта реакция характеризуется порядком реакции, связывающим плотность потока растворяемого вещества j [кг/ (м²*с)] с концентрацией его насыщенного раствора С_нас [кг/м³] феноменологическим соотношением Плаксин Ю. М., Малахов Н. Н., Ларин В. А., Процессы и аппараты пищевых производств. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: КолосС, 2008. — 760 с.: ил. — (Учебники и учеб. пособия для студентов высш. учеб. заведений)., с. 638.

(1).

где К — константа. Поток растворяемого вещества должен равняться диффузионному потоку от этой же поверхности:

(2).

где — коэффициент скорости растворения (коэффициент массоотдачи), м/с.

Выделим вблизи поверхности кристалла слой с промежуточной концентрацией С < С₁ < С_нас, определяющей процессы непосредственно на твердой поверхности. Тогда.

(3).

Вблизи поверхности кристалла движущая сила (С_н — С₁) и массовый поток вещества (кг/с) окажутся связанными выражением.

(4).

где F — площадь поверхности, м²;

— постоянная, м/с.

Этот же поток, определяемый через процесс диффузии вдали от поверхности кристалла, определяется зависимостью Плаксин Ю. М., Малахов Н. Н., Ларин В. А., Процессы и аппараты пищевых производств. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: КолосС, 2008. — 760 с.: ил. — (Учебники и учеб. пособия для студентов высш. учеб. заведений)., с. 638.

(5) (6).

где — градиент концентраций.

Из условия неразрывности массовых потоков найдем:

(7) (8).

где — кинетическое сопротивление, с/м;

— диффузионное сопротивление, с/м;

D — коэффициент диффузии, м²/с;

— общее сопротивление массопередаче, с/м.

Из найденных выражений следует, что.

(9).

Общее сопротивление массопередаче находят из эмпирических критериальных уравнений, связывающих диффузионные критерии Нуссельта и Прандтля с критерием Рейнольдса:

(10).

где А, m, n — постоянные.

В практических расчетах растворения пользуются обобщенными формулами, аппроксимирующими экспериментальные зависимости доли нерастворившегося вещества от безразмерного времени где — время полного растворения всех частиц.

Эту долю называют кинетической фракцией, которая в большинстве случаев не зависит от концентрации растворенного вещества и температуры, а также от гидродинамических условий растворения (частоты вращения и размера мешалки, размеров и формы ректора и др.). эти параметры сказываются на полном времени растворения, но не на виде функции (x). Имеется лишь некоторая зависимость от дисперсности кристаллов. Аналитические выражения для (x) имеет следующий вид: Плаксин Ю. М., Малахов Н. Н., Ларин В. А., Процессы и аппараты пищевых производств. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: КолосС, 2008. — 760 с.: ил. — (Учебники и учеб. пособия для студентов высш. учеб. заведений)., с. 638.

(x) = (1-x) ³ — для монодисперсного продукта с одинаковым радиусом кристаллов r₀;

(x) = (1-x) ⁴ — при равномерном распределении частиц по радиусам в пределах r₀ = 0… r_max;

(x) = (1-x) ⁵ — при линейном уменьшении числа крупных частиц в продукте.

3. Способы реализации процесса растворения, аппараты для реализации процесса растворения.

3.1 Способы растворения.

В пищевой промышленности применяются следующие основные способы растворения:

· периодический процесс;

· прямоточный и противоточный процессы;

· процесс в неподвижном слое.

Периодический процесс проводят в аппаратах с механическим или пневматическим перемешиванием. Пневматическое перемешивание позволяет в случае необходимости использовать перемешивающий агент (воздух) в качестве окислителя. При достаточно интенсивном перемешивании твердые частицы быстро движутся с изменяющейся по направлению и величине скоростью, то отставая от потока омывающей их жидкости, то опережая его. В этих условиях возникает переменная во времени скорость обтекания, обусловленная инерцией твердых частиц. При таком инерционном режиме создаются благоприятные условия для ускорения процесса растворения, несмотря на то что движущая сила процесса снижается по мере приближения системы к состоянию равновесия Дытнерский Ю. И. Процессы и аппараты химической технологии: Учебник для вузов. Изд. 2-е. В 2-х кн. Часть 2. Массообменные процессы и аппараты. М.: Химия, 1995. — 368 с.: ил. .

