/
Текст
В. В. БЕЛОБОРОДОВ
ОСНОВНЫЕ] ПРОЦЕССЫ
ПРОИЗВОДСТВА
РАСТИТЕЛЬНЫХ
МАСЕЛ
Издательство „Пищевая промышленность"
Москва 1966
УДК 664.34
Б книге приведен теоретический анализ процессов произ-
водства растительных масел, основанный иа современных пред-
ставлениях в области химической и пищевой технологии; рас-
смотрены собственно механические, аэро- и гидромеханические,
диффузионные и диффузионно-тепловые процессы. Приведены
общие и расчетные уравнения процессов и численные примеры
расчетов.
Книга предназначена для инженерно-технических и научных
работников масло-жировой промышленности и может быть ис-
пользована студентами и преподавателями вузов пищевой про-
мышленности. ,
Рецензенты: канд. техн, наук Г. В. ЗАРЕМБО-РАЦЕВИЧ,
канд. техн, наук | К. Е, ЛЕОНТЬЕВСКИЙ |,
канд. техн, наук А. Г. НЕЩАДИМ
Спецредактор канд. техн, наук В. Г. ЩЕРБАКОВ
3—14—12
15— 66
ПРЕДИСЛОВИЕ
В течение последних десятилетий, главным образом в после-
военные годы, широкое развитие получило учение о процессах
химической и пищевой технологии. По-видимому, это можно
объяснить тем, что данная область знаний удачно сочетает в
себе возможность широких научных обобщений с близостью к
инженерной практике.
Такой путь изучения оказался плодотворным и в области
технологии производства растительных масел, в отечественной
и иностранной литературе появился ряд работ, посвященных
анализу механических, аэро- и гидромеханических, диффузион-
ных, диффузионно-тепловых и других процессов производства
растительных масел. Учение о процессах технологии производ-
ства растительных масел становится частью учения о процес-
сах химической или пищевой технологии вообще:
Изучение процессов производства растительных масел не-
обходимо для:
познания физической сущности процессов и научно обосно-
ванного их ведения в производстве,
создания принципиально новых способов осуществления
процессов,
разработки методов инженерных расчетов машин и аппа-
ратов,
комплексной автоматизации процессов при помощи управ-
ляющих вычислительных машин или других средств.
Уровень исследований в области производства растительных
масел может быть существенно повышен привлечением матема-
тики: аналитических и вероятностных методов, а также мето-
дов теории подобия и анализа размерностей. Такой подход к
проблеме, соответствующий современному уровню исследова-
ний в области химической технологии, приведет к наиболее
широким обобщениям и благодаря этому ослабит влияние эм-
пиризма, которое в изучении процессов производства расти-
тельных масел еще велико. Поэтому мы стремились наряду с
изложением закономерностей процессов дать их математическое
описание, хотя бы в самом общем виде, или указать возможные
пути получения необходимых уравнений. В ряде случаев при-
веденные уравнения иллюстрируются численными примерами
расчетов. Однако данную работу не следует рассматривать как
руководство по методам инженерных расчетов процессов про-
изводства растительных масел. Примеры расчетов даются только
для облегчения понимания основных закономерностей некоторых
процессов.
В основу деления книги на части приняты типы технологи-
ческих процессов производства растительных масел — механиче-
ские, гидро- и аэромеханические, диффузионные и диффузионно-
тепловые, что уже стало традиционным при изложении мате-
риалов по процессам и аппаратам химической и пищевой тех-
нологии. В пределах каждой части мы придерживаемся приня-
той в производстве последовательности основных процессов.
Автор глубоко признателен кандидатам техн, наук Г. В. За-
рембо, К- Е. Леонтьевскому и А. Г. Нещадиму за ценные заме-
чания, сделанные ими при рецензировании книги, а также канд.
техн, наук доценту В. Г. Щербакову за рекомендации по улуч-
шению текста, данные им при специальном редактировании ру-
кописи.
Часть первая
ОБЩИЕ ВОПРОСЫ
. Глава I. ПРОЦЕССЫ КАК СОВОКУПНОСТЬ ЯВЛЕНИЙ
, КЛАССИФИКАЦИЯ ЯВЛЕНИЙ
В производстве растительных масел, как и во всяком слож-
ном производстве химической или пищевой технологии, возни-
кают разнообразные явления, отличающиеся физической при-
родой и механизмом протекания. Явления механические, тепло-
вые, диффузионные, химические и другие в сложном перепле-
тении и одновременном или последовательном возникновении и
затухании составляют основу технологических процессов про-
изводства растительных масел. Познание закономерностей и
идентификация процессов невозможны без классификации яв-
лений, лежащих в их основе, и четкого определения явлений.
Вся совокупность явлений может быть разбита на единич-
ные явления, группы, классы и типы явлений.
Под единичным явлением данной физической природы по-
нимается явление, протекающее в совершенно конкретных усло-
виях, развитие и конечный результат которого однозначно
определяются этими условиями. Единичное явление обладает
только одному ему присущими индивидуальными особенностями
и протекает совершенно определенно.
Например, рассмотрим явления молекулярной диффузии.
В нестационарных условиях (<?c/dx=H= const) эти явления опи-
сываются уравнением, известным под названием второго закона
Фика:
— = (1—1)
дг дх*
Чтобы решить это уравнение, т. е. получить зависимость
концентрации (с) в данной точке системы от времени (т), про-
странственной координаты (х) и физических свойств (Д), надо
задаться условиями однозначности. Пусть эти условия будут
следующими.
1. Диффузия протекает внутри параллельных неограничен-
ных по площади границ, расстояние между которыми равно I,
т. е. внутри неограниченной пластинки толщиной I.
2. В начальный момент времени концентрация диффунди-
рующею вещества в пластинке толщиной I распределена рав-
7
номерно (одна и та же в каждой точке). Математически это
записывается так:
. т = 0; с = с0; 0 < х < I.
3. В любой момент времени (г,) концентрация диффунди-
рующего вещества на границе раздела фаз равна нулю.
т == т,- х = 0, х = Z; С = 0.
4. Диффузия во времени протекает при постоянной темпера-
туре и коэффициент диффузии D не зависит от концентрации
и пространственной координаты (пластинка изотропна). Диф-
фузия внутри пластинки не тормозится отводом вещества от ее
поверхности. Коэффициент диффузии внутри пластинки яв-
ляется существенной физической константой явления.
т = т;, с = Ci, 0 < х < /; D = const.
При указанных условиях однозначности интегрирование
[430] уравнения (I—1) приводит к следующему уравнению:
с = У ___L_ sin (ЛдНЛд. ехр Г _ _(^ИЛ)Л!£Д1>(1_2)
л (2m + 1)2 I [ P J
о
где m — нуль и целые положительные числа (m = 0, 1, 2, 3...).
При помощи уравнения (I—2) можно определить концен-
трацию в данной точке х внутри пластинки как функцию тол-
щины пластинки I, продолжительности диффузии т, исход-
ной концентрации с0 и коэффициента диффузии D. Само со-
бой понятно, что поскольку аргументы х, I, х, с0 и D могут при-
нимать бесчисленное множество значений, то и ответов будет
бесчисленное количество, однако конкретные значения аргумен-
тов (например, х=0,05 см, Z—0,1 см, т=3600 сек, со = О,5 г/см3
и D=1O7 см3)сек) дадут только один ответ для с, одно его
численное значение. В этом смысле решение уравнения (I—2)
однозначно.
Указанные конкретные численные значения аргументов и
единственное значение получаемого ответа выделяют из всего
бесконечного числа явлений одно единичное явление. В прин-
ципе единичных явлений может быть бесконечное множество,
поскольку можно задаться бесконечно большим количеством
численных значений условий однозначности. Однако в реаль-
ном процессе каждое условие однозначности, например, размер
семян при их очистке, обладает хотя и чрезвычайно большим,
но все-таки ограниченным количеством численных значений.
Поэтому в реальных процессах количество единичных явлений
также ограничено.
8
Совокупность численных значений условий однозначности
есть признак единичного явления.
Буквенные значения условий однозначности из бесконечного
числа единичных явлений выделяют группу явлений. Группа
явлений и, следовательно, любое единичное явление данной
группы протекает по одному и тому же закону — в рассматри-
ваемом примере по уравнению (I—2), вид которого опреде-
ляется условиями однозначности.
Общность условий однозначности есть признак группы яв-
лений.
Изменение условий однозначности всякий раз будет приво-
дить к новой группе явлений. Однако механизм протекания
всех групп явлений, образующих класс, один и тот же, напри-
мер молекулярная диффузия.
Единство механизма протекания — признак класса явлений.
Класс явлений не обладает какими-либо конкретными усло-
виями однозначности. Например, уравнение, определяющее
класс явлений — молекулярная диффузия, — описывает множе-
ство явлений, протекающих в природе и технике: молекулярную
диффузию в твердых телах (диффузия металлов и т. п.), в
жидкостях (сахар в воде, различные вещества в клетках рас-
тений, соли в морской воде, масло в растворителе и т. п.) и в
газах (различные газы в воздухе, бензин в смеси с воздухом
и водяным паром и т. п.).
Другим примером аналогичного класса явлений может слу-
жить теплопроводность, также характеризующаяся молекуляр-
ным механизмом. Однако указанное явление отличается от мо-
лекулярной диффузии своей физической природой: диффузия —
это передача, вещества, теплопроводность — это передача тепла.
Передача же вещества и тепла может осуществляться не толь-
ко молекулярным, но и конвективным путем. Таким образом,
различные механизмы явлений объединяются в явлении с одной
физической природой. С другой стороны, явления различной
физической природы могут протекать с одним и тем же меха-
низмом (например, молекулярная диффузия и теплопровод-
ность).
Единство физической природы — признак типа явлений.
Необходимо отметить, что условия однозначности не обяза-
тельно присоединять к уравнению, поскольку явление разви-
вается независимо от того, имеется ли математическая форму-
лировка его закономерностей или ее нет. Важно только на-
звать (сформулировать) условия однозначности, чтобы из клас-
са явлений выделить группу или единичное явление. Поэтому
изложенный подход к классификации явлений применим и для
тех из них, закономерности которых математически еще не
сформулированы, как это часто бывает в химии или биохимии.
На рис. 1 представлена общая схема классификации основ-
9
Рис I. Схема классификации явлений технологических процессов производства ра-
стительных масел Химические (IV тип) и биохимические (V тип) явления на классь
не подразделяются, поскольку в этой книге они не рассматриваются.
10
Hbix явлений технологических процессов производства расти-
тельных масел. В этой схеме представлены не все, а только
основные явления технологических процессов данной отрасли
производства. Кроме этого, схема охватывает главным образом
лишь те процессы, которые существуют в современном произ-
водстве. Поэтому она не имеет всеобщего значения.
Схема дает представление о многообразии и сложности тех-
нологических процессов.
Вместе с тем она определяет место настоящей работы в
изучении явлений производства растительных масел.
В работе с той или иной полнотой рассматриваются зако-
номерности явлений всех типов, за исключением IV типа (хи-
мические явления) и V типа (биохимические явления)1.
Остановимся на двух особенностях представленной класси-
фикации явлений.
1. В основе деления типов на классы лежит различие в ме-
ханизме явлений. Механизм явлений понимается здесь в круп-
ном плане, по основному его признаку. Приведем пример.
Явления пластической деформации различных материалов
могут протекать с разным механизмом перегруппировки частиц
(слоев), но общим и основным признаком этих явлений будет
неизменность формы тела после снятия нагрузки.
2. Выделение некоторых явлений в самостоятельные классы
несколько условно. Например, конвективная диффузия в само-
стоятельный класс явлений по существу выделена быть не мо-
жет, так как внутри малых объемов раствора, переносимых
конвекцией, и на изменяющихся поверхностях их соприкоснове-
ния всегда протекает и молекулярная диффузия. С другой сто-
роны, чисто молекулярная диффузия в жидких и газовых рас-
творах также практически никогда не происходит, потому что
из-за различного рода возмущений (сотрясения, изменения тем-
пературы и т. п.) возникает и конвективный перенос. Строго
говоря, в жидкостях и газах наблюдается лишь смешанная
диффузия, и поэтому к классу конвективной диффузии следует
относить лишь те явления диффузии, в которых молекулярным
переносом можно пренебречь и, наоборот, к классу молекуляр-
ной диффузии — те явления диффузии, в которых можно пре-
небречь конвективным переносом. Обычно молекулярная диф-
физуя имеет место лишь в твердых телах.
В такой же мере условно выделение в самостоятельные
классы явлений молекулярного и конвективного теплопереноса.
Условно разделение на два класса VII типа явлений — на-
лагающихся (взаимодействующих) явлений — термодиффузию
1 При разработке схемы классификации нами были учтены основные по-
34^е™я Работ 58, 97, П4, 120, 150, 158, 163, 200, 212, 232, 297, 305, 313, 331,
’ 349, 366, 371, 377—379, 430], в которых так или иначе освещается пробле-
классификации процессов и явлений химической или пищевой технологии.
11
и диффузионную теплопроводность, ибо оба эти класса обла-
дают общим признаком — одним и тем же характером переноса
(в основном молекулярным), однако существенным отличием
их механизмов является то, что в одном случае градиент тем-
пературы вызывает поток вещества (термодиффузия), а в дру-
гом— градиент концентрации вызывает поток тепла (диффузи-
онная теплопроводность).
КИНЕТИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ
Явления производства растительных масел, несмотря на их
разнообразие, обладают некоторой общностью, как и явления
химической или пищевой технологии вообще. Эта общность,
которая может быть распространена на несколько типов явле-
ний, заключается в единстве их кинетических закономерностей,
на что обратил внимание проф. П. Г. Романков [313].
Единство кинетических закономерностей явлений можно
сформулировать следующим образом.
Мгновенное значение скорости явления равно произведению
его потенциала на кинетический коэффициент.
Под потенциалом явления здесь понимается степень отличия
системы от равновесного состояния, например, в тепловых явле-
ниях— градиент температуры, в диффузионных — градиент кон-
центрации, в гидродинамических (ряд классов механических
явлений) — градиент давления и т. п. Под кинетическим коэф-
фициентом понимается скорость явлений при потенциале, рав-
ном единице. Это соответственно будут коэффициенты, напри-
мер, теплопроводности, диффузии, обратная величина коэффи-
циента сопротивления и т. и.
Общая математическая запись единства кинетических зако-
номерностей будет выглядеть так:
I = LX, (1—3)
где I — скорость;
L — кинетический коэффициент;
X — потенциал.
Для отдельных классов явлений уравнение (I—3) можно
записать в виде известных законов.
Для молекулярной диффузии — закон Фика:
m~D ~ . (1—4)
дх
Для теплопроводности — закон Фурье:
q = l—. (1-5)
дх
12
Для движения жидкости (в случае ламинарного движения
через пористую среду)—закон Дарси:
(1-6)
Для химической реакции — закон действующих масс:
V = kc^> с^.
(1-7)
В этих уравнениях m, q, Q, v— соответственно скорости диф-
фузии, теплопроводности, протекания жидкости и скорость хи-
мической реакции; D, к, k — коэффициенты диффузии, тепло-
проводности, фильтрации и константа скорости химической ре-
, < дс dt Др т, т2
акции — кинетические коэффициенты; —, —, —, сД с2—
дх дх I
градиенты концентрации, температуры, давления и произведение
концентраций реагирующих веществ (/щ, m2— количество всту-
пающих в реакцию молекул веществ) — потенциалы процессов.
В основной формулировке единства кинетических законо-
мерностей и в приведенных уравнениях дано мгновенное зна-
чение скорости из-за изменения скорости большинства процессов
с течением времени.
Во-первых, это связано с нестационарностью ряда явлений,
протекающих в заводских аппаратах. Так, например, в ходе
дс
экстракции градиент концентрации — не остается постоянным
(уменьшается). В связи с этим и скорость явления т с тече-
нием времени не остается постоянной. То же самое можно ска-
зать и о явлениях теплопроводности. В ходе химической реак-
ции концентрации веществ С\ и с2 также не остаются постоян-
ными. При течении жидкостей, например через пористые среды,
коэффициент k\ может изменяться в силу изменений концен-
трации и температуры, влияющих на физические свойства жид-
кости.
В литературе часто термины «стационарное» и «установив-
шееся» и «нестационарное» и «неустановившееся» явление со-
ответственно являются синонимами1. Следует подчеркнуть раз-
личие между этими понятиями.
Под стационарным понимается явление, потенциал которого
дс
есть постоянная величина, например — = const. При этом про-
дх
1 К тому же часто явление отождествляется с процессом. Однако про-
цесс— это совокупность явлений .(см. ниже).
13
изводная по времени равна нулю ’, Величина концентрации,
температуры, скорости течения и т. п. зависит только от коор-
динат. Под нестационарным понимается явление, параметры
которого зависят не только от координат, но и от времени.
Понятия — установившееся и неустановившееся явление —
более просты. Под установившимся понимается такое явление,
параметры которого вполне определенны, стабильны. Обычно
это бывает после истечения некоторого времени с начала про-
цесса, когда он настроился. Установившемуся явлению и про-
цессу соответствует постоянство их характеристик в данной
точке или в данном сечении аппарата. Неустановившимся яв-
ление бывает в период настройки процесса или при нарушениях
параметров на входе и характеристики режима работы аппара-
та (например, при экстракции — случайные колебания свойств
материала, температуры, растворителя, его количества и т. п.).
Установившееся явление может быть стационарным или не-
стационарным, однако неустановившееся явление стационарным
быть не может в силу изменчивости параметров, в том числе
и тех, которые определяют его потенциал.
Рассмотренные случаи явлений, принадлежащих к одному
классу (диффузия, теплопроводность и т. п.), наиболее просты.
Когда одновременно протекают два или несколько типов и клас-
сов явлений, они могут взаимно влиять друг на друга, что при-
водит к возникновению сложных зависимостей, изучаемых в
термодинамике необратимых процессов [114, 305, 349]. Приве-
дем простейший пример.
При одновременном протекании явлений диффузии и тепло-
проводности появляются два новых явления, характеризую-
щихся специфичными для них кинетическими коэффициентами.
Первое из них — термодиффузия, или эффект Соре, когда гра-
диент температуры вызывает появление градиента концентра-
ции; второе — диффузионная теплопроводность, или эффект
Дюфора, когда градиент концентрации вызывает появление гра-
диента температуры.
Обычная математическая запись закономерности выражает
то, что поток массы возникает и под действием градиента кон-
центрации (обычная диффузия), и под действием градиента
температуры (термодиффузия), поток тепла возникает и под
действием градиента температуры, и под действием градиента
концентрации.
1 В примере с диффузией, когда
в соответствии с уравнением Фика:
по времени равна нулю, что иногда
нак нестационарности явления.
дс 52с
—— =const, вторая производная ~—=0 и
дх дх2
дс <?2с
-----=D —— производная концентрации
д т--дх2
рассматривается,как более общий приз-
14
В разобранном примере термодиффузии к правой части
уравнения Фика прибавляется член, пропорциональный гради-
енту Температуры, а в случае диффузионной теплопроводности
к правой части уравнения Фурье прибавляется член, пропор-
циональный градиенту концентрации.
Такая математическая запись является экспериментально
проверенным законом, однако она описывает два или несколько
одновременно протекающих явлений как самостоятельные, не
связанные, не влияющие друг на друга и не приводящие к
возникновению качественно новых явлений (в разообранном
случае эффекты Соре и Дюфора). Такая математическая за-
пись в известной мере носит формальный характер и тождест-
венна записям для явлений одного и того же типа, например
известному выражению для массопереноса молекулярным и кон-
вективным путем, протекающего под действием потенциала од-
ной и той же физической природы (градиент концентрации, раз-
ность концентраций):
т = D 4- vxc, (I—8)
дх
где vx — скорость конвективного переноса вещества в направ-
лении оси х.
Наложение явлений различной физической природы (напри-
мер, диффузии и теплопроводности) не учитывается подобными
записями.
В соответствии с положением, являющимся одним из основ-
ных в термодинамике необратимых процессов, любой поток воз-
никает под действием всех сил, что записывается следующим
образом:
п
(Z = 1, 2, .. . , л). (1-9)
fe=i
В термодинамике необратимых процессов коэффициенты Ltk
называются феноменологическими коэффициентами, а величины
X-i — силами (градиент температуры, концентрации, химическое
сродство и т. п.).
Коэффициенты La — это, например, коэффициенты теплопро-
водности, электропроводности, диффузии и т. п. (так называе-
мые собственные феноменологические коэффициенты), в то
время как коэффициенты характеризуют взаимодей-
ствие двух необратимых процессов i и k, т. е. это коэффици-
енты Дюфора, Соре и т. п. (так называемые взаимные коэф-
фициенты). Для случая двух одновременно протекающих не-
обратимых явлений, например диффузии и теплопроводности.
15
феноменологические уравнения записываются в следующем
виде:
= 1 /J_IQ4
/2 — £31Хг + L22X2, )
где /1 — поток массы;
/2 — поток тепла;
Xi — градиент концентрации;
Х2 — градиент температуры;
Lu — коэффициент диффузии;
Ь12 — коэффициент термодиффузии (эффект Соре);
Z-21 — коэффициент диффузионной теплопроводности
(эффект Дюфора);
Lt®. — коэффициент теплопроводности;
Теорема, предложенная в 1931 г. Онзагером [462], устанав-
ливает равенство взаимных феноменологических коэффициен-
тов:
Lik = Lu (i, k=L (1-11)
Уравнение (I—11) носит название соотношения взаимности
Онзагера. Из него следует, что если поток явления i испытывает
влияние силы Хк явления k, то и поток явления k также испы-
тывает влияние силы Xi явления i через посредство того же
самого коэффициента взаимодействия Lih.
Справедливость соотношений Онзагера считается доказанной
только вблизи состояния термодинамического равновесия, для
условий малых флюктуаций вблизи равновесия. Однако эти со-
отношения широко применяются и при систематических откло-
нениях от равновесия — при взаимном наложении явлений диф-
фузии, теплопроводности, электропроводности и т. п., когда под-
держивается определенный-' градиент. Необходимое условие для
этого — линейность связи между потоками и силами — справед-
ливость уравнения (I—9).
ХАРАКТЕРНЫЕ ПРИМЕРЫ ЯВЛЕНИЙ
Приведем примеры отдельных типов и классов явлений в
производстве растительных масел, за исключением явлений
IV и V типов, которые, как уже было сказано, не рассматри-
ваются в этой книге.
I тип — механические явления — представлен наиболее ши-
роко и охватывает практически все основные технологические
процессы — от очистки семян до обработки шрота. Движение
отдельных частиц — семян на ситовых поверхностях сепарато-
ров, мятки (мезги) в жаровнях при жаренье в полувзвешенном
состоянии (в барабанных жаровнях), лепестка в экстракторах
16
при экстракции во взвешенном состоянии, шрота в испарителях
т п. — входит в I класс — перемещение дискретных частиц.
И класс охватывает процессы, в которых взаимное расположе-
ние множества частиц не изменяется. Сюда относятся в основ-
ном процессы, осуществляемые в слое частиц: например, экс-
тракция на ленточных и ковшовых экстракторах. Движение
ситовых поверхностей при очистке и отделении оболочек семян,
шнековых механизмов при прессовании и экстракции, ножей
мешалок при жаренье и всякие другие перемещения рабочих
органов машин и аппаратов, непосредственно влияющие на
ход технологического процесса, могут быть отнесены к III клас-
су—-перемещение абсолютно твердого тела.
IV класс — упругие деформации и V класс — пластические-
деформации — широко представлены в процессах отжима масла
и растворителя, гранулирования жмыхов и шротов.
Ламинарное, смешанное и турбулентное движение жидкостей
и газов (VI—VIII классы) могут быть представлены в таких
процессах, как отжим масла и растворителя, экстракция, ди-
стилляция мисцеллы, рекуперация растворителя (работа деф-
легматоров) и др.
II тип — диффузионные явления, включающий три класса
(молекулярная, смешанная и конвективная диффузия), свойст-
вен процессам сушки и увлажнения семян, экстракции, дистил-
ляции мисцеллы, отгонки растворителя из шрота и т. п. В ос-
новном этот тип явлений представлен процессами в жидкостях
и газах (парах)—свободных или находящихся в порах и кана-
лах твердых тел. По-видимому, диффузия в твердых телах так-
же встречается в производстве растительных масел (например,
диффузия различных веществ в жмыхе), но это настолько мед-
ленно протекающее явление, что оно не может быть практиче-
ски даже установлено в ходе технологических процессов, про-
должающихся относительно малые промежутки времени.
III тип — тепловые явления — сотоящий из четырех классов-
(молекулярный, смешанный, конвективный и лучистый тепло-
перенос), представлен в производстве растительных масел не
менее широко, чем диффузионные явления (II тип). Тепловые-
явления возникают уже при сушке масличных семян, которой
присущи все четыре класса явлений: при нагреве семян про-
исходит молекулярный теплоперенос, тепло от греющего газа к
семенам передается конвективным или смешанным путем, на-
конец, лучистый теплоперенос (тепловое излучение, точнее по-
глощение лучей) наблюдается при сушке инфракрасными лу-
чами, даже при обычной конвективной сушке идет обмен теп-
лом между отдельными семенами посредством так называемого
темного теплового излучения, которое обычно отмечается при
относительно невысоки^ температурах.
VI тип — поверхностные явления — делится на два класса:
17’
адсорбцию (десорбцию) и капиллярное движение. Явления ад-
сорбции (десорбции) наблюдаются на границах раздела твер-
дое тело — жидкость и твердое тело — газ (пар), например при
взаимодействии влаги и масла с мяткой в процессе жаренья,
паров растворителя с адсорбентом в процессе рекуперации рас-
творителя в некоторых типах экстракционных установок, в про-
цессе стока растворителя из слоя шрота после экстракции
(удерживание растворителя в капиллярах отдельных частиц и
слоя). Капиллярное движение возникает на границе раздела
.жидкость — газ (пар) в связи с различием поверхностного на-
тяжения в разных точках поверхности жидкости из-за локаль-
ных изменений концентрации или температуры. При этом на
поверхности действуют неуравновешенные силы, которые могут
привести, например, к образованию так называемых капилляр-
ных волн [212]. Класс явлений — капиллярное движение — мож-
но наблюдать в процессах дистилляции мисцеллы, экстракции
в системе жидкость — жидкость и в некоторых других.
VII тип — налагающиеся (взаимодействующие) явления —
можно разделить на два класса — термодиффузию (эффект
Соре) и диффузионную теплопроводность (эффект Дюфора)’.
Эти явления, как уже говорилось, являются качественно но-
выми, принципиально отличающимися от явлений только моле-
кулярной диффузии или только теплопроводности. Понятно, что
явления этих классов наблюдаются там, где одновременно су-
ществуют градиенты концентрации и температуры, например в
процессах неизотермической экстракции, дистилляции, отгонки
растворителя из шрота и в других.
Из приведенных примеров видно, что технологические про-
цессы производства растительных масел, как правило, вклю-
чают несколько типов и классов явлений. Рассмотрим процесс
сушки масличных семян в шахтной сушилке.
В нем представлен I тип явлений (механические явления)
I классом (перемещение дискретных частиц — отдельных семян)
и VII или VIII классом (смешанное или турбулентное движе-
ние газов — сушильного агента и паров воды); II тип (диффу-
зионные явления)—всеми тремя классами: молекулярной диф-
фузией жидкой влаги в отдельных участках семян, смешанной
диффузией паро-водяной смеси в порах оболочки семян (лузге
подсолнечника) и, возможно, в ядре семян и конвективной диф-
фузией паров воды от поверхности семян в поток сушильного
агента; III тип (тепловые явления) также представлен всеми
классами; IV (химические явления) — II классом (цепными
реакциями) в связи с окислением масла, содержащегося в се-
1 В принципе возможны наложения явлений различных классов, но для
технологии производства растительных масел пока мы можем привести лишь
примеры наложения явлений молекулярной диффузии н теплопроводности.
18
менах; V тип (биохимические явления) — ферментативными яв-
лениями в связи с расщеплением жиров под действием липазы,
которое может происходить в ходе сушки на определенных ее
этапах; наконец, VII тип (налагающиеся явления) представ-
лен обоими классами, так как при сушке отмечается одновре-
менное наличие градиентов концентрации и температуры.
В соответствии с принятой классификацией дальнейшее де-
ление процесса на группы и единичные явления производится
в пределах данного класса. Если взять I класс II типа явлений
(молекулярная диффузия), то деление на группы и единичные
явления можно понять из приведенного в начале настоящей
главы простейшего примера с диффузией внутри параллельных
границ. Необходимо отметить, что решение дифференциальных
уравнений, описывающих класс явлений, для целого ряда уело-,
вий однозначности, отвечающих реальному течению данного,
явления, представляет непреодоленные к настоящему времени
математические трудности. В таких случаях прибегают к помощи
теории подобия.
Сушка масличных семян изучена еще недостаточно и по-
этому, возможно, в приведенном примере названы не все типы
и классы явлений или они названы не совсем точно. Важнейшей
задачей комплексного изучения процесса является его иденти-
фикация, т. е. определение состава по типам и классам явле-.
ний и их всестороннее изучение вплоть до определения групп-
явлений и единичных явлений, что приведет к выявлению зако-.
номерностей и особенностей процесса, подобно тому как иден-
тификация вещества дает указание на его физические и хими-
ческие свойства.
Можно назвать процессы, состоящие из небольшого числа
типов и классов явлений, например очистка семян на сите при-
надлежит к типу механических явлений и состоит всего лишь,
из двух классов: I (перемещение отдельных семян и частиц
сора) и III (перемещение ситовой поверхности). Но техноло-
гические процессы обычно многообразнее и этот пример являет-
ся исключением из правила.
В общем случае можно утверждать, что технологические-
процессы производства растительных масел — это совокупность,
явлений различных типов и классов или, говоря другими сло-
вами, типы и классы явлений есть отдельные, взаимносвязан-,
ные стороны технологического процесса.
Высказанные положения о процессе как совокупности явле-
ний развивают взгляд А. М. Голдовского [97] на технологиче-
ские процессы производства растительных масел как на соче-
тание «простейших» процессов, которые в этой книге фигури-
руют под названием явлений, поскольку при разработке их.
классификации было целесообразно сохранить преемственность,
с лежащим в основе классификации учением о подобии (а, еле-.
19
довательно, и различии), в котором термин «явление» стал
традиционным.
В каждом процессе при его изучении целесообразно выде-
лять главные типы или даже классы явлений. В приведенном
примере сушки главными типами являются II — диффузионные
явления (перенос массы) и III — тепловые явления, посредством
которых при их взаимном влиянии друг на друга в ходе про-
цесса достигается основная цель — удаление влаги из семян.
Отсюда становится понятным отнесение процесса сушки к диф-
фузионно-тепловым процессам. По этому же правилу процесс
отжима масла следует относить к механическим (точнее гидро-
механическим) процессам, процессы нагрева растворителя к
тепловым, нейтрализацию свободных жирных кислот щелочью —
к химическим и т. д.
Глава II. ХАРАКТЕРИСТИКА МАСЛИЧНЫХ СЕМЯН
СОСТАВНЫЕ ЧАСТИ
Основными составными частями масличных семян с точки
зрения технологии их переработки являются ядро и внешняя
оболочка. У большинства семян—хлопчатника, сои, льна, кле-
щевины и других — внешней является их семенная оболочка.
Семена хлопчатника, сои и клещевины поступают на перера-
ботку, освобожденные от плодовых оболочек — коробочек
(хлопчатник, клещевина1) и стручков (соя). Несколько особое
место занимают семена подсолнечника, покрытые плодовой
оболочкой — околоплодником (лузгой), под которым находится
семенная оболочка (пленка).
На рис. 2—6 представлены схемы строения семян основных
масличных культур по зарисовкам Нассонова [276]. На этих же
рисунках показаны соотношения между ядром и внешней обо-
лочкой масличных семян, по средним данным. Эти данные яв-
ляются приближенными из-за больших колебаний состава мас-
личных семян в зависимости от селекционного и промышленно-
го сорта.
В табл. 1 приведены размеры (толщины) составных частей
масличных семян, дающие возможность ориентировочно судить
о соотношениях различных частей семени.
Для процессов обрушивания семян важна плотность приле-
гания внешних оболочек к ядру. Плодовая оболочка подсол-
нечника (лузга), как правило, плотно прилегает к ядру. Воздуш-
ные полости находятся в острых ребрах семянки. Семенная
оболочка (пленка) срастается как с плодовой оболочкой (луз-
1 В последнее время, в связи с комбайновой уборкой клещевины часть ее
поступает на маслозаводы в плодовой оболочке (в коробочках).
(X S 2
20
21
Рис. 4. Анатомическое строение боба сои [276] и соотноше-
ние между ядром и семенной оболочкой [454]:
1 — поперечный срез через рубчик, 2 —продольный срез.
Рис. 5. Анатомическое строение семени льна [276] и соот-
ношение между ядром (семядоли и зародыш), эндоспермом
и семенной оболочкой [102]:
1— поперечный срез, 2— продольный срез, 3— тангенциальный срез.
22
гой), так и с эндоспермом ядра, поэтому при обрушивании
семян подсолнечника она попадает и в лузговую, и в ядровую
фракции рушанки. Семенная оболочка хлопчатника (шелуха)
соприкасается с ядром неплотно. На ядре имеется сросшаяся
Рис. 6. Анатомическое строение семени клещевины
[276] и соотношение между ядром и семенной обо-
лочкой [270]:
1 — продольный срез, 2 — поперечный срез.
Таблица 1
Размеры (толщины) составных частей масличных семян в микронах
[276]
Составные части семян Под- солнеч- ник Хлопчат- ник Соя Лён Клеще- вина
Семенная или плодовая оболочка . . 400 300 100 70 200
Эндосперм 30* 30** *** — 2000
Одна семядоля 1300 200**** 3000 300 ПО
Поперечник геммулы 2000 1500 1300 1000 1000
* Эндосперм плюс семенная оболочка (пленка).
** Эндосперм плюс бахромчатая ткань.
*** С плоской стороны семени.
**** Одна складка семядоли.
23
с эндоспермом белая бархатистая пленка, которая при шелу-
шении семян от ядра не отделяется.
У сои, наоборот, семенная оболочка прилегает к ядру плот-
но; в состав семенной оболочки сои входит рубчик — место сра-
стания семени со стенками стручка. Семенная оболочка льна
настолько плотно прилегает к эндосперму, срастаясь с ним, что
эндосперм при измельчении семян в большей своей части ос-
тается на оболочке, а не на семядолях. У семян клещевины
между семенной оболочкой и ядром находится сплошная воз-
душная .полость.
Для изучения процессов переработки масличных семян (из-
мельчение, жаренье, экстракция и др.) большое значение имеют
размеры клеток и их важнейших составных частей (клеточных
стенок, алейроновых зерен). Эти размеры показаны в табл. 2'
[380].
Таблица 2
Размеры клеток и их наиболее важных составных частей для ряда
масличных семян
Культура и маслосо- держащая ткань Размер клеток, мкм Толщина клеточных ! стенок, мкм к Размер (диа- метр) алей- § к а роковых 2 ь g зерен, мкм U <х>
мини- мальный максималь- ный средний
I длина ширина длина ширина длина i ; ширина 1. Отношение клеточных размеру кл мини- мальный макси- мальный средний
Подсолнечник, семя-
доли ............. 20,0 16,0 88,0 40,0 49,5 30,0 0,8 2,1
Хлопчатник, семядоли 24,0 6,0 56,0 32,0 33,5 17,7 0,4 1,6
Соя, семядоли и эндо-
сперм ............ 32,0 8,0 148,032,075,0 24,40,7 1,4
Лен, семядоли и эндо- 0 43 । 43
сперм............. 16,0 16,0 48,0 32,0 33,722,6 j2— ~’у
!
Арахис, семядоли . . 48,0 20,0 88,0 76,0 66,8 47,6 0,9 1,6
3,0 12,0 6,1
3,0 6,0 4,0
5,02 12,0 8,5
4,0 8,0 5,4
2,0 16,0 13,0*
2Д~ 12,0 10,0
3,0 12,0 7,0
Рапс, семядоли . . . 27,0 14,0 59,036,0 39,1 22,70,8 2,5 — — —
Рыжик, семядоли . . 22,0 13,0 65,027,033,3 19,90,6 2,2 2,7 7,2 4,7
Кориандр, эндосперм . 20,0 16,0 36,0|36,0 30,7|21,5 1,3 5,0 6,0 14,0 9,7
1 За размер клеток принято среднее арифметическое между средней длиной
и шириной.
2 При обозначении размера алейроновых зерен дробью в числителе указы-
вается длина, в знаменателе ширина.
3 В числителе для семядоли, в знаменателе для эндосперма.
4 В клетках семян льна, кроме этого, имеются еще маленькие алейроновые
зерна диаметром 2,6 мкм.
24
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ
Необходимо кратко сказать о составных частях масличных
семян в другом смысле — в смысле содержания в них основных
групп веществ, определяемых технохимическим анализом: сы-
рого жира, сырого протеина, сырой клетчатки, сырой золы и
безазотистых экстрактивных веществ. По рис. 7 можно ориен-
тировочно судить о содержании указанных групп веществ в
семенах, ядре и оболочке семян основных масличных культур.
Масличность семян и их ядра падает в ряду клещевина — под-
солнечник— лен — хлопчатник — соя1. В этом же ряду наблю-
дается рост содержания протеина в ядре, хотя больших раз-
личий между клещевиной и подсолнечником в общем не отме-
чается.
Оболочка семян, за исключением семян льна, содержит
много клетчатки.
ГИГРОСКОПИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
Под гигроскопическими свойствами масличных семян пони-
мается их способность поглощать воду из окружающей воздуш-
ной или паровой среды. Обычно гигроскопические-свойства ха-
рактеризуются равновесной и гигроскопической влажностью.
Если парциальное давление водяного пара в воздухе больше
парциального давления в непосредственной близости от поверх-
ности семян, то они сорбируют пар и увеличивают свою влаж-
ность. Если, наоборот, парциальное давление водяного пара в
непосредственной близости от поверхности семян больше пар-
циального давления в окружающем воздухе, то происходит
десорбация, и влажность семян уменьшается. Процесс сорбции
или десорбции протекает во времени, а влажность семян и
окружающего воздуха стремится к динамическому равновесию,
при котором за один и тот же промежуток времени количества
сорбируемой и десорбируемой влаги одинаковы. Влажность
семян, соответствующая состоянию равновесия, называется рав-
новесной. Если семена находятся в равновесии с воздухом со
100%-ной относительной влажностью, то их влажность назы-
вается гигроскопической.
Если сорбция (десорбция) протекает при постоянной темпе-
ратуре, то получаемые кривые зависимости между относительной
влажностью воздуха и равновесной влажностью семян носят
1 Как известно, благодаря селекции масличность семян подсолнечника
непрерывно растет, так что не исключена возможность, что в этом ряду се-
мена подсолнечника в ближайшие годы займут первое место; уже сейчас
масличность некоторых селекционных сортов подсолнечника выше маслично-
сти клещевины.
25
семена
Оболочке
Клещевина Пийстнечник Пен Хлопчатник соя
Еезозотистыв
экстрактивные
Вещества
Сырая клетчатка
।---Сырая клетчатка, сыраП
I---1 про трин и бвзозотистые
экстрактивные Вещества j
их ядра и оболочек по резуль-
охарактеризован приближенно в
а на основании опубликованных.
Рис. 7. Состав основных масличных семян, i
татам технохимического анализа. Состав с
долях от массы1 абсолютно сухого вещества _ ___....
работ: [215] — для клещевины; [322] — для подсолнечника; [102] — для льна;
[275] — для оболочки хлопчатника; [271]—для ядра хлопчатника; [60] —
для семян хлопчатника; [97] — для сои.
В источниках для клещевины [215] и подсолнечника [322] приведены дан-
ные лишь для ядра и оболочки, данные для семян рассчитаны при допуще-
нии содержания оболочки в клещевине 22,5% [267] и
28,5% — среднее для семян с масличностью на абсолютно
ниже 50% [322]; данные для сои взяты из напечатанного
держание протеина в ядре хлопчатника [271] получено
содержания азота на коэффициент 5,5.
в подсолнечнике
сухое вещество
рисунка [97]; со-
при умножении
1 В связи с переходом к Международной системе единиц (СИ)
веса и массы. Понятие веса следует применять лишь в значении
меряется в ньютонах (я). В значении же количества вещества
массы. Масса измеряется в килограммах (кг).
26
разграничены понятия
силы тяжести. Вес из-
применяется понятие
название изотерм сорбции (десорбции). Изотермы сорбции
ряда масличных семян показаны на рис. 8 [343].
Равновесная влажность масличных семян изучалась многими
исследователями [83, 85, 94, 137, 138, 184, 187, 298, 318, 319,
343, 369, 423]. Обобщение их работ позволяет получить следую-
щие основные характеристики гигроскопических свойств мас-
личных семян.
Рис. 8 Изотермы сорбции масличных семян (в скоб-
ках дана масличность в процентах на абсолютно су-
хое вещество):
1 — клещевина (55,1), 2 — подсолнечник (39,3), 3 — горчица
сизая (39,3), 4 — леи (38,5), 5 — рыжик (36,0), —хлопчат-
ник (25,1), 7 — соя (18,0).
1. Изотермы сорбции масличных семян в основной своей
части (при <р> 10%), как правило, выпуклы к оси относительной
влажности воздуха, т. е. при увеличении относительной влаж-
ности воздуха интенсивность поглощения влаги возрастает. При
очень низкой относительной влажности воздуха (ср<1Оо/о)
изотермы сорбции для хлопчатника [83] выпуклы, наоборот, к
оси равновесной влажности семян.
В соответствии с имеющимися представлениями [228] S-об-
разный характер изотерм сорбции отвечает мономолекулярной
адсорбции влаги в интервале для <р = 04-10% со значительным
выделением тепла, полимолекулярной адсорбции в интервале
для ф= 104-90% с относительно малым выделением тепла и
поглощению влаги микрокаииллярами в интервале для ф=90-~
4-100% без выделения тепла.
2. Чем больше масличность семян, тем в общем меньше их
равновесная влажность при постоянной относительной влажно-
сти воздуха. Как видно из рис. 8, масличные семена в порядке
27
возрастания способности поглощать влагу ив воздуха распола-
гаются так: клещевина, подсолнечник, горчица сизая, лен, ры-
жик, хлопчатник, соя.
3. Величина равновесной влажности для данного вида мас-
личных семян (с определенной масличностью) зависит в основ-
ном от величины относительной влажности и температуры воз-
духа. Это было подчеркнуто еще давно [94] и впоследствии раз-
вито проведенными исследованиями.
Зависимость равновесной влажности семян от относительной
влажности воздуха при постоянной или относительно мало из-
меняющейся температуре может быть охарактеризована сле-
дующими эмпирическими формулами:
для подсолнечника [139]
№р= 2,133е 0’017544’ (II-1)
при ф = 9н-82°/о и температуре 14—30°C;
для хлопчатника [85]
Wp = аи/ (II—2)
при <р= 10 4-90 % и
Wp=aV+b (11-3)
при <р = 904-100%,
где а, п и b — постоянные коэффициенты, численные значения
которых приведены в цитируемой работе.
С ростом температуры воздуха, начиная с некоторого ее зна-
чения— по имеющимся данным [94], приблизительно с 60 °C —
равновесная влажность уменьшается, что связывают с денату-
рацией белковых веществ [94, 375]. Поэтому семена после сушки
должны обладать меньшей равновесной влажностью, чем до
сушки (при одной и той же относительной влажности воздуха).
4. Равновесная влажность составных частей семян неоди-
накова: больше у оболочки (лузги, шелухи) и меньше у ядра;
семена в целом занимают промежуточное положение.
5. В общей массе отдельные семена обладают различной
влажностью при некоторой средней равновесной влажности
массы семян. Иногда это различие — неравномерность по влаж-
ности — составляет несколько процентов.
ВЛАГО- И ТЕРМОВЛАГОПРОВОДНОСТЬ
Под влагопроводностью понимается свойство данного тела
проводить (переносить внутри себя) влагу под влиянием гра-
диента влагосодержания в изотермических условиях. Влагопро-
водность является частным случаем, с одной стороны, массо-
28
проводности, с другой — потенциалопроводности. Как частный
случай массопроводности влагопроводность понимается очень
просто — как свойство переносить именно воду. В качестве
частного случая потенциалопроводности влагопроводность мож-
но понимать подобно тому, как понимается теплопроводность
в отношении к температуропроводности. Это видно из одинако-
вой структуры выражений [227] для коэффициента температу-
ропроводности:
а = -— (П-4)
СРо
и для коэффициента потенциалопроводности:
= (П-5)
CZ7lP0
где Z и Z,n — соответственно тепло- и массопроводность (влаго-
проводность) ;
с и ст — тепло- и массоемкость (влагоемкость);
ро — плотность абсолютно сухого тела.
По физическому смыслу коэффициент ат характеризует
инерционные свойства тела в распространении поля потенциала
вещества1. Размерность его L2/T обычно м2/ч. Иногда понятия
потенциалопроводности и влагопроводности отождествляются
[88], что неправильно.
Под термовлагопроводностью понимается свойство данного
тела проводить (переносить внутри себя) влагу под влиянием
градиента температуры (в неизотермических условиях, когда в
различных точках тела температура неодинакова). Термовлаго-
проводность является частным случаем термомассопроводности
в том смысле, что переносится именно вода. Явление термовла-
гопроводности вначале было открыто под названием термодиф-
фузии влаги [225]. Коэффициент термовлагопроводности, или
термоградиентный коэффициент, численно равен перепаду влаж-
ности при перепаде температуры на один градус при условии,,
что общий поток вещества, обусловленный влаго- и термовла-
гопроводностью, равен нулю [227]. Размерность коэффициента
термовлагопроводности \jzpad или °Ыград (в зависимости от
того, как измеряется перепад влажности — в долях единицы
или в процентах). Коэффициент термовлагопроводности обычно,
обозначается буквой 6.
Явления влаго- и термовлагопроводности или, говоря шире,
потенциало- и термомассопроводности наблюдаются в самых
различных технологических процессах производства раститель-
1 Так же, как и коэффициент а — инерционные свойства тела в распро-
странении поля потенциала тепла.
2»
ных масел: при сушке и увлажнении семян, увлажнении мяток,
жаренье мезги, отгонке растворителя из шрота и некоторых
других. Однако изучены они на материалах производства рас-
тительных масел совершенно недостаточно. Данные по коэффи-
циентам потенциало- и термовлагопроводности были получены
в связи с проблемой увлажнения хлопковых семян [84—88].
В последнее время появились сведения по термовлагопровод-
ности лузги и ядра подсолнечных семян [304].
Рис. 9. Зависимость коэффициента потен-
циалопроводности от влажности материала
(данные для средневолокнистого хлопчат-
ника) [85]:
/ — шелуха, 2 — семена, 3 — ядро.
Коэффициент потенциалопроводности зависит от влажности
материала и температуры.
Зависимость этого коэффициента от влажности для семян,
ядра и шелухи различна (рис. 9). Коэффициент потенциалопро-
водности семян и шелухи с увеличением влажности сильно
возрастает. Для ядра зависимость имеет сложный вид, характер-
ный для коллоидных тел [88]. Обычно вид зависимости коэф-
фициента потенциалопроводности от влажности определяется
формой связи влаги и механизмом переноса ее внутри мате-
риала.
30
Экспериментальные данные по зависимости коэффициента
потенциалопроводности масличных семян от температуры нам
неизвестны. По аналогии с другими материалами [228] можно
считать, что зависимость эта прямая.
Коэффициент термовлагопроводности также зависит от влаж-
ности материала (рис. 10) и температуры. Для хлопчатника [85],
как для ядра и лузги подсолнечника [304], кривые обладают
Рис. 10. Зависимость коэффициента тер-
мовлагопроводности от влажности мате-
риала (данные для средневолокнистого
хлопчатника) [84]:
1 —- шелуха, 2 —< семена, 3 — ядро.
максимумом, что связывается с границей между адсорбционно
связанной и свободной влагой [86].
В области практически важных влажностей, встречающихся
в реальных процессах сушки и увлажнения, величина коэффи-
циента термовлагопроводности семян и шелухи относительно
невелика. При определенной влажности1 коэффициент термо-
1 Предполагается [86], что такой влажностью для семян средневолокни-
стого хлопчатника может быть 1—2%; для ядра, как видно из рис. 10,—
около 20%. Для ядра семян подсолнечника и лузги коэффициент термовла-
гопроводности становится равным нулю при влагосодержании соответствен-
но 16 и 2% [304].
31
влагопроводности обращается в нуль и даже может стать
отрицательной величиной. Этому соответствует перенос пара
от менее нагретых к более нагретым точкам капилляров, изве-
стный под названием эффузии. При отрицательных значениях
коэффициента термовлагопроводности влагосодержание тела
существенно не изменяется за счет действия градиента темпе-
ратуры, поскольку происходит перераспределение концентрации
лишь пара, что не может оказать большого влияния на содер-
жание жидкости.
Если влажность очень велика, коэффициент термовлагопро-
водности также обращается в нуль. Это объясняется тем, что
когда все капилляры и поры заполнены жидкостью, перестает
проявляться проталкивание жидкости в направлении потока
тепла расширяющимся при нагреве защемленным воздухом [228].
При высоких влажностях материала именно в этом состоит
механизм переноса влаги под влиянием градиента темпера-
туры [92].
С повышением температуры коэффициент термовлагопро-
водности уменьшается, для средневолокнистых семян он больше,
чем для тонковолокнистых.
Проведенные исследования зависимости коэффициента тер-
мовлагопроводности от ряда факторов [84, 86, 87] позволили
характеризовать хлопковые семена и их составные части как
капиллярно-пористые и коллоидные материалы.
В зависимости от опушенности хлопковых семян в них пре-
обладают свойства капиллярно-пористых (опушенность выше
6%) или коллоидных (опушенность ниже 2%) тел. Шелуха
относится также к капиллярно-пористым коллоидным материа-
лам с преобладанием свойств капиллярно-пористых тел, а
ядро — к коллоидным материалам.
Глава III. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ
ПРОИЗВОДСТВА РАСТИТЕЛЬНЫХ МАСЕЛ
РАЗМЕРЫ МАСЛИЧНЫХ СЕМЯН
Размеры масличных семян колеблются в широких пределах
•в зависимости от сорта и метеорологических условий. Поэтому
данные [4, 193], приведенные в табл. 3, дают лишь ориентиро-
вочные представления о средних размерах некоторых семян.
Колебания в размерах семян можно представить в виде
гистограмм или вариационных кривых, где на оси ординат
откладывается количество семян данного размера, а на оси
абсцисс — размер семян. Такие вариационные кривые приве-
дены для ряда сортов семян подсолнечника, в основном высоко-
масличных [100], и для семян льна и рыжика [193].
32
Таблица 3
Средние размеры основных масличных семян
Культура, сорт Я я Ширина или диа- метр, мм Толщина, мм Литера- турный источник
Подсолнечник1
ВНИИМК 8931 11,1 5,1 3,4
Армавирский 3497 11,4 5,3 3,7
Передовик 10,7 5,0 3,3
Смена • 11,3 5,4 3,6
Кубанец 11,2 4,9 3,0
Краснодарский 11,5 5,7 3,2
Клещевина
Круглик 5 12,0 8,2 5,7
172/1 ДСС 11,1 7,6 5,2 } [193]
Сангвинеус 401 15,0 9,7 7,1
Клещевина (сорт не указан) 11,2 7,6 5,5
Конопля 4,1 3,3 2,7
Соя
Староукраинская 8,7 5,4 4,1 [4]
Харбинская № 199 6,9 6,2 5,3
Хлопчатник (без пуха) 8,8 5,2 4,5
Лен дальневосточный 4,0 2,2 0,9
Лен 4,27 2,40 0,99
Рыжик 1,94 1,15 0,94 } [193]
Горчица белая — 2,0—2,5 —
Горчица черная -— 1,0 —
Рапс — 2,0 — | [4]
Сурепа 3,0 2,0 2,0
1 По данным Г. Н. Каспарова и В. В. Белобородова.
Наиболее полное представление о размерах семян в смеси
можно получить из корреляционных таблиц [151], рис. 11, 12, 13.
Каждая таблица делится на три части: в верхней и в левой
частях расположены кривые для данного размера (например,
на рис. И в верхней части — для толщины, в левой части — для
ширины), причем на осях ординат откладывается абсолютная
масса семян в граммах и частота в процентах к массе [65], а
в нижней правой части — собственно корреляционная таблица.
При помощи корреляционных таблиц можно определить
следующее:
сколько семян данного размера содержится в общей смеси
и общий процент их частоты; например, из рис. 11 находим,
что семян толщиной от 3,0 до 3,5 мм в данной навеске содер-
жится 7,98 г, а процент их частоты равен 27;
каков процент частоты данного размера при постоянном
Другом размере семени; например, из рис. 12 находим, что при
Длине семян от 10,0 др 10,5 мм процент частоты семян шириной
2 В. В. Белобородов 33
от 3,0 до 3,5 мм составляет 0,18, шириной от 3,5 до 4,0 мм —
0,30, шириной от 4,0 до 4,5 мм — 2,77 и т. д.;
сколько содержится в смеси семян до данного размера
включительно и процент их частоты при постоянном другом
размере семени; например, из рис. 13 находим, что при толщине
Рис. 11. Корреляционная таблица для ширины и толщины семян
подсолнечника:
1 — кривая зависимости абсолютной массы от толщины, 2—кривая часто-
ты распределения толщины по массе, 3 — кривая зависимости абсолютной
массы от ширины, 4 — кривая частоты распределения ширины по массе.
семени от 2,0 до 2,5 мм в данной навеске семян длиной от 10,0
до 10,5 мм включительно содержится 3,26 г, процент их часто-
ты 16,6, семян длиной от 10,5 до 11,0 мм включительно — 3,92 г,
процент их частоты 23,63 и т. д.
С помощью дополнительных арифметических вычислений
корреляционные таблицы позволяют определить и другие харак-
34
тернстики смеси, например, какова масса семян каждого дан-
ного размера при постоянном другом размере.
Таким образом, корреляционные таблицы представляют
собой универсальные характеристики смеси семян по их раз-
мерам. Практическая ценность корреляционных таблиц состоит
в том, что с их помощью можно подбирать размеры отверстий
Рис. 12. Корреляционная таблица для ширины и длины семян подсолнеч-
ника (условные обозначения кривых те же, что и на рис. 11, но относятся
они соответственно к длине и ширине).
сит ц определять теоретически возможные количества семян,
способных пройти через сито с отверстиями данных размеров.
Например, при круглых отверстиях определяющим размером
является ширина семени, и если допустить, что диаметр отвер-
стий нижнего сита сепаратора равен 4 мм (точка А на рис. 11),
то потеря семян в подсеве может составить 2 г (для данной
навески) или 20%.
Размеры семян, поступающих на переработку в каждый
•ценный момент, сильно колеблются. Поданным опубликованной
35
работы [101], в пробе моментального отбора семян подсолнеч-
ника размеры их колебались: по длине от 8,1—9,0 до 13,1--
14,0 мм, по ширине от 3,1—4,0 до 7,1—8,0 мм, по толщине от
1,1—2,0 до 4,1—5,0 мм, по толщине лузги от 0,06—0,10 до
0,41—0,45 мм. Средние размеры семян подсолнечника, найден-
Рис. 13.' Корреляционная таблица для длины и толщины семян подсолнеч-
ника (условные обозначения кривых те же, что и на рис. 11, но относятся
они соответственно к длине и толщине).
ные по расчету в результате исследования среднесменной про-
бы, составляли для семян трех типов (см. ниже в настоящей
главе): по длине 10,92, 10,91 и 10,61 мм, по ширине 5,25, 5,01
и 4,38 мм, по толщине 3,14, 3,04 и 2,42 мм, по толщине лузги
0,25, 0,21 и 0,15 мм.
КОЭФФИЦИЕНТЫ ТРЕНИЯ
В процессах производства растительных масел встречаются
различные виды трения: трение двух соприкасающихся твердых
тел друг о друга (чаще всего трение сыпучих материалов
о какую-либо поверхность), внутреннее трение массы сыпучих
36
частиц, внутреннее трение газов (воздуха) и жидкостей, трение
газов (воздуха) и жидкостей о поверхность твердых тел и
трение между газами (парами) и жидкостями.
Если к телу приложена сила F, то в виде реакции возникает
равная, но противоположно направленная сила трения Т, а вес>
тела Р противодействует реакция плоскости N. Этому случаю
соответствуют равенства:
T = fN (III—1)
F = fP, (III—2)
где f — коэффициент пропорциональности, называемый коэф-
фициентом трения движения.
В состоянии покоя, когда сила F, приложенная к телу,
недостаточна для приведения его в движение, справедливо
выражение
T^fN, (III—3)
где f — коэффициент трения покоя.
Если f=0, то поверхности трущихся тел называются абсо-
лютно гладкими.
Угол <р, определяемый условием
tg<p = /, (III—4)
называется углом трения.
В основе внутреннего трения массы частиц друг о друга
лежат те же закономерности, что и при трении одного тела
о другое (в движении или покое). Угол внутреннего- трения
массы частиц друг о друга в покое принято называть углом
естественного откоса. Величина этого угла определяет геомет-
рию конуса, образующегося при свободном насыпании частиц
(семян, мятки, жмыха, шрота и т. п.): угол естественного от-
коса есть максимальный угол наклона образующей конуса
насыпи. Коэффициенты трения твердых тел друг о друга
являются безразмерными величинами.
В настоящее время нет обобщенных зависимостей для коэф-
фициентов трения масличных семян, полупродуктов и продуктов
их переработки. Имеются лишь отдельные данные, приведенные
в некоторых работах [82, 116, 160, 193, 215, 244, 255]. Из этих
данных можно сделать лишь частные выводы:
1. С увеличением влажности семян подсолнечника, клеще-
вины и льна увеличиваются их коэффициенты трения по железу
И дереву и коэффициенты внутреннего трения (углы естествен-
ного откоса).
2. Коэффициенты трения в покое по железу жмыховой фор-
прессовой крупки подсолнечника увеличиваются с ростом ее
влажности.
37
3. Коэффициенты трения по белой жести, кровельному же-
лезу и фанере уменьшаются с увеличением влажности и опу-
шенности хлопковых семян, с увеличением влажности хлопковой
шелухи, мятки, мезги и с понижением масличности хлопковой
муки. Обезжиривание жмыха экстракцией приводит к умень-
шению коэффициентов трения в покое по железу и коэффи-
циентов внутреннего трения.
В литературе [368] имеется указание на то, что коэффициенты
трения по металлу и дереву для семян подсолнечника различ-
ных сортов существенно не различаются.
Особый интерес представляют данные по коэффициентам
трения мезги о поверхность рабочих органов шнековых прес-
сов в условиях развивающихся в них давлений и температуры.
Можно представить некоторые величины коэффициентов тре-
ния соевой мезги при 120—125 °C [320]:
Трение покоя
о рабочую грань прессующего витка......................0,25
о наружную поверхность прессующего витка...............0,23
о внутреннюю поверхность зеерного цилиндра.............0,23
Трение скольжения
о рабочую-грань прессующего витка......................0,08
о наружную поверхность прессующего витка...............0,07
о внутреннюю поверхность зеерного цилиндра.............0,07
Коэффициент трения скольжения подсолнечной мезги отно-
сительно стального стержня колеблется в пределах 0,008—0,011
при К=1 и 0,020—0,025 при К = 0,4, где К — коэффициент,
учитывающий величину давления мезги на стержень в зависи-
мости от аксиального давления [321].
Силы внутреннего трения в жидкостях и газах определяются
законом Ньютона, согласно которому сила F, проявляющаяся
при перемещении одного слоя жидкости (газа) относительно
другого, прямо пропорциональна относительной скорости пере-
/ dw \
мещения слоев —] и величине поверхности соприкосновения
\dn /
этих слоев (S): .
/7 = ^5— , (Ш—5)
dn
где у. — коэффициент пропорциональности, называемый коэф-
фициентом внутреннего трения или вязкости, или просто вяз-
костью.
Величину у называют абсолютной или динамической вязко- .
стью. Отношение абсолютной вязкости к плотности р называется
38
коэффициентом кинематической вязкости, или просто кинема-
тической вязкостью.
v = dL==d^L> (Ш-6)
Р V
где у — удельный вес;
g — ускорение силы тяжести.
Величина вязкости жидкостей и газов зависит от их свойств
и температуры.
На рис. 14 показана зависимость вязкости рафинированного
подсолнечного масла от температуры1. Кривую рис. 14, харак-
терную для ассоциирован-
ных жидкостей, можно так-
же считать типичной для
большинства растительных
масел. При их нагревании
происходит уменьшение вяз-
кости, очень сильное в ин-
тервале температур до 60—
70 °C. С ростом температу-
ры, вероятно, степень ассо-
циации растительных масел
падает, кривые зависимо-
сти их вязкости от темпера-
туры имеют затухающий
характер, соответствующий
экспоненциальной функции.
Найдено [199], что зависи-
мость вязкости от темпера-
туры может быть рассчита-
на по эмпирическим уравне-
ниям:
для динамической вязко-
сти в сантипуазах
Рис. 14. Зависимость динамиче-
ской (абсолютной) вязкости под-
солнечного масла от температуры
[199].
Го
t
р =
(III—7)
Для кинематической вязкости в сантистоксах
V== ю10'^
(III—8)
1 В этой главе приводятся экспериментальные данные по вязкости ма-
сел, поскольку они имеют первостепенное значение для анализа гидромеха-
нических процессов (отжим, разделение суспензий). Данные по вязкости мис-
Целл, важные для анализа диффузионных (экстракция) и некоторых диффу-
зионно-тепловых (дистилляция) процессов, будут помещены в главе о фи-
зико-химических свойствах материалов производства растительных масел.
39
где а и b — постоянные;
Но—динамическая вязкость при О °C;
t — температура, °C;
Т — абсолютная температура, °К.
В табл. 4 даны необходимые для расчета величины.
Таблица 4
Параметры уравнений (III—7) и (III—8)
Масло Параметры уравнения (Ш-7) Параметры урав- нения (III—8)
н» a ь a ь
Оливковое 234,2 0,2975 36,11 7,8156 —3,0520
Арахисное 222,4 0,3019 36.89 7,6963 —3,0050
Кунжутное 203,3 0,3021 37,75 7,7471 —3,0283
Хлопковое • 193,6 0,3103 37,56 7,7459 — 3,0300
Подсолнечное 175,1 0,3185 38,68 7,6223 —2,9826
Соевое 152,0 0,3076 41,54 7,6479 —2,9965
Льняное 136,4 0,3229 42,33 7,5431 —2,9585
Вязкость суспензий, как известно, выражается формулой
А. И. Бачинского [150]:
}lc = р (1 + 4,5Ф), (Ш-9)
где р—вязкость дисперсионной среды (чистой жидкости);
рс — вязкость суспензии;
ср — объемное содержание твердой фазы в суспензии.
Эта формула применима при следующих условиях:
между поверхностью твердых частиц и жидкой средой нет
взаимодействия (набухания, адсорбции и т. п.).;
концентрация твердой фазы такова, что течение суспензии
аналогично течению жидкости и еще не наступает пластиче-
ского течения.
Коэффициент трения жидкостей и газов о поверхность твер-
дых тел (в технологических процессах производства расти-
тельных масел чаще всего о поверхность частиц в слое или
взвешенном состоянии) может быть получен из уравнения для
перепада давления в слое зернистого материала:
Др = к—
d3
Уо^о
2g
(Ш-10)
где Ар — перепад давления;
I — высота слоя материала;
d3 — эквивалентный диаметр каналов в слое;
Уо — удельный вес газа или жидкости;
40
Wo — скорость движения газа или жидкости в каналах;
Л — коэффициент пропорциональности, называемый коэф-
фициентом трения.
Коэффициент трения А,— безразмерная величина. Он зави-
сит от свойств газа или жидкости, свойств поверхности частиц
материала и режима движения газа или жидкости. Поэтому
для данного вида зернистого материала, как правило, коэффи-
циент А выражают в виде зависимости от критерия Рейнольдса:
д
X==f(Re) = -^-, (Ш-П)
Re
где А — постоянная, находимая из опыта;
Re _ Wodajo — критерий Рейнольдса.
ng
Трение газов (воздуха) и жидкостей о поверхность твердых
частиц наблюдается в таких процессах, как очистка семян
в воздушном потоке, осаждение частиц из масла и мисцеллы,
фильтрация масла и мисцеллы, отжим масла и др. Экспери-
ментальные данные по коэффициентам трения газов и жидко-
стей о поверхность твердых частиц применительно к производ-
ству растительных масел нам неизвестны.
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОБОЛОЧЕК СЕМЯН
К основным механическим свойствам оболочек масличных
семян относятся прочность (крепость), упругость и пластичность.
Под прочностью или крепостью оболочки понимается вели-
чина нагрузки, при которой происходит разрушение оболочки.
Понятия упругости и пластичности применительно к оболочке
масличных семян определяются общими законами сопротивле-
ния материалов. Упругость и пластичность характеризуются
обычно величиной соответствующего вида деформации — упру-
гой или пластической.
Масличные семена существенно различаются по свойствам
оболочек. Оболочки подсолнечника и клещевины при влаж-
ности ниже определенного предела могут быть отнесены к хруп-
ким телам. В какой-то мере это, по-видимому, может отно-
ситься и к семенам сои. Поэтому обрушивание указанных
семян основано на действии удара. Оболочка семян хлопчат-
ника, наоборот, очень эластична, она разрушается за счет сре-
зывающих и скалывающих усилий.
Однако оболочки подсолнечника и клещевины также об-
ладают определенной пластической деформацией и заметно
отличаются благодаря этому от вполне упругого тела. Степень
41
такого отличия характеризуется величиной коэффициента вос-
становления (удара), определяемого из формулы
(III-12)
где Н — высота падения семени;
h — высота отскакивания семени.
Механические свойства оболочек масличных семян изучены
еще недостаточно. Более или менее ясны свойства оболочек
семян подсолнечника и клещевины, по которым был опублико-
ван ряд работ. Однако относительно семян хлопчатника и сои
Подсолнечник
Рис. 15. Варианты приложения внеш-
них сил при разрушении семян под-
солнечника и клещевины:
/.—I— направления приложения сил (схе-
ма).
нам неизвестны такие ра-
боты.
При разрушении мас-
личных семян внешние си-
лы могут действовать в раз-
личных направлениях. Воз-
можные варианты приложе-
ния внешних сил для семян
подсолнечника и клещевины
показаны на рис. 15 [116].
От направления приложе-
ния внешних сил зависит
прочность оболочек, а также
величина деформации.
Следует отметить, что
имеется определенное раз-
личие между действием
статических и динамических
нагрузок. При действии ди-
намических нагрузок резко
возрастает скорость дефор-
мации, что, в частности, по-
вышает сопротивление ма-
териала пластической де-
формации за пределом уп-
ругости.
Прочность оболочек. В табл. 5 приведены средние данные
по прочности (в кг) оболочек семян подсолнечника при стати-
ческой нагрузке [116] в зависимости от направления действия
разрушающей силы (см. рис. 15). В этих опытах семя сдавли-
валось до появления трещины, сопровождавшегося характер-
ным звуком при разрушении оболочки и резким снижением
нагрузки.
Как показали исследования [167], прочность оболочек под-
солнечника обладает значительной изменчивостью (диспер-
42
'[таблица 5
Прочность оболочек семян подсолнечника
Район произрастания семян
Направление дейст-
вия силы
4
Молдавская ССР..........................
Краснодарский край .....................
Тамбовская область .....................
сией), что хорошо видно из рис. 16. Например, если при дей-
ствии силы в направлении 1 (рис. 15) средняя прочность равна
2,395 кг, то минимальное ее значение составляет 0,625 кг, а
максимальное — 5,000 кг. Кривые
распределения частот прочности
для семян с различной влажно-
стью (0; 5,69; 6,66 и 8,89%) име-
ют один и тот же вид.
Как следует из рис. 16, при
приложении внешней силы в на-
правлении 1 (рис. 15) распреде-
ление симметрично относительно
некоторой средней величины х,
ось абсцисс является асимптотой
кривой распределения. Такая
8,4 0,47 5,5 4,7 4,8 4,2
8,6 0,40 4,2 4,1 4,9 4,0
11,8 0,35 4,0 3,8 3,5 3,4
Прочность,кГ
Рис. 16. Распределение ча-
стот прочности оболочек се-
мян подсолнечника при
влажности 6,66%:
/ —• при приложении силы в на-
правлении 1 (рис. 15), 2 — при
приложении силы в направлений
2 (рнс. 15).
кривая характерна для закона
нормального распределения, или
закона Гаусса:
где о—среднее квадратичное отклонение.
Значения о и х являются параметрами уравнения (III—13)..
При приложении внешней силы в направлении 2 (рис. 15)
кривая распределения прочности асимметрична и, как указано
[^уИсследовании [167], следует закону распределения Шарлье
Размеры семян подсолнечника и толщина оболочки, по имею-
щимся сведениям [116, 167], не оказывают заметного влияния
на их прочность.
Между прочностью оболочек подсолнечника и влажностью
семян наблюдается криволинейная корреляция [167], причем
максимальная прочность отмечается при влажности 6—9%., при
оолыцей и меньшей влажности она понижается. Показано [116],
43
что при влажности семян 8,8% среднее значение прочности
равно 4,28 кг, а при влажности 13,3%—3,2 кг; при предвари-
тельном прогреве семян до 50 °C прочность их оболочек сни-
жается на 15—20% по сравнению с прочностью непрогретых
семян.
В табл. 6 показана прочность оболочек семян клещевины
разных сортов при различной влажности [272].1
Таблица 6
Прочность оболочек семян клещевины
Сорт клещевины Влаж- ность, % Прочность, кГ
Sintet 5,06 6,34
5,56 6,06
8,00 5,44
ШД 5,62 5,21
6,75 4,55
8,00 4,47
Круглик № 5 5,93 5,13
6,48 5,07
8,00 4,33
Из данных этой таблицы видно, что прочность оболочки и
влажность семян находятся в обратной зависимости.
Прочность оболочки семян клещевины зависит от направле-
ния действия внешней силы (табл. 7).
Таблица 7
Зависимость прочности оболочек семян клещевины
от направления действия внешней силы
Сорт клещевины
Направление
действия силы
Сангвинеус .................
Круглик № 5.................
6,88 5,49 4,54
4,62 3,55 3,49
4,94 3,82 3,75
Как видно из данных табл. 7 [272], наибольшей прочностью
оболочка клещевины обладает при действии силы в направле-
нии 1 (семена лежат плашмя), наименьшей — при действии силы
в направлении 3 (семена на ребре). Это заключение подтвер-
ждается также результатами исследования [117], в котором,
однако, изучалось действие силы лишь в двух направлениях.
1 Направление приложения силы в первоисточнике не указано.
44
Упругость и пластичность оболочек. При действии нагрузки
оболочка семян испытывает деформацию (сжимается в на-
правлении приложенной силы) до тех пор, пока нагрузка не
достигнет определенной величины, равной прочности, и оболочка
не разрушится. Общая деформация оболочки складывается из
упругой и пластической (остаточной) деформации
/общ /упр 4~ /пл •
(Ill—14)
Под упругостью оболочки понимается отношение упругой
деформации к пластической:
, (Ш—15)
/ ПЛ
а под пластичностью — отношение пластической деформации
к упругой:
/7 = -/™-. (III—16)
/упр
Исследования, проведенные на семенах подсолнечника при
двух влажностях [116], дают возможность судить о величинах
деформации (при нагрузке до 2,5 кГ, что близко к разрушаю-
щему усилию).
При влажности 7,7% /упр = 0,29 мм, /пл = 0,20 мм, /Общ =
= 0,49 мм; У=1,45; П = 0,69.
При влажности 10,7% /уПр = 0,29 мм, /пл = 0,36 мм, /Общ =
= 0,65 мм; У=0,8; П= 1,2.
Из этих данных видно, что с увеличением влажности семян
в изученных пределах уменьшается упругость, но увеличи-
вается пластичность оболочки подсолнечника. Вместе с этим
растет и величина общей деформации [167]. По другим иссле-
дованиям [116], коэффициент восстановления семян подсолнеч-
ника по стали равен 0,42, по чугуну — 0,43 и по фанере — 0,39.
Между величиной нагрузки на семя и его деформацией
существует определенная зависимость, показанная на рис. 17
на примере семян клещевины различных сортов. По этим дан-
ным можно судить о работе разрушения семян или удельной
работе разрушения, т. е. работе разрушения 1 кг семян. Работа
разрушения равна произведению деформации на величину на-
грузки:
Л = /о6щР. (Ш-17)
Для семян подсолнечника между их влажностью и удельной
работой разрушения установлена следующая эмпирическая за-
висимость [244]:
А = 18Vv°'22. (III—18)
45
В уравнении (III—18) А дается в кГ-м/кг, a W — в % по
массе. Уравнение верно до влажности семян 14°/о.
Сочетанием прочности, пластичности и упругости оболочек,
с одной стороны, и способом приложения внешних сил, с другой
стороны, определяется характер разрушения оболочек.
Масса семян неоднородна по
этому признаку и для подсолнечни-
ка, в частности, условно может
быть разделена на три типа [100]:
к первому типу относятся семена,
при разрушении которых в лабора-
торных условиях лузга ломается на
две-три крупные части, легко отде-
лимые от ядра; ко второму типу —
семена, лузга которых ломается на
шесть — восемь частей, причем не
исключается задержание части луз-
ги на ядре; к третьему типу — семе-
на, лузга которых ломается на мно-
го кусков и мельчайших частиц, за-
держивающихся в определенном
количестве на ядре, причем ядро
также часто ломается.
Нагрузка Р^кГ '
Рис. 17. Зависимость об-
щей деформации семян кле-
щевины различных сортов
от величины приложенной
нагрузки:
1— Sintet (влажность 5,06%);
2 — ШД (влажность 5,62%);
3 — Круглик № 5 (влажность
5,93%).
Крестиками отмечены вели-
чины разрушающих нагру-
зок (прочность оболочки).
КРИТИЧЕСКИЕ, ВЗВЕШЕННЫЕ И
СЕДИМЕНТАЦИОННЫЕ СКОРОСТИ
При движении воздуха через
слой частиц можно наблюдать сле-
дующую картину. При некоторой
малой скорости частицы остаются
неподвижными, и происходит филь-
трация воздуха через слой. С уве-
личением скорости воздуха части-
цы начинают перемещаться относи-
тельно друг друга и слой в целом
значительно увеличивается в объ-
еме. При дальнейшем увеличении скорости воздуха частицы
начинают витать, составляя, однако, некоторое подобие слоя,
в котором они интенсивно движутся относительно друг друга.
Концентрация частиц в таком слое резко уменьшается. Этот
слой называется кипящим или псевдоожиженным. В кипящем
слое каждая частица испытывает воздействие динамического
напора воздуха, равное ее весу, и поэтому остается в некото-
ром среднем положении.
Скорость движения воздуха, при которой частицы материала
остаются, будучи взвешенными в воздухе, в некотором среднем
46
положении, называется критической скоростью или скоростью
витания.
Наконец, при еще большем увеличении скорости воздуха
частицы увлекаются его потоком и выносятся из данного про-
странства. Они движутся в направлении движения воздуха
с определенной скоростью, большей нуля. Скорость такого дви-
жения частиц можно назвать взвешенной.