При слабом перемешивании твердые частицы находятся в жидкости во взвешенном состоянии, т. е. в течение довольно длительного времени движутся поочередно в восходящем и нисходящем потоках жидкости. При этом вся их поверхность омывается жидкостью, но скорость обтекания в данном случае определяется силой тяжести частиц и уступает по величине соответствующим скоростям при инерционном режиме.

Прямоточный и противоточный процессы, проводимые в аппаратах непрерывного действия, широко распространены. В принципе, растворение можно проводить непрерывно в аппарате с мешалкой путем непрерывного подвода в аппарат твердой и жидкой фаз и отвода их из него. Однако осуществление непрерывного процесса таким способом неизбежно приведет к падению его интенсивности из — за того, что поступающий в обработку твердый материал будет взаимодействовать с раствором, концентрация которого в аппарате вследствие интенсивного перемешивания близка к концентрации насыщения. Это вызовет значительное снижение движущей силы процесса и, соответственно, скорости экстракции по сравнению со средней скоростью (за одну операцию) в периодическом процессе, где аналогичные условия создаются только на конечной его стадии. Кроме того, в одиночном аппарате возможен проскок некоторой части твердых частиц, в результате чего время пребывания может оказаться недостаточным для достижения высокой степени извлечения вещества.

В связи с этим растворение проводят в каскаде последовательно соединенных аппаратов с мешалками, через которые пульпа движется самотеком (рис.1). При работе по такой прямоточной схеме движущая сила процесса постепенно снижается от ступени к ступени, но не в такой степени, как в одном аппарате с мешалкой, где со свежим растворителем смешивается конечный концентрированный раствор. При числе ступеней, обычно не превышающем 3−6, в таких установках достигается достаточно высокая степень извлечения Дытнерский Ю. И. Процессы и аппараты химической технологии: Учебник для вузов. Изд. 2-е. В 2-х кн. Часть 2. Массообменные процессы и аппараты. М.: Химия, 1995. — 368 с.: ил. .

Более эффективным является проведение непрерывных процессов по принципу противотока. При движении твердых частиц навстречу потоку жидкости в батарее аппаратов на конце установки, где вводится свежий растворитель, последний взаимодействует с проэкстрагированным в значительной степени материалом, и на другом ее конце исходный твердый материал обрабатывается концентрированным раствором. При этом достигается более равномерная работа аппаратов: на том конце установки, где вводят растворитель, удается повысить степень извлечения из глубины пор твердого материала, а на противоположном конце — эффективно использовать концентрированный раствор для экстракции с поверхности кусков (зерен) твердого материала. В итоге повышается концентрация раствора, уменьшается расход растворителя и увеличивается производительность аппаратуры.

Рисунок 1 — Каскад последовательно соединенных аппаратов (1) с мешалками (2) при прямотоке.

В противоточных аппаратах мелкие частицы увлекаются жидкостью в направлении, противоположном движению твердой фазы. В связи с этим два прямоточных аппарата могут быть соединены так, чтобы установка в целом работала по принципу противотока Дытнерский Ю. И. Процессы и аппараты химической технологии: Учебник для вузов. Изд. 2-е. В 2-х кн. Часть 2. Массообменные процессы и аппараты. М.: Химия, 1995. — 368 с.: ил. .

растворение пищевая промышленность аппарат.

3.2 Классификация аппаратов.

В соответствии с организационно-технической структурой процесса различают аппараты для растворения периодического и непрерывного действия.

Аппараты непрерывного действия компактнее периодических, требуют меньших капитальных затрат и эксплуатационных расходов. В зависимости от характера движения твердой и жидкой фаз их делят на аппараты полного смешения, полного вытеснения и аппараты промежуточного типа.

В аппаратах полного вытеснения, к которым могут относиться аппараты с неподвижным слоем растворяемого материала, концентрация растворенного вещества в жидкости меняется по высоте (длине) аппарата h от начальной С_н до конечной С_к. при этом в процессе движения жидкие объемы не смешиваются один с другим Г. А. Аксельруд, А. Д. Молчанов. Растоврение твердых веществ.М., «Химия», 1977 (серия «Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии»). (Глава IV. Аппараты для растворения) .