При уменьшении скорости воздуха произойдет обратное
явление, причем при переходе к псевдоожиженному слою ча-
стицы будут оседать. Скорость их движения при этом назы-
вается скоростью осаждения (седиментации). Осаждение частиц
может происходить в неподвижном воздухе или в воздухе,
движущемся с очень малой скоростью. При этом, конечно,
теряют свой смысл понятия о взвешенных и критических ско-
ростях, о кипящем или псевдоожиженном слое.
Все сказанное о движении воздуха (газа) относится и
к движению жидкостей.
В собственно механических, гидро- и аэромеханических про-
цессах производства растительных масел, относящихся к
лению (классификации) частиц, наибольшее значение
критическая скорость и скорость осаждения. При сушке
во взвешенном состоянии и при передвижении лузги,
и т. п. в пневмотранспорте важна взвешенная скорость.
Давление воздуха на частицу в состоянии витания
быть выражено уравнением:
G-=k — Fv2 ,
g кр
разде-
имеют
семян
шрота
может
(III—19)
где G—вес частицы;
То — удельный вес воздуха;
g — ускорение силы тяжести;
F — площадь миделевого сечения частицы;
акр — критическая скорость;
k — коэффициент сопротивления (безразмерная вели-
чина).
Из уравнения (III—19) легко получить уравнение для кри-
тической скорости:
г’кр =
(III—20)
Коэффициент сопротивления зависит от шероховатости по-
верхности частицы и от свойств обтекающей ее среды (т. е. от
коэффициента трения среды о частицу), от формы частицы и
от ее положения по отношению к направлению движения среды.
Для каждой частицы имеются минимальные, максимальные
значения величин k и цкр и значения их для наибольшего
количества частиц.
47
Коэффициент парусности ku может быть получен из другой
записи уравнения (III—19):
G=knmv2Kp, (III—21)
/ G \
где т — масса частицы т = — .
\ g /
Из сравнения уравнений (III—19) и (III—21) нетрудно
получить
/ = . (III—22)
G
Как видно из этого уравнения, коэффициент парусности
является более обобщенной характеристикой частицы, чем коэф-
и/сек
Рис. 18. Вариационная кривая по кри-
тической скорости для семян льна.
фициент сопротивления.
Через коэффициент па-
русности, если сравнить
уравнения (III—20) и
(III—22), критическая
скорость может быть вы-
ражена следующим об-
разом:
Коэффициент парус-
ности имеет размерность
1/L, обычно 1/лГ.
В табл. 8 приводятся величины k, ka и ц1;р. Значения k
и окр взяты из работы [195], ka рассчитан по уравнению
(III—22).*
Вариационные кривые по критической скорости для семян
льна и рыжика показаны на рис. 18 и 19 [193]. Как видно из
этих рисунков, по критической скорости, так же как и по
размерам, масличные семена довольно сильно рассеяны, что
создает известные трудности при их очистке по этому признаку.
Для критической скорости имеется также обобщенная зави-
симость— зависимость между критериями подобия Рейнольдса
(ReKp) и Архимеда (Аг) [296]:
Аг
ре ___________________
кр 1400+ 5,22 /Аг
(Ш-24)
* Расчеты /гп при цКр, присущей наибольшему количеству материала,
ранее были произведены Н. Д. Алексеевым [4]. Результаты его расчетов вклю-
чены в табл. 8. Следует также отметить, что в цитируемой работе [195] за
миделево сечение принималось сечение шара, равновеликого частице, по ме-
ридиану.
48
Критерии подобия соответственно равны:
Укрвус
!^cg
= (у - - Тс) ус
где vKp — критическая скорость, отнесенная к полному сечению
аппарата, м/сек-,
d — диаметр частиц, лг;
у — удельный вес частиц (для пористых частиц кажу-
щийся удельный вес), н/м?-.
Ус — удельный вес среды, н/м3;
Нс—динамическая вязкость среды, н-сек/м\
Рис. 19. Вариационная кривая по кри-
тической скорости для семян рыжика.
Для газа ус намного меньше у (ус<^у) и выражение для Аг
упрощается:
d3TTc
(III—25)
Уравнение (III—24) применимо для аппаратов круглого
сечения и для шаровых частиц. Его точность ±20%.
Для полидисперсных систем пользуются величиной осред-
ненного диаметра, а для частиц неправильной формы критиче-
скую скорость определяют с учетом фактора формы. Для семян
подсолнечника найдена обобщенная зависимость в виде связи
между критериями Рейнольдса и Федорова [162]:
Re = 0,03Fe1,83, (III 26)
R<= = —.
49
Таблица 8
Коэффициенты сопротивления, парусности и критические скорости семян,
ядра и оболочки
Ан ализируемый k i kn' у. м[сек k 1 /л, пкр’ м/сек k ku, 1/м О..п, м/сек кр
материал
при мини- мальной V _ кр при максималь- ной VKp при , присущей наиболь- шему количеству материала
Семена
подсолнечные 1,03 0,95 3,2 0,35 0,13 8,9 0,51 0,24 6,4
конопляные 0,19 0,91 3,2 0,29 0,16 7,8 0,34 0,24 6,4
клещевинные .хлопковые 0,28 0,27 6,0 — — — 0,37 0,09 10,2
(опущен-
ность 3%) 0,41 0,39 5,0 0,34 0,12 9,8 0,44 0,14 8,5
льняные . . 1,07 0,90 3,3 0,35 0,28 6,0 0,53 0,41 4,9
горчичные . 0,38 0,58 3,9 0,24 0,20 7,2 0,32 0,27 6,0
маковые . . —- — — — — — — 0,53—1,53 2,5-4,3
рапсовые . . — — — — — — — 0,15 8,2
арахисные - — — — — — — 0,04—0,06 12,5—15,0
Ядро
подсолнечное 0,90 0,52 4,4 0,39 0,16 8,0 0,53 0,23 6,5
конопляное . -— — 4,2 0,23 0,16 7,7 0,27 0,20 7,0
хлопковое . . 0,50 0,23 6,5 0,29 0,097 10,04 0,32 0,11 9,-3
клещевинное 0,25 0,27 6,0 — — — 0,38 0,09 10,2
Оболочка
.подсолнечная 1,98 1,85 2,4 0,58 0,43 4,9 1,42 0,96 3,2
конопляная . 1,06 1,61 2,3 — — 6,5 1,21 1,17 2,9
хлопковая 1,94 1,04 3,0 0,51 0,28 5,9 0,94 0,46 4,6
клещевинная 2,14 0,76 3,6 0,65 0,23 6,5 1,70 0,61 4,0
где с1э — средний эквивалентный диаметр частиц, м;
v — кинематическая вязкость воздуха, м2/сек;
ум — удельный вес частиц, н/м3;
ув — удельный вес воздуха, н/м3;
Уравнение (III—26) верно в пределах Fe = 40-?400 и при
влажности семян ниже 26% • Отметим, что в соответствии с ре-
зультатами цитируемой работы критическая скорость (она
в этой работе названа скоростью псевдоожижения) тем больше,
чем выше влажность семян подсолнечника.
Скорость &у, при которой наступает разрушение кипящего
слоя и начинается унос частиц (это соответствует равенству
порозности слоя е=1), может быть найдена из уравнения [296]: 18
18 + 0,61 /Аг
(III—27)
В уравнении (III—27) вместо окр в критерий Rey входит &у.
Для полидисперсных систем критерий Аг в уравнении
(III—27) определяют по наименьшему диаметру частиц.
50
Имеется график уравнений (III—24) и (III—27), определяю-
щий границы существования взвешенного слоя [296].
Скорость осаждения частиц зависит от режимов их движе-
ния, которые практически удобнее ограничивать не числами
Рейнольдса, а числами Архимеда
при Аг^Зб
г> Аг
Re =-------
18
при 36<Аг<;84 ООО
__ / Ar \1,4
~ \ 13.9 / ’
(III—28)
(III—29)
приАг>84 000
Re = 1,71]/Ar. (III—30>
Скорость осаждения частиц находят из уравнения:
Re?-Cg
4?с
Щ = <р
(III—31)
где ср — коэффициент формы частиц.
Для шарообразных частиц <р=1. По опытным данным [150],
при Аг<84 000 можно принять для частиц округлой формы
<р = 0,77, для частиц угловатой формы ср = 0,66, для продолгова-
тых частиц <р = 0,58 и для пластинчатых частиц ср = 0,43.
В качестве геометрического параметра принимается экви-
валентный диаметр по формуле
<4=1,241/-. (III—32)
Г У
Известны опытные данные [207] по величине эквивалентного
диаметра частиц в подсолнечной мисцелле:
Эквивалентный диа
метр частиц, мм
Более 0,16
0,13—0,16
0,10—0,13
0,05—0,10
0,02—0,05
Менее 0,02
Содержание
фракций. %
74,3
11,8
4,1
5,1
3,0
1,7
По имеющемуся сообщению [266], в соевом масле макси-
мальный, средний и минимальный размер частиц соответственно
Равен 0,443, 0,195 и 0,069 мм, в подсолнечном масле — 0,424,
0,267 и 0,150 мм, в соевой мисцелле — 0,031, 0,020 и 0,014 мм и
51
в подсолнечной — максимальный размер 0,021 и минимальный
0,013 мм.
Из приведенных данных совершенно очевиден полидисперс-
ный характер механических примесей в мисцелле, с которым
связано различие в седиментационных скоростях для разных
фракций частиц и во времени оседания частиц. Полное выпа-
дение осадка наблюдается через 17 ч [207].
Необходимо подчеркнуть, что приведенные абсолютные зна-
чения эквивалентного диаметра частиц носят частный характер:
они характеризуют только вид материала и работу аппарата
данной конструкции1. Размер частиц в мисцелле и масле, а
следовательно, и скорость их оседания, зависят от многих
факторов: вида и качества материала, всей совокупности пара-
метров технологии его получения, режима работы данной ма-
шины (пресс) или аппарата (экстрактор) и т. п. Поэтому задача
получения значений скорости оседания частиц для каждого кон-
кретного случая технологии чрезвычайно сложна. Целесооб-
разно пользоваться приведенными выше обобщенными зависи-
мостями, которые, однако, имеют приближенный характер.
УДЕЛЬНАЯ ПОВЕРХНОСТЬ
Различают внешнюю, внутреннюю и полную поверхность
сыпучих материалов производства растительных масел: мятки,
мезги, жмыха, лепестка, шрота.
Внешняя поверхность приближенно может быть определена
лишь для некоторых частиц более или менее правильной
формы, например, лепестка [19, 464], целых семян сои [19] или
арахиса [48] (при допущении, что семена обладают шарообраз-
ной формой). О внешней поверхности массы частиц неправиль-
ной формы можно ориентировочно судить по их фракционному
составу, когда средний размер данной фракции принимается
за диаметр частиц этой же фракции. Для такого случая не-
трудно получить расчетную формулу, если допустить, что мате-
риал состоит из одинаковых по размеру шарообразных частиц
[26]. Если ds — эффективный диаметр частиц, п — количество
частиц в единице объема, ун— насыпная масса частиц, то для
поверхности единицы массы материала будем иметь
f = -Ь. (Ш-зз)
Тн
1 В цитируемой работе [207] нет указания на вид материала и кон
струкцию экстрактора, ио можно предполагать, что исследования выполнены
на мисцелле из форпрессового жмыха подсолнечника, полученной на экст-
ракторе НД-1000.
Приняв за ф пористость слоя частиц, получим
откуда
(III—34)
(III—35)
1 208
Так как фср = 0,3675 [214], то п= ——. Подставляя значение
для п в выражение (III—33), будем иметь
1,208тс
(Ш-36)
Величина de определяется на основании данных ситового
анализа из формулы Козени [211]:
i=k
J22_ = y-^-, (in—37)
Ляал d-
1=1
где Ag'i — процентное содержание частиц, имеющих диаметр dt.
В связи со сделанными допущениями выражение (III—36}
з,ает значения внешней удельной поверхности не истинные, а
лишь пропорциональные им. Чем больше фракций будет выде-
лено с определением их доли в общей массе материала, тем
точнее будут результаты, получаемые из уравнения (III—36).
Под внутренней поверхностью понимается поверхность пор
(микро- и макрокапилляров) и трещин внутри частиц. Эту
часть поверхности определить довольно сложно; особенно это
относится к тупиковым порам, поверхность которых в имею-
щихся экспериментальных данных [219, 220] не учитывается.
В табл. 9 представлены экспериментальные данные по
удельной поверхности некоторых материалов производства рас-
тительных масел, полученные методом Дерягина, основанным
на измерении сопротивления фильтрации сильно разреженного
воздуха через исследуемый материал (полная поверхность минус
поверхность тупиковых пор). Исследуемые материалы предва-
рительно обезжиривали, высушивали и уплотняли.
Данные табл. 9 свидетельствуют о том, что в ходе жарения
удельная поверхность материала уменьшается в 2—5 раз.
Предполагается [219], что уменьшение удельной поверхности
может служить одним из показателей готовности мезги к прес-
сованию.
53
Таблица 9
Удельная поверхность (полная, без тупиковых пор) некоторых материалов
производства растительных масел [219, 220], м^г
Материал Подсолнечник Арахис
Мятка 4,174 4,362 4,620 1,656*=
Мезга из чага
1-го 3,521 3,250 4,600 1,616
2-го 3,206 3,043 4,389 1,518
3-го . . . . 1,888 1,465 4,481 1,031
4-го 1,835 1,425 3,405 0,898
5-го 1,570 1,254 2,752 0,904
6-го 1,369 1,155 1,914 0,970
Форпрессовый жмых .— 0,745 0,366 0,307'
Мезга при поступлении в пресс МП-21 0,439 0,409 — —
Жмых после плющения — .— 0,432 0,254
Лепестск, поступающий па экстракцию — — 0,547 0,460
Шрот — — 0,455 0,347
Л е и
Мятка 4,058 4,890 6,048 —
Мезга при поступлении в cbopnpecc 2,986 3,527 4,270 —.
Жмых форпрессовый 1,388 1,102 1,610 —
Мезга при поступлении в пресс ЕП 1,095 0,990 1,293 —•
Жмых из пресса 0,275 0,243 0,447 —
* Мятка арахиса получена при пропускании ядра через один проход пяти-
вальцового станка.
=&т
УПРУГИЕ И ПЛАСТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕЗГИ
В табл. 10 ‘приведены данные, относящиеся к пластичности
подсолнечного ядра, мятки и мезги [311]. Величины давления*
соответствующие началу периодического выползания материала
и началу непрерывного истечения материала через зеерные
щели, имеют какую-то связь с нижним и верхним пределами;
текучести, а разность между этими давлениями дает опреде-
ленное представление о той зоне пластических деформаций, ко-
торая, по имеющемуся предположению [97], важна для эффек-
тивности прессования.
Из этих данных видно, что с ростом влажности материала-
возрастает его пластичность и уменьшается разность между дав-
лениями начала непрерывного истечения и начала выползания,
материала через зеерные щели.
С ростом температуры прессования увеличивается пластич-
ность материала [311]. Так, при прессовании подсолнечной мят-
ки при 20 °C давления начала периодического выползания и не-
прерывного истечения равны 625 и 1100 кГ/см2, а при 105°C—-
54
Таблица 10
Некоторые характеристики пластичности ядра, мятки и мезги
подсолнечника1
Влажность материала, % Давление начала периодическсн о выползания материала через зеерные щели, кГ/ см2 Давление начала непрерывного исте- чения материала через зеерные щели, кГ/c и2 Разность между давлениями начала непрерывного исте- чения и начала выползания, кГ/см2
Ядро подсолнечное (прессование пр и 20 °C)
2,28 1000 2000 1000
5,28 875 1125 250
8,00 625 687 62
12,0 225 262 37
16,90 125 150 25
23,07 62,5 62,5 0
Прогретая подсолнечная мятка (прессование
при 105—НО °C)
2,5 1250 1750 500
4,0 625 . 1000 375
8,3 125 188 63
Выжарен ная подсолнечная мезга (прессование
при 105 — ПО °C)
2,3 1750 2000 250
5,4 375 625 250
6,5 175 350 175
1 Данные получены при прессовании в лабораторном зеерном цилиндре вы-
сотой 116 мм и внутренним диаметром 25 мм.
соответственно 500 и 750 кГ)см2. При тепловой денатурации
белков пластичность мезги, по-видимому, понижается.
Об упругих и пластических свойствах мезги можно косвенно
судить по степени ее сжатия, представляющей собой отношение
объема мезги до приложения давления (исходный объект) к
объему мезги при данном давлении. Уменьшение объема мезги
при давлении па нее происходит вследствие сближения частиц,
их уплотнения и отжима масла. Понятно, что чем больше дав-
ление, тем больше степень сжатия мезги. Это показано на
рис. 20 на примере мезги из семян подсолнечника. Из рисунка
видно, что, начиная с некоторого давления в изученных преде-
лах его изменения, зависимость приобретает практически ли-
нейный характер. Чем больше влажность мезги, тем больше
степень ее сжатия при одном и том же давлении, что хорошо со-
гласуется с отмеченным выше ростом пластичности мезги при
увеличении ее влажности. По тем же данным [246], с повыше-
нием температуры мезги от 80 до 90 °C возрастает доля упру-
55
гих деформаций, тогда как при поднятии температуры от 90 до
100 °C возрастает доля пластичных деформаций.
Имеются попытки определить ориентировочные значения
степени сжатия мезги в шнековых прессах. Так, при однократ-
ном прессовании хлопковой мезги на 'Прессах МП-21 и МПЭ-2
степень сжатия мезги находится в пределах 3,49—4,41, а при
предварительном прессовании на прессах ФП — в пределах
2,81—2,96 [102].
Рис. 20. Зависимость степени сжатия е подсолнечной мезги от
удельного давления р [246] при температуре жаренья и прессо-
вания мезги 100 °C и влажности:
7 — 2,02%; 2 — 1,60%; 5 — 0,50%; 4 — 0,40%.
Интересно проследить изменение степени сжатия хлопковой
мезги по ходу ее прессования в прессе ZP [127].
Из данных табл. 11 видно, что в реальном прессе конечная
степень сжатия мезги, или точнее жмыха, является результа-
том последовательного нарастания этой величины по ходу
прессования, причем степень сжатия мезги находится в обрат-
но пропорциональной связи с важнейшим показателем работы
шнекового пресса — масличностью (44) мезги (жмыха). Сте-
пень сжатия подсолнечной мезги в 2—3 раза больше степени
Таблица 11
Изменение степени сжатия хлопковой мезги в процессе прессования
Номер витка Верхний эсер
1 2 3 4 5 G 7
£ 1 — 1,7 2,15 2,52 2,70 2,72
м, % 39,00 38,10 34,90 26,10 15,10 13,03 12,90
56
Продолжение табл. 11
Номер витка Нижний зеер Перед кону- сом
1 2 3 4 5 6 7
£ 1,095 1,13 2,46 2,64 2,75 2,82 2,95 3,02
м, % 12,30 11,90 12,20 10,43 8,80 7,95 6,50 5,97
сжатия хлопковой мезги, что можно объяснить, во-первых,
большим объемом отжимаемого масла в связи со значительно
более высокой масличностью подсолнечной мезги по сравне-
нию с хлопковой и, во-вторых, вероятно, иным соотношением
между пластичной и упругой деформациями. По имеющимся
данным [247], степень сжатия подсолнечной мезги зависит от
ширины выходной щели пресса, для форпоесса ФП она равна
4,77—9,69 *,
Глава IV. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ
ПРОИЗВОДСТВА РАСТИТЕЛЬНЫХ МАСЕЛ
РАСТВОРИТЕЛИ
Общие сведения
Имеющие промышленное значение растворители раститель-
ных масел можно разделить на технически чистые растворители,
применяемые индвидуально, и смеси технически чистых раство-
рителей друг с другом и с водой.
Первый тип растворителей, наиболее распространенный в
современной практике, может быть разделен на следующие ос-
новные группы: алифатические углеводороды, хлор производные
алифатических углеводородов, ароматические углеводороды и
алифатические кетоны !.
Второй тип растворителей можно условно разбить на две
группы: смеси органических растворителей различной химиче-
* В указанной работе [247] имеется значение 13, 20, но это единственная
Цифра, выпадающая из общего ряда цифр, является, по-видимому, следствием
случайной ошибки опыта.
1 В отличие от классификации, данной в ранее опубликованной работе
[97], добавлена группа алифатических кетонов, представитель ее — ацетон—
в последние годы нашел промышленное применение; алифатические спирты,
которые предполагается использовать только в смеси с водой, отнесены ко
второму типу растворителей.
57
ской природы друг с другом и смеси органических растворите-
лей С 'ВОДОЙ.
Алифатические углеводороды имеют наибольшее значение вс
мировой и отечественной практике.
Смеси растворителей начали применять, стремясь осущест-
вить извлечение комплекса веществ, присутствующих в маслич-
ных семенах (фосфатиды, углеводы, госсипол и т. in.), с одно-
временным или последующим (в схеме двухступенчатой экст-
ракции) извлечением собственно растительного масла.
В Советском Союзе промышленное значение имеют пока
лишь алифатические углеводороды, представленные экстракци-
онными бензинами (ГОСТ 462—51 и МРТУ—12Н № 20—63).
Экстракционные бензины или технический гексан, применяе-
мые в промышленности разных стран, состоят в основном из
более или менее близких по химической природе соединений
(нормальных углеводородов) и небольшого количества прочих
веществ.
К алифатическим углеводородам относятся смеси бутан —
пропан, являющиеся газообразными при нормальных условиях.
Их применение для экстракции растительных масел, целесооб-
разность которого пока еще только исследуется [70], возможно
в сжиженном виде, т. е. при обычной температуре под избы-
точным давлением.
Из хлорпроизводных алифатических углеводородов в Совет-
ском Союзе промышленное применение находил технический
дихлорэтан. В промышленности США, по имеющимся данным
[384, 484], используется трихлорэтилен. В некоторых работах
[384] упоминается четыреххлористый углерод.
Из ароматических углеводородов применяется технический
бензол (КНР) с пределами кипения 79,5—80,5 °C и плотностью
882—886 кг/ж3 при 15,5—15,3 °C [22].
Наконец, из алифатических кетонов в промышленности при
переработке семян хлопчатника стали использовать ацетон
[496, 497].
Судя по опубликованным данным, второй тип растворителей
в настоящее время промышленного применения не находит.
В свое время на установке Вольмана в Германии для улучше-
ния извлечения фосфатидов применяли смесь экстракционного
бензина с этанолом [141], позже исследовалась экстракция хлоп-
кового и соевого лепестка смесью технического гексана с эта-
нолом [391].
Из смесей органических растворителей с водой значитель-
ный интерес представляют водный ацетон [241] и водный эта-
нол [478] в схемах двухступенчатой экстракции семян хлоп-
чатника. ।
Широко исследовалось применение в качестве растворителя
водного этанола при переработке различных масличных семян.
58
Сводку литературы по этому вопросу можно найти в опублико-
ванной работе [66]. Применение водного этанола при перера-
ботке, например, соевых семян заманчиво в том смысле, что
из-за ограниченной растворимости в нем нейтрального масла
мисцелла при охлаждении расслаивается на не требующее ра-
финации масло с небольшим содержанием этанола, спиртовый
слой с фосфатидно-углеводно-витаминным концентратом и фос-
фатидный осадок. Получающийся шрот отличается хорошими
пищевыми качествами. В довоенное время водный этанол
для экстракции соевого масла применялся в промышленном
масштабе [97].
Имеются опыты по использованию водного изопропа-
нола.
В последние годы делаются попытки применить тройную
азеотропную смесь гексан — ацетон — вода (53 : 44 : 3) для
экстракции [436] или такую же по количественному составу
смесь бензин — ацетон — вода для экстракции с одновремен-
ным отжимом мисцеллы [145] при переработке семян хлоп-
чатника.
Приведем некоторые групповые характеристики важнейших
промышленных растворителей.
Бензин (ГОСТ 462—51) выкипает в пределах 70—95 °C,
плотность его 712 кг]м? при 20 °C [76], молекулярная масса
90,40—91,98 [97], легкокипящий бензин (МРТУ—12Н № 20—
63) выкипает при температуре 70—85 °C, плотность его не бо-
лее 715 кг/м^ при 20 °C
Применяемый в Америке технический гексан фирмы Фил-
липс Петролеум К° выкипает в пределах 66—69 °C, а техни-
ческий гексан фирмы Америкен Минерал Спирит К° — в пре-
делах 67,2—70,0 °C [484]. По некоторым данным [468], амери-
канский технический гексан обладает пределом кипения
67—74° С, а применяемые в ФРГ экстракционные бензины вы-
кипают в пределах 63—81, 64—77 и 63—74 °C1.
Фракционный состав некоторых промышленных растворите-
лей из группы алифатических углеводородов наглядно виден
из рис. 21. Характер кривой между крайними точками (преде-
лами кипения) отражает фракционный состав раствори-
теля 2.
1 Отметим, что в различное время в Германии находили применение
экстракционные бензины с более широкими пределами кипения и большим
верхним пределом: 60—95, 65—95, 80—ПО, 45—123,5°C [418].
2 Подчеркнем, что фракционный состав и пределы кипения могут быть
не гесно связаны друг с другом, так что по одному из этих показателей нельзя
достаточно точно судить о другом. Например, при разгонке экстракционного
бензина с пределами кипения 42—135 °C оказалось, что в нем содержится
16,5 об. % углеводородов с температурой кипения 36 °C или ниже [451].
59
Чем более круто поднимается кривая, тем при данных пре-
делах кипения больше содержится в растворителе легкокипя-
щих фракций. Хорошими качествами по этому признаку отли-
чается технический гексан (кривая 4).
Фракционный состав растворителя не остается неизменным
при его многократном использовании после поступления в про-
изводство. Как правило, вначале в бензине увеличивается доля
Рис. 21. Фракционный состав некоторых
промышленных растворителей из груп-
пы алифатических углеводородов:
1 — экстракционный бензин — ГОСТ 462-51(284];
2 — синтетический бензин плотностью р2о =
= 704 кг/м3 [3401; 3 — синтетический бензин
плотностью р2о = 7ОО кг/м3 [340]; 4 — техниче-
ский гексан [425].
легкокипящих фракций, что хорошо видно из рис. 22, а по исте-
чении определенного промежутка времени фракционный состав
стабилизируется [431, 451, 468]. Это объясняется большими по-
терями тяжелых фракций со шротом и маслом, чем легких с
воздухом через неплотности и дефлегмационные системы.
Примеси бензола и непредельных углеводородов в алифати-
ческих нежелательны. Бензол повышает растворимость крася-
щих веществ, смол и восков в мисцеллах и ухудшает качество
масел [412, 456]. Непредельные углеводороды, по некоторым
60
данным [445, 450, 451, 467], при температурах маслоэкстрак-
ционного производства и таких катализаторах, как железо и ве-
щества шрота, дают продукты конденсации или полимериза-
ции, плохо удаляемые из шрота и масла. Возможно и разло-
жение непредельных углеводородов [431], что приведет к ро-
сту потерь растворителя.
В применяемых в СССР
экстракционных бензинах
содержание бензола огра-
ничивается 4%. В бензинах
ФРГ различных сортов оно
довольно сильно колеблет-
ся: в одном сорте 0,4—
0,8%, в другом — 1,4—
1,7% и в третьем — 3,1 —
3,6%, а в американском
техническом гексане на-
ходится в пределах 4,2—
5,8% [468].
В советских экстракци-
онных бензинах содержание
олефинов ГОСТом не ре
гламентируется. В амери-
канских гексанах, по одним
данным [456], содержится
0,01—0,12% олефинов, по
другим [473], — 0,007—
0,15%. В экстракционных
бензинах ФРГ содержание
олефинов составляет 0,003—
0,004% [473].
Физические свойства
В табл. 12 приведены
основные физические свой-
ства наиболее важных ин-
Рис. 22. Изменение фракционного со-
става экстракционного бензина при его
многократном использовании:
1 — исходный бензин с границами кипения
65—95 °C; 2, 3, 4 — оборотный бензин соответ-
ственно после двух, четырех и шести суток
использования [450].
дивидуальных растворителей. Свойства экстракционных бензи-
нов в настоящее время изучены еще очень мало [62, 97].
В таблице даны коэффициенты уравнения Антуана, по кото-
рому можно рассчитать зависимость упругости паров от тем-
пературы. Это уравнение имеет следующий вид [62]:
lgP = А
в
t+c
(IV—1>
На рис. 23 показана зависимость упругости паров некото-
рых промышленных растворителей из группы алифатических
61
I
углеводородов от температуры. Для сравнения приведена зави-
симость и для индивидуальных углеводородов.
Рис. 23. Зависимость упругости паров некоторых промышлен-
ных бензинов и индивидуальных углеводородов от температуры:
1 — п-гексан, т. кип. 68,7 °C при 760 мм рт. ст. [406]; 2 — н-гептан, т. кип.
98,4 СС при 760 мм рт. ст. [406]; 3 — n-окган, т. кип. 125,6 °C при 760 мм
рт. ст. [406]; 4 — технический гексан с пределами кипения 60—71 сС [471];
5 — экстракционный бензин фирмы Шелл [450]; 6 — экстракционный бензин
Эссо [450] (цифрами на кривых показано содержание паров растворителя
в воздухе в кг/м?).
Растворяющая способность
В качестве приближенной характеристики способности ма-
сел и растворителей смешиваться друг с другом обычно прини-
маются их диэлектрические постоянные. Чем ближе численные
значения этих констант у масел (для большинства из них
3,0—3,2, для касторового 4,7) и растворителей (см. табл. 12),
тем лучше они смешиваются. Так, растительные масла в любых
отношениях смешиваются со всеми растворителями из группы
алифатических углеводородов (экстракционные бензины, техни-
ческий гексан, n-гексан, /г-гептан), с бензолом, с хлорпроизвод-
ными алифатических углеводородов (дихлорэтан, трихлорэти-
лен, четыреххлористый углерод). Ацетон (безводный) занимает
в этом ряду крайнее положение. В спиртах на холоду масла
растворяются ограниченно и лишь при нагревании раствори-
мость повышается до полного смешения. Особенно это отно-
62
63
Продолжение табл. 12
Наименование растворителя Плотность паров, кг/м9 Упругость паров, мм pin. ст. Коэффициенты уравнения упругости паров Скрытая теп- лота парооб- разования при температуре кипения, ккал! моль Температура воспламене- ния, °C Темпера- тура плавле- ния, °C Литера- турный источник
А К С
п-Гексан — 150 (24,809 °C) 6,87773 1171,530 224,366 6,896 —25,7 —95,340 [62, 418]
п-Гептан — 50 (26,808 °C) 6,90240 1268,115 216,900 7,575 —6,3 —90,601 [62]
1,2-Дихлор- этан 63 (20 °C) 7,04636 1305,4 230 7,654 21,1 —35,87 [62]
Трихлорэти- лен 4,59 (при температуре кипения) 100 (31,4 °C) 30,4826 2936,227 7,9999 7,521 Невоспла- меняем —86,4 [62]
Четырех- хлористый углерод — 123,76 (26,03 °C) 6,93949 1245,0 230 7,161 (при температуре кипения) — —22,99 [62, 418]
Бензол 2,73 (при тем- пературе кипения) 100 (26,085 °C) 6,89745 1206,350 220,237 7,353 — 10,7 5,53 [62, 418]
Белобородов
Продолжение табл. 12
Наименование растворителя Формула Молеку- лярная масса Плотность, а/с.и8 Вязкость, спз Поверх- ностное натяже- ние , дин! см Диэлектри- ческая постоянная Темпера- тура кипения, °C Теплоем- кость , кал!моль Теплопро- водность, калЦсмх Хсек-град)
Ацетон CH3COCH3 58,087 0,79079* (20 °C) 0,3371 (15 °C) 23,32 (20 °C) 20,70 (25 °C) 56,24 30,87 (30 °C) —
Этиловый спирт сн3сн2он 40,086 0,79360 (15 °C) 1,078 (25 °C) 22,32 (20 °C) 24,30 (25 °C) 78,325 26,26 (21,15 °C) —
Изопропи- ловый спирт СН3СН(ОН)СН3 60,094 0,78916 (15 °C) 2,859 (15 °C) 21,79 (15 °C) 18,3 (25 °C) 82,40 35,79 (19,7 °C) 0,000377 (30 °C) . 0,000371 (60 °C)
Метиловый спирт СН3ОН 32,042 0,79609 (15 °C) 0,5506 (20 °C) 22,55 (20 °C) 32,63 (25 °C) 64,509 19,11 (18,85 °C) 0,00050 (29—50 °C)
Пропан сн3—сн2—сн3 44,06 0,5824 (—42,06 °C) 0,12 (20 °C) — —- —42,06 23,1 (—53,2 °C) —
п-Бутан сн3—сн2— —сн2—сн3 58,08 0,6 (0 °C) — — — 0,6 —
g> * При концентрации 99,70 %; 1 % Н2О увеличивает плотность на 0,0030 е/сл3.
Продолжение табл. 12
Литера- турный источник [62, 418] [391 [62, 418] [62, 418] [П2] [Н2]
Темпе- ратура плавле- ния, °C —95,35 — 114,5 —89,5 —97,49 — 187,6 —135
Температура воспламене- ния, °C —17,8 12,2 11,7 1 ‘ 11 1 1
Скрытая теп- лота парооб- разования при температуре кипения, ккал/моль о 9,304 9,569 со СО 4,43 5,31
Коэффициенты уравнения упругости паров О 230 230 J [ 1 1
1233,4 1652,6 1 1 1 1
7,19038 8,24169 1 1 1 1
Упругость паров, мм рт. ст. 181,72 । (20 °C) 40 (19 °C) 10 (2,4 °C) 40 (23,8 °C) 100 (39,5 °C) 200 (53 °C) 400 (67,8 °C) 1 (-44,0 °C) 10 (—16,2 °C) 40 (5,0 °C) 200 (34,8 °C) 400 (49,9 °C) 8,32 ат (20 °C) 1
-2,33 1
Плотность паров, кг/ м3 1 2,16 (при температуре кипения) 1 1 1,0
Наименование растворителя Ацетон Этиловый спирт Изопропи- ловый спирт Метиловый спирт Е га к о С Е га
сится к водным спиртам, что .представляет наибольший прак-
тический интерес.
Растворимость основных растительных масел в водном эта-
ноле различной концентрации в зависимости пт температуры
указана в зарубежных работах [476, 477, 479]. Эти данные уже
цитировались в отечественной литературе [30].
При добавлении в этанол или ацетон больших количеств
воды растворимость в них масел сильно снижается, что исполь-
зуется в схемах двухступенчатой экстракции хлопковых се-
мян [241, 478].
Вода с ее высокой диэлектрической постоянной, равной 81,
практически не растворяется в алифатических углеводородах.
Так, например, растворимость воды в гексане составляет
0,0111% об. (20°C), в гептане — 0,0151 г/100 г. В хлорирован-
ных алифатических углеводородах растворимость воды следую-
щая: в четыреххлористом углероде — 0,010 г/100 мл (24°C), в
трихлорэтилене — 0,032 г/100 г (25 °C) и в дихлорэтане —
0,15% по массе (20 °C); растворимость воды в бензоле
0,054 г/100 г (26°C).
Растворимость растворителей в воде отличается от раство-
римости воды в них. Так, растворимость в воде составляет: гек-
сана 0,014% об. (15,5°C), гептана 0,005 г/100 г (15,5°C), четы-
реххлористого углерода 0,077 г/100 мл (25°C), трихлорэтилена
0,1.1 г/100 г (25 °C), дихлорэтана 0,81% по массе (20 °C), бен-
зола, 0,180 г/100 г (25°C).
Растворимость экстракционного бензина в воде при 25 °C
колеблется в пределах 0,0017—0,0034% [445]. Однако содержа-
ние бензина в сточных водах может значительно превышать эти
значения из-за его эмульгирования [483].
Ацетон и алкоголи смешиваются с водой в любых отноше-
ниях.
РАСТВОРЫ (МИСЦЕЛЛЫ)
Физические свойства
Плотность. Приближенные расчеты плотности мисцелл для
растворителей группы алифатических углеводородов могут
быть сделаны по закону аддитивности (правилу смешения),
так как зависимость плотность — состав для подобных систем
близка к линейной. Более точный расчет рекомендуется произ-
водить по уравнению, которое действительно и для других
групп растворителей [487]:
V = -^- = a — (a — b + 4K)x-j-4Kx2, . (IV—2)
где V — удельный объем мисцеллы;
D —плотность мисцеллы;
3* 67
66
a = 1/£>р;
b = 1/Z?M
(Dp—плотность растворителя, £>м—плотность масла);
х — доля масла в мисцелле по массе;
/С — константа, величина которой зависит от специфично-
сти растворителя и температуры и сохраняется посто-
янной независимо от вида масла, за исключением ка-
сторового, для которого К имеет свою величину.
Значения константы К для 23 растворителей приведены в ра-
нее опубликованной работе [30].
Вязкость. Вязкость не поддается расчету по закону адди-
тивности. Как видно из рис. 24 [16], при увеличении концентра-
ции по маслу приблизительно до 50—60% (по массе) вязкость
увеличивается плавно и относительно медленно, а затем начи-
нается быстрый рост вязкости. Удобные для определения чис-
ленных значений вязкости мисцеллы (подсолнечное, хлопковое,
соевое масло — экстракционный бензин — ГОСТ-462—51) диа-
граммы приведены в другой нашей работе [30]. Вязкость мис-
целлы хлопковое масло — трихлорэтилен можно рассчитать по
эмпирической формуле [388]:
lgp = rzx — b, (IV—3)
где ц — вязкость, с/гз;
х — доля масла в мисцелле по массе;
а, Ь — коэффициенты, рассчитываемые по уравнениям:
а = 2,24 — 0,0094/, (IV—4)
Ъ = 0,1364 — 0,00353Л (IV—5)
где t — температура, ° С.
Точность уравнения (IV—3) составляет ±2%' при концент-
рации мисцеллы до 40 %: (шцмаосе).
Поверхностное натяжение [174]. Зависимость поверхностного
натяжения масел, растворителей и мисцелл от температуры,
как правило, имеет линейный характер. Это видно из рис. 25 на
примере мисцеллы подсолнечное масло — легкокипящий экс-
тракционный бензин (МРТУ—12Н № 20—63). Температурная
зависимость поверхностного натяжения для масел и легкокипя-
щего экстракционного бензина численно определяется форму-
лами:
для подсолнечного масла (IV—6)
at = 34,5 — 0,062^,
для хлопкового масла = 35,5 — 0,080/, (IV—7)
для льняного масла = 34,3 — 0,057Л (IV-8)
68
65
60
55
50
65
60
35
25
15
10
5
0
О
5:
- О
5
- 60
65
- 65
50
65- 60-
- 55
60
- 5В
35
- 30
- 65
- 25
- 60
- 20
- 35-
- 15
-30
- 25
- 10
5
- 20
- 15
- 10
- 5
5
ог
60
50.
60'
30'
20
60
50
60
30
50
50
60
30
О 10 20 30 60 50 6В 70 80 00 100
Концентрация, УоПОмасоЕ
Рис. 24. Зависимость вязкости мисцелл от концентра-
ции при различных температурах (температуры в °C
показаны на кривых).
6
для экстракционного бензина
= 21,78 — 0,089г1.
Изотермы поверхностного натяжения
плавных вогнутых кривых (рис. 26).
(IV—9)
мисцелл имеют вид
Рис. 25. Зависимость поверхностного
натяжения подсолнечной мисцеллы
от температуры (политермы поверх-
ностного натяжения):
1 — бензин; 2—5 — мисцелла с концентра-
цией (% по массе) соответственно 19,97;
41,16%; 58,53%; 73,72%; 6 — масло.
Рис. 2G. Зависимость поверхностно-
го натяжения подсолнечной мисцеллы
от концентрации (изотермы поверх-
ностного натяжения) при температу-
ре в °C:
/ — 20; 2 — 30; 3 — 40; 4 — 50; 5 — 60;
о — 70,
Для расчетов можно рекомендовать следующие эмпириче-
ские формулы, отражающие зависимость поверхностного натя-
жения мисцелл в дин/см от температуры и концентрации (в %):
При концентрации до 75% (по массе)
для подсолнечной мисцеллы
о = 21,78 — 0,015с + 0,00109с2 — (0,089 — 0,000269с) t, (IV—10)
70
для хлопковой
в = 21,78 +0,025с + 0,000525с2 —(0,089— 0,0001с)/, (IV—11)
для льняной
0 = 21,78 + 0,035с + 0,000282с2 —(0,089 —0,000286с)/, (IV—12)
При концентрации более 75% (по массе)
для подсолнечной мисцеллы
а = 0,415с0'96 — (0,089 - 0,000269с) t, (IV—13)
для хлопковой
а = 0,540с°’91 — (0,089 — 0,0001с) t, (IV—14)
для льняной :
а = 0,745с0’83 — (0,089 — 0,000286с) t. (IV—15)
Относительная ошибка вычислений по приведенным форму-
лам колеблется в пределах ± 0,5-г- 2 %.
Присутствие в растительных маслах фосфатидов и свобод-
ных жирных кислот в обычных пределах их содержания на по-
верхностном натяжении заметным образом не сказывается.
Коэффициенты диффузии (17, 19]. Численные значения моле-
кулярных коэффициентов диффузии растительных масел были
найдены методом деления на слои. При 20 °C они равны
(в см2)сек):
Растворитель — экстракционный бензин
Сырое хлопковое, к. ч. 11,5*......................0,71 -10—5
Рафинированное хлопковое..........................0,70-10—5
Сырое подсолнечное, к. ч. 2,25 ................... 0,68-10—5
Сырое арахисное, к. ч. 0,64 ...................... 0,72-10—5
Сырое льняное.....................................0,68-10—5
Рафинированное льняное............................0,67-10_5
Сырое соевое, к. ч. 1,74 ......................... 0,59-10—5
Сырое кориандровое, к. ч. 5,77 ................... 0,59-10—5
Рафинированное кориандровое.......................0,62-10—5
* Кислотное число в мг КОН.
Растворитель — дихлорэтан
Сырое хлопковое, к. ч. 11,5.........................0,29-10—5
Сырое подсолнечное, к. ч. 2,25 ..................... 0,30-10—5
Сырое соевое, к. ч. 1,74 ........................... 0,28-10—5
Порядок молекулярных коэффициентов диффузии раститель-
ных масел такой же, как и для большинства жидкостей [121].
Для дихлорэтана коэффициенты диффузии меньше, чем для
бензина, в соответствии со значениями их вязкостей.
71
Экспериментальное определение коэффициентов молекуляр-
ной диффузии при повышенных температурах представляет
большие методические трудности в связи с невозможностью
избежать возникновения конвективных токов. Поэтому имею-
щиеся данные [383] для диффузии арахисного масла в бензин
с пределами кипения 80—120 °C следует рассматривать как
приближенные:
Температура, °C.......................
Коэффициент диффузии D-105 см1 /сек . .
15,4 29,6 38,5 52,4
0,55 0,63 0,68 0,78
Рис. 27. Номограмма Отмера н Такара для определения молекулярных
коэффициентов диффузии в разбавленных растворах.
Для очень приближенных определений коэффициентов диф-
фузии растительных масел, как показала проверка [19], может
быть использована номограмма [466], показанная на рис. 27.
Температура кипения и давление паров. Температура кипе-
ния мисцеллы и давление паров растворителя над ней откло-
няются от закономерности, свойственной идеальным растворам.
Поэтому для расчетов приходится применять эмпирические
формулы. В частности, для мисцеллы подсолнечное масло —-
легкокипящий (70—85 °C) экстракционный бензин предложены
следующие формулы [175]:
при концентрации до 60% (по массе)
t = (2,5 + 0,025с) р0-505-0’000^, (IV—16)
72
при концентрации 60—70% (по массе)
t = 0,00138с* 1’04 р0’67-°’003£с
при концентрации выше 70%! (по массе)
« 1П—5 3,57 0,73—0,0043с
/;==0,135-10 с р
(IV—17)
(IV—18)
где t — температура кипения, °C;
с —концентрация мисцеллы, °/о по массе;
р — остаточное давление, мм рт. ст.
Точность этих формул ± 2,0%.
Температура кипения подсолнечной мисцеллы не зависит
заметным образом от со-
держания фосфатидов и
свободных жирных кислот
в обычных для сырых ма-
сел пределах.
Характерная зависи-
мость температуры кипения
мисцеллы от концентрации
при различных давлениях
показана на рис. 28. Приб-
лизительно такой же харак-
тер эта зависимость имеет
и для мисцелл хлопко-
вое масло — промышленный
гексан [471] и хлопковое
масло—трихлорэтилен [386].
В связи с изучением за-
кономерностей окончатель-
ной дистилляции особый
интерес представляют дан-
ные по давлению паров вы-
сококонцентрирова иных
мисцелл. Такие данные бы-
ли получены для мисцеллы
подсолнечное масло — лег-
кокипящий экстракционный
бензин [178] при изменении
концентрации выше 95%
(по массе). С увеличением
температуры давление па-
ров возрастает по слабо во-
гнутым кривым, а с уве-
личением содержания бен-
зина при постоянной темпе-
0 10 20 30 40 50 60 70 80 SO 1UO
Концентрацоя,/!, по массе
Рис. 28. Зависимость температуры
кипения мисцеллы подсолнечное
масло — легкокипящий экстракцион-
ный бензин от концентрации при ос-
таточном давлении в мм рт. ст.:
1 — 760. 2 — 600, 3 — S0O, 4 — 400, 5 — 300
[175].
73
ратуре — линейно. В целом эти зависимости отражены эмпири-
ческим уравнением;
р = 10°.77+0,00945^ (IV—19)
где р — давление паров, мм рт.ст.;
t — температура мисцеллы, °C;
х —содержание бензина в мисцелле, % по массе.
Точность этой формулы колеблется в пределах ± 1,0 + 6,0%.
Аналогичный характер зависимости давления паров высококон-
центрированной мисцеллы от температуры и содержания рас-
творителя был получен для системы соевое масло — гексан
с температурой кипения 68,3 °C [489].
Имеющиеся данные для системы хлопковое масло — три-
хлорэтилен [386] при максимальной концентрации мисцеллы
92,3%' (по массе) укладываются в почти прямолинейные изотер-
мы, тогда как в этой же области концентраций данные давле-
ние паров — температура описываются криволинейными зави-
симостями.
Мисцеллы как реальные растворы
Приведем некоторые понятия из термодинамики растворов
неэлектролитов [360] и на их основе проанализируем отклоне-
ние ряда свойств мисцелл от свойств идеальных растворов.
Мы будем рассматривать равновесную систему, а мисцеллу
оценивать как молекулярный раствор [97].
Определение летучести дается уравнением Льюиса:
P; = RTlnf;+B(T), (IV-20)
где ft — летучесть г-го компонента;
R — газовая постоянная;
Т — абсолютная температура;
В (Г) —постоянная интегрирования, зависящая только от
температуры;
рц —химический потенциал +го компонента.
Летучесть и химический потенциал являются термодинами-
ческими функциями и определяются температурой, давлением
и составом данной фазы. Под химическим потенциалом i-ro
компонента понимается частная производная свободной энталь-
пии системы по числу молей-данного компонента при постоян-
ных температуре, давлении и числе молей всех прочих компо-
нентов. Например, для двухкомпонентной системы, к которой
относится мисцелла, определение химического потенциала для
первого компонента можно записать так:
> (IV—21)
\ ощ / Г, р, п2
74
где G —свободная энтальпия системы; • .
гц, п2 —число молей первого и второго компонентов;
р — давление.
В термодинамике под идеальным понимается такой раствор,
для которого летучесть каждого компонента пропорциональна
его мольной доле во всем интервале концентраций при любых,
температурах и давлениях:
А = K.Ni, (IV—22)
где Ni — мольная доля компонента i;
Ki — коэффициент пропорциональности, имеющий физиче-
ский смысл летучести чистого t-го компонента при
данных давлении и температуре и в том же агрегат-
ном состоянии.
В соответствии со смыслом Кг определение идеального рас-
твора принимает вид
Л = Njl (IV-23)
Уравнение (IV—23) равным образом относится к паровой,
жидкой и твердой смеси.
Из определения идеального раствора в виде уравнения
(IV—23) вытекают два важных следствия [360]:
1) образование раствора не сопровождается объемным сжа-
тием или расширением. Иными словами, зависимость мольного
объема от состава должна иметь линейный характер. Из рис. 29
видно, что для раствора соевого масла в гексане эта зависи-
мость, хотя и не сильно, но все-таки вполне определенно откло-
няется от линейной 1. Поэтому, кстати сказать, квадратное урав-
нение (IV—2) для расчета плотности дает более точные резуль-
таты, чем закон аддитивности;
2) при смешении чистых компонентов не происходит выделе-
ния или поглощения тепла. Однако в действительности при сме-
шении соевого масла с органическими растворителями наблю-
дается определенный положительный или отрицательный Тепло-
вой эффект [429]. При смешении одинаковых навесок масла и
растворителя этот эффект выражается в повышении на 0,25—
3,01 град или понижении на 0,67—3,00 град температуры рас-
твора. Причина различия в знаках тепловых эффектов при сме-
шении соевого масла с разными растворителями еще не выяс-
нена.
1 Аналогичный характер имеет эта зависимость и для мисцеллы хлопко-
вое масло — гексан [176]. Заметим, что отклонение удельного объема в смрг
раствора соевого масла в гексане от удельного объема идеальной смеси от-
мечалось и ранее [429], однако различия именно мольных объемов могут
служить точной мерой отклонения свойств реального раствора от идеаль-
ного по этому признаку.
75
Один из важнейших признаков, по которому чаще всего су-
дят об отклонениях от свойств идеального раствора, — различие
в давлении паров растворителя. Из определения идеального
раствора (IV—23) легко получить выражение для давления
паров над таким раствором. Для идеальной жидкой фазы
в соответствии с этим определением запишем:
(Ш = д(/Х <IV-24>
где Xi — мольная доля Pro компонента в жидкой фазе.
Рис. 29. Зависимость мольного объема мис-
целлы соевое масло — гексан от состава
[176] при постоянной температуре (26,7°С).
Поскольку в состоянии равновесия летучесть t-ro компонен-
та в обеих фазах одинакова (А)ж= (h)r [360], то из уравнения
(IV—24) получим
<iv~25)
Для низких давлений, когда свойства газов близки к свой-
ствам идеального газа, летучесть можно заменить давлением.
В результате получается широко известное под названием за-
кона Рауля соотношение, которое впервые установлено, было
эмпирическим путем:
Pi = ХгР°,
(IV—26)
где . рг —давление пара Pro компонента над раствором;
р°£ — давление пара чистого i-ro компонента.
76
Таким образом, закон Рауля является частной формой
уравнения (IV—23), имеющего общее значение.
В той или иной форме отклонения свойств мисцеллы от за-
кона Рауля фиксировались многими исследователями [4, 97,
175, 176, 386, 395, 489]. На примере мисцеллы подсолнечное
масло — легкокипящий (70—85 °C) экстракционный бензин та-
рис. 30. Однако численные значе-
кое отклонение показано на
ния этих отклонений на-
гляднее всего можно выра-
зить при помощи активно-
сти, или коэффициента ак-
тивности.
Активность определяется
как отношение летучести
.компонента в данном со-
стоянии к летучести компо-
нента при той же темпера-
туре в некотором стандарт-
ном состоянии:
аг = А-. (IV—27)
Для растворов в каче-
стве стандартного состоя-
ния обычно принимается
состояние чистого компо-
нента при температуре и
давлении системы. При
низких давлениях актив-
ность определяется отноше-
нием:
Концентрация мисцеллы, мольные доли
Рис. 30. Зависимость давления па-
ров растворителя мисцеллы под-
солнечное масло — легкокипящий
экстракционный бензин от состава
[176] при постоянной температуре
а} = ~^, (IV-28)
Р° (70 °C):
пунктирная линия — по закону Рауля;
ГД6 рг- и р • имеют Те же сплошная -- по экспериментальным данным,
значения, что и в законе
Рауля (IV-26),ho значения pi относятся к реальному раствору.
Под коэффициентом активности понимается отношение
активности i-ro компонента к его мольной доле хр
ai
xt
(IV—29)
Из сравнения уравнений (IV—26) и (IV—28) видно, что
активность компонента в идеальном растворе равна его моль-
ной доле. Следовательно, в соответствии с уравнением (IV—29)
77
коэффициент активности для идеального раствора равен еди-
нице.
Из самого определения активности и коэффициента актив-
ности вытекает их зависимость от выбранного стандартного
состояния. В частности, на эти величины, помимо состава, влия-
ет температура системы.
На рис. 31 показана зависимость коэффициента активности
некоторых мисцелл от состава Обе кривые однотипны и по
мере увеличения содержания растворителя приближаются
к единице. В общем из
0,1 \1—।—<—।—।—।_____।__। ।
01 0,2 0,3 ол 0,5 О,В 0,7 0,8 0,9 1,0
Мольная доля растворителя
Рис. 31. Зависимость коэффициента актив-
ности мисцелл от состава:
1 — хлопковое масло — технический гексан при
93,2 °C [393]; 2 — подсолнечное масло — легкоки-
пящий экстракционный бензин [176].
рис. 31 следует, что раст-
воры растительных масел
в органических раствори-
телях, по крайней мере в
растворителях из группы
алифатических углеводо-
родов, довольно сильно
отклоняются по свой-
ствам от идеальных рас-
творов. Лишь в очень раз-
бавленном виде растворы
растительных масел в ор-
ганических растворителях
приближаются по свойст-
вам к идеальным раство-
рам.
Введение понятия ак-
тивности практически ва-
жно в том смысле, что
эту величину или произ-
ведение ytXt можно под-
ставлять вместо мольной
доли в уравнения для
идеальных растворов и благодаря этому использовать такие
уравнения для расчета свойств реальных растворов.
Таким образом, активность, или коэффициент активности,
является своеобразной мерой отклонения свойств реального
раствора от свойств идеального. Для расчета коэффициентов
активности двухкомпонентных систем предложены различные
уравнения (Вооля, Скетчардй-Хамера, ван-Лаара, Маргулеса
и др.). Наиболее общими являются уравнения Вооля:
lgY1 = zf [Л + ----А
(IV-30)
1 Коэффициент активности для мисцелл рассчитывался как отношение
давления паров растворителя над данным и идеальным растворами [176, 393],
что соответствует значениям, получаемым из уравнения (IV—29). Справед-
ливость этого можно видеть из сравнения уравнений (IV—26) и (IV—28).
78
lgY2 = zf [b+2z2(A-^--B I , (IV—31)
L к Qi 7 J
где Zi, z2 — эффективные объемные доли первого и второго
компонентов;
71,^2 —эффективные мольные объемы первого и второго
компонентов;
А, В — константы.
В этих уравнениях константы А, В и отношения —, —
?2 <71
определяются опытным путем '.
Свойства мисцелл отклоняются от значений, рассчитанных
по закону аддитивности, также по вязкости, показателю пре-
ломления и поверхностному натяжению [97, 176, 429].
СМЕСИ ТВЕРДОЕ ТЕЛО-МИСЦЕЛЛА (РАСТВОРИТЕЛЬ)
Отдельные частицы
Проницаемость для растворителя. Сам факт сравнительно
быстрой экстракции масла из материалов е разрушенной внут-
ренней структурой (лепесток, крупка) свидетельствует о до-
вольно хорошей проницаемости таких частиц для растворителя.
Однако отдельные участки внутри частиц могут обладать повы-
шенным сопротивлением, что приведет к задержке проникнове-
ния растворителя в частицы .[326]. Роль проницаемости различ-
ных материалов с более или менее разрушенной внутренней
структурой в эффективности экстракции подробно рассмотрена
ранее [96].
Неразрушенные клетки масличных семян в принципе прони-
цаемы для органических растворителей, что качественно было
установлено уже давно [103], а позже подтверждено дополни-
тельными опытами [96]. Специальные исследования [279] пока-
зали, что проникновение растворителя (экстракционного бен-
зина) внутрь целых ядер масличных семян не заканчивается
в течение нескольких суток и зависит от температуры. Так,
например, для целых ядер арахиса при температурах 20, 36, 52
и 68 °C этот процесс длится соответственно около 10, 8, 4 и 2 су-
ток. Медленность проникновения растворителя внутрь целых
клеток — одно из обоснований требования максимального раз-
рушения клеточной структуры масличных семян при их подго-
товке к экстракции. В форпрессовый жмых растворитель про-
никает значительно быстрее, но скорость проникновения со вре-
менем падает, так что общая продолжительность этого явления
исчисляется несколькими часами [292].
1 Более подробно ознакомиться с теоретическими уравнениями для коэф-
фициентов активности можно по монографии [360].
79
Таблица 13
Коэффициенты внутренней диффузии масел
Экстрагируемый материал Растворитель Тем- пера- тура, °C Влаж- ность экстра- гируе- мого матери- ала, % Опреде- ляющий размер частиц (эф- фективный диаметр семян и крупки, толщина лепест- ка), мм Коэффициент диффузии D- 10s. смг/сек. Литера- турный источник
Ядро семян СОИ Экстракцион- ный бензин и 20 5,62 6,47 5,8 6,7 0,24 0,27 [19]
Ядро семян арахиса То же 20 36 52 68 4,5 8,61 2,42—2,43 3,01—3,15 3,59—3,88 5,49—5,57 [279, 282]
Технический гексан 24—26 13,0 0,20 0,26 0,32 0,40 0,71 0,72 (0,56 0,66 [0,68 0,34 [414]
Срезы семян арахиса Бензин с пре- делами кипения 80—120 °C 25 50 75 — — 0,65 1,36 2,80 [382]
Бензин с пре- делами кипения 120—150 °C 25 50 75 — — 0,45 1,00 2,55 [382]
Трихлорэтилен 26,5 — 0,20 0,28 0,44 0,53 5,9 8,5 19,1 10,8 [463]
Сырой соевый лепесток Экстракцион- ный бензин* 55 7,06 6,76 6,71 7,04 0,35 0,45 0,55 0,65 9,1 15,2 17,3 7,1 [19]
Дихлорэтан* 55 7,06 6,76 6,71 7,04 0,35 0,45 0,55 0,65 6,4 15,4 21,7 16,8 119]
80
Продолжение табл. 13
Экстрагируемый материал Растворитель Тем- пера- тура, °C Влаж- ность экстра- гируе- мого матери- ала, % Опреде- ляющий размер частиц (эф- фективный диаметр семян и крупки, толщина лепе- стка ). мм Коэффициент диффузии D-108, см.2[сек Литера- турный источник
Сырой соевый лепесток Экстракцион- ный бензин 55 — 0,30 2,5 [19]
Крупка экспел- лерного жмы- ха нз шелуше- ных и нешелу- щеных хлоп- ковых семян То же 25—30 4,17— 6,21 4,5 190 [19]
Крупка кори- андровых отходов 55 — 0,75 0,65 [19]
Коэффициенты внутренней диффузии. В табл. 13 приведены
коэффициенты диффузии (массопроводности) масла из различ-
ных материалов на конечных стадиях экстракции. Все данные
получены при экстракции в слое, за исключением данных для
сырого соевого лепестка, помеченных звездочкой.
Приведенные в табл. 13 данные имеют приближенный ха-
рактер.
Анализ их позволяет отметить следующее.
Клетки соевых семян обладают большим диффузионным со-
противлением (меньшим коэффициентом диффузии), чем клет-
ки семян арахиса, иногда на целый порядок. Сравнение мас-
личных семян по этому признаку принципиально важно для
объяснения их различной экстрагируемости, однако сейчас та-
ких обобщений сделать еще нельзя из-за недостатка опытных
данных.
С ростом температуры коэффициент диффузии увеличи-
вается, что вполне закономерно.
Разрушение внутренней структуры ядра плющением приво-
дит к возрастанию коэффициента диффузии на один или даже
на два порядка (см. соответствующие данные для сырого сое-
вого лепестка). Наибольшей величиной обладает коэффициент
Диффузии для экспеллерного жмыха, приближаясь к коэффи-
циенту свободной молекулярной диффузии, т. е. операция отжи-
81
ма масла в шнековых прессах в определенной степени улучшает
внутреннюю структуру материала для экстракции.
Растворителеемкость. Количество растворителя, удерживае-
мое отдельной частицей, зависит от его физико-химических
свойств и форм связи растворителя со шротом, которые по ана-
логии с классификацией форм связи влаги с материалом, пред-
ложенной Ребиндером, можно разделить на химические, физи-
ко-химические и физико-механические. Вопрос о формах связи
растворителя со шротом еще не изучен, однако, исходя из при-
роды растворителей и шротов, можно предполагать, что лишь
очень небольшое количество растворителя способно быть свя-
занным со шротом благодаря химическому взаимодействию.
Количество химически связанного растворителя зависит, конеч-
но, от химического состава растворителя и шрота и может из-
меняться в некоторых пределах. По-видимому, преобладающей
формой связи является физико-механическая, на что указыва-
лось п ранее [259].
Специфичным именно для шротов вопросом является нали-
чие в частицах не чистого растворителя, а мисцеллы, концен-
трация которой в глубинных участках частиц, особенно на ко-
нечных стадиях отгонки растворителя, может быть значитель-
ной. Это затрудняет отгонку остатков растворителя из шрота
[97], в связи с чем было даже предложено характеризовать этот
растворитель особой формой связи — связью в мисцелле шро-
та [135]. Для растворителеемкости (бензиноемкости) частиц
шрота, находящихся вне слоя, имеются лишь неполные опыт-
ные данные [25], наиболее важные из которых мы приводим
ниже. Бензиноемкость дается в процентах на абсолютно сухое
обезжиренное вещество:
Хлопковая крупка однократного
форпрессования из шелушен ы х семян
первых сортов................37,7
низких сортов............35,7
Хлопковая крупка экс неядерного жмыха
из семян первых сортов
шелушеных......................19,5
нешелушеных..............20,3
Данные по растворителеемкости частиц материала важны
для расчета процесса экстракции, потому что от этой величины
зависит концентрация мисцеллы внутри частиц, а следователь-
но, и разность концентраций. Значение этих данных распро-
страняется и на область отгонки растворителя из шрота, осо-
бенно для тех линий, в экстракторах которых слой шрота перед
его выходом на испаритель разрушается (HD-1000, HD-1250),
так что полная растворителеемкость шрота практически равна
82 i
растворителеемкости его частиц. Для других линий необходи-
мо знать полную растворителеемкость слоя шрота.
Слой частиц материала
Фильтрационные характеристики. Движение жидкости через
пористый слой частиц, называемое фильтрацией, по имеющейся
классификации [314] относится к так называемой смешанной
задаче, в отличие от движения жидкости по трубам (внутрен-
няя задача) и обтекания одиночного твердого тела (внешняя
задача). Внутренняя и внешняя задачи представляют собой два
крайних случая. Смешанная задача включает в себя бесконеч-
ное множество случаев от минимальной и до максимальной по-
ристости слоя частиц. При этом режим движения зависит от
скорости движения жидкости, ее вязкости и плотности, разме-
ра, формы и шероховатости частиц, их взаимного расположения
и пористости слоя.
Одна из наиболее важных характеристик движения жидко-
сти (мисцеллы, растворителя) через пористый слой частиц
(крупки, лепестка) — критические значения чисел Рейнольдса,
определяющие физическую границу перехода от ламинарного
режима движения к турбулизованному и от последнего к чисто
турбулентному. На рис. 32 приведены критические значения
критерия Рейнольдса для движения мисцеллы через слой ча-
стиц в виде крупки [24]. Структура критерия Рейнольдса при-
нята следующей:
Re = ; (IV—32)
где Wo —скорость движения мисцеллы в пересчете на полное
сечение аппарата;
de — эффективный (средний) размер частиц крупки;
v — кинематическая вязкость мисцеллы.
Суммарной характеристикой свойств слоя и протекающей
жидкости является коэффициент фильтрации. Проницаемость,
или коэффициент проницаемости, характеризует лишь слой ча-
стиц и зависит от их формы, размера и взаимного расположе-
ния. Проницаемость имеет размерность площади. Связь между
коэффициентом фильтрации и проницаемостью следующая:
К = , (IV—33)
JJl V
где с — проницаемость;
•у — удельный вес жидкости;
ц—динамическая вязкость жидкости;
. v — кинематическая вязкость жидкости;
g — ускорение силы тяжести.
8,4
Проницаемость — более удобный показатель для характе-
ристики свойств слоя, чем коэффициент фильтрации, во-первых,
потому что она не зависит от свойств жидкости и этим самым
выделяются свойства собственно слоя, и во-вторых, проницае-
Размер чистин, (гесиетрическии шраматр), си
Рис. 32. Критические значения критерия Рей-
нольдса:
_ ЛП
Re — переход от ламинарного к турбулизован-
ному режиму движения;
_ nl _ П1
^ет1П' Remax — соответственно минимальные и макси-
мальные значения, отвечающие так
называемой «локониой» фильтрации
[370];
Re — переход от турбулизованиого к турбу-
лентному режиму движения мисцеллы.
мость может быть применена при любом режиме движения ;
жидкости, тогда как коэффициент фильтрации относится лишь |
к ламинарному режиму движения.
В настоящее время имеются опытные данные по проницае-
мости некоторых материалов [126, 260]. Так, для сырого соевого
84
лепестка со средней площадью 0,44 мм2 она равна 0,97->
_-т-1,12 • 10 ’2 см2, а для лепестка со средней площадью 12,6 мм2—
4,75-^7,47-К) 2 см2. Для форпрессового подсолнечного жмыха —
0,52 т-1,45 • 10-2 см2. С увеличением размера частиц в общем на-
блюдается увеличение проницаемости их слоя. Добавление мел-
ких фракций частиц, как правило, приводит к уменьшению про-
ницаемости вследствие закупорки ими промежутков между
крупными частицами. По этой причине смесь крупных и мелких
частиц в определенной пропорции может обладать меньшей
проницаемостью, чем только мел-
кие частицы.
В связи с анализом работы
экстрактов типа HD-1000 вве-
дены понятия критической, опти-
мальной, условной критической и
условной оптимальной проница-
•емости [260]. Под критической по-
нимается проницаемость слоя,
ниже которой через аппарат не-
возможно пропустить заданное
количество жидкости, т. е. кри-
тическая проницаемость связана
с количеством растворителя, по-
даваемого в экстрактор. Опти-
мальной считается проницае-
мость слоя, обеспечивающая про-
хождение через экстрактор за-
данного количества растворите-
ля при высоте столба, которая
должна быть такой, что даль-
нейшее понижение ее (увеличе-
ние продолжительности стека-
ния растворителя из шрота) уже
Рис. 33. Условная критическая
(сплошные линии) и условная
оптимальная (пунктирные ли-
нии) проницаемости подсол-
нечного форпрессового лепе-
стка при различных количе-
ствах бензина, подаваемого в
экстрактор НД-1000, произво-
дительности экстрактора по
лепестку 80 т/еуткп и высоте
слоя:
1— 35 см; 2 — 40 см.
практически не приводит к снижению растворителеемкости слоя
шрота. Оптимальная проницаемость также связана с количест-
вом подаваемого в экстрактор растворителя. Условными кри-
тическая и оптимальная проницаемости становятся тогда, когда
при их расчете допускается, что мисцелла в шнековом экстрак-
торе не движется по винтовому каналу, а вся проходит через
слои материала на витках. Значения этих проницаемостей по-
казаны на рис. 33.
Действительный путь движения жидкости через пористый
слой частиц всегда больше высоты его, в частности, для слоя
форпрессового подсолнечного лепестка — в 1,87—3,28 раза [126].
Этот показатель является одной из характеристик слоя частиц
экстрагируемого материала, важных для исследования вопро-
сов гидродинамики при экстракции растительных масел.
85
Рис. 34. Изменение содер-
жания растворителя, нахо-
дящегося на поверхности
частиц и между ними, с вы-
сотой слоя [494]:
z — высота слоя: — содержа-
ние растворителя в слое между
частицами (в долях объема пу-
стого пространства); — коли-
чество растворителя, задержан-
ное на поверхности частиц.
Способность удерживать растворитель (мисцеллу). Общее
содержание растворителя в слое шрота можно разбить на три
части: внутри частиц, на поверхности частиц и между части-
цами.
Первую часть растворителеемкости слоя шрота мы рассмот-
рели выше.
Содержание растворителя внутри и на поверхности частиц
не зависит от высоты слоя. Растворитель между частицами
удерживается в слое силами капиллярного подъема и его коли-
чество изменяется с высотой слоя:
начиная с некоторого уровня, содер-
жание растворителя увеличивается по
мере уменьшения высоты слоя и до-
стигает максимальной постоянной ве-
личины- (рис. 34) там, где все проме-
жутки между частицами заполнены
растворителем (5 = 0). Такой харак-
тер распределения растворителя по-
высоте слоя относится к периоду вре-
мени после окончания стока и был
экспериментально подтвержден для
систем соевый лепесток — гексан [443],
и подсолнечный форпрессовый лепе-
сток — экстракционный бензин [78].
Отсюда вытекает вывод, что общая
растворителеемкость слоя шрота тем
меньше, чем больше высота слоя..
Однако при недостаточном времени
стока в силу того, что из верхних ча-
стей капилляров высоких слоев раст-
воритель еще не успел стечь, в то вре-
мя как для невысоких слоев этот
процесс уже закончен, зависимость может быть обратной [259].
Общая растворителеемкость слоя шрота, помимо его высоты и
времени стока, зависит от размера частиц и плотности их уклад-
ки, физических свойств растворителя (вязкость, плотность, по-
верхностное натяжение, угол смачивания) и температуры. Было
замечено [259], что бензиноемкость слоя шрота резко возрастает
при уменьшении размера частиц, начиная с некоторой величины
(для форпрессовой крупки с эффективного диаметра менее
1,5 мм и для сырого соевого лепестка, начиная с его площади
1,77 мм2).
Это явление легко объяснимо тем, что с некоторой величины
промежутков между частицами шрота начинают действовать
силы капиллярного подъема. Большое их значение для бензино-
емкости слоя шрота было подтверждено экспериментально
[78, 79].
86
Для расчета остатка мисцеллы в слое материала получена
эмпирическая зависимость [435]:
W^a + bx, (IV-34)
где W — количество мисцеллы, удерживаемой неподвижным
слоем материала, после стока (кг мисцеллы на 1 кг
твердого остатка);
х — концентрация мисцеллы (кг масла на 1 кг мис-
целлы) ;
а,Ь — эмпирические коэффициенты.
При х = 0 уравнение (IV^=;34) дает растворителеемкость
(остаток гексана, который применялся в цитируемой работе)
слоя шрота. В ранее опубликованных работах [30, 435] приве-
дены значения коэффициентов а и b для разных материалов
при различных высотах слоев и продолжительностях стока.
Растворитель, способный к стеканию в данных условиях,
стекает относительно быстро. По имеющимся данным [80, 435],
процесс стока растворителя из слоя шрота заканчивается в те-
чение нескольких минут.
Часть вторая
МЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
Глава К АНАЛИЗ ПРОСЕИВАНИЯ
В производстве растительных масел сита используются для
калибрования семян по размерам непосредственно перед очист-
кой (обычно это производится в самом сепараторе) или перед
обрушиванием, очистки семян от сорных примесей и разделения
ядра и оболочки (шелухи, лузги). Как правило, полный техно-
логический цикл в соответствующих машинах для очистки се-
мян или отделения ядра от оболочки не ограничивается исполь-
зованием только сита, хотя действие сита является его главней-
шей составной частью. Исключениями из этого правила являют-
ся примеры работы буратов или машин МХС для очистки хлоп-
ковых семян, двойных встряхивателей для отделения ядра от
шелухи и некоторых других машин, в которых разделение про-
исходит только по признаку различия в размерах частиц.
Для очистки семян и отделения оболочек от ядра почти ис-
ключительно применяются штампованные сита с отверстиями
круглой или продолговатой формы. Сита изготовляют из листо-
вой стали, в которой круглые отверстия пробивают в шахматном
порядке. Такое расположение отверстий является наиболее вы-
годным для увеличения живого сечения сита.
При анализе работы сита надо учитывать следующие воз-
можные виды движения частиц по его поверхности, что соответ-
ствует определенным классам механических явлений (см. гла-
ву 1):
движение одиночной частицы;
однослойное движение совокупности частиц;
послойное движение совокупности частиц;
движение массы частиц (сыпучего тела).
Под движением одиночной частицы понимают такое переме-
щение частиц на сите, при котором отсутствует взаимное их
влияние (нет соударений между частицами). Однослойное дви-
жение совокупности частиц, как правило, характеризуется их
взаимным влиянием (непосредственным контактом частиц друг
с другом). Послойное или многослойное движение совокупно-
сти частиц возникает вследствие различия коэффициентов тре-
нвя по ситу и внутренних коэффициентов трения (внутри сы-
пучего тела). С послойным движением тесно связано самосор-
тирование частиц в слое и проникновение проходовых часгиц
91
к поверхности сита. Дальше послойное движение будет рас-
сматриваться как равномерное поступательное движение па-
раллельных пластин, связанных между собой в горизонтальных
плоскостях силами трения. Наконец, под движением массы
частиц (сыпучего тела) понимается движение совокупности
сцепленных между собой частиц (это относится в основном к
опушенным хлопковым семенам и их шелухе), когда движение
частиц по ситу в первом приближении можно рассматривать
как движение тела, причем взаимное расположение основного
количества частиц не изменяется, за исключением проходовых
частиц, доля которых в общей массе относительно невелика
(например, отделение остатков ядра от шелухи хлопчатника).
Надо заметить, что движение массы частиц может быть без
обновления и с обновлением поверхности контакта между ча-
стицами и ситом. Последнее наблюдается на ступенчатых си-
тах, в цилиндрических или шестигранных ситах (бураты).
При рассмотрении видов движения частиц по ситу необхо-
димо учитывать характер движения сит, наиболее важный в
теоретическом и практическом отношениях:
возвратно-поступательное движение;
круговое поступательное движение (работа рассева);
движение цилиндрического или шестигранного сита вокруг
его продольной оси;
высокочастотное малоамплитудное движение сита в верти-
кальной плоскости (работа вибросита).
Все указанные движения могут совершаться при располо-
жении сит в горизонтальной или наклонной плоскостях.
В настоящее время еще не разработано единой теории ра-
боты указанных сит для всевозможных видов движения частиц.
Однако имеющиеся результаты уже позволяют осветить важ-
нейшие стороны механизма просеивания частиц. Этим мы обя-
заны в основном серии работ в области просеивания зерна и
продуктов его переработки.
В данной книге рассматривается работа сит с возвратно-по-
ступательным и круговым поступательным движением, посколь-
ку именно такие сита наиболее широко применяются в произ-
водстве растительных масел для операций калибрования, очист-
ки масличных семян и разделения рушанки. Применение цилин-
дрических или шестигранных сит, входящих главным образом в
конструкции буратов для очистки хлопковых семян, сокращает-
ся с каждым годом, так как бураты заменяются очистителями
ЧСП, работа которых основана на различии в аэродинамиче-
ских свойствах семян и примесей. Попытки применить вибраци-
онные сита для очистки масличных семян пока еще не привели
к ощутимым практическим результатам.
В настоящее время сложилось два метода анализа просеи-
вания на плоском сите: аналитический и вероятностный. Эти ме-
92
тоды, дающие основные зависимости процесса просеивания, вза-
имно дополняют друг друга. Рассмотрим каждый из этих ме-
тодов.
АНАЛИТИЧЕСКИЙ МЕТОД
В соответствии с исследованием [363] рассмотрим работу од-
ного сита или, как иногда его называют, элементарного сепара-
тора, т. е. тот случай, когда исходная смесь в ходе сепариро-
вания разделяется лишь на две фракции — проходовую QJ.