В аппаратах полного смешения, к которым могут принадлежать аппараты с перемешивающими устройствами, объемы жидкости идеально перемешиваются, поэтому концентрация раствора в аппарате постоянна и равна С_к. в аппаратах промежуточного типа не достигается ни полное вытеснение, ни полное смешение. Соответственно этому концентрация раствора изменяется от С_н до С_к. Наибольшая величина движущей силы (разности концентраций) соответствует аппаратам полного вытеснения, наименьшая — аппаратам полного смешения. Движущую силу в аппаратах полного смешения можно значительно увеличить, если разделить рабочий объем аппарата на ряд секций. С увеличением числа секций величина движущей силы приближается к ее значению в аппаратах полного вытеснения. Практически при 8 — 12 секциях движущие силы в аппаратах обоих типов становятся одинаковыми. Секционирование приводит также к более равномерному распределению твердого материала по времени пребывания в аппарате.

3.3 Аппараты для растворения.

В данной курсовой работе рассмотрим аппараты периодического действия с перемешиванием.

Различные конструкции аппаратов с перемешивающими устройствами оценивают по интенсивности и эффективности перемешивания.

Интенсивность перемешивания определяется временем достижения конкретного технологического результата при постоянном числе оборотов мешалки или числом оборотов, необходимых для достижения этого результата при данной продолжительности перемешивания. Более интенсивными являются такие конструкции, которые обеспечивают получение технологического результата за более короткое время или при меньшем числе оборотов.

Недостатком такою критерия интенсивности является невозможность распространения результатов, полученных при изучении одних процессов, на другие.

Эффективность перемешивания определяется затратами энергии на получение данного технологического результата. Чем меньше затраты, тем эффективнее аппарат. Однако достаточно надежные экспериментальные данные об интенсивности и эффективности перемешивающих устройств для процесса растворения отсутствуют.

Практика использования различных конструкций перемешивающих устройств показала, что для невязких сред можно успешно использовать лопастные, пропеллерные и турбинные мешалки.

При вращении лопастей таких мешалок на поверхности жидкости образуется воронка, глубина которой h_а определяется диаметром мешалки и частотой ее вращения Г. А. Аксельруд, А. Д. Молчанов. Растоврение твердых веществ.М., «Химия», 1977 (серия «Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии»). (Глава IV. Аппараты для растворения) :

(11).

где Re_ц — центробежный критерий Рейнольдса; Fг_ц= n²d_м/g — центробежный критерий Фруда; d — диаметр сосуда; d_м — диаметр мешалки;

h — высота лопасти мешалки; n — частота вращения мешалки.

Значения коэффициентов и показателей степени для некоторых типов мешалок приведены в табл.1 Г. А. Аксельруд, А. Д. Молчанов. Растоврение твердых веществ.М., «Химия», 1977 (серия «Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии»). (Глава IV. Аппараты для растворения) .

Таблица 1 - Коэффициенты и показатели степени уравнения.

Нормальная работа мешалки соответствует условиям, при которых глубина воронки меньше глубины расположения лопастей мешалки. Для исключения образования воронки у стенок аппаратов с быстроходными мешалками устанавливают радиальные отражательные перегородки шириной В=0,1d_с.

Равномерность распределения твердых частиц в сосуде возрастает по мере опускания мешалки под уровень жидкости и достигает максимума, когда расстояние мешалки от днища сосуда h_м составляет (0,1 — 0,3) d_м для лопастных и (0,5 — 1) d_м для пропеллерных и турбинных.

К числу первых перемешивающих устройств, примененных в промышленной практике, относятся лопастные мешалки (рис. 2, а), отличающиеся простотой и низкой стоимостью изготовления. Как правило, они имеют две лопатки (лопасти), плоскость которых перпендикулярна плоскости днища (прямые лопатки) или расположена под углом (наклонные лопатки). В последнем случае интенсивность перемешивания значительно выше. Такие мешалки создают главным образом окружную циркуляцию жидкости при незначительной радиальноосевой циркуляции. Лопастные мешалки с высокими лопастями (высота лопасти составляет 0,8−1,2 диаметра, ометаемого лопастями) называют листовыми. Хотя такие мешалки используют для процессов растворения при окружных скоростях 1,5−4 м/с, они, однако, отличаются низкой интенсивностью перемешивания.

Рисунок 2 — Схемы растворителей с лопастной (а), пропеллерной (б) и турбинной (в) мешалками:

1 — сосуд; 2 — вал; 3 — мешалка; 4 — отражательная перегородка Совершенствование лопастных мешалок привело к разработке и широкому применению пропеллерных и турбинных мешалок.