(«нижний» продукт) и сходовую Q” («верхний» продукт):
Рис. 35. Ход сепарирования двухкомпонентной смеси.
На рис. 35 показана диаграмма сепарирования двухкомпо-
нентной смеси. Нетрудно видеть, что в каждой данной точке х
по длине сита сохраняется равенство (V—1). Кривая разделения
смеси характерна тем, что вначале идет быстрый рост количе-
ства проходовой фракции Q’ , по мере продвижения смеси вдоль
сита он уменьшается и кривая асимптотически приближается к
некоторой линии NoNo, параллельной оси х, — границе «разде-
ляемое™ смеси». •'
Рассмотрим вначале случай сепарирования такой двухкомпо-
нентной смеси, все частицы которой способны пройти через си-
то. В этом случае граница «разделяемости смеси» поднимается
До уровня OHi.
При установившемся режиме работы сита количество посту-
пающей на него исходной смеси Q есть величина постоянная.
Поэтому дифференцирование равенства (V—1) по длине сита х
Дает
dQlx
dx
dQx
dx
(V-2)
93
Величина __£, обозначаемая через р, называется интенсив-
ен
ностью производительности элементарного сепаратора. Она
представляет собой количество проходовой фракции («нижне-
го > продукта), выделяемой с единицы длины элементарного се-
паратора в единицу времени. Размерность ее кгЦм-ч) или,
если QJ. измеряется в объемных единицах, м3/(м-ч) и т. п.
Интенсивность производительности прямо пропорциональна
удельной нагрузке:
Р = &7, (V-3)
где k — коэффициент пропорциональности, зависящий от свойств
исходной смеси и режима сепарирования.
Удельную нагрузку можно представить в следующем виде:
Q11
(V-4)
V
где QJ1— количество материала, проходящего через сече-
ние сита х в единицу времени (сходовая фрак-
ция) ;
v — скорость движения материала внутри сепарато-
ра (при установившемся режиме работы сепа-
ратора принимается постоянной).
С учетом уравнений (V—1—V—4) можно написать:
и dQ' т
v-~+$=Q> (V-5)
k dx
v dQ1} тт
4 + = (V-6)
k dx
Уравнения (V—5) и (V—6) являются общими дифференци-
альными уравнениями сепарирования.
Разделим переменные и проинтегрируем уравнение (V—6) в
пределах изменения длины сита от 0 до х:
— 1п-^- +х = О, (V—7)
k Q ’
или после окончательного преобразования:
xk
Q" = Qe v . (V-8)
•94
С учетом равенства (V—1) для проходовой фракции получим
(xk \
1-е v). (V—9)
Чтобы получить зависимость количества сходовой и прохо-
довой фракций от времени, подставим в уравнения (V—8) и
(V—9) х= vr, где т — продолжительность или экспозиция сепа-
рирования:
QV= Qe-k\ (V-10)
Ql = Q(l-e-b). (V—11)
Проанализируем полученные уравнения соответственно для
сходовой (V—8; V—10) и проходовой (V—9; V—11) фракций.
Количество сходовой и проходовой фракций в зависимости от
переменных х, k, v и т изменяется по экспоненциальному зако-
ну, что вполне соответствует, в частности, интегральной кривой
разделения смеси, показанной на рис. 35.
С увеличением длины сита или продолжительности сепари-
рования количество сходовой фракции уменьшается, а проходо-
вой увеличивается. При х->оо или т—>-оо количество сходовой
фракции стремится к нулю, а проходовой — к полному количе-
ству исходной смеси Q. Однако это может быть лишь в том
случае, когда исходная смесь не содержит частиц, опреде-
ляющий размер которых больше определяющего размера от-
верстий сита. В противном случае величина стремится к не-
которой границе «разделяемое™ смеси», показанной на рис. 35
линией ЛШ.
Изменение скорости движения материала по ситу оказывает
влияние, обратно пропорциональное влиянию изменения длины
сита или продолжительности сепарирования, т. е. с увеличением
скорости количество сходовой фракции увеличивается, а прохо-
довой уменьшается.
Полученные уравнения практически важно преобразовать
применительно к такому случаю, когда исходная смесь содер-
жит частицы, большие по определяющему размеру, чем отвер-
стия сита '. Обозначим в такой смеси соответственно количество
способных пройти через сито частиц Ql0, а количество частиц,
которые не могут пройти через сито, — (см. рис. 35).
1 При этом допускается такой режим работы сита, при котором вероят-
ность прохождения всех частиц, меньших по определяющему размеру,- чем
отверстия в сите, равна 100%.
95
Степень разделения смеси будет определяться соотношением
Q1
7] = -^, (V-12)
Qo
а концентрация сходовой фракции в смеси на длине сита х—
соотношением
Q"
(V—13)
В рассматриваемом случае для проходовой фракции роль ис-
ходной смеси играет величина . Поэтому можно написать
Ql = Qo (1 - e~ky (V—14)
В уравнение (V—10) подставим значение Q^Qq+QJ1:
Q"=Qje-fc + Q^-ft'\ (V—15)
Поскольку для фракции Q’1 интенсивность производительно-
сти р = 0, из уравнения (V—3) следует, что и k'~0. Поэтому
для сходовой фракции будем иметь
Q" = Q" + Q^-fc. (V-16)
С учетом уравнений (V—12) и (V—14) для степени разделе-
ния смеси получим
т) = 1 — ек\ (V—17)
Между степенью разделения смеси т] и концентрацией схо-
довой фракции фж легко установить связь. В уравнение (V—13)
подставим значение Q” из уравнения (V—16):
фх =
Qo
Q"
e~kx
(V—18)
1 +
Q"
Считывая, что ф0=----, последнее уравнение можно преоб-
Q
разовать следующим образом:
____________1__________
, , 1 — <Ро -у,-
1 _у------------- е к
фо
(V—19)
96
Так как из уравнения (V—17)
1-^ = ^,
то уравнение (V—19) превратится в следующее:
W =__________Т»______
‘Х ?о + (1-?о)(1 -д)
Отсюда для степени разделения смеси легко получить
= Фо
9х(1 — Фо)
(V—20)
(V-21)
(V—22)
Наконец, определим массу материала G, находящегося на
сите в каждый данный момент. Из рис. 35 видно, что эта вели-
чина равна площади над кривой разделения (площадь под кри-
вой разделения соответствует количеству проходовой фракции),
что дает нам право написать:
i
(* fix.
Q = QI1J±_ .
.) х v
0
(V—23)
Подставив в это уравнение значение из уравнения
(V—16) и произведя интегрирование, будем иметь:
/ __ы_\
G = Q^— + QIo4-V“e Г (V-24)
V k
Приняв — =R упростим уравнение (V—24) до
kl
G = -L(QoI + QIRt)). (V—25)
V
Величина R является константой сита. Она называется «раз-
деляющим фактором» сита [363].
Необходимо отметить работы [3, 4, 277, 365], в которых также
Делается попытка представить эффективность сепарирования как
функцию продолжительности процесса или длины сита.
В одновременно появившихся работах [277, 365], хотя и ос-
нованных на вероятностном методе анализа с применением урав-
нений «диффузии» [277] или математического описания процесса
«химической кинетики», в конечном счете получается чисто ана-
литическая зависимость вида (цитируем по работе [277]):
4 В. В. Белобородов
97
где в — степень извлечения проходовых частиц из смеси;
t — продолжительность сепарирования;
т — постоянная времени процесса.
По физическому смыслу т есть время, по истечении которого
остаток на сите уменьшится в е (2,73) раз. Величина т опреде-
ляется равенством
где k — коэффициент;
с — «концентрация» частиц проходовой фракции в исходной
смеси (при Z = 0);
6 — отношение диаметра отверстия к диаметру частицы.
Рис. 36. Характер изменения «концентрации» частиц
проходовой фракции по длине сита.
Для данных смеси и сита величина т является единственной
физической константой, определяющей кинетику сепарирования.
Уравнение (V—26), проверенное экспериментально, является ти-
пичной экспоненциальной функцией. Для его использования не-
обходимо, хотя бы из одного опыта, определить значение т.
В опубликованных работах [3, 4] дается анализ кривой из-
менения «концентрации» частиц проходовой фракции по длине
сита. Характер кривой (рис. 36), проверенный опытом, не вы-
зывает сомнений. Исходное уравнение имеет вид:
— dy = kydx, (V—28)
где у — «концентрация» частиц проходовой фракции на рас-
стоянии х от начала сита;
k — коэффициент, физический смысл которого не объяс-
няется.
98
Простые преобразования приводят в цитируемых работах к
уравнению:
х = L lg У1 ~lg g- , (V—29)
lg J/l — lg </2
где L — полная длина сита;
У\ и z/2 — соответственно «концентрации» частиц проходо-
вой фракции в начале и конце сита.
Из уравнения (V—29) видно, что при «концентрации» в кон-
це сита г/2, равной нулю, полная длина сита должна быть равна
бесконечности. На самом деле, конечно, практически нулевая
«концентрация» достигается при конечных значениях L. Все за-
висит от характеристик проходовой фракции и параметров ра-
боты сита. Если заданы значения ух и у2, то при помощи урав-
нения (V—29) можно найти изменение «концентрации» по длине
сита.
Пример расчета. На сите с круглыми отверстиями производится разделе-
ние смеси высокомасличных семян подсолнечника на две фракции. Семена
движутся по ситу плашмя, без отрыва от его поверхности (не отскакивая от
пего).
Исходные данные: диаметр отверстий сита £> = 6,25 мм, длина
сита 1 = х = 2 м, производительность по исходной смеси Q = 1 т/ч, скорость
движения семян по ситу i> = 3,6 м/ч. Полученный из опыта коэффициент
в уравнении (V—3) k=2 ч~г.
Определить степень разделения смеси Т], концентрацию сходовой
фракции количество проходовой и сходовой QJ.1 фракций, массу се-
мян на сите в каждый данный момент времени О.
Решение.
1. В указанных условиях движения семян по ситу их определяющими
размерами будут ширина и длина. Очевидно, через отверстие диаметром
6.25 мм могут пройти все семена шириной до 6,25 мм и длиной до 12,5 мм
(для простоты допускаем, что каждая семянка центром тяжести по длине
делится пополам). Из корреляционной таблицы (рис. 12, стр. 35) находим
содержание таких семян в исходной смеси. Для этого суммируем все про-
центы частоты по горизонтали до длины 12,5 мм над средней шириной
6,25 мм или все проценты частоты по вертикали до средней ширины 6,25 мм
слева от длины 12,5 мм. Получаем 91,40%, т. е.
Qi = о,914 т/ч,
Q" = 0,086 т/ч.
I
2. Из уравнения (V—17), помня, что т= — , находим степень разделе-
и
ния смеси
_ 2'2
т]= 1 — е 3’6 = 0,672.
3. По уравнению (V—21), определив предварительно
4* 99
находим концентрацию сходовой фракции
0,086
v, = -----------------------------= 0,223.
гх 0,086 +(1 — 0,086) (1 —0,672)
4. Количество проходовой фракции находим при помощи уравнения
(V—14):
/
Q* = 0,914 \ 1 — е 3’6 у = 0,615 т/ч,
а количество сходовой фракции — при помощи уравнений (V—16):
2-2
=0,086 + 0,914е 3’6 = 0,385 т!ч.
5. Определим разделяющий фактор сита:
По уравнению (V—25) рассчитываем массу семян, находящихся на сите
в каждый данный момент времени:
2
G =-----(0,086 + 0,914-0,9-0,672) = 0,355 т.
3,6
ВЕРОЯТНОСТНЫЙ МЕТОД
Полное разделение смеси на сите возможно только тогда,
когда каждая частица, определяющий размер которой меньше
размера отверстия, обладает достаточным количеством шансов
соответствующим образом попасть в отверстие. Попадание такой
частицы в отверстие хотя бы один раз за весь ход смеси по си-
ту должно быть событием достоверным.
Вполне понятно, что это обусловливается многими причина-
ми. Главными из них являются расположение частицы относи-
тельно отверстия и размеры частицы и отверстия. Расположе-
ние частицы относительно отверстия зависит от случайных толч-
ков, получаемых ею от других частиц, от величины и направле-
ния силы воздействия сита, на что влияет форма и размер ча-
стицы, состояния ее поверхности и поверхности сита и т. п.
Учесть все эти причины очень трудно. Попадание частицы в от-
верстие можно считать явлением случайным ], поэтому для ана-
лиза этого применим вероятностный метод.
Вероятность попадания частицы в отверстие измеряется от-
1 Как известно [65], случайным явлением называется такое, которое при
неоднократном воспроизведении одного и того же опыта каждый раз проте-
кает несколько по-иному.
100
ношением числа случаев, благоприятствующих ожидаемому со-
бытию, к общему числу случаев.
Явление попадания частицы в отверстие является сложным
событием, состоящим из совокупности простых событий. Поэто-
му вероятностный метод анализа процесса просеивания основы-
вается на теоремах сложения и умножения вероятностей [65].
Теория вероятностей применительно к анализу классифика-
ции на ситах разработана главным образом проф. М. Н. Летош-
невым [223, 224] как часть общей теории сельскохозяйственных
машин.
Важно рассмотреть следующие случаи. Сито совершает про-
дольные гармонические колебания таким образом, что частица
удлиненной формы не отрывается от его поверхности: отверстия
сита круглой формы; отверстия сита прямоугольной формы.
Ниже мы приводим основные результаты приложения теории
вероятностей к названным случаям и даем их краткий анализ.
Первыйслучай.
Сито с отверстиями круглой формы совершает продольные
гармонические колебания без отрыва удлиненной частицы от
его поверхности.
Этот наиболее простой случай определяется следующими до-
полнительными условиями:
отверстия сита расположены в плоскостях, перпендикулярных
к его поверхности, поперек продольной оси сита; диаметр отвер-
стий одинаков и равен D; шаг отверстий сита — С;
разделяемые на сите частицы (семена) одинаковы по своей
форме, но различны по размерам; длина частиц 21, эта длина в
смеси частиц изменяется в пределах крайних классов, т. е.
2/,<2/<2/2;
у всех частиц центр тяжести делит их длину на две части
одинаково, т. е. отношение длин, поделенных центром тяжести,
постоянно для всех частиц. В начале мы примем это отношение
равным единице: центр тяжести делит каждую частицу пополам;
центр тяжести частицы движется вдоль сита по прямой или
по траектории, близкой к прямой;
частица скользит, но не перекатывается по ситу.
Для условий, когда величина I меньше диаметра отверстий
D, но больше половины его, и когда I меньше половины D, для
полной вероятности прохождения частицы через заданное отвер-
стие М. Н. Летошневым дается уравнение:
= — k, (V-30)
С \ к )
где £ = —,
D
Необходимо подчеркнуть, что в уравнении (V-30) I — поло-
вина длины частицы (семени). Это вытекает из того, что ча-
стица попадет в отверстие тогда, когда она, скользя по ситу,
101
выдвинется в отверстие не менее чем на половину своей дли-
ны (только при этом условии она «опрокинется» в отверстие),
т. е. вероятность попадания частицы длиной 21 в заданное отвер-
стие по величине равна вероятности попадания в это отверстие
частицы длиной I [223]. Вместе с тем, начиная с 1937 г., в литера-
туре по очистке и классификации масличных семян [3, 4, 244,
248], главным образом учебной, систематически повторяется
одна и та же ошибка: величина I принимается не за половину, а
за полную длину семени. Отсюда конкретные значения вероят-
ностей прохода масличных семян через сито, приведенные в ука-
занных источниках, являются ошибочными.
Вслед за М. Н. Летошневым [223] авторы некоторых работ
[3, 4, 244, 248] выписывают уравнение вероятности прохода ча-
стицы через сито для условия, когда 1>D, и производят по
этому уравнению инженерные расчеты. Однако для рассматри-
ваемого случая, когда частица скользит по ситу, не отрыва-
ясь от его поверхности, при 1~>D она вообще не может пройти
через отверстие, вероятность ее прохода всегда равна нулю.
На самом деле, такая частица, прежде чем ее центр тяжести
расположится над отверстием, что необходимо для «опрокиды-
вания» частицы в отверстие, обопрется одним своим концом о
противоположную кромку отверстия и будет скользить над от-
верстием. Когда центр тяжести такой частицы дойдет до про-
тивоположной кромки отверстия, второй ее конец еще будет
опираться на другую кромку, а при дальнейшем скольжении
частицы ее центр тяжести покинет отверстие и частица оста-
нется на сите. Так будет происходить при прохождении части-
цы над любым отверстием. При скольжении частицы по ситу,
когда 1>D, вероятностный метод, носящий в общем формаль-
ный характер, наталкивается на непреодолимый факт невоз-
можности прохода частицы, вытекающий из рассмотрения
ханизма процесса.
Из уравнения (V—30) видно, что вероятность попадания
/ D \
стицы в отверстие зависит от характеристики сита 11
отношения размера частицы I к диаметру отверстия. Отсюда
вытекает, что для максимальной эффективности просеивания не-
обходимо наиболее частое расположение отверстий на сите.
С увеличением размера частиц вероятность их прохода через
отверстия сита сильно убывает.
Для условия, когда центр тяжести делит частицу не попо-
лам, а на какие-то неравные доли 1\ и /2, можно принять /2 =
= <xZi, где а — некоторый коэффициент, постоянный для данного
вида частиц. Если L— полная длина частицы (семени), то
h = —— ц (V-31)
не-
ча-
ст
102
l2 = -^—L. (V—32)
1 -j- a
Во время скольжения по ситу частица может подойти к от-
верстию концом li или 12. По уравнению (V—30) можно подсчи-
тать вероятность прохода через отверстие отрезка li(Pn) и
12(Рп)’ а поскольку вероятность суммы двух несовместимых со-
бытий равна сумме вероятностей [65], то учитывая, что, как бы-
ло сказано выше, вероятность прохода частицы L равна вероят-
ности прохода отрезка Ц или 12, можно написать:
= • <v-33)
Второй случай.
Сито с отверстиями прямоугольной формы совершает про-
дольные гармонические колебания без отрыва удлиненной ча-
стицы от его поверхности.
Для этого случая дополнительные условия такие же, что и
для первого случая, за исключением того, что отверстия имеют
удлиненную форму, так что их длина 2а больше ширины 2Ь.
Отверстия равномерно распределены по поверхности сита. Кро-
ме того, параметры работы сита таковы, что за каждый полный
период его колебания частица один или два раза останавли-
вается (относительная скорость ее движения становится равной
нулю).
Вначале мы отвлечемся от формы частицы и укажем веро-
ятность отрезку, по длине равному частице (2/), пройти через
отверстие. Эта вероятность определяется уравнением;
(V-34)
о
где р — вероятность прохода отрезка через отверстие, которую'
сообщает ему одна из причин;
<р — угол расположения отрезка относительно продольной
оси отверстия.
,, 4аЬ г
С учетом живого сечения сита р=—, где / — площадь по-
верхности сита, приходящаяся на одно отверстие, искомая пол-
ная вероятность будет равна
Ра = Р*. (V—35)
При решении поставленной задачи может быть три варианта
различных соотношений между длиной отрезка I и размерами
отверстия 2а и 2Ь.
103
Длина отрезка относительно невелика и определяется усло-
виями
I cos <f> < а
Z sin < b
Длина отрезка несколько больше и лежит в пределах
а < / cos ф < 2Ь
b < Z sin <26
Длина отрезка очень велика
(I)
(П)
(III)
I cos ф 2а
Z sin > 2Ь
Для каждого из этих вариантов имеются определенные зна-
чения вероятности р. В частности, для варианта (III) р = 0.
В зависимости от размеров I, а и b подинтегральная функ-
ция в уравнении (V—34) принимает три различных вида, непре-
рывно переходя из одного в другой. Всевозможные сочетания
внутри этих трех вариантов дают в общем девять различных
случаев. В каждом из них получается громоздкий ответ. Лучше
воспользоваться общим решением уравнения (V—34) в виде
цифровой таблицы (табл. 14).
Из таблицы видно, что при малой ширине отверстия и усло-
виях, когда — <11 или — >1 ), вероятность прохода отрезка
через отверстие равна нулю. Это согласуется со сделанными
выше замечаниями для первого случая при условии 1>D.
И только, начиная с некоторой ширины отверстия, вероятность
2а ,.
при — <1 становится отличной от нуля, хотя и настолько ма-
лой по абсолютной величине, что это не может иметь серьез-
ного практического значения. С ростом ширины отверстия веро-
ятность прохода через него отрезка становится отличной от ну-
ля потому, что отрезок получает возможность расположиться
по отношению к отверстию под некоторым углом и провалиться
по диагонали или близкой к ней линии.
т х 2а 26
1олько при очень больших значениях — и — вероятность
приближается к единице. Интересно отметить, что при значе-
ниях ширины отверстия, близких к практическим, т. е. когда
— <1, вероятность в самых крайних случаях достигает при-
близительно лишь 0,5.
: гармонических
105
104
В пределах практически важных значений 2а и 2Ь эффектив-
ность работы сита с прямоугольными отверстиями при скольже-
нии частицы по нему не очень велика.
Вполне понятно, что реальные частицы (семена, сорные при-
меси) будут иметь меньшую вероятность прохода через отвер-
стие, так как они обладают реальной толщиной в отличие от
рассмотренного отрезка, не имеющего толщины. В первом при-
ближении мы можем принять форму частицы за эллипсоид, на-
пример за эллипсоид вращения с большой осью 2Х, равной
длине частицы, и малой — 2а, равной ширине частицы.
С ростом размера 2а вероятность прохода через отверстие
будет уменьшаться и при ширине частицы, равной ширине от-
верстия, упадет до нуля.
Поэтому табл. 14 практически можно пользоваться для полу-
чения приближенного ответа в тех случаях, когда длина отвер-
стия намного (в несколько раз) превышает длину частицы, а
ширина ее намного (в несколько раз) меньше ширины отвер-
стия. Это подтверждается тем, что значения вероятности при
2а . 2а ~
— = 4 и — =оо близки.
I I
В заключение необходимо сказать несколько слов об ис-
пользовании полученных зависимостей вероятности прохода для
практических расчетов. Все эти зависимости отнесены к одному
полному колебанию сита (одному обороту вала кривошипа).
Очевидно, количество проходовой фракции будет пропорцио-
нально количеству колебаний сита, которое оно совершает за
L т
время движения частиц, т. е. величине —, где L — длина сита,
Ls
Ls — перемещение частицы по ситу за одно его колебание. Если
объем исходной массы семян принять за единицу, то доля про-
ходовой фракции составит;
для смеси частиц одинакового размера
Л'^у-Рп, (V-36)
для смеси частиц различных размеров
Z’=zi
N = ~rlip-h- (v-37)
i = 11
Если известна доля проходовой фракции, что часто может
входить в условия задачи, то из уравнения (V—37) может быть
рассчитана длина сита
L = . (V—38)
I — I;
^pnb-t
1^=11 1
106
Физически величина N не может быть больше единицы. Это
следует иметь в виду при применении уравнений (V—36—
V—38).
Пример расчета. Высокомасличные семена подсолнечника очищаются на
сепараторе, верхнее (сортировальное) сито которого имеет прямоугольные
отверстия.
Исходные данные: длина отверстия сита 2а = 20 мм, ширина
26 = 6,25 мм. Живое сечение сита р.=0,5. Длина перемещения семян по ситу
за одно колебание Ls=0,15 м.
Определить длину верхнего сита, на которой через него пройдут все
семена (на сите останется только крупный сор); это важно знать также для
того, чтобы определить участок длины подсевного снта, начиная с которого
оно получает полную загрузку.
Решение
1. Определяющими размерами семян в рассматриваемом случае будут
длина и толщина. Поэтому из корреляционной таблицы (рис. 13, стр. 36)
выписываем все классы по длине семян 2/ и соответствующую каждому
классу частоту по массе bi (см. табл. 15).
2а 2Ь
Для каждого класса рассчитываем значения — и —, Из табл. 14 нахо-
It li
дим для семян каждого класса вероятность прохождения через сито Pi, а при
помощи уравнения (V—35)—полную вероятность Pni. Полная вероятность
прохождения через сито данного класса в целом определяется как произве-
Pn-bi
дение полной вероятности семян данного класса на их частоту-----_1_— .
Суммирование последних значений дает полную вероятность прохождения
через сито смеси в целом. Она равна J 'РщЬ. __ 0,3125.
J 100
1 = /1 Таблица 15
Результаты расчетов -
211, мм bi, % 2а Ц 2b k Pl Pni Pntbi 100
7,25 0,38 5,52 1,72 0,95 0,48 0,00182
7,75 0,51 5,16 1,61 0,93 0,47 0,00240
8,25 1,37 4,85 1,51 0,90 0,45 0,00616
8,75 2,55 4,57 1,43 0,86 0,43 0,01090
9,25 3,40 4,33 1,35 0,83 0,42 0,01430
9,75 11,37 4,H 1,28 0,80 0,40 0,04550
10,25 16,49 3,90 1,20 0,65 0,33 0,05440
10,75 23,03 3,72 1,16 0,61 0,31 0,07140
11,25 14,98 3,55 1,10 0,55 0,28 0,04200
11,75 13,38 3,38 1,06 0.52 0,26 0,03480
12,25 6,07 3,27 1,02 0,47 0,24 0,01460
12,75 . 4,24 3,14 0,98 0,46 0,23 0,00977
13,25 1,27 3,02 0,94 0,42 0,21 0,00267
13,75 0,96 2,91 0,91 0,38 0,19 0,00182
<=Z,
riPnbi
— S6j= 100,00 — — — V-”1 =0,3125
100
107
2. По условиям задачи М=1. Из уравнения (V—38) определяем искомую
величину
L
= = 0,48
0,3125
м.
Глава VI. ПРОСЕИВАНИЕ НА ПЛОСКОМ СИТЕ С ВОЗВРАТНО-
ПОСТУПАТЕЛЬНЫМ ДВИЖЕНИЕМ
УСЛОВИЯ ПРОХОДА ЧАСТИЦ
Общим условием прохода частицы через отверстие сита яв-
ляется меньшая величина ее определяющего размера (диаметр,
ширина, толщина и т. п.) по сравнению с определяющим раз-
мером отверстия. Однако одного этого условия еще недоста-
точно.
клонного сита.
Как видно из рис. 37, условия прохода частицы через отвер-
стие горизонтального и наклонного сита различны. При пере-
мещении частицы по горизонтальному ситу траекторий ее дви-
жения более пологая (обладает меньшей кривизной), чем при
движении по наклонному ситу, т. е. максимальное значенйе го-
ризонтальной проекции пути частицы в случае наклонного сита
меньше. Это означает, что при движении частицы и сита в од-
ном направлении допустима меньшая скорость, а при движении
частицы и сита в противоположных направлениях — большая
скорость движения наклонного сита, чем горизонтального. А так
как скорость движения сита прямо пропорциональна числу обо-
ротов вала, приводящего его в движение, и радиусу кривошипа,
то становится понятной связь между размерами частиц, разме-
рами отверстий сита и параметрами его работы. Эти самые об-
108
щие положения необходимо рассмотреть подробнее и найти кон-
кретный вид указанной связи.
Рассмотрим круглую частицу радиусом г, находящуюся на
краю отверстия диаметром D плоского наклонного сита, совер-
шающего продольное возвратно-поступательное движение в го-
ризонтальной плоскости по гармоническому закону (скорость
Рис. 38. Условия прямого прохода через отверстие частицы,
движущейся вниз по наклонному ситу.
движения такого сита изменяется по синусоиде — см. рис. 38 и
39). Частица перемещается по ситу в направлении VXa • Дойдя
до отверстия в сите, частица начинает двигаться по параболи-
ческой траектории, испытывая действие горизонтально направ-
Рис. 39. Условия прямого прохода через отверстие части-
цы, движущейся вверх по наклонному ситу.
ленной силы инерции и вертикально вниз направленной силы
тяжести. Переместившись до противоположной кромки отвер-
стия, чтобы пройти через него, частица под действием силы тя-
жести должна опуститься на величину у0—y\ = r+(D—r)sina
(рис. 38) или на величину у0—у\=г—(D—г) sin а (рис. 39). Это
так называемое условие прямого прохода семян через отвер-
стия сита.
Здесь и ниже мы не включаем в рассмотрение толщину си-
та, так как частице достаточно опуститься на уровень верхней
109
кромки отверстия, как ее проход обеспечен. Вообще, включение
в условия прохода частицы через сито его толщины [3, 4, 248],
хотя ею и пренебрегают в ряде технических расчетов, вызывает
недоумение по принципиальным соображениям. Если рассмат-
ривать отверстие как вертикальный канал и допустить правиль-
ность тезиса о влиянии его высоты на проход частицы, то полу-
чится, что, например, при высоте канала, равной диаметру ча-
стицы, последняя должна полностью «потонуть» в отверстии,
чтобы пройти через него. На самом деле, очевидно, этого для
прохода частицы не требуется. Очевидность такого утверждения
легко может быть понята, если в соответствии с рис. 38 и 39
представить себе, что толщина сита равна диаметру частицы.
Если допустить, как это делается в некоторых работах [3, 4],
что горизонтальная составляющая относительной скорости ча-
стицы v'x постоянна, то нетрудно получить максимальное зна-
чение этой величины, при котором проход частицы через ячейку
еще возможен.
Относительный путь по горизонтали и вертикали составит
х’. = v't
1 X
у\= ~тsx2
(VI—1)
где т — время полета частицы.
Так как y'=r+(D—r)sina или у'=г—(D—r)sina, то
для движения частицы вниз по ситу
т = ; (VI—2)
для движения частицы вверх по ситу
т = si.n?j . (VI—3)
Так как x'=(D— r)cosa, то для относительной скорости
движения частицы по ситу получим:
при движении частицы вниз по ситу
v' = (D — г) cos а 1 /”-------------- , (VI—4)
у 2 [г + (D—r)sina|
при движении частицы вверх по ситу
v'—(D — г) cos a i f---------------- . (VI—5)
х v I/ 2 [г — (D— г) sinal
ПО
Однако допущение о постоянстве величины v’ неверно.
В самом деле, во-первых, переменной является абсолютная ско-
рость движения частицы по параболе и, во-вторых, скорость дви-
жения сита, следующая закону синусоиды, изменяется не только
по величине, но и по направлению. Поэтому уравнения (VI— 4)
и (VI—5) не могут дать правильных значений относительной
скорости движения частицы. Кроме того, выражения через от-
носительные скорости не дают наглядного представления о вза-
имном влиянии различных факторов на условия прохода части-
цы через отверстия.
Получим уравнения для предельных значений чисел оборо-
тов вала, приводящего в движение сито (чисел колебаний сита)
[47]. Для этого сначала запишем уравнение параболы, по кото-
рой движется частица, в канонической форме:
у2 = 2рх, (VI-6)
где р — фокальный параметр.
При перемещении частицы из положения Ло(%о, Уо) в поло-
жение Л] (Х[. ух) (см. рис. 38 и 39) ее координатами будут сле-
дующие выражения.
Движение частицы вниз, сито движется в этом же направ-
лении: •V^o~ IP — Hcosa + S], 1 (VI—7) Д = У0 — [r + (D — г) sin а]. ]
Движение лении: частицы вниз, сито движется в обратном направ- И = Д) — IP— г) cos а — 3], 1 (VI—8) У1==У0 — [r + (D — r)sina], J
Движение лении: частицы вверх, сито движется в этом же направ- •П = Д) — IP — r) cosa + S],| (VI—9) У1 = Уь — к —(£> — г) since]. /
Движение правлении: частицы вверх, сито движется в обратном на- *1 = *о~[р— г) COS а — 3], -ю У1 — Уо - [Г — Р — Г) sin а].
Уравнение (VI—7) — (VI—10) объединяются уравнениями- Х1 = х8 —[р —r)cosa±S], (VI—И) У1 = ^о —Hi Р —Osina],
111
Следует только помнить, к какому варианту движения ча-
стицы и сита относятся знаки ( + ) и (—) в уравнениях
(VI—11).
С учетом уравнения (VI—6) можно написать:
' ‘ 2
{Уо — [г ± (О —г) sina])2 __ _ Уо (yj_|2)
2 {х0—[(Р—r)cosa±S]} 2х0
или »
. (Уо l/~ ± (-Р r) sin д ]}2 хо __ J (yj__।
Уо {хо— [(Р —г) cos а ± S]}
В соответствии с законом падения тел абсолютный путь дви-
жения частицы по вертикали по аналогии с уравнением
(VI—1) составит (сопротивлением воздушной среды пренебре-
гаем) 1
(VI—14)
Поскольку =— =gt, то к какому-то очень малому промежут-
ку времени тн от момента отрыва частицы от сита вертикальная
составляющая абсолютной скорости ее движения будет равна
£т-ii-
Дифференцирование уравнения параболы по времени дает
А- = /"— — . (VI—15)
dr I/ 2х dr
Допустим, что к промежутку времени ти горизонтальная со-
„ ! dx \
ставляющая абсолютной скорости частицы I — равна ее ско-
k dr J
роста в точке До, т. е. vXo. Тогда, используя уравнение (VI—15),
можно приближенно написать:
откуда получим, с учетом уравнения (VI—12), (VI—16)
х - 0 “ 2£ТН • (VI-17)
1 Задача с учетом сопротивления воздушной среды, но без получения
уравнений, связывающих число колебаний сита с его характеристиками и ха-
рактеристиками смеси, рассматривается в известной работе [63].
112
Значение тн можно выразить через угол поворота кривошипа
г|)н и число качаний сита в минуту п (число об/мин вала, при-
водящего в движение сито).
В самом деле
тн = — = ч : , (VI—18)
а0 360 30
где I—длина дуги, описываемой осью пальца криво-
шипа;
v0 — окружная скорость оси пальца кривошипа;
7? — радиус кривошипа.
Из уравнения (VI—18) получаем
Здесь — угол поворота кривошипа, град.
Подстановка уравнения (VI—19) в уравнение (VI—17) дает
(VI—20)
Зл%Уо
X, = г—
Подставляя значение х0 из уравнения (VI—20) в уравнение
(VI—13) и решая полученное выражение относительно у0, будем
иметь
3nvX() [г + (© — Г) sin а]2
6/г Ид. [г + (D — г) sin а] — g)H [(Р —г) cos а ± S]
(VI—21)
Для х0 будем иметь из уравнений (VI—20) и (VI—21):
х =_____________9«Ч2о [г ± (Р " г) sin а]2_______ (VI—22)
0 ёТн И ± (Р— г) sin»] — g^H [(Р — г) cos а ± SJ}
Так как величина 4>н->0, то для у0 из уравнения (VI—21) по-
лучим
___ г J- (D — г) sin а
У о — “
(VI—23)
Как видно из уравнения (VI—22), при г|)н~И), значение
Х(,->оо. Однако для некоторого малого угла фн, учитывая, что
приближенно можно написать:
_ 3 nvX(j [г ±(D — г) sin а]
Х° ~
Путь сита равен [3]
S = R (1 —созф).
(VI—24)
(VI—25)
113
К моменту соприкосновения частицы с противоположной
кромкой отверстия ее путь по вертикали будет равен
г ± (D — г) sin а = g-.2.
С учетом равенства (VI—19) получим
ip __ -| / 2[г + (П —г) sinVT
6п У g
откуда
Подставив значение у0 из формулы (VI—23) в
(VI—13), будем иметь
_________х_о________ _।
хо —’ — r) cos а ± Х
Из уравнения (VI—29) получаем
[(D — г) cosa±S] = 0,
откуда находим
S = + (D — г) cos а.
Подставляя в уравнение (VI—31) значение S из
(VI—25), с учетом уравнения (VI—28) получим следующее вы-
ражение для предельного максимального и минимального числа
оборотов вала, приводящего сито в движение (числа колебаний
сита) *:
(VI—26)
(VI—27)
(VI—28)
уравнение
(VI—29)
(VI-30)
(VI—31)
X arc cos 1 +
(VI—32)
WK-min - 6 у 2 [г ± (П - г) sin Н Х
(-D — г) COS а
R
В уравнении (VI—32) знаки ( + ) и (—) имеют следующий
смысл: в знаменателе подкоренного выражения знак ( + ) отно-
сится к движению частицы вниз по ситу, знак (—) — к движе-
нию частицы вверх по ситу; под функцией косинуса знак ( + )
относится к движению частицы и сита в одном направлении и
определяет величину — предельное минимальное число обо-
ротов, знак (—) — к движению частицы и сита в противополож-
* В уравнениях (VI—32) и (VI—34) (см. стр. 116) arc cos выражен в
градусах. Если arc cos выражать в радианах, то правые стороны указанных
уравнений следует умножать на 180.
114
ных направлениях и определяет величину nmax — предельное
максимальное число оборотов.
При значениях n>nmax и M<nmin условие прямого прохода
частицы через отверстие не соблюдается, т. е. прямой проход
частицы невозможен. При значениях «<птах и я>«тт проход
частицы обеспечен.
Рис. 40. Условия косвенного прохода через отверстие ча-
стицы, движущейся вниз по наклонному ситу.
Существует еще понятие о так называемом косвенном про-
ходе семени через отверстие [3]. При таком типе прохода в по-
ложении At (см. рис. 40 и 41) центр тяжести частицы, хотя и
Рис. 41. Условия косвенного прохода через отвер-
стие частицы, движущейся вверх по наклонному
ситу.
не находится на уровне сита, как при прямом проходе, все же
расположен настолько низко, что момент силы тяжести превы-
шает момент силы инерции, и частица проваливается в отвер-
стие.
Обозначив угол прохода через е, для координат точки
Д1(хь z/i) по аналогии с равенствами (VI—11) напишем сле-
дующие уравнения:
Xi = хп — [(D — г cos е) cos а ± S],
у1=у0— {г + [(£)— г cos s) sin а — г sine]].
(VI-33)
115
Такой же ход рассуждений, какой мы применили при полу-
чении уравнения (VI—32), дает нам выражение для «тах-етш
в случае косвенного прохода частицы через отверстие:
Чтах-нгшп
6 т 2 {г + [(£>— rcose)sina — rsine]}^
4Z _____'< , (D — r cos eicosa 1
X arc COS 1 ± ------------------- .
R J
(VI—34)
Нетрудно видеть, что при е = 0, т. е. для условий прямого
прохода частицы через отверстие, уравнение (VI—34) превра-
щается в уравнение (VI—32).
На частицу в положении Ai{x\ig) (рис. 40) действует сила
тяжести О и сила инерции I. Очевидно, предельным условием
прохода частицы в отверстие будет равенство моментов этих
сил, т. е. для движения частицы вниз по ситу 1
Gr sin [90 — (a -j- е)] = lr sin (а -|- е) (VI—35)
или
Geos (а е) = /sin (я е). (VI—36)
Так как G = mg, a I=mw, где w — горизонтальная состав-
ляющая ускорения в точке At, то после элементарных преобра-
зований получим
Рассчитать значение w пока не представлялось возможным,
в связи с чем неопределенной оставалась и величина угла про-
хода е. Очень приближенные расчеты можно сделать, исполь-
зуя уравнение, полученное при условии постоянства скорости от-
носительно движения [3]:
sin s = 1 — . (VI—38)
Максимальное значение угла прохода определяется из ра-
венства
я + е = 90°.
(VI—39)
1 Заметим, что рассмотрение взаимодействия моментов силы тяжести и
инерции уже в определенней мере включает задачу о выявлении влияния
удара частиц о кромку отверстия [56], поскольку от взаимодействия указан-
ных моментов зависит траектория полета частицы после удара.
116
Этим обусловливается максимально возможное влияние ус-
ловия косвенного прохода частицы на предельные значения чис-
ла оборотов вала сита.
Приближенным анализом было показано [3], что косвенное
прохождение частицы через отверстие возможно лишь при оп-
ределенном минимальном значении диаметра частицы. Он дол-
жен быть равен 2/з или более диаметра отверстия. Более мел-
кие частицы при этом идут сходом.
Для случая косвенного прохождения частицы через отверстие
по аналогии с уравнением (VI—23) можно получить
у = г± [(° —г cose) sin я —г sine] (у]_40)
Анализ уравнений (VI—23) и (VI—40) показывает, что ве-
личина у0 равна всего лишь половине того расстояния, которое
должна пройти частица до точки Аь т. е. к этому моменту ча-
стица движется вертикально. В этих условиях в момент сопри-
косновения частицы с ситом горизонтальная составляющая
инерционного ускорения ау = О, т. е.. tg(a+e)=oo, откуда на-
ходим 1
е —90 —a, (VI—41)
т. е. практически мы всегда имеем дело с максимальным значе-
нием угла прохода.
В связи с очисткой и отделением ядра от лузги семян под-
солнечника и очисткой ряда других семян (льна, кунжута и др.)
важно определить условия применения уравнений (VI-32) и
(VI-34) для частиц некруглой формы. Как показывает опыт,
такие семена на сите обычно располагаются плашмя, тупым
концом вперед, по крайней мере при их движении вниз. Поэто-
му правильно было бы за значение г в выражении под функ-
цией косинуса принимать расстояние от центра тяжести семени
до его тупого конца, практически, вероятно, для высокомаслич-
ных подсолнечных семян приближенно половину их длины, а в
выражении под корнем — половину толщины семени. Такая ре-
комендация станет понятной, если вернуться к анализу получе-
ния уравнений для координат точки At—уравнений (VI—11).
Произведем при помощи уравнений (VI—32) и (VI—34) ана-
лиз практических условий работы сепараторов для очистки мас-
личных семян. Рассмотрим работу сортировального (верхнего)
сита сепаратора № 5 на семенах округлой формы: сои, конопли,
рапса и горчицы. Все показатели работы сита взяты из дейст-
вующих технологических инструкций, а размеры семян — при-
ближенно в соответствии с данными главы III.
1 Аналогичный подход к задаче при движении частицы вверх по ситу
дает g = 90+ а.
117
Условия косвенного прохода семян через отверстие рассчиты-
вались только в тех случаях, для которых условия прямого про-
хода оказывались невыполненными. Такой расчет позволял оп-
ределить, возможен ли проход частицы вообще.
Результаты расчета представлены в табл. 16.
Таблица 16
Возможность прохода семян через верхнее (сортировальное) сито
сепаратора № 5 — расчет по уравнениям (VI—32) и (VI—34)
Культура D, см Г, см 7?, см а, град п, об/мин Условия прямого прохода
движение семени вниз по ситу
"min rtmax
Соя 1,00 0,30 0,5 10 450 384 638
Конопля 0,65 0,18 0,5 10 400 166 631
Рапс 0,40 0,10 0,5 10 450 511 625
Горчица 0,275 0,05 0,5 10 450 694 790
Продолжение табл. 16
Культура Условия прямого прохода Условия косвенного прохода
движение семени вверх по ситу движение семени вниз по ситу движение семени вверх по ситу
"min rtmax "min "max rtmin rtmax
Соя 592 985 169
Конопля 265 1001 — — — —
Рапс 911 1110 582 — 417 —
Горчица ..... 1980 2250 995 — 936 —
Из таблицы видно, что проход соевых семян через отверстие
обеспечен: в трех случаях происходит прямой проход, в одном —
косвенный (при движении семени вверх по ситу в одном на-
правлении с ним). Для семян конопли обеспечен прямой проход
в любом случае. Семена рапса проходят в трех случаях из че-
тырех (два прямых, один косвенный проход), а при движении
семени вниз по ситу в одном с ним направлении проход не
обеспечивается.
118
Наконец, для семян горчицы обеспечен лишь прямой проход
при движении вниз и вверх в направлении, противоположном
движению сита.
Приведенный анализ можно рассматривать как своего рода
предварительную экспериментальную проверку уравнений
(VI—32) и (VI—34), основанную на обобщенном практическом
опыте эксплуатации сепараторов для масличных семян.
Получим уравнение, определяющее предельный максималь-
ный размер частицы, которая еще может пройти через отверстие
сита при данном режиме его работы и заданной величине от-
верстия. Это уравнение находится из равенства (VI—32):
cos [6n]/~2-lr-± tOg--r)sinar] = 1 ± (Р"У°— • (VI-42)
Для условий косвенного прохода получим соответственно
cos
(VI—43)
В этих уравнениях знаки ( + ) и (—) имеют такой же физи-
ческий смысл, как и в уравнениях (VI—32) и (VI—34).
Решить эти уравнения относительно г можно, разложив
функции косинуса в ряд. Однако получаемые расчетные урав-
нения громоздки и неточны. Проще решить задачу методом под-
бора.
При определении максимального значения размера частицы
предпочтение следует отдавать хотя и более сложному, но бо-
лее точному уравнению (VI—43), так как если для частицы дан-
ного размера не выполнено условие прямого прохода, то еще
может быть выполнено условие косвенного прохода.
Уравнения (VI—42) и (VI—43) имеют непосредственную
связь с вариационными кривыми и корреляционными табли-
цами.
По существу без таких уравнений, связывающих размер ча-
стиц со всеми параметрами, работы сита, а не только с одним
размером его отверстия, как это часто делается при анализе
вариационных кривых и корреляционных таблиц, обойтись не-
возможно при отыскании той доли общей массы частиц (семян,
сорных примесей), которая может пройти через сито при дан-
ном режиме его работы.
Из уравнений (VI—42) и (VI—43) мы получаем точку на ва-
риационной кривой или клетку в корреляционной таблице с раз-
мером, выше которого все чистицы идут с данного сита сходом,
119
несмотря на то, что в их массе имеются частицы меньше, чем
размер отверстий сита.
В заключение необходимо отметить, что уравнения (VI—32)
и (VI—34) для предельных максимальных и минимальных чисел
колебаний сита, а также все другие, полученные на базе этих
уравнений, применимы, строго говоря, для случаев перемещения
одиночной частицы и однослойного нестесненного перемещения
совокупности частиц. Иными словами, эти уравнения теорети-
чески отражают предельные возможности сита при данном ре-
жиме его работы и именно в этом смысле могут применяться
для анализа работы ситовых поверхностей. Для случаев, когда
частицы оказывают взаимное влияние друг на друга (стеснен-
ное движение), соответствующие уравнения еще не получены.
КИНЕМАТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ РАБОТЫ СИТА
Рассмотрим работу плоского сита, совершающего гармони-
ческие колебания по горизонтали (рис. 42, 43). Допустим, что
любая точка сита совершает прямолинейное возвратно-посту-
Рис. 42. Схема сил, действующих на частицу при ее движении
вверх по ситу (кривошип находится в квадранте /).
нательное движение. Это допущение оправдано тем, что длина
подвески сита обычно очень велика по сравнению с амплиту-
дой его колебания, поэтому радиус кривизны дуги, по которой
в действительности движется сито, велик (мала кривизна
дуги).
Сказанное позволяет утверждать, что путь сита равен пути
горизонтальной проекции точки А. Поэтому если Я — радиус
кривошипа, то для пути сита можно написать:
S = R (1—соэф), (VI—44)
где т|>— угол поворота кривошипа,
120
а так как ф = <от, где со — угловая скорость кривошипа, т — вре-
мя, то
S = K(1—cosojt). (VI—45)
Дифференцирование этого уравнения по времени дает ско-
рость движения сита:
ие =----= и!? sin шт,
Л
а уравнения (VI—46) — ускорение сита.
Cfo/* 9 у»
а = —— = urR cos шт.
dx
(VI—46)
(VI-47)
Рис. 43. Схема сил, действующих на частицу при ее движении
вниз по ситу (кривошип находится в квадранте II).
Для исследования процесса просеивания важно получить
также значения чисел оборотов вала кривошипа, при которых
начинается перемещение частицы вниз и вверх по ситу, и мак-
симального числа оборотов, при котором частица отрывается от
сита (подскакивает над ним). Последний случай исключает нор-
мальный ход процесса просеивания и поэтому нежелателен.
Кроме того, необходимо рассмотреть относительное движение
частицы по ситу, чтобы найти среднюю скорость этого движения
и таким образом получить возможность практического исполь-
зования уравнений для определения количества проходовой и
сходовой фракций (см. стр. 96).
На частицу, находящуюся на сите, действуют: сила веса ча-
стицы G, направленная вертикально вниз, сила трения F —
вдоль плоскости сита в сторону, противоположную движению
частицы, и сила инерции Ри, направленная в сторону, противо-
положную направлению ускорения сита. При положении кри-
121
вошипа в первом квадранте (рис. 42) ускорение сита в соответ-
ствии с уравнением (VI—47) положительно и направлено впра-
во, поэтому сила инерции направлена влево, и частица при со-
блюдении определенных условий движется относительно сита
также влево, т. е. вверх по ситу. Сила трения при этом направ-
лена вправо. При положении кривошипа во втором квадранте
(рис. 43) ускорение сита отрицательно и направлено влево, сила
инерции направлена вправо, частица при соблюдении опреде-
ленных условий движется относительно сита вправо, т. е. вниз
по ситу. Сила трения в этом случае направлена влево. Посколь-
ку косинус отрицателен в третьем квадранте и положителен в
четвертом, при положении кривошипа в третьем квадранте бу-
дет- продолжаться движение частицы вниз по ситу, а в четвер-
том возобновится движение вверх по ситу. В соответствии с этим
различают левые и правые интервалы работы сита [224].
Рассмотрим вначале случай, когда кривошип находится в
первом квадранте.
Частицу прижимают к ситу: составляющая силы тяжести
G cos а и составляющая силы инерции P„sin а. Частицу стремит-
ся сдвинуть вверх по ситу разность между составляющей силы
инерции РцСоьа, направленной вверх вдоль сита, и составляю-
щей силы тяжести G sin а, направленной вниз вдоль сита, т. е.
(P„cosa — Gsina). Движению частицы вверх оказывает сопро-
тивление сила трения, равная
F = f (G cos a + Ра sin a), (VI—48)
где f — коэффициент трения.
Очевидно, условием перемещения частицы вверх будет нера-
венство:
(Ри cos a — Gsina) > f (Geos a Pa sin a). (VI—49)
Для движения частицы вверх по ситу в соответствии со вто-
рым законом Ньютона можно написать следующее дифференци-
альное уравнение:
т — = (PHcosa— Gsina) —/(Geos a + PHsin a), (VI—50)
где tn — масса частицы;
v — скорость ее движения относительно сита.
После преобразования уравнения (VI—50) с учетом уравне-
ния (VI—47) будем иметь [224]:
А — u)2/? cos шт — g tg (<р + a), (VI—51)
122
Чтобы частица двигалась вверх по ситу, ускорение ее дол-
- d-V . г,
жно быть положительным, т. е. —>0 или
d-z
uj2cos «- > g tg (® у-а). (VI—52)
Максимальное значение косинуса равно единице. Именно
этот случай соответствует минимальной угловой скорости дви-
жения кривошипа, достаточной для начала перемещения части-
цы, т. е. справедливо неравенство:
ш2/? >gtg(<p +а). (VI—53)
1 ак как угловая скорость со = —, то
-^fl>gtg(<p+a). (VI—54)
Приняв, что и решив неравенство (VI—54) относи-
тельно п, получим:
п > 30 У tg(^+a) . (VI-55)
Минимальное число оборотов, при котором частица начнет
перемещаться вверх по ситу, будет равно
«min = 30 У . (VI -56)
В уравнении (VI—56) радиус кривошипа R измеряется в
метрах.
Перейдем к рассмотрению случая, когда кривошип находит-
ся во втором квадранте (рис. 43). Частицу прижимает к ситу
разность между составляющей силы тяжести G cos а, направ-
ленной вниз перпендикулярно ситу, и составляющей силы инер-
ции Раsin а, направленной вверх перпендикулярно ситу. Части-
цу стремится сдвинуть вниз по ситу сумма составляющей силы
инерции Ри cos а, направленной вниз вдоль сита, и так же на-
правленной составляющей силы тяжести Gsina, т. е. (PHcosa +
+ Gsina). Сила трения, оказывающая сопротивление движению
частицы вниз, равна
F=f(Gcosa— PHsina). (VI—57)
Условием перемещения частицы вниз по ситу будет неравен-
ство:
(PHcosa Gsina) >/(Gcosa — P„sina). (VI—58)
123
Для движения частицы вниз по ситу получим следующее
дифференциальное уравнение:
т —— — (Рк cos а + G sin а) — f (G cos а — Рк sin а). (VI—59)
d-
По аналогии со случаем, когда кривошип находится в первом
квадранте, получим основные уравнения.
Ускорение относительного движения частицы вниз по ситу
— a (cos а + /sina) — g(/cos а — sin а). (VI—60)
d~
Минимальное число оборотов, при котором частица начнет
перемещаться вниз по ситу, составляет
= 30а). (VI—61)
Отрыв частицы от сита возможен при ее движении вниз по
ситу. В соответствии с рис. 43 условие отрыва частицы будет
следующим:
Рп sin а > G cos а, (VI—62)
т. е. для отрыва частицы от сита необходимо, чтобы составляю-
щая силы инерции, перпендикулярная поверхности сита, была
больше составляющей силы тяжести, также перпендикулярной
к поверхности сита, но направленной в противоположную сто-
рону. Предельное состояние определяется равенством
Ри sin а = G cos а. (VI—63)
Подставив в уравнение (VI—63) Ра=та, G = mg с учетом
того, что a = a>2R (принимая во внимание только максимальное
абсолютное значение отрицательного ускорения сита, т. е. при
cos сот ==— 1) и (0= —, после элементарных преобразовании
получим следующее уравнение для максимально допустимого
числа оборотов вала кривошипа:
nmax = —JL. (VI-64)
/fltga
Таким образом, для движения частиц по ситу вниз и вверх
без отрыва их от сита необходимо, чтобы число оборотов вала
кривошипа лежало в пределах
Итах > И > Щтпп (VI 65)
124
Мы рассмотрели наиболее распространенный в производстве
растительных масел случай колебаний сита в горизонтальной
плоскости. При колебаниях сита в плоскости, наклоненной
к горизонту, в уравнения должно быть включено значение угла
наклона плоскости колебаний. Такой случай рассматривается в
известной работе [224].
Средняя скорость перемещения материала по поверхности
сита может быть получена в том случае, если известен путь отно-
сительного движения частицы вниз и вверх.
Интегрирование уравнений (VI—50) и (VI—60) дает нам
значения скорости относительного движения частицы вниз
и вверх.
Движение частицы вверх начинается в определенный момент
времени тВ1 после перехода кривошипа в левые интервалы
(в четвертый квадрант). Тогда для первого интегрирования
можно написать:
V т
J dv = wjR (cos а — f sin a) J cos <»~d (on) — g (f cos a +
+ sina)j dx. (VI—66)
Поскольку в начальный момент времени сц = О, то для ско-
рости относительного движения частицы вверх получим
v = (cos a — f sin a) (sin w: — sin onBj) —
— g (f cos a + sin a) (t—тВ1). (VI—67)
Движение частицы вниз начинается в определенный момент
времени rHl после перехода кривошипа в правые интервалы (во
второй квадрант). Из уравнения (VI—60) по аналогии с полу-
чением уравнения (VI—67) для скорости относительного дви-
жения частицы вниз будем иметь:
v = (cos a f sin a) (sin — sin и>тИ1) —
— g(f cos a — sin a) (t — tH1). (VI—68)
~ dL ,
1 ак как скорость v = — ,где L — путь относительного пере-
d~.
меш,ения частицы, то интегрирование уравнений (VI—67) и
(VI—68) дает значение пути для движения вверх Лв и вниз La.
Пределами интегрирования для движения вверх будут время
начала (тВ1) и окончания (тВ2) движения частицы вверх, для
125
движения вниз — соответствующие значения тН1 и т„2. С учетом
этого для перемещения частицы вверх получим:
LB = R (cos а — f sin a) [cos <»~К1 — cos ujii13 — (тВг — тВ1) sin <втВ1] —
---~ g (f cos а + sin а) ("B2 — тВ1)2 (VI—69)
и для перемещения частицы вниз:
LH = R (cos а + f sin a) [cos а>тН1 — cos <»Ъ2 —
— (4 — 4)sin ИЧ]----g (f cos а — sin а) (4 — ч)2- (VI—70)
Поскольку т®=ф, где ф — угол поворота кривошипа, оконча-
тельно будем иметь для перемещения частицы вверх;
/ фв — фв
LB = R (cos а — f sin а) I cos фВ1 — cos фВ2-—-1 sin фВ1
-4g(fcosa + sina)^l^ (VI-71)
и для перемещения частицы вниз:
LH = R (cos а + f sin а) (cos фн, — cos $Кг — -21*——sin <[41 —
1 , (Фнг- M2 /VI 7O\
---2~ g(/c°sg— sina) Ю2 • (VI—72)
Значения углов фВ1, фв2, фн, и ф„2 легко получить из уравне-
ний для ускорения относительного движения частицы [224]. Мы
приводим лишь конечные расчетные формулы:
для движения частицы вниз
cos Ф„ =4-tg(a —<р),
sin ф„2 — ф„, cos фн< = sin фН1 — фН1 cos фн, .
для движения частицы вверх
cos фо = у tg (« + ?),
фВ1 = 2тг— ф0,
sin фв2 — фВ2 cos ф0 = sin фВ1 — фВ1 cos ф0. .
(VI—74)
126
В уравнениях (VI—73) и (VI—74) величина k называется
показателем кинематического режима
«2Д
g
(VI—75)
Так как полный период колебания сита Т= —, то для сред-
о>
ней скорости перемещения материала по поверхности сита
окончательно получим:
у = = (VI—76)
с₽ Т 2л v ’
Величину k, представленную просто как произведение со2/?,
иногда называют кинематическим фактором работы сита [193,
194]. По смыслу значение и2/? соответствует максимальному зна-
чению ускорения сита, что видно из уравнения (VI—47) при
<vos сот = 1.
Теоретическим рассмотрением вопроса установлено [193], что
величина кинематического фактора со2/? ограничивается, в част-
ности, скоростью движения частицы и размерами отверстий сита
и лежит в пределах между значениями, соответствующими
началу передвижения частицы по ситу и началу подскакивания
частицы на сите.
Пример расчета. Произведем при помощи уравнений (VI—32) и (VI—34)
расчет предельных максимальных и минимальных значений чисел колебаний
сита, при которых еще возможен проход частиц через отверстия. Будем рас-
сматривать возможность прохода семян сои через верхнее (сортировальное)
сито сепаратора № 5.
Исходные данные: D = 1,0 см\ г = 0,3 см; R = 0,5 см; а = 10°;
е = 90— 10 = 80°. tgcp = 0,3; ф = 16°42' (угол трения).
При выполнении расчетов по уравнениям (VI—32) и (VI—34) важно не
спутать знаки в подкоренном выражении и под функцией косинуса.
Решение. Условия прямого прохода рассчитываются по уравнению
(VI- -32).
Движение семени вниз, сито движется в этом же направлении:
J_ Л_________________981____________
6 |/ 2 [0,3-J-(1,0 — 0,3) sin 10°]
X arc cos
(1,0 —0,3) cos 10° •
0,5
= 384 колебания в минуту.
Движение семени вниз,
сито движется в противоположном направлении:
1 /__________981__________
6 у 2[0,3+ (1,0 — 0,3) sin 10®]
Г (1,0 — 0,3) cos 10° ]
X arc cos 1 —------------------ = оЗо колебаний в минуту.
127
Движение семени вверх, сито движется в этом же направлении:
1 Г______________981__________
6 |/ 2 [0,3 —(1,0 — 0,3) sin IO»]
X arc cos 1 4
(1,0 —0,3) cos 10°'
ОД
= 592 колебания в минуту.
Движение семени вверх, сито движется в противоположном направ-
лении:
1 -1 Г 981
«max- 6 у 2 [0,3 —(1,0—0,3)sin 10°]
X arc cos 1
(1,0 — 0,3) cos 10° 1
—------------------ = 985 колебаний в минуту.
Условия косвенного прохода рассчитываются по уравнению (VI—34).
Движение семени вниз, сито движется в этом же направлении:
1 -1/” 981
«mill- 6 У 2 [0,3 + [(1,0 — 0,3 cos 80°) sin 10° — 0,3sin80°]} Х
arc cos 1 4-
(1,0—0,3cos80°) cos 10° ~
0,5
= 277 колебаний в минуту.
Движение семени вниз, сито движется в противоположном направлении:
1 -1 Г 981
«max— 6 У 2 {0,3[(1,0 —0,3 cos 80°) sin 10°— 0,3 sin 80°]}
X arc cos
(1,0-—0,3 cos 80°) cos 10°
~ 0?5
= 1344 колебания в минуту.
Движение семени вверх, сито движется в этом же направлении:
1 1/' 981
«min— 6 У 2(0,3 — [(1,0— 0,3 cos 80°) sin 10° — 0,3sin80°]}
(1,0 — 0,3 cos 80°) cos 10° ]
X arc cos 1 -|----------------------- = 172 колебания в минуту.
0,5
Движение семени вверх, сито движется в противоположном направлении:
1 I Г 981
«max — 6 у 2 {0,3 — [(1,0 — 0,3 cos 80°) sin 10° — 0,3 sin 80°]}
X arc cos 1
(1,0 —0,3 cos 80°) cos 10°~
~ 0,5
= 837 колебаний в минуту.
Проведенных расчетов, однако, еще недостаточно, так как неизвестно, бу-
дут ли семена вообще передвигаться по ситу при указанных числах его
колебаний, а если это возможно, то не произойдет ли при этом отрыв семени
от поверхности сита, что может нарушить нормальный ход просеивания.
128
Для этих дополнительных расчетов воспользуемся уравнениями (VI—56)
(VI—61) и (VI—64); в этих уравнениях 7? выражено в метрах.
Минимальное число колебаний в минуту, при котором семена начинают
перемещаться вверх по ситу,
l/'tg7T6°42' + 10°J
”min — 30 |/ 0,005 = 3^0'
Минимальное число колебаний в минуту, при котором семена начинают
перемещаться вниз по ситу,
i/tg(16°42' — 105)
«min=30|/ -- Дцж,---------- =145.
Максимально допустимое число колебаний в минуту, при превышении
которого семена отрываются от поверхности сита,
3
/2 max — /------------ ==: 1001.
/о, 005 tg 10°
Таким образом, расчеты подтверждают, что диапазон возможных изме-
нений числа колебаний сита для обеспечения условий косвенного прохода
шире, чем для обеспечения условий прямого прохода. Однако условия косвен-
ного прохода не всегда согласуются с условиями перемещения семян по
ситу. Так, при движении семени вниз и движении сита в противоположном
направлении fimax=1344 колебания в минуту, что выходит за предел
(1001 колебание в минуту), при котором семена еще не отрываются от по-
верхности сига. При движении семени вверх в одном направлении с ситом
получается nmin<Cn'min (соответственно 172 и 300 колебаний в минуту), т. е.
расчет по уравнению (VI—34) в данном случае вообще неприемлем. На ос-
новании сказанного необходимо отметить, что расчеты по уравнениям
(VI—56) и (VI—61) должны производиться как контрольные, когда опреде-
ляются условия прохода частиц через отверстия сита.
ОПЫТНЫЕ ДАННЫЕ
К настоящему времени выполнен ряд экспериментальных
исследований работы плоского сита с возвратно-поступательным
движением при очистке масличных семян, главным образом
высокомасличных семян подсолнечника [151—155, 193]. Кратко
рассмотрим основные результаты этих исследований.
Не наблюдается больших различий в эффективности очистки
высокомасличных семян подсолнечника на ситах с круглыми или
продолговатыми отверстиями. Несколько больший съем сора с
сортировальных (верхних) сит получается при круглых, а с под-
севных (нижних) сит — продолговатых отверстиях. Однако про-
долговатые отверстия нуждаются в более тщательной очистке от
застревающих в них частиц (сор, части семян и т. п.).
Интересная особенность очистки высокомасличных семян
подсолнечника — значительное превышение скорости роста
потерь семян с проходом подсевного сита над скоростью роста
съема сора на этом сите с увеличением размера отверстий.
5 В. В. Белобородов
129
Установлено, что при очистке высокомасличных семян под-
солнечника оптимальный диаметр круглых отверстий на подсев-
ном сите составляет 2,5 мм, а оптимальный размер продолгова-
тых отверстий — 1,7X20 мм, для сортировального сита соответ-
ственно 11 мм и 6,0X40 мм. Такие размеры отверстий наиболее
характерны. Однако в связи с возможными изменениями грану-
лометрического состава семян и сора указанные оптимальные
Рис. 44. Зависимость сьема сора от максимального
ускорения сит при различных амплитудах (в мм):
/—5,3; 2 — 6,35; 5 — 7,3; 4 — 8,05 (диаметр отверстий сорти-
ровального сита П мм. подсевного — 2,5 мм; угол наклона
сит 10°; рабочая длина снт 1000 мм).
Уменьшение потерь семян в сходе с сортировального сита и
увеличение съема сора достигается применением сит с различ-
ными отверстиями по длине; на большей части длины сита ос-
тавляют приведенные оптимальные значения размеров отвер-
стий. Так, показано [155], что при общей длине сортировального
сита 2000 мм отверстия должны распределяться следующим
образом: отверстия круглые на расстоянии до 1400 мм — диа-
метром 11 мм, от 1400 до 1800 мм—10 мм, от 1800 до 2000 —
9 мм; отверстия продолговатые соответственно — 6,0X40 мм;
5,75X40 мм; 5,75X25 мм.
Зависимость съема сора от кинематического фактора (мак-
симального ускорения сита) обладает максимумом, что видно на
примерё очистки высокомасличных семян подсолнечника на сите
с круглыми отверстиями (рис. 44). Для сит с продолговатыми
130
отверстиями данная зависимость качественно выглядит так же.
Было показано [193], что зависимость полноты просеваемости
через сортировальное сито семян льна, рыжика и горчицы от
максимального ускорения сита имеет аналогичный характер.
Влияние параметров, составляющих кинематический фак-
тор, — числа и амплитуды колебаний — интересно выделить в
чистом виде, во-первых, потому, что это важнейшие кинематиче-
Ушию колебании сита 8 минуту
Рис. 45. Зависимость съема сора от числа колеба-
ний сит при различных амплитудах (см. подпись к
рис. 44).
ские параметры работы сита и, во-вторых, потому, что эти
параметры относительно легко могут быть изменены в практи-
ческих условиях. Это выделение для числа колебаний представ-
лено на рис. 45, а для амплитуды — на рис. 46. Как видно из
рисунков, представленные на них зависимости также обладают
максимумом, т. е. имеются оптимальные значения числа и ампли-
туды колебаний. В частности, при очистке высокомасличных
семян подсолнечника они равны: для сит с круглыми отверстия-
ми — 425 колебаний в минуту и 6,35 мм, для сит с продолгова-
тыми отверстиями — 425 колебаний в минуту и 7,3 мм. Опти-
мальные значения кинематического фактора для сит с круглыми
отверстиями лежат в пределах 11,0—13,3 м/сек2, а для сит с про-
долговатыми отверстиями — в пределах 14—16 м/сек2 [153].
Уклон наклона сита при изменении его в пределах 6—12"
[154], когда сито работает при нагрузке (производительности),
соответствующей нагрузке промышленных сепараторов, сущест-
5*
131
7,'vuim ozoHmgorfnuidoaaарохэg инна:) атпжЬроэ
132
венно не сказывается на съеме сора. Однако при повышенных
нагрузках с ростом угла наклона сит уменьшается съем сора,
а при некоторых малом и большом значениях угла наклона воз-
никают потери семян в сходе с сортировального сита (рис. 47),
что связано с характером перемещения по ситовой поверхности
слоя смеси семян и сора. За оптимальный угол наклона сит при
очистке высокомасличных семян подсолнечника принимается
угол 10—12°.
Длина сита, мм
\ ^ \ г \ з \ я \ з \ ь \ я \ g \ я \ ю \
Номеаа участков
Рис. 48. Зависимость массы сора в проходе от дли-
ны сортировального сита с круглыми отверстиями:
/ — размеры отверстий по длине сита одинаковы —11 мм:
2 — размеры отверстий по длине сита следующие: до 1400 мм —
11 мм\ от 1400 до 1800 мм — 10 мм; от 1800 до 2000 мн~ 9 мм;
3 — размеры отверстий по длине сита следующие: до 1400 мм —
11 мм; от 1400 до 1800 — 9 мм; от 1800 до 2000 — 8 мм; произво-
дительность опытно-промышленной установки [152] 50—51 кг/мин;
число колебаний в минуту 425; амплитуда колебаний 6,35 мм;
угол наклона сита 10°.
Как видно из рис. 48 и 49, зависимость массы сора в проходе
сортировального сита от его длины обладает четко выраженным
минимумом, а зависимость местной просеваемости от того же
фактора — максимумом. Из сравнения кривых 1, 2 и 3 (рис. 48)
следует, что при уменьшении размеров отверстий на последних
участках сортировального сита проход сора через него может
быть уменьшен, т. е., как уже говорилось выше, за счет этого
133
можно повысить съем сора сортировальным ситом. Это отно-
сится к очистке высокомасличных семян подсолнечника. На дру-
гих масличных семенах данный вопрос не изучен.
Максимум просеваемости семян подсолнечника сортироваль-
ным ситом, как следует из рис. 49, зависит от нагрузки (произ-
Номера участков
Рис. 49. Изменение местной иросеваемости по
длине сортировального сита с круглыми отвер-
стиями при различной начальной нагрузке
(производительности) в кг)мин [152]:
/—34,5; 2 — 41,1; -3 — 51,3; 4 — 63,9; 5 — 74,2; 5—87,4;
7 — 97,3; размер отверстий сита 11 мм, число колебаний
в минуту 425; амплитуда колебаний 6,35 мм\ угол накло-
на 10’
водительности) сита: с ростом нагрузки максимум сдвигается
по длине сита в сторону схода крупного сора.
С увеличением длины подсевного сита съем сора быстро
падает и в целом кривые (рис. 50) имеют затухающий характер.
Установлено [155], что при очистке высокомасличных семян под-
солнечника увеличение длины подсевных сит больше 2000 мм
нецелесообразно.
Характер кривых, показанных на рис. 50, в общем является
типичным для просеивания на плоских ситах с возвратно-посту-
134
Длина сита,'мм
\i\i\3\i\s\s\7\s\s\to\
Номера участков
Рис. 50. Зависимость съема сора от длины подсев-
ного.сита с круглыми отверстиями:
1 — съем сора в процентах нарастающим итогом; 2 — масса
снятого сора по длине снта в г; размер отверстий сита
2,5 мм; производительность — 34,6 — 34,8 кг /мин; амплитуда
колебаний 6,35 мм; число колебаний в минуту 425; угол на-
клона сита 1Г.
Ри . 51. Влияние исходной засоренности на съем сора-
и конечную засоренность семян:
1 — съем сора обоими ситами; 2 — съем сора подсевным ситом;
,7 — содержание сора в семенах после Очистки; производитель-
ность—344.35 кг/мин; диаметры отверстий сит: сортировально-
го— 11 мм, подсевного — 2,5 мм; угол наклона сит 10 ; ампли-
туда и число колебаний соответственно 6,35 мм и -425 в минуту.
535
нательным движением. Такой характер кривых просеивания
установлен и на зерновых материалах. В полулогарифмической
анаморфозе обычно эти кривые спрямляются.
Как видно из рис. 51, с ростом исходной засоренности семян
увеличивается съем сора и засоренность семян после очистки.
Зависимость конечной засоренности от исходной при очистке
Рпс 52. Влияние производительности на эффективность очи-
стки:
1 — съем сора обоими ситами; 2 — съем сооа подсевным ситом;
3 — содержание семян в сходе с сортировального сита в процентах
от массы исходных семян; 4 — съем сора сортировальным ситом;
исходная засоренность семян 4,02 4-4,31% (характеристику сита и ре-
жима его работы см. в подписи к рис. 51).
высокомасличных семян подсолнечника имеет линейный харак-
тер. Это позволяет сделать заключение о том, что по глубине
очистки семян подсолнечника на ситовых поверхностях нельзя
отдать предпочтения ни одной из областей исходной засорен-
ности.
С ростом производительности (рис. 52) съем сора сортиро-
вальным ситом увеличивается (кривая 4), а подсевным — умень-
шается (кривая 2). Поскольку на подсевном сите сора снимает-
ся значительно больше, чем на сортировальном, то в целом на
двух ситах с ростом производительности съем сора уменьшается
(кривая /). Начиная с некоторого значения производительности
при дальнейшем ее росте возникают потери семян в сходе
с сортировального сита (кривая 5).
136
Глава 'VII. ПРОСЕИВАНИЕ НА ПЛОСКОМ СИТЕ С КРУГОВЫМ
ПОСТУПАТЕЛЬНЫМ ДВИЖЕНИЕМ
УСЛОВИЯ ПРОХОДА ЧАСТИЦ
Соотношение между силами, действующими на частицу на
сите, совершающем круговое поступательное движение, рассмот-
рено около семидесяти лет назад известным русским ученым
Н. Е. Жуковским [125]. Основной тезис Н. Е. Жуковского — в
условиях установившегося процесса относительное движение
частицы по ситу рассева происходит с той же угловой скоротью,
что и круговое поступательное движение любой точки рассева,
Рис. 53. Движение частицы по ситу с круговым поступатель-
ным движением:
/ — траектория переносного движения, 2 — относительного, 3 — абсолют-
ного.
но по окружности с меньшим радиусом. Траектории переносного,
абсолютного и относительного' движения частицы по ситу рас-
сева показаны на рис. 53.
Три силы действуют на частицу, находящуюся на горизон-
тальном рассеве, — сила инерции частицы в переносном движе-
нии Ри.п, сила инерции в относительном ее движении Ря.о и сила
трения F. Силы инерции направлены по нормалям к траектории
соответствующего движения, а сила трения — тангенциально к
траектории относительного движения.
Треугольник сил, показанный на рис. 53, дает
Ри.о = ]/Р1п-Ж2 . (VII-1)
Так как в соответствии с работой Н. Е. Жуковского угловые
скорости переносного и относительного движений равны, то
Ри п = тоЖп
Ри. о = тш2г0
(VII—2)
137
где fn — масса частицы.
Поскольку сила трения F = fmg, где f — коэффициент трения,
то в соответствии с уравнением (VII—1)
mu>2r0 = У (т<л2гп)2 — (fmg)2. (VII—3)
После преобразований для радиуса окружности относитель-
ного движения частицы получим
(VII—4)
Сила инерции в абсолютном движении уравновешивается
силой трения, т. е. Ръ. a = F или <>Fr:j = fg. Отсюда для радиуса
окружности абсолютного дви-
жения частицы получаем
д-лм
Рис. 54. Траектории относитель-
ного движения частицы по на-
клонному ситу рассева (а) и по
ситу с гонками (б).
Для полноты картины не-
обходимо отметить, что части-
цы на сите рассева благода-
ря наклону сита и наличию
гонков в целом совершают
поступательное движение к
выходу. Траектория движения
частиц на наклонном сите и
на сите с гонками показана на
рис. 54.
Перейдем непосредствен-
но к формулировке условий
прохода частицы через сито
рассева [43].
Сделаем следующие допу-
щения для движения частицы и отверстия сита (рис. 55).
1. Круглая частица радиусом г подходит к круглому отвер-
стию в сите радиусом /< по середине его в направлении общего
потока частиц на сите, т. е. продолжение траектории частицы в
момент ее подхода к отверстию пересекается с центром отвер-
стия. При достаточно длительном пребывании частицы на сите
рассева такую вероятность можно считать вполне достоверной.
2. Траектория переносного движения отверстия сита является
прямой линией. Это допущение вытекает из того, что обычно
радиус переносного движения (эксцентриситет рассева) значи-
тельно больше радиуса отверстия в сите.