Пропеллерные мешалки, выполненные в вида корабельного винта (рис. 2, б), создают в аппарате интенсивную циркуляцию среды, что обусловлено возникновением насосного эффекта. Они отличаются от мешалок других типов низким расходом энергии. Частота вращения вала составляет n = 2−30 об/с (для жидкостей малой вязкости n 30 об/с, для сред вязкостью 0,05−0,2 Па*с величина n 20 об/с, для сред вязкостью более 0,2 Па*с величина п 7 об/с). Преимуществом таких мешалок является возможность муфтового соединения вала мешалки с валом электродвигателя. Для небольших объемов пропеллер изготавливают упрощенным способом, выгибая лопасти из листовой стали. Для исключения образования воронки кроме отражательных перегородок эксцентрично располагают вал мешалки или устанавливают его под некоторым углом к оси аппарата. В некоторых случаях для усиления осевой циркуляции пропеллер помещают в диффузор (циркуляционную трубу).

Рисунок 3 — Растворитель с многоагрегатной (а) и прецессирующей (б) мешалкой:

1 — сосуд; 2 — крышка; 3 — привод; 4 — вал; 5 — мешалка.

Турбинные мешалки (рис. 2, в) представляют собой один или два диска с укрепленными на них лопатками. Если лопатки заключены между дисками наподобие колеса центробежного насоса, то такая мешалка называется закрытой турбинной. Наиболее простыми и достаточно эффективными являются мешалки с прямыми лопатками, расположенными радиально в плоскости, перпендикулярной плоскости днища. Мешалки с изогнутыми лопатками потребляют меньшую мощность.

Обстоятельные рекомендации по расчету и конструированию узлов и деталей упомянутых перемешивающих устройств содержатся в монографии Ф. Стренка.

Если объем сосуда превышает 20 м³, то для обеспечения равномерности перемешивания применяют многоагрегатные (рис. 3, а) или прецессирующие (рис. 3, б) мешалки. Вал прецессирующей мешалки соединен с валом привода шарнирной муфтой, подобной шарниру Гука от карданного вала автомобиля. При вращении вокруг собственной оси с угловой скоростью w_с вал мешалки отклоняется от вертикали и движется по образующей конуса (процессирует) с некоторой угловой скоростью w_п.

Таким образом, при небольших размерах рабочего органа (d_м/d_с=1/6−1/8) удается осуществить достаточно равномерное перемешивание в сосудах с оптимальным отношением габаритных размеров, когда диаметр сосуда равен его высоте. Кроме того, исключаются недолговечные концевые подшипники вала мешалки, увеличиваются примерно в четыре раза критические скорости колебаний вала (что позволяет снизить более чем в два раза диаметр жестких консольных валов), уменьшаются мощность, габариты и масса привода, увеличивается долговечность работы мотор — редуктора, так как его тихоходный вал почти полностью освобождается от неуравновешенных нагрузок гидродинамического происхождения.

Эти преимущества в конечном итоге позволяют значительно снизить расходы на изготовление, эксплуатацию и ремонт по сравнению с расходами на аппараты, в которых используются многоагрегатные механические мешалки.

При необходимости равномерного интенсивного перемешивания, когда мощность и масса привода существенно возрастают, используют аппараты с горизонтальным расположением одного или нескольких валов с лопастями.

На рис. 4 приведен общий вид такого аппарата. Он представляет собой сварной горизонтальный цилиндрический сосуд с эллиптическими днищами и рубашкой для охлаждения.

Рисунок 4 — Трехвальный горизонтальный растворитель емкостью 10 м³ для приготовления медноаммиачного раствора из разрыхленной целлюлозы:

1 — привод; 2 — горизонтальный сосуд с рубашкой; 3 — люк-лаз; 4 — вал Внутри сосуда расположены три горизонтальных вала с лопастными мешалками.

Для таких же условий растворения при ограниченной производственной площади применяют циркуляционные растворители с песковым насосом (рис.5). Суспензия насосом подается в резервуар по тангенциально смонтированному напорному трубопроводу 4, поэтому она вращается вокруг оси резервуара. Недостатки циркуляционного растворителя — трудность подбора и ненадежность работы запорного устройства для суспензий, особенно при получении растворов, близких к насыщению, когда возможна кристаллизация и закупорка запорного устройства.

При растворении концентратов, содержащих цветные металлы, в агрессивных кислых растворах целесообразно использовать для перемешивания сжатый воздух. Аппарат для растворения с пневматическим перемешиванием (пачук) представляет собой (рис.6) вертикальный сосуд с коническим днищем и центральной эрлифтной трубой 2, нижний конец которой находится на расстоянии 0,2 — 0,5 м от днища, а верхний — на уровне зеркала или на 0,5−0,2 м выше него.

Рисунок 5 — Циркуляционный растворитель с Песковым насосом:

1 —. сосуд; 2 — запорное устройство; 3 — насос; 4 — напорный трубопровод.

Рисунок 6 — Аппарат для пневматического перемешивания с внутренним циркуляционным контуром (пачук):

1 — сосуд; 2 — эрлифтная труба; 3 — труба для подвода воздуха Снизу в эрлифтную трубу подается сжатый воздух под Давлением 0,3−0,5 МПа (3−5 кгс/см²), которым при его расходе около 11 м³/ч на 1 м³ суспензии она хорошо перемешивается. После включения эрлифта аппарат загружают суспензией через штуцер в крышке. После окончания растворения суспензию выгружают через штуцер в днище аппарата Г. А. Аксельруд, А. Д. Молчанов. Растворение твердых веществ. М., «Химия», 1977 (серия «Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии»). (Глава IV. Аппараты для растворения). Когда необходимо растворять твердую фазу, поверхность которой экранирована твердыми продуктами реакции или примесями, используют аппарат с внешним циркуляционным контуром (Рис.7). В верхней части корпуса аппарата смонтирован Колосниковый грохот 7. Твердый материал, подлежащий растворению, после заполнения аппарата растворяющей жидкостью (через штуцер 1) и пуска эрлифта 4 загружают через тот же штуцер 1. Совершая циркуляцию, суспензия ударяется о колосники, в результате чего разрушаются экранирующие оболочки твердых частиц. Таким образом, в течение всего времени растворения твердые частицы контактируют с растворителем. После окончания растворения эрлифт отключают и суспензию выпускают через клапан 6 в промежуточный сосуд.

Рисунок 7 — Аппарат для пневматического перемешивания с внешним циркуляционным контуром: 1 — загрузочный штуцер; 2 — вытяжная труба; 3 — корпус; 4 — эрлифт; 5 — воздушная труба; 6 — клапан разгрузочный; 7 — грохот колосниковый Для растворения дисперсной твердой фазы в высоковязких и неньютоновских жидкостях применяют аппараты с якорными, рамными, ленточными и шнековыми мешалками, обеспечивающими механическое воздействие па среду в аксиальном и радиальном направлениях во всем объеме аппарата.

Рисунок 8 — Эмалированный аппарат с якорной мешалкой:

1 — привод; г — крышка; 8 — сосуд; 4 — рубашка; 5 — труба для гильзы термометра; 6 — мешалка; 7 — разгрузочный вентиль; 8 и 9 — штуцеры для ввода и вывода теплоносителя; 10 — люк; 11 — смотровое окно На рис. 8 показан эмалированный аппарат с якорной мешалкой. Он состоит из сосуда 3 с рубашкой 4 и крышки 2, на которой установлен привод 1 мешалки 6. Крышка снабжена люком 10 со смотровым окном 11, трубой 5 для гильзы термометра, сальниковым уплотнением вала мешалки и несколькими технологическими штуцерами для ввода растворяющей жидкости и твердого материала (на рисунке не показаны). Крышка соединена с корпусом сосуда свободными фланцами, сжимающими прокладку между отбортовкой крышки и сосуда болтовыми зажимами. Для обеспечения заданной температуры в сосуде в рубашку через штуцеры 8 и 9 вводят и выводят пар, горячую или холодную воду. Аппарат разгружают через вентиль 7 в днище сосуда.

Якорные мешалки пригодны для перемешивания сред вязкостью 1 Па*с (10³ сП), а рамные — для сред вязкостью 100 Па*с (10⁵ сП). В случае перемешивания очень вязких сред якорную мешалку снабжают дополнительными поперечными или вертикальными элементами: получается рамная мешалка.