Так же, как и для горизонтального сита с возвратно-посту-
пательным движением, необходимым условием прохода частиц
138
через отверстие является то, что частица по вертикали должна
пройти путь, равный ее радиусу, т. е. г. Время этого движения из
закона падения тела равно
Рис. 55. Условие прохода частицы через отверстие сита рассева; ча-
стица подходит к отверстию вдоль основного потока массы частиц:
а — частица движется вниз по ситу; б — частица движется вверх по ситу:
1— траектория переносного движения; 2 — траектория абсолютного движения
(пунктиром показано взаимное расположение частицы и отверстия в момент про-
хода частицы).
За это же время сито должно пройти расстояние R—г.
Составляем простую пропорцию (гп = радиус переносного дви-
жения рассева):
R — г-т,
I
। откуда
т = . (VII—7)
Приравнивая уравнения (VII—6) и (VII—7), находим пре-
дельное максимальное число оборотов рассева
(VII—8)
'7 139
Для случая, когда сито рассева наклонено к горизонту под
углом а, вместо уравнения (VII—6) будем иметь:
т = (VII—9)
и уравнение для предельного максимального числа оборотов при-
мет вид:
П,1а < = -30(7?^Л) Vщут-,/ , • (VII— 10)
ллп Г 2 [г (к — г) sin а] ' '
В этих уравнениях знак ( + ) соответствует движению час-
тицы вниз по ситу рассева, а знак (—) —движению частицы
вверх по ситу рассева.
С указанным допущением о линейности траектории перенос-
ного движения рассмотрим второй случай, когда частица подхо-
дит к отверстию в сите по середине его в направлении, перпен-
дикулярном общему потоку частиц на сите, причем частица
и отверстие движутся в противоположных направлениях
(рис. 56, а) иди в одном направлении (рис. 56, б).
Вероятность этого также будем считать вполне достоверной.
К такому случаю применимы рассуждения, использованные
нами для сита с возвратно-поступательным движением (см. гла-
ву VI). Отличие состоит только в том, что' для данного случая
следует угол наклона сита принять равным нулю 1 и помнить,
что путь любой точки сита рассева в его переносном движении
равен S = 2jtrnip. Мы не будем приводить здесь полного вывода,
а ограничимся лишь конечным уравнением для предельного
максимального числа оборотов рассева при движении частицы
и отверстия в противоположных направлениях:
п^ = ^УУ±У (VII—11)
JI/ Р[ 1 Л</
и при движении частицы и отверстия в одном направлении:
30(4^г) j/J. (VII—12)
Отметим, что при движении частицы и отверстия в одном
направлении при работе рассева, отличающейся тем, что линей-
ная скорость переносного движения отверстия сита всегда
больше линейной скорости абсолютного движения частицы, воз-
можен только такой вариант движения частицы и сита в одном
1 Это вытекает из того, что встреча частицы и отверстия в рассматривае-
мом случае происходит в направлении, перпендикулярном общему потоку
частицы на сите; именно в этом направлении и наклонены сита рассева.
140
направлении, в котором сито обгоняет частицу (рис. 56, б). Пос-
ледняя «срывается» с кромки отверстия и проваливается в него.
Предельное минимальное число оборотов рассева возникает
из условия относительного движения частицы. Это условие опре-
Рис. 56. Условие прохода частицы через отверстие
сита рассева; частица подходит к отверстию попе-
рек основного потока массы частиц:
а — движение частицы и отверстия в противоположных на-
правлениях, б — движение частицы и отверстия в одном
направлении (см. подпись к рис. 55).
деляется равенством между силой инерции в переносном движе-
нии и силой трения, т. е.
тш2гп = mfg,
(VII—13)
где т — масса частицы;
f — коэффициент трения частицы о сито;
и — угловая скорость переносного движения сита.
Так как со= из уравнения (VII—13) получим известную
формулу:
^min
(VII—14)
141
Для случая, когда сито рассева наклонено к горизонту под
углом а, рассмотрение равновесия сил 1 приводит также к изве-
стному равенству:
„ . _ 30 -1 Г gtg (tp ± а)
mln Л г Гц
(VII—15)
где ф — угол трения частицы о сито.
В уравнении (VII—15) знак (+) относится к движению час-
тицы вверх по ситу, знак (—)—к движению частицы вниз
по ситу.
Действительное число оборотов рассева должно находиться
в пределах
^min < ^шах- (VII 16)
Как видно из уравнений (VII—8); (VII—11); (VII—12).
предельное максимальное число оборотов рассева увеличи-
вается с ростом радиуса отверстий в сите и уменьшается с ро-
стом размера частиц и эксцентриситета рассева.
Из уравнения (VII—10) вытекает, что наклон сита рассева
влияет на предельное максимальное число оборотов, соответст-
вующее случаю, показанному на рис. 55, таким образом, что при
движении частицы вниз по ситу с ростом угла наклона иШах
уменыпается, а при движении частицы вверх по ситу с ростом
угла наклона итах увеличивается.
Предельное минимальное число оборотов рассева зависит
от эксцентриситета и коэффициента трения частицы о сито рас-
сева, а для наклонного сита — еще и от угла наклона.
Из проведенного исследования нетрудно видеть, что наибо-
лее благоприятным для прохода частицы через отверстие яв-
ляется случай, показанный на рис. 56, б, т. е. движение частицы
и отверстия в одном направлении. Этот случай, описываемый
уравнением (VII—12), допускает максимальное число оборотов
рассева.
Следует подчеркнуть, что уравнения (VII—8); (VII—10):
(VII—11); (VII—12) в связи со сделанными допущениями мо-
гут применяться лишь для принципиального анализа законо-
мерности процесса и для приближенных расчетов. Оценить точ-
ность этих уравнений можно сравнением полученных по ним
результатов с данными опытной работы.
Само собой разумеющимся условием применения этих урав-
нений является неравенство г<К.
1 Мы не приводил: схемы, иллюстрирующей это, но скажем, что в таком
случае появляется составляющая тяжести mg sin а и силы трения mfg cos а,
а сила инерции в переносном движении раскладывается на mo)2rncosa и
inw2rnsina.
142
Сформулируем общее условие просеивания через сито рас-
сева. Оно вытекает из того, что значение яШах из уравнения
(VII—12) должно быть больше или равно «min, т. е.
^тах
^min
> 1.
(VII—17)
Подставляя соответствующие значения nmax и «тш из уравне-
ний (VII—12), (VII—14) и (VII—15), получим для горизон-
тального сита
для наклонного сита
(VII—18)
(VII—19)
Левую часть выражения (VII—18) обозначим через
(VII—20)
и назовем его параметром просеивания. Параметр -просеивания
является безразмерной величиной.
Просеивание невозможно, если £<1.
Для случая, когда сито рассева наклонено под углом а, выра-
жение для параметра просеивания будет иметь вид:
? (4/? г) У 2rrntg(?±«) •
(VII—21)
Отметим, что полученные уравнения так же, как и для воз-
вратно-поступательного движения сита, применимы для случа-
ев перемещения одиночной частицы и однослойного нестеснен-
ного перемещения совокупности частиц. Условия прохода через
ячейки сита частиц, оказывающих взаимное влияние друг на
,руга, и особенно при так называемом послойном движении в
ассеве значительно сложнее и лишь качественно рассматрива-
лся ниже.
ПОСЛОЙНОЕ ДВИЖЕНИЕ ЧАСТИЦ В РАССЕВЕ
Как уже указывалось, мы будем рассматривать послойное
.вижение частиц на сите рассева как равномерное поступатель-
ное движение пластин, связанных между собой силами трения
107—109]. В основе этого лежит допущение, что частицы
з каждом данном слое совершенно однородны, и поэтому
143
скорости их относительного движения в любой момент времени
одинаковы по величине и направлению. Такое допущение яв-
ляется, конечно', грубым приближением, позволяющим произве-
сти лишь принципиальный анализ процесса по некоторым его
аспектам.
Если через f' обозначить коэффициент трения нижнего слоя
частиц о верхний в отличие от коэффициента трения f нижнего
слоя о сито и принять f'<Zf (имеются в виду коэффициенты тре-
ния в движении), то для радиусов относительного и абсолютного
движения верхнего слоя по нижнему будут справедливы те же
уравнения (VII—4) и (VII—5), в которые вместо f следует под-
ставить. f'.
При f'<Zf с увеличением числа оборотов рассева сначала
возникает движение верхнего слоя по нижнему. Кроме этого,
нижний слой удерживается от движения и весом верхнего слоя.
Минимальное число оборотов, при котором возникает движение
верхнего слоя по нижнему, может быть охарактеризовано урав-
нениями (VII—14) и (VII—15) с соответствующими заменами
f на f' и ф на фЛ. Подобное движение будет сопровождаться
только самосортированием частиц в верхнем слое. В силу не-
подвижности нижнего слоя просеивания не происходит.
При дальнейшем увеличении числа оборотов рассева возник-
нет движение нижнего слоя и вместе с ним просеивание.
На нижний слой при его движении действуют три силы:
сила инерции в абсолютном движении
Pa=mw2ra, (VII—22)
где т — масса нижнего слоя;
сила трения о верхний слой
Л = m'gf', (VII—23)
где т' — масса верхнего слоя;
сила трения о сито
F = (т ф- иг') gf. (VII—24)
Рассмотрение треугольника этих сил приводит к получению
радиуса абсолютного движения нижнего слоя [109].
(VII—25)
где k — безразмерный коэффициент:
4=/'т + (1 + щГ[1-(т)’1 (V,,~26)
144
По аналогии с уравнениями (VII—14) и (VII—15) получим
выражения для предельных минимальных чисел оборотов рассе-
ва для нижнего слоя при послойном движении частиц:
для горизонтального сита
= (VII—27>
для наклонного сцта
«min = V. (VII—28)
Как видно из уравнения (VII—26), коэффициент k зависит
лишь от физико-механических свойств частиц (их коэффициен-
тов трения) и нагрузки сита.
Рис. 57. Распределение относительных скоростей
по высоте слоя при послойном движении ча-
стиц по ситу рассева [108]:
v0 — относительная скорость верхнего слоя; vm — отно-
сительная скорость нижнего слоя; —скорость пере-
носного движения.
Более детальное рассмотрение послойного движения позво-
ляет представить слой частиц на сите рассева как состоящий из
бесконечно тонких слоев (пластин), связанных между собой в
горизонтальных плоскостях силами трения. Коэффициенты со-
противления сдвигу слоев возрастают по мере увеличения тол-
щины вышележащего слоя (по мере углубления в слой), что
экспериментально было показано на примере продуктов измель-
чения зерна [108]. Это позволяет представить картину распреде-
ления относительных скоростей по высоте слоя на сите рассева.
Как видно из рис. 57, по мере углубления в слой изменяется
145
величина и направление относительной скорости. Это лежит в
основе движения бесконечно малых слоев относительно друг
друга, что необходимо для самосортирования частиц и проник-
новения проходовых фракций к поверхности сита [ИО, 364].
Пример расчета. На рассеве находятся семена горчицы.
Исходные данные: радиус переносного движения гп = 45 мм,
радиус семян горчицы г=1,8 мм, радиус отверстий сита R = 2,4 мм, угол
трения движения семян о сито ср = 19°, угол наклона сита рассева а = 3°.
Определить возможность прохода семян через отверстия сита рас-
сева.
Решение
1. При помощи уравнения (VII—21) находим параметр просеивания.
Для движения семян вверх по ситу
£-(4-2,4—1,8) j/" 2-1,8-45 tg (19° + 3°) ~ °’963’
для движения семян вниз по си"у
’ — (4'2,4 1,8)|/ 2.1,8-45 1ц(19' 3 )1,15-
Просеивание возможно при движении семян вниз по ситу, так как в этом
случае £>1.
2. При помощи уравнений (VII—12) и (VII—15) проверим полученный
ответ.
Максимальное число оборотов рассева в минуту
_ 30(4-2,4-1,8) Wo _
«max- 3,14-45 Г 2-1,в-86,4’
Минимальное число оборотов рассева в минуту для движения семян
вверх по ситу
«min = Т Г ----------45------= 89- 6’
для движения семян вниз по ситу:
зо
«min = V ------------45------ = 75’6'
Действительно, поскольку то просеивание невозможно для
случая движения семян вверх по ситу (точнее, вверх по ситу семена вообще
не передвигаются), но и поэтому просеивание возможно при
движении семян вниз по ситу.
Глава VIII. ОБРУШИВАНИЕ МАСЛИЧНЫХ СЕМЯН
В связи с различиями в свойствах оболочек масличных семян
необходимо применять принципиально различные методы их
обрушивания. В промышленности при переработке подсолнечни-
ка и некоторых других культур используют метод многократ-
146
ного удара (бичевые рушки), а при переработке семян хлопчат-
ника — метод разрезания (дисковые шелушители) и скалывания
(ножевые и вальцовые шелушители). В последнее время изу-
чается перспективный метод однократного удара при переработ-
ке семян подсолнечника, конструктивно оформляемый в виде
центробежных рушек.
Кроме этого, ведется разработка так называемого аэрошелу-
шения [335]. По этому методу обрушивание происходит в трубке
небольшого диаметра при помощи движущейся со сверхзвуко-
вой скоростью воздушной струи, которая разрушает оболочку
тангенциальными усилиями, возникающими благодаря разности
в скорости воздушной струи и скорости движения семянки, пони-
женной из-за трения о стенки трубки. Метод отличается про-
стотой, но повышенным расходом энергии. Неясно еще, какое
обмасливание лузги может происходить при обрушивании семян
подсолнечника таким способом.
Обрушивание масличных семян — специфический процесс
производства растительных масел — относится к процессам, ко-
торые наименее разработаны. Поэтому мы сделаем попытку
кратко осветить лишь основные вопросы этой проблемы.
МЕХАНИЗМ ОБРУШИВАНИЯ
Проанализируем механизм обрушивания подсолнечных се-
мян методами однократного или многократного удара. В основе
этих методов лежит теория удара [9], некоторые положения ее
мы кратко рассмотрим на примере прямого удара двух шаров.
Под прямым ударом понимается такой, при котором в момент
столкновения шаров т0 скорости их центров направлены по ли-
нии центров и шары не вращаются. Пусть шары обладают мас-
сами т и т*' и скоростями соответственно и0 и »0 в момент т0 и
щ и в момент Т1, когда удар заканчивается. Эти конечные
скорости также направлены вдоль линии центров, которую мож-
но принять за ось Ох.
Удар есть действие очень больших сил в течение очень корот-
кого промежутка времени (ту—т0). Удар в целом может быть
разделен на две фазы. В первой фазе, которая начинается в мо-
мент то, шары после соприкосновения деформируются и их цент-
ры продолжают сближаться до некоторого наименьшего рассто-
яния, равного сумме разностей между радиусами шаров и их
деформациями. Это состояние наблюдается в некоторый момент
времени У, при достижении которого заканчивается первая фа-
за удара. В момент У скорости движения шаров равны. С этого
момента под действием сил реакции обоих шаров они начинают
отталкиваться. Начинается вторая фаза удара. Шары приобре-
тают свою первоначальную форму и к моменту времени ti вновь
147
соприкасаются только в одной точке. На этом удар заканчи-
вается.
Действием силы тяжести во время удара можно пренебречь.
В соответствии с теоремой проекций количеств движения изме-
нение их суммы на ось Ох равно нулю:
mvr 4- m'vi = mv0 + m'v0. (VIII— 1)
Уравнение (VIII—1) дает первую зависимость между скоро-
стями в моменты то и Тц Для получения еще одной зависимости
и, следовательно, расчетных формул для и v' необходимо
рассмотреть три различных случая.
Первый случай. Тела абсолютно н е у и р у г и е.
В этом случае шары после удара остаются в соприкосновении,
т. е. скорости их после удара равны (i7i = v1').
Из уравнения (VIII—1) получаем
т + т'
Если попытаться применить полученное уравнение к анализу
работы бичевой рушки, то можно допустить, что масса и скорость
семени по сравнению с бичом (в момент первого удара) прибли-
женно равны нулю (m'ssO, v'g =0). Тогда будем иметь
= У1 = v0, (VIII—3)
т. е. скорость семени в случае абсолютно неупругого удара (ины-
ми словами, при отсутствии упругих деформаций семени) будет
равна первоначальной скорости движения бичей (v{ =v0), ко-
торая в результате удара не изменится (£Ц = ц0).
Если рассматривать удар семени о деку бичевой или центро-
бежной рушки, то надо считать, что в уравнении (VIII—2) т'^0,
цо=О, тогда получим
г?х = V[ = 0, (VIII—4)
т. е. скорости семени и деки равны нулю (семя «прилипает» к
деке).
Второй случай. Тела абсолютно упругие. Этот
случай соответствует нулевой потере кинетической энергии, т. е.
можно написать равенство:
mvi -f- m'vi = mv0 -f- m'v0. (VIII— 5)
148
Совместное решение уравнений (VIII—1) и (VIII—5) дает
соотношение между скоростями шаров. Перепишем эти уравне-
ния:
т (ух — у0) = т' (у0 — (VIII—6)
т (у\ — у*) = т' (уо — v'i ). (VIII—7)
Деление этих равенств друг на друга после элементарных
преобразований дает
У] — = Уо — у0, (VIII—8)
т. е. после удара относительная скорость движения шаров оста-
ется без изменения. Можно написать:
Ух = Уо + а, У1 = у0 + а. (VIII—9)
После подстановки этих значений в уравнение (VIII—1) по-
лучим
я = т~,п' (уо _(VIII— 10)
т + т'
что определяет численные значения скоростей У[ и у,'.
Для первого удара бича рушки по семени (/п'=0, у„=0)
« = уо, что с учетом уравнений (VIII—9) ш (VIII—10) дает:
(VIII-11)
т. е. в случае абсолютно упругого удара (при отсутствии пласти-
ческих деформаций семени) скорость движения бича останется
без изменения, а скорость движения семени будет в два раза
больше скорости движения бича.
При ударе семени о деку бичевой или центробежной рушки
(цг'^0, Уо=О) а =—vg, из уравнений (VIII—9) и (VIII—10)
получим
(VIII—12)
У1 = Уо
У1 = 2у0
ух = 0 1
У1 = — Уо /
т. е. дека останется неподвижной, а скорость семени не изме-
нится по величине, но поменяет свой знак на обратный.
Третий случай. Тела упруго-пластичные. В слу-
чае, когда шары обладают вполне определенными долями упру-
149
гих и пластичных деформаций, соотношение между скоростями
может быть выражено уравнением;
fi— Vi = /г(уо — v0) (0<6<1),
(VIII-13)
где k — коэффициент восстановления.
Для тел абсолютно неупругих & = 0, для абсолютно упругих
k—{. Для масличных семян и продуктов их переработки, по име-
ющимся данным [116], значения k находятся в пределах 0,33—
Рис. 58. Обрушивание подсол-
нечного семени; нарушение связи
между ядром и оболочкой про-
исходит в точках 1 и 2; штри-
ховыми линиями показаны кон-
туры оболочки до деформации,
сплошными — после деформации;
в — смещение «углов» 0 в резуль-
тате деформации оболочки.
—0,43.
Решение уравнения
(VIII—13) совместно с урав-
нением (VIII—1) дает:
, (mt'o + m'o') — mk(v'o — v0)
Vi =----------------3------L ,
m + m'
(VIII—14)
(mo0 + rn'iQ 4- m'k (v'o — <r0)
=------------------------.
m -p m
(VIII—15)
После первого удара бича
рушки по семени (т' 0,
у' s 0) скорость семени бу-
дет равна
vi — vu (1 + 1г), (VIII—16)'
а скорость бича останется без изменения, т. е. Щ = По.
При ударе о деку бичевой или центробежной рушки (/п'^0„
с(|~0) скорость семени меняет свое значение по величине и на-
правлению;
У1 = — kv0,
(VIII—17)
а дека остается неподвижной.
В соответствии с теорией удара рассмотрим ход обрушива-
ния подсолнечного семени [116]. Вначале нарушается связь
между ядром и оболочкой (рис. 58), что является результатом
деформации оболочки. Эта же часть процесса представлена на
рис. 59, а, где показано расположение сил, возникающих при
ударе бича по семени. По истечении первой фазы удара оболоч-
ка деформируется на величину 6. В оболочке образуются тре-
щины по направлениям /, 2, 3. Сила инерции прижимает ядро
к деформированной части оболочки. Силы упругой деформации
оболочки отталкивают от бича семя, которое приобретает ско-
рость v[ в соответствии с уравнением (VIII—16). На этом за-
вершается вторая фаза удара.
150
оболочка, вследствие меньшей
Направление
отталкивающе-
гося семени
а
2
МиВая сила
оболочки
5-' '
Рис. 59. Схематическая картина об-
рушивания семени подсолнечника от
удара бича.
ПротиВодейстВие
"~ядра
Направление
дейстВия силы
ПротиВодейстВие
ядра
Допустим, удар был такой силы, что оболочка разрушается.
Тогда отделение ядра от оболочки происходит в момент отрыва
семени от бича. Если в оболочке образовались только трещины,
то отделение ядра возможно уже после отрыва семени от бича,
как показано на рис. 59, б. При этом ядро отделяется вследствие
различия скоростей оболочки и ядра. Оно должно двигаться с
меньшей скоростью, чем
доли упругих деформаций.
Здесь уместно рассмот-
реть роль влажности в про-
цессе обрушивания. Опти-
мальное значение влажно-
сти может быть объяснено,
с одной стороны, необходи-
мостью установить опреде-
ленное соотношение между
упругими и пластичными
деформациями в оболочке
и ядре, чтобы обеспечить
максимальное различие в
их скоростях после отрыва
от бича, и стремлением со-
кратить до минимума раз-
рушение ядра с образова-
нием сечки и масличной
пыли, а с другой сторо-
ны,— необходимостью придать оболочке максимальную хруп-
кость. Определенное соотношение между пластичными и упру-
гими деформациями таких различных по природе частей семе-
ни, как ядро и лузга, минимум дробления ядра, максимум хруп-
кости оболочки — все эти факторы механизма обрушивания
требуют различного уровня влажности для максимальной их
эффективности. Поэтому невозможно получить такое значение
влажности семени, которое хотя бы теоретически устраняло все
отрицательные последствия методов однократного и многократ-
ного ударов. В этом принципиальный недостаток указанных ме-
тодов.
Лйеханизм обрушивания при ударе семени о деку принципи-
ально не отличается от описанного механизма обрушивания
при ударе бича по семени.
ОБРУШИВАНИЕ В БИЧЕВЫХ РУШКАХ
Представления, развитые на основе теории удара, могут
быть применены для анализа хода обрушивания семян подсол-
нечника в бичевой рушке. Рассмотрим участок поперечного се-
чения рушки с одним бичом. В каждый данный момент времени
в положении, показанном на рис. 60, могут быть разные бичи.
151
Рис. 60. Взаимодействие бича и деки с
обрушиваемым семенем.
Семена, отскакивающие от бича в направлениях 1, 3, 5, 6, 8,
в результате первого удара получают различные импульсы,
уменьшающиеся в связи с уменьшением окружной скорости
соответствующих точек бича. Часть этих семян может обру-
шиться, другая часть остается в виде недорушки. Необрушен-
ные семена, отскочившие от деки в направлениях 2, 4, 7, обла-
дают большей скоростью, чем поступающие на первый удар (в
рушку) семена. В связи с
этим они подвергаются уда-
ру бичом большей силы
и могут обрушиться в ре-
зультате второго удара. Не-
обрушенные семена снова
отбрасываются к деке, и
описанный ход процесса
продолжается. При этом
ударам бичей подвергаются
не только целые семена, но
и ядро, в результате чего
образуется сечка и маслич-
ная пыль.
Семена, падающие на
колосники деки по направ-
лениям, близким к каса-
тельным окружностей их
поперечного сечения, на-
пример, по направлению
8, теряют свою скорость, иногда полностью. Если процесс про-
исходит при этом в верхней части деки, то семя падает вниз
под действием собственной силы тяжести, и все как бы снова
начинается с первого удара (хотя оболочка семени уже ослаб-
лена предыдущими ударами). Если же процесс идет в нижней
части деки, то семя в общем потоке выводится из машины. Это
один из источников недоруша в рушанке.
Семена, передвигаясь в рушке в самых различных направ-
лениях, естественно, сталкиваются друг с другом. Так как упру-
гость семени меньше упругости металла бичей и колосников де-
ки, то при таком столкновении возможно падение скорости
каждого семени до величины, при которой удар бича по семени
и тем более удар семени о деку не могут привести к разрушению
оболочки. Это явление может быть вторым источником недо-
руша в рушанке.
Однако чисто теоретическое рассмотрение вопроса приводит
к заключению, что при некоторых скоростях движения двух се-
мян их столкновение друг с другом может привести к разруше-
нию оболочки одного из них или обоих одновременно. Для этого
необходимы лишь определенные, в связи с малой массой семян,
152
высокие скорости их движения. При известной доле упругих
деформаций семян скорости их движения после столкновения
могут остаться такими, что последующий удар бича приводит
к разрушению оболочки. В этих случаях столкновение семян
друг с другом не может быть источником недоруша в рушанке.
Кроме сказанного, необходимо упомянуть воздушные потоки
в рушке, которые сносят смесь частиц в направлении выходного
отверстия. Возможно также влияние местных завихрений на
направление скорости частиц в рушке.
Рассмотренный характер движения материала в рушке по-
зволяет квалифицировать его как хаотическое движение [116,
248]. Однако точнее было бы говорить о хаотическом движении
отдельных частиц рушанки в определенных точках объема руш-
ки и о направленном движении потока рушанки в целом (в на-
правлении выходного отверстия).
ОБРУШИВАНИЕ В ЦЕНТРОБЕЖНЫХ РУШКАХ
Некоторыми авторами [53, 116, 196] была сделана попытка
разработать такой метод обрушивания, который не обладал бы
отмеченными выше принципиальными недостатками метода
многократного удара, конструктивно осуществленного в бичевых
рушках. Естественно, что анализ работы бичевой рушки при-
вел к необходимости построить работу обрушивающей машины
на основе однократного удара с немедленным выводом продук-
тов обрушивания из сферы действия ее рабочих органов. Кон-
структивно этот метод оформляется, как правило, в виде тур-
бинки, лопасти которой отбрасывают семена на наклонную
гладкую деку; отражаясь от нее, рушанка выходит из машины.
Попытаемся сделать анализ работы центробежной рушки.
Для абсолютной, относительной (по отношению к лопатке
турбинки) скорости движения семени и для угла, который со-
ставляет вектор скорости семени в горизонтальной плоскости с
нормалью к поверхности деки, приводятся следующие уравне-
ния [168]:
Уабс = /Г ад У + 1 , (VIII—18)
уотн = ад(/Д + ~1 - /), (VIII-19)
<э = arc s in — 1 - -, (VIII—20)
/2(/2-7/Д+Т+1)
где со — угловая скорость ротора;
х — путь семени по ротору (для данной конструкции руш-
ки величина постоянная);
153
f — коэффициент трения семян по материалу лопатки ро-
тора.
Как видно из этих уравнений, скорость движения семян
вдоль лопаток турбинки и скорость их схода с лопаток не зави-
сят от массы семени, т. е. различные по массе (размеру) семена
вылетают из турбинки с одной и той же скоростью. Аналогич-
ный вывод независимым путем был сделан на основе анализа
уравнений относительного движения семени по ротору [248]. На
первый взгляд, из этого вывода вытекает возможность органи-
зовать поток семян вдоль лопаток ротора в одну нитку, исклю-
чить столкновение семян друг с другом в полете и связанное с
этим наличие недорушки в рушанке [248]. Однако, как мы увидим
ниже, фактически центробежные рушки не могут обеспечить
отсутствие недорушки в рушанке при допустимом содержании
сечки.
Существо вопроса состоит в том, что в принципе работы да-
же центробежной рушки заложена возможность неполного об-
рушивания части семян. На самом деле скорость вылета семян
из турбинки, а следовательно, и сила удара их о деку, зависят
от коэффициента трения f: с ростом f скорость вылета семян
уменьшается. Эта принципиальная зависимость видна и из урав-
нений (VIII—18) и (VIII—19). Но коэффициент трения в свою
очередь является функцией состояния семян и, в частности, по-
вышается с увеличением их влажности. Прочность оболочек
семян подсолнечника, как мы видели в главе III, также яв-
ляется функцией влажности, причем по некоторым данным, эта
функция обладает максимумом. Поскольку влажность отдель-
ных семянок различна и часто эти различия очень велики, то
в силу различия в коэффициентах трения скорости их вылета
из турбинки и полета до деки не могут быть одинаковыми, а
следовательно, неизбежно столкновение семян друг с другом,
ослабление их удара о деку и появление в рушанке. Влияние
влажности на эффективность обрушивания семян подсолнеч-
ника показано в табл. 17 [168].
Данные этой таблицы подтверждают описанные представле-
ния о роли влажности семянок в эффективности обрушивания
в центробежной рушке и показывают существование оптималь-
ной влажности 7,5—8,0%.
Аналогичный анализ можно сделать, взяв за основу не влаж-
ность семянок, а какую-либо другую характеристику их состоя-
ния, влияющую на коэффициент трения, например шерохова-
тость поверхности.
К этому следует прибавить, что поскольку масса отдельных
семянок различна, то различны развиваемая ими в полете кине-
тическая "энергия и сила удара о деку. Последнее обстоятель-
ство приводит к тому, что часть семян останется необрушенной,
а у некоторой части будет измельчаться даже ядро. Это поло-
154
Таблица 17
Влияние влажности семян подсолнечника на эффективность их обрушивания
(число оборотов ротора опытной центробежной рушки 1245 в минуту,
влажность отдельных семянок одинакова, удар о деку
утолщенным концом семени)
Влажность, семян, % Состав рушанки, % от числа семян, поступивших на обрушивание
целые семена поврежденные семена целое ядро поврежденное ядро сечка
3,5 0 10 32,4 23,8 33,8
6,7 16 25 40,5 12,5 6,0
7,5 32 17 42,0 7,5 1,5
8,7 35 18 40,0 2,0 5.0
жение в определенной степени подтверждается данными
табл. 18, в которой представлены результаты опытов по обруши-
ванию семян подсолнечника влажностью 8,2% на опытной цен-
тробежной рушке при 1000 оборотах ее ротора в минуту [168].
Таблица 18
Влияние размеров семян подсолнечника на эффективность их обрушивания
(удар о деку утолщенным концом семени)
1 Фракции семян по длине, Л4Л1 Состав рушанки, % от числа семян, поступивших на обрушивание
целые семена повреж- денные семена целое ядро повреж - денное ядро сечка
Менее 10 34 40 21 2 3
От 10 до 13 23 34 31 5 6
Более 13 10 30 47 13 3
Как видно из этой таблицы, с ростом размера семян, т. е. их
массы, увеличивается содержание поврежденного ядра. Одно-
временно с этим уменьшается содержание поврежденных и це-
лых семян, что отвечает возрастанию силы удара о деку с уве-
личением массы отдельных семянок.
Знаменатель правой части уравнения (VIII—20) прямо про-
порционален абсолютной скорости движения семян, т. е. с ее
уменьшением увеличивается угол ф, что дополнительно ослаб-
ляет удар о деку и может привести к наличию в рушанке недо-
дэуша и целых семян. Здесь речь идет о той доле уменьшения
абсолютной скорости, которая является следствием увеличения
коэффициента трения, но не уменьшения числа оборотов ро-
тора.
155
В связи с анализом работы центробежной рушки необходимо
остановиться еще на двух вопросах. Первый вопрос — влияние
числа оборотов ротора, т. е. величины скорости семени в момент
удара, на эффективность обрушивания — может быть выяснен
по данным табл. 19 [168].
Таблица 19
Влияние числа оборотов ротора на эффективность обрушивания семян
. подсолнечника (удар о деку утолщенным концом семени)
Число оборотов ротора в минуту Относи- тельная скорость семени вдоль лопатки ротора, л^сгк Абсолют- ная ско- рость вылета семян из ротора, м/сгк « Состав рушанки, % от висла семян , поступивших на обрушивание
целые семена повреж- денные семена целое ядро повреж- денное ядро сечка
693 10,8 18,0 66,4 15,9 17,4 0,3 0
970 15,0 25,2 48,1 23,6 24,9 2,1 1,3
1245 19,2 32,4 42,1 24,9 26,4 3,5 3,1
1370 21,2 35,6 6,3 29,7 49,7 8,0 6,3
1558 24,1 40,5 12,1 33,9 37,9 8,3 7,8
Из таблицы видно, что с ростом числа оборотов ротора в ми-
нуту, начиная с 1370, содержание целых семян в рушанке уве-
личивается. Высокие скорости полета семян при больших чис-
лах оборотов турбинки приводят к такому возрастанию энер-
гии удара, что происходит лишь местное разрушение оболочки,
т. е. возрастает содержание в рушанке поврежденных семян.
Для повышения эффективности обрушивания надо выбирать
определенный диапазон скоростей или числа оборотов ротора.
Второй вопрос — влияние ориентации семени в момент уда-
ра на эффективность обрушивания. Результаты опытов [168]
представлены в табл. 20 (влажность семян 8,2%, число оборо-
тов ротора в минуту 1000).
Таблица 20
Влияние ориентации семени на эффективность обрушивания
Ориентация семени в момент удара Состав рушанки, % от числа семян, поступивших на обрушивание
целые семена повреж - денные семена целое ядро повреж- денное ядро сечка
Острым концом 47 24 23 6
Утолщенным концом .... 39 23 29 — 9
156
Удар утолщенным концом приводит к большей степени об-
рушивания, чем удар острым концом (меньше целых семян,
больше сечки).
В заключение следует отметить, что метод однократного уда-
ра, осуществленный в центробежных рушках, даже с отмечен-
ными недостатками их работы, имеет преимущества перед ме-
тодом многократного удара. Они заключаются, в основном, в
возможности получить рушанку с меньшим количеством сечки
и масличной пыли и в меньшем перетирании лузги с ядром. Это
должно положительно сказаться на потерях масла с лузгой.
ОСОБЕННОСТИ ОБРУШИВАНИЯ СЕМЯН ХЛОПЧАТНИКА
В силу особых свойств оболочки семян хлопчатника — высо-
кой ее эластичности — обрушивание их невозможно на основе
ударных принципов; оно производится посредством разрезания
или скалывания.
Метод разрезания конструктивно осуществлен в дисковых
шелушителях (гуллерах) и наиболее распространен в промыш-
ленности. Общеизвестен недостаток работы дисковых шелуши-
телей: многократное воздействие дисков на материал и перети-
рание, что приводит к сильному дроблению ядра, образованию
большого количества масличной пыли и втиранию ее в шелуху.
В результате наблюдается высокая масличность шелухи.
Метод скалывания конструктивно осуществлен в ножевых и
вальцовых шелушителях. В последнее время исследуется рабо-
та вальцовых шелушителей, которые в промышленности приме-
няются пока еще в ограниченном количестве [6, 7]. В этой маши-
не обрушивание семян происходит между двумя рифлеными
валками, вращающимися навстречу друг другу с различными
скоростями, в результате деформации сжатия (заклинивание
семени между валками) и скалывания (собственно обрушива-
ние) .
В связи с недостаточной изученностью процесса обрушива-
ния хлопковых семян можно высказать лишь предварительные
суждения.
Трудно отдать предпочтение одному из методов — разреза-
нию или скалыванию. Различия между ними состоят скорее в
конструктивном решении машин. Как и при анализе процесса
обрушивания семян подсолнечника, обратимся к кратности воз-
действия рабочих органов машины на находящийся в ней мате-
риал.
В этом отношении ножевой шелушитель имеет бесспорные
преимущества перед дисковым. В дисковом шелушителе из-за
интенсивного перетирания материала кратность воздействия ра-
бочих органов на него чрезвычайно велика; при такой кратно-
157
сти втирание мелких частиц ядра в шелуху уже достаточно
развилось. В ножевом шелушителе материал не перетирается
или почти не перетирается, хотя и наблюдается многократное
воздействие ножей на него не непрерывно, а лишь периодиче-
ски, кратковременно, в местах встречи скалывающих кромок
неподвижного и движущегося ножей. Наконец, в вальцовом
шелушителе теоретически возможно лишь однократное воздей-
ствие рифлей без перетирания материала.
Направления в совершенствовании процесса обрушивания
различных по физико-механическим свойствам семян (подсол-
нечника, клещевины, хлопчатника) по существу одни и те же,
хотя разные исследователи пришли к ним самостоятельно: в ос-
нове лежит стремление осуществить процесс однократным воз-
действием рабочих органов. Разрушающие усилия различны
(удар, срез, скалывание), но всегда стремятся, приложить их
только один раз. Это объясняется тем, что обрушивание всех
масличных семян имеет одну общую цель — минимальное за-
масливание оболочки семян при максимальной степени их обру-
шивания.
Имеющиеся экспериментальные данные подтверждают ска-
занное относительно сравнения работы различных шелушителей
хлопковых семян. Так, по результатам первых испытаний [6],
состав рушанки после вальцового шелушителя лучше, чем после
дискового: рушанка после вальцового шелушения содержала
крупных частиц (сход с 3- и 2,5-миллиметровых сит) 27—32% и
масличной пыли (проход через 1-миллиметровое сито) 3—5%,
после дискового шелушителя — соответственно 13—15 и 20%.
Масличность шелухи в первом случае 0,88—1,3%, во втором —
2,3—2,8%. В результате повторных испытаний [7] получены хо-
рошие показатели степени обрушивания, лузжистости ядра и
масличности шелухи при производительности 6 т/ч. Степень об-
рушивания при переработке семян I—IV сорта практически бы-
ла равна 100% (99,4—100%), лузжистость ядра колебалась в
пределах 8,9—14,5%, масличность шелухи — 0,72—1,25%.
Шелуха, получаемая при обрушивании семян на ножевых
шелушителях, имеет масличность 1,1 —1,2%, степень обрушива-
ния (при однократном проходе) составляет 80—90%, лузжи-
стость ядра 12,5—13,5%* [22].
Степень и качество обрушивания хлопковых семян сущест-
венным образом зависят от их влажности, опушенности, сорта и
других показателей. По-видимому, в частности, влажность семян
* Данные по масличности шелухи и лузжистости ядра, получаемым на
ножевых шелушителях, относятся к этим материалам, выходящим из подго-
товительного цеха. т. е. полученным в результате повторного шелушения се-
мян со всеми операциями по разделению рушанки.
158
должна оказывать заметное влияние на эффективность работы
вальцовых шелушителей, поскольку в них отмечается деформа-
ция сжатия, зависящая от пластичности, а следовательно, и
влажности семян. Однако специальных исследований в этом на-
правлении еще не проводилось.
Глава IX. ИЗМЕЛЬЧЕНИЕ
Измельчение очень распространено в производстве расти-
тельных масел и играет важную роль, непосредственно влияя
на выход масла и производительность основного технологиче-
ского оборудования; оно является неотъемлемой частью раз-
личных технологических схем: измельчаются семена или ядро
масличных семян, форпрессовый- и экспеллерный жмыхи. Осо-
бым видом измельчения является плющение, применяемое для
получения лепестка перед экстракцией.
Главная задача измельчения ядра семян — разрушение кле-
точной структуры, что важно как для прессового ,так и особен-
но для экстракционного способа производства. Кроме того, при
этом создается определенная внешняя структура материала, оп-
тимальная для последующих технологических операций извле-
чения масла: жаренья, прессования, экстракции и т. д. Наконец,
в качестве предварительной операции перед плющением из-
мельчение важно для подготовки частиц определенного размера,
обеспечивающих получение лепестка. При получении оптималь-
ной структуры материала на первый план выдвигаются требо-
вания однородности помола (перед жареньем и прессованием)
и наличия частиц определенных размеров и формы (перед эк-
стракцией). В последнем случае речь идет о лепестке нужной
толщины с минимальным содержанием мелких фракций («ме-
лочи»), которые затрудняют работу современных экстрак-
торов.
В качестве основного направления получения помола макси-
мальной однородности принимается достижение наибольшей
тонкости помола — степени измельчения [97]. При измельчении
до некоторого предела уменьшается размер как крупных, так и
мелких частиц, и чисто теоретически невозможно ответить на
вопрос, размер каких частиц — крупных или мелких — умень-
шается быстрее. Экспериментальных исследований на маслич-
ных семенах пока не проводилось. Следовательно, неизвестно,
повышается или понижается однородность помола. Можно пред-
положить, что по мере увеличения тонкости помола размер ча-
стиц приближается к некоторому минимальному пределу, вооб-
ще достижимому для данного материала при применяемом спо-
159
собе приложения внешних сил. Но не известно, может ли станок,
на котором производится измельчение, обеспечить достижение
этого минимального предела размера частиц.
Теоретическое рассмотрение вопроса показывает [180], что
по мере продвижения частиц в зоне измельчения к линии цент-
ров нарезных валков, вращающихся с определенным дифферен-
циалом, размер откалываемых крупинок уменьшается. Если
учесть то, что «гладких» валков по существу нрт (см. ниже), а
некоторое различие в окружных скоростях валков пятивальцо-
вого станка неизбежно, то в помоле всегда должно быть опре-
деленное количество мучнистых фракций. Действительно, из
практики известно, что увеличение тонкости помола, как прави-
ло, влечет за собой образование заметных количеств очень мел-
ких пылевидных частиц, особенно при измельчении сухих мате-
риалов, причем в помоле наряду с этим остаются и частицы
обычных для данного помола размеров. В мятке высокомаслич-
ных материалов очень мелкие частицы могут слипаться на масле
с более крупными. В связи со сказанным, нам кажется, что воп-
рос о влиянии тонкости помола ядра масличных семян или семян
на его однородность нуждается в дополнительном эксперимен-
тальном исследовании.
Вместе с тем однородность помола действительно важна, по-
скольку скорость таких явлений, как диффузия и теплопровод-
ность, наблюдающихся при жаренье, экстракции, отгонке раст-
ворителя из шрота, как мы увидим ниже, обратно пропорцио-
нальна размеру частиц материала, иногда в квадрате, т. е. для
различных по размеру частиц скорости передачи тепла и веще-
ства сильно различаются.
Если помол неоднороден, для одних частиц процесс при
данной продолжительности завершится, а для других еще нет.
Это в практических условиях часто не позволяет стабилизиро-
вать технологический процесс.
Необходимо подчеркнуть также, что тонкость помола должна
ограничиваться по соображениям получения приемлемой внеш-
ней структуры материала (например, достаточной рыхлости
массы частиц для жаренья, проницаемости и стойкости лепест-
ка для экстракции).
В производстве растительных масел применяются все основ-
ные способы приложения внешних сил при измельчении: раздав-
ливание, срез, скалывание, удар. В некоторых машинах сочета-
ются различные способы, и иногда возникает такой сложный
вид деформации, как истирание. Например, если в пятивальцо-
вом станке два верхних валка рифленые, то в нем представлены
срез и раздавливание. Срез и раздавливание наблюдаются в
дисковых мельницах, удар — в молотковых, скалывание (наря-
ду с раздавливанием) — в вальцовых станках с гладкими вал-
ками, но различными окружными скоростями.
J60
ОБЩАЯ ТЕОРИЯ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ
В ходе измельчения какого-либо материала затрачивается
работа. Анализ полезной доли этой работы, т. е. затрачиваемой
на процесс собственно измельчения, позволяет пролить свет на
его закономерности.
Работа, затрачиваемая на измельчение тела, в соответствии
с законом Кирпичева [342] выражается следующим образом:
А = VHM, (IX—1)
где V — объем тела;
Нк — величина, постоянная для данного материала.
Работа деформации в соответствии с теорией упругости (за-
коном Гука) равна 1
Л = ^’ (1Х~2)
где о — напряжение;
Е — модуль упругости материала.
В соответствии с уравнениями (IX—1) и (IX—2) работа, за-
трачиваемая на измельчение, прямо пропорциональна объему
тела, или кубу линейного его размера. Это положение подчерки-
вается в общеизвестных руководствах [150, 342].
Имеется другая гипотеза — Риттингера [211], согласно кото-
рой работа, затрачиваемая на измельчение, пропорциональна
вновь образованной поверхности, т. е. квадрату линейного раз-
мера тела. Математическая формулировка этой гипотезы для
измельчения куба с ребром D имеет следующий вид [150]:
[А — ЗТ(п — l)Da, (IX—3)
где Т—работа для получения 1 см2 * * * 6 поверхности материала,
вновь образовавшейся при измельчении;
п — количество частей, на которые делится каждая из сто-
рон разрушаемого куба (степень измельчения).
Две рассмотренные гипотезы не исключают, а дополняют
друг друга. Первая из них больше соответствует затратам по-
лезной работы при грубом измельчении, вторая — при тонком,
когда велика вновь образованная поверхность.
В теории акад. П. А. Ребиндера [309] обе эти гипотезы объе-
динены. Согласно этой теории работа измельчения может быть
представлена как сумма двух величин: работы, затрачиваемой
1 Отметим, что уравнения (IX—I) и (IX—2) строго справедливы для
напряжений, не превосходящих предела упругости. Поэтому для анализа
измельчения, которое происходит при напряжениях, превосходящих не только
предел упругости, но и предел прочности, они имеют лишь качественное зна-
чение.
6 В. В. Белобородов
161
на упругую и пластическую деформацию тела, и работы, затра-
чиваемой на образование новой поверхности:
А = <?ДК + oAs, (IX—4)
где qAV — работа упругих и пластических деформаций в объ-
еме тела AV, пропорциональная этому деформиро-
ванному объему;
oAs — работа, превращающаяся в свободную поверхност-
ную энергию образовавшейся поверхности разрыва.
Интересна одна особенность измельчения. Еще в ходе упругих
и пластических деформаций тела появляется так называемая
зона предразрушения, в которой^возникают микротрещины. В
эти микротрещины может проникать жидкость. Если жидкость
содержит поверхностно-активные вещества, то они покрывают
внутреннюю поверхность микротрещин мономолекулярным сло-
ем, производящим давление на стенки трещин и препятствую-
щим их сближению. Появление жидкости препятствует «само-
заживлению» трещин.
Все это понижает сопротивление тела разрушению, однако
еще неизвестно, в какой мере может проявляться действие по-
верхностно-активных веществ, содержащихся в маслах (напри-
мер, фосфатидов), при измельчении масличных семян.
Процесс измельчения в целом можно разделить на три по-
следовательно протекающих этапа — фазы [198, 362]:
упругая деформация — протекает от начала приложения
внешних сил к измельчаемому материалу до наступления пре-
дела его упругости, чему обычно соответствует появление пер-
вых трещин;
пластическая деформация — начинается с перемещения от-
дельных элементов материала по1 отношению друг к другу; мате-
риал при этом плющится, уплотняется, происходит его пласти-
ческое течение;
разрушение материала с образованием свободной поверхно-
сти его частиц.
МЕХАНИЗМ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ НА ВАЛЬЦОВЫХ СТАНКАХ
Как известно, валки станков бывают нарезными и «гладки-
ми». Последнее слово берется в кавычки, потому что с действи-
тельно гладкими валками на практике иметь дела не прихо-
дится. «Гладкие» валки по существу являются шероховатыми.
Если у нарезных валков рабочими органами являются рифли,
то у «гладких»— кристаллы цементита и бугорки, образовав-
шиеся в результате обработки поверхности валков абразивами
или электроискровой обработки.
Рабочие органы нарезных и «гладких» валков условно мож-
но представить в виде плоского или многогранного клина [344].
162
Геометрической характеристикой поверхности «гладких» вал-
ков является класс ее чистоты — микро- и макрогеометрия
поверхности.
Сначала рассмотрим измельчение на нарезных валках.
Разберем действие симметричных рифлей (Р = у)* при оди-
наковых окружных скоростях валков (рис. 61). Здесь мы имеем
дело со случаем врезания клина с вершиной А в упруго-пластич-
ное тело. Давление клина на измельчаемый материал в виде так
называемой' погонной силы, т. е. силы на единицу длины, может
быть выражено уравнением {362]:
Р = 2тт(к + 2)Мё^-> (IX—5)
где тт — касательное напряжение, соответствующее текучести:
h[ —высота рифли;
0 — угол заострения.
Из этого уравнения видно, что с увеличением угла заострения
возрастает сила воздействия рифли на материал.
На рис. 62 показана схе-
ма воздействия рифлей на
измельчаемую частицу при
различных окружных скоро-
стях валков. Эта схема вы-
текает из данных по скоро-
стной киносъемке измельче-
ния зерна [362]: частица
разрушается передней гра-
нью рифли, а разрушающая
сила Р перпендикулярна к
плоскости этой грани. По-
этому важно знать зависи-
Рис. 61. Действие рифли на измельчае-
мый материал при одинаковых окруж-
ных скоростях валков.
мость разрушающих усилий
от угла острия р. Эту зависимость
можно установить из рис. 62:
для силы сдвига
Р<ж = Рс05 $ + %).
(IX—6)
для силы сжатия
Рсж = Р sin (р 4-а0),
(IX-7)
где а0 — так называемый угол захвата частицы (см. ниже).
При сю=const с ростом р сила сдвига уменьшается, а сила
сжатия увеличивается. Из этого следует, что увеличение угла
острия должно приводить к уменьшению степени измельчения
(дробления), но ^увеличению степени раздавливания и дефор-
мирования ядра.
* Р, У — соответственно угол острия и угол спинки. Определение этих
понятий дано в опубликованной работе [115].
6*
163
В связи с анализом работы нарезных валков отметим еще
два фактора. Первый — это число воздействий рифлей быстро-
вращающегося валка на измельчаемый материал, поддержи-
ваемый рифлями медленновращающегося валка, которое опре-
деляется из уравнения [180]:
-^(d-b)(r — l)k , (IX—8)
где D —диаметр валка;
d — размер (диаметр) измельчаемой частицы;
b —зазор между валками;
г — дифференциал;
к —число рифлей на единицу длины окружности валка.
Рис. 62. Действие рифлей на измельчаемый мате-
риал при различных окружных скоростях валков.
Из уравнения (IX—8) видно, что число воздействий тем боль-
ше, чем больше диаметр валков, размер измельчаемой частицы,
дифференциал и число рифлей на единицу длины окружности
валка и чем меньше зазор между валками. Последний параметр
мало влияет на число воздействий, так как он обычно мал.
В литературе имеются и другие виды уравнения для z— через
угол захвата [115], через разность окружных скоростей валков
и время нахождения материала в зоне измельчения или через
длину пути измельчения и отношение окружных скоростей вал-
ков [362].
При постоянном дифференциале г, как видно из уравнения
(IX—8), абсолютная скорость вращения валков, которая может
изменяться в связи с изменением числа оборотов, не влияет на
число воздействий. Однако при одном и том же числе воздействий
рифлей быстровращающегося валка для эффективности измель-
164
чения важна сила удара рифли, прямо пропорциональная квад-
рату относительной окружной скорости движения валков [180].
Этот фактор заметно влияет на степень и качество измельчения
[115] и учитывается при расчетах полезной мощности и удельного
расхода энергии на измельчение [344].
Сущность работы гладких валков состоит в воздействии на
измельчаемый материал микронеровностей различных форм
и размеров. При разных окружных скоростях валков измельче-
ние в принципе подобно шлифованию [362]: это царапание или
резание в случае острых микронеровностей и образование вмя-
тин, появление трещин и откалывание мельчайших частиц в слу-
чае тупых микронеровностей. Если окружные скорости валков
одинаковые, как, например, в пятивальцовых станках, частицы
разрушаются раздавливанием: упругая, пластическая деформа-
ции, разрушение. При этом микронеровности валков вдавли-
ваются (врезаются) в материал, как бы оставляя на нем свой
«отпечаток». В местах воздействия выпуклых частей микроне-
ровностей сила воздействия больше и эффект раздавливания
выше. Врезание микроклиньев в материал может приводить к
существенному нарушению его клеточной структуры, деформа-
ции и разрушению отдельных клеток.
В связи с этим следует возвратиться к обсуждению вопроса
о значении измельчения материала на вальцовом станке по срав-
нению с измельчением в шнековом прессе, который подробно
описан [97]. В прессе в каждый данный момент рабочие органы
действуют на несравненно более толстый слой материала (на
большую массу), чем в вальцовом станке, иными словами, удель-
ная обработанность материала микронеровностями рабочих
органов в первом случае значительно меньше, чем во втором.
При работе на вальцовом станке очень большая доля частиц
помола испытывает воздействие микронеровностей (в многопро-
ходном станке, например пятивальцовом, — многократное воз-
действие),а в шнековом прессе это отмечается в основном
лишь по поверхности соприкосновения материала с валом и
зеером.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ РАБОТЫ ВАЛЬЦОВЫХ СТАНКОВ
Рассмотрим работу валков независимо от состояния их по-
верхности (нарезные или гладкие). При этом необходимо вы-
явить условия и некоторые показатели работы вальцовых стан-
ков. Первое условие работы любого вальцового станка — воз-
можность захвата материала в зону измельчения (рис. 63).
Захват частицы характеризуется углом захвата а, под которым
понимается угол, образованный линией, соединяющей центры
валков 001 с линией, проведенной из центра частицы к центру
одного из валков.
165
Частица материала оказывает на валки в точках А и А,
давление р, направленное по нормали к поверхности валков и
зависящее от веса частицы, скорости ее падения на валки и неко-
торых других факторов. Реакция валков, например, в точке Д1
также равна р, но направлена в противоположную сторону. Две
вертикальных составляющих этих сил действуют на частицу
по-разному: составляющая psina стремится вытолкнуть частицу,
а составляющая fp cos а, где f — коэффициент трения, — втя-
нуть. При допущении, что частица имеет форму шара, легко
написать условие прохода частицы в зазор между валками:
2р sin a < 2fp cos a. (IX—9)
Из этого уравнения получаем
sin « < или fg a < fg ср и a < ср, (IX —10)
COS a
т. е. для прохождения частицы в
необходимо, чтобы угол захвата
Рис. 63. Схема захвата частицы из-
мельчаемого материала валками.
промежуток между валками
был меньше угла трения.
Отсюда легко определить
минимальный диаметр вал-
ков, но это не входит в на-
шу задачу, и поэтому мы
отсылаем читателя к соот-
ветствующим работам [115,
295].
Угол захвата зависит от
размера частиц, диаметра
валков и расстояния между
валками (ширины щели).
При постоянстве этих ха-
рактеристик, как обычно
и бывает при стабильной
работе подготовительных отделений маслозаводов, теоретиче-
ское определение, вытекающее из неравенства (IX—10), услож-
няется в связи с изменением влажности и масличности измель-
чаемых частиц. Поскольку с ростом влажности материала коэф-
фициент трения увеличивается, то теоретически условия захвата
должны были бы улучшаться (при большей влажности могли
бы захватываться большие частицы), однако практически про-
исходит налипание материала на валки, что нарушает нормаль-
ный ход измельчения. Высокая влажность частиц, кроме этого,
способствует выделению масла из них при измельчении, что
приводит к уменьшению коэффициента трения и ухудшению
условий захвата. Из высокомасличных материалов (арахис,
клещевина и т. п.) масло может выделяться и при нормальной
для технологии в целом влажности. В практических условиях
166
захват усложняется также и потому, что в зазор между вал-
ками поступают не отдельные частицы, а их конгломераты,
например при слипании частиц.
После захвата частицы валки воздействуют на нее на опре-
деленном пути в течение определенного промежутка времени т.
Длина пути центра тяжести частицы М (см. рис. 63), очевидно,
равна
L = (IX—11)
где ак — зазор между валками.
Рис. 64. Распределение окружных скоростей вал-
ков вдоль осей координат (к определению продол-
жительности измельчения):
cto — первоначальное значение угла захвата а.
Из рис. 64, на котором показано распределение скоростей
медленно- и быстровращающегося валка вдоль осей х и у,
можно без учета скольжения измельчаемой частицы по поверх-
ности валков и формы рифлей приближенно определить сред-
нюю скорость движения материала в зоне измельчения:
v _ °бу + "му - - г’6 + Vm-cos 7., (IX—12)
Сер — 2 2 v ’
где Нб и Нм — соответственно окружные скорости быстро- и
медленновращающегося валков.
Разделив уравнение (IX—11) на (IX—12)*, получим продол-
жительность измельчения **
* В ранее опубликованной работе [362] в этом уравнении вместо cos а,
стоит cos а2, что является, по-видимому, опечаткой.
** В указанной работе [362] в знаменателе правой части уравнения для т
пропущен cos а, что в принципе меняет представления о зависимости т от а.
167
Если валки вращаются с одинаковой окружной скоростью,
т. е. v^=vM=v, то уравнение (IX—13) приведет к
2/? + ак tg а
2а cos а
(IX—14)
Чем больше радиус валков и меньше окружные скорости их
вращения, тем больше продолжительность измельчения. С уве-
личением угла захвата продолжительность измельчения быстро
возрастает, так как tgcc увеличивается, a cos а уменьшается.
Влияние величины зазора ак нельзя рассматривать отдельно,
ибо при изменении ак обязательно происходит изменение угла
захвата а: с ростом величины зазора угол захвата уменьшается.
Значение зазора ак по сравнению с радиусом валков R обычно
очень мало, поэтому в основном изменение зазора влияет на
угол захвата, т. е. несмотря на то, что в уравнении (IX—14) ак
стоит в числителе, с ростом этой величины продолжительность
измельчения должна уменьшаться.
В заключение отметим, что уравнения (IX—11) — (IX—14)
верны лишь при отсутствии упругого последействия измельчае-
мой частицы, т. е. при отсутствии у частицы упругой деформа-
ции после перехода ее через линию центров валков.
Давление на измельчаемый материал изменяется по мере
продвижения его к линии центров валков. Определить теорети-
чески величину этого давления сейчас еще не представляется
возможным из-за сложностей в учете сопротивления материала
разрушающим усилиям. В одной из старых работ проф.
П. А. Афанасьева сила давления на валки приводится в виде
уравнения [180]:
R =~PkRla,
3
(IX—15)
г> л с б
где Р=4,5-----сила сопротивления раздавливанию;
d
(6 — относительное сжатие частицы, d — размер час-
тицы) ;
к — коэффициент заполнения поверхности валков
материалом;
I — длина валков.
3
Сила Rs приложена к валкам под углом — а.
8
В соответствии с опубликованной работой [4] максимальное
давление на материал равно (при допущении, что оно пропор-
ционально величине сжатия материала)
4Т
DI sin а
(IX-16)
Р
168
где Т —сила, действующая на валки;
D - диаметр валков-
Сила, действующая на валки, равна
T = -^sina(l— cos a), (IX—17)
где а — коэффициент пропорциональности между давлением
и величиной сжатия материала.
Уравнения (IX—15) — (IX—17) относятся к паре валков
с горизонтальной линией центров и могут применяться лишь
для качественного анализа зависимости давления от представ-
ленных в них факторов. В станках с вертикальной линией цент-
ров и нефиксированным зазором (например, в пятивальцовом)
к этому давлению прибавляется вес валков, лежащих выше.
Значение средней скорости движения материала в зоне
измельчения — уравнение (IX—12)—позволяет определить
теоретическую производительность пары валков [362]. Она рав-
на (в кг!ч):
QT = 3,6у/исраСрФ, (IX—18)
где у — объемная масса материала до измельчения, г/сти3;
аср— средняя величина зазора между валками в зоне
измельчения в см;
ф — степень заполнения объема зоны измельчения.
Чтобы использовать это уравнение для расчета действитель-
ной производительности пары валков, необходимо иметь опыт-
ные значения величин у, аСр и ф.
ИЗМЕНЕНИЯ МАТЕРИАЛА В ХОДЕ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ
В соответствии с изложенной выше общей теорией измельче-
ния необходимо найти аналитические зависимости для умень-
шения объема измельчаемых частиц и образования новой
поверхности под влиянием ряда технологических параметров
работы вальцовых станков. С некоторыми допущениями эта
задача решена [362]. Такой подход'к вопросу позволяет кос-
венно связать упругие и пластические деформации частиц и
образование новой поверхности с размером исходных частиц,
углом захвата, скоростями вращения валков и т. п.
Под скоростью уменьшения объема частицы материала
понимается производная относительного уменьшения ее объема
d £
по времени . Если V — текущий объем частицы, а Vo —
Щ ...
первоначальный, то
Sy = , (ix—19)
Vo
169
а скорость уменьшения объема
_ di^ _ 1
dz Vo ' dz
(IX—20)
При одинаковых окружных скоростях валков изменяется
размер частицы только в плоскости, перпендикулярной поверх-
ности валков (деформирование сжатием), и скорость деформи-
рования сжатием равна
^сж “
,а—а0
d------
а»
dz
1 da
а0 dz
(IX—21)
где а0, а — размер частицы соответственно первоначальный
и в данный момент.
Если отношение окружных скоростей валков к велико, то
можно не учитывать изменение объема за счет деформирования
сжатием, и тогда получается скорость деформирования сдвигом
, Ь — Ьп
а----
«сдв = —L = _L.JL, (IX—22)
СДи < t j ' х /
- , dz Oq dz
где ba и Ь. — размер частицы, измеряемый в направлении вра-
щения валков (по вертикали в случае горизонталь-
! ной пары валков), соответственно первоначальный
и в данный момент.
Под скоростью измельчения us понимается производная
относительного прироста поверхности материала по времени
d-es
dz '
Если S — текущая поверхность, a So — первоначальная, то
= (IX—23)
“о
а скорость измельчения
us = . (IX—24)
dz dz
Из уравнения (IX—24) легко найти величину вновь образо-
вавшейся поверхности:
, , dS
иДл = аг. = —,
о <S Q *
д0
170
(Usd.=es==-L-^-
J d0
0
AS = So J u/fc.
о
(IX—25)
Поскольку в производстве растительных масел для измель-
чения семян в основном применяется пятивальцовый станок, в
котором в силу практического равенства окружных скоростей
Рис. 65. Схема к выводу уравнения для скоро-
сти деформирования сжатием.
валков деформирование происходит в результате сжатия, рас-
смотрим скорость именно такого деформирования частиц. Для
этого воспользуемся вспомогательной схемой, показанной на
рис. 65. Из рисунка получаем
2Д ф- ак = 2Д cos а0 -ф аа — 2R cos а -ф а, (IX—26)
где осо и а — значения угла захвата соответственно первона-
чальное и в данный момент.
После перестановки из уравнения (IX—26) будем иметь:
а — а0~ — 27? (cos а— cosa0). (IX—27)
Так как
a=a0 —«к, (IX—28)
где to—угловая скорость валка,
т — время,
то из уравнения (IX—27) получим
а — а0 = — %R [cos (a0 — сот) — cos a0J. (IX—29)
171
Разделим левую и правую части уравнения (IX—29) на а0 и
продифференцируем по т:
J_. =_2 — sin(a0 —шт). (IX—30)
6Zq t/т CIq
Но в соответствии с уравнением (IX—21) левая часть урав-
нения (IX—30) есть скорость деформирования сжатием.
Таким образом, для скорости деформирования сжатием
окончательно получим
ысж = — 2 —-sin(a0—шт). (IX—31)
а0
Анализируя это уравнение, можно сказать, что скорость
деформирования сжатием тем больше, чем больше скорость
вращения валков, радиус валков и угол захвата и чем меньше
первоначальный размер частицы и время от начала ее захвата.
В начале измельчения (т=0) скорость деформирования макси-
мальна:
(«c1K)max=-2-^sina0. (IX-32)
а0
В самом конце измельчения, когда т равно продолжительно-
сти измельчения и ао=(от, скорость деформирования равна
нулю. Это вытекает и из известного положения: с окончанием
измельчения всякая деформация сжатием прекращается.
Со скоростью и величиной деформации частиц тесным обра-
зом связана величина вновь образованной поверхности. Если
допустить, что первоначальная частица имеет форму шара и
измельчается на частицы также шарообразной формы, то для
разбираемого случая одинаковой скорости вращения пары вал-
ков можно получить чисто теоретическую зависимость [362]:
R
AS = So • 5,33--?----sin2 а0. (IX—33)
' ° (а0+ак)4 °
Из- этого уравнения видно, что величина вновь образованной
поверхности зависит от величины исходной поверхности So, пер-
воначального размера частиц а0, величины радиуса валков R,
рабочего зазора между валками ак и угла захвата а0-
Уравнение (IX—33) в связи со сделанным допущением каче-
ственно отражает влияние указанных факторов на величину
вновь образованной поверхности. Но общая картина изменения
поверхности ядра масличных семян и семян в ходе их измель-
чения значительно сложнее. Наряду с образованием новой
поверхности происходит вскрытие клеточной структуры, обна-
172
жение внутренней поверхности ядра за счет разрушения элео-
плазмы и выпадения алейроновых зерен. В этом процессе часть
внутренней поверхности клеток
доступной. Поэтому поверхность
зывались в главе III, не может
(IX—33), однако это уравнение
ядра становится более легко
мятки, значения которой ука-
быть определена по уравнению
полезно для анализа влияния
Рис. 66. Структура ядра семени под-
солнечника при наблюдении в элект-
ронный микроскоп (увеличение в
6000 раз).
Рис. 67. Структура мятки пятивальцо-
вого помола ядра семени подсолнеч-
ника при наблюдении в электронный
микроскоп (увеличение в 6000 раз).
ряда технологических параметров работы вальцовых станков
на величину вновь образованной поверхности.
Разрушение клеточных стенок хорошо видно в обычный
световой микроскоп [97]. Однако более полно картину разруше-
ния клетки можно представить при помощи электронного мик-
роскопа. На рис. 66 показана микрофотография углеродной
реплики (отпечатка) среза ядра подсолнечника, а на рис. 67 —
микрофотография углеродной реплики подсолнечной мятки
пятивальцового помола [217].
Необходимо отметить, что на микрофотографии, полученной
при помощи электронного микроскопа, целые клетки могут не
попасть в поле зрения, и по рис- 67 еще нельзя судить о полном
отсутствии неразрушенных клеток. Мы можем лишь говорить о
разрушении основной массы клеток, что также вытекает и из
173
исследовании, проведенных при помощи светового микроскопа
и косвенными методами [97]. По тем же данным, количество
разрушенных клеток в мятке пятивальцового помола ядра под-
солнечника составляет 68—79% от общего количества клеток
(измерение при помощи светового микроскопа).
Оболочка масличных семян (лузга, шелуха) измельчается
значительно хуже, чем ядро, что можно объяснить ее физико-
механическими свойствами, связанными с особым строением —-
наличием прочной волокнистой ткани. По некоторым данным
[97], разрушение различных тканей ядра неодинаково: напри-
мер, эпидермис, участки прилегающих к нему тканей и зароды-
шевая ткань ядра подсолнечника разрушаются меньше осталь-
ных тканей ядра при измельчении его на пятивальцовом станке.
Вполне понятно, что изменение способа приложения разрушаю-
щих усилий может привести к иной картине в разрушении раз-
личных частей ядра- Вопрос этот изучен мало.
Вновь образованная и вскрытая поверхности мятки обла-
дают большим силовым полем, которое удерживает на поверх-
ности мятки масло, выделившееся в ходе измельчения ядра в
результате разрушения цитоплазменного геля клетки и частич-
ного выдавливания. Все это в целом способствует облегчению
отделения масла при последующих технологических операциях.
Однако при измельчении раздавливанием (плющением) могут
наблюдаться и явления излишнего сжимания внутренних мик-
рспор, некоторое «замазывание» микроскопических отверстий,
сообщающихся с окружающей средой, и т. п., что отрицательно
сказывается, в частности, на экстрагируемости сырого соевого
лепестка [21].
ИЗМЕЛЬЧЕНИЕ НА ДИСКОВЫХ И МОЛОТКОВЫХ МЕЛЬНИЦАХ
Дисковые и молотковые мельницы в производстве раститель-
ных масел применяются в основном для предварительного из-
мельчения перед окончательным измельчением в схемах с дву-
кратным прессованием и перед плющением в схемах с экстрак-
цией, что облегчает захват частиц вальцовыми станками. Диско-
вые и реже молотковые мельницы используются на операции
окончательного измельчения форпрессового жмыха перед эк-
стракцией при переработке семян хлопчатника. Наконец, как
самостоятельная операция измельчение на дисковых и молотко-
вых мельницах производится при измельчении жмыха перед за-
кладкой на хранение.
Работа дисковых мельниц во многом сходна с работой диско-
вого шелушителя (гуллера), кратко описанной в главе IX. Мно-
гократное воздействие режущих граней дисков при измельчении
жмыха (и соевых семян) и связанное с ним перетирание мате-
риала здесь также нежелательны из-за образования большого
174
количества очень мелких частиц, что может отрицательно ска-
зываться на ряде последующих технологических операций
(экстракция, отгонка бензина из шрота, фильтрация мисцеллы)
или на товарных достоинствах экспеллерного жмыха. В литера-
туре [295] рассматривается работа дисковой мельницы с точки
зрения необходимого условия продвижения измельчаемой ча-
стицы между дисками, что по существу является условием рабо-
ты мельницы, которое выражается неравенством
а > 2<р, (IX—34)
где а — угол между касательными к бороздкам неподвижного
и вращающегося дисков, проведенными в точке сопри-
косновения измельчаемой частицы с бороздками;
Ф — коэффициент трения измельчаемой частицы о поверх-
ность дисков.
Работа молотковой мельницы, как и бичевой рушки, основа-
на на ударе. Частицы материала претерпевают удар от молот-
ков и при столкновении с кожухом мельницы. Для рассмотрения
этого процесса применима теория удара, кратко изложенная в
главе VIII.
Особенность дисковых и молотковых мельниц — наличие в
них штампованного сита, пропускающего частицы не больше
определенного размера. В мельницах благодаря этому материал
задерживается до тех пор, пока он не измельчится до определен-
ной величины.
В заключение необходимо отметить, что при измельчении на
дисковых или молотковы-х мельницах форпрессового1 жмыха пе-
ред окончательным прессованием или экстракцией наряду с об-
разованием частиц необходимого размера происходит разруше-
ние вторичной внутренней структуры и частично вскрывается
«закапсулированное» масло, что облегчает его дальнейшее из-
влечение.
Часть третья
АЭРО- И ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
Глава X. РАЗДЕЛЕНИЕ, ОСНОВАННОЕ НА АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ
СВОЙСТВАХ СМЕСИ ЧАСТИЦ
В производстве растительных масел можно отметить два
основных типа взаимодействия разделяемых частиц с воздухом.
Первый тип относится к тем случаям, когда движущийся с оп-
ределенной скоростью воздух воздействует на смесь частиц, ко-
торые обладают различными аэродинамическими свойствами.
В результате смесь разделяется. Наиболее распространены слу-
чаи с вертикальным и горизонтальным потоком (различные кон-
струкции сепараторов), наклонным потоком и потоком воздуха
вдоль наклонной плоскости (аспирационная камера семеновей-
ки). Ко второму типу взаимодействия частиц с воздухом следует
отнести случай полета смеси частиц с одинаковой начальной ско-
ростью в неподвижном воздухе. Благодаря различию в коэф-
фициентах сопротивления (и парусности) и весе отдельных час-
тиц они падают на различных расстояниях от места «выбрасы-
вания» в воздух.
Рассмотрим эти два типа взаимодействия частиц с воздухом.
ДЕЙСТВИЕ ВОЗДУШНОГО ПОТОКА НА ЧАСТИЦЫ
Действие вертикального воздушного потока на смесь частиц
определяется закономерностями, рассмотренными в главе III
при обсуждении вопроса о критических и взвешенных скоро-
стях. Обычно эффект разделения смеси частиц проявляется в
том, что частицы с меньшей парусностью либо вообще не за-
хватываются воздушным потоком, либо выпадают из него при
уменьшении скорости за счет соответствующего расширения
камеры сепарирующей машины.
Действие горизонтального потока воздуха на свободно пада-
ющие частицы приводит к различному отклонению по горизон-
тали частиц с разными аэродинамическими свойствами. Кар-
тина такого процесса показана на рис. 68. Величина отклонения
частиц по горизонтали зависит от соотношения между силой воз-
действия потока и силой тяжести.
Воздействие как наклонного, так, впрочем, и горизонталь-
ного потока на частицу может быть рассмотрено с некоторыми
приближениями [224]:
179
1) скорость потока воздуха в каждой точке потока одина-
кова по величине и направлению. В действительности, конечно,
это не так, поскольку возникают завихрения вследствие особен-
ностей потока на выходе из вентилятора и турбулизации потока
местными сопротивлениями в сепарирующей машине;
2) траектория полета частицы в потоке расположена в одной
вертикальной плоскости. Такой характер траектории допустим,
если не принимать во внимание составляющие силы реакции
Рис. 68. Схема воздействия горизон-
тального воздушного потока на
смесь частиц:
1 — частицы тяжелой фракции; 2 — частицы
легкой фракции; #min и а тах“ соответ-
ственно минимальное и максимальное от-
клонение по горизонтали частиц; штрих
обозначает частицы тяжелой фракции, два
штриха — частицы легкой фракции.
Рис. 69. Действие наклонного воз-
душного потока на частицу.
частицы, которые возникают в связи с неправильной формой и
вращением ее и направлены под определенным углом к верти-
кальной плоскости. Эти составляющие силы реакции частицы в
действительности обусловливают пространственную форму ее
траектории.
Поток воздуха, наклоненный к горизонту под углом р
(рис. 69), воздействует на некоторую частицу А с массой т,
движущуюся с начальной скоростью са, составляющей угол у
с направлением скорости потока и. Относительная скорость
движения частицы и0 определяется как равнодействующая ско-
рости частицы Со и скорости потока и с противоположным зна-
ком. Численно величина v0 может быть найдена из треугольника
скоростей по формуле:
о0 = ы2 + со — 2ыс0 cos у , (X— 1)
180
а угол, который она составляет со скоростью потока и, опреде-
лится из равенства
sin а'=sin у. (X—2)
На частицу А действуют две силы: сила тяжести G = mg
и сила сопротивления воздушного потока, направленная в сто-
рону, противоположную скорости относительно движения,
R = kpFvl ~ tnk^vo, (X—3)
где k — коэффициент сопротивления;
р — плотность воздуха;
F — миделево сечение частицы;
т — масса частицы;
ka — коэффициент парусности.
Под влиянием этих двух сил и формируется траектория по-
лета частицы.
Полная скорость полета частицы определится из рассмот-
рения относительного и переносного (вместе с потоком воздуха)
ее движения. Если через vx и vy * обозначить составляющие
скорости относительного движения в какой-либо произвольной
точке траектории, то составляющие полной скорости движения
частицы, т. е. скорости относительно некоторого неподвижного
предмета, например станины машины, что как раз и важно для
определения дальности полета частицы вдоль горизонтали, опре-
деляются из равенств:
сх =vx — и sin В
с,, = и cos 8 — vv
Направление полной скорости движения частицы может быть
определено углом ее по отношению к вертикали а. Величина
этого угла будет равна
(Х-4)
Траектории относительного и полного движения частицы,
испытывающей воздействие наклонного потока, показаны на
рис. 70.
В случае, когда в начале движения со = О, уравнение (X—5)
становится неопределенностью, так как при этом су=сх=0.
Из рассмотрения сил, действующих на частицу с Со = О, выте-
* Здесь ось х направлена вертикально вниз, а ось у горизонтально в сто-
рону, противоположную движению потока.
181
кает [224] следующее выражение для отклонения полной скоро-
сти от вертикали в начале движения:
। COS В /V у
tg а = —-----. (X—6}
%— “2 sin (3
Относительная скорость движения частицы стремится к.
пределу, равному критической скорости икр [224], направленной
вертикально вниз. При этом п2/ = 0, их=пКр- С учетом того, что
Рис. 70. Траектории относительного (1) и полного
(2) движения частицы под воздействием наклон-
ного воздушного потока.