Шнековые мешалки (рис. 9, а), называемые также винтовыми, работают по принципу пропеллерных, но при меньших числах оборотов (Rе_ц < 30). Они пригодны для перемешивания неньютоновских, высоковязких (до 100 Па*с) сред и паст в сравнительно небольших объемах. Предпочтительна их работа в сосуде с перегородками или с циркуляционной трубой.

Для очень вязких жидкостей и сосудов больших объемов применяют ленточные мешалки (рис. 9, б) при Rе_ц < 80. Если растворение ведут при повышенных температурах, то для очистки поверхности теплообмена и увеличения коэффициента теплоотдачи применяют ленточные мешалки со скребками (рис. 9, в). Они могут работать как в вертикальных, так и горизонтальных сосудах при Rе_ц < 300. В вертикальных сосудах ленточные и шнековые мешалки создают циркуляционный контур с восходящим потоком по оси сосуда и нисходящим у стенок, поэтому их можно Успешно использовать для процессов растворения в жидкостях, вязкость которых изменяется в широких пределах.

Рисунок 9 — Схемы растворителей со шнековой (а), ленточной (б), ленточной со скребками (в) мешалками:

1 — сосуд; 2 — вал; 3 — мешалка Для растворения небольших количеств твердого материала применяют аппараты с ленточной мешалкой в виде двух роторов z-образной формы, вращающихся в противоположных направлениях и с разным числом оборотов. Один из таких аппаратов (рис.10) представляет собой корытообразный сосуд 2 с торцовыми стенками 1 и выпуклой откидной крышкой 3. В корпусе вращаются два z-образных ротора 4. Рабочий объем аппарата снабжен предохранительным устройством — взрывной мембраной 8. Для опрокидывания аппарата при выгрузке раствора предусмотрена гидросистема, включающая в себя маслостанцию 5 и гидроцилиндр 7 Г. А. Аксельруд, А. Д. Молчанов. Растоврение твердых веществ.М., «Химия», 1977 (серия «Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии»). (Глава IV. Аппараты для растворения) .

Рисунок 10 — Растворитель для получения вязких растворов:

1 — торцовая стенка; 2 — корпус; 3 — откидная крышка; 4 — ротор; 5 — маслостанция, 6 — станина; 7 — гидроцилиндр; 8 — взрывная мембрана.

Заключение.

Растворение — образование однородного раствора из твердой и жидкой фаз. Непосредственный результат растворения заключается в получении раствора, т. е. гомогенной смеси двух и более веществ. Обычно взаимодействие растворителя с полностью растворяющейся твердой фазой происходит на поверхности частиц, в ряде случав это взаимодействие может затрагивать пористую структуру внутри частиц. Можно выделить два основных класса реакций растворения:

1. Обратимое растворение;

2. Необратимое растворение.

Реакции растворения всегда включают в себя несколько стадий: перенос растворителя к поверхности кристалла; химическая межфазная реакция на поверхности кристаллов; отвод продукта растворения от поверхности реакции.

Самая медленная из этих стадий ограничивает скорость всего процесса. Если ограничивающим (лимитирующим) процессом является химическое взаимодействие на поверхности кристалла, то говорят, что процесс протекает в кинетической области; если любой из двух оставшихся процессов диффузии — в диффузионной области. В наиболее сложном случае совместного влияния факторов процесс называют диффузионно — кинетическим.

С точки зрения химии растворение — процесс, включающий химическую реакцию между растворителем и растворенным веществом, завершающийся образованием соединений растворенных ионов (молекул) с молекулами растворителя.

В пищевой промышленности применяются следующие основные способы растворения: периодический процесс; прямоточный и противоточный процессы; процесс в неподвижном слое.

Периодический процесс проводят в аппаратах с механическим или пневматическим перемешиванием. Пневматическое перемешивание позволяет в случае необходимости использовать перемешивающий агент (воздух) в качестве окислителя.

Прямоточный и противоточный процессы, проводимые в аппаратах непрерывного действия, широко распространены. В принципе, растворение можно проводить непрерывно в аппарате с мешалкой путем непрерывного подвода в аппарат твердой и жидкой фаз и отвода их из него. Однако осуществление непрерывного процесса таким способом неизбежно приведет к падению его интенсивности. В связи с этим растворение проводят в каскаде последовательно соединенных аппаратов с мешалками, через которые пульпа движется самотеком. Более эффективным является проведение непрерывных процессов по принципу противотока.