пкр= 1/ , для установившегося движения из уравнения
т ka "
(X—5) получим
, и COS В Vk„ и COS 3 /v
tga =------4—= —_--------—-----. (Л—if
Укр — usinp yg —|/"AnMsinp
Для горизонтального потока (₽=0) получим:
в начале движения из уравнения (X—5)
= (Х-8)
в начале движения при со=О из уравнения (X—6)
tga = ^, (Х-9)
g
при установившемся движении из уравнения (X—7)
= (X—10)
/g
182
Анализ этих уравнений показывает, что угол отклонения от
вертикали траектории полного движения частицы или, иными
словами, дальность полета частиц вдоль горизонтали тем боль-
ше, чем выше скорость движения воздушного потока и больше
коэффициент парусности частицы.
Выведенные уравнения, относящиеся к воздействию воздуш-
ного потока на одну частицу, легко распространить на совокуп-
ность частиц, крайние значения парусности и критической ско-
рости которых лежат в пределах соответственно k'n и k’n, v'Kf
и % •
По уравнению (X—7) для крайних фракций частиц в случае
установившегося движения будем иметь:
, , и cos 6
tga = —----------—
скр ~ и sin 0
. и cos 8
tg а" = —------------
у'р— MSin₽
(Х-11)
При наличии совокупности частиц образуется пучок их тра-
екторий, рассеяние которого определяется из разности а"—а',
определяемой соотношением
tg (а" - а') = . (X-12)
1 + tg а tg а
После подстановки уравнений (X—11) в уравнение (X—12)
получим
, u cos В (А’ —г,.,,)
tg (® — а') = ~у~,------. (X— 13)
икр % - И sin 0 (<р - о"р) + U2
При некотором определенном значении скорости потока
функция (X—13) обладает максимумом. Для отыскания этого
максимума, т. е. для нахождения скорости потока uz, при кото-
рой происходит наибольшее рассеяние совокупности частиц,
в соответствии с правилами исследования функции на максимум
и минимум необходимо найти производную функции, прирав-
нять ее нулю и решить полученное уравнение. Выполнение этого
в итоге дает 1
%р = 0. (X— 14)
1 Непосредственный результат дифференцирования (X—13) по и отличен
от приведенного (X—14).
183
Из равенства (X—14) с учетом того, что vKP =
, находим
|/
V knkn
^кр ^кр
(X—15)
Мы пришли к важнейшему положению [224]: скорость воз-
душного потока, при которой происходит наибольшее рассеяние;
совокупности частиц, равна средней геометрической из крайних
значений критических скоростей частиц.
Рис. 71. Воздействие воздушного потока на ча-
стицу, находящуюся на наклонной плоскости:
а — движение вверх; б — движение вниз.
Обычно цель регулирования работы аспирационной камеры
семеновейки — это достижение наибольшего рассеяния частиц
фракций ядра, лузги и перевея. Практически из-за отсутствия
полных данных по критическим скоростям лузги, ядра и пере-
вея оптимальную скорость воздушного потока в каналах семе-
новейки приходится определять опытным путем. В основе этого
лежит также то, что еще неизвестно, является ли установив-
шимся движение частиц в каналах семеновейки. Без глубокого
исследования этих двух вопросов уравнение (X—15) может
иметь для регулирования работы семеновейки лишь качествен-
ное значение, однако оно должно лежать в основе конструиро-
вания воздушных каналов машин для разделения рушанки.
Все сказанное относится также и к воздушным каналам
машин для очистки масличных семян.
При воздействии потока воздуха на частицу, находящуюся
на наклонной плоскости (рис. 71), что отвечает принципу дей-
184
ствия жалюзи семеновейки, к частице приложены следующие
силы: давления воздушного потока /?, тяжести частицы G и тре-
ния F, направленная в сторону, противоположную движению
частицы. В случае, когда угол наклона плоскости меньше угла
трения частицы а<ф, под действием силы R возможно движе-
ние частицы только вверх. Если а>ф, то возможно движение
частицы как вверх, так и вниз, в зависимости от величины и на-
правления приложенных сил '. Именно случай, когда а>ф,
представляет интерес для анализа работы вейки. Из рис. 71
видны условия движения частицы:
для движения вверх
2? > Gsina 4- Geos a tg <p, (X—16)
для движения вниз
Gsina -j- Geos a tg <p. (X—17)
После преобразования этих неравенств получаем:
- для движения вверх
R > G s,n (а, (X—18)
cos
для движения вниз
1L. (X—19)
" COS ф
Подставляя в выражения (X—18) и (X—19) значения R из
I уравнения (X—3) и преобразовав их, получим:
, для скорости воздуха, при которой частица начинает пере-
двигаться вверх,
<Х-20>
для скорости воздуха, при которой частица начинает пере-
двигаться вниз,
Ун = у т/НКЕЕтГ. (Х_21)
н кр г cos <р ' '
Интересно связать закономерности воздействия наклонного
потока и потока воздуха вдоль наклонной плоскости с разме-
ром частиц, чтобы произвести более детальный анализ процесса
разделения смеси частиц. Воспользуемся приемом [4], согласно
1 При a = ф может происходить движение, неопределенное время со ско-
ростью, стремящейся к нулю, или движение с некоторым пределом по време-
ни, когда скорость становится равной нулю [9].
185
которому при условии подобия частиц по форме можно соответ-
ственно для веса и миделева сечения частиц написать:
G — Лх£31
F = A2L2 / ’
(X—22)
где Ai и А2 — коэффициенты;
L — произвольный линейный размер частиц, напри-
мер длина.
Отсюда выражения для коэффициента парусности в соответ-
ствии с формулой (III—4) можно записать в следующем виде:
k = -k^F— = 1 п G Ai ’ L ' (X—23)
Подстановка выражения (X—23) в уравнения (X—20) и (X—21) дает: (X—15),
п -1/ gA // L'L" z И у0Л2 1 k'k" ’ (X—24)
= у ут, Г ^0Л2 cos Ф (X—25)
-1/ gj41 5in (а~ ф) 1/Т V" У А?вЛ3 • cos ? Г (X—26)
Анализ полученных уравнений показывает, что как скорость
максимального рассеяния совокупности частиц, так и скорости
воздуха, при которых происходит движение частиц вверх или
вниз по наклонной плоскости, прямо пропорциональны линей-
ному размеру частиц в некоторой степени. Чем больше размер
частиц, тем больше должны быть скорости и,, vB и va, или каж-
дому размеру частиц соответствует определенное оптимальное
значение скорости воздушного потока. Отсюда становится по-
нятной целесообразность деления совокупности частиц на от-
дельные фракции по размерам перед обработкой их воздушным
потоком, что осуществлено в семеновейках.
Наряду с этим надо отметить, что на основе анализа урав-
нений (X—24) — (X—26) можно выявить принципиальное про-
тиворечие, имеющееся в конструкциях применяемых б настоя-
щее время аспирационных камер. На самом деле, разделение
двух крайних фракций L' и L" на полочках камеры происходит
при определенной скорости воздуха V. Условие разделения легко
получается из равенства уравнений (X—25) и (X—26):
1/^ = 1. (Х_ 27)
Г L" Г sin (а — <Р) v z
186
Однако скорость максимального рассеяния этих фракций
воздушным потоком между полочками вейки uz не равна V. По-
этому, если соблюдается условие деления частиц на полочках—
уравнение (X—27), то не соблюдается уравнение (X—24), и на-
оборот.
Выявленное противоречие и лежит в основе больших трудно-
стей регулирования работы аспирационных камер. По-видимо-
му, это противоречие в значительной мере может быть нивелиро-
вано изменением конструкции аспирационной камеры, которое
обеспечило бы возможность независимого регулирования скоро-
сти воздушных потоков вдоль полочек и в промежутках между
ними.
ПОЛЕТ СМЕСИ ЧАСТИЦ В НЕПОДВИЖНОМ ВОЗДУХЕ
Этот случай наблюдается при так называемой механической
сортировке, которая изучается применительно к семенам хлоп-
чатника [353, 470]. Технически сортировка осуществляется выб-
расыванием смеси семян с сором в ограниченное какими-либо
стенками воздушное пространство под определенным углом к
горизонту при помощи турбинки, транспортной ленты или ана-
логичного приспособления.
На каждую частицу в неподвижном воздухе 1 действуют две
силы: сила тяжести и сила сопротивления среды. Эти силы в
соответствии с принципом Даламбера уравновешиваются силой
инерции. Чем больше масса частицы, т. е. чем больше ее плот-
ность при данном размере, тем большей инерцией обладает
частица в начале полета и тем дальше от места выброса она
полетит. С другой стороны, сопротивление среды, как видно из
уравнения (X—3), быстро падает с уменьшением скорости дви-
жения частицы 2, что создает в свою очередь возможность бо-
лее далекого полета тяжелых частиц. Аэродинамические свой-
ства частиц проявляются через коэффициент парусности, кото-
рому прямо пропорциональна сила сопротивления среды.
Частицы легкие — органический сор, пустые и щуплые семена
и т. п. — выпадают раньше, чем тяжелые. Это дает возмож-
ность не только очищать семена, но и классифицировать их по
качеству, в частности по масличности и кислотному числу мас-
ла. Пример такой сортировки семян хлопчатника показан на
рис. 72. Зависимость между масличностью и плотностью семян
исследовалась для хлопчатника [323, 470] и льна [504].
1 Тезис о неподвижности воздуха является здесь, конечно, упрощающим
допущением: в действительности практически всегда наблюдается некоторое
движение воздуха, но этим можно пренебречь.
2 Лишь при очень малых скоростях сопротивление среды почти пропор-
ционально скорости V. При v < 200 м)сек сопротивление пропорционально о2,
при больших скоростях — v3 или даже с4.
187
Рассмотрим движение частицы в сопротивляющейся воздуш-
ной среде (рис. 73). Частица движется по баллистической кривой
(в отличие от параболы, которую она описывала бы в пустоте).
Сила тяжести направлена вертикально вниз и равна mg.
Сопротивление среды R направлено в сторону, противополож-
Расстояние,
м
Количество Масса
семян,
100 штук, г
Рис. 72. Сортировка семян хлоп-
чатника выбрасыванием их в воз-
дух с одинаковой начальной
скоростью.
ную направлению скорости ча-
стицы V. Равнодействующая
этих сил направлена в сторо-
ну отрицательных значений у,
поэтому угол наклона скоро-
сти v к горизонту, во время
полета частицы уменьшается
от первоначального значения
«о до----у- (вертикальное па-
дение частицы).
Рис. 73. Движение частицы в сопро-
тивляющейся воздушной среде (бал-
листическая кривая):
С — центр кривизны кривой в точке -И;
t’o — начальная скорость частицы;
сс0 — начальный угол полета частицы.
Проектирование сил на касательную в точке с учетом
принципа Даламбера дает
т = — mg sin а — /?, . (X—28)
<1л
Поскольку сопротивление среды есть функция скорости, то
в общем случае
R = mg?(v). (X—29)
Тогда из уравнения dv dT (X—28) получим = — g [sin a + T (n)] (X—30)
188
или для наиболее распространенного в технике случая в соот-
ветствии с уравнением (X—3)
dv
— = —gsma
ат
_ k°v2
g
(X—31)
Из двух последних уравнений видно, что ускорение частицы
отрицательно (скорость уменьшается) и определяется текущими
значениями угла наклона баллистической кривой и скорости. Из
уравнения (X—31), в частности, следует, что чем больше коэф-
фициент парусности, тем большее абсолютное значение имеет
отрицательное по знаку ускорение, т. е. тем ближе от места
выброса упадет частица, что соответствует данным рис. 72
При проектировании сил на нормаль МС, равную радиусу
кривизны р, получаем
---= тё cos а- (X—32)
Р
Так как радиус кривизны равен производной длины дуги S
по углу а:
dS dS d~ dt
p --------------------.----- = — v------,
da dx da da
(X-33)
то из уравнения (X—32) можно получить
— = gcosa. (X—34)
dx
Из уравнений (X—30) и (X—34) можно найти значения ко-
ординат частицы х и у в любой момент времени. Разделим эти
уравнения друг на друга:
dv , , <?(v)
= fg a -J- —-------.
ода cos а
(X—35)
Из этого уравнения можно найтиv в функции от а:
v = ф (а). (X—36)
Из уравнения (X—34) с учетом зависимости и от а по-
лучим
g J COS а
*0
(X—37)
Для бесконечно малых значений координат, очевидно, можно
написать
189
dx — v cos a dr,
dy = sin ack
(X—38)
Подставляя в уравнения (X—38) значения v и т из уравне-
ний (X—36) и (X—37), в общем виде окончательно получим
х —--------— С [ф (a)]2 da
g J
“о
(X—39)
У =--------Г [ф (a)]2 tg ada
g J
Таким образом, задача сводится к отысканию функции ф(а).
Однако это представляет значительные математические труд-
ности. Здесь не дается решения уравнений (X—39), так как о
закономерностях процесса можно судить и по уравнениям, при-
веденным выше.
В табл. 21 и 22 по опубликованным данным [470] приведены
результаты сортировки семян хлопчатника двух различных сор-
тов. Из этих данных видно, что происходит довольно четкая сор-
тировка семян по масличности и кислотности масла в семенах.
Это дает возможность из данной партии семян получить часть
масла более высокого качества, чем масло из партии в целом.
Таблица 21
Результаты сортирования семян хлопчатника с исходной
кислотностью масла 4,7%
Дистанция полета, м Доля Влажность Маслич- ность Кислот- ность масла
%
1 0,2 )
2 0,1 9,8 5,9 18,6
3 0,8 J
4 1,7 9,5 14,1 10,2
5 7,2 9,6 17,6 7,1
6 16,4 9,4 18,8 3,6
7 18,7 9,3 20,1 3,5
8 22,3 8,9 20,9 3,2
9 19,2 8,8 22,0 3,0
10 8,3 9,1 22,7 1,6
11 4,2 )
12 0,8 9,2 20,4 1,9
13 0,1 J
Исходная проба 9,5 18,8 4,7
190
Таблица 22
Результаты сортирования семян хлопчатника с исходной
кислотностью масла 8,8%
Дистанция полета, м Доля Влаж- ность Маслич - ность Кнс лот- ИОСТЬ масла
%
1 0,1 13,4 2,9 16,1
2 0,2 12,3 5,1 22,3
3 1,1 12,3 6,4 21,7
4 5,1 12,0 9,2 22,1
5 9,0 11,8 12,1 15,9
6 19,8 10,7 14,1 10,6
7 21,2 - 10,3 17,1 10,4
8 23,3 10,2 18,3 8,3
9 12,8 10,4 19,2 5,1
10 5,0 10,5 19,3 4,3
19,9 4,2
11 1,8 )
12 0,5 ) 10,2 20,1 4,3
13 0,1 J
Исходная проба
Глава XI. ОТЖИМ
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ
Отжим жидкости из сыпучей и пористой массы материала
является на протяжении многих лет основным процессом прес-
сового способа производства, при помощи которого и в настоя-
щее время получается большая часть растительных масел. Наи-
более распространена технологическая схема форпрессование —
экстракция, в пределах которой около 75% масла отжимается
в шнековых прессах. Продолжается разработка новых конструк-
ций прессов для окончательного отжима масла. Развитие экст-
ракционного способа в свою очередь привело к возникновению
отжима растворителя (мисцеллы) из шрота (в некоторых конст-
рукциях экстракторов).
Отжим масла (мисцеллы) в самых общих чертах можно
представить следующим образом. При сближении частиц мезги,
на внешних и внутренних поверхностях которых масло удержи-
вается силовым молекулярным полем, вначале начинается от-
жим масла по каналам между частицами, а с началом дефор-
мации самих частиц — по капиллярам, составляющим их внут-
реннюю пористость. С этого момента отжим масла происходит
одновременно как по каналам между частицами, так и по ка-
191
пиллярам внутри частиц, и масляная фаза с известным прибли-
жением может считаться непрерывной. Сказанное позволяет
рассматривать отжим масла и растворителя как движение
несжимаемой жидкости в деформируемой пористой среде [29],
что согласуется с представлениями об отжиме применительно к
другим материалам [118, 142] и представлениями об отжиме при
центрифугировании [333]. При дальнейшем сближении частиц
движение жидкости подчиняется законам гидродинамики, если
только внутренние и внешние поверхности не сближаются на-
столько, что в тонком «граничном» слое жидкости возникают
аномальные свойства. Анализ этого явления приводит к предпо-
ложению [97], что такого сближения внутренних и внешних по-
верхностей не происходит, так как в противном случае содер-
жание масла в жмыхе было бы очень незначительным. С другой
стороны, считается, что непосредственное соприкосновение по-
верхностей и их соединение («сплавление» частиц) может наблю-
даться в отдельных местах в результате разрыва пленок «гра-
ничных» слоев. Все это позволяет считать, что при достаточно
глубоком отжиме остаток жидкости распределен не равномер-
но, а в виде отдельных включений, «закапсулированных» «сплав-
ленными» поверхностями. Действительно, это было показано
на примере экспериментального жмыха подсолнечных се-
мян [217].
В настоящее время в производстве растительных масел на-
блюдается отжим жидкости (масла), не содержащей или почти
не содержащей паров (газов), и отжим жидкости (растворителя,
мисцеллы), которая может содержать пары, возникающие в свя-
зи с испарением растворителя за счет тепла трения или по дру-
гим причинам [29]. Имеется указание [252] на то, что на послед-
них участках прессующего тракта шнековых прессов масло
вытесняется парами воды, т. е. происходит отжим смеси масла
с парами воды. При этом следует иметь в виду, что в подавляю-
щем большинстве случаев отжима основного количества масла,
бесспорно, можно говорить лишь об отжиме негазированной
жидкости, поскольку предварительный отжим и почти все сту-
пени окончательного отжима не могут приводить к образованию
заметных количеств паров с давлением, способным вытеснять
масло из промежутков между частицами и особенно изнутри
частиц. Подвергается сомнению [97] возможность такого вытес-
нения даже на последних участках прессующего тракта шнеко-
вых прессов.
Гелевая часть материала, из которого происходит отжим
масла или растворителя (мисцеллы), испытывает в ходе отжима
упруго-пластичные деформации. Анализ возможного влияния
различного характера деформаций на эффективность отжима
масла приводит к заключению о том, что предельное напряже-
ние сдвига прессуемого материала, превышение которого спо-
192
собствует возникновению истинно пластичного течения, должно
быть больше, чем напряжение сдвига, создаваемое при от-
жиме [97]. В противном случае пластичное течение приведет к
выползанию материала вместе с маслом через отверстия для
стока масла и вообще отжим перестанет быть эффективным
вследствие падения давления. Предполагается также, что ниж-
ний предел текучести, ниже которого находятся только упругие
деформации, должен быть минимальным. Между нижним преде-
лом текучести и верхним (чему соответствует предельное на-
пряжение сдвига) находится промежуточная зона упруго-плас-
тичных деформаций, которая, вероятно [97], должна быть макси-
мальной для обеспечения наилучших условий отжима.
Процесс отжима растительных масел начал изучаться чисто
опытным путем. Некоторые авторы [237, 310] получили эмпири-
ческие уравнения, связывающие давление с выходом масла
(масличностью жмыха). Наиболее полное из эмпирических урав-
нений [444] связывает выход масла W с давлением р в фунтах
на квадратный дюйм, продолжительностью отжима 0 в часах,
кинематической вязкостью масла v в стоксах и его содержанием
в исходном материале Wo в процентах:
W = , (XI-1)
где с — константа прессования, зависящая от вида материала;
а — показатель степени коэффициента кинематической
вязкости, зависящий от вида масла.
Это уравнение верно в следующих пределах: давление 1000—
4500 фунт/дюйм2 (6,9-106—3,1 • 107 к/лг2); температура 15—
125 °C; продолжительность 0,5—9 ч. Значения констант этого
уравнения (получены при отжиме в лабораторном гидравличе-
ском прессе1) приведены в табл. 23.
Таблица 23
Константы уравнения (XI—1)
Масличные семена' WT, % а С
Обрушенная клещевина . . 64,19 1/12 0,00921
Хлопчатник 34,70 1/4 0,00535
Обрушенный арахис .... 51,88 1/6 0,00751
Рапс 42,18 1/6 0,00583
Кунжут 52,95 1/12 0,00835
Соя 19,50 1/4 0,00450
Обрушенный тунг 64,53 1/6 0,00907
1 Оптимальная влажность материала в условиях такого отжима находи-
лась в пределах 5—13% в зависимости от вида материала и температуры.
7 В. В. Белобородов
193
Уравнение (XI—1), как и всякое эмпирическое уравнение,
ограничено пределами изменений характеристик, которые имели
место в опытах при получении этого уравнения. Поскольку оно
получено без глубокого анализа существа явлений, протекаю-
щих при отжиме, то в нем не учтены, как мы увидим ниже, не-
которые важнейшие для этого процесса факторы. Однако это
уравнение все же имеет некоторое значение для анализа роли
учтенных в нем факторов и для приближенных расчетов, но
только в тех условиях отжима, в которых оно было получено.
Некоторое значение для анализа влияния ряда факторов на
эффективность отжима, но не для его расчета, имеет попытка
[97] рассмотрения уравнений Пуазейля:
у = ' (XI-2)
8rp./l
где V — объем вытекающей жидкости;
р — давление;
п — число капилляров на единицу площади слоя мате-
риала;
г — радиус капилляров;
Fo — поверхность;
т — время вытекания жидкости;
т] — вязкость жидкости;
h — высота слоя;
а — коэффициент, учитывающий удлинение капилляров
по сравнению с h за счет их искривленности,
и Дарси:
dM = kd^dS (grad„ Я), (XI—3)
где dM — количество жидкости;
т — время фильтрации;
S — поверхность фильтрации;
Н — гидравлический нрпор,
k — постоянная, называемая коэффициентом фильтра-
ции.
Анализ уравнений (XI—2) и (XI—3) позволяет сделать лишь
общие заключения. Можно сказать, с какими факторами коли-
чество отжимаемой жидкости связано прямой зависимостью, а
с какими — обратной. Например, количество отжимаемой жид-
кости тем больше, чем больше давление, радиус капилляров и
т. д., чем меньше вязкость и высота слоя.
Главным недостатком этих уравнений является то, что в
них не учтена существенно важная сторона процесса отжима в
производстве растительных масел — деформируемость пори-
стой среды, что приводит к изменению в ходе отжима важней-
ших факторов его эффективности: гидродинамического напора,
проницаемости, высоты слоя и т. п. Мы сделали попытку [29]
получить уравнения, учитывающие все это.
194
ОБЩИЕ УРАВНЕНИЯ
В соответствии со сказанным выше будем рассматривать
процесс отжима как движение жидкости или смеси жидкости с
паром в деформируемой пористой среде. Эти две задачи сущест-
венно отличаются друг от друга, и поэтому для их решения
должны быть приняты различные уравнения: для первой —
уравнения неразрывности и движения жидкости в деформируе-
мой пористой среде, для второй — уравнения неразрывности и
движения газированной жидкости (смеси жидкости с паром) в
деформируемой пористой среде.
При получении общих уравнений отжима для обоих указан-
ных случаев принимается ламинарный характер движения от-
жимаемого вещества (масла, мисцеллы, растворителя или их
смеси с парами), что подробно рассмотрено в ранее вышедшей
работе [29].
Общие уравнения отжима жидкости
(масла, растворителя)
Как известно [214], дифференциальное уравнение движения
малосжимаемой вязкой жидкости в деформируемой пористой
среде без учета влияния силы тяжести имеет вид:
. т>. /. а \ др
\72р = —— 1 Н-----------------—
k.'i \ / dt
(XI-4)
а соответствующее ему уравнение неразрывности потока:
+
д (ри)
дх
д (??)
ду
д (pw)
дг
fl ф —2—'I = О, (XI—5)
а \ /ztctj / dt
В этих уравнениях приняты следующие условные обозначе- -
ния:
д2р , д2р । д‘2р
дх1 * ду1 дг1
р — гидродинамическое давление;
т — пористость деформируемой среды;
k — проницаемость деформируемой среды;
р — вязкость отжимаемой жидкости;
а — модуль объемной упругости отжимаемой жидко-
сти;
щ — модуль объемной упругости деформируемой
среды;
t — продолжительность отжима,
р и ро — плотности отжимаемой жидкости при давлениях
соответственно р и р0,
7
195
и, v и w — скорости движения отжимаемой жидкости соот-
ветственно вдоль осей координат х, у и z.
Величина р суть равнодействующая гидродинамических
давлений вдоль осей координат. Обозначим эти давления че-
рез рх, ру и pz*.
Для упрощения последующих операций перепишем уравне-
ния (XI—4) и (XI—5) только для одной оси х следующим об-
разом:
д2Рх , д*Рх ! &Рх дх2 ' ду2 ' dz2 ni[J. др , dt dp (XI-6)
kxa dt ’
д (ри) тро дх а dp __ dt Po al dp dt (XI-7)
Введем множители подобного преобразования:
aPx a‘x / d2px d2p, \ dx2 dy2 dz2 \ ap ) akx at
др , dt а»аР akx % at dp dt (XI-6')
Po dp араи d (pu) . mpo •-^-•(XI-7') dt
% at dt al lx dx a<fit a
Умножим (XI-7') — на уравнение (XI-6') на a2x apx а уравнение
d^Px dx2 , &px dy2 d2px __ dz2 ~~ /
_ ат\аРа21х mjx •-J- + % aPa2x . (XI—6")
akx aa atapx dt akx ач ataPx kxa^ dt
Ро др ________ aPauaaiat д (ри) атаа1
“1 dt а'-х а-,ааР дх а*
«Ро (ТЭД___у//
a dt
* Здесь под р понимается гидродинамическое давление жидкости, дви-
жущейся в неравномерно деформируемой пористой среде, что наблюдается
в маслоотжи.мных прессах. Например, в шнековых прессах скорости движения
масла в радиальном и аксиальном направлениях различны, следовательно,
в этих направлениях различны и гидродинамические давления.
196
Сравнивая уравнения (XI—6) с (XI—6") и (XI—7) с
(XI—1"), получаем
ДпА/у/у2 avapa^
--------— = 1; --------------— = 1;
акха,а1аРх akxaa.1ataPx
apauaatat atn aai _ j
alX a?oaP ’ a*
откуда находим следующие критерии подобия:
к = т{,^хР к = —•
^х'’^Рх ^ХХ1^Рх
к _ fUa-jt . к = та!
3 GPoP ’ 4 “
Так как при ламинарном движении [214]
и = , (XI—8)
V^x
то критерий к3 можно записать в виде
__ ?а1^хРх
3 ,2
РоЩ* Р
Для малосжимаемой жидкости в пределах давлений, наблю-
дающихся при отжиме, можно принять р = р0. Тогда, меняя
числитель и знаменатель у критерия к3, его можно записать
д/2 Р
к3 =----—
<WtPx
т. е. к3 = к2, и общее число критериев сокращается до трех.
Так как
(XI—9)
где рм.о — плотность отжимаемой жидкости (масла, раствори-
теля) при t=0 (р = 0); Арм=рм—Рм.о, причем рм — плотность
отжимаемой жидкости при t(p), то критерий к4 можно запи-
сать в виде произведения:
_ та^ Арм
р Рм. о
197
1 U /TlOtl
г. е. вместо критерия к4 получаем критерии —1 и симплекс
Др», Р
•Рм,о
Так как — =к4, то критериальное уравнение может быть
записано в виде
та1 _______________________ И р
Р \ kxatipx
(XI—10)
Для малосжимаемой жидкости Дрм=0 и уравнение (XI—10)
превращается в уравнение
= (XI—11)
Р \ /
или
(Л \ п
-Ла£_) . (XI—12)
kxaitpx /
Для трех осей координат критериальное уравнение будет
иметь вид:
(,? \ П / ,9 \ г / »9 \ с
) - ‘Й*’-) . (XI—13)
kxaltPx / \ ky^tpy / \ kzaitpz /
Уравнение (XI—13) и есть уравнение процесса отжима жид-
кости в его общем виде.
Физический смысл входящих в него критериев подобия
ясен из их состава.
Критерий k4= —1 характеризует соотношение между упру>
а
гими свойствами деформируемой среды и отжимаемой жидко-
сти.
Запишем критерий к2, с учетом уравнения (XI—8), в сле-
дующем виде:
к2 =-Ц- — = Но-— . (XI—14)
lit «I «1 \
Таким образом, к2 является произведением критерия гид-
родинамической гомохронности Но на критерий —, характери-
«1
зующий соотношение между развивающимся в системе гидро-
динамическим давлением и упругими свойствами деформируе-
мой среды.
198
Можно пористость деформируемой среды т интерпретиро-
вать как объемную масличность (бензиноемкость) материала.
Так как т= — Л4Ж, где рж— объемная масса отжимаемого ма-
Рм
териала (жмыха, шрота) к моменту времени t, рм — плотность
отжимаемой жидкости (масла, бензина), Л1Ж— масличность
(бензиноемкость) отжимаемого материала (жмыха, шрота) к
моменту времени t в весовых долях единицы, то уравнение
(XI—11) может быть записано следующим образом:
(,2 \п
kx^tpjc /
(XI—15)
По аналогии с модулем объемной упругости жидкости
[214] можно написать:
Рж. о
АРж
р,
(XI—16)
где Рж.о — объемная масса отжимаемого материала (жмыха,
шрота) при t=0 *;
Р — общее давление, равное сумме равнодействующих
давления на гелевую часть и жидкую часть (гидро-
динамическое давление).
Подставляя уравнение (XI—16) в уравнение (XI—15), бу-
дем иметь:
А4Ж = Д — . -^5- . . (XI—17)
Р Рж.о рж рж. о Р / 4 ’
Можно предположить, что в процессе отжима сохраняется
справедливость равенств:
_P_ = _L; _P_ = _L. (XI—18)
P.v Рх Ру Ру Pz Pz
Тогда уравнение (XI—17) превращается в уравнение:
/ /2 А \п
Д р АРж Рм [ дРж 1
Р Рж. о Рж \ Рж. о Рх /
(XI—19)
Равенства (XI—18) должны быть доказаны опытным пу-
тем. Если эти равенства справедливы, то коэффициенты А и
п в уравнениях (X I—17) и (XI—19) должны иметь одинако-
* Так как при Z=0 величина общего давления Ро значительно меньше Р,
то принимается Р—Рц—Р.
199
вне численные значения. Конечно, не исключается возмож-
ность использования для обработки опытных данных уравнения
(XI—19) без экспериментального доказательства справедливо-
сти равенств (XI—18). При этом, разумеется, зависимость меж-
ду критериями подобия (XI—13) при подстановке равенств
(XI—18) для соответствующих осей координат в логарифмиче-
ской сетке должна иметь линейный характер, что является не-
обходимой предпосылкой применимости уравнения. Следует
отметить, что пока нет строго доказательства справедливости
равенств (XI—18), применять уравнение (XI—19) для экстра-
поляции следует осторожно. В какой степени экстраполяция
при использовании уравнения (XI—19) допустима вообще, по-
кажут пределы справедливости равенств (XI—18).
Общие уравнения отжима смеси жидкости
(масла, растворителя) с паром (газом)
Рассмотрим наиболее общий случай, когда жидкая 1 и па-
ровая (газовая) фазы движутся с различными скоростями. Сна-
чала нам необходимо получить соответствующие дифферен-
циальные уравнения.
Уравнение неразрывности при ламинарном движении гази-
рованной жидкости в неизменяемой пористой среде при раз-
личных скоростях жидкой и газовой фаз имеет вид2 [214]
met-. Ор + тдз_ = 0) (XI—20)
дх q0 dt dt
где Ui—скорость движения жидкой фазы;
qo — плотность жидкой фазы;
с — постояная закона Генри 3;
а — относительное содержание жидкости в единице объе-
ма смеси свободного газа (пара) и жидкости (насы-
щенность) ;
Dp <
—----субстанциальная производная, равная для одной
оси х
Рр _ др . др
dt dt дх
(XI-21)
1 Под жидкой фазой в данном случае понимается раствор газа (пара)
в жидкости.
2 Уравнение для простоты записываем лишь для одной оси х.
3 Величине с в работе придается более широкий смысл: она рассматри-
вается как величина, дающая зависимость не только между количеством
испарившегося газа и давлением, но и между количеством образовавшегося
пара и давлением.
200
Подставим уравнение (XI—21) в уравнение (XI—20):
+ + = (XI-22)
дх q9 \ dt дх I dt
Для деформируемой пористой среды величину т необхо-
димо внести под знак дифференциала:
4- -—• -4- ~ • 4 +4 =°-(ХЬ23)
дх q0 dt q9 дх dt
По Лейбензону [214]
dm — ,
“1
(XI—24)
и так как
д . , др . дт д . , др , dm ,VT
— (tnp) = т—+ р~; — (тр)^=т -^-+р—, (XI—25)
dt dt dt дх дх дх
то, внося выражение (XI—25) в (XI—23), окончательно полу-
чим уравнение неразрывности при ламинарном движении гази-
рованной жидкости (смеси жидкости с паром) в деформируе-
мой пористой среде:
1 с'гп , cip 1 1 \ др , с~ирп др ।
\ % <7о Я1 “1 / dt qQ дх
, с~и,р дт д; _] ЦД , т = —. (XI-26)
q0 дх dt дх Так как [214]
(XI—27)
дх
где pi — вязкость жидкой фазы, а [214]
/(0) = оп, (XI—28)
где п — некоторый коэффициент, и
f (з) = по11-1, (XI—29)
то, внося выражения (XI—27), (XI—28) и (XI—29) в уравне-
ние (XI—26), получим дифференциальное уравнение ламинар-
201
ного движения газированной жидкости (смеси жидкости с па-
ром) в деформируемой пористой среде:
cam 1 cap 1 1 \ др сап+Угт др дрх
% "г <7о 71 «1 / dt <7оР1 дх дх
can+lkp дт дРл Пап~ Ak да дРх
Чо'.Ч дх дх дх дх
+ ank &Рх да = т . (XI—30)
Pi дх2 dt
Подобное преобразование 1 уравнений (XI—26) и (XI—30)
дает в итоге (после сокращения критериев, имеющих одинако-
вый физический смысл, а также критериев, дающих при их де-
лении или умножении друг на друга оставляемые критерии)
следующие критерии подобия:
___ атср
1с — >
<7о
Р .
ПК*!
к _ с^Рр2
'1С
Критерий к3о удобнее представить в виде произведения двух
критериев:
к3с — к3с- к3с —
ср
а«-1 д0
fei tPx
Критерий к^, отличается от kic только безразмерными ко-
эффициентами. Поэтому этот критерий, ничего нового не вно-
сящий в характеристику физической сущности процесса, мо-
жет быть опущен.
Таким образом, для одной оси х мы получаем следующую
критериальную зависимость:
atnep
%
p PK* P \ _ g
/nal kxartpx /
(XI—31)
или
а для трех
атср
%
осей:
а/ у
\ ^ха^рх )
(XI—32)
атср
%
V-i^xP
kxa-itpx
P
tna^
^у“Кру
P-llzP
kzaltPz
1 Порядок подобного преобразования дифференциальных уравнений из-
ложен выше.
202
или
Если отжимается только одна жидкость (никакого выделе-
ния газов или паров не происходит), то с —0, и уравнение
(XI—31) превращается в следующее:
f I-Я- , . ) = о. (XI—35)
\ «а1 kxo.xtpx /
Уравнение (XI—35) имеет одинаковый вид с уравнением
(XI—11).
Таким образом, общее уравнение отжима смеси жидкости
(масла, растворителя) с паром (газом) превращается в общее
уравнение отжима только одной жидкости (масла, раствори-
теля), что является важным критерием правильности выведен-
ных выше дифференциальных уравнений неразрывности
(XI—26) и движения (XI—30), а также полученных из них
критериев подобия.
.. , '.тер
Критерии К1С= — характеризует соотношение между раз-
вивающимся в системе гидродинамическим давлением, удель-
ным количеством выделяющегося (проходящего) газа (пара)
и относительным содержанием жидкой фазы в деформируе-
мой среде.
Произведение от можно интерпретировать как объемную
масличность (бензиноемкость) материала. Тогда, принимая во
внимание соображения и условные обозначения, приведенные
для отжима только одной жидкости, получим следующие урав-
нения:
(XI—36)
(XI—37)
(XI—38)
Все, что было сказано относительно применимости урав-
нения (XI—19), относится и к уравнению (XI—38).
Наконец, остановимся на пределах применимости уравнений
(XI—17) и (XI—37).
Уравнения вступают в силу тогда, когда отжимаемая жид-
кость или смесь жидкости с паром (газом) становятся непре-
203
рывной средой. Это вытекает из того, что в основу уравнений
положено совместное преобразование дифференциальных урав-
нений движения и неразрывности потока.
Уравнения перестают быть действительными тогда, когда
проницаемость отжимаемого материала становится равной
нулю, т. е. когда материал сжат настолько, что стенки его пор
соединились друг с другом (в ряде мест через жидкостную
пленку). Прологарифмируем уравнение (XI—17):
IgM* = lg М ) + п 1g (рЙ ДржР) -
\ Рж Рж. о г /
— «Ig(MP,K. ОРХР)-
При kx=0
Ig(W.oP^) = IgO = -^- (XI-39)
Тогда
IgM,. = оо и Мж = оо,
что невозможно.
То же самое получится при логарифмировании уравнения
(XI—37).
РОЛЬ ОТДЕЛЬНЫХ ФАКТОРОВ
Произведем анализ полученных общих уравнений отжима.
Для удобства перепишем их здесь:
М = А Рм ( ЬржР V ( \
Ж Рж к Рж.о^ \ J
g Яо Рм f ДржР \а( рДх ДржП у
ср Рж \отРж. \^ДРж. о РхР /
(XI—17)
(XI—37)
Прежде всего необходимо отметить, что уравнения (XI—17)
и (XI—37) соответствуют общим представлениям о процессе
отжима: остаток отжимаемой жидкости зависит от общего и
гидродинамического давлений, толщины слоя отжимаемого ма-
териала, вязкости отжимаемой жидкости, продолжительности
отжима, степени уплотнения материала (Др® — разность между
объемной массой материала при t и / = 0), объемной массы в
начале (рж.о) и в конце (рж) отжима, плотности отжимаемой
жидкости рм, проницаемости деформируемого материала kx.
При отжиме смеси жидкости с паром добавляются еще такие
факторы, как плотность смеси жидкости с паром д0, констан-
та Генри с и пористость сжимаемого материала т. Из извест-
204
ных нам работ уравнения (XI—17) и (XI—37) дают наиболее
полное общее математическое описание процесса отжима. Кро-
ме того, эти уравнения позволяют сделать более глубокий ана-
лиз процесса отжима. Рассмотрим роль отдельных факторов.
При анализе роли давления нельзя упрощать этот вопрос,
сводя его к зависимости остатка масла или бензина от общего
давления Р или одной из его составляющих, например радиаль-
ной, в случае анализа работы шнековых прессов. Как видно из
уравнений (XI—17) и (XI—37), зависимость эта сложная: при
отжиме жидкости она определяется соотношением величин
р / р \п
и (----1 , а при отжиме смеси жидкости с паром — соот-
( Р \а ( Р \Ь
ношением величин — и —- ) т. е. для отжима важно не
\PJ \рхР),
только общее давление (сумма давлений на гелевую и жидкую
части материала), но также и величины возникающих гидро-
динамических давлений1 — равнодействующего и давления по
направлению отжима. Гидродинамические давления играют
роль сопротивления, а не движущей силы.
Очень важное значение, как видно из уравнений, принад-
лежит толщине отжимаемого материала, поскольку в уравне-
ния /х входит в степени 2 п или 2 Ь. Немного забегая вперед,
в связи с анализом роли этого фактора нужно отметить, что при-
меняемые в настоящее время шнековые прессы обладают прин-
ципиальным недостатком: в них отжим масла происходит лишь
в одном направлении, т. е. толщина отжимаемого материала в
течение всего процесса как бы увеличена в 2 раза, что является
важной причиной относительно высокой масличности жмыха.
Роль вязкости и продолжительности отжима вполне по-
нятна.
Несколько подробнее остановимся на проницаемости, по-
скольку этот фактор тесно связан с механизмом отжима и вве-
ден в уравнение отжима впервые [29].
Чтобы отжимаемый материал в ходе процесса максимально
длительно обладал проницаемостью, отличной от нуля, необ-
ходима равномерность подготовки материала к отжиму, что
подчеркивалось в литературе [97]. Это одно из условий изо-
тропности отжимаемого материала, при достижении которой
процесс должен протекать так, что при kx=0 значение М}Я
равно минимуму, т. е. теоретически масличность жмыха (бен-
зиноемкость шрота) может быть доведена до величины, соответ-
ствующей наличию на сближенных поверхностях «граничных»
1 Здесь целесообразно подчеркнуть, что под р и рх понимается гидроди-
намическое давление (напор), зависящее от направления и скорости потока,
но не гидростатическое давление (в последнем случае давление по всем
направлениям одинаково и р = рх).
205
слоев масла (бензина). Однако равномерность подготовки ма-
териала к отжиму еще недостаточна для сохранения изотропно-
сти его в ходе процесса. Необходима также равномерность
приложения усилий к материалу и равномерность их изменения
при отжиме. В определенной мере это характеризуется равен-
ствами (XI—18), которые должны рассматриваться как допу-
щение. При нарушении условия изотропности отжимаемого ма-
териала в ходе процесса (материал должен быть изотропным
в течение всего процесса) на определенных участках в направ-
лении движения жидкости или ее смеси с паром местные зна-
чения проницаемости могут превращаться в нуль, и дальней-
ший отжим, несмотря на рост давления и продолжительности,
становится невозможным .
Зависимость остатка жидкости в материале от объемной
массы материала в начале (рж.о) и конце (р,к) отжима и зна-
чения Држ (разность между р!К и рж.о), что по существу отра-
жает зависимость от степени сжатия материала, так же как и за-
висимость от давления, является сложной. Пока не представ-
ляется возможным осуществить более подробный анализ роли
этого и других факторов, поскольку неизвестны численные зна-
чения постоянных коэффициентов уравнений. Указанные коэф-
фициенты могут быть найдены лишь опытным путем в соответ-
ствии с методическими требованиями теории подобия, что пре-
вратит уравнения (XI—17) и (XI—37) в расчетные.
Глава XII. ОТЖИМ В ШНЕКОВЫХ ПРЕССАХ
ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ ШНЕКОВЫХ ПРЕССОВ
В производстве растительных масел в настоящее время от-
жим осуществляется почти исключительно в шнековых прессах
за счет сжимания мезги при ее продвижении через зеер благо-
даря уменьшению свободного объема, в котором заключена
мезга. Свободный объем уменьшается вследствие изменения
шага витков, диаметра ступицы вала и внутреннего диаметра
зеера, причем имеется большое многообразие различных кон-
кретных сочетаний этих геометрических параметров. В ряде
случаев изменяется только часть из них (например, параметры
шнекового вала), а часть (диаметр зеера по всей его длине)
остается постоянной. Основные особенности отжима в шнеко-
вых прессах — следствие условий работы шнекового вала в ог-
раниченном пространстве (зеере) под давлением.
1 Это не относится к тому случаю, когда при отжиме в одном направ-
лении, как в шнековых прессах, при переходе от участка к участку по тол-
щине жмыха в сторону движения масла /гх последовательно превращается" в
нуль. Однако такой случай является, пожалуй, чисто гипотетическим.
206
Теоретически можно допустить два крайних варианта дви-
жения материала через шнековый пресс [132, 372]: вращатель-
ное и аксиальное поступательное (подобно ходовой гайке по
шпинделю). Вращательному движению в шнековых прессах
препятствует трение мезги о внутреннюю поверхность зеера и
сопротивление специальных ножей, аксиальному поступатель-
ному — трение мезги о вал и сопротивление на последующих
Рис. 74. Характер абразивного износа рабочей поверхности зеерных
планок пресса ЕП (волнистая линия посередине каждой фотографии
отмечает продольную ось планки; от первой до четвертой ступени —
слева направо).
участках зеера, включая выходное отверстие (конус, диафраг-
ма). Это приводит к тому, что фактически мезга в шнековом
прессе движется по некоторой спирали [133, 320].
На рис. 74 показаны микрофотографии рабочей поверхно-
сти зеерных планок различных ступеней шнекового пресса ЕП
[133], где видно направление рисок износа. Риски наклонены
под определенным углом к продольной оси планки, причем угол
207
наклона увеличивается при переходе от первой к последней
ступени. Эти данные свидетельствуют о том, что по крайней
мере вблизи внутренней поверхности зеера мезга движется по
спирали с увеличивающимся шагом. К такому же заключению
можно прийти [132], анализируя изменения соотношения между
аксиальной и радиальной составляющими скорости движения
мезги в зеере при уменьшении угла наклона поверхности шне-
ковых витков, что обычно наблюдается в шнековых прессах.
При указанном изменении угла наклона поверхности витков
аксиальная составляющая скорости возрастает, а радиальная
уменьшается, в связи с этим мезга описывает спираль с увели-
чивающимся шагом. Рентгенография деревянной модели шне-
кового пресса [320] также свидетельствует о спиралевидной
форме траектории частиц мезги, однако дополнительно отме-
чено преобладание вращательного движения в зоне расположе-
ния витков пресса, а поступательное движение проявляется тем
больше, чем дальше от витка расположена мезга.
Приведенных данных достаточно для предположения, что по
мере продвижения материала через зеер пресса скорость его
изменяется не только по величине, но и по направлению на раз-
личных участках зеера. Это — одна из причин относительного
перемещения отдельных участков (слоев, элементарных объе-
мов) материала.
При работе шнековых прессов возможен обратный ход
(возврат) материала через зазор между кромкой витка и внут-
ренней поверхностью зеера и через просветы (зазоры) шнеко-
вых витков [134, 242, 258], поскольку в шнековых прессах дли-
на витков вдоль оси вала, как правило, меньше их шага. В на-
стоящее время обратный ход материала в шнековых прессах
для масличных семян экспериментально еше не подтвержден,
однако, учитывая определенную пластичность прессуемого
материала, его можно считать вполне вероятным. Обратный
ход материала может быть объяснен тем [258], что в определен-
ных условиях величина аксиального давления за данным вит-
ком по ходу движения результирующего потока становится
больше аксиального давления перед витком. Такие условия мо-
гут быть связаны, например, с увеличением сопротивления вы-
ходной щели при уменьшении ее ширины. Обратный ход ма-
териала наблюдается в шнековых прессах для пластмасс. Он
подробно рассматривается в соответствующих руководствах
[372] в связи с вопросами перемешивания материала и произ-
водительности прессов.
В шнековых прессах на определенных участках вала воз-
можно и диаметрально противоположное явление — «перехле-
стывание» материала в зазоры между кромкой витка и поверх-
ностью зеера и в просветы шнековых витков [258], что объяс-
208
няется малой производительностью данного витка, который ста-
новится элементом сопротивления.
Рассмотренный механизм продвижения материала через,
шнековый пресс свидетельствует о сложности возникающих яв-
лений, которые должны быть учтены при анализе отжима и
производительности.
В связи с вопросами отжима необходимо отметить два след-
ствия указанного механизма.
Перемешивание материала, происходящее благодаря спира-
левидной траектории движения результирующего потока, об-
ратному ходу и «перехлестыванию», очевидно, приводит к
вскрытию части капилляров, ставших к данному моменту от-
жима блокированными, и увеличению проницаемости слоя,
что должно положительно сказаться на эффективности от-
жима. В некоторых конструкциях шнековых прессов («Френч»,
«Титан») имеются устройства, способствующие перемешива-
нию материала в ходе отжима. Трение материала о зеерные
планки и шнековый вал является, по-видимому, основной при-
чиной разогрева материала [253, 257], который мы здесь рас-
сматриваем не только как следствие внутреннего трения, но и
как особенность работы шнековых прессов, имеющую само-
стоятельное значение (рис. 75). Определенная доля разогрева
материала при отжиме обязана внутреннему трению материала
во время перемешивания.
Рис. 75. Характер изменения температуры
подсолнечной мезги при ее отжиме на прессе
ЕП [131].
По средним данным, температура наружной поверхности
зеера при переработке семян подсолнечника составляла для
пресса ФП до 107 °C, ЕП—до НО °C (двукратное прессова-
209
ние) и пресса МП-75 (в схеме форчан С-З-МП-75)—до 132 °C
£253]. При переработке семян хлопчатника на прессе МП-21
температура зеера достигает 180 °C, а вала — 220 °C [257]. Не-
обходимо отметить, что температура наружной поверхности
зеера всегда меньше температуры материала, находящегося
внутри него.
Перегрев материала в шнековом прессе приводит к умень-
шению степени отжима и ухудшению качества масла и жмыха.
В связи с этим было предложено охлаждать зееры прессов
маслом. Различные способы осуществления этой операции
описаны в литературе [22, 257, 261, 262].
Отмеченные особенности работы шнековых прессов, по-
видимому, имеют прямое отношение к молекулярному «упоря-
дочению» белков, которое наблюдалось при рентгеноструктур-
ном исследовании мятки, мезги и жмыха соевых семян [218].
Это «упорядочение» белков в ходе отжима масла заключается
в увеличении степени ориентации белковых молекул в жмыхе
в радиальном направлении от зеера к валу и связывается ав-
торами работы с механическим и тепловым воздействием на
материал в ходе отжима.
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ
В соответствии с представлениями о процессе отжима, из-
ложенными в предыдущей главе, можно различать давление
на твердую фазу («скелет» пористой массы материала), на
жидкую фазу (гидродинамический напор) и общее, равное
сумме двух первых. Естественно, что каждое из этих давле-
ний в общем случае, когда отжимаемый материал является
анизотропным, может быть разложено по направлению на
три составляющих, различных по величине. Таким образом, в
каждый данный момент отжима можно говорить о девяти раз-
личных по величине и направлению составляющих общего
давления, действующих в шнековом прессе.
В связи с тем, что в ходе отжима жидкая фаза (масло)
движется с изменяющейся скоростью по каналам переменного
сечения и различной формы, причем абсолютное количество
отжимаемой жидкости со временем может возрастать и умень-
шаться (в зависимости от участка зеера), приводя к соответ-
ствующим колебаниям скорости жидкой фазы, то гидродинами-
ческий напор (давление на жидкую фазу) претерпевает ло-
кальные изменения и изменения вдоль шнекового вала. Из
рассмотрения механизма передвижения материала в шнековом
прессе вытекает заключение об аналогичной изменчивости дав-
ления на твердую фазу. Поэтому общее давление и его ра-
210
диальные и аксиальные составляющие в каждый данный момент
отжима необходимо рассматривать как некоторые усредненные
значения давлений на жидкую и твердую фазы. Теоретически и
практически важно рассмотреть изменение общего давления и
его составляющих вдоль шнекового вала, поскольку от этого
непосредственно зависит и интенсивность отжима масла и рас-
чет пресса.
Первые работы [4, 274], в которых рассматривается шнеко-
вый вал одинакового диаметра, но с непрерывно уменьшаю-
щимся шагом, исходят из постулирования уравнения, по струк-
туре аналогичного уравнению для реальных газов:
(P + P0W-V0) = A, (XII—1)
где Р — общее давление на отжимаемый материал на дан-
ном участке (витке) вала;
Ро — общее давление на отжимаемый материал в начале
отжима;
V — объем материала на данном участке (витке) шнека;
Уо — объем несжимаемой части материала (объем при
максимально возможном сжатии материала);
работы прессования к данному участку (витку)
А — некоторый коэффициент, имеющий физический смысл
работы прессования к данному участку (витку)
шнека
Поскольку для шнековых прессов Ро значительно меньше
Р, то, приняв Ро = О и коэффициент наполнения данного витка
для простоты равным единице, после элементарных преобразо-
ваний из уравнения (XII—1) получим
Р =----------------------, (XII—2)
-~(О°-сР)(8-Ъ)-У0
где D — диаметр витка;
d — диаметр вала;
S — шаг витка;
б — толщина витка.
Первый член в знаменателе этого уравнения, как нетрудно
видеть, равен объему материала на данном витке, точнее объе-
му данного витка. Почти к такому же уравнению можно прий-
ти, сделав соответствующие подстановки в уравнения, полу-
ченные в некоторых работах [4, 274] * *, однако с тем существен-
ным отличием, что в уравнение (XII—2) в виде сомножителя
1 В ранее изданной работе [4] вместо Ро, Уо и А приняты другие услов-
ные обозначения.
* Принимая равным нулю Ра, а не Р, как это ошибочно делается в-
опубликованной работе [4].
211
первого члена в знаменателе не входит число оборотов шне-
кового вала. Поскольку число оборотов в минуту или секунду
имеет размерность соответственно мин-1 или сек-1, то вклю-
чение этого параметра в уравнение (XII—2) приведет к раз-
личным размерностям членов в знаменателе (например,
рмъ1мин для первого члена и см?— для второго), что совер-
шенно неприемлемо.
Уравнение (XII—2) является уравнением статики, а не ди-
намики Оно может иметь некоторое значение для анализа
величины давления в остановленном шнековом прессе после
истечения определенного промежутка времени с поправками,
учитывающими степень заполнения материалом данного витка.
В соответствии с изложенными представлениями о распре-
делении давления на жидкую и твердую фазы рассматривается
[320] уравнение для распределения общего давления после дан-
ного витка вала. Сопротивление жидкой фазы, называемое
нейтральным давлением [320], представляется как сумма напора
фильтрации h и напора истечения через зеерные щели q:
р = 0,001 (h + q), (XII—3)
где 0,001 —пересчетный коэффициент, h и q даны в см. вод. ст.
Напор фильтрации равен
где v — расход фильтруемой жидкости через рассматриваемое
поперечное сечение в единицу времени;
/1—длина пути фильтрации;
8 — коэффициент пористости;
k — коэффициент фильтрации.
Аксиальная составляющая давления на твердую фазу на
расстоянии z от витка шнека представляется в виде уравне-
ния:
Р — Р р~сг
(XII—5)
где — аксиальное давление на виток (при z=0);
с — некоторый постоянный коэффициент, равный
/ S.
4^ 1/днО + /дЩ + /ду ~
С =----------------------------
D2 — d2
(ХП-6)
1 Кстати, самая первая попытка [4] исходить из уравнения (XII—1) была
связана с тем же подходом к анализу работы шнековых прессов, что и гид-
равлических.
212
1=-^- (Pxz — боковое или радиальное давление на твердую
Т’г
фазу);
/дн, fw, fay — коэффициенты трения мезги соответственно о
внутреннюю поверхность зеера, о шнековый
вал и об удерживающие ножи;
D—внутренний диаметр зеера;
d —диаметр вала шнека;
— периметр удерживающих ножей.
Экспоненциальный характер распределения аксиального
давления после данного витка, в частности на участке пред-
конусная камера — конус, подтвержден и более поздним ис-
следованием [251].
Уравнение для радиального давления на твердую фазу;
Pxz = ^PZae~cz. (XII—7)
Из треугольника разложения давлений на твердую фазу
равнодействующая, т. е. общее давление на твердую фазу, лег-
ко может быть представлена в следующем виде:
рт = VpI + pIz = Р20 (XII—8)
Тогда для общего (суммарного) давления в данной точке после
шнекового витка получим
Р = 0,001
vl^z
(1 + с)
+ q\+e^PZoVi -W
(XII—9)
Все параметры, входящие в это уравнение, имеют конкрет-
ное значение в каждой точке после витка. Уравнение (XII—9)
существенно отличается от уравнения, приведенного в работе,
на которую мы опирались [320], членом, отражающим величину
давления на твердую фазу в связи с суммированием аксиаль-
ной и радиальной составляющих.
Необходимо подчеркнуть, что уравнение (XII—9) отражает
распределение давления не вдоль всего многовиткового шнеко-
вого вала, а лишь после данного витка в безвитковом про-
странстве зеера, т. е. практически речь может идти о законе
изменения общего давления после последнего витка шнекового
вала.
Для прессов второго (окончательного) прессования на этом
участке вала обычно отжимается очень мало масла, поэтому с
известным приближением первым членом уравнения (XII—9)
можно пренебречь, что даст
Р = е~сг Р2а ГГ+Т• (XII—10)
21
Как следует из этого уравнения, с увеличением расстоя-
ния от витка давление падает по экспоненциальному закону.
Такой вывод согласуется с экспериментально зафиксированным
[240, 263] резким падением радиального давления после послед-
него витка в прессах МПЭ-1 и МП-21.
Мы не располагаем теоретическими работами по распреде-
лению давления вдоль всего шнекового вала прессов для от-
жима растительных масел. Интересно рассмотреть некоторые
работы по шнековым прессам для пластмасс. Приведенное
ниже уравнение может рассматриваться лишь как очень грубое
приближение, поскольку оно не учитывает собственно отжима
(при прессовании пластмасс нет отделения жидкой фазы). Это-
уравнение можно записать так:
Р = Рое« (XII—11>
где Ро — начальное давление;
г — длина шнекового вала.
В уравнение (XII—11) входит коэффициент с, равный по-
одной работе [372]
с = br^ cos — (6 + 2k + 1>1А sin o>) (XII—12>
bfi sin ср
а по другой [426]:
_ Гц COS Ф k Сшн СцСщн sin Ф (XII_13)-
h sin ср
,, ш+2 h ,
где h =-------------фактор формы шнекового канала;
w
w, b — ширина канала;
h — глубина канала;
гц, б'ц — коэффициент трения массы о цилиндр;
Сшп — коэффициент трения массы о шнек;-
со — угол между направлением движения
точки прессуемого материала и направ-
лением винтовой нитки;
- ср — угол подъема винтовой нитки *.
Из уравнения (XII—11) следует, что при других постоянных
параметрах давление вдоль шнекового вала возрастает по экс-
поненциальному закону. Опубликованные экспериментальные
данные [132, 240, 263] свидетельствуют о росте давления вдоль
шнекового вала до последнего витка (рис. 76, 77). Однако эти
данные представлены в таком виде, что не дают возможности
с достаточной точностью установить закон распределения дав-
ления. Вообще давление в шнековом прессе, как видно из
1 Более подробно результаты исследований [428] изложены в другой
нашей работе [31].
214
уравнений (XII—9) —(XII—13), зависит от большого числа
факторов, часть из которых может изменяться в ходе отжима.
Приведенные уравнения в силу ряда допущений, сделанных
Рис. 76. Изменение радиального давления вдоль
шнекового вала пресса МПЭ-1 при однократном
прессовании семян арахиса.
при их выводе, могут рассматриваться лишь в качестве первого
грубого приближения к истинной картине распределения даз-
Рис. 77. Изменение радиального давления вдоль вертикального и
горизонтального валов пресса МП-21 при однократном прессовании
хлопковой мезги (вертикальный вал для наглядности рисунка по-
казан на одной оси с горизонтальным).
ления в шнековых прессах. Эта приближенная картина сви-
детельствует о том, что вначале вдоль шнекового вала отме-
чается рост давления по экспоненциальному закону, а начиная
215
с некоторой точки, вероятнее всего после последнего витка,—
падение по такому же закону.
Имеющиеся экспериментальные данные содержат следую-
щие максимальные величины радиального давления: при вто-
ром прессовании форпрессового подсолнечного жмыха в прессе
ЕП—265 кГ1см2 [132], при однократном прессовании арахиса
в прессе МПЭ-1 — около 400 &Г1см? [263] и при однократном
прессовании хлопчатника в прессе МП-21—около 300 кПсм-
[367]. В литературе имеются также указания на такие величины
максим'ального давления [97]: в форпрессах ФП—250 кГ/см2,
экспеллерах ЕП—400, экспелле’рах типа СД—560 и 350-700 и в
прессах «Титан-5» — до 1500—1600 кГ1см2. Неясно, о каком
именно давлении (аксиальном, радиальном или общем) идет
речь. Эти указания нуждаются в экспериментальной проверке.
СЖАТИЕ МАТЕРИАЛА
В ходе отжима объем материала уменьшается главным об-
разом вследствие сближения внешних и внутренних поверхно-
стей частиц и отжима масла. Определенная, хотя и небольшая,
роль в уменьшении объема материала принадлежит образова-
нию зеерной осыпи, испарению влаги и уплотнению вещества
гелевой части мезги. Отмечается также [97] возможность изме-
нения плотности материала в результате химических превраще-
ний его веществ в ходе отжима, что может оказывать влияние
на изменение объема материала.
Сжатие материала в начальный период изучения шнековых
прессов рассматривалось как отношение теоретических объем-
ных производительностей • первого и последнего витков [181].
В таком понимании степень сжатия материала в прессе ФП
составляет 12, 85, а в прессе ЕП— 11. Позже [128, 130] в поня-
тие теоретической объемной производительности были внесены
уточняющие ограничения и она стала пониматься как произво-
дительность за один полный оборот вала при коэффициенте за-
полнения витка, равном единице, отсутствии «проворачивания»
материала, отставания одних частиц от других и обратного дви-
жения материала, т. е. была принята модель движения гайки
по вращающемуся шпинделю. В соответствии с этим по подсче-
там, сделанным в опубликованной работе [128], можно опреде-
лить теоретическую степень сжатия в прессах различных конст-
рукций. Она имеет следующие значения для разных прессов:
ФП—14,3, ЛЦ —25,9, ЕП —9,4*, МД—18,9, МП-21 (верти-
кальный вал) —2,10, МП-21 (горизонтальный вал)—2,2, МП-21
* Некоторые расхождения между теоретической степенью сжатия мате-
риала для прессов ФП и ЕП в опубликованных работах [128, 181] можно
объяснить различиями в геометрии конкретных шнековых валов, по которым
производили подсчеты.
216
(для вертикального и горизонтального валов в сумме) — 8,6,
«Френч» — 20,8, «Титан-У» (сборка РИ-4) — 17,2, «Титан-У»
(сборка 1Р) — 11,1, ZP (верхний вал) — 12,7, ZP (нижний
вал) — 12,9, ZP (для обоих валов в сумме) — 6,0.
Теоретическая степень сжатия в связи с рассмотренным
выше механизмом продвижения материала через шнековый
пресс, конечно, не может рассматриваться даже как первое
грубое приближение к фактической степени сжатия материала
Рис. 78. Различие между теоретической (1) и фактической (2)
степенями сжатия е в последовательном ряду витков шнекового
пресса ZP при переработке семян хлопчатника:
/ — верхний вал пресса; II — нижний вал.
в шнековых прессах, под которой понимается отношение объема
мезги, поступившей в шнековый пресс, к объему материала,
выходящего из пресса или соответствующего витка в их после-
довательном ряду. Это различие обязано также и тому, что тео-
ретическая степень сжатия не учитывает физико-механических
свойств материала. Действительно, уже первые эксперименталь-
ные исследования [104] показали, что фактическая степень сжа-
тия в шнековых прессах значительно меньше теоретической.
Так, например, при переработке хлопковых семян на форпрес-
сах ФП степень сжатия оказалась равной 2,81—2,96, а на прес-
сах МП-21 и МПЭ-2 она колебалась в пределах 3,49—4,41.
Последующие определения степени сжатия мезги показали [127],
что для пресса ЕП при втором (окончательном) прессовании
подсолнечной мезги фактическая степень сжатия меньше теоре-
тической в 7,5 раза. По имеющимся опытным данным, различие
начинает проявляться уже после первого витка (рис. 78) *, что
в общих чертах соответствует механизму продвижения мате-
* Графики построены по опубликованным расчетам теоретической объ-
емной производительности последовательного ряда шнековых витков [128] и
результатам экспериментального определения фактической степени сжатия [27].
217
риала через шнековый пресс. Примечательно медленное нара-
стание фактической степени сжатия в последовательном ряду
витков по сравнению с нарастанием теоретической степени сжа-
тия. Трудно сказать, каким образом показанное на рис. 78 уве-
личение различия между теоретической и фактической степе-
нями сжатия с ростом порядкового номера витка можно свя-
зать с высказанным суждением [128] о том, что в первых вит-
ках наблюдается большее «проворачивание» материала, чем в
последних. Если принять этот тезис, то с ростом порядкового
номера витка различие между теоретической и фактической сте-
пенями сжатия должно сокращаться, а не увеличиваться. По-
видимому, вытягивающуюся спираль можно считать траекто-
рией лишь той части материала в прессе, которая находится
вблизи зеера, что следует непосредственно из характера износа
зеерных планок. С другой стороны, фактическая степень сжатия
материала зависит не только от одного явления «проворачива-
ния», а и от обратного хода материала, количества отжимае-
мого масла и образующейся осыпи и упруго-пластических
свойств материала. Влияние этих факторов пока еще не изу-
чено.
В заключение следует отметить попытку дать обобщенную
зависимость для фактической степени сжатия материала в шне-
ковых прессах при помощи анализа размерностей [132]. При
постоянстве физико-механических свойств материала эта зави-
симость имеет вид:
где Р — общее удельное давление на материал;
р—начальная плотность материала;
S — площадь дренажной поверхности зеера;
п — число оборотов шнекового вала в единицу
времени;
т — продложительность прессования;
w — окружная скорость вращения вала;
I — высота слоя прессуемого материала (расстоя-
ние между фронтовой поверхностью спирали
предыдущего шнекового витка и тыльной по-
верхностью спирали последующего шнекового
витка);
ц •— вязкость масла,
h — толщина слоя прессуемого материала;
А, а, Ь, с, т, f — постоянные коэффициенты, определяемые из
опыта.
Численные значения постоянных коэффициентов, входящих
в уравнение (XII—14), в настящее время неизвестны.
218
ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬ ОТЖИМА
В шнековых прессах продолжительность отжима, которая
может считаться приблизительно равной продолжительности
прохождения материала через пресс при условии его нормаль-
ной загрузки, зависит от целого ряда факторов. Прежде всего
к ним нужно отнести число оборотов шнекового вала, геомет-
рические размеры рабочих органов пресса (диаметр и шаг вит-
ков, диаметр зеера, длину вала и зеера и т. п.), степень и ха-
рактер их износа, заполнение материалом первого витка, вели-
чину выходной щели, характер продвижения материала через
пресс и физико-механические свойства материала. В связи с
определенным перемешиванием материала в шнековых прессах
мы можем говорить лишь о некоторой средней продолжитель-
ности отжима в них. На самом деле, разные частицы материала
в шнековых прессах отжимаются в течение различных проме-
жутков времени, и степень этого «рассеивания», так же, как и
ее влияние на эффективность отжима, нуждается еще в изу-
чении.
Однако несмотря на сложность явлений, происходящих в
шнековом прессе, аналитическое выражение для определения
продолжительности отжима может быть получено из простых
рассуждений. Очевидно, что как и для любого другого аппа-
рата или любой другой машины, при определении продолжи-
тельности пребывания материала в шнековом прессе, которая
принимается равной продолжительности отжима, целесообраз-
но исходить из принципа: время равно объему свободного про-
странства (внутренний объем зеера минус объем вала) в прессе,
деленному на объем проходящего через него в единицу вре-
мени материала. Это положение усложняется тем, что в шне-
ковых прессах вдоль зеера изменяется как объем материала,
проходящего в единицу времени через каждое данное попереч-
ное сечение, так и объем свободного пространства. Этим особен-
ностям удовлетворяет предложение [129] производить позонный
расчет с учетом геометрических характеристик рабочих орга-
нов и степени сжатия мезги в каждой данной зоне Продол-
жительность пребывания материала в данной зоне в минутах
предложено определять по формуле:
где Пс.з — объем свободного пространства зоны;
е3 — степень сжатия мезги в данной зоне;
Имин — объем мезги, поступающей в пресс в минуту;
1 Под зоной понимается определенный участок вдоль зеера, который для
различных прессов должен выбираться индивидуально.
219
р3 — коэффициент, учитывающий количество вышедше-
го через зеерные щели материала от начала зеера
до данной зоны.
Общая продолжительность пребывания материала в прессе
равна сумме значений продолжительности пребывания в отдель-
ных зонах.
Расчет по уравнениям типа (XII—15) дает удовлетворитель-
ное совпадение с экспериментальными измерениями [129, 132].
Позонныи расчет продолжительности отжима важен еще и
в том отношении, что он позволяет подойти к изучению кине-
тики отжима в шнековых прессах, до настоящего времени неис-
следованной.
Приведем опытные данные по продолжительности отжима в
шнековых прессах различных конструкций, при обычно приня-
тых на заводах числах оборотов шнековых валов. При перера
ботке семян хлопчатника в опытах [106] она составила: для
форпресса ФП при 20 об/мин — 50—54 сек, при 24 об/мин —
45 сек-, для форпресса МП при 27,5 об/мин — 50—60 сек-, для
экспеллера МПЭ-1 при 18,5 об/мин— 116—156 сек-, для экспел-
лера МПЭ-2 при числе оборотов вертикального и горизонталь-
ного валов соответственно 35,4 и 19,33— 115—153 сек-, для экс-
пеллера МП-21 при числе оборотов вертикального и горизон-
тального валов соответственно 35,6 и 23— 124—182 сек-, для
экспеллера ЕП при 5,5 об/мин — 200—273 сек. По замерам
[132] при прессовании хлопковой мезги в прессе ZP общая про-
должительность отжима составила 221 сек, в том числе для
верхнего вала 75 сек и для нижнего— 146 сек*. Из этих цифр
видно, что для прессов окончательного или однократного прес-
сования продолжительность отжима значительно больше, чем
для прессов предварительного прессования. Указанные вели-
чины продолжительности отжима сложились в результате чисто
эмпирического подбора геометрических размеров валов и эсе-
ров, числа оборотов валов и зазоров выходных отверстий, од-
нако они должны объективно отражать кинетику отжима в
шнековых прессах. Отметим здесь же, что в конструировании
шнековых прессов в последнее время наметилась тенденция уд-
линения их рабочих органов, что может быть связано, в частно-
сти, со стремлением увеличить продолжительность отжима.
Так, например, у пресса «Титан» длина рабочей части зеера
составляет 1955 мм, а у пресса ZP—2525 мм, в том числе верх-
него зеера — 1125 мм, нижнего— 1400 мм [31].
Рассмотрим зависимость продолжительности отжима в шне-
ковых прессах от некоторых важнейших факторов.
С увеличением числа оборотов шнекового вала продолжи-
1 Числа оборотов верхнего и нижнего валов в оригинале не приводятся.
220
тельность отжима закономерно уменьшается (рис. 79) *, однако
линейной зависимости не наблюдается, что должно было бы
соответствовать неизменности характера продвижения матери-
ала через зеер при различных числах оборотов шнекового вала.
С ростом числа оборотов шнекового вала наблюдается умень-
шение наклона кривых. Это свидетельствует, по-видимому, об
Рис. 79. Зависимость продолжительности от-
жима в прессе ГП от числа об/мин шнекового
вала:
/ — прессование подсолнечной мезги; 2 — прессование
арахисной мезги (для всех точек толщина жмыховой
ракушки одна и та же — 11 мм).
увеличении степени «проворачивания» материала в изученных
пределах изменения числа оборотов, удлиняющего продолжи-
тельность отжима в шнековых прессах.
При уменьшении толщины жмыховой ракушки на выходе из
пресса (ширины выходной кольцевой щели) вследствие повы-
шения сопротивления продолжительность продвижения (отжи-
ма) материала в шнековых прессах возрастает. Так, например,
при прессовании подсолнечной мезги в прессе ГП уменьшение
толщины ракушки с 11 до 4 мм привело к увеличению продол-
жительности продвижения материала с 93 до 106 сек, при прес-
совании арахисной форпрессовой мезги в прессе КП уменьшение
толщины ракушки с 10,5 до 2,5 мм — к увеличению продолжи-
тельности со 139 до 163 сек [106].
* График построен по опубликованным данным [106].
221
С влиянием ширины выходной щели на продолжительность
отжима тесным образом связана зависимость между толщиной
ракушки и скоростью ее движения на выходе [105]. Данные,
полученные при переработке семян хлопчатника на прессе ФП,
представлены в табл. 24.
Таблица 24
Зависимость скорости движения ракушки от ее толщины
Толщина ракушки, мм Уменьшение площади выходной кольцевой щели, условно рассчитанное по толщине ракушки, по сравнению с исходным опытом, ?0 Повышение скорости выхода ракушки при уменьшении ширины выходной кольцевой шели по сравнению с исходным опытом, %
14,5 0 (исходный опыт) 0 (исходный опыт)
11,8 20 6
8,4 37 23
6,6 44 34
Из этих данных видно, что рост скорости выхода ракушки
отстает от уменьшения площади выходной щели, т. е. если не
происходит заметного уплотнения материала при его прохож-
дении через выходную щель, то изменение продолжительности
отжима можно рассматривать как следствие неодинаковой сте-
пени изменения ширины выходной щели ,п скорости движения
через нее материала. Именно это различие и создает дополни-
тельное сопротивление на выходе, о котором говорилось выше.
Вопрос о зависимости продолжительности отжима в шнеко-
вых прессах материалов от их физико-механических свойств изу-
чен совершенно недостаточно. Мы можем лишь констатировать,
что она существует (рис. 79). Наблюдалось также [106] разли-
чие в продолжительности прохождения через данный пресс
исходной и форпрессовой мезги при одном и том же числе обо-
ротов шнекового вала и одинаковой толщине ракушки.
ИЗМЕНЕНИЕ МАСЛИЧНОСТИ МАТЕРИАЛА
Можно говорить об изменении масличности в ходе отжима
по длине шнекового вала и толщине отжимаемого материала.
Длина шнекового вала в данном случае выступает лишь как
обобщающий фактор, отражающий влияние важнейших пара-
метров; давления, продолжительности отжима, степени сжатия
материала и др.
Имеющиеся данные по изменению масличности материала
вдоль шнекового вала получены в результате запрессовки
пресса и отбора проб для анализа после разборки зеера. Эти
данные имеют приближенный характер, так как на получение
222
их неизбежно тратилось некоторое время, в течение которого
отжим продолжался, хотя и не такой интенсивный, как в дей-
ствующем прессе.
Характер изменения масличности материала и количества
отжимаемого масла показан на рис. 80—82 *. Обращает на себя
Рис. 80. Изменение масличности мате-
риала и количества отжимаемого масла
вдоль шнекового вала пресса ЕП (пере-
рабатываемый материал — мезга из
форпрессового жмыха семян подсолнеч-
ника) .
Рис. 81. Изменение маслич-
ности материала и количества
отжимаемого масла вдоль
верхнего шнекового вала прес-
са ZP (перерабатываемый ма-
териал — мезга из сырого лепе-
стка семян хлопчатника).
внимание некоторая однотипность кривых масличности мате-
риала: медленное изменение в начале и конце вала и сильное
падение в середине вала. Этому соответствует характер кривых
количества отжимаемого масла. Интересно также отметить
корреляцию между кривыми изменения масличности и количе-
ства отжимаемого масла, с одной стороны, и кривыми изменения
* На графиках, построенных по экспериментальным данным [132], шне-
ковые валы прессов изображены схематически.
223
давления вдоль шнекового вала, с другой стороны (рис. 76, 77).
Непосредственная связь между масличностью материала и дав-
лением в шнековом прессе дает зависимость, показанную на
рис. 83 *.
Аналитически эта зависимость выражается эмпирической фор-
мулой (132], полученной при отжиме мезги из форпрессового
жмыха подсолнечника в
шнековом прессе ЕП **:
М = 158,5Р"0'545, (XII—16)
где Р — радиальное давле-
ние, кГ/см2-,
М — масличность ма-
териала, %.
Дифференцирова н и е м
уравнения (XII—Гб) можно
получить выражение
— — = 86, ЗД-1’545.
dP
(XII—17)
Рис. 82. Изменение масличности
материала и количества отжимае-
мого масла вдоль нижнего шне-
кового вала пресса ZP (перера-
батываемый материал — хлопко-
вый жмых, выходящий из верхне-
го зеера пресса).