В соответствии с организационно — технической структурой процесса различают аппараты для растворения периодического и непрерывного действия.

Аппараты непрерывного действия компактнее периодических, требуют меньших капитальных затрат и эксплуатационных расходов. В зависимости от характера движения твердой и жидкой фаз их делят на аппараты полного смешения (аппараты с перемешивающими устройствами), полного вытеснения (аппараты с неподвижным слоем) и аппараты промежуточного типа.

В данной курсовой работе рассмотрены аппараты периодического действия с перемешиванием.

Различные конструкции аппаратов с перемешивающими устройствами оценивают по интенсивности и эффективности перемешивания.

Практика использования различных конструкций перемешивающих устройств показала, что для невязких сред можно успешно использовать лопастные, пропеллерные и турбинные мешалки.

К числу первых перемешивающих устройств, примененных в промышленной практике, относятся лопастные мешалки, отличающиеся простотой и низкой стоимостью изготовления.

Совершенствование лопастных мешалок привело к разработке и широкому применению пропеллерных и турбинных мешалок.

Пропеллерные мешалки, выполненные в вида корабельного винта, создают в аппарате интенсивную циркуляцию среды, что обусловлено возникновением насосного эффекта. Они отличаются от мешалок других типов низким расходом энергии.

Турбинные мешалки представляют собой один или два диска с укрепленными на них лопатками.

Если объем сосуда превышает 20 м³, то для обеспечения равномерности перемешивания применяют многоагрегатные или прецессирующие мешалки.

При необходимости равномерного интенсивного перемешивания, когда мощность и масса привода существенно возрастают, используют аппараты с горизонтальным расположением одного или нескольких валов с лопастями.

Для таких же условий растворения при ограниченной производственной площади применяют циркуляционные растворители с песковым насосом.

При растворении концентратов, содержащих цветные металлы, в агрессивных кислых растворах целесообразно использовать для перемешивания сжатый воздух — аппарат для растворения с пневматическим перемешиванием.

Когда необходимо растворять твердую фазу, поверхность которой экранирована твердыми продуктами реакции или примесями, используют аппарат с внешним циркуляционным контуром.

Для растворения дисперсной твердой фазы в высоковязких и неньютоновских жидкостях применяют аппараты с якорными, рамными, ленточными и шнековыми мешалками, обеспечивающими механическое воздействие на среду в аксиальном и радиальном направлениях во всем объеме аппарата.

Список использованных источников.

1. Г. А. Аксельруд, А. Д. Молчанов. Растоврение твердых веществ.М., «Химия», 1977 (серия «Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии»). (Глава IV. Аппараты для растворения).

2. Дытнерский Ю. И. Процессы и аппараты химической технологии: Учебник для вузов. Изд.2-е. В 2-х кн. Часть 2. Массообменные процессы и аппараты. М.: Химия, 1995. — 368 с.: ил.

3. Космодемьянский Ю. В. Процессы и аппараты пищевых производств. — М Колос, 1997. — 208 с.

4. Кавецкий Г. Д., Васильев Б. В. Процессы и аппараты пищевой технологии. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Колос, 2000. (Учебники и учеб. пособия для студентов высших учебных заведений).

5. Кавецкий Г. Д., Королев А. В. Процессы и аппараты пищевых производств. — М.: Агропромиздат, 1991. — 432 с.

6. Процессы и аппараты: Учебник для студ. учреждений сред. проф. образования/ Баранов Д. А., Кутепов А. М. — 2-е изд., стер. — М.: Издательский центр «Академия», 2005.

7. Плаксин Ю. М., Малахов Н. Н., Ларин В. А., Процессы и аппараты пищевых производств. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: КолосС, 2008. — 760 с.: ил. — (Учебники и учеб. пособия для студентов высш. учеб. заведений).

8. Процессы и аппараты пищевых производств/В.Н. Стабников, В. М. Лысянский, В. Д. Попов. — М.: Агропромиздат, 1985. — 503 с.

9. Стабников В. Н., Лысянский В. М., Попов В. Д. Процессы и аппараты пищевых производств. — М.: Агропромиздат, 1985. — 503 с.

10. Стабников В. Н., Лысянский В. М., Попов В. Д., Редько Ф. А. Процессы и аппараты пищевых производств. — М.: Пищевая промышленность, 1976. — 663 с.