Величина —— названа интенсивностью отжима масла
dP
J132]. Из уравнения [XII—17] видно, что с ростом давления ин-
тенсивность отжима быстро падает.
Связь между степенью сжатия материала в шнековом прессе
и его масличностью характеризуется некоторыми эмпиричес-
кими формулами [132]:
для мезги из семян хлопчатника — первый отжим на прессе
ZP
М = 124,43е-2’26 , (XII—18)
* График построен по экспериментальным данным [132].
** Это уравнение дает зависимость масличности только от общего ра-
диального давления и благодаря этому сильно упрощает вопрос,
224
для мезги из семян хлопчатника — второй отжим на прессе
ZP
Л4 = 630,0е~4 -17,
(XII—19)
для мезги из семян подсолнечника — окончательный отжим
на прессе ЕП
= 84,6з"3,17 .
(XII -20)
На рис. 84 показана зависимость масличности материала от
продолжительности отжима Масличность материала быстро
падает на стадии предва-
рительного отжима и мед-
ленно — при окончательном
отжиме, что, естественно,
согласуется с характером
изменения масличности
вдоль шнекового вала (см.
рис. 80, 81, 82). Следует от-
метить, что в рассматривае-
мом конкретном случае, хо-
тя в конце нижнего зеера
пресса падение маслично-
сти материала и медленное,
оно все же остается впол-
не ощутимым. С этой точ-
ки зрения оправдана тен-
денция к удлинению зее-
ров шнековых прессов, о
которой мы говорили выше.
В заключение рассмот-
рим конкретные величины
Рис. 83. Зависимость масличности ма-
териала от радиального давления (прес-
сование мезги из форпрессового жмы-
ха подсолнечных семян на прессе ЕП).
масличности, достигаемые на шнековых прессах новых конст-
рукций. При переработке семян подсолнечника на прессе «Ти-
тан» масличность жмыха на абсолютно сухое вещество соста-
вила 4,2—4,6% [287]. Последние испытания пресса ZP на под-
солнечнике с новым набором шнековых звеньев обеспечили
масличность жмыха лишь 5,57% при фактической влажности
[350]. По опубликованным данным [411], при переработке хлоп-
чатника на экспеллерах типа СД получали масличность 4,0—
4,5%.
Имеются указания о получении на прессах типа МД [416]
масличности 3,5—3,8% (арахис, хлопчатник) и прессах Супер-
дуо-55 [415] — 3,0—3,1% (арахис, хлопчатник) и 6% (копра), * 8
1 Продолжительность отжима получена расчетным путем по формуле
(XII—15). График построен по экспериментальным данным [132].
8 В. В. Белобородов
225
а также более низкой масличности жмыха. Однако эти цифры
даются не как результаты конкретных исследований, а как фир-
менные рекламы. Поэтому остается неясным, достигнуты ли
практически указанные уровни масличности жмыха.
В ранее изданной работе [252] впервые было замечено, что
масличность различных слоев жмыха, получаемого на .шнеко-
вых прессах, не одинакова. Так, например, при переработке
Рис. 84. Зависимость масличности материала
от продолжительности отжима (прессование
мезги хлопковых семян'на прессе ZP).
семян хлопчатника масличность слоев форпрессовой (пресс ФП)
ракушки, примыкающих к валу (внутренние слои) оказалась
больше масличности слоев, примыкающих к зееру (наружные
слои), на 1,83—4,10% (в пересчете на сухое вещество). Для
экспеллерной ракушки наблюдалась обратная зависимость:
превышение масличности наружных слоев над масличностыо
внутренних слоев доходило для прессов МП-1 и МП-2 до 3,92%,
для пресса МП-21—до 5,81 % и для пресса СД — до 1,40%.
От этой закономерности имеются отклонения, связанные с тем-
пературой поступающей в пресс мезги и с нагревом или охлаж-
дением шнекового вала.
В табл. 25 показано распределение масла по слоям вдоль
шнекового вала пресса КП при переработке мезги семян хлоп-
чатника, полученное при запрессовке. Из этих данных видно,
что в ходе отжима на всех участках пресса масличность внут-
ренних слоев превышает масличность наружных, а после вы-
хода из пресса наблюдается обратное явление.
226
Таблица 25
Изменение масличности материала по слоям при переработке
хлопковой мезги на прессе КП
Место отбора пробы Масличность слоя, % (в пересчете и а сухое вещество)
вн утреннего наружного
Второе шнековое звено 29,08 23,91
Между вторым и третьим шнековыми звеньями 22,90 19,69
Третье шнековое звено
в начале 13,09 12,28
в середине — —
в конце 10,07 8,21
Между третьим и четвертым шнековыми звеньями 9,69 8,41
Четвертое шнековое звено
в начале 8,79 8,09
в середине — —
в конце . 8,47 7,39
Между четвертым и пятым шнековыми звеньями . 8,85 6,79
Пятое шнековое звено 7,42 7,37
Между пятым и шестым шнековыми звеньями . . — —
Шестое шнековое звено 7,09 6,47
После шестого шнекового звена 6,82 6,60
Перед выходом из пресса 6,43 6,42
После выхода из пресса 6,68 7,72
В принципе такая же картина наблюдалась и при перера-
ботке семян хлопчатника на прессе СД.
Приведенный характер распределения масла по слоям жмы-
ховой ракушки вдоль шнекового вала автор указанной работы
объясняет тем, что влага, испаряющаяся у поверхности вала
с большей интенсивностью, чем у зеера (температура вала в
шнековых прессах выше температуры зеера), вытесняет масло
из промежутков между частицами, причем значение этого фак-
тора возрастает при приближении материала к выходу из прес-
са, благодаря чему и характер распределения изменяется на
противоположный. В более поздних работах зафиксированный
характер распределения масла в конечной ракушке связы-
вается также с бурным испарением влаги в результате снятия
давления при выходе ракушки из пресса [259], с определенной
ориентацией и более плотной упаковкой белковых молекул в
слоях, примыкающих к валу [218], или с различными напряже-
ниями (давлениями) в разных слоях материала в ходе отжима
[97]. Каждая из этих точек зрения в настоящее время может
быть принята в виде гипотезы. Нам кажется, что эти гипотезы
достаточно обоснованы с точки зрения современных представле-
ний о механизме отжима и по существу дополняют, а не ис-
ключают друг друга,
8:
227
Вопрос о распределении масла по слоям в ходе отжима в
первую очередь, очевидно, следует связывать с ролью толщи-
ны отжимаемого материала, т. е. длины пути фильтрации масла.
Действительно, поскольку длина пути фильтрации для внут-
ренних слоев в шнековых прессах, отличающихся односторон-
ним отводом масла, больше, чем для наружных слоев мате-
риала, то и масличность его внутренних слоев должна быть
больше масличности наружных слоев. Это полностью подтверж-
дается экспериментальными данными по распределению масла
по слоям материала вдоль шнекового вала (приведенными в
табл. 25 и в ранее вышедшей работе[253]). При форпрессовании
такой характер распределения масла остается и для ракушки
после ее выхода из пресса, что легко объяснить полным или
почти полным отсутствием на стадии предварительного отжима
различия в протекании тех явлений для внутреннего и наруж-
ного слоев (интенсивное испарение влаги, уплотнение белко-
вых молекул, различие в напряженности разных точек мате-
риала), которые наблюдаются на стадии окончательного от-
жима. К этому следует добавить, что отмечаемое в ходе
отжима уменьшение разности между масличностью внутрен-
него и масличностью наружного слоев (табл. 25) надо увя-
зывать с нивелирующим влиянием других важнейших факто-
ров, определяющих отжим (давление, продолжительность
и т.п.). Поэтому можно считать, что при отжиме в шнековых
прессах в принципе с ростом продолжительности процесса
должна увеличиваться равномерность микрораспределения
масла, однако эта закономерность может нарушаться в связи
со специфическими явлениями непосредственно перед выходом
и после выхода материала из пресса, причем эти явления в
большей степени присущи окончательному отжиму1. Одновре-
менное взаимно противоположное влияние ряда факторов в
общем выражается в том, что имеется связь между глубиной
отжима масла и разностью в масличности слоев материала.
Эта связь показана на рис. 85, причем в качестве меры раз-
личия масличности внутреннего и наружного слоев принят гра-
диент маслосодержания
А<д, = - ~ q”). , (XII—21)
где :г — коэффициент, зависящий от способа подготовки об-
разца к анализу (при разрезании жмыховой ракуш-
ки на два слоя одинаковой толщины м = 2);
1 В результате превращения масляной фазы из непрерывной в прерывную
при «сплавлении» частиц и по другим причинам микрораспределение может
быть неравномерным, что показано на примере экспеллерного жмыха семян
подсолнечника [215].
228
7® — маслосодержание слоя материала, примыкающего к
валу, кг]к,г-,
q3w—маслосодержание слоя материала, примыкающего к
зеерному цилиндру, /сг/кг;
6 — толщина жмыха или прессуемого материала на рас-
сматриваемом участке вала,м.
Рис. 85. Зависимость градиента маслосодержания в
кг/(кг • м) от масличности отжимаемого материала в %
на абсолютно сухое вещество. [259]. Крайние линии по-
казывают разброс точек. 4
С уменьшением масличности материала градиент маслосо-
держания падает и знак его при некотором значении маслич-
ности меняется на противоположный.
Глава ХШ. ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ ШНЕКОВЫХ ПРЕССОВ
ОСНОВНЫЕ ФАКТОРЫ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ
Под производительностью шнекового пресса понимается ко-
личество материала, перерабатываемого прессом в единицу
времени. Обычно производительность пресса пересчитывается
на тонны семян в сутки. Для перехода от количества материала
(мезги) к количеству семян необходимо знать выход материала
по отношению к семенам и технологический коэффициент по-
лезного действия пресса.
На современном уровне знаний подход к получению уравне-
ний производительности шнековых прессов (если посмотреть на
этот вопрос без детализации) очень прост: к уравнению теоре-
тической объемной производительности рассматриваемого
участка шнекового вала и зеера подсоединяется несколько, по
существу чисто эмпирических, коэффициентов, специфичных
для работы шнековых прессов. Однако для выявления ряда
принципиальных положений, лежащих в основе производитель-
229
ности шнековых прессов, необходимо более подробное рассмот-
рение вопроса.
В ходе отжима в шнековых прессах влияние различных фак-
торов взаимно переплетается; кроме того, отмечается влияние
одних факторов на другие, большее или меньшее проявление
действия одних факторов при определенном изменении других.
Эти сложные зависимости делают приводимое ниже деление
факторов достаточно условным.
1. Конструктивные особенности рабочих
органов пресса
Эти особенности определяют теоретическую объемную про-
изводительность пресса за один оборот шнекового вала. К ним
относятся форма и геометрические размеры шнекового вала и
зеера: диаметры шнековых звеньев и ступеней зеера, диаметр
и длина втулок вала, шаг винтовой поверхности, угол разрыва
шнековых витков, длина винтовой линии вдоль оси вала, про-
фили витков, число их заходов, конструкция перемешивающего
устройства (если оно имеется) и т. п.
По конструктивным особенностям рабочих органов все сов-
ременные шнековые прессы делятся [258] на четыре типа: со
ступенчатым зеером и ступенчатым шнековым валом; со сту-
пенчатым зеером и валом без ступеней; с цилиндрическим зе-
ером и ступенчатым валом; с цилиндрическим зеером и валом
без ступеней. Предлагается также наряду с таким делением
зееров деление по соотношению величины шага последователь-
но расположенных витков [97].
С точки зрения влияния конструктивных особенностей прес-
сов на их производительность, предложенные варианты деления
шнековых прессов еще недостаточны, так как они не учиты-
вают ряда факторов, важных для производительности: длины
витка (охват витком ступицы вала), зазора между кромкой
витка и внутренней поверхностью зеера, профиля витка й т. п.
Учет всех конструктивных особенностей, важных для произ-
водительности шнековых прессов, требует более детализиро-
ванной классификации. Однако даже грубое деление по при-
веденным признакам дает представление о многообразии кон-
структивных особенностей рабочих органов шнековых прессов,
определяющих их производительность.
2. Состояние рабочих органов пресса
Под этим понимается состояние витков, ножей и т. п. При
сильном износе витков, например, производительность пресса
падает. Ниже при выводе теоретических формул производитель-*
ности мы будем ориентироваться лишь на нормальное техничен
ское состояние рабочих органов пресса. I
230
3. Режим работы шнекового пресса
В работе собственно шнекового пресса можно отметить
лишь два показателя его режима, связанных с производитель-
ностью: число оборотов шнекового вала и ширину выходной
кольцевой щели.
4. Ф и з и к о - м е х а н и ч е с к и е свойства
отжимаемого материала
К этим свойствам относятся трение материала о поверх-
ность витков, втулок и зеера, внутреннее трение в материале
(силы «сцепления» частиц друг с другом), упругие и пластич-
ные деформации материала в ходе отжима, вязкость отжимае-
мой жидкости и т. п. Понятно, что физико-механические свой-
ства поступающего на отжим материала (мезги) зависят от
его влажности и температуры.
5. Распределение материальных потоков (ма-
териальный баланс) в прессе
К этой группе факторов следует отнести количество отжимае-
мого масла и количество образующейся в ходе отжима зеерной
осыпи («обратного товара»). Из материального баланса выте-
кает понятие технологического коэффициента полезного дейст-
вия пресса, которое определяется соотношениями [254]:
Количество выработанной прессом продукции
tj = ------------------------------:---- =
Количество поступающего в пресс материала
Qp + Qm -К Qb
QP + QM + Qb + Q06. t
(XIII—1)
где QP — выработка прессом жмыховой ракушки;
QM—выработка прессом масла;
QB — количество влаги, испарившейся из материала в
ходе его отжима;
Qo6. т — количество всех видов «обратного товара» (зеер-
ная осыпь, фильтрпрессовый шлам и т. п.), воз-
вращаемого в пресс.
В сокращенном виде формула для технологического к. п. д.
пресса имеет вид:
Qmbb Qq6. т
Qm63
(XIII—2)
где QMea — количество поступающей в пресс мезги.
Значение технологического к. п. д. важно для расчета про-
изводительности пресса по семенам.
231
6. Пропускная способность питательных
устройств
характер продвижения материала
\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\У^\\\\\
________________Д—д?,
777777777
Рис. 86. Силы, действующие на ча-
стицу т\ материала вблизи от по-
верхности зеера.
Понятно, что питание пресса должно быть организовано та-
ким образом, чтобы никогда не было недостатка в материале,
поступающем в пресс. В дальнейшем производительность прес-
са будет рассматриваться при условии нормальной подачи ма-
териала в него питательным устройством.
Взаимодействие указанных факторов определяет сложный
через шнековый пресс: спира-
левидную траекторию, по
крайней мере, вблизи от зе-
ерной поверхности, «прово-
рачивание» материала, об-
ратный ход его в межвит-
ковые зазоры и в зазоры
между кромками витков и
внутренней! поверхностью
зеера, «перехлестывание»
материала через витки на
отдельных участках вала
(см. предыдущую главу).
Каждое из этих явлений в той или иной степени влияет на
производительность пресса.
Теоретическая объемная производительность пресса может
быть определена на основании известных размеров вала и зе-
ера [126].
Роль физико-механических свойств отжимаемого материала
выявляется на основе анализа действующих сил и вероятных
условий перемещения частиц материала вблизи от внутренней
поверхности зеера или от поверхности шнекового вала [258].
В первом случае частице т\ (рис. 86) при вращении шнеково-
го вала тангенциальное усилие Т\ будет передаваться за счет
сцепления между частицами на участке от данной точки до
поверхности вала. Это усилие стремится переместить частицу в
направлении вращения вала. Поскольку частица в качестве од-
ной из составляющих обладает радиально направленной ско-
ростью, то действие усилия Т[ уравновешивается реакцией Rrt
Аксиальной составляющей действующих сил Aj противодейст-
вует реакция RA1. Под влиянием этих четырех сил частица, на-
ходясь в динамическом равновесии, передвигается по опреде-
ленной траектории.
При увеличении коэффициента трения материала о поверх-
ность зеера возрастают силы, удерживающие частицу от вра-
щения, что благоприятно для производительности пресса. Силы
внутреннего трения в слое материала между поверхностью зе-
ера и частицей mi должны быть достаточно большими, чтобы
232
тормозящее действие поверхности зеера могло передаться ча-
стице.
По-видимому, они, как правило, несколько больше сил тре-
ния материала о зеер, поскольку траектория движения частиц
в непосредственной близости от зеера спиралеобразна (см.
предыдущую главу). С другой стороны, чтобы уменьшить тан-
генциальное усилие со стороны нала, силы внутреннего трения
в слое материала между точкой mi и поверхностью вала долж-
ны быть минимальными.
Таким образом, одним из условий минимального перемеще-
ния частиц в тангенциальном направлении является уменьше-
ние сил внутреннего трения в слое отжимаемого материала в
направлении от внутренней поверхности зеера к шнековому
валу. Это условие должно учитываться наряду с условиями мак-
симального трения о внутреннюю поверхность зеера и мини-
мального трения о поверхность вала. К такому же заключению
можно прийти, рассматривая силы, действующие на частицу
вблизи от вала, и последовательно переходя от слоя к слою к
поверхности зеера.
В начале отжима, на небольших расстояниях от места по-
ступления мезги в пресс, силы внутреннего трения материала
по его толщине можно считать одинаковыми (при условии рав-
номерной подготовки материала к отжиму, что необходимо для
максимальной эффективности отжима). По сечению слоя мате-
риала степень его «проворачивания» тем больше, чем ближе к
валу находится материал. Как именно по толщине слоя мате-
риала на последующих стадиях отжима изменяются силы внут-
реннего трения, сейчас сказать трудно, но в целом они увеличи-
ваются, так что на определенном участке возникает монолит-
ный жмых — брикет, который продвигается через пресс как еди-
ное целое. Это, между прочим, следует и из визуальных наблю-
дений [105], в соответствии с которыми последний виток вала за
один оборот выдвигает кольцо жмыха-ракушки.
Для максимального перемещения частицы mi в -аксиальном
направлении противодействующая сила должна быть мини-
мальной. Это требование удовлетворяется на участках зеера с
возрастающим диаметром. Однако уменьшение силы Ray при-
водит к падению сопротивления материала, т. е. и давления в
прессе, что нежелательно с точки зрения глубины отжима.
В расчетах сложный механизм продвижения материала че-
рез пресс может быть учтен коэффициентом использования объ-
емной производительности шнекового звена [258]:
(ХШ-З)
где V — действительная объемная производительность шнеко-
вого звена;
233
Vo — теоретическая объемная производительность шнеково-
го звена.
Имеется попытка [134] представить коэффициент использова-
ния как произведение Къ = где Xi, К2, К3, /G,—коэф-
фициенты, учитывающие отдельные особенности работы шне-
ковых прессов. Смысл каждого из этих коэффициентов виден
из табл. 26*.
Таблица 26
Сводная таблица коэффициентов, учитывающих влияние различных факторов
на производительность шнековых прессов
Коэф- фициент Особенность работы шнековых прессов, учитываемая данным коэффициентом Переменные, определяющие значение данного коэффициента
Проворачивание отжимаемого материала Ki=4i(p>n’ fi, ft, fs<J, -'ll, где P — давление; и — число оборотов вала в единицу времени; ft— коэффициент трения материала о вал; /2—коэффициент трения материала о зеер; /3— коэффициент внутреннего тре- ния материала; а— упругость материала; т] — пластичность материала.
к2 Возврат материала в кольце- вой зазор между наружной кромкой шнекового витка и внутренней поверхностью зеера или «перехлестывание» материа- ла через кромку витка (на дан- ном витке возможно наличие одного из этих потоков, разных по направлению) /Сг=ф2 (ДР, О2, J,, /2, а, т|) где ДР — перепад давления между пе- редней и задней поверхностя- ми витка; Dt —диаметр витка; О2 — внутренний диаметр зеера.
Возврат или продвижение к выходу материала через внутри- витковый зазор К3 = фз (ДР, fi, f3, °, 'г Р, )» гДе F — площадь живого сечения внут- ривиткового зазора.
к< Особенности, к настоящему времени еще не вскрытые
По имеющимся опытным данным, коэффициент использова-
ния претерпевает большие изменения вдоль шнекового вала
* В таблице по сравнению с ранее вышедшей работой [134] функциональ-
ные зависимости для 7(,, Кг и Кз даны с некоторыми поправками и в более
расширенном виде в соответствии с представлениями, развиваемыми в насто-
ящей главе. Придан второй смысл коэффициенту Кг («перехлёстывание» ма-
териала) и коэффициенту Кз (продвижение материала к выходу).
234
(рис. 87). В исследованных случаях даже характер изменения
коэффициента использования не одинаков: для пресса КП на-
блюдается минимум [258], для пресса ЕП — последовательный
рост вдоль шнекового вала [134], что, по-видимому, связано
также и с физико-механическими свойствами перерабатывав-
шихся материалов. Обращает на себя внимание тот факт, что
для последних витков шнекового вала коэффициент использо-
вания больше единицы, т. е. фактическая объемная производи-
Номер шненобш зёеноеё
Рис. 87. Изменение коэффициента использования в последова-
тельном ряду шнековых звеньев:
/ и 11 — опыты на шнековом прессе КП при однократном прессовании
мезги семяи хлопчатника;
111 — опыт на шнековом прессе ЕП прн втором (окончательном) прессова-
нии мезги из форпрессового жмыха семян подсолнечника.
цельность этих витков больше теоретической. Это говорит о
превалирующем влиянии на последних участках вала особен-
ностей, учитываемых коэффициентами К2 и 7<3 в их втором
смысле (соответственно «перехлестывание» материала и про-
движение к выходу через внутривитковый зазор).
РАСЧЕТ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ
Первые попытки расчета [242] были основанье на формуле
теоретической объемной производительности с анализом одйой
из описанных выше специфических особенностей работы'шнеко-
вых прессов — возврата материала в кольцевой зазор между
наружной кромкой шнекового витка и внутренней поверхностью
235
зеера (коэффициента Kz в его первом смысле — см. табл. 26),
что недостаточно. Теоретическая объемная производительность
шнекового звена за один оборот может быть представлена в
следующем виде [134]:
V01 = Vo-Vd-VH,
(XIII—4)
где VD—объем цилиндра, охватывающего шнек по наруж-
ному диаметру D;
Va — объем втулки диаметром d;
Ун — объем нитки (собственно витка).
Рис. 88. Шнековое звено пресса:
1 — поперечное сеченне ннтки витка; 2 — вид звена сбоку; 3— вид звена с торца;
4 развертка винтовой линии.
Отыскание выражений для составляющих уравнения
(XIII—4) не представляет особых трудностей. Можно написать
Vd - Vd = — (О2 — d2) I (XIII—5)
4
У о — у = (Р2 — d2) t,
4
(XIII—6)
где D— диаметр витка;
d — диаметр ступицы;
I—длина винтовой нитки вдоль оси вала;
t — шаг витка;
g
Ло= —----коэффициент охвата вала витком (р— угол охва-
та вала витком).
В шнековых прессах, как правило, /</. Для наглядности ос-
новные размеры шнекового звена показаны на рис. 88.
Поскольку поперечное сечение витка представляется в виде
., . а+Ь ,
трапеции со средней линиеи —-—, то для объема нитки (соб-
236
ственно витка) получается одно из приведенных ниже выраже-
ний.
Первое из них дает объем витка по фактической его длине
ун = £±£ . £=£ L', (XIII—7)
где L' — длина витка в пределах данного звена (в отличие от
L — полной длины развернутой винтовой линии без
разрыва витка — см. рис. 88):
L' = + ' (XIII—8)
2 cos a t
1-4 —J— d -J о
В этом выражении —-----------средний диаметр винтовой ли-
нии а а — угол подъема винтовой линии.
Подстановка уравнения (XIII—8) в уравнение (XIII—7) дает
VH = nja + b) . (XIII—9)
8 cos a t
При помощи второго можно получить объем витка на дли-
не одного шага 1 2:
У = _a+j . —L_ . = ^а+£1р~£ . r (XIII—10)
2 sin а 2 4 sin я
а с учетом коэффициента охвата витком вала можно перейти
к объему витка по фактической его длине
Ун = Kat (« + b){D -J) . (XIII— 11)
4 sin a
~LJ'’ ------
объемная производительность за один оборот составит
или
у = 2L(£)2 _Л _ I
4 \ 2t cos а )
У = Л* £ Гтс (р + rf) _ /1
4 L sin a J
(XIII—12)
(XIII—13)
1 Это усреднение несколько влияет на точность уравнения (XIII—8),
а следовательно, и конечного уравнения (XIII—14).
2 В уравнении (XIII—10) угол наклона винтовой линии а берется по
наружному диаметру витка. Вместе с тем а зависит от диаметра витка:
чем дальше от собственного вала, тем,меньше а, что хорошо понятно
из рис. 88.
237
где i — число витков в данном звене (заходность витка); при
двухзаходном витке 1=2, при однозаходном /=1.
Обозначив через п число об!мин шнекового вала, получим
часовую теоретическую объемную производительность пресса
Vo = 15к (О2 — d2) [1 — '(д + Ь}
2t COS а
(ХШ-14)
или
Vo=15K0f (D-d)
n (D + d) — i
а + Ъ ]
—— П.
sin я J
(XIII—15)
Отличаются эти уравнения тем, что в первое (XIII—14)
входит I, а во второе (XIII—15) —Ко- Если известны обе ве-
личины, то можно пользоваться любым из этих двух уравнений.
Фактическая производительность пресса по мезге, если рас-
чет вести по первому шнековому звену, с учетом насыпной мас-
сы мезги и коэффициента использования звена составит в
т)сутки:
QMe3 = 24ХиТмезУ0, (XIII-16)
а производительность по семенам определится из уравнения,
включающего выход мезги к массе семян z (в долях единицы)
и технологический к. п. д. пресса
QceM= 24ЯиЪезЕ0-^ . (XIII-17)
Z
Использование уравнения (XIII—17) для расчета произво-
дительности шнековых прессов в настоящее время ограничено
недостатком опытных данных по входящим в него величинам
(Ки, Умез, л)- Это относится главным образом к коэффициенту
использования, определение которого представляет значитель-
ные трудности. Значения умеа и т] определить легче; кроме того,
эти величины могут быть приняты постоянными для ряда кон-
струкций шнековых прессов.
Представляет несомненный интерес рассмотрение уравнений
производительности шнековых прессов для пластмасс. Приводи-
мые ниже уравнения для анализа работы маслоотжимных шне-
ковых прессов могут иметь лишь принципиальное значение. Эти
уравнения больше всего относятся к прессам окончательного от-
жима, где количеством отжимаемого масла в первом приближе-
нии можно пренебречь, а технологический к. п. д. принять рав-
ным единице.
Очень простое уравнение приводится ниже [4261:
Q = r.DnS sin2 <р (cos q> — eosin), (XIII—18)
238
где D — внутренний диаметр зеера;
п — число оборотов;
S — площадь кольцеобразной щели, перпендикулярной
к оси вала;
Ф — угол между винтовой ниткой и плоскостью, пер-
пендикулярной к оси вала (угол подъема винтовой
нитки а = 90—ф);
со—угол между направлением движения точки прес-
суемого материала и направлением винтовой нит-
ки (так называемый материальный угол).
Зависимость производительности от D, п и S вполне по-
нятна. При ф = 0 (при таком условии шнековые витки превра-
щаются в кольца, лежащие в плоскости, перпендикулярной оси
вала) и при ф = 90° (при таком условии витки превращаются в
планки на валу, расположенные вдоль его оси, и для матери-
ального угла возможно только <в = 90°) производительность
пресса равна нулю. Из этого следует, что для максимальной
производительности пресса угол ф, а поэтому и угол подъема
винтовой нитки должен иметь оптимальное значение. Оно долж-
но соответствовать наибольшему значению разности
sin2 ф cos ф — sin2 ф cos со. Максимальная производительность
данного пресса (ф = const) соответствует со = 90°.
Уравнение производительности шнековых прессов для пласт-
масс по выходной зоне, полученное при допущении, что течение
массы в прессе идентично течению ньютоновых масс, для кото-
рых вязкость зависит только от температуры и не является
функцией локальных скоростей сдвига, учитывает прямой и об-
ратный потоки [372]:
Q = Qs-Qp-QP' (XIII—19)
где Qs — прямой поток вдоль винтового канала
q __ r^Ifinh sin <p cos <р . (хи!__go)
QP — обратный поток вдоль винтового канала
Ji^sin^ (XIII—21)
р 12р. 7-1, 2
Qi — обратный поток в зазоре между шнеком и цилин-
дром
= pF-p£ (XIII-22)
12p.fe' , 2
В этих уравнениях приняты следующие условные обозначе-
ния: D, п, <р — то же, что и в уравнении (XIII—18); h — толщи-
239
на слоя прессуемого материала; р, — вязкость прессуемого ма-
териала; pi — давление в начале зоны; р2 — давление в конце
зоны; Lij2 — длина зоны; 6 — зазор между цилиндром и шне-
ком; Ь' — толщина выступа винтовой нитки (поперечное сечение
ее принято прямоугольным).
Как видно из уравнений (XIII—20) — (XIII—22), прямой и
обратный потоки по-разному зависят от одних и тех же факто-
ров (D, <р), и, кроме того, каждый из этих потоков является не-
посредственной функцией специфичных для него факторов. На-
пример, Qp и Qi зависят от удельного падения давления
Li,2
тогда как Qs от него не зависит, или, наоборот, Qs зависит от
числа оборотов п, a Qp и Q; не зависят от этого фактора. Та-
кая форма зависимости является следствием определенных пре-
образований [372] исходного дифференциального уравнения
Навье — Стокса. В действительности, конечно, все факторы
взаимно связаны: удельное падение давления зависит от раз-
меров шнека, числа его оборотов, вязкости массы и т. д.
ЗАВИСИМОСТЬ МЕЖДУ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬЮ И ГЛУБИНОЙ ОТЖИМА
Этот вопрос чрезвычайно важен для практики, особенно при
разрешении проблемы создания универсальной конструкции
шнекового пресса, приемлемой как для предварительного, так
и для окончательного отжима. Для освещения зависимости меж-
ду производительностью шнекового пресса и глубиной отжима
(масличностью жмыха) целесообразно выяснить связь между
факторами, определяющими глубину отжима, с одной стороны,
и производительностью 'шнекового пресса — с другой стороны.
Взаимозависимость между производительностью и некоторыми
основными факторами глубины отжима в настоящее время
(этот вопрос нуждается в уточнении) можно представить сле-
дующим образом.
Между производительностью и развивающимся в прессе дав-
лением, по-видимому, существует обратная зависимость. Это
ясно из анализа соответствующих уравнений для прессования
пластмасс (XII—11), (XII—13) и (ХШ—18).
Уменьшение коэффициента трения материала о вал сшн при-
водит к уменьшению степени «проворачивания» и, следова-
тельно, к увеличению материального угла со. При сшн—ниш
со-э-тах и cos (iw-min (« изменяется от 0 до 90°). Примем для
простоты сшн=0. Тогда из уравнения (XII—13),
Сц COS (l)inin /VTU 941
^min ~
т. e. по уравнению (XII—11)
давления. Но при cos юпип
(ХШ—18) производительность
240
h sin ср
получим минимальное значение
в соответствии с уравнением
максимальна.
С увеличением толщины материала h по уравнениям
(XII—11), (XII—13) давление уменьшается, однако уравнение
(ХШ—18) показывает рост производительности пресса (в свя-
зи с увеличением площади кольцеобразной щели, прямо про-
порциональной h).
Чем большее число оборотов совершает шнековый вал, тем
больше производительность пресса. Но с ростом числа оборо-
тов шнекового вала уменьшается продолжительность отжима
(см. рис. 79), а следовательно, и глубина отжима (возрастает
масличность жмыха — см. рис. 84).
С увеличением толщины отжимаемого материала, как указы-
валось, повышается производительность пресса, однако одновре-
менно с этим в связи с удлинением пути фильтрации масла глу-
бина его отжима уменьшается.
С уменьшением ширины выходной кольцевой щели глубина
отжима увеличивается по целому ряду причин (рост общего дав-
ления в прессе, увеличение продолжительности отжима и т. д.),
а производительность пресса понижается.
Конечно, роль рассмотренных факторов в изменении соотно-
шения между производительностью шнековых прессов и глуби-
ной отжима масла различна, но качественно их влияние может
быть оценено совершенно определенно: как правило, изменение
того или* иного фактора, приводящее к росту производительно-
сти, влечет за собой уменьшение глубины отжима (возрастание
масличности жмыха). Это относится не только к прессам с дан-
ным набором витков и втулок шнекового вала, но и к прессам,
для которых предусмотрены различные наборы шнекового вала
в зависимости от того, осуществляется предварительный или
окончательный отжим (прессы «Титан», МПС, «Френч» и др.).
Соотношение между производительностью пресса и маслич-
ностью жмыха в опыте при переработке семян подсолнечника на
прессе «Титан» приведено в табл. 27 [287].
Таблица 27''
Соотношение между производительностью пресса и масличностью жмыха
Предварительный отжим Однократный окончательный отжим
производительность, т семян в сутки масличность жмыха, % на абсолютно сухое вещество производительность, т семян в сутки масличность жмыха, % на абсолютно сухое вещество
35—40 8,0—10,0 21—25 4,2—4,6
65—70 12,0—13,0 38—42 5,5—6,2
241
Таблица 28
Зависимость производительности пресса и масличности жмыха
от набора шнекового вала и числа его оборотов
Набор шнекового вала Число o6jMUH. шнекового вала Про изводител ь- ность пресса, т семян в сутки Масличность жмыха, %
1 30 33 3,5
I 45 50 4,5
2 45 90 9,0
2 45 70 6,5
При данном режиме подготовки материала к отжиму произ-
водительность пресса и масличность
Рис. 89. Обобщенный график зависимо-
сти производительности шнекового прес-
са от масличности жмыха (переработ-
ка семян хлопчатника). Крайние линии
показывают разброс точек.
жмыха изменяются в за-
висимости от набора
шнекового вала и числа
его оборотов. Интересно
исследование [411], в ко-
котором на примере пе-
реработки семян хлоп-
чатника иллюстрируется
это положение1 (табл.
28).
На рис. 89 по дан-
ным опытов тех же ав-
торов показана зависи-
мость между маслично-
стью жмыха и произво-
дительностью шнекового
пресса. В принципе ана-
логичный характер этой
зависимости на примере
обработки данных 18 за-
водов показан и в дру-
гой работе [410].
Пример расчета. В настоящее время представляется возможным сделать
расчет лишь теоретической объёмной производительности шнекового пресса.
Расчет фактической производительности (по массе) возможен при известных
значениях коэффициента использования, объемной массы материала на дан-
ном участке пресса и технологического к. п. д. пресса. Поэтому ограничимся
использованием уравнений (XIII—14) и (XIII—15).
Исходные данные: D = 23,7 сж; d = 20,4 см; t = 8,0 см;
п=18 об/мин; а=1 см; 6 = 0,6 см; Ко = О,9; 1=1; а = 6°; l=Kot=O,9 8,0 =
= 7,2 см.
1 Тип пресса в цитируемой работе не указан.
242
Решение
1. По уравнению (ХШ—14).
Со = 15- (23,72 — 20,42) [
1 (1+0,6) 4
~ 7,2-18 = 0,797 ++.
9. й Г- I ’ '
2-8 cos 6'
2. По уравнению (XIII—15)
Уо= 15-0,9-8 ( 23,7 — 20,4) 3,14 (23,7+ 20,4) —
1+0,6
sin 6°
18 = 0,827 ,м3!ч.
Из приведенного примера видно, что уравнения (XIII—14) и (ХШ—15>
дают несколько отличные результаты. Сейчас трудно сказать, какое из них.
является более точным. При расчете фактической производительности по.
массе необходимо помнить, какое уравнение—(XIII—14) или (ХШ—15) —
применялось при получении численных значений коэффициента использова,-
ния. Именно это уравнение следует применять для расчета Vo-
Глава XIV. РАЗДЕЛЕНИЕ СУСПЕНЗИИ
СУСПЕНЗИИ В ПРОИЗВОДСТВЕ РАСТИТЕЛЬНЫХ МАСЕЛ
Суспензии в производстве растительных масел образуются
главным образом в ходе отжима и экстракции и представляют
собой частицы мезги, жмыха или шрота, взвешенные соответст-
венно в масле или .мисцелле. Мелкие частицы жмыха или шро-
та выносятся потоком жидкости через зеерные щели прессов,
или цедилок экстракторов, проникают через сетку транспортной
ленты или решетчатое днище ковшей экстракторов и т. п. Как
правило, там, где происходит контакт твердой сыпучей массы,
материала с жидкостью (маслом, мисцеллой), неизбежно об-
разование суспензии с большим или меньшим содержанием
твердых частиц.
Операции по разделению суспензий, которые можно вклю-
чить в понятие первичной очистки масел и мисцелл, настолько
сложны и вместе с тем важны для производства растительных
масел, что это стало одной из причин возникновения так назы-
ваемой проблемы «мелочи» [395], а вопросы разделения суспен-
зий, главным образом методы фильтрации, обсуждаются на.
специальных международных совещаниях [448, 502].
В прессовом производстве первая грубая очистка масел про-
изводится отстаиванием или при помощи вибросит. В экстрак-
ционном цехе вибросита не применяются, а предварительная
очистка мисцеллы осуществляется в результате ее самофильтра-
ции через слой экстрагируемого материала (в экстракторах, ра-
ботающих с многоступенчатым орошением экстрагируемого ма-
териала— Де-Смета, Лурги и т.п.), через зееры цедилок
243
(в экстракторах НД-1000 и НД-1250), а также отстаивания в
декантаторах (экстракторах Олье, модернизированных НД-1000
и НД-1250). В последнее время для предварительной очистки
мисцеллы после экстракторов начинают применять гидроцик-
лоны. Окончательная очистка масел и мисцелл достигается
почти исключительно фильтрацией 1 в фильтрах периодическо-
го и непрерывного действия самых различных конструк-
ций [434].
МЕТОДЫ РАЗДЕЛЕНИЯ СУСПЕНЗИЙ
Применяемые в настоящее время методы разделения суспен-
зий можно классифицировать на осаждение и фильтрацию [342].
Различие между этими группами методов разделения сус-
пензий состоит в том, что в одной из них частицы дисперсной
фазы движутся относительно дисперсионной среды (осаждение),
а в другой, — дисперсионная среда движется относительно час-
тиц дисперсной фазы (фильтрация)2.
Разделение суспензий в результате осаждения может про-
исходить в поле действия гравитационных и центробежных сил.
К первому случаю относится отстаивание периодического и не-
прерывного действия, ко второму — осаждение под действием
центробежной силы в центрифугах и гидроциклонах.
Разделение суспензий посредством фильтрации тоже может
осуществляться в поле действия гравитационных и центробеж-
ных сил, а также под давлением напора жидкости, создавае-
мого ее столбом или действием насоса. В производстве расти-
тельных масел применяется главным образом последний метод
фильтрации.
Особое место занимает очистка масел на виброситах, кото-
рую, по-видимому, можно отнести к особому типу грубой филь-
трации с агрегированием и одновременным передвижением (по
ситу к месту выгрузки) частиц жмыха.
Следует также отметить принципиальную возможность осу-
ществления осаждения под действием сил электрического поля,
в результате влияния высокой (ультразвуковой) частоты [90],
а также фильтрации под действием сил электрического поля
[342]. Эти методы применительно к объектам производства рас-
тительных масел еще не изучались.
1 В экстракционных линиях Де-Смета применяется солевая промывка
мисцелл. Однако имеющиеся в литературе [81] данные и поставленные нами
опыты при переработке подсолнечных семян на линии ДС-70 показали, что
эта операция не изменяет величины остатка в мисцелле механических при-
месей.
2 Это не очень строгое деление, поскольку в методах осаждения за
исключением периодического отстаивания, дисперсионная среда также дви-
жется относительно дисперсной фазы.
244
ОСАЖДЕНИЕ В ГРАВИТАЦИОННОМ ПОЛЕ
Осаждение под действием силы тяжести — простейший спо-
соб разделения суспензий, широко применяемый для предвари-
тельной (грубой) очистки масел и мисцелл.
На твердую частицу, находящуюся в жидкости (рис. 90),
действует сила тяжести Р, архимедова сила Rt и сила трения
о жидкость R2.
Рис. 90. Силы, действующие на частицу,
осаждающуюся в гравитационном поле.
При постоянной скорости осаждения частицы наблюдается
равенство сил:
P=R1-\-R2
(XIV—1)
или
IZpig = Vp.g+ 3ndv0p,
(XIV—2)
где V — объем частицы;
рх — плотность частицы;
р2 — плотность жидкости;
g — ускорение силы тяжести;
и0 — скорость осаждения частицы;
d — диаметр частицы;
ц —динамическая вязкость среды.
245
Для шарообразной частицы У=— и
6
(XIV—2) получим:
_ & (pi — р2) g
из уравнения
(XIV—3)
Из этого уравнения видно, что скорость осаждения прямо
пропорциональна размеру частиц в квадрате, разности в плот-
ностях дисперсной фазы и дисперсионной среды и обратно про-
порциональна вязкости дисперсионной среды. Как правило, для
частиц размером до 100 мкм характерен ламинарный режим
обтекания и поэтому применимо уравнение (XIV—3) *. При-
ведем здесь без вывода уравнения для скорости осаждения
при переходном и турбулентном режимах обтекания [342], по
которым можно судить о степени влияния тех или иных фак-
торов.
Для переходного режима
v0 = 0,22d i/ (Pi-P2)2g2 .
|/ p-p2
(XIV—4)
Для турбулентного режима
= 1,75 1/ d P1 P2~ g .
(XIV— 5)
Вид уравнений для скорости осаждения при переходе от ла-
минарного к турбулентному режиму обтекания изменяется в
связи с изменением силы трения /?2 и появлением за кормовой
стороной частицы завихрений, создающих область пониженного
давления позади нее, что увеличивает силу R (рис. 90).
Все сказанное относится к так называемому свободному
осаждению частиц, когда концентрация суспензии невелика и
частицы не сталкиваются друг с другом.
При повышенных концентрациях суспензии кинетическая
энергия частиц уменьшается из-за их взаимных столкновений,
что приводит к падению скорости осаждения. Такое осаждение
называется стесненным или солидарным. В этих случаях для
скорости осаждения необходимо вводить поправочные коэф-
фициенты, величина которых зависит от концентрации суспен-
зии [342].
* Нижний предел применимости уравнения. (XIV—3) соответствует пере-
ходу к коллоидным растворам, когда возникающее броуновское движение
препятствует осаждению частиц.
246
Рис. 91. Кривая осаждения частиц из под-
солнечной мисцеллы в гравитационном
поле;
G —суммарный вес осевших частиц к данному
моменту времени Т.
Знание величины скорости осаждения позволяет определить
время осаждения по формуле
т = —, (XIV-6)
"о
где h — высота осаждения частиц.
В настоящее время процесс осаждения частиц из масел и
мисцелл экспериментально изучен еще недостаточно. Известен
опыт [207] по отстаиванию подсолнечной мисцеллы для отделе-
ния от частиц форпрессового жмыха, который дает возможность
судить (по кривой осаж-
дения, изображенной на
рис. 91) о характере про-
цесса. Вначале идет бы-
строе нарастание веса
осадка, что, очевидно,
связано с большой скоро-
стью осаждения наибо-
лее крупных частиц. По
истечении определенного
промежутка времени на-
клон кривой сильно
уменьшается. Указывает-
ся, что длительность пол-
ного осаждения частиц
из подсолнечной мисцел-
лы доходит до 17 ч. Не-
которые сведения о про-
должительности осажде-
ния частиц из подсолнеч-
ной мисцеллы имеются и
в другой работе [291].
Понятно, что при осаждении частиц из масла процесс идет
медленнее в связи со значительно большей вязкостью масла по
сравнению с мисцеллой.
Из кривой осаждения наглядно видно, что этот метод разде-
ления суспензий в производстве растительных масел может
иметь значение лишь как метод предварительной грубой очист-
ки от наиболее крупных частиц.
В заключении скажем несколько слов о непрерывном осаж-
дении, когда дисперсионная среда не неподвижна, а переме-
щается от входного к выходному отверстию отстойника. При не-
прерывном осаждении частица помимо скорости v0 обладает
еще нелинейной скоростью движения, направленной горизон-
тально (и). Необходимо, чтобы работа отстойников непрерыв-
ного действия удовлетворяла ряду условий: горизонтальная со-
ставляющая скорости движения частицы должна быть меньше
247
скорости осаждения (у<у0) и вместе с тем меньше некоторой
критической скорости (у<укр), при которой возможно разрых-
ление осадка и унос его с потоком; во избежание взмучивания
осадка нужно, чтобы режим движения дисперсионной среды
был ламинарным; время осаждения частицы должно быть мень-
ше времени ее пребывания в отстойнике (т<то), иначе частица
не успеет осесть.
Практический интерес представляет осаждение в вертикаль-
ных отстойниках непрерывного действия, входящих в конструк-
ции экстракторов Олье и модернизированного НД-1250. Для
частиц подсолнечного форпрессового жмыха получено расчет-
ное уравнение [293]:
Ф = 7,ЗЗК°Л8 (XIV—7)
где ф — коэффициент сопротивления;
/у,- — безразмерная величина;
А' — р2 — Р1 ч /YTV__Я1
В указанной работе [293] отмечается, что действительная
скорость осаждения в восходящем потоке мисцеллы существен-
но отличается от рассчитанной по закону Стокса.
По. имеющимся сведениям [10, 179], отстойники непрерывно-
го действия, входящие в конструкцию экстрактора Олье, поз-
воляют снизить весовой отстой в мисцелле при переработке
копры до 0,20%, арахиса — до 0,08—0,12 и подсолнечника —
ДО 0,4%.
ОСАЖДЕНИЕ В ЦЕНТРОБЕЖНОМ ПОЛЕ
Для осаждения твердых частиц под действием центробеж-
ной силы в производстве растительных масел начинают приме-
няться гидроциклоны ’. Центрифугирование масел для отделе-
ния механических примесей испытывалось на одном из заво-
дов, но практического применения этот метод в СССР не на-
шел 1 2.
Подробный анализ работы гидроциклонов дан в специаль-
ных публикациях [299]. Остановимся кратко лишь на главных
вопросах механизма разделения суспензий на гидроциклонах.
Общая картина работы гидроциклона состоит в следующем.
Поскольку исходная суспензия подается в гидроциклон по
касательной и, разделившись в нем на две части с меньшим и
1 Испытания гидроциклонов, кроме очистки мисцелл, проводятся на опе-
рациях очистки и мойки семян и разделения рушанки.
2 В самое последнее время внедрено отделение из подсолнечного масла
в центробежном поле суммы механических примесей и гидратируемых ве-
ществ, но такой способ приводит к нерациональному использованию пище-
вых фосфатидов.
248
большим содержанием твердых частиц, выводится по оси в ви-
де перелива (верхний отвод) и слива (нижний отвод, иногда
называемый песками), то возникает вращательное движение с
одновременным перемещением основной массы жидкости вниз,
а вблизи от оси гидроциклона вверх (рис. 92). При этом общую
окружную скорость жидкости можно
разложить на тангенциальную, вер-
тикальную и радиальную. По мере
приближения к оси возрастает окруж-
ная скорость, а вместе с ней и цент-
робежная сила1 в соответствии с
уравнением
где т — масса частицы;
т0—масса жидкости в объеме
частицы;
— окружная скорость ча-
стицы ;
г — радиус вращения ча-
стицы.
Вблизи от оси гидроциклона цент-
робежная сила возрастает настолько,
что происходит разрыв жидкости и
образуется воздушный столб.
Во время работы гидроциклона в
каждой плоскости его горизонтально-
го (перпендикулярного к оси) сече-
ния на частицу действуют две силы —
центробежная и сила сопротивления
жидкостного потока, движущегося к
оси с радиальной скоростью и. При
данном значении и крупные и тяже-
лые частицы будут сосредоточиваться
у стенки гидроциклона и попадать
под действием нисходящего потока
Рис. 92. Потоки жидкости
в гидроциклоне:
v, w, и— составляющие скоро-
сти в данной точке соответ-
ственно тангенциальная, верти-
кальная и радиальная, /г—вы-
сота коаксиального сечения гид-
роциклона
(см. рис. 92) в слив, а мелкие и легкие соберутся у границы
воздушного столба й вынесутся восходящим потоком (см.
рис. 92) в перелив. Таким образом, взаимодействие центробеж-
ной силы и силы сопротивления приводит к классификации ча-
стиц по размеру и плотности в каждом данном сечении гидро-
циклона. Среди массы частиц находятся и такие, размер и
плотность которых при данном режиме работы гидроциклона
1 С известным приближением принимается равенство окружных скоростей
жидкости и частицы.
249
будут соответствовать равенству центробежной силы и силы
сопротивления, т. е. такие «равновесные» частицы не перейдут
ни в слив, ни в перелив. Все более крупные и более тяжелые
частицы будут перемещаться в сторону слива, а все менее
крупные и менее тяжелые — в сторону перелива.
Для «равновесной» частицы в данной точке радиуса гидро-
циклона i равенство центробежной силы и силы сопротивления
(по закону Стокса) можно записать следующим образом:
и-
(т — т0)-------= З'рцЗ,
(XIV—10)
где vt — окружная скорость вращения жидкости на ради-
усе гц
ц — вязкость жидкости;
v — мгновенная радиальная скорость частицы;
б — эквивалентный диаметр «равновесной» частицы.
Поскольку
(т-т0) =-^-(р-р0), (XIV-11)
О
где р и р0 — плотности частицы и жидкости, то из уравнения
(XIV—10) получим выражение для радиальной скорости дви-
жения частицы под действием центробежной силы:
о2"? (Р — Ро)
V — -----------------
18rzp.
(XIV—12)
Для «равновесных» частиц v равна радиальной составляю-
щей скорости движения жидкости и. Если принять равенство
скоростей по высоте каждого коаксиального сечения гидроцик-
лона, можно записать:
2лг;/г;
(XIV—13)
где Q — производительность гидроциклона;
hi — высота данного коаксиального сечения гидроцик-
лона.
Приравняв правые части уравнений (XIV—12) и (XIV—13),
после соответствующих алгебраических преобразований полу-
чим для «равновесной» частицы
3 J Г Qj-t
V *МР —Ро)
(XIV—14)
250
В полученном уравнении еще нет в явном виде факторов, от-
ражающих влияние геометрических характеристик гидроцикло-
на. Заменим Vi через скорость питания и0:
^ = ФЛ> (XIV—15)
где <рх — коэффициент изменения окружной скорости жидкости
в гидроциклоне в зависимости от его геометрических
характеристик.
Экспериментально найденное [299] выражение для <рж на
расстоянии от оси, равном радиусу сливного патрубка, имеет
вид:
Fa0,3
<p, = 22,3^-, (XIV-16)
где F — площадь питающего патрубка;
а — угол конусности, рад-,
d и D — диаметры соответственно переливного патрубка и
гидроциклона.
Заменив F через , где dn — диаметр питающего патруб-
ка, получим
г *У’3
фх = 17,5 п . (XIV—17)
аи
Производительность гидроциклона
nd;?
(XIV—18)
С учетом уравнений (XIV—15), (XIV—17)
70Qa°-3
— ndD •
Подставив в уравнение (XIV—14) вместо
из уравнения (XIV—19), окончательно будем
3dD F Л(л
70а°’3 V QMp —Ро)
Поскольку уравнение (XIV—16) найдено для коаксиально-
го сечения на расстоянии радиуса сливного патрубка от оси
гидроциклона, то уравнение (XIV—20) дает то значение раз-
мера «равновесной» частицы, называемое граничным, которое
представляет наибольший практический интерес: частицы боль-
и (XIV—18)
(XIV—19)
Vi его значение
иметь:
(XIV—20)
251
ше б перейдут в слив, меньше — в перелив hi рекомендуется
принимать равной 1 2/3 высоты конической части гидроциклона.
Полученное уравнение справедливо в пределах применимо-
сти закона Стокса, т. е. при малых значениях критерия Рейноль-
дса (Re<l) для движения частицы в радиальном направлении.
Выражения для переходного и турбулентного режимов обтекания*
частицы жидкостью, а также другие выражения для случая ла-
минарного обтекания приведены в монографии [299].
Проанализируем основное уравнение (XIV—20).
Размер граничных частиц увеличивается с ростом диаметров
переливного патрубка и гидроциклона и уменьшением угла ко-
нусности, т. е. для достижения большей степени разделения не-
обходимо работать с гидроциклонами малых размеров. Практи-
чески эта задача решается использованием батареи мультицик-
лонов.
К анализу влияния геометрических характеристик следует
добавить, что чрезмерное увеличение угла конусности, связанное
с уменьшением высоты гидроциклона, приводит к увеличению
радиальной скорости движения жидкости и, следовательно, к
уменьшению степени разделения. Оптимальное значение а=20°.
С ростом вязкости жидкости размер граничных частиц уве-
личивается, что вполне понятно, так как в соответствии с законом
Стокса возрастает сила сопротивления радиального потока.
Этим объясняется то, что применение гидроциклонов для очист-
ки мисцеллы более эффективно, чем для очистки масла. Подо-
грев суспензии, снижающий вязкость жидкости, может повышать
степень разделения.
С ростом плотности частиц и уменьшением плотности жидко-
сти размер граничных частиц уменьшается, потому что при этом
возрастает центробежная сила.
Несколько сложнее объяснение обратной зависимости между
размером граничных частиц и производительностью гидроцик-
лона. С ростом производительности размер граничных частиц
уменьшается, потому что возрастает окружная скорость движе-
ния жидкости и частиц, что приводит к увеличению центробеж-
ной силы. Казалось бы, что при сильном увеличении производи-
тельности (Q-э-оо) можно достичь полного осветления жидко-
сти (6-^-0), однако это, конечно, неверно, так как, начиная с
некоторого значения Q, режим обтекания частиц изменяется на
переходной или турбулентный, и уравнение (XIV—20) вообще
перестает быть применимым. Все-таки это уравнение полезно для
регулирования работы гидроциклона, ибо из него вытекает целе-
сообразность поддерживать значение Q на некотором максималь-
1 При условии, что вязкость и плотность суспензии не оказывают замет-
ного влияния. Учесть эти факторы чисто аналитическим путем пока еще не-
возможно.
252
но допустимом пределе, что ценно не только само по себе, но и
приводит к наибольшей степени разделения исходной суспензии.
Уравнение (XIV—20) действительно для исходной суспензии
постоянного состава. Вполне понятно, что чем
жится твердых частиц в исходной суспензии, тем
мере граничных частиц больше будет
содержаться частиц в переливе и сли-
ве. Это хорошо видно из рис. 93
[499]. Как следует из рисунка, зави-
симость эта носит линейный характер.
Указанная зависимость не позво-
ляет достичь достаточно высокой сте-
пени очистки за одну ступень при вы-
соком (до 1%) содержании механи-
ческих примесей в исходной мисцел-
ле, встречающемся в практике экс-
плуатации некоторых типов экстрак-
ционных линий; приемлемая степень
очистки может быть достигнута за
две или три ступени пропускания мис-
целлы через гидроциклоны.
В опытах при трехкратном пропу-
скании через гидроциклоны хлопковой
мисцеллы степень ее очистки состави-
ла 83,5% [499]. В других работах со-
общается, что при однократном про-
пускании подсолнечной мисцеллы сте-
пень ее очистки составила 40% [249]
или 54,7% [266], а при двукратном
пропускании через гидроциклоны
прессового масла — 61,6% [266].
Приведенные результаты опытов
показывают, что даже трехкратная
очистка на гидроциклонах не позво-
ляет получить мисцеллу, совершенно
не содержащую механических при-
месей. Поэтому, как указывалось вы-
ше, гидроциклоны, как и отстойники,
можно использовать лишь для пред-
варительной грубой очистки мисцел-
лы и тем более масла с его повышенной
ется, гидроциклоны имеют существенные
отстойниками, прежде всего в отношении
очистки.
больше содер-
при данном раз-
6 осветленной мисцелле.кг/н3
Зависимость
содержанием
частиц в пе-
Рис, 93.
между
твердых
реливе (осветленной мис-
целле)
твердых
ходной
целле)
мисцеллы
циклонах
и содержанием
частиц в ис-
суспензии (мис-
при очистке
на гидро-
разлнчных ти-
пов:
/ — Н. Z . I (степень очист-
ки 65%), 2—Т 104 II (сте-
пень очистки 80%), 3 — T
104 IV (степень очистки 85%).
вязкостью. Разуме-
преимущества перед
габаритов и степени
Пример расчета. На гидроцпклоне производится предварительная грубая
очистка подсолнечного масла с первоначальным содержанием механических
примесей 1% (по массе).
253
Исходные данные. Характеристика гидроциклона:
-d = 6 cjh; 0 = 30 слг; г,-=2,1 см; а=18° = 0,314 рад; Л; =63,1 см. Производи-
тельность по исходному маслу Q = 10 м3/ч. Плотность частиц жмыха
Р = 1,2 г/см3, максимальный их размер 0,5 мм. Масло нагрето до 50 °C, его
плотность ро= 0,9 г/см.3. В смеси частиц жмыха, взвешенных в масле, содер-
жится 80% (по массе) частиц с размерами больше граничного. В слив из
гидроциклона уходит 5% (по массе) от исходной смеси. Определить гранич-
ный размер частиц и состав слива и перелива.
Решение.
1. По уравнению (III—7) вязкость подсолнечного масла при 50 °C,
равна
175 1
р = --------------------=^=21,3 спз = 0,213 г/(см-сек).
2. По уравнению (XIV—19) окружная скорость вращения жидкости на
.радиусе г? составляет
70-10-Ю6-0,10’3
Vi= 3600-3,14-6-30 = 172 сМ!сек-
3. По уравнению (XIV—12) радиальная скорость движения частицы мак-
симального размера (бшах = 0,05 см) следующая:
итах
0,052-172^(1,2—0,9)
18-2,1-0,213
= 2,76 см/сек.
4. Максимальное значение критерия Рейнольдса равно
2,76-0,05-0,9
Remax = п г, = 0,583.
0,213
Следовательно, режим обтекания частиц ламинарный и для расчета их
^граничного размера можно воспользоваться уравнением (XIV—20).
По уравнению (XIV—20) граничный размер частиц следующий:
5.
3-6-30
о =--------------
70 0,314°'3
3600-3,14-0,213
= 0,387 мм.
10-103-63,1 (1,2—- 0,9)
6.
Всего
10-0,9-5
Количество слива по условиям задачи составляет -----— =0,45 т/ч.
10-0,9-1
с исходным маслом поступает —~~— =0,09 т/ч механических приме-
сей, из них 0,072 т/ч (80% по массе) уходит в слив.
Таким образом, в сливе содержится механических примесей
0,072
-------100= 16% (по массе).
0,45
Содержание механических примесей в переливе (осветленном масле)
равно
0,018
-------100 = 0,19% (по массе).
9,55
254
ФИЛЬТРАЦИЯ
При пропускании суспензии через пористую перегородку в
принципе возможно возникновение двух различных механизмов,
отделения частиц дисперсной фазы.
Первый состоит в том, что частицы дисперсной фазы по исте-
чении определенного промежутка времени после начала процес-
са начинают образовывать своды над устьями пор перегородки.
На этих сводах задерживаются частицы продолжающей посту-
пать суспензии, в результате чего над фильтрующей перегород-
кой образуется слой осадка. Тип фильтрации, в основе которого’
лежит описанный механизм, называется фильтрацией с образо-
ванием осадка, или шламовой фильтрацией.
Второй механизм состоит в том, что частицы дисперсной фа-
зы не образуют сводов над устьями пор, а проникают в них и
задерживаются там чисто механически или за счет сил адсорб-
ции. Тип фильтрации с таким механизмом отделения частиц
дисперсной фазы называется фильтрацией без образования
осадка, или закупорочной фильтрацией.
Механизм отделения частиц дисперсной фазы зависит от
большого числа факторов: размеров пор фильтрующей перегород-
ки, размеров и свойств отделяемых частиц, способа приложения
давления и т. п. В производстве растительных масел, по-видимо-
му, в основном встречается фильтрация с образованием осадка,
хотя не исключены и элементы закупорочной фильтрации. Ме-
ханизм фильтрации масел и мисцелл еще не изучен.
Основным явлением в процессах фильтрации обоих типов яв-
ляется чисто механическое отделение частиц дисперсной фазы
от дисперсионной среды, своего рода просеивание дисперсион-
ной среды через слой осадка и фильтрующую перегородку или
только через фильтрующую перегородку (второй тип фильтра-
ции). В настоящее время считается доказанным [150], что движе-
ние жидкости через фильтрующий слой имеет ламинарный ха-
рактер. Поэтому в основу анализа процесса фильтрации положен
закон Пуазейля для движения жидкостей по капиллярам:
(XIV—21 >
8,ч/
где V — объем протекающей жидкости;
г — радиус капилляра;
р — разность давлений на входе и выходе капилляра;
т — время;
ц — вязкость дисперсионной среды;
I — длина капилляра.
255
движения
(XIV-22)
(XIV—23)
Из уравнения (XIV—21) легко найти скорость
жидкости в капилляре
V dtp
v =------= —— ,
т.гЧ 32р7
где d — диаметр капилляра.
Расход жидкости через один капилляр составит
nd2 d2p mftp
4 32V 128p.z
Заменим длину капилляра I через толщину фильтрующей пе-
регородки 1г.
I = ah, (XIV—24)
где а — коэффициент, учитывающий криволинейность капилля-
ров.
Если через п обозначить число капилляров на единице пло-
щади и через F — полную площадь фильтрующей поверхности,
то для общего количества жидкости, проходящей через фильтр
за время т, получим
Q = qFnz = Fm, ' (XIV—25)
128W1
а для скорости фильтрации
с == —= mdip-~ . (XIV—26)
Ft . 128,асА 1
Запишем последнее уравнение в следующем виде:
с = , (X1V-27)
р.р Л
где
р = . (XIV—28)
Величина р, характеризующая свойства фильтрующего слоя
(осадка, фильтроткани), называется удельным сопротивлением,
т. е. сопротивлением единицы толщины фильтрующего слоя.
Размерность р 1/л2.
Если в уравнение (XIV—25) подставить с= 1, ц=1 и h — 1,
то получим следующее определение: удельное сопротивление р
является потерей напора в кГ/м2 при прохождении жидкости
вязкостью 1 кГ-сек/м2 через слой осадка толщиной 1 м при ско-
рости фильтрации 1 м2/ (м2 • сек) [150].
256
Фильтрация с образованием осадка в зависимости от свойств
его разделяется на фильтрацию с несжимаемым р = const и
фильтрацию со сжимаемым p = f(p) * осадком. Удельное со-
противление осадка зависит от его пористости, размера и формы
частиц, способа их укладки, сжимаемости частиц, распределения
частиц по размерам и некоторых других факторов. Теоретиче-
ски пористость осадка, состоящего из несжимаемых шаровых
частиц одинакового размера, может изменяться от 26 до 48%
[457] в зависимости от укладки частиц.
Как видно из уравнения (XIV—27), скорость фильтрации
прямо пропорциональна перепаду давления и обратно пропор-
циональна вязкости жидкости и толщине фильтрующего слоя.
Фильтрация может протекать при постоянном давлении (р =
= const),npn постоянной скорости (c = const) или при перемен-4
пых давлении и скорости. В производстве растительных масел
чаще всего встречается последний вид фильтрации. К филь-
трам, работающим при переменных давлении и скорости, мож-
но отнести патронный линии НД-1250, роторно-патронный Сла-
вянского масложиркомбината [267], барабанный фильтр Спи-
нова для мисцеллы [336] и фильтрпрессы для мисцеллы и масла,
поскольку в этих фильтрах, как правило, вначале происходит
фильтрация при постоянной скорости и возрастающем давлении,
а начиная с некоторого времени, — при постоянном давлении,
после чего фильтры подвергаются очистке (промывка обратным
током, сброс шлама, механическая очистка).
Математический анализ фильтрации с образованием осадка
при постоянном давлении и постоянной скорости хорошо изло-
жен в опубликованной работе [342].
Уравнение (XIV—27) дает зависимость скорости фильтра-
ции от ряда факторов лишь в самом общем виде.
Проведенные исследования по фильтрации мисцеллы показа-
ли [337, 338], что для определения постоянной скорости при пере-
менном давлении для практических расчетов может быть исполь-
зовано уточненное уравнение Знаменского (для фильтров с цик-
лическим режимом работы):
с = А |/________________2_____, (XIV—29)
F . „ I . Р2 — Р1 \
+ /? I 1 —---- I
где А —поправочный коэффициент, равный для капрона 0,107
и для бельтинга — 0,103;
* В одной из работ [433] эта функция представлена в виде показатель-
ной зависимости р = роРп, где р0 — удельное сопротивление при п=0. Одна-
ко правильность именно такого вида функции в работе никак не обосновы-
вается.
9 В. В. Белобородов
257
plt p2 — соответственно начальное и конечное давление мис-
целлы, кГ[м2;
G — модуль сжатия шлама, кГ!м2 (рассчитывается по
формуле G = 0,7I j/GR—GO, где G, и Gz— модули
сжатия осадка соответственно при давлениях pi и р2);
т — продолжительность фильтрации, сек;
од— структурное сопротивление осадка, 1/.и2;
Ф — содержание шлама в неочищенной мисцелле, м3/м3;
[х — коэффициент динамической вязкости мисцеллы,
кГ сек/м2;
R—сопротивление фильтрующей перегородки, кГ-сек]м3
(рассчитывается как среднее арифметическое из зна-
’ чений Ri и Rz при давлениях pi и р2)- В рассматри-
ваемых работах приведены численные значения вели-
чин G, Сто и R.
Связь .между скоростью (удельной производительностью)
фильтрации и вязкостью, изменяющейся при изменении темпе-
ратуры, наглядно видна из рис.
Рис. 94. Скорость фильтрации как
функция вязкости (температуры)
фильтруемой жидкости (рафиниро-
ванного льняного масла):
/ — кривая вязкости, 2 —кривая скорости
фильтрации.
94 [501]. С понижением вязко-
сти (повышением температу-
ры) закономерно возрастает
скорость фильтрации, причем
в соответствии с замедлением
падения вязкости с ростом
температуры замедляется так-
же увеличение скорости филь-
трации.
Характер уменьшения ско-
рости фильтрации мисцеллы 1
при увеличении толщины
осадка показан на рис. 95
[337]. Из этого рисунка видно,
что скорость фильтрации силь-
но падает уже в начале накоп-
ления осадка на ткани. Одна-
ко в настоящее время экспе-
риментальных данных, харак-
теризующих свойства осадков
мисцелл и масел почти нет,
хотя ясно, что сопротивление
осадка при фильтрации яв-
ляется главным. Так, удель-
ная производительность чи-
1 Вид мисцеллы (подсолнечная, соевая и т. и.) в первоисточнике не
указан.
258
стого бельтинга по мисцелле при избыточном давлении
0,13 ат составляет 9000 л/(м2 • ч), а бельтинга с осадком толщи-
ной 5 мм даже при избыточном давлении 0,5 ат — всего лишь
приблизительно 1000 л/(л2-ч) [337].
Обратимся к гипотезам, касающимся межмолекулярного
взаимодействия между фильтрующим слоем, частицами дисперс-
ной фазы и дисперсионной среды (433, 457, 501]. В основе одной
Рис. 95. Зависимость скорости фильтра-
ции (удельной производительности) мис-
целлы от толщины слоя осадка (фильтрую-
щая ткань — бельтинг) при избыточном
давлении:
/ — 1 ат, II — 0,75 ат, III — 0,5 ат.
из них лежит адсорбционное взаимодействие, связанное со сма-
чиваемостью частиц суспензии и частиц фильтрующего слоя
(осадка, фильтрткани) фильтруемой жидкостью. На границе
раздела между частицами и жидкостью, смачивающей частицы,
образуется жидкостная оболочка из ориентированных молекул.
При приближении частиц суспензии к частицам фильтрующего
слоя и одинаковой силе притяжения молекул жидкости теми и
другими частицами между их жидкостными оболочками проис-
ходит обмен, жидкость свободно проходит через капилляры, и
фильтрация в целом протекает без видимых осложнений. Если
же частицы фильтрующего слоя с большей силой, чем частицы
суспензии, притягивают молекулы фильтруемой жидкости, то
жидкостная оболочка как бы снимается с частиц суспензии, что
приводит к их более плотной укладке в осадке и, следовательно,
к уменьшению скорости фильтрации. Наоборот, скорость фильт-
рации увеличивается в тех случаях, когда силы взаимного при-
9* 259
тяжения между фильтрующим слоем и молекулами жидкости
меньше, чем между частицами суспензии и молекулами жидко-
сти. Увеличение плотности упаковки частиц и падение скорости
фильтрации происходит при увеличении сил взаимного притяже-
ния между частицами в суспензии и между частицами суспензии
и частицами фильтрующего слоя.
Явления адсорбции используются для повышения скорости
фильтрации: в суспензии добавляют адсорбенты (кизельгур,
Рис. 96. Изменение пропускной способности
фильтрующей поверхности при добавлении
кизельгура в подсолнечное масло (фильтрация
при температуре 4—5 °C и давлении 10 м
вод. ст.):
I— без добавления кизельгура; II, III, IV, V — с до-
бавлением кизельгура 1, 2, 5 и 10 г на лнтр соответ-
ственно.
активированный уголь, отбельную землю). На рис. 96 показан
пример увеличения пропускной способности фильтрующей
поверхности при фильтрации подсолнечного масла с добавлением
различных количеств кизельгура [501]. При превышении опреде-
ленного (оптимального) количества добавки пропускная спо-
собность падает из-за слишком большого увеличения высоты
слоя осадка.
Добавлять адсорбенты можно либо, намывая их на филь-
трующую ткань, либо, подмешивая к суспензии, в первом слу-
чае эффективность действия адсорбентов объясняется предот-
вращением непосредственного контакта между частицами
суспензии и тканью, что особенно важно при интенсивном ад-
сорбционном взаимодействии между ними. Подмешивание ад-
сорбента к суспензии вызывает предварительное адсорбирова-
ние мельчайших частиц, увеличение среднего размера частиц
фильтруемой суспензии, их жесткости [457]. Свойства частиц
26С
суспензии и фильтрующего слоя можно улучшить и добавле-
нием смачивающих средств.
, На процесс фильтрации определенное влияние оказывают и
электростатические силы. С этой точки зрения наилучшие усло-
вия фильтрации наблюдаются тогда, когда частицы суспензии и
фильтрующего слоя обладают одинаковыми по знаку зарядами
(взаимное отталкивание, предотвращающее излишне плотную
упаковку частиц в слое), а частицы фильтрующего слоя и жид-
кости — противоположными по знаку зарядами.
Пример расчета. Подсолнечная мисцелла очищается от механических
примесей на патронном фильтре. Фильтровальная ткань — капрон.
Исходные данные: концентрация мисцеллы 15% (по массе); тем-
пература 50 °C; pi=0,25 кГ/сж* 2=2500 кГ1м2-, /?2=2,0 кГ!см2=20000 кГ/л2;
<р = 0,01; т = 2 ч = 7200 сек.
Определить производительность фильтра.
Решение.
1. При помощи известных диаграмм [30] определяем вязкость мисцеллы
Р = 0,53 спз, или р. = 0,54-10—4 5 кГ-сек/м2.
2. Из опубликованной работы [334] берем значения модуля сжатия осад-
ка при давлениях pi и р2
GL = 26 400 кГ]м2, G2 = 335000 кПм2.
Среднее значение
<3 = 0,71 / 335 ООО2 — 26 4002 = 237 000 кГ/м2.
3. По данным ранее изданной работы [338] определяем среднее значение
сопротивления перегородки 7? = 2,36-106 * кГ/м2, а из другой работы [339]
берем структурное сопротивление осадка:
а0 = 0,36-10й 1/.И2.
4. По уравнению (XIV—29) рассчитываем скорость фильтрации:
с = 0.107 X
20 0002 — 25002
(20 000..2 500) —
237 000________________
/ 20000 — 2500
7200-0,36-1013-0,01-0,54-10~4 4- 2,36-106 1 —-------------
\ 237 000
= 1,14-10—4 м!сек.
5. Поверхность фильтрации патронного фильтра равна 15 м2 [67].
Производительность фильтра, очевидно, будет равна.
Q = 1,14-10—4-15-3600 — 6,15 м3/ч.
Часть четвертая
ДИФФУЗИОННЫЕ И ДИФФУЗИОННО-ТЕПЛОВЫЕ
ПРОЦЕССЫ
Глава XV. НЕКОТОРЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ
МАССОПЕРЕНОСА
МЕХАНИЗМ МАССОПЕРЕНОСА В ЖИДКОСТЯХ И ГАЗАХ
Движущая сила и необходимое условие диффузионного
переноса вещества в жидкостях и газах — разность концен-
траций.
Если в системе, помимо разности концентраций, возникает
еще и разность температур, то одновременно возникают про-
цессы массо- и теплопереноса — термодиффузия и диффузион-
ная теплопроводность, интенсивность которых зависит от раз-
ности концентраций и температур.
Разность температур в жидкостях (или газах) приводит
также к возникновению естественной конвекции, и поэтому тер-
модиффузия представляет собой перенос вещества, включающий
как молекулярную, так и конвективную диффузию [264, 265]. При
перемешивании под действием внешних сил, кроме естественной,
протекает и вынужденная конвективная диффузия.
Строго говоря, чисто молекулярный механизм массопереноса
наблюдается лишь в твердых телах. При диффузии в жидкостях
и газах массоперенос чисто молекулярным путем практически
осуществляться не может, так как в связи с перемешиванием
жидкости или газа (например, при всевозможных сотрясениях)
и колебаниями температуры в них всегда возникают конвектив-
ные токи, нарушающие молекулярный механизм массопереноса,
причем степень этого нарушения для системы жидкость — жид-
кость или газ — газ зависит от внешних условий, т. е. от интен-
сивности перемешивания и изменения температуры окружающей
среды.
Молекулярная диффузия осуществляется посредством бес-
порядочного теплового движения молекул диффундирующего
вещества, обладающих определенной кинетической энергией.
Каждая молекула движется беспорядочно и может описывать
разнообразные траектории. Чем выше температура, тем большей
кинетической энергией обладает молекула, тем, следовательно,
с большей скоростью она движется. Двигаясь беспорядочно,
молекулы диффундирующего вещества благодаря стремлению
системы к термодинамическому равновесию в целом все-таки
переходят от мест с большей концентрацией к местам с меньшей
265
концентрацией, что и составляет процесс молекулярной диф-
фузии.
Чтобы более полно представить себе механизм молекулярной
диффузии в жидкостях, необходимо обратиться к современным
представлениям о строении жидкости, созданным Я- И. Френ-
келем [359], а также Эйрингом с сотрудниками [5].
Основные положения современной теории строения жидкости
следующие:
1. Местная структура жидкости упорядочена и очень напо-
минает структуру кристаллического твердого тела: отдельные
молекулы окружены почти правильно расположенными сосед-
ними молекулами.
2. Структура жидкости на большом расстоянии от данной
молекулы совершенно произвольна и напоминает структуру газа.
Таким образом, в жидкостях мы имеем дело со сложным
промежуточным состоянием между почти полной упорядочен-
ностью и полным беспорядком, или иными словами, жидкость
обнаруживает ближний порядок в некотором малом элементе
объема и полный беспорядок в большом объеме.
Такая структура жидкости возможна только в том случае,
если между молекулами имеются разрывы непрерывности. Суще-
ствование таких «дырок» в молекулярной упаковке и лежит в
основе «дырочной» 1 теории молекулярной диффузии.
Благодаря не полному, а лишь ближнему порядку местной
(локальной) структуры жидкости, молекулы диффундирующего
вещества, окруженные молекулами растворителя, могут оказать-
ся по соседству со свободным местом.
Все такие молекулы некоторое время колеблются в каком-то
случайном положении равновесия и отделены от других возмож-
ных положений равновесия энергетическим барьером. Если
молекула обладает достаточной энергией, так называемой энер-
гией активации, то она посредством «скачка» переходит в другое
равновесное положение, оставляя после себя свободное место, в
которое может «перескочить» другая молекула, и т. д. Подоб-
ные «скачки» отдельных молекул в целом составляют диффу-
зионный поток.
С этой точки зрения увеличение скорости молекулярной диф-
фузии с ростом температуры объясняется следующим образом:
при возрастании температуры, во-первых, молекула, располо-
женная вблизи от свободного места, имеет большую вероятность
приобрести энергию активации, необходимую для преодоления
энергетического барьера и перескока в это свободное место, и,
во-вторых, за счет термического расширения (при постоянном
давлении) возрастает само число свободных мест.
1 Эти определения нам кажутся неудачными, поэтому мы их заменяем
соответственно словами «свободное место» и «теория свободных мест».
266
С точки зрения теории свободных мест понятно, что скорость
молекулярной диффузии должна зависеть от размера молекул
диффундирующего вещества и от вязкости среды (раствори-
теля). Последнее свойство обусловлено силами сцепления между
молекулами растворителя и, следовательно, тесно связано
с величиной энергетического барьера, который необходимо пре-
одолевать диффундирующим молекулам. Так как вязкость раст-
ворителя понижается с увеличением температуры, то увеличение
скорости молекулярной диффузии при возрастании температуры
обязано также и уменьшению вязкости растворителя (помимо
положительного влияния увеличения собственно температуры)1.
Механизм конвективной диффузии, как уже было сказано
(см. главу I), состоит в переносе вещества в виде отдельных
небольших объемов его раствора.
При конвективной диффузии факторы, связанные со свойст-
вами диффундирующего вещества и растворителя (размер моле-
кул, вязкость растворителя, количество свободных мест, энергия
активации и т. п.), становятся второстепенными. Доминирую-
щими для скорости конвективного переноса вещества являются
факторы, включаемые в понятие гидродинамических условий
массопереноса: скорость и режим движения жидкости или газа,
их вязкость (вязкость раствора, а не растворителя), характер
поверхности, вблизи от которой движется жидкость или газ,
геометрические параметры устройства и т. д.
Таким образом, молекулярный и конвективный перенос веще-
ства отличаются друг от друга не только механизмом 2, но в силу
этого также и тем, что скорость их протекания зависит от разно-
родных групп факторов. Обычно скорость конвективного пере-
носа вещества во много раз больше скорости молекулярного
переноса.
ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ МАССОПЕРЕНОСА
К основным законам молекулярной диффузии принадлежат
широко известные первый и второй законы Фика.
Фик выдвинул гипотезу, согласно которой молекулярный пе-
ренос вещества аналогичен переносу тепла посредством тепло-
проводности и основное уравнение молекулярной диффузии
должно иметь вид, аналогичный известному уравнению Фурье
для теплопроводности. Исходя из этого, можно написать, что
количество вещества dm, переносимое за время dx через по-
1 Молекулярно-кинетическая теория газов, на которой мы здесь не оста-
навливаемся, для анализа явлений массопереноса располагает несколькими
гипотезами взаимодействия между молекулами, с которыми кратко можно
познакомиться по опубликованной работе [158].
2 В принципе конвективная диффузия всегда протекает при наличии мо-
лекулярной внутри малых объемов раствора, переносимого конвекцией.
267
верхность F при градиенте концентрации (уменьшение концен-
, , . дс
трации на единицу длины в направлении диффузии) —, равно:
dm = — DFd'z, (XV—1)
дх
где D — константа, называемая коэффициентом диффузии,
величина которой зависит от природы растворителя,
диффундирующего вещества и температуры.
Передача вещества происходит в направлении уменьшения
концентрации, т. е. в направлении отрицательного градиента
концентрации, о чем свидетельствует знак — в правой части
уравнения (XV—1).
Уравнение (XV—1) и представляет собой первый закон диф-
фузии Фика.
Строго говоря, уравнение (XV—1) было лишь математиче-
ским выражением гипотезы Фика о пропорциональности количе-
ства диффундирующего вещества градиенту концентрации и,
подтвержденное многочисленными экспериментальными данны-
ми, стало эмпирическим законом [264]. С теоретическими спосо-
бами получения первого закона Фика можно познакомиться
подробнее по опубликованной работе [158].
Обозначая через q диффузионный поток, т. е. количество
вещества, переносимое через единицу поверхности в единицу
времени, уравнение (XV—1) можно переписать:
7 = — D-. (XV—2)
дх
Второй закон диффузии можно вывести на основании пер-
вого. Представим себе цилиндр, поперечное сечение которого
равно единице. Пусть диффузия происходит в направлении х
оси цилиндра. Тогда диффундирующее вещество внутри эле-
мента объема цилиндра dx, ограниченного двумя взаимно парал-
лельными и перпендикулярными к оси цилиндра плоскостями,
отстоящими друг от друга на расстоянии dx, будет накапли-
ваться следующим образом.
Через первую плоскость поступит
qi = —D-~-.
дх
Так как в элементе объема цилиндра концентрация увели-
, дс
чится от с до dx, то через вторую плоскость уйдет вещества
д / , дс , \
7, = — D--- с 4-----dx .
дх \ дх J
268
\
Скорость накопления вещества равна
дс । д / , дс , \ дс ,
— D--------к D----I с ~к -сП I — ----dx>
дх дх \ дх ) д-
что дает . )
~ = D . (XV—3)
дх дх2 v ’
Уравнение (XV—3) и является вторым законом диффузии
Фика.
Для трех измерений оно принимает вид
— = D (ф- ——) . (XV—4)
дх \ дх2 ду2 дг2 J v
Первый закон диффузии Фика — уравнение (XV—2)—ха-
рактеризует скорость переноса вещества через единицу поверх-
ности некоторой среды, выраженную через градиент концентра-
дс
ции — и коэффициент диффузии D.
дх
Второй закон диффузии Фика — уравнение (XV—3) —
характеризует собой изменение концентрации диффундирующего
вещества в определенной точке системы как функцию времени.
Первый закон описывает стационарный процесс молекуляр-
ного переноса вещества, второй — нестационарный. Математиче-
ски последнее обстоятельство выражается в том, что для ста-
дс
ционарного процесса — = const, а для нестационарного
дх
дс
— T^const (рассматривается одномерная диффузия).
дх
Легко видеть, что поскольку при стационарном процессе диф-
дс д~с
фузии — =0, то из второго закона D — =0 и, следовательно,
дх дх2
дс ,
— = const.
дх
Молекулярный коэффициент диффузии (или просто коэффи-
циент диффузии) представляет собой количество вещества, пере-
носимое в единицу времени через единицу поверхности при
градиенте концентрации, равном единице.
При допущении, что диффундирующие молекулы имеют
Форму шара, выражение для D
штейна [124]:
Z) = ——
где R —газовая постоянная;
Т — абсолютная температура;
представлено формулой
(XV—5)
6itrr
269
N —число Авогадро;
ц— абсолютная вязкость растворителя;
г — радиус молекул диффундирующего вещества.
Другое выражение, в основе которого лежит теория свобод-
ных мест, может быть записано' следующим образом [359]:
D = — е~, (XV—6)
6"о
где б — элементарное перемещение молекулы;
то—период колебаний молекулы около равновесного по-
ложения;
е—основание натурального логарифма;
w — энергия активации молекулы;
k — константа Больцмана.
Есть указания [359], что формула (XV—5) находится в хоро-
шем согласии с данными опыта в том случае, когда размер
молекул диффундирующего вещества очень велик по сравнению
с размером молекул растворителя, а формула (XV—6)—в том
случае, когда молекулы диффундирующего вещества по своим
размерам сравнимы с размером молекул растворителя.
Для конвективной диффузии зависимость между диффузион-
ным потоком и разностью концентраций может быть представ-
лена в следующем виде:
а = - ЗДс, (XV—7)
где Лс — разность концентраций;
Р — конвективный коэффициент диффузии, или константа
скорости диффузии.
Из уравнения (XV—7) вытекает и определение [3: конвектив-
ный коэффициент диффузии представляет собой количество
вещества, переносимое в единицу времени через единицу по-
верхности при разности концентраций, равной единице.
Конвективный диффузионный поток может быть выражен
аналогично первому закону Фика:
дс
q=-^, (XV-8)
дх
где 8Д — коэффициент конвективной, или вихревой, диффузии.
Коэффициент 8Д имеет такую же размерность, как и коэффи-
циент молекулярной диффузии. Под вихревой диффузией иногда
понимается конвективный массоперенос в связи с вращательным
движением малых объемов жидкости или газа, возникающим
благодаря гидродинамическому взаимодействию фаз [157].
270
Суммарной поток вещества за счет молекулярной и конвек-
тивной (вихревой) диффузии обычно записывают в следующем
виде:
7 = -(П + £д)^ . (XV—9)
дх
Для смешанного механизма массопереноса (но без гради-
ента температур) уравнения Фика для молекулярной диффузии
могут быть дополнены конвективными членами, выражающими
перенос вещества потоком массы:
для первого закона
г-> дс , •
q = — + vxc,
дх
для второго закона
дс г-, д2с дс
= — Vx ,
дх-----------------------дх2-дх
(XV—10)
(XV—И)
где Vx — составляющая скорости конвективного переноса ве-
щества в направлении х.
Для трех измерений уравнение нестационарной диффузии
при смешанном механизме массопереноса может быть записано
в следующем виде:
д2с ! д2с
ду2 1 дг2 )
(XV-12)
ЧАСТНЫЕ УРАВНЕНИЯ ДИФФУЗИИ ИЗ ТВЕРДЫХ ТЕЛ
При анализе основных закономерностей процесса экстракции
растительных масел необходимо обратиться к интегральным
формам уравнений молекулярной диффузии из пластинки, шара
и цилиндра. Поэтому кратко рассмотрим здесь получение этих
уравнений.
Решение уравнения диффузии (XV—3) для изотропной в
диффузионном отношении пластинки толщиной I при допущении,
что диффузия происходит лишь в направлении оси х, нормаль-
ной к плоскости пластинки, и контролируется только внутренним
сопротивлением, может быть при граничных условиях
с = с0 для ОефхгД/ при т=0,
с = 0 для х=0 и х=1 при т>0
271
следующим [61, 430]*: /
/
оо n2rt2L"L I
c = ^f(x)sin^~dx. (XV—13)
о b
Это основное решение уравнения для диффузии внутри па-
раллельных границ может быть преобразовано в каждом' от-
дельном интересующем нас случае следующим образом. Так
как согласно граничным условиям мы имеем систему с посто-
янной исходной концентрацией, то f(%) = c0, и уравнение
(XV—13) можно переписать:
с =
Я
Я-------- Sin
-^(2т+ I)2
о
(2m + 1) пх
/
(2т+1)УР:
12 . (XV—14)
Уравнение (XV—14) дает концентрацию в данной точке
системы как функцию времени. Это уравнение представляет
Dr
собой при достаточно большом —, чаще всего говорят при
достаточно большом времени т, быстро сходящийся ряд, всеми
членами которого, кроме первого, для практических целей
можно пренебречь [57]. Приравняв т к 0, получим
го • ях
= —е 1 sin ,
(XV—15)
На основании уравнения (XV—15) может быть построена
кривая изменения концентрации по толщине пластинки.
В экспериментах измерить концентрацию диффундирующего
вещества в определенной точке .системы нельзя. Можно изме-
рить количество вещества, оставшееся в пластинке по истечении
времени т после начала опыта. В подобных случаях получается
некоторая средняя концентрация с внутри пластинки и уравне-
ние (XV—14) примет вид:
I ~ ___ (2т+1
с = — (cdx = -^-V-------1---е 12 . (XV—16)
I J г.2 (2т +1)2 ’
о о
-Г С
1 ак как отношение — = — ,
Со 4о
где qt — количество вещества, оставшегося в пластинке по
истечении времени тр, а <7о— первоначальное содер-
* Более подробно условия однозначности уравнения (XV—3) изложены
в главе I.
272
>йание вещества в пластинке (т=0), то уравнение
(XV—16) можно переписать:
оо (2m-M )2n~D~
У-----1--е~ ‘ . (XV-17)
q0 (2m+1)2 V 7
О
Аналогичным путем можно получить уравнения для диффу-
зии из шара и цилиндра.
Для шара
ос у2г.21)г
= (XV-18)
<7о г-2 '•2
1
где г — радиус шара;
v — целые положительные числа (1, 2, 3, . ..оо).
Для цилиндра при диффузии через его боковую поверхность
, (XV—19)
j
где R — радиус цилиндра;
gv— корни уравнения /о(х)=О, где 10(х)—функция Бес-
селя нулевого порядка; (g, =2,405; 5,520; 8,654;
11,792 ...).
Уравнение для цилиндра при диффузии через обе его торцо-
вые стенки аналогично уравнению (XV—17) для пластинки, с
той разницей, что в качестве I надо принимать общую длину
цилиндра L.
Отбрасывая все члены ряда, кроме первого (m = 0; v= 1;
gv =2,405 соответственно), получим уравнения типа
ьйт
, (XV—20)
+
где а и b — константы (для пластинки а = -^ , Ь = п?; для шара
g
а= —, Ь~л2; для цилиндра при диффузии через боковую
поверхность а = 0,694, 6 = 5,76 и при диффузии через торцовые
стенки а=, Ь = л2);
h — геометрический параметр (для пластинки h = l, для
шара h = r, для цилиндра при диффузии через боковую поверх-
ность h = R и через торцовые стенки — h=L).
273
Логарифмирование равенства (XV—20) дает /уравнение,
имеющее большое значение для анализа экстракции веществ из
твердых тел:
lg = 1g а — 0,4346 т.
Л2
(XV-21)
Рис. 97. Типичная кривая
диффузионного извлечения
веществ из твердых тел
(для случаев, когда внеш-
ней диффузией можно пре-
небречь) .
Уравнение (XV—21) описывает кривую, изображенную на
рис. 97. Тангенс угла наклона прямого участка этой кривой,
очевидно, равен 0,434 b —, откуда, если кривая построена по
Л2
опытным данным, может быть найдена величина коэффициента
внутренней диффузии D.
ЯВЛЕНИЯ НА ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА ФАЗ
Граница раздела фаз обычно является поверхностью массо-
переноса, сопротивление и состояние которой могут оказывать
существенное влияние на интенсивность того или иного конкрет-
ного процесса. В изданных работах [158, 212] межфазная граница
рассматривается с принципиально различных точек зрения для
систем твердое тело— жидкость и для систем жидкость — жид-
кость (пар, газ).
Для системы твердое тело — жидкость вблизи от поверхно-
сти твердого тела имеется область быстрого изменения концент-
рации, в пределах которой скорость массопереноса контроли-
руется молекулярной диффузией. Эта область толщиной 6 по
нормали к поверхности твердого тела называется диффузионным
пограничным слоем (рис. 98) при ламинарном движении основ-
ного потока жидкости или диффузионным подслоем (рис. 99) при
турбулентном движении основного потока жидкости [212].
Для правильного понимания диффузионного пограничного
слоя и диффузионного подслоя необходимо отметить следующее.
Специально поставленные опыты показали, что на весьма малом
расстоянии (порядка 10-5 см) от поверхности твердого тела дви-
274
жение жидкости не прекращается, что как будто бы исключает
молекулярный механизм массопереноса в этой области. Однако
диффузионные пограничные слои значительно меньше гидроди-
намических пограничных слоев (слой Прандтля, вязкий под-
слой), где наблюдается ламинарный режим движения жидкости.
Это дает основание [212] с достаточной достоверностью считать
действительным существование такой зоны, в пределах которой
конвективный массоперенос хотя и существует, но его интенсив-
ность пренебрежимо мала по сравнению с молекулярным.
Рис. 98. Распределение концентра-
ции и структура потока вблизи от по-
верхности твердого тела при лами-
нарном режиме движения жидко-
сти:
с — концентрация, и — скорость, 60 —тол-
щина гидродинамического пограничного
слоя, д — толщина диффузионного погра-
ничного слоя, Со» «о — соответстзенно кон-
центрация и скорость в основном потоке.
Рис. 99. Распределение концент-
рации и структура потока вблизи
от поверхности твердого тела при
турбулентном движении жидко-
сти/
Структура потоков определяется ламинарным (рис. 98) или
турбулентным (рис. 99) режимом движения основного потока
жидкости вблизи от поверхности твердого тела. В последнем слу-
чае образуется четырехслойный поток. Только на расстоянии,
меньшем б, молекулярный механизм переноса начинает преобла-
дать над конвективным. Даже в вязком подслое б0, в котором
турбулентные пульсации чрезвычайно- малы и переносят меньшее
количество движения, чем молекулярная вязкость, конвективный
массоперенос все еще остается доминирующим вследствие того,
что коэффициент молекулярной диффузии в тысячу раз меньше
кинематической вязкости.
Известны приближенные формулы для определения величи-
275
ны 6 при обтекании пластинки [212], например, для ламинарного
движения жидкости
8 3 |/ . (XV—22)
где D — коэффициент диффузии;
v — вязкость жидкости;
и — скорость жидкости;
х — расстояние от точки набегания потока вдоль пла-
стинки.
Из этого уравнения прежде всего видно, что толщина диффу-
зионного пограничного слоя зависит от коэффициента диффузии,
т. е. при одной и той же скорости движения жидкости и каждому
данному диффундирующему веществу соответствует свое значе-
ние 6. Вдоль пластинки б увеличивается пропорционально корню
квадратному из расстояния х. Качественно толщина диффузион-
ного подслоя зависит от тех же факторов, что и толщина диффу-
зионного пограничного слоя, но математическое выражение
имеет более сложный вид [212]. Толщина диффузионного1 погра-
ничного слоя обычно колеблется в пределах 5-10~4—5-Ю”1 мм
[374].
Необходимо отметить, что за счет тангенциальной составляю-
щей скорости в диффузионных пограничных слоях происходит
перенос вещества вдоль поверхности твердого тела, протекаю-
щий тем интенсивнее, чем дальше от твердого тела находится
рассматриваемая точка в слое.
Таким образом, диффузионный пограничный слой и диффузи-
онный подслой включают как молекулярный, так и конвективный
массоперенос в нормальном и тангенциальном направлениях,
однако в пределах этих слоев массоперенос контролируется
молекулярным механизмом. Поэтому в дальнейшем при рассмот-
рении экстракции растительных масел конвективным переносом
в пограничных слоях мы будем пренебрегать.
Была сделана попытка аналогичного подхода к системам
жидкость — жидкость (газ, пар). Эта попытка сформировалась
в так называемую двупленочную теорию Льюиса и Уитмена,
впервые изложенную в связи с изучением абсорбции газов [449].
Основные положения двупленочной теории сводятся к следую-
щему.
На межфазной границе со стороны каждой фазы находится
относительно тонкая пленка (газовая, паровая, жидкостная),
внутри которой сосредоточено основное сопротивление массопе-
реиосу из одной фазы в другую. Граница раздела между плен-
ками является поверхностью стационарного массопереноса
(— = const1, причем диффузионный поток внутри фаз пропорцио-
276
нален разности концентраций (или разности парциальных дав-
лений для газовой и паровой фаз). Общее сопротивление равно
сумме частных сопротивлений в пленках. Мерой их являются
обратные величины частных (пленочных) коэффициентов массо-
переноса. Например, для системы газ—жидкость они равны
Kr = , (XV—23)
^Тог
Кж = -^-, . (XV-24)
«ж
где Dr, DK—коэффициенты молекулярной диффузии газа и
жидкости;
<5г, бж—толщина газовой и жидкостной пленок;
7? —газовая постоянная;
Т — абсолютная температура.
Таким образом, по двупленочной теории скорость массопере-
носа контролируется скоростью медленно протекающей молеку-
лярной диффузии. Это и является принципиальным недостатком
теории, в связи с чем она была подвергнута обоснованной кри-
тике и признана неудовлетворяющей интенсифицированным про-
цессам для систем жидкость—жидкость (пар, газ) [156, 157, 164,
165, 166, 405]. Указанная теория может удовлетворительно опи-
сывать закономерности медленно протекающих процессов.
С учетом нестационарности массопереноса на границе раз-
дела фаз и при допущении кратковременности контакта фаз
в теории проницания Хигби [158] коэффициент массопереноса
пропорционален коэффициенту диффузии не в первой степени,
как в двупленочной теории, а в степени Уг, что для некоторых
процессов уже лучше согласуется с опытом. Теория Хигби разви-
валась в работах Данквертца [405] и Кишиневского [164, 165, 166]
на основе введения понятия об обновлении поверхности контакта
фаз. В этих работах допущение о пограничных пленках не при-
нимается и большая роль отводится турбулентной диффузии.
Кишиневский считает основной кинетической характеристикой
массопереноса коэффициент эффективной диффузии Dm:
Dm = D + ед, (XV-25)
т. е. диффузионный поток через межфазную поверхность опреде-
ляется уравнением типа (XV—9).
При исследовании систем жидкость — жидкость (газ, пар)
в последние годы большое внимание уделяется межфазной
турбулентности, интенсифицирующей массоперенос. Сформули-
рованы необходимые и достаточные условия возникновения
межфазной турбулентности [158, 159]: различие в скоростях,
плотностях потоков и изменение поверхностного натяжения.
277
Результат гидродинамического взаимодействия жидкостного
и газового потоков в связи с различием их скоростей показан на
рис. 100 [158]. Благодаря различному направлению скоростей
потоков и сил торможения, возникающих на поверхности жид-
кости из-за ее вязкости, образуются пары сил, вращающие
пограничные слои и вымывающие их в вихри. Вихреобразование
приводит к нарушению молекулярного механизма массопереноса
через межфазную поверхность и значительному увеличению
—------- Поток газа
] ___________LL \^\_^__Мерыости
УТИ Г Ш Н I П t V f [штокта
--------•- Поток шидкости
Рис. 100. Гидродинамическое взаимодействие газового
и жидкостного потоков:
а — поверхность контакта без вихреобразования; б — поверх-
ность контакта с вихреобразованием.
межфазной поверхности в единице объема. В целом это способ-
ствует ускорению процесса. Механизм действия различных плот-
ностей потоков также сводится к вихреобразованию.
Изменение поверхностного натяжения в связи с местными
мгновенными изменениями концентрации и температуры приво-
дит к нестабильности межфазной поверхности, что также благо-
приятно сказывается на интенсивности массопереноса.
Рассмотренные представления для систем твердое тело —
жидкость и жидкость — жидкость (газ, пар) могут быть полезны
для принципиального- анализа некоторых явлений массопереноса
в процессах экстракции и дистилляции. Однако для каждого
конкретного процесса или метода ведения данного процесса
необходимы новые положения по межфазной турбулентности
или, как минимум, дополнение или конкретизация изложенных
теорий.
278
Глава XVI. КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ ПО ВЛАЖНОСТИ
(СУШКА И УВЛАЖНЕНИЕ)
СВЯЗЬ ВЛАГИ С МАТЕРИАЛОМ
Формы и виды связи влаги с материалом, наряду со струк-
турными свойствами его определяющие закономерности внутрен-
него переноса массы (а частично и тепла) в процессах сушки и
увлажнения, широко освещены в отечественной литературе [93,
146, 208, 228, 288, 308] и базируются главным образом на работах
акад. П. А. Ребиндера.
Классификация форм и видов связи влаги с материалами
исходит из физической природы связи, определяющей ее качест-
венные признаки, и из энергии связи, отражающей количествен-
ные признаки. Под энергией связи понимается изотермическая
свободная энергия связи при данном влагосодержании1 мате-
риала, т. е. энергия, которую надо затратить в условиях постоян-
ства температуры и влагосодержания для отрыва от материала
1 моля воды. Величина энергии связи определяется из уравне-
ния [308]:
Е-1ЕГ\п-Х-^ _ (XVI—1)
Р(Ш)
где R— газовая постоянная;
Т — абсолютная температура;
ps — давление насыщенного пара свободной воды;
p(w) — парциальное давление пара воды, равновесного с ма-
териалом данного влагосодержания, при той же тем-
пературе;
m — —i-i—
P(w)
Для свободной воды p(w) = ps, ф = 1 и энергия связи Е = 0.
Различают следующие формы и виды связи влаги с материалом:
химическая связь; физико-химическая связь, подразделяемая
на адсорбционно связанную влагу, осмотически удержанную
(влага набухания), структурную (частично к физико-химиче-
ской относится капиллярно связанная влага); физико-механи-
ческая связь, к которой относится влага макрокапилляров
(средний радиус капилляров больше 10-5 см) и влага микро-
капилляров (средний радиус капилляров меньше 10-5 см). Ос-
нованием для деления всех капилляров на макро- и микрока-
пилляры является давление пара над мениском или сравнение
1 В теории сушки под влагосодержанием материала понимается его
влажность на абсолютно сухое вещество. Обычно влагосодержание обозна-
чается буквой и и имеет размерность кг ьлятм1кг материала [228].
279
длины свободного пробега молекулы пара с радиусом капил-
ляра [93, 228].
Энергия связи капиллярной влаги равна нулю, т. е. с энерге-
тической точки зрения эта влага является свободной.
К физико-механической форме связи относят еще и связь
смачивания, появляющуюся в результате прилипания воды при
непосредственном соприкосновении с телом, и иногда структур-
ную связь [228].
Рассмотренные формы связи влаги с материалом обладают
четкими энергетическими барьерами: энергия физико-механиче-
ской формы связи, как правило, равна нулю (энергетически это
свободная влага), физико-химической — определенной, но отно-
сительно небольшой величине и, наконец, переход к химической
форме сопровождается резким увеличением энергии связи. Этого
нельзя сказать О’ видах связи (адсорбционная, осмотическая
и т. д.) в пределах физико-химической формы. Можно лишь
предположить, что наибольшей энергией связи данной формы
обладает адсорбционная влага. По-видимому, для различных
конкретных материалов, в частности для масличных семян и про-
дуктов их переработки, в принципе возможно установить числен-
ные значения энергии различных видов связи в пределах физико-
химической формы, если исходить из совмещения термограмм и
кривых сушки, как они представлены в опубликованной работе
[148], с изотермами адсорбции.
Как видно’ из рис. 101 *, энергия связи влаги для различных
масличных семян имеет одинаковый характер зависимости от
влагосодержания: в области относительно низкого влагосодер-
жания, соответствующего, как правило, влажности более низкой,
чем безопасная для хранения, энергия связи быстро падает по
закону, близкому к линейному, после чего кривая плавно’ при-
ближается к оси абсцисс. При некотором влагосодержании, со-
ответствующем гигроскопической влажности, энергия связи пре-
вращается в нуль: выше этого влагосодержания в масличных
семенах может накапливаться лишь свободная влага. Семена
подсолнечника обладают несколько меньшей энергией связи
влаги, чем семена сои, хлопчатника и льна.
Интересно по изотерме десорбции проследить ход суш-
ки (рис. 102), что позволяет конкретизировать классифика-
цию связи влаги с материалом применительно к данному про-
цессу. При изменении ср от 0 до 0,1 кривая обращена выпукло-
стью к оси влагосодержания, что характерно для влаги мономо-
лекулярной адсорбции. Второй участок изотермы, соответствую-
щий изменению ср от 0,1 до 0,9, обращен выпуклостью к оси отно-
сительной влажности воздуха и отвечает влаге полимолекулярной
адсорбции. Наконец, участок изотермы при изменении ср от 0,9 до
Кривые построены по опубликованным данным [288].
280
70
О 0,05 0,10 0,i5 0,20 0,25 0,30 0,35
PaSновееное удельное благосодерщание и, не/кг
Рис. 101. Зависимость энергии связи влаги в
масличных семенах от их влагосодержания.
Облаыпо гигеоскопичесгего сосчполнил Обпасспо блашного
Наксиналоное гигроскопическое благо- '
[_;ссоерщание ।
------------------- благосоВершание наттала
Рис. 102. Графическая интерпретация процесса сушки
на базе изотермы десорбции:
р—давление пара над материалом, —давление пара над
свободной жидкостью, Рн—давление насыщенного пара над сво-
бодной жидкостью.
281
1.0 соответствует в основном влаге микрокапилляров. Такой
анализ связи влаги с точки зрения процесса сушки представлен
в ранее опубликованной работе [93]. Процессу сушки (удалению
воды) в принципе аналогичен процесс отгонки органических
растворителей из шрота. О формах и видах связи органических
растворителей со шротом можно сказать то же, что было сказано
о формах и видах связи воды. Особенность состоит в том, что
при удалении растворителя из шрота приходится иметь дело не
с чистым растворителем, а с раствором масла в растворителе.
МЕХАНИЗМ СУШКИ И УВЛАЖНЕНИЯ
Механизм сушки и увлажнения капиллярнопористых кол-
лоидных тел, к которым относятся масличные семена, опреде-
ляется закономерностями массо- и теплопереноса внутри тел,
снаружи тел (в газовом или паровом пространстве) и на грани-
це раздела между твердой и газообразной (паровой) фазами * *.
Рассмотрим последовательно закономерности внутреннего и
внешнего массо- и теплопереноса и явления на границе раздела
фаз [93, 147, 192, 208, 226—232, 273, 356]. Механизм внутреннего
массо- и теплопереноса в основном определяется формой (видом)
связи влаги с материалом, структурой капиллярнопористого кол-
лоидного тела и режимом сушки. Внутренний массо- и теплопе-
ренос оказывает существенное влияние не только на величину
скорости сушки (увлажнения), но и на химические превращения
веществ высушиваемых (увлажняемых) тел и на их структурно-
механические свойства, т. е. непосредственно связан с влиянием
сушки (увлажнения) на последующие технологические процессы
переработки, что имеет большое значение в производстве расти-
тельных масел.
Внутри капиллярнопористых коллоидных тел в ходе их сушки
могут наблюдаться следующие виды переноса влаги:
диффузия жидкости;
диффузия пара;
молярный (конвективный) перенос жидкости и пара;
«проталкивание» жидкости в направлении потока тепла бла-
годаря расширению защемленного воздуха при повышении тем-
пературы;
эффузия (молекулярное течение) пара в микрокапиллярах
(г< 10~5 см) *;
1 Это справедливо для условий конвективной сушки и увлажнения путем
сорбции влаги из насыщенного пара. Эти способы сушки и увлажнения
являются основными в производстве растительных масел. Исследуется суш-
ка подсолнечных семян в поле токов высокой частоты [401, 427].
* Под эффузией понимается направленное (а не хаотическое, как при
диффузии) движение молекул пара, причем ее особенность — перенос вещест-
ва от менее к более нагретым местам микрокапилляров. Эффузия возникает
именно в микрокапиллярах, т. е. когда длина свободного пробега молекул
пара соизмерима с радиусом капилляров.
282
тепловое скольжение пара в макрокапиллярах (г> 10“5 см),
возникающее при наличии перепада температуры по длине сте-
нок капилляра и состоящее в том, что у поверхности стенок ка-
пилляра влажный воздух движется против потока тепла, а по
оси капилляра — в направлении потока тепла;
молярный перенос смеси жидкости с паром (или только пара)
под действием градиента давления, возникающего внутри капил-
лярнопористого1 коллоидного тела;
капиллярное движение жидкости при испарении и конденса-
ции влаги;
термодиффузия жидкости и пара;
избирательная диффузия жидкости под действием разности
осмотических давлений.
В случае увлажнения капиллярнопористых коллоидных тел
возникает капиллярное впитывание сконденсированной жидко-
сти.
Все указанные явления уже рассматривались подробно [227].
Доля каждого из перечисленных явлений в интенсивности
сушки (увлажнения) зависит от режима процесса и свойств вы-
сушиваемого (увлажняемого) тела. Эти явления многочисленны
и имеют различную физическую природу, в связи с чем меха-
низм процессов сушки (увлажнения) чрезвычайно сложен. Не-
возможно представить уравнение, которое учитывало бы все ука-
занные физические явления. Однако уравнения с обобщенными
коэффициентами получены [208, 227—232] и их анализ представ-
ляет значительный теоретический и прикладной интерес.
В мягких условиях сушки, когда температура твердой фазы
(семян) ниже 100 °C, влага перемещается под действием гради-
ента массосодержания (влагосодержания) и градиента темпера-
туры. В этом случае общий поток влаги дт можно условно раз-
бить на два потока: qmu, обусловленный массопроводностью
(влагопроводностью), и qmt, обусловленный термомассопровод-
ностью (термовлагопроводностью):
qm = qmu+qmt- (xvi-2)
Явление термовлагопроводности впервые было открыто и
обосновано А. В. Лыковым [225]. За кинетический коэффициент
этого явления принимается коэффициент термовлагопроводно-
сти или термоградиентный коэффициент.
В развернутом виде уравнение (XVI—2) записывается следу-
ющим образом:
(XVI—3)
)
где ат= ---- —коэффициент потенциалопроводности вещест-
ст То w
ва, ж2/ч;
283
— коэффициент массопроводности (влагопро-
водности), кг/(м-ч);
ст — массоемкость материала, кг/кг-,
уо — плотность сухого материала, кг/м3-,
\и — градиент влагосодержания, м~';
8 — термоградиентный коэффициент, 1/°С;
у/ — градиент температуры, °С/ж;
у — оператор Гамильтона1.
Для рассматриваемых мягких условий сушки уравнение не-
стационарной массопроводности будет следующим (для одной
оси х):
ди д2и , s дЧ /Azin «м
---= ат-------Ь ат8----. (XVI—4)
Щ т дх2 дх2
Коэффициенты ат, \т и б являются функциями температуры
и влагосодержания (см. главу II).
Анализ уравнения (XVI—3) позволяет сформулировать усло-
вия сушки или увлажнения материала. Это зависит от знака и
величины градиентов влагосодержания и температуры. При от-
рицательных знаках градиентов направление вектора потока
влаги не совпадает с направлением градиентов и происходит пе-
ремещение влаги из внутренних слоев материала к наружным
(сушка). При положительных знаках градиентов уравнение
(XVI—3) будет соответствовать перемещению влаги от наруж-
ных слоев материала к внутренним (увлажнение). Это может
произойти, когда температура и влажность в поверхностных
слоях материала больше, чем во внутренних, если только интен-
сивность явлений, развивающихся в направлении, противопо-
ложном градиенту температуры (эффузия, частично тепловое
скольжение пара), не выше интенсивности явлений влагопро-
никновения внутрь материала.
При конвективной сушке влага перемещается из внутренних
слоев материала к наружным в основном за счет градиента вла-
госодержания, а градиент температуры, направленный, наоборот,
внутрь частиц, тормозит сушку. Для конвективной сушки поток
qmt в уравнении (XVI—2) имеет отрицательное значение.
В жестких условиях сушки, когда температура твердой фазы
(семян) выше 100 °C или выше температуры насыщения окружа-
ющей среды при данном давлении, возникает дополнительный
фактор, под действием которого происходит перенос влаги глав-
ным образом в виде пара, по типу фильтрации через пористые
1 Оператор Гамильтона для влагосодержания, например, имеет следую-
щий вид:
ди , ди . ди
дх ду dz
284
среды. Это так называемый нерелаксируемый градиент давле-
ний [208].
Градиент давлений образуется благодаря тому, что чем даль-
ше данная точка внутри материала расположена от его поверх-
ности, тем большее сопротивление оказывает вся система капил-
ляров, через которые проходит пар при его движении к поверх-
ности. Возникновение общего градиента давления внутри тела
возможно и при температуре ниже 100 °C благодаря перепаду
давления между средами, разделенными пористой перегородкой,
и эффузионному натеканию воздуха по микрокапиллярам
внутрь тела [232]. Явление переноса влаги в виде пара тесным
образом связано с одной очень важной особенностью механизма
сушки — углублением поверхности испарения в ходе процесса
[228, 230]. По мере углубления поверхности испарения градиент
давления возрастает, так что доля этого вида массопереноса уве-
личивается в ходе сушки.
Поэтому для жестких условий сушки вместо уравнения
(XVI—2) необходимо написать:
Ят = Яти + Я mt +Ятр’ (XVI 5)
где qmp — плотность потока влаги, перемещающейся за счет
градиента давления.
Кинетическим коэффициентом этого потока влаги является
коэффициент молярного переноса пара D.
Уравнение (XVI—5) в развернутом виде записывается сле-
дующим образом:
Ят = - «Ло ~ - КЛб (XVI—6)
дх дх дх
а уравнение нестационарной массопроводности соответственно:
ди д‘2и х дЧ । п д2р
Рт дх2 т дх2 дх2
(XVI-7)
Поток пара, движущегося под действием градиента давления
др
— , может захватывать частицы жидкости, так что не исклю-
дх
чено движение паро-жидкостной эмульсии. Коэффициент, моляр-
ного переноса пара зависит от влажности, температуры и внут-
ренней структуры материала.
При высокотемпературной (> 100 °C), жесткой сушке перенос
влаги осуществляется главным образом в виде пара под дейст-
вием градиента давлений, а роль градиентов влагосодержания
и температуры очень мала. В уравнениях массопроводности —
уравнениях (XVI—6) и (XVI—7) — основная роль принадлежит
членам с р, Наоборот, в мягких условиях сушки /?~0, и урав-
285
нения (XVI—6) и (XVI—7) превращаются соответственно в
уравнения (XVI—3) и (XVI—4).
Явления на границе раздела фаз подробно исследованы в свя-
зи с изучением механизма конвективной сушки [273]. Анализ по-
ля температуры и влажности воздуха вблизи от поверхности
твердого тела (рис. 103) показывает, что в пределах определен-
ной величины нормали к поверхности тела зависимость носит
линейный характер. Продолжение прямых температуры и влаж-
ности воздуха до пересечения с осью расстояний дает значения
Рис. 103. Распределение безразмерной тештературы
t и безразмерной влажности воздуха <р вблизи
от поверхности твердого тела
- tc — t
t=-- ---- ,
tc tn
где tc, tn и t — температуры соответственно среды,
поверхности тела и воздуха на данном расстоянии
от поверхности твердого тела
- ф~ фс
Ф =---------->
?п — ?С
где фс, Фп и ф — относительная влажность соответ-
ственно воздуха среды, воздуха на поверхности тела
и воздуха на данном расстоянии от поверхности
тела.
условных пограничных слоев влажности 8$ и температуры 8т•
В пределах этих условных пограничных слоев перенос массы ве-
щества (влаги) и тепла осуществляется молекулярно-конвек-
тивным путем. Конвективный механизм массо- и теплопереноса
возникает главным образом при наличии градиента давления,
т. е. в жестких условиях сушки. В мягких условиях сушки меха-
низм массо- и теплопереноса в пограничных слоях остается в
основном молекулярным. По мере удаления от поверхности тела
возрастает доля конвективного переноса массы и тепла, и в ядре
потока этот механизм становится преобладающим. С другой сто-
286
роны, по мере углубления поверхности испарения в ходе сушки
диффузионный перенос массы в пограничном слое заменяется
смешанным — диффузионно-эффузионным механизмом переноса
в зоне испарения. Это может привести к возникновению градиен-
та общего давления у поверхности тела и, следовательно, к кон-
вективному переносу в пограничных слоях [273],
Отметим также, что шероховатость поверхности тела, если
она не выходит за пределы пограничных слоев, не оказывает су-
щественного влияния на перенос массы и тепла в них [228].
Однозначно ответить на вопрос, каков механизм массо- и теп-
лопереноса в пограничных слоях, невозможно. Доля молекуляр-
ного и конвективного переноса зависит от условий сушки.
Из рис. 103 видно, что поля температуры и концентрации па-
ра вблизи от поверхности тела не являются подобными.
Наряду с молекулярным переносом массы и тепла вблизи от
поверхности твердого тела отмечается также перенос количества
движения (внутреннее трение). Каждый из этих видов молекуляр-
ного переноса оказывает влияние на другой, так что могут воз-
никнуть новые явления (например, термодиффузия).
Полный поток вещества во влажном воздухе равен сумме
диффузионного, термодиффузионного и конвективного пото-
ков [227]:
(1т = + 4mt + (XVI—8)
или соответственно в развернутом виде:
qm=-DVW1-^W1
(XVI—9)
где D — коэффициент диффузии;
^1, ^2 —концентрации влаги на расстояниях Xi и х2 от по-
верхности тела;
Т — абсолютная температура;
Кт — термодиффузионный коэффициент;
Hi, Ц2 — молекулярная масса соответственно жидкости (во-
ды) и газа (воздуха);
v — скорость конвективного потока в направлении нор-
мали к поверхности.
Уравнения (XVI—8) и (XVI—9) получены при рассмотрении
воздуха как бинарной газовой смеси.
Механизм сушки и увлажнения масличных семян в настоя-
щее время еще почти не изучен. В частности, на основании ис-
следования [190] можно сказать, что при сушке семян подсолнеч-
ника в слое влияние внешнего массопереноса велико в начале
процесса, поскольку в это время увеличение скорости сушиль-
ного агента резко повышает интенсивность сушки. В ходе про-
цесса роль.внешнего массопереноса уменьшается, и в конце про-
287
цесса скорость его определяется главным образом внутренним
массопереносом. С повышением температуры сушильного агента
эффективность влияния роста скорости его движения также сни-
жается, что в свою очередь свидетельствует о перенесении
основного сопротивления внутрь семян при интенсификации про-
цесса.
Увлажнение хлопковых семян [85] начинается с проникнове-
ния влаги через капилляры шелухи, в частности через отверстие
в палисадном слое клеток семени. Через воздушную прослойку
между шелухой и ядром влага проходит к поверхности ядра под
влиянием градиента температуры. От поверхности ядра к его
внутренним слоям влага проникает посредством термовлагопро-
водности и влагопроводности, а по истечении определенного вре-
мени, когда градиент температуры станет равным нулю (темпе-
ратура выравняется по сечению семени) —посредством только
влагопроводности.
КИНЕТИКА СУШКИ И УВЛАЖНЕНИЯ
Сушка масличных семян, как и большинства твердых тел,
протекает в два периода. Первый называется периодом постоян-
ной скорости, второй — периодом падающей скорости. Иногда
сушку твердых тел делят на три периода [192], причем под по-
следним, третьим, понимают период, в котором скорость сушки
стремится к нулю. В большинстве современных работ [93, 208,
227, 228, 230] этот так называемый третий период рассматри-
вается как одна из фаз второго периода. Были получены харак-
терные кривые сушки (рис. 104) и кривые скорости сушки
(рис. 105) семян подсолнечника [185, 190]. Период постоянной
скорости сушки отличается прямолинейной зависимостью влаго-
содержания от времени (рис. 104) или соответственно прямым
горизонтальным участком кривых скорости сушки (рис. 105).
Период падающей скорости сушки, наоборот, характеризуется
криволинейной зависимостью влагосодержания от времени
(рис. 104) или соответственно наклонными линиями скорости
сушки (рис. 105). Влажность семян, при которой происходит
переход из периода постоянной в период падающей скорости
сушки, называется критической влажностью. Она зависит, как
видно из рис. 105, от исходной влажности семян и режима суш-
ки. Величина скорости в первом периоде при данном исходном
влагосодержании обусловливается в основном внешними усло-
виями: температурой, влажностью и скоростью движения
сушильного агента. Уже в первом периоде начинается перерас-
пределение влаги внутри материала, в результате чего появ-
ляется градиент влагосодержания. В конце первого периода
влажность поверхностного слоя материала становится равной
равновесной для данных параметров сушильного агента (влаж-
288
I
Рис. 104. Кривые сушки семян подсолнечника в слое
высотой 50 мм в лабораторных условиях при темпе-
ратуре агента сушки (в °C)
/—80, 2—120, 3—180, /—240.
Рис. 105. Кривые скорости сушки семян подсолнечника
(обозначения те же, что и на рис. 104).
10 в в. Белобородов
289
Продолшигпелоноста обработки лором , мин
Рис. 106. Кривые увлажнения хлопко-
вых семян:
/ — влага проникшая, II — влага поверхност-
ная.
ности и температуры). С этого момента скорость сушки начинает
снижаться потому, что непрерывно падает градиент влагосодер-
жания, и количество жидкости, подводимой к поверхности испа-
рения, уменьшается. Во втором периоде на скорость сушки очень
большое, а иногда и полностью определяющее влияние оказы-
вают закономерности внутреннего массо- и теплопереноса, зави-
сящие от форм и видов связи влаги с материалом, его внутрен-
ней структуры, способа подвода тепла и температурного уровня
процесса (мягкие или же-
сткие условия сушки). Вто-
рой период сушки — типич-
но нестационарный процесс.
О кинетике увлажнения
можно судить по кривым
увлажнения или кривым
скорости увлажнения. На
рис. 106 показаны кривые
увлажнения хлопковых се-
мян методом, применяемым
в промышленности: пред-
варительное смачивание во-
дой с последующей обра-
боткой паром без избыточ-
ного давления [85]. Кривая
I отражает проникновение
влаги внутрь семян. В нача-
ле процесса наклон кривой
уменьшается, что должно
соответствовать уменьше-
нию скорости. Начиная с
определенного количества введенной влаги, кривая увлажнения
спрямляется, т. е. скорость увлажнения становится постоян-
ной. Имеющиеся кривые увлажнения [85] аналогичны кривой /
на рис. 106.
Таким образом, увлажнение, так же как и сушка, характери-
зуется двумя периодами, развивающимися в обратном по срав-
нению с сушкой порядке: периодом падающей скорости и перио-
дом постоянной скорости увлажнения. Это остается правильным
лишь при увлажнении семян до определенного значения их
влажности, обычно достигаемого в промышленных условиях пе-
реработки хлопковых семян. При очень большом увлажнении
величина влажности может приблизиться к максимально воз-
можной влагоемкости семян. В этой области должен возникнуть
третий период увлажнения — опять период падающей скорости,
абсолютное значение которой при достижении максимальной
влагоемкости семян превратится в нуль. Соображения относи-
тельно периодов увлажнения хлопковых семян следует считать
290
предварительными, поскольку в настоящее время этот вопрос
вообще изучен еще недостаточно.
Как видно из рис. 106, при отлежке семян в атмосфере пара
количество поверхностной влаги (кривая II) вначале возрас-
тает, и в точке, приблизительно соответствующей переходу про-
цесса в период постоянной скорости увлажнения, достигает мак-
симума, после чего начинает уменьшаться: в ходе отлежки се-
мян происходит перераспределение между поверхностной и
внутренней влагой.
УСЛОВИЯ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ СУШКИ
Эффективность сушки масличных семян зависит от большого
числа различных факторов. Рассмотрим главные из них, связан-
ные с состоянием слоя семян и внешними условиями сушки —
температурой и скоростью движения сушильного агента.
Сушка масличных семян может производиться в различном
состоянии: неподвижном (сушка в насыпи), малоподвижном (в
шахтных и жалюзийных сушилках), перемешиваемом полувзве-
шенном (в барабанных сушилках), в кипящем слое (в ротацион-
ной сушилке с кипящим слоем), во взвешенном (в пневмосу-
шилках) . В неподвижном или малоподвижном слое сушка семян
происходит медленно и неравномерно. Относительно небольшая
скорость сушки при таком состоянии слоя может быть объясне-
на уменьшением поверхности контакта фаз на величину поверх-
ности соприкосновения между семенами и малой скоростью
движения сушильного агента, которая ограничена сопротивлени-
ем слоя семян. Неравномерность сушки семян — следствие либо
неодинаковой нагрузки различных сечений слоя по сушильному
агенту, либо, как указывалось [189], — неравномерности пере-
движения семян в сушилке. Неравномерность сушки семян в
перемешиваемом полувзвешенном состоянии в барабанных су-
шилках [189, 298] объясняется неравномерностью их передвиже-
ния в этих сушилках [298]. Сушка семян в кипящем слое отли-
чается большой скоростью, поскольку практически вся их по-
верхность является поверхностью контакта фаз и велика ско-
рость движения сушильного агента. Равномерность сушки в ро-
тационной сушилке с кипящим слоем [64] относительно высока,
так как конструктивными особенностями сушилки обеспечено
почти одинаковое время сушки отдельных семян при интенсив-
ном их перемешивании. Сушка во взвешенном состоянии, так же
как и в кипящем слое, характеризуется большой скоростью —
процесс длится в течение нескольких секунд. Однако именно
чрезвычайно малая продолжительность сушки не дает возмож-
ности получить одинаковую влажность всех семян, поскольку
различие в их влажности не успевает нивелироваться.
Температура и скорость движения сушильного агента на эф-
10* 291
фективность сушки семян подсолнечника [185, 186, 188, 190] и
клещевины [355] в неподвижном слое влияют следующим обра-
зом. При сушке семян подсолнечника в неподвижном слое повы-
шение температуры сушильного агента закономерно увеличивает
скорость сушки. Чем ниже исходная влажность семян, тем более
интенсифицируется процесс при повышении температуры сушиль-
ного агента. С другой стороны, чем выше исходная влажность
семян, тем, при данной температуре сушильного агента, больше
Рис. 107. Температурные кривые семян подсолнеч-
ника при исходной влажности на сухое вещество
(влагосодержании) 23,46% и температуре сушиль-
ного агента (в °C):
1—80, 2—120, 3—180, 1—240.
скорость их сушки. С ростом температуры сушильного агента
повышается температура нагрева семян, однако характер темпе-
ратурных кривых зависит от исходной влажности семян. При от-
носительно высокой исходной влажности возникает период по-
стоянной температуры (рис. 107). В этом периоде температура
нагрева семян немного выше температуры испарения воды со
свободной поверхности. С понижением исходной влажности се-
мян период постоянной температуры становится менее отчетли-
вым и при определенной исходной влажности сушка протекает в
условиях непрерывного повышения температуры нагрева се-
мян [190].
С увеличением скорости движения сушильного агента ско-
рость сушки семян подсолнечника значительно возрастает
(рис. 108). Как было отмечено, влияние скорости сушильного
агента особенно велико в первом периоде процесса. В ходе сушки
роль скорости сушильного агента уменьшается, что хорошо видно
из рис. 108. Чем ниже температура сушильного агента, тем
больше интенсифицируется сушка с повышением скорости
292
а Ю 20 30 1,0 50 № 10 80 S0 №01, мин
Рис. 108. Кривые сушки и скоро-
сти сушки семян подсолнечника
в слое при температуре сушиль-
ного агента 80 °C и скорости (в
м/сек):
/—0,05, 2—0,17, 3—0,35.
сушильного агента, что в принципе позволяет прийти к низкотем-
пературным режимам конвективной сушки.
Необходимо отметить, что в выполненном исследовании для
изменения скорости сушильного агента изменяли его расход
[186]. Поэтому рассмотренные зависимости отражают одновре-
менное действие двух факторов — собственно скорости и разно-
сти между влажностью семян и влажностью сушильного аген-
та — и не могут связываться только с гидродинамикой процесса.
Эти зависимости имеют скорее
прикладное, чем научное зна-
чение.
С увеличением толщины
слоя семян подсолнечника зна-
чительно увеличивается про-
должительность сушки (до
средней влажности 7%) и
удельный расход сушильного
агента [188]. По высоте слоя
температура сушильного аген-
та быстро снижается до по-
стоянной, равной температуре
отходящего агента. Оптималь-
ной высотой слоя является
75—100 мм. Сушка в более
тонком слое связана с боль-
шим удельным расходом воз-
духа из-за неполного исполь-
зования его сушильного по-
тенциала. Сушка в слое тол-
щиной 150—225 мм и выше не
обеспечивает равномерного прогрева и высушивания семян.
Так же как и при сушке семян подсолнечника, при сушке
семян и коробочек клещевины наблюдается увеличение скорости
с ростом удельной подачи воздуха и его температуры, причем
для клещевины зависимости эти носят линейный характер [355].
Для слоя высотой 1,5 м (сушка в насыпи) получена следующая
эмпирическая зависимость для скорости сушки:
—) =9,7-10-6(9 + 600) (^—5), (XVI-10)
Дт /ср
где (—- I —средняя скорость сушки за 1 час, %;
/ср
q —удельная подача воздуха, я3/(ч-т');
6 —температура воздуха при поступлении в насыпь,
°C.
Формула (XVI—10) верна в пределах 9 = 200—3400 я3/(ч-т),
6=30—80 °C и начальной влажности клещевины до 35%.
293
Закономерности удаления влаги при активном вентилирова-
нии масличных семян атмосферным воздухом должны быть в
общем аналогичны закономерностям сушки в неподвижном слое
(в насыпи). Если при активном вентилировании одновременно с
подсушкой семян происходит их охлаждение, то в противополож-
ность конвективной сушке градиент температуры способствует
удалению влаги, и поток qmt в уравнении (XVI—2) имеет поло-
жительный знак. В принципе так же протекает охлаждение се-
мян после их сушки, при котором, как известно [298], тоже на-
блюдается удаление небольшого количества влаги.
КРИТЕРИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ
Система дифференциальных уравнений переноса тепла и
массы — уравнение (XVI—7), а также молярного переноса
массы под действием градиента давления с учетом граничных
условий в результате преобразования позволяет прийти к сле-
дующим критериальным уравнениям для переноса массы и
тепла [232]:
и(х,т)-и(х,0) = Bi к F (XVI-11)
и (х,0) — Up \ R J
_8(хл)-8(*,О) = VLu Bi к-о р F в (XVI—12)
tc — 8 (х,0) ' \ R)
где Lu= — — критерий Лыкова;
Bi= — —теплообменный критерий Био;
а R
Bim= —-----массообменный критерий Био;
ат
„ r^U - 17
Ко =----—критерии Коссовича;
Cght
Г, дМ „
Рп=--------критерии Поснова;
Ди
е= — —критерии фазового превращения; ,
du
Fom=— —массообменный критерий Фурье;
R2
Fo = — теплообменный критерий Фурье;
Ви= ГСь^Р — критерий Булыгина;
с9ДТ
—----симплекс геометрического подобия;
294
и(х, х), 6 (%, т) —соответственно влагосодержание и темпера-
тура в точке тела х в момент времени т;
и(х, о), 6(%, о) —соответственно влагосодержание и темпера-
тура в точке тела х в начальный момент
времени (т=0);
/с—температура сушильного агента;
ир—равновесное влагосодержание материала;
ат — коэффициент потенциалопроводности массо-
переноса;
aq — коэффициент потенциалопроводности тепло-
переноса (коэффициент температуропровод-
ности) ;
а — коэффициент теплоотдачи;
R—характерный геометрический размер;
Rq — коэффициент теплопроводности;
аи — коэффициент массоотдачи;
г — скрытая теплота испарения;
6—термоградиентный коэффициент;
t—температура, °C;
Т — абсолютная температура;
х — время;
Съ—характеристика емкости капиллярнопорис-
того тела по отношению к влажному воз-
духу;
Cq—удельная изотермическая теплоемкость ка-
пиллярнопористого тела.
Критерии, входящие в уравнения (XVI—11) и (XVI—12) ха-
рактеризуют следующее [93, 228]:
критерий Лыкова Lu — соотношение между инерционностями
полей массосодержания и температуры в твердом теле;
теплообменный критерий Био Bi — соотношение между интен-
сивностью теплообмена на поверхности твердого тела и его
теплопроводностью, а массообменный критерий Био Bim — соот-
ношение между интенсивностью массообмена на поверхности
твердого тела и его массопроводностью;
критерий Коссовича Ко — соотношение между теплом, затра-
ченным на испарение влаги, и теплом, затраченным на нагрева-
ние тела;
критерий Поснова Рп — относительный перепад влагосодер-
жаний, вызванный перепадом температур в стационарном
состоянии;
критерий фазового превращения е — долю изменения влаго-
содержания тела за счет фазового превращения (испарения) в
общем изменении влагосодержания;
массообменный критерий Фурье Fom — связь между ско-
ростью изменения поля массосодержания, физическими характе-
295
критерий Бухмана Gu
ристиками и размерами тела, теплообменный критерий Фурье
Fo — то же, но для поля температуры;
критерий Булыгина Ви — отношение между теплотой, затра-
ченной на испарение жидкости, удаляемой при помощи фильт-
рационного переноса (под действием градиента давления в теле),
и теплотой нагревания влажного тела.
Уравнения (XVI—11) и (XVI—12) отражают закономерно-
сти лишь внутреннего массо- и теплопереноса, т. е. действитель-
ны в тех случаях, когда внешним сопротивлением переносу мас-
сы и тепла можно пренебречь. Это может наблюдаться в основ-
ном во втором периоде сушки или первом периоде увлажнения.
Однако, как было показано выше, в эффективности процесса
конвективной сушки масличных семян существенная роль, даже
во втором периоде (в его первой фазе), принадлежит внешним
условиям — температуре и скорости движения сушильного аген-
та. Поэтому уравнения (XVI—11) и (XVI—12) должны быть до-
полнены критериями подобия, учитывающими сказанное. Эти
критерии получаются из дифференциальных уравнений движе-
ния, сплошности потока, тепло- и массопереноса для бинарной
паро-газовой (вода и воздух) смеси [232]. В случае вынужден-
ного движения паро-газовой смеси необходимо дополнительно
ввести, при условии пренебрежения явлениями термодиффузии
и диффузионной теплопроводности, критерий Рейнольдса Re =
wR
= —, характеризующим меру отношения сил инерции к силам
V
трения; теплообменный критерий Прандтля Рг = —, массооб-
а9
менный критерий Прандтля Prm=— , соответственно являю-
щиеся мерами относительной инерционности температурных и
скоростных полей (тепловой) и относительной инерционности
полей массосодержания и скорости в потоке (массообменный);
р _______________________Т
—----характеризующий потенциальные
Те
возможности нагретого газа как сушильного агента (этот кри-
терий является параметрическим, т. е. он определяется условия-
ми задачи, а не получается при преобразовании дифференциаль-
ных уравнений), и критерий Ki =----!--, не имеющий специ-
(1 —Рю)
ального наименования, характеризующий влагосодержание су-
шильного агента вблизи от поверхности твердого тела. В этих
критериях ' w — скорость движения сушильного агента; v— ко-
эффициент его кинематической вязкости; Те — абсолютная тем-
пература потока; Тм — температура адиабатического насыще-
ния воздуха; р10 — относительная концентрация пара в сушиль-
ном агенте (рю однозначно связано с влагосодержанием су-
шильного агента).
296
При строгом рассмотрении задачи в принципе необходимо
учитывать явления термической диффузии и диффузионной теп-
лопроводности. Эти явления могут быть учтены введением соот-
ветственно критериев Соре
So = cmQ* = Кт
и Дюфора
Ои = -^-Д
Ср
где ст — удельная изотермическая массоемкость сушильного
агента;
Q* —теплота изотермического массопереноса;
Кт—термодиффузионная постоянная;
ср — теплоемкость сушильного агента.
Критерий Соре So характеризует термодиффузионный эф-
фект, а критерий Дюфора Du является мерой отношения диф-
фузионной теплопроводности к конвективному переносу тепла
при условии равенства линейных скоростей диффузионного и
конвективного переносов [232].
С учетом сказанного полные критериальные уравнения для
переноса массы и тепла в процессах сушки и увлажнения (при
сорбции влаги из воздуха или насыщенного пара) будут иметь
следующий вид:
и (х,т) —и (х,0) _
и (х,0) — ир
= f ^Lu, Bim, Ko, Pn, г, Fom, Bu, Re, Prm, Gu, KP So,
0 (x,t) — 6 (x,0) _
x \
R~/ ’
tc — 9
= / (bu, Bi, Ko, Pn, e, Fo, Bu, Re, Pr, Gu, Du,
(XVI—13)
(XVI—14)
X \
R/
Сложность полученных уравнений отражает сложность про-
цессов сушки и увлажнения. Конкретное значение функций
(XVI—13) и (XVI—14), необходимое для расчетов и анализа
роли отдельных критериев подобия в эффективности процесса,
может быть получено обычным путем — при помощи обработки
данных соответствующим образом поставленных опытов.
Глава XVII. КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ ПО ВЛАЖНОСТИ
И ТЕМПЕРАТУРЕ (ЖАРЕНЬЕ)
ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
Кондиционирование по влажности и температуре в производ-
стве растительных масел — один из основных процессов подго-
товки материала к отжиму, известный под названием жаренья.
Кроме того, кондиционирование по влажности и температуре
применяется в ходе подготовки материала, к получению лепестка
297
перед экстракцией при переработке сои,подсолнечника и других
семян, при получении «хрустящего» лепестка, например, в схеме
фильтрация — экстракция [490], и после экстракции при увлаж-
нении и охлаждении шрота. Разрабатываются специальные виды
жаренья — щелочное жаренье хлопковой мятки [413, 438—440,
442] и жаренье в растворителе [491].
Рассмотрим основной вид жаренья — жаренье мятки (мезги)
перед отжимом масла. Общие закономерности его присущи не-
которым другим видам жаренья, однако каждый способ конди-
ционирования по влажности и температуре (в чанном аппа-
рате, в шнековом аппарате, просто в шнеке) имеет свои осо-
бенности.
Теплофизическими основами кондиционирования по влажно-
сти и температуре являются закономерности массо- (влаго-) и
теплопереноса.
Существуют два типа жаренья: первый (основной) тип —
«влажное» жаренье и второй — «сухое» жаренье [97]. Жаренье
первого типа делится на два этапа: 1) увлажнение и быстрый
нагрев мятки с доведением влажности до оптимальной началь-
ной влажности при жаренье и 2) высушивание увлажненной
мятки с доведением ее влажности и температуры до значений,
оптимальных для отжима масла; при этом происходит формиро-
вание внутренней и внешней структуры мезги, ослабление связи
масла, с материалом и физические изменения масла, в частности
снижение его вязкости. Жаренье второго типа («сухое») состоит
в высушивании мезги с доведением ее влажности и температуры
до оптимальных для процесса отжима значений, в результате
чего происходит определенное формирование структуры мезги
и ее физико-химические изменения.
При жаренье мятки (мезги) в чанных и барабанных жаров-
нях тепло одновременно передается тремя различными спосо-
бами: контактным при соприкосновении частиц мятки (мезги)
с нагретыми поверхностями жаровен; термоизлучением от обо-
греваемых стенок жаровен и днища вышерасположенного чана
(при жаренье в чанных жаровнях); конвекцией путем тепло-
обмена между паровоздушной средой в жаровне и частицами
мятки (мезги)1. Интенсивность каждого из этих способов пере-
дачи тепла при жаренье специально не исследовалась, но можно
предположить, что основное количество тепла (это относится
главным образом ко второму, наиболее продолжительному, этапу
первого типа жаренья и ко второму типу жаренья в целом)
передается контактным способом, поскольку, во-первых, темпе-
ратура нагрева стенок и днищ жаровен относительно невелика
1 При жаренье в поле токов высокой частоты, которое исследуется [427],
основной способ передачи тепловой энергии состоит в диэлектрическом на-
греве материала.
298
(150—160°С), что исключает интенсивное термоизучение, и
во-вторых, острый перегретый пар, как правило, в жаровни не
вводится, так что отсутствует независимый мощный источник
тепла паровоздушной среды. Однако необходимо отметить, что
конвективный теплообмен имеет существенное значение в том
смысле, что влага, испарившаяся за счет нагрева мятки (мезги)
контактным способом и термоизлучением, отдает свое тепло
вышерасположенным и более холодным слоям мятки (мезги),
частично конденсируясь на них; это составляет один из важных
моментов механизма жаренья в чанных жаровнях (самопропа-
ривание)1. На первом этапе первого типа жаренья («влажного»
жаренья) при увлажнении острым паром большое количество
тепла передается непосредственно в результате конденсации
пара (передача скрытой теплоты конденсации) наряду с кон-
тактным нагревом в чанах жаровен или в шнеках (частно пер-
вый этап осуществляется в обогреваемых глухим паром увлаж-
нительно-нагревательных шнеках, которые являются самостоя-
тельными аппаратами) и некоторым нагревом термоизлучением.
С теплофизической точки зрения принципиальное различие
между первым и вторым этапами «влажного» жаренья состоит в
следующем. При увлажнении и нагреве материала градиенты
влагосодержания и температуры направлены в одну сторону —
внутрь частиц материала (влажность и температура наружных
слоев частиц в начале процесса значительно больше, чем внут-
ренних) . Поэтому потоки влаги, вызываемые влагопроводностью
и термовлагопроводностью, также направлены внутрь частиц —
происходит увлажнение и прогрев внутренних слоев частиц.
Одновременно начинает испаряться часть влаги наружных слоев
частиц. Совокупность этих явлений приводит к тому, что знак
градиента влагосодержания меняется на обратный — влажность
внутренних слоев частиц становится больше влажности наруж-
ных. Однако это еще не обязательно вызывает высушивание
внутренних слоев, поскольку в принципе поток влаги, вызы-
ваемый термовлагопроводностью и направленный внутрь частиц,
может быть более интенсивным, чем поток влаги, вызываемый
влагопроводностью и направленный наружу. Наконец, в ходе
процесса наступает такой момент, когда явления влагопровод-
ности становятся более интенсивными, чем явления термовлаго-
проводности, и внутренние слои частиц начинают высушиваться.
Этот момент и можно принять за границу между первым и вто-
1 В настоящее время в ГДР разработано жаренье в тонком слое (около
50 мм) при интенсивном перемешивании с передачей тепла как при помощи
водяного пара, так и при помощи инфракрасных лучей. Жаровни с тонким
слоем материала входят в комплект шнекпрессовых агрегатов ЕТР-18 и
ЕТР-20. Очевидно. что при таком способе жаренья явление самопропаривания
сведено к минимуму.
299
рым этапами «влажного» жаренья. По-видимому, переход пер-
вого этапа во второй наступает относительно быстро, поскольку
в пределах тех средних влажностей материала в начале про-
цесса, которые обычно встречаются при жаренье мятки
(мезги) —приблизительно 6—15%, — численные значения коэф-
фициентов термовлагопроводности (термоградиентных коэффи-
циентов) относительно невелики, а для чистого ядра как колло-
идного тела практически равны нулю (см. главу II). Кроме
того, с ростом температуры, что наблюдается при жаренье, тер-
моградиентные коэффициенты уменьшаются. Поэтому явления
термовлагопроводности при жаренье мятки с малым содержа-
нием оболочки (лузги, шелухи), вероятно, вообще должны при-
ниматься во внимание лишь в начале первого этапа «влажного»
жаренья, когда влажность наружных слоев частиц может
достигать значений, при которых величина термоградиентного
коэффициента положительна и существенно отлична от нуля.
Сделать более широкие обобщения в этой области в настоящее
время не представляется возможным, поскольку явления термо-
влагопроводности изучались пока лишь на семенах хлопчатника,
их ядре и шелухе и ядре и лузге подсолнечных семян. Необхо-
димо накопление опытных данных по термоградиентным коэф-
фициентам на других масличных культурах, а также на форпрес-
совых жмыхах из них, подвергаемых влаго-тепловой обработке
перед окончательным прессованием или перед экстракцией.
При жаренье второго типа («сухом») роль явлений термовла-
гопроводности, по-видимому, еще менее значительна, поскольку
нет этапа увлажнения и процесс в целом протекает при относи-
тельно низких влажностях материала.
При жаренье мятки (мезги) удаляется влага, обладающая
той или иной формой связи с материалом, но не свободная. Это
опять-таки вытекает из относительно низкого уровня влажности
материала в ходе жаренья, когда энергия связи больше нуля Ч
Для преодоления этой энергии связи необходимо тратить опре-
деленное дополнительное количество тепла, которое невозможно
определить из тепловых балансов, обычно составляемых при рас-
четах жаровен.
Рассмотрение процесса жаренья с теплофизической точки
зрения позволяет дать правильную оценку предлагавшимся
способам его интенсификации — жаренью под избыточным дав-
лением водяного пара [381, 469, 492] и жаренью под вакуумом
[330]. Хотя эти способы интенсификации жаренья в настоящее
время и не находят практического применения, анализ их позво-
лит выяснить некоторые особенности жаренья вообще.
Жаренье под давлением, очевидно, интенсифицирует первый
1 См. главу XVI, а также изданную ранее работу [288], в которой есть
данные и для ядра семян хлопчатника.
300
этап «влажного» жаренья благодаря появлению дополнитель-
ного фактора, ускоряющего массо- и теплоперенос, — градиента
давления паров, направленного внутрь частиц. Жаренье под
давлением насыщенного или влажного пара вообще не может
быть «сухим», поскольку при соприкосновении с относительно
холодными частицами мятки в начале процесса происходит
конденсация пара и увлажнение частиц. Жаренье под давлением
в среде перегретого пара в принципе может быть и «сухим» при
очень высоких температурах пара. Однако обычно используемые
в производстве растительных масел параметры пара (избыточ-
ное давление около 5—6 ат, температура 200—220 °C) практиче-
ски, конечно, не могут обеспечить «сухого» жаренья из-за малой
теплоты перегрева пара.
Пары влаги, проникающие в частицы мятки, конденсируются
в них, что является одним из источников увлажнения этих
частиц.
Таким образом, в начале жаренья под давлением внутренние
слои частиц увлажняются в результате подвода влаги тремя
потоками, обусловленными влагопроводностью, термовлагопро-
водностью и градиентом давления. Одновременно ускоряется
прогрев частиц. Неизвестно, в какой мере градиент давления
может интенсифицировать процесс увлажнения и прогрева час-
тиц мятки, однако практически первый этап жаренья и без этого
(при жаренье под атмосферным давлением) заканчивается до-
статочно быстро.
Высушивание мезги при жаренье под избыточным давлением
водяного пара вообще невозможно, поскольку среда между
частицами и над ними полностью насыщена паром (q?=100%).
Кроме этого, необходимо отметить следующее. Во втором этапе
жаренья под атмосферным давлением, особенно, когда темпера-
тура мезги поднимается выше 100 °C, как и при сушке, внутри
частиц мезги возникает градиент давления, направленный
наружу, что должно ускорять высушивание частиц. Если второй
этап жаренья проводить под избыточным давлением, то возни-
кающий при этом градиент давления направлен внутрь частиц,
и тормозит продвижение влаги к наружным слоям частиц.
В связи с изложенным применение вакуума может значи-
тельно интенсифицировать второй этап «влажного» жаренья или
«сухое» жаренье. Однако жаренье под вакуумом не находит
практического применения из-за конструктивных трудностей,
связанных с поддержанием вакуума в аппарате, в который
непрерывно вводится и из которого затем выводится сыпучий
материал. Кроме того, при жаренье под вакуумом может наблю-
даться слишком быстрое высушивание поверхностных слоев
частиц и недостаточная степень физико-химических изменений
мятки, в связи с чем этот способ подготовки материала к отжиму
вообще окажется непригодным [97, 98]. Подготовка материала
301
к экстракции, особенно влаго-тепловая обработка форпрессовых
жмыхов перед получением лепестка, приводит к тому, что роль
этих явлений в значительной степени нивелируется.
МАССО- И ТЕПЛОПЕРЕНОС
Механизм массопереноса внутри частиц мятки (мезги) при
жаренье в принципе такой же, что и при сушке (увлажнении)
семян, и определяется действием влагопроводности, термовлаго-
проводности и фильтрационным переносом массы под влиянием
градиента давления, который в наибольшей степени эффективен
при достаточно высокой температуре частиц мятки (мезги).
Поэтому уравнение для общего потока массы (влаги) будет
таким же, как и уравнение (XVI—5).
В течение первого этапа «влажного» жаренья поток qmt
в уравнении (XVI—5), обусловленный термовлагопроводностью,
направлен внутрь частиц и имеет отрицательный знак. При пере-
ходе процесса во второй этап поток qmt, знак которого в течение
некоторого времени сохраняется отрицательным, уменьшается
по абсолютной величине до нуля (окончание нагрева частиц).
В связи с тем, что при жаренье мятки (мезги) из ядра мас-
личных семян предполагается малая эффективность явлений
термовлагопроводности, для этого процесса, который является .
наиболее распространенным, поток qmt в уравнении (XVI—5) с
определенным приближением можно вообще приравнять к нулю.
В ходе жаренья роль потоков qmu (влагопроводность) и qmp
(фильтрационный перенос) в общем потоке qm изменяется так,
что возрастает доля потока qmp в связи с ростом температуры
частиц мезги. Развернутые уравнения для составляющих qmu,
qmt и qmp общего потока qm такие же, как и при сушке (увлаж-
нении) семян, поэтому они здесь не приводятся (см. соответст-
вующие уравнения в главе XVI).
Подробнее необходимо остановиться на явлениях внутрен-
него теплопереноса при жаренье, важных для нагрева толщи
частиц.
При жаренье перенос влаги в виде жидкости или пара влечет
за собой перенос соответствующей тепловой энергии, равной
произведению количества переносимой влаги на ее энтальпию
(удельное теплосодержание). Это позволяет для суммарного
потока тепла записать уравнение [92]:
q = - + Inqm, (XVII—1)
где ХЭкв — эквивалентный коэффициент теплопроводности
(коэффициент теплопроводности влажного л ате-
риала);
А/ —градиент температуры;
1п—приведенная энтальпия (удельное теплосодержание
влаги, перемещающейся внутри тела).
302
В уравнении (XVII—1) первый член отражает перенос тепла
в результате теплопроводности, второй член — перенос тепла
посредством влагопроводности, термовлагопроводности и фильт-
рационным потоком.
Коэффициент теплопроводности влажного материала Хэкв
существенно отличается от коэффициента теплопроводности
сухого материала (%ЭкВ>^с)- Величина %экв является сумми-
рующей [93]:
^Экв = Д + ^КОНД + ^КОНВ + \1> (XVII-2)
где Д — коэффициент теплопроводности сухого твердого
скелета материала;
^конд — коэффициент кондукции (теплопроводности) жид-
кости и паро-воздушной смеси, находящихся в ста-
ционарном (неподвижном) состоянии в порах
материала;
/,1((ШВ—коэффициент, характеризующий перенос тепла за
счет конвекции воздуха внутри материала;
/,л — коэффициент лучистой теплопроводности.
Для полноты в уравнение (XVII—2) следовало бы включить
/,и— коэффициент, характеризующий перенос тепла за счет
переноса массы (влаги) внутри материала. Тогда уравне-
ние (XVII—1) можно было бы написать в более простой форме:
q = —Хэкву/. Однако такая форма уравнения не выделяет роль
массопереноса в теплопереносе и поэтому слишком упрощает
действительную картину сложного процесса.
Наиболее сильное влияние при жаренье на /,Э1(В оказывает
Хконд, поскольку значениями Хконв и /.л можно пренебречь при
диаметре пор меньше 0,5 мм [92].
Уравнение (XVII—1) описывает закономерности стационар-
ного теплопереноса, отличающегося постоянством градиентов
температуры и влагосодержания. В действительности, при
жаренье происходит непрерывное изменение этих градиентов, и
поэтому уравнение (XVII—1), удобное для анализа принци-
пиальной стороны вопроса, верно только для каждого данного
момента процесса. Общим уравнением, описывающим неста-
ционарный процесс теплопереноса, осложненный влагоперено-
сом, является следующее [92]:
--~=-ау2П------е —— 4------— (1—е), (XVII—3)
Рт сПр дт сВр dz
где а — коэффициент температуропроводности (потенциало-
проводности теплопереноса);
2 Р2 , Р2 , Р2 п ,
у2 =----1----1------оператор Лапласа (х, у, z— коорди-
Рх2 Pz/2 Pz2
наты);
303
г — скрытая теплота испарения;
Спр — приведенная теплоемкость материала, сПр=сс.в + сжи
(где сс.в — теплоемкость сухого вещества, сж— тепло-
емкость жидкости (воды), и — влагосодержание мате-
риала) ;
е = — — критерий фазового превращения (qmn — плот-
Ят
ность потока пара; qm—плотность суммарного по-
тока влаги);
т — время;
А/ — разность энтальпий, определяющая внутренний тепло-
обмен, обусловленный переносом влаги в виде жид-
кости.
Уравнение (XVII—3) дает достаточно полную картину внут-
реннего теплопереноса при жаренье: первый член характеризует
перенос тепла только благодаря теплопроводности, второй —
в результате переноса влаги в виде пара и третий — тоже
в виде жидкости.
Критерий фазового превращения g может изменяться от
нуля (перенос влаги только в виде жидкости) до единицы
(перенос влаги только в виде пара). Из общего уравнения
(XVII—3) получаются его частные формы:
для теплопереноса, осложненного переносом влаги только
в виде жидкости (е=0), температура которой отличается от
температуры скелета твердого тела,
— = a^t + ~~; (X VII—4)
для теплопереноса, осложненного переносом влаги в виде
пара и жидкости, температура которой равна температуре ске-
лета твердого тела (Д/=0) [232],
— = «у2/ + — г — ; (XVII—5)
5т спр 5т
для теплопереноса, осложненного переносом влаги только в ви-
де пара (е= 1),
— = a^t + — — . (XVII—6)
5т спр 5т
Проанализируем полученные уравнения.
Уравнение (XVII—4) в основном соответствует первому эта-
пу «влажного» жаренья, когда происходит увлажнение частиц
мятки. По-видимому, на этом этапе жаренья, который отли-
чается быстрым прогревом частиц мятки, переносу тепла в ре-
зультате переноса влаги в виде жидкости, что характеризуется
304
вторым членом уравнения (XVII—4), принадлежит существен-
ная роль.
После прогрева мезги, когда температура жидкости внутри
частиц становится равной температуре их твердого скелета, что
вполне вероятно в связи с относительно малым размером ча-
стиц, особенно при тщательном измельчении материала перед
жареньем, в силу вступают закономерности теплопереноса, опи-
сываемые уравнением (XVII—5). В это время интенсивность
теплопереноса определяется помимо собственно теплопроводно-
сти степенью перехода влаги в пар внутри частиц, что харак-
теризуется величиной критерия фазового превращения е.
Наконец, при достаточно высоком прогреве частиц, когда
их температура равна или превышает 100°C, что характерно
для последних стадий жаренья, особенно перед окончательным
прессованием с низкой влажностью и высокой температурой
мезги, критерий фазового превращения близок к единице, и
теплоперенос в основном описывается уравнением (XVII—6).
В это время внутри частиц мезги еще имеется влага в виде
жидкости, но энергия ее связи, по-видимому, очень велика, так
что в теплопереносе эта влага практически не участвует.
Анализ уравнений (XVII—4) — (XVII—6) позволяет «влаж-
ное» жаренье разделить с точки зрения теплопереноса на три
этапа: первый этап соответствует теплопереносу, осложненному
переносом влаги в основном только в виде жидкости; второй
этап — теплопереносу, осложненному переносом влаги в виде
жидкости и пара, третий этап — теплопереносу, осложненному
переносом влаги в основном только в виде пара. В жаренье
второго типа («сухом») нет первого этапа.
Проведенное деление жаренья на этапы является в некото-
рой степени условным, потому что в действительности один этан
переходит в другой непрерывно, отмечается наложение этапов
друг на друга. Это обстоятельство учитывается полным урав-
нением (XVII—3), содержащим характеристики всех трех
этапов.
Роль внешних условий процесса жаренья может быть оха-
рактеризована лишь в самом общем виде.
Интенсивность перемешивания мятки (мезги) в ходе жа-
ренья важна для равномерного их прогрева прежде всего кон-
тактным способом, который, по-видимому, является основным
способом передачи тепла при жаренье. Некоторое значение ин-
тенсивность перемешивания имеет и для передачи тепла по-
средством термоизлучения и конвекции. Кроме того, при до-
статочно интенсивном перемешивании быстрее должны вырав-
ниваться влажность и температура частиц в связи с контактным
массо- и теплообменом между ними.
Одна из особенностей контакта влажного материала с по-
верхностью, нагретой до достаточно высокой температуры (вы-
305
ше 110°С), что характерно для жаренья мезги, — интенсивное
парообразование в контактном слое материала [93]. При до-
статочно плотном прилегании материала к нагретой поверхно-
сти в его контактном слое возникает градиент давления пара.
Однако частицы мезги из-за неправильности их формы не могут
плотно прилегать к поверхности днищ или стенок жаровен. По-
этому образующийся в контактном слое пар легко выходит из
частиц, не образуя в этом слое градиента давления1. Такое яв-.
ление, хоть и в очень малом масштабе, возникает при каждом
контакте частицы с нагретой поверхностью, поэтому, чем чаще
частица будет соприкасаться с этой поверхностью различными
своими гранями, т. е. чем интенсивнее перемешивание частиц,
тем равномернее будет высушена мезга. Однако в реальных ус-
ловиях жаренья для скорости вращения мешалок жаровен име-
ются ограничения, о которых мы скажем ниже.
Жаренье с точки зрения массо- и теплопереноса является,
как видно из изложенного, сложным процессом. В таком плане
оно совершенно не изучалось, и поэтому в настоящее время не
представляется возможным дать общие, учитывающие внутрен-
ний и внешний массо- и теплоперенос, математические форму-
лировки его закономерностей, даже в критериальной форме.
ЖАРЕНЬЕ В РЕАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ
Состояние материала в чанных и барабанных жаровнях раз-
лично.
В чанных жаровнях материал находится в перемешиваемом
слое приблизительно одинаковой толщины по сечению чана.
Перемешивание производится мешалкой, и общее направление
массы частиц материала определяется равнодействующей ряда
сил: силы удара ножа мешалки по частицам, центробежной си-
лы, силы тяжести частиц и силы трения частиц о поверхность
днища, стенок, мешалки и между частицами. В целом из-за
относительно большой высоты слоя материала (350—400 мм)
и малой скорости вращения мешалки2 интенсивность переме-
шивания в чанных жаровнях невысока.
В барабанных жаровнях первой группы, к которой относятся
жаровни типа верхних жаровен пресса МП-21, материал нахо-
дится в перемешиваемом слое неодинаковой толщины по сече-
нию барабана: максимальная высота слоя отмечается в цен-
тральной части дуги сечения барабана, закрытой материалом;
в направлении к краям дуги высота слоя уменьшается. Харак-
1 При этом остается градиент давления пара по толще частиц, возника-
ющий при достаточно высоком их прогреве (причина фильтрационного пото-
ка пара в частицах).
2 Для шестичанной жаровни ФП 21—23 об1мин, для пятичанной жаровни
Ростовского-на-Дону завода и для пятичанной жаровни ЛЦ 35 об1шш [67].
306
тер перемешивания, которое также нельзя признать интенсив-
ным \ отличается от характера перемешивания в чанных жа-
ровнях ссыпанием материала, поднятого лопастями мешалки по
внутренней поверхности барабана на некоторую высоту, т. е. в
барабанных жаровнях первой группы есть элементы взвешен-
ного состояния материала.
В барабанных жаровнях второй группы, в которую входят
жаровни типа жаровен пресса МПЭ-2, материал вследствие вы-
сокой скорости вращения мешалок1 2 находится почти во взве-
шенном состоянии.
На частицы материала в барабанных жаровнях первой и
второй групп в общем действуют те же силы, что и в чанных
жаровнях, но направление и величина этих сил другие, чем и
определяется отличие в характере перемешивания материала и
общем направлении движения массы частиц.
С характером перемешивания в жаровнях тесным образом
связано количество тепла, передаваемого материалу тем или
иным способом (контактным, посредством термоизлучения и
конвективным). В чанных жаровнях с обогревом днищ и стенок
поверхность нагрева наиболее полно используется для контакт-
ного теплопереноса, поскольку в каждый данный момент вре-
мени с ней соприкасаются частицы мезги достаточно плотной
массой (это не относится к незаполненным чанам, а также к
днищам вышерасположенных чанов и тем более к крышке
верхнего, которая вообще не обогревается).
В чанных жаровнях с обогревом только днищ контактный
теплоперенос имеет меньшую мощность, поскольку стенки на-
греты только благодаря теплопроводности металла.
В барабанных жаровнях первой группы еще большая доля
поверхности выключена из контактного теплопереноса, так как
более половины ее вообще практически не соприкасается с ча-
стицами мезги, а в пределах дуги сечения барабана, закрытого
материалом, частицы прилегают к обогреваемой поверхности
не так плотно, как в чанных жаровнях. Наконец, в барабанных
жаровнях второй группы, в которых частицы мезги находятся
во взвешенном состоянии, контактный теплоперенос может на-
блюдаться лишь при соударениях частиц с внутренней поверх-
ностью барабана, что неблагоприятно для скорости передачи
тепла, но при достаточно большой центробежной силе воздей-
ствия на частицы, когда они относительно плотно прилегают к
обогреваемой поверхности, скользя по ней подвижным слоем,
поток контактного теплопереноса может оказаться достаточно
интенсивным. Из-за неизученности характера движения частиц
1 Число оборотов мешалки верхней жаровни пресса МП-21 в минуту рав-
но 32 [67].
2 Мешалки первых двух барабанов жаровни пресса МПЭ-2 делают
173 об/мин, а темперировочного аппарата — 143 об)мин [67].
307
мезги в барабанных жаровнях второй группы отдать предпоч-
тение тому или другому механизму контактного теплопереноса
пока не представляется возможным.
В рассматриваемом ряду жаровен — чанные жаровни, бара-
банные жаровни первой группы, барабанные жаровни второй
группы — в связи с интенсификацией перемешивания и улучше-
нием условий обтекания частиц паром (паро-воздушной смесью)
Рис. 109. Схематическая картина движения частиц мез-
ги в жаровне при поточно-непрерывном жаренье [98].
увеличивается скорость конвективного переноса тепла к части-
цам, а в связи с обновлением поверхности частиц — и теплопере-
носа посредством излучения. Несколько подробнее необходимо
остановиться на характере продвижения материала в жаровнях
основного типа — чанных жаровнях.
В чанных жаровнях различают [97] порционно-непрерывное
и поточно-непрерывное жаренье. В нашей стране применяется
поточно-непрерывное жаренье, при котором материал перехо-
дит из чана в чан в виде потока. Движение потока в этих жа-
ровнях имеет сложный характер (рис. 109).
308
Как видно из рис. 109, основной особенностью движения
материала в чанной жаровне является то, что ножи мешалки
подбрасывают частицы в направлении, противоположном ос-
новному потоку. В связи с этим частицы, поступающие в данный
чан, быстро смешиваются с находящимися в нем частицами, г. е.
определенная доля частиц может пройти через чан быстрее, чем
проходят частицы в среднем. Важнейшее следствие такого ме-
ханизма продвижения материала через чанную жаровню с по-
точно-непрерывным жареньем — неодинаковая продолжитель-
ность прохождения отдельных частиц через жаровню, т. е. не-
одинаковая продолжительность жаренья отдельных частиц, что
может в некоторой мере определяться и дополнительным фак-
тором— «проскоком» частиц из чана в чан, имеющим случай-
ный характер, не связанный с основным механизмом продви-
жения материала через жаровню.
Вопрос о продолжительности прохождения отдельных частиц
материала через жаровни исследовался экспериментально: опре-
делялась длительность пребывания в жаровне тех или иных
добавок [98, 312]. Наиболее полные результаты, полученные в
одной из работ [98], представлены на рис. ПО. Между началом
и концом выхода добавок из жаровен лежит большой промежу-
ток времени, особенно для жаровни пресса ЕП (более «растя-
нутая» кривая).
Важно сделать правильную оценку установленного факта
неодинаковой продолжительности жаренья отдельных частиц
мезги. В настоящее время принято считать [97—99, 312], что
это — одна из наиболее важных причин неравномерности про-
жаривания отдельных частиц (общей и внутренней неоднород-
ности мезги). Поэтому принимается необходимость обеспечения
одинаковой продолжительности жаренья всех частиц [97—99].
Наряду с требованием однородности мятки как по размеру ча-
стиц, так и по их внутренней структуре [98], требование об
одинаковой продолжительности жаренья всех частиц является
обоснованным. Однако для реальных условий жаренья, когда
размеры частиц, составляющих массу мятки (мезги), не могут
быть одинаковыми, так же как и их внутренняя структура не
может быть одной и той же для всех частиц, это требование
вступает в противоречие с основным требованием к жаренью —
обеспечением максимальной однородности внешней и внутрен-
ней структуры мезги, поступающей на отжим масла.
Действительно, если взять, например, только размер частиц,
то очевидно, что прогрев мелких частиц закончится быстрее, чем
крупных'. Поэтому, когда мелкие частицы уже «пережарятся»,
1 Для многих задач потенциалы тепло- и массопереноса являются отри-
цательной функцией критерия Фурье, т. е. прямо пропорциональны квадрату
размера частиц [232]. Отсюда можно предположить, что температура и вла-
госодержание частиц обратно пропорциональны квадрату их размера.
309
крупные все еще останутся «сырыми», т. е. не будет обеспечена
качественная однородность мезги, что приведет к снижению-
эффективности отжима. Возможно, это явление в некоторой
степени- нивелируется тем, что более мелкие частицы быстрее,
«просеиваются» через массу мезги в чанах жаровен и в общем,
подвержены менее длительной влаго-тепловой обработке, чем
более крупные. Таким образом, надо отыскать такой способ
Бремя от начат за- время от начала за-
сотна ОоОабое, мин ‘ сыпни ОоОаоон, тн
а 6
ЫО ВО too . t№ 200 200 280
Время от начала засыпай ОоОабон, мин
О '
Рис. НО. Зависимость выхода добавок от вре-
мени:
а — шестичанная жаровня форпрессов ФП (перед фор-
прессованием); б — пятичанная жаровня Ростовского ма-
шиностроительного завода (перед форпрессованием); в —
трехчанная жаровня пресса ЕП (перед вторым прессо-
ванием).
передвижения материала в чанах жаровен, который мог бы
обеспечить необходимую продолжительность жаренья для ча-
стиц каждого данного размера с определенной внутренней
структурой. Неизвестно, насколько современные конструкции
310
жаровен удовлетворяют этому направлению на дифференциро-
ванный подход к продолжительности жаренья для частиц мятки
с различной внешней и внутренней структурой. Для ответа на
этот вопрос необходимо прежде всего изучить кинетику жа-
ренья, которая должна стать научной основой создания эффек-
тивных конструкций жаровен и режимов их работы.
В последнее время опубликованы результаты исследования
в этой области [345], из которых следует, что жаренье мезги
происходит в основном в периоде падающей скорости сушки.
Жаренье обладает двумя критическими точками: первая соот-
ветствует окончанию прогрева материала, вторая — началу уда-
ления мономолекулярной влаги. Отмечено также, что основное
влияние на скорость жаренья оказывают интенсивность пере-
мешивания и высота слоя материала. Однако указанная рабо-
та, выполненная в камеральных условиях, еще не дает ответа
на интересующий нас вопрос об оптимальной продолжительно-
сти жаренья в производственных условиях частиц мятки с раз-
личной внешней и внутренней структурой.
ИЗМЕНЕНИЯ МАТЕРИАЛА
В ходе жаренья под воздействием влаги, тепла и механиче-
ских усилий от мешалки мятка (мезга) претерпевает ряд изме-
нений, формирующих определенную структуру материала, бла-
гоприятную для отжима масла.
Отметим прежде всего уменьшение удельной поверхности,
которая сокращается в несколько раз, и укрупнение частиц в
ходе жаренья. По имеющимся опытным данным [216], средний
эквивалентный радиус частиц при жаренье перед форпрессова-
нием увеличивается от мятки к мезге соответственно для под-
солнечника от 7 до 10 мкм, для хлопчатника — от 7 до 19 и для
льна — от 8 до 11 мкм.
Одновременно с уменьшением удельной поверхности мезги
ослабляется энергия связи масла с материалом. Так, по рас-
четам [221], энергия связи масла с мяткой составляет прибли-
зительно 64 эрг/см2, а с мезгой — 53 эрг/см2. Общий эффект
жаренья в снижении связанности масла с материалом обязан
как снижению удельной поверхности материала, так и умень-
шению собственно энергии связи, и равен приблизительно 80%
(если энергию связи масла в исходной мятке принять за 100%).
В ходе жаренья благодаря росту температуры изменяются
физические свойства масла — уменьшаются вязкость, плотность
и поверхностное натяжение. Чем меньше вязкость и плотность
масла, тем глубже при прочих равных условиях его отжим
(см. уравнения отжима в главе XI). Особенно сильно при на-
греве уменьшается вязкость масла. Ослабление поверхностного
311
натяжения масла снижает величину энергии его связи (адге-
зию) с мезгой и этим облегчает отжим масла.
Из изменений гелевой части мезги необходимо отметить из-
менения ее пластичности, которые происходят в двух направ-
лениях. Во-первых, пластичность повышается благодаря росту
температуры, во-вторых, происходит снижение пластичности
мезги вследствие уменьшения ее влажности. Предполагается
[97], что тепловая денатурация белков мезги также приводит
к понижению ее пластичности. Если судить по величине дав-
ления выползания материала из зеера, необходимо сказать,
что в целом в результате жаренья пластичность материала мо-
жет повыситься или понизиться в зависимости от его влажно-
сти, температуры, продолжительности процесса и других ус-
ловий.
При жаренье наблюдается изменение микроскопической
внутренней структуры мятки. Под воздействием ножей мешалки
происходит некоторый дополнительный разрыв клеток, особен-
но в начале жаренья, когда относительно высокая влажность
мезги снижает сопротивляемость клеточных оболочек механи-
ческим воздействиям. Отмечается, кроме этого, сплавление
алейроновых зерен и уплотнение внутриклеточного содержи-
мого, отстающего от клеточных стенок [97].
В ходе жаренья мезги происходит тепловая денатурация
белковых веществ. Необходима ли она для подготовки струк-
туры материала, благоприятной для отжима масла, или явля-
ется побочным химическим явлением жаренья, в настоящее
время еще неясно. Вопрос этот может быть правильно освещен,
если будет вскрыта зависимость между степенью тепловой де-
натурации белковых веществ, с одной стороны, и изменениями
физико-механических свойств мезги и энергии связи масла с
мезгой, с другой стороны. При жаренье происходят также и
другие химические и биохимические изменения мятки, рассмот-
рение которых выходит за пределы настоящей работы.
Глава XVIII. МЕХАНИЗМ ЭКСТРАКЦИИ
ЭТАПЫ ДИФФУЗИОННОГО ПУТИ
В соответствии с представлениями о явлениях на границе
раздела в системе твердое тело — жидкость по характеру диф-
фузионного пути процесс экстракции растительных масел можно
разделить на три этапа: молекулярную диффузию масла из ча-
стиц материала к их наружной поверхности, молекулярную
диффузию масла через пограничный слой (диффузионный по-
граничный слой или диффузионный подслой) и конвективную
диффузию масла от пограничного слоя в движущуюся мисцеллу.
312
При этом следует помнить, что в пределах пограничного слоя
в принципе может быть и конвективный массоперенос, но мо-
лекулярная диффузия является преобладающей.
Таким образом, в общем случае процесс экстракции расти-
тельных масел с точки зрения явлений массопереноса можно
рассматривать как сочетание молекулярной и конвективной
диффузии.
В отдельных частных случаях, как будет показано ниже,
второго или третьего этапа диффузионного пути не бывает.
Наличие же первого этапа неотделимо от самого существования
процесса экстракции из твердых тел, хотя молекулярный ме-
ханизм этого этапа под влиянием некоторых факторов может
нарушаться.
В соответствии с указанной общей картиной экстракции
будем различать следующие основные количественные харак-
теристики трех этапов: коэффициент внутренней диффузии и
размер частиц, коэффициент свободной молекулярной диффузии
и толщину пограничного слоя, коэффициент конвективной диф-
фузии. Каждая из этих характеристик обобщает влияние на
эффективность процесса ряда факторов, так что процесс экс-
тракции определяется совокупностью большого количества яв-
лений различной природы. Например, коэффициент молекуляр-
ной диффузии зависит от температуры, вязкости среды (рас-
творителя) и размера молекул диффундирующего вещества, а
толщина диффузионного пограничного слоя на пластинке (ле-
пестке)— от коэффициента диффузии (т. е. от всех тех фак-
торов, от которых он зависит), вязкости раствора (мисцеллы),
скорости движения жидкости и расстояния от точки набегания
потока на пластинку. Вязкость мисцеллы зависит от ее концен-
трации, вида масла и растворителя, температуры. Так, рас-
сматривая каждую из основных количественных характеристик,
можно нарисовать сложную картину процесса экстракции.
КОЭФФИЦИЕНТ МАССОПЕРЕНОСА
Схема экстракции масла из лепестка представлена на
рис. 111 [31]. Лепесток толщиной I помещен в поток мисцеллы,
направление которого условно показано стрелками. У поверх-
ности лепестка находится пограничный слой толщиной б.
Толщина пограничного слоя б условна по двум причинам.
Во-первых, потому, что на самом деле четкой границы не су-
ществует, она размыта и является областью перехода от моле-
кулярного механизма массопереноса к конвективному; во-вто-
рых, потому, что толщина пограничного слоя изменяется в за-
висимости от длины лепестка, тогда как на рис. 111 принята
некоторая средняя толщина б.
Средняя концентрация мисцеллы щ внутри лепестка в дан-
313
ный момент времени находится от поверхности лепестка на не-
котором расстоянии, равном—, где п — некоторый коэффици-
ент, обратное значение которого (1/п) есть доля толщины ле-
пестка, равная расстоянию от некоторой точки с мисцеллой
средней концентрации внутри лепестка до его наружной поверх-
ности. Пусть также концентрация мисцеллы у наружной по-
верхности лепестка равна
у наружной поверхности погра-*
ничного слоя — с", а концентра-
ция мисцеллы в потоке — с2-
Для каждого данного момента
экстракции диффузионный по-
ток q через наружную поверх-
ность лепестка равен диффузион-
ному потоку через внутреннюю и
наружную «поверхность» погра-
ничного слоя.
Необходимо отметить, что это
исходное положение справедливо
лишь по истечении некоторого
промежутка времени с момента
начала экстракции, когда процесс
станет установившимся (но не
стационарным) и окончательно
сформируется поле концентрации
внутри лепестка и в пограничном
слое. В начале же процесса, как
[169], в пограничном слое проис-
С ,
Рис. 111. Схематическая
тина экстракции масла из ле-
пестка (три этапа диффузион-
ного пути).
кар-
показал теоретический анализ
ходит нарастание концентрации, т. е. в это время диффузион-
ные потоки через границы раздела не равны.
Используя уравнения первого закона диффузии и конвек-
тивного переноса вещества, для установившегося процесса мож-
но написать:
’ = -0-4~Г
(XVIII 1)
п
т~, с с
q = — D-----------------
4 8
(XVIII—2)
(XVIII—3)
или
С1 — С = —
nDB
с — с' = — q — ,
D
(XVIII— Г)
(XVIII—2'>
314
d' -c2 = - q~~ , (XVIII-3')
P
где D3, D и |3 — соответственно коэффициент диффузии масла
внутри частиц экстрагируемого материала, коэффициент диф-
фузии масла через пограничный слой и конвективный коэффи-
циент диффузии.
Отсюда
q = — К (с,— с2), (XVIII—4)
где коэффициент массопереноса равен
К =----------Ц----г- • (XVIII—5)
I 6 1
-4-
nDB D р
Рассуждения, аналогичные приведенным, можно применить
с некоторыми допущениями не только к лепестку, но и к круп-
ке, принимая в первом приближении форму ее частиц шарооб-
разной. Для крупки вместо I в формулу (XVIII—5) надо под-
ставить величину эффективного (среднего) диаметра частицы
крупки.
Из уравнения (XVIII—4) следует, что коэффициент массо-
переноса представляет собой количество вещества (масла), пе-
реносимое через единицу поверхности в единицу времени при
разности концентраций, равной единице. Хотя определения ко-
эффициента массопереноса и коэффициента конвективной диф-
фузии совпадают, что является следствием одинаковой струк-
туры выражений (XVIII—3) и (XVIII—4), физический смысл
этих коэффициентов различен: коэффициент массопереноса
характеризует процесс экстракции в целом, конвективный ко-
эффициент диффузии — лишь третий этап процесса.
Коэффициент массопереноса суммирует в себе все величины,
являющиеся количественными характеристиками трех этапов
диффузионного пути в процессе экстракции (диффузионные
сопротивления каждого этапа).
Уравнение (XVIII—5) справедливо для установившегося
стационарного процесса, потому что при его получении были
использованы законы стационарной диффузии, иначе говоря,
уравнение (XVIII—5) справедливо для каждого данного мо-
мента установившегося нестационарного процесса, но не для
нестационарного процесса в целом. Отсюда вытекают два прин-
ципиальных положения.
1. Уравнение (XVIII—5) не является расчетным. Оно позво-
ляет лишь качественно проанализировать зависимость коэффи-
315
циента массопереноса, или эффективности экстракции, от раз-
личных факторов
Общий анализ состоит в следующем.
I
——— характеризует влияние на коэффициент массопереноса
пр я,? 0,4 о,б 0£ip щ .<•/ '.pspioj
Маслин нота энсгпрагйрувмого мтерцалаЬхоШТШрш/-
ции, °/о на абсолютно сухое обезжиренное бёщестбо
Рис. 112. Зависимость коэффициента массопереноса
от масличности экстрагируемого материала (шрота) —
крупки экспеллерного жмыха из шелушеных и неше-
лушеных хлопковых семян; растворитель — экстрак-
ционный бензин (сплошные линии — крупка жмыха из
шелушеных семян, пунктирные — крупка жмыха из не-
шелушеных семян).
внешней (размер частиц /) и внутренней (£>в) структуры экс-
трагируемого материала. Все характеристики внутренней струк-
1 Это уравнение дает значение К лишь для данного момента экстракции
или для стационарного процесса. В действительности, как будет видно ниже,
К зависит от времени, а процесс экстракции является типично нестационар-
ным. Однако если известна зависимость Д' от времени, то для расчетов может
быть принято некоторое среднее значение К- Задача использования К для
расчетов решается при помощи теории подобия [30].
316
туры материала (степень разрушения клеток, влажность, по-
ристость и т. п.) влияют на коэффициент массопереноса через
DB. Кроме того, через ОТ! выражено влияние и свободной моле-
кулярной диффузии, поскольку DB зависит также от темпера-
туры, вязкости растворителя и размера молекул диффундирую-
щего вещества.
б
— характеризует влияние на коэффициент массопереноса
физических свойств растворителя и масла, температуры, ско-
рости и режима движения мисцеллы.
—-— отражает влияние на коэффициент массопереноса гидро-
динамических условий процесса и зависит от скорости и режи-
ма движения мисцеллы, ее физических свойств и температуры.
2. Коэффициент массопереноса должен зависеть от времени
экстракции или от остатка масла в материале. Действительно,
эта зависимость раньше была установлена [19] эксперимен-
тально (рис. 112): коэффициент массопереноса уменьшается при
уменьшении масличности экстрагируемого материала (шрота),
т. е. при увеличении времени экстракции. Опыты проводились
по методике лабораторной экстракции [20] чистым растворите-
лем в условиях установившегося режима, что дает основание
в уравнении (XVIII—5) величины I, 6, D и 0 считать постоян-
ными. Отсюда вытекает предварительный вывод о том, что из-
менение коэффициента массопереноса в ходе экстракции обя-
зано изменению коэффициента внутренней диффузии.
ВНУТРЕННЯЯ ДИФФУЗИЯ
Рассмотрим общие закономерности первого этапа диффузи-
онного пути в ходе экстракции растительных масел.
Как известно, к основным характерным особенностям вну-
тренней структуры материала, поступающего на экстракцию,
относятся: наличие некоторого количества неразрушенных кле-
ток, определенная пористость с различными по величине и фор-
ме порами, присутствйе так называемых вторичных структур,
образовавшихся в процессе подготовки материала к экстракции
(вторичная структура характерна для материалов, подвергнув-
шихся жаренью и форпрессованию). Таким образом, внутри
частиц экстрагируемого материала имеются, во-первых, свобод-
ные пространства в виде пор, при заполнении которых раство-
рителем в них будет протекать процесс молекулярной диффузии
жидкости в жидкости и, во-вторых, пространства, заполненные
маслом и отгороженные либо неразрушенной клеточной мембра-
ной (мембранами), либо вторичной перегородкой (перегород-
ками). Наличие клеточных мембран и вторичных перегородок
317
замедляет процесс диффузии масла внутри частиц. Диффузия
масла через клеточные мембраны и вторичные перегородки
происходит, как и диффузия всякой жидкости через мембрану,
вероятно, при наличии процессов сорбции и десорбции молекул
диффундирующего масла материалом мембран и перегородок.
Согласно теории равновесной сорбции [358] молекулы диффун-
дирующего вещества сорбируются материалом мембраны, диф-
фундируют через нее и десорбируются с другой ее стороны. Эта
теория предполагает, что сорбционное равновесие устанавли-
вается чрезвычайно быстро и, следовательно, скорость процесса
проникновения вещества через мембрану лимитируется гради-
ентом концентрации и характеристикой самой мембраны.
Необходимо также отметить, что определенная часть масла
удерживается на внутренних и внешних поверхностях частиц
силами сорбции (свободной поверхностной энергией). Это на-
блюдается независимо от наличия внутри частиц неразрушен-
ных клеточных мембран и вторичных перегородок. Понятно, что
эта часть масла извлекается легче, чем масло, содержащееся
внутри неразрушенных клеток и вторичных структур. Некоторые
исследователи склонны считать [171], что десорбции масла с вну-
тренних поверхностей частиц принадлежат в конце экстракции
сырого соевого лепестка решающая роль. Однако пока еще не
найдена количественная оценка этого явления в сравнении с
диффузией и поэтому приписывать ему такую роль преждевре-
менно, тем более что согласно теории равновесной сорбции про-
никновение молекул даже через мембраны лимитируется зако-
номерностями диффузии.
Не исключено, что в ходе экстракции в результате разру-
шения растворителем связей химического характера часть масла
высвобождается, после чего начинается собственно диффузия.
По-видимому, это может относиться прежде всего к комплексам
типа липиды-белки и к действию полярных растворителей. Од-
нако количество химически связанного масла в материалах,
поступающих на экстракцию, обычно очень невелико (по срав-
нению с общим количеством экстрагируемого масла).
Несколько подробнее остановимся на пористости частиц
экстрагируемого материала. Помимо общей пористости, обра-
тим внимание на форму пор, их диаметр и сообщаемость с про-
странством, окружающим частицу материала. Схемы различной
по характеру пористости внутренних структур показаны на
рис. 113 [463].
Очевидно, наиболее благоприятным для экстракции располо-
жением пор является случай а — открытые с обеих сторон и
перпендикулярные к наружной поверхности лепестка поры.
В этом случае молекулы масла, находящиеся или попавшие в
поры в результате диффузии через клеточные мембраны и вто-
ричные перегородки, должны будут пройти внутри лепестка
318
минимальный путь. Следовательно, время, необходимое для
диффузии внутри лепестка, будет минимальным.
Случай б — открытые с обеих сторон поры расположены
под углом к поверхности — менее благоприятен для экстракции,
чем случай а, так как средний путь диффундирования масла
в этом случае больше, чем в случае а.
Случай в — идущие из резервуаров поры, закрытые с одной
стороны, — по сравнению со случаями а и б—может занимать
различное положение в зависимости от длины пор.
Рис. 113. Схематическое изображение различного ха-
рактера внутренней пористости частиц.
Помимо показанных на рис. 113 случаев, существует очень
большое количество вариантов. Например, можно представить
себе поры, блокированные с одной или двух сторон веществом
частицы, поры, различные по диаметру, поры различной сте-
пени искривленности и т. д. Всем этим вариантам будет соот-
ветствовать различная величина коэффициента диффузии мас-
ла внутри частиц. В таком смысле для характеристики вну-
тренней структуры частиц было предложено понятие «кинети-
ческой неравноценности» пор [316].
Молекулы масла передвигаются внутри пор, так же как и
в большом объеме жидкости, в результате беспорядочного теп-
лового движения и описывают случайную траекторию. При этом
чем меньше эффективный диаметр пор и чем больше их искрив-
ленность (зигзагообразность), тем больше вероятность столкно-
вения молекул диффундирующего вещества с внутренними стен-
ками пор, тем, следовательно, в более сильной степени замед-
ляется их продвижение к наружной поверхности экстрагируемой
частицы.
И, наоборот, чем больше диаметр пор, чем они прямее, тем
больше скорость диффузии масла внутри частиц.
Совокупность максимального разрушения клеточной струк-
туры, отсутствия вторичных перегородок и наличия больших по
сечению прямых пор в какой-то мере приближает нас к идеаль-
ной внутренней структуре частиц [19], коэффициент диффузии
внутри которых равен коэффициенту свободной молекулярной
319
диффузии жидкости в жидкости. Это — предельно благоприят-
ная для экстракции внутренняя структура, действительное су-
ществование ее невозможно. Численные значения отношения
коэффициента внутренней диффузии (DB) к коэффициенту сво-
бодной молекулярной диффузии (D) должны отражать степень
приближения внутренней структуры данных частиц к идеаль-
ной. Равенство = 1 соответствует идеальной внутренней
структуре.
Остановимся еще на одном обстоятельстве, которое, воз-
можно, оказывает влияние на скорость диффузии масла внутри
частиц. Вязкость жидкости внутри капиллярных пор в силу
определенного ее сродства с веществом, составляющим вну-
тренние стенки пор, отличается от вязкости этой же жидкости,
когда она находится в свободном объеме. Это учитывалось, на-
пример, при изучении структуры гелей на основании данных по
коэффициентам диффузии в них [417]. Если в порах, находя-
щихся внутри частиц, действительно отмечается увеличение
вязкости растворителя, то, так как скорость диффузии обратно
пропорциональна вязкости растворителя, это явление также мо-
жет замедлять диффузию масла внутри частиц.
Таким образом, механизм диффузии масла внутри частиц
чрезвычайно сложен, а величина коэффициента внутренней
диффузии является суммирующей, интегральной характеристи-
кой их внутренней структуры.
С коэффициентом внутренней диффузии тесным образом
связано поле концентрации мисцеллы внутри частиц, или сте-
пень извлечения масла при различной внутренней структуре.
Чтобы исследовать этот вопрос в теоретическом плане, обра-
тимся к уравнению (XV—15) и проанализируем изменение кон-
центрации мисцеллы внутри частиц для случаев, когда внешним
диффузионным сопротивлением можно пренебречь. Как мы уви-
дим ниже, такие случаи представляют наибольший прикладной
интерес. Перепишем это уравнение в следующем виде:
— == — е sin — . (XVIII—6)
Cq л. I
Для некоторого времени т уравнение (XVIII—6) принимает
вид:
— =Ksin — . (XVIII—7)
с0 I
где К — константа.
Из последнего уравнения следует, что относительное изме-
нение концентрации внутри лепестка представляет собой сину-
320
соидальную функцию аргумента х. При х = 0 и х=1, т. е. на гра-
нице раздела твердой и жидкой фаз,— =0, а при х = — I полу-
с0 2
чается'— =тах. На рис. 114 показано графическое изображе-
ние этой функции [177] *.
Рис. 114. Относительное изменение концентрации по
толщине лепестка при продолжительности диффузии
(в сек.}:
г—600,' 2—900, 3—1200, 4—2400, 5—3600, 5—4800 , 7—6000 , 8—7290,
5—8400, 70-9600.
(для всех кривых 1=0,5 мм, £)„ —10 7 см2!сек.
Как видно из рис. 114, в любой момент экстракции средняя
концентрация мисцеллы находится на одном и том же расстоя-
нии от наружной поверхности лепестка. Отсюда можно опреде-
лить численное значение п в уравнении (XVIII—5). Это зна-
чение равно 5,88 [19]. Еще одно важное заключение можно сде-
лать, внимательно анализируя рис. 114. Скорость уменьшения
относительной концентрации — с течением времени падает. Это
с0
хорошо видно из сравнения кривых, взятых через равные про-
* В расчет принимались только те значения переменных £>в, I и т, при
которых максимальная величина второго члена по отношению к первому
в ряду (XV—14) составляла 1,65%, т. е. ошибка была допустимой для
принципиального анализа.
11 В. В. Белобородов 321
межутки времени (через 1200 сек). Характер изменения кон-
центрации внутри частиц влияет на градиент концентрации и,
следовательно, на скорость процесса. Уменьшение скорости
падения — со временем лежит в основе качественно анало-
гичного изменения скорости экстракции, на чем мы остано-
вимся в следующей главе.
О Ш 2000 3000 W00 5000 6000 7000 8000 9000 ЮООО НОВО
У, сек
Рис. 115. Эффективность экстракции в зависимости от
внутренней структуры Z)B и времени т (при прочих рав-
ных условиях): толщина лепестка 0,5 мм, коэффициент
внутренней диффузии (в смО/сек):
I—10“8; 2—2-10-8; 3-4-10~8; 4—6-10~8; 5—8-10~8; 6—10~7;
7—2-10~7; 8—4-Ю-7; 9—6-Ю"-7; 10—8-10“7; 11—10—6.
Влияние изменения совокупности двух важнейших факто-
ров— внутренней структуры материала и продолжительности
процесса — на среднюю концентрацию внутри частицы пока-
зано на рис. 115. Для материалов со значительным количест-
вом неразрушенных клеток, характеризуемых £>в=10 8 см2/сек,
[ с \
отношение — ср начинает медленно уменьшаться только при
\ Со J
т>6000 сек. Уже для сырой соевой крупки с ее относительно
мало разрушенной клеточной структурой при DB = 3-10-8 см2/сек
322
[19], снижение )ср начинается приблизительно с 1400 сек и
идет более резко, чем при Пв=10~8 см2/сек. Однако материалы,
характеризуемые Вв = 3-10~8 см2]сек, для заметного снижения
/JLjcp требуют все еще большой длительности экстракции.
\ Cq f
При Пв=10-7—10~6 см2]сек, что соответствует внутренней
структуре реальных материалов (см. главу IV),( —1Ср сни-
\ с0 /
жается быстро уже при сравнительно небольших промежутках
времени.
Графики такого типа могут служить для предварительного
определения возможности эффективной экстракции материала с
данной внутренней структурой на том или другом экстракторе
с известной продолжительностью процесса.
ВНЕШНЯЯ ДИФФУЗИЯ
Из анализа уравнения для коэффициента массопереноса
следует, что скорость второго и третьего этапов процесса экс-
тракции определяется для данного вида сырья и применяемого
растворителя режимом процесса собственно экстракции. Кроме
того, скорости этих этапов процесса экстракции взаимно свя-
заны между собой. Поэтому целесообразно будет рассмотреть
указанные этапы в их совокупности.
Обратимся к выводу уравнения для определения толщины
диффузионного пограничного слоя (ламинарный режим) или
диффузионного подслоя (турбулентный режим). Вывод этого
уравнения основан на уравнениях молекулярной диффузии и
на кривой экстракции, которая строится по опытным данным.
Поэтому как для диффузионного пограничного слоя, так и для
диффузионного подслоя уравнение будет одним и тем же.
Половину лепестка вместе с находящимся на его поверхности
слоем (подслоем) можно представить как двуслойную пластин-
ку толщиной -^-с различными диффузионными сопротивлениями
каждого слоя. Как указывалось, диффузионное сопротивление
первого слоя (или, иначе, первого этапа диффузионного пути)
/ ,
равно-------, а диффузионное сопротивление второго слоя (или
5,88/Д.
второго этапа диффузионного процесса)---Их сумма можег
быть представлена в виде выражения
__I
I S _ 5,88 +
5,88DB + D ~ D'
(XVIII-8)
И* 323
где D' — некоторый средний (фактически не существующий)
коэффициент диффузии.
В соответствии с принятой схемой 1 + 28 = L.
В основе уравнения (XVIII—8) лежит допущение о линей-
ном характере распределения концентрации как внутри лепест-
ка, от точки;—)Ср ДО его наружной поверхности (см. рис. 114),
\ /
так и внутри слоя (подслоя). К такому характеру распределе-
ние концентрации лишь приближается по истечении достаточно
большого промежутка времени. Кроме того, 6 зависит от длины
пластинки (лепестка). Поэтому конечное уравнение для 6 дает
ориентировочный ответ.
Для рассматриваемого случая уравнение диффузии из пла-
стинки— уравнение (XV—21)—может быть написано в виде:
1g — = — 0,0911 --4,286———. (XVIII—9)
(1+2Ъу
Обозначив через at тангенс угла наклона кривой экстрак-
ции, определяемой из опыта, и заменяя D' его значением из
формулы (XVIII—8), напишем:
+ о I 5,88DBD
4,286 • ----------= at.
(/£> + 5,88£>в8) (/+28)2 (
(XVIII—10)
Решая уравнение (XVIII—10) относительно 6, окончательно
будем иметь кубическое уравнение:
5,88«у£)в53 + atl (23,52DB 4- D) о2 + 5,88atl2 (DB + 0,68Z) —
_ ±286 d^A § + ю _ 4j286Z)b) = 0. (XVIII—11)
atP /
В наших опытах [19] толщина диффузионного пограничного
слоя 6 колебалась в пределах 0,40—0,88 мм (бензин) и 0,37—
0,54 мм (дихлорэтан), что согласуется с имеющимися данными
(см. главу XV).
Определение 6 по уравнению (XVIII—11) отличается неко-
торым удобством, поскольку не требует знания истинной ско-
рости движения мисцеллы, которую в условиях экстракции оп-
ределить не всегда возможно. Влияние скорости движения мис-
целлы в этом уравнении скрыто в угловом коэффициенте at,
в принципе он тем больше, чем выше скорость движения мис-
целлы. Наряду с этим уравнение (XVIII—11) имеет тот недо-
статок, что в нем не отражена зависимость 6 от длины пластин-
ки, видная из уравнения (XV—22).
Формулу для определения величины конвективного коэф-
324
фициента диффузии легко получить, если решить уравнение
(XVIII—5) относительно р:
р = ------?------- . (XVIII—12)
I/O
К ~ 5,88£>в ~ D
Определенный из опыта по уравнению (XVIII—12) конвек-
тивный коэффициент диффузии будет лишь усредненной вели-
чиной, справедливой для потока в целом, кроме слоя (подслоя),
но не для каждой точки потока. Это следствие постепенного
нарастания конвективности на некотором расстоянии от наруж-
ной «поверхности» слоя (подслоя) в направлении к основному
потоку (см. рис. 98 и 99, стр. 275).
Кроме того, в связи с тем, что исходное уравнение (XVIII—5)
верно только для каждого данного момента процесса, то и к
значениям р, получаемым по уравнению (XVIII—12), относятся
эти же ограничения. Только в условиях установившегося про-
цесса можно производить весьма ориентировочные расчеты по
уравнению (XVIII—12), принимая в качестве коэффициентов К
и £)в некоторые их средние значения. Расчет величины б по
уравнению (XVIII—11) также может выполняться при постоян-
ном или некотором среднем значении at (следовательно, и ко-
эффициента -Ов) -
ГИДРОДИНАМИКА ЭКСТРАКЦИИ1
Полученное выражение для коэффициента массопереноса
(XVIII—5) отражает наиболее общий случай, когда скорость
суммарного процесса зависит от скорости молекулярной диф-
фузии внутри частиц и в пограничном слое и от скорости кон-
вективного переноса вещества в поток мисцеллы. В этом случае
сопротивлением ни одного из этапов диффузионного пути пре-
небречь нельзя.
Рассмотрим отдельные случаи гидродинамических условий
процесса, которые могут иметь теоретическое или практическое
значение.
Если частицы экстрагируемого материала погружены в не-
подвижную жидкость, то перенос вещества посредством конвек-
тивной диффузии отсутствует. Скорость процесса экстракции
в этом случае определяется только скоростью молекулярной
диффузии внутри частиц и снаружи. При этом весь наружный
раствор принимается за пограничный слой большой толщины,
которая может во много раз превышать размер частицы экстра-
1 Здесь мы останавливаемся на гидродинамике экстракции только в той
мере, в какой она может влиять на интенсивность массопереноса.
325
тируемого материала. Скорость накопления диффундирующего
масла в данной точке наружного раствора будет зависеть от
скорости молекулярной диффузии внутри и снаружи частиц,
размера частиц и расстояния данной точки системы от наруж-
ной поверхности частиц. Выражение для коэффициента массо-
переноса в разбираемом случае будет иметь вид:
Я = —у-!--------. (XVIII—1 з)
5,88DB +~D
Возникновение коннективности в наружном растворе систе-
мы приводит к изменению постановки задачи. В таких условиях
появляется третий этап диффузионного пути — конвективная
диффузия. Этот наиболее общий случай может существовать
в пределах широких колебаний скорости движения наружного
раствора. Как мы уже говорили, он описывается уравнением
(XVIII—5).
При определенных (низких) скоростях движения наружного
раствора диффузионные сопротивления второго и третьего эта-
пов могут составлять значительную величину. Это видно из
табл. 29, составленной на основании наших данных по К, £>в, D,
8 и р, полученных в результате экстракции одиночного сырого
соевого лепестка экстракционным бензином и дихлорэтаном при
55 °C и абсолютной скорости движения растворителя
1 см)сек [19]. При составлении этой таблицы величина —
К
принята за 100% •
Следует отметить тот факт, что при одних и тех же условиях
опытов диффузионное сопротивление второго этапа для дихлор-
этана больше, чем для бензина, что находится в хорошем со-
гласии с соотношениями величин молекулярных коэффициентов
диффузии растительных масел в этих растворителях.
Из данных табл. 29 видно, что при истинной скорости около
0,1 см/сек третий этап еще обладает диффузионным сопротив-
лением в 2—3 раза большим, чем второй. Было также показано
[170], что при скорости движения растворителя 0,024—0,62 см/сек
(в пересчете на пустое сечение экстрактора, истинная скорость
несколько выше) в определенной мере изменяется скорость
экстракции в начале процесса.
Коэффициент конвективной диффузии с увеличением скоро-
сти быстро возрастает, и это диффузионное сопротивление легко
может быть ликвидировано. Одновременно будет уменьшаться
толщина пограничного слоя и снижаться диффузионное сопро-
тивление второго этапа. При скоростях более 0,5 см/сек сопро-
тивлениями второго и третьего этапов можно пренебречь [24] и
326
Таблица 29
Сравнение
диффузионных сопротивлений различных этапов процесса экстракции
в % к общему диффузионному сопротивлению —
К
Этапы Обозначение диффу- зионных сопротив- лений Толщина лепестка, мм Сред- ние значе- ния
0,35 0,45 0,55 0,65
Растворите ль — экстракционный
бензин
1
Первый 5,88 Г>в 85,60 68,50 65,30 76,20 73,80
Второй £ D 4,62 7,22 8,86 4,63 6,40
Третий Р 9,78 24,28 25,84 19,17 19,80
6 , 1 14,40 31,50 34,70 23,80 26,20
Второй и третий в сумме D
Растворитель — дихлор этан
Первый 1 73,00 72,00 65,20 72,40 70,67
5,88 DB
Второй 6 D 6,88 10,90 13,25 12,10 10,78
Третий 1_ 6 20,12 17,10 21,55 15,50 18,55
Г 6 1 27,00 28,00 34,60 27,60 29,33
Второй и третий в сумме
D р
выражение для коэффициента массопереноса записать в сле-
дующем виде:
Д' =-----. (XVIII— 14)
5,88DB
Иными словами, в данном случае 6 = 0, а р = оо и опреде-
ляющим является сопротивление первого этапа процесса — мо-
лекулярной диффузии внутри частиц экстрагируемого мате-
риала.
Было показано [75], что истинные скорости движения мис-
целлы в вертикальном шнековом экстракторе НД-1000 больше
327
1,0 см!сек. Поэтому практически для большинства случаев экс-
тракции в вертикальном шнековом экстракторе НД-1000 дей-
ствительно последнее выражение, что очень важно для разра-
ботки методов расчета процесса экстракции. По-видимому, оно
остается справедливым и для большинства других конструкций
подобного типа экстракторов непрерывного действия, так как
соотношение растворитель: экстрагируемый материал для раз-
личных конструкций таких экстракторов не очень сильно отли-
чается и скорости движения мисцеллы составляют около
1,0 см!сек. Это, безусловно, правильно по отношению к тем кон-
струкциям, в которых имеется рециркуляция мисцеллы (Де-
Смет, Лурги и др.).
Дальнейшая турбулизация потока мисцеллы в принципе мо-
жет привести к тому, что конвективные токи проникнут внутрь
частиц экстрагируемого материала, например, при срыве по-
граничного слоя или разрушении самих частиц, благодаря чему
интенсивность экстракции возрастет. Турбулизация мисцеллы
внутри частиц материала при прочих равных условиях тем ве-
роятнее, чем меньше размер частиц и больше величина пор в
них. Теоретический анализ показывает [12], что в определенной
части более или менее крупных пор, на участках, близких к по-
верхности частицы, может возникать зона турбулентного дви-
жения жидкости, что также нарушает молекулярный механизм
массопереноса внутри частиц. Уменьшение размера частиц при-
водит к сокращению диффузионного пути / и к увеличению
удельной поверхности материала, что в свою очередь интенси-
фицирует процесс экстракции.
При наличии конвекции внутри частиц экстрагируемого ма-
териала происходящий в них перенос вещества будет совер-
шаться посредством как конвективной, так и молекулярной
диффузии. Для такого случая в выражении (XVIII—14) вели-
чина DB должна быть заменена эффективным коэффициентом
диффузии D3:
К =----J, (XVIII—15)
nD3
формулу для которого можно записать в следующем виде:
d3 = dk_b + d,_b, (XVIII-16)
где Дк. в — коэффициент конвективной диффузии внутри ча-
стиц;
Dm. в — коэффициент молекулярной диффузии внутри ча-
стиц.
328
В связи с изменением характера переноса вещества внутри
частиц коэффициент п может получить новое значение.
Доля конвективной и молекулярной диффузии внутри ча-
стиц будет зависеть от гидродинамических условий протекания
процесса экстракции. Степень турбулизации мисцеллы внутри
частиц может быть такой, при которой молекулярным перено-
сом по сравнению с конвективным можно пренебречь, т. е.
можно принять Дэ=£>к. в. Выражение для коэффициента мас-
сопереноса в этом случае примет вид:
# =----*---. (XVIII-17)
П^к. в
Случаи, когда можно принять 6 = 0, |3 = оо и D., = Z)K. в + Z>M. в или
Z>3=Z)K. в, наиболее благоприятны для скорости экстракции.
Однако эти принципиальные положения экспериментально
еще не проверены. Более или менее обоснованной является
гипотеза о возникновении кавитаций внутри частиц при нагреве
экстрагирующей жидкости до температуры, близкой к темпера-
туре ее кипения [48]. В подавляющем большинстве случаев при
реальных условиях ведения процесса внутренний массоперенос
остается молекулярным.
В заключение остановимся на некоторых общих положениях
по влиянию состояния потока на эффективность экстракции.
Роль коннективности потока мисцеллы тесным образом связана
с величиной диффузионных сопротивлений отдельных этапов
экстракции. В современных условиях ведения процесса экстрак-
ции она пренебрежимо мала, поскольку велико диффузионное
сопротивление первого этапа из-за малой величины коэффици-
ента внутренней диффузии и относительно большого размера
частиц материала. Так, например, порядок величины диффу-
зионного сопротивления первого этапа для сырого соевого ле-
пестка равен 105 сек/см, а для экспеллерной хлопковой круп-
ки— 104 сек/см [19]. Интересно, что если по коэффициенту диф-
фузии сахара из свеклы [234], приняв /=0,5 мм, рассчитать
диффузионное сопротивление первого этапа, то получим
Ю3 сек/см, т. е. в 10 раз меньше, чем для жмыховой крупки, и в
100 раз меньше, чем для сырого соевого лепестка. Отсюда по-
нятно, почему при экстракции сахара из стружки скорость и
режим движения экстрагирующей жидкости оказывают опреде-
ленное влияние на эффективность процесса [13, 59, 119, 236, 329],
тогда как при экстракции растительных масел это влияние
чрезвычайно мало. Даже высокоинтенсивные, ультразвуковые
колебания при экстракции растительных масел из жмыха не
329
приводят к значительному ускорению процесса [136]*. С увели-
чением коэффициента внутренней диффузии роль состояния
внешнего потока в эффективности экстракции растительных ма-
сел может возрасти.
При уменьшении величины частиц экстрагируемого материа-
ла диффузионное сопротивление первого этапа уменьшается.
Поэтому для очень мелких частиц влияние скорости и режима
движения мисцеллы может быть существенным, особенно если
экстракцию таких частиц проводить во взвешенном состоянии
при интенсивном перемешивании. В подобных случаях, очевид-
но, пренебрегать влиянием гидродинамики внешнего потока
нельзя, так как интенсивность перемешивания может влиять и
на скорость массопереноса внутри частиц, как это наблюдалось
[11] для экстракции соевого молока, несмотря на малую вели-
чину коэффициента внутренней диффузии (10-8 см2) сек).
РОЛЬ ОТДЕЛЬНЫХ ФАКТОРОВ
В соответствии с механизмом экстракции заметное влияние
отдельных факторов на эффективность процесса сводится к их
влиянию главным образом на ход первого этапа диффузионного
пути. Рассмотрение этого вопроса в самом общем виде под-
тверждает правильность изложенных представлений о превали-
рующей роли первого этапа диффузионного пути.
Разрыв клеток. Огромное значение этого фактора видно из
сравнения коэффициентов внутренней диффузии для целых ядер
и их микротомных срезов, с одной стороны, и лепестка и крупки,
с другой стороны (см. табл. 13 на стр. 80). Обычно различие
между ними составляет один-два порядка, что оказывает ре-
шающее влияние на эффективность процесса.
Чрезвычайно низкая скорость диффузии масла из целых
клеток была экспериментально установлена в ряде работ [21,
95, 96, 279, 414, 464]. Поэтому важнейшим требованием при
подготовке Материала к экстракции является максимальное
разрушение клеточной структуры ядра семян.
Влажность материала. Отрицательное влияние повышенной
влажности материала впервые было установлено в связи с ба-
тарейной экстракцией [55]. Показано тормозящее действие
повышенной влажности при экстракции неполярным, гидрофоб-
* Сообщение [493] о положительном влиянии ультразвуковых колебаний
на эффективность экстракции масла из измельченного арахиса п-гексаном
еще не может быть доказательством положительного влияния именно турбу-
лизации экстрагирующей жидкости в реальных условиях, так как в данных
опытах возможно было диспергирование слипшихся частиц и разогрев мис-
целлы, о чем пишут авторы. Кроме того, указанная работа выполнена на
мелких частицах (малое диффузионное сопротивление первого этапа, что не-
характерно) и оценивалась в основном по интенсивности извлечения первых,
наиболее легко экстрагируемых порций масла.
330
ним растворителем на скорость диффузии масла из клеток
эпидермиального слоя целых ядер подсолнечных семян [103].
Этому соответствует понижение коэффициентов внутренней
диффузии в целых клетках арахиса [414]. Опыты по непрерывной
экстракции сырой подсолнечной мятки подтвердили отрицатель-
ную роль повышенной влажности [191] и установили определен-
ную границу влажности (6%), ниже которой масличность шрота
заметно не уменьшается [69].
Экстракция трихлорэтиленом хлопковой мятки также пока-
зала увеличение масличности шрота с ростом влажности [387].
Специальные исследования, проведенные на сыром соевом
и хлопковом лепестке [389], установили оптимальное значение
влажности: для лепестков сои—14,0% (гексан) и 12—13%'
(трихлорэтилен), для лепестков хлопчатника — 4,3% (гексан)
и 7,4% (трихлорэтилен). Влияние влажности на экстрагируе-
мость связывается с изменением внутренней пористости частиц
в связи с их набуханием при повышении влажности и сжима-
нием при понижении ее.
Влажность материала не только влияет на процесс соб-
ственно диффузии, но и может существенно сказываться (осо-
бенно влажность сырого лепестка) на слеживаемости материала
и, следовательно, на эффективности экстракции [95].
Размер частиц. Из уравнения (XVIII—5) видно, что чем
меньше размер частиц материала, тем больше коэффициент
массопереноса, т. е. тем эффективнее экстракция. В опытах
на лепестке и крупке различных культур в условиях лабора-
торной непрерывной экстракции техническим гексаном получены
данные [403], согласно которым время экстракции (Т) в мину-
тах, необходимое для получения шрота с 1 % масличности на
сухое вещество, находится в следующем соотношении с вели-
чиной частиц экстрагируемого материала:
T=kDn, (XVIII—18)
где D — средний размер частиц,
k — отрезок между двумя точками прямой, соответствую-
щий определенному участку ординаты (имеется в
виду прямая, связывающая Т и D);
п —коэффициент (п>0) *.
Связь между масличностью шрота R в процентах на абсо-
лютно сухое вещество, толщиной лепестка b и средним диамет-
ром частиц мятки DM при лабораторной экстракции хлопкового
масла трихлорэтиленом дается в следующем виде [387]:
R = p,00153W . (XVIII-19)
Dm
* Численные значения п приведены в оригинале, а на русском языке —
в другой работе [18].
331
Закономерность — чем больше размер частиц, тем меньше
эффективность экстракции — является общей для большинства
размеров частиц. Однако было замечено, что при экстракции
форпрессовой крупки хлопковых семян [73] и форпрессового
Подсолнечного лепестка [75] на экстракторе НД-1000 маслич-
Ность тех частиц шрота, размер которых меньше 0,5 мм, как
правило, больше, чем масличное™ шрота в целом или маслич-
ность более крупных частиц шрота. Эти факты согласуются
с формулой (XVIII—19), согласно которой увеличение степени
измельченное™ мятки (уменьшение 7)м) приводит к росту
масличности шрота. Такое поведение «мелочи» при экстракции
может быть следствием многих причин: особой внутренней
структуры мелких частиц, образования застойных областей
мисцеллы в местах сосредоточения мелких частиц и др.
Температура экстракции. Качественно повышение эффектив-
ности экстракции с ростом температуры было установлено
в ряде работ [96, 282, 286, 390, 455]. Следует отметить, что
с увеличением толщины лепестка и количества неразрушен-
ных клеток в нем повышается роль температуры в эффектив-
ности процесса [282]. Иными словами, чем меньше коэффициент
внутренней диффузии, тем большее влияние оказывает изме-
нение температуры на ход процесса.
В качестве меры влияния температуры на эффективность
экстракции принимается [503] время 0 в минутах, необходи-
мое, для получения масличности шрота 1% на сухое вещество.
Эмпирическая зависимость получена в условиях непрерывной
лабораторной экстракции:
0 = ktn, (XVIII—20)
где k — ордината, приходящаяся на 1 °F;
t — температура, °F;
п —коэффициент (п<0)*.
Обработка опытных данных показала, что величина 0 из-
меняется приблизительно обратно пропорционально квадрату
температуры в °F.
При экстракции хлопковой мятки трихлорэтиленом и полу-
чении 20 %-ной концентрации мисцеллы между масличностью
шрота R в процентах на сухое вещество и температурой t
в °F на камеральном экстракторе получена зависимость [387]:
Я = е2’б23-°'0137/. (XVIII—21)
* См. сноску на стр. 331.
332
Глава XIX. КИНЕТИКА ЭКСТРАКЦИИ
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОНЯТИЯ
Изучение изменений масличности материала или концентра-
ции мисцеллы в ходе экстракции относится к кинетике процесса
в широком смысле этого слова. Оно позволяет получить опре-
деленное представление о прочности связи масла в поступаю-
щем на экстракцию материале и дополнительно выяснить
некоторые особенности механизма экстракции. К такому анализу
мы будем обращаться при рассмотрении кривых экстракции.
Однако для исследования кинетики экстракции этого недоста-
точно, так как в строгом смысле слова кинетика экстракции
отражает изменение скорости переноса вещества (масла) с из-
менением времени или остатка вещества (масла) в материале,
но не изменение масличности материала (шрота) во времени.
Необходимо дать строгое определение понятию «скорость экс-
тракции» [32] — важнейшему элементу кинетики экстракции.
Так как экстракция является сочетанием молекулярной и
конвективной диффузии, то под скоростью экстракции следует
понимать количество вещества (масла), переносимого через
единицу поверхности (извлекаемого из единицы массы мате-
риала) в единицу времени. Иными словами, понятие «скорость
экстракции» идентично понятию «диффузионный поток» [61].
Представление о численном значении скорости экстракции
может быть получено следующим образом.
Количество масла, приходящееся на определенную массу
сухого обезжиренного материала к некоторому моменту вре-
мени т, очевидно, равно:
G'= MGC, (XIX— 1)
где М — масличность материала на сухое обезжиренное веще-
ство;
Gc — вес сухого обезжиренного вещества.
Количество масла, извлеченного из такой же массы мате-
риала (его сухой обезжиренной части) к тому же моменту
времени, получается из выражения
G = G0-G' = G0 — MGC, (XIX—2)
где Go — количество масла, приходящееся на определенную
массу сухого обезжиренного материала в начале экс-
тракции (т=0).
Продифференцируем уравнение (XIX—2) по времени. Так
dG0 л
как =0, получим
— = — Gc — . (XIX-3)
dx dt
333
Приняв Gc=l, окончательно будем иметь
dG _ _ dM
dz dz
(XIX—4)
Скорость экстракции численно равна скорости изменения
масличности материала на сухое обезжиренное вещество, а по
знаку противоположна ей. Размерность скорости экстракции Г-1,
например сек-1, если масличность материала выражена в долях
единицы, или °/0/Т и соответственно % /сек, если масличность
материала выражена в процентах.
В связи со сказанным отметим трактовку в ряде работ
понятия о скорости экстракции. Так, например, под скоростью
экстракции понималось [384, 503] изменение масличности ма-
териала со временем, а позднее [385] — изменение процента
оставшегося в материале масла со временем (за 100% было
принято исходное содержание масла), т. е. то же самое. Ино-
гда под скоростью экстракции понимается скорость изменения
массы извлеченного масла [396]— —. С другой стороны, в не-
dz
которых работах [437, 488] в связи с вопросом о скорости
экстракции вводится величина скорости изменения маслично-
. / de' dx
сти материала на сухое обезжиренное вещество (------,-----
\ dz dz
соответственно). Наконец, дается определение [464]: «Скорость
экстракции есть вес извлеченного за единицу времени масла на
единицу веса инертного твердого тела» и используется величина
скорости изменения масличности материала на сухое обезжи-
/ de \ т-.
ренное вещество-------. Подход к пониманию скорости экст-
\ dz I
ракции в этих работах [437, 464, 488] в общем правильный, но
нет четкой границы между физическим смыслом этого понятия
(диффузионный поток) и численным его значением (минус
скорость изменения масличности материала на сухое обезжи-
ренное вещество).
Для принципиальных выводов очень важно исходить из
правильного понимания скорости экстракции. Иногда [245]
между скоростью экстракции и скоростью изменения маслич-
ности материала на сухое вещество (но не на сухое обезжирен-
ное вещество) ставят знак равенства. Это приводит к непра-
вильному выводу о том, что якобы при экстракции ряда мате-
риалов (например, подсолнечная мятка после первого и третьего
проходов пятивальцового станка, подсолнечная мезга) наблю-
дается постоянная скорость (наличие на кривых скорости
экстракции участков, параллельных оси времени или оси мас-
личности материала). Однако, как видно из рис. 116, построен-
ного по опытным данным той же работы [245], но с учетом
334
приведенного выше физического смысла скорости экстракции
и ее численного значения, ни при каких величинах масличности
или времени скорость не остается постоянной: с увеличением
времени и уменьшением масличности материала скорость па-
дает; причем как раз при тех значениях времени и масличности,
Рис. 116. Скорость экстракции как функция масличности материала (а)
и продолжительности процесса (б); растворитель — экстракционный бен-
зин; экстрагируемый материал:
1 — подсолнечная мятка после первого прохода, 2 — подсолнечная мятка после
третьего прохода пятивальцового станка, 3 — подсолнечная мезга.
при которых скорость экстракции в указанной работе остается
неизменной, на самом деле она уменьшается больше всего.
Интегрирование уравнения (XIX—4) дает
Gm = Mh-Mr. (XIX-5)
Справедливость уравнения (XIX—5) совершенно очевидна,
что подтверждает правильность уравнения (XIX—4).
ОСНОВНЫЕ |ПЕРИ0ДЫ
Произведенный в предыдущей главе анализ механизма
экстракции позволил установить ее характер в каждый данный
момент времени. Необходимо рассмотреть ход экстракции во
времени, анализируя кривые экстракции, являющиеся графи-
335
ческим отображением функции — =[(т). Кривая экстракции
<7о
может быть построена на основании опытных данных по экс-
тракции какого-либо материала, когда через определенные
промежутки времени устанавливают количество извлеченного
масла или масличность материала.
Анализ кривых экстракции имеет большое значение как
с теоретической, так и с практической точки зрения, так как
Рис. 117. Графическое изобра-
Г/ v
жепие функции"—==/(т) для
г<70' а
смеси частиц одинаковой вели-
чины:
/ — по уравнению диффузии из пла-
стинки при! /Э = 1,0’10-8 см2{сек и
/==0,3 мм, 2 —по уравнению
диффузии из шара при 2>«1,0* 10—8
см2} сек и го = 1.0 мм, 3 — кривая
экстракции тетрахлорэтиленом гли-
няных пластинок, пропитанных сое-
вым маслом [93], 4, 5, 6, 7 — кривые
экстракции гексаном микротомных
срезов арахиса [414] при 1> равном
соответственно 0.20 мм, 0,26, 0,32
и 0,40 мм.
ного и того же материала. Н
экстракции соевого лепестка,
кривые экстракции глиняных
арахиса и соевого лепестка пс
эти кривые отражают характер
и кинетику процесса и позволяют
установить, каким законам под-
чиняется процесс экстракции и
когда его нужно прервать для
данного вида материала при ра-
циональном соотношении маслич-
ности шрота и времени, необхо-
димого для ее получения.
Обратимся сначала к тео-
ретическому уравнению диффу-
зии из пластинки — уравнению
(XV—21)*. Это уравнение содер-
жит, кроме времени т, две неза-
висимые переменные: коэффи-
циент диффузии D и толщину
пластинки I.
Для одной и той же толщи-
ны лепестка при постоянной его
внутренней структуре отношение
— = const. Следовательно, урав-
нение диффузии будет представ-
лять собой уравнение прямой.
На рис. 117 показаны прямые 1
и 2, построенные на основании
теоретических уравнений для
диффузии из пластинки и шара.
Там же приведены кривые экс-
тракции, полученные различны-
ми исследователями для смеси
частиц одинаковой величины од-
i рис. 118 [21] показаны кривые
Как следует из рис. 117 и 118,
пластинок, микротомных срезов
истечении определенного време-
* Аналогичный анализ можно произвести, беря за основу теоретическое
уравнение диффузии из шара или цилиндра.
336
ни становятся прямыми линиями, что соответствует теоретиче-
скому уравнению диффузии из пластинки.
Рис. 118. Графическое изображение функции
для смеси частиц одинаковой вели-
ко
чины; растворитель — экстракционный бензин;
экстрагируемый материал — сырой соевый ле-
песток толщиной (в мм):
2 — 0,35; 2 — 0,45; 5 — 0,55; 4 — 0,65 (кривые получены
при экстракции в условиях, исключающих блокирова-
ние наружной поверхности лепестка).
Однако практически мы никогда не имеем дело с частицами
одной величины, имеющими к тому же одинаковую внутреннюю
структуру. Обычно экстрагируемый материал представляет со-
бой смесь частиц различной величины, с разной внутренней
структурой. Толщина, например, сырого соевого лепестка тесно
337
связана с количеством вскрытых клеток, степенью деформации
внутриклеточного содержимого и т. п. В случае экстракции
крупки из форпрессовых жмыхов разные по величине частицы
могут иметь различную пористость и влажность вследствие,
например, неодинаковых условий прессования для слоев мате-
риала, прилегающих к валу и к внутренней поверхности зеера
[252]. Таким образом, в обычных условиях экстрагируемый
материал обладает многими значениями I и D.
Ниже приводится наиболее простой случай [437]: экстраги-
руемый материал состоит из лепестка двух толщин (/[ и /2)
с одинаковой внутренней структурой (D). Пусть в общей смеси
материала доля лепестка с толщиной /1 составляет At, а доля
лепестка с толщиной 4— А2. Тогда для лепестка 4 уравне-
ние (XV—17) в развернутом виде может быть написано:
<?/ __ 8
9о "2
ехр
+ т“Р
9n2Dz
12
12
(XIX—6)
и для лепестка 12:
л2£>т \
!i У
(XIX-7)
Для данной смеси лепестков Ц и 12:
<?;
<7о
Т А2 ехр
T2D~ \
Tt2Dv \ , 1 / 9тс22?т:
------- -] ехр (
/2-----9---------/2
‘2 / \ ‘2
(XIX—8)
На рис. 119* кривая 1 построена на основании уравнения
(XIX—8) при Zi = 0,25 мм, 4=0,45 мм, А1 = А2=0,5 и £) =
= 1,0-10-8 см2/сек. Можно предусмотреть большое количество
вариантов с различными I и D и построить соответствующие
им теоретические кривые. Все эти кривые будут иметь вид,
аналогичный виду кривой 1 на рис. 119. На этом же рисунке
приведены кривые экстракции, полученные для смеси частиц
различной величины. Характер этих кривых экстракций анало-
гичен характеру кривой, построенной на основании уравнения
(XIX—8).
Таким образом, сравнение кривых, построенных на основа-
нии теоретических уравнений диффузии для смеси частиц как
одинаковой величины, так и различной, с кривыми экстракции,
полученными экспериментальным путем, свидетельствует о со-
* Кривые 2—4 построены по опубликованным данным [403].
338
гласованности теоретических и экспериментальных кривых.
Однако, если такое сравнение для смеси частиц одинаковой
величины может служить доказательством применимости урав-
нений диффузии для описания процесса экстракции, то для
смеси частиц различной величины этого сказать нельзя. Анало-
гичный вид теоретических и экспериментальных кривых для
Рис. 119. Графическое изображение функ-
Qi
ции — для смеси частиц различной
Qo
величины:
/ — по уравнению (XIX—8); 2, 3, -/—кривые
экстракции гексаном «сырой» соевой крупки —
^Ср=0,46 мм, «сырого» соевого лепестка —ZCp =
= 0,53 мм, «сырого» хлопкового лепестка
= 0,152 мм.
смеси частиц различной величины — лишь косвенное свиде-
тельство того, что процесс экстракции растительных масел
может быть описан уравнениями диффузии, поскольку кривизна
теоретических и экспериментальных линий в общем случае раз-
лична.
Все кривые экстракции (рис. 117, 118 и 119), кроме кривой
для глиняной пластинки, имеют два периода: первый, в течение
которого процесс протекает с наибольшей скоростью (до пере-
гиба кривой), и второй, скорость которого гораздо меньше
339
(после перегиба кривой). Кривая экстракции соевого масла
тетрахлорэтиленом из гомогенно пропитанных маслом глиняных
пластинок одинаковой толщины (кривая 3 на рис. 117) пред-
ставляет собой в соответствии с теоретическим уравнением
диффузии прямую линию без каких-либо отдельных периодов.
Сравнение этой линии с кривыми экстракции лепестка и круп-
ки позволяет все масло, находящееся внутри частиц, разделить
на две части. Первая, обычно большая по количеству, часть
(наиболее доступная для растворителя) находится на внешней
и внутренней поверхности частиц, внутри пор, пронизывающих
частицы, и т. п., т. е. в тех областях частиц, которые обладают
сравнительно небольшим диффузионным сопротивлением. Вто-
рая, меньшая по количеству, часть масла (наименее доступная
для растворителя) содержится внутри неразрушенных клеток,
вторичных структур, в микрокапиллярах и т. п., т. е. в тех внут-
ренних областях частиц, которые обладают наибольшим диф-
фузионным сопротивлением.
Существование двух периодов в процессе экстракции расти-
тельных масел — следствие двух различных состояний масла
внутри частиц с точки зрения степени связанности масла с ге-
левой частью экстрагируемого материала и доступности для
растворителя.
Продолжительность первого периода процесса экстракции
и глубина съема масла в течение этого периода зависят, очевид-
но, от технологической схемы и режима подготовки материала к
экстракции.
Важное свойство кривых для смеси частиц одинаковой вели-
чины — их прямолинейность во втором периоде процесса экс-
тракции, свидетельствующая о том, что этот период подчиняется
второму закону диффузии: уравнение диффузии из пластинки,
шара и т. п., выведенное из второго закона диффузии, является
уравнением прямой на полулогарифмической сетке. Первый
период процесса экстракции также очень хорошо соответствует
теоретической зависимости, а некоторое небольшое отклонение
зависимости — =/(т) от прямолинейности легко объяснимо
Яо
следующим образом. Как указывалось, в первом периоде про-
цесса экстракции происходит извлечение главным образом того
масла, которое находится на внешней и внутренней поверх-
ности частиц и непрочно связано с гелевой частью экстрагируе-
мого материала; при этом внутри частиц молекулы масла пере-
двигаются посредством свободной молекулярной диффузии.
Но одновременно начинает извлекаться и часть масла, находя-
щаяся внутри неразрушенных клеток, вторичных структур, мик-
рокапилляров и т. п. Хотя в течение первого периода этого
масла извлекается сравнительно немного, его извлечение может
оказать влияние на общую закономерность процесса. Одновре-
340
Именно существуют как бы два коэффициента диффузии: коэф-
фициент свободной молекулярной диффузии и коэффициент
стесненной диффузии масла внутри лепестка, что аналогично
случаю с наличием двух толщин лепестка, соответствующая
которому теоретическая зависимость — =f(r) в полулогариф-
Яо
мической сетке координат имеет вид кривой, изображенной на
рис. 119. Общее значение коэффициента внутренней диффузии
поэтому является переменным. В ряде случаев, как будет по-
казано ниже, это остается справедливым и при довольно низких
остатках масла в материале. С этой точки зрения первый период
процесса можно охарактеризовать как период с переменным
коэффициентом внутренней диффузии, а второй — как период
с постоянным коэффициентом внутренней диффузии.
Важным показателем кривой экстракции является угол ее
наклона по отношению к оси абсцисс как в первом, так и во
, втором периоде. Чем больше угол наклона кривой, точнее, каса-
!> тельной в данной точке кривой экстракции, тем большей ско-
! роста процесса соответствует эта кривая. Поэтому кривые
Г экстракции служат хорошим критерием оценки экстрагируе-
мости различных материалов и условий процесса экстракции.
КИНЕТИЧЕСКИЕ УРАВНЕНИЯ
Кинетические уравнения, отражающие зависимость скорости
экстракции от времени или остатка вещества в твердой фазе
(масличности материала), могут быть получены (37] из урав-
нений нестационарной диффузии, которые, как было показано
выше, описывают процесс экстракции растительных масел при
условии постоянства коэффициента внутренней диффузии. На-
пишем уравнение диффузии из пластинки — лепестка (см.
главу XV) в следующем виде:
М = Л exp (- -^-1 . (XIX—9)
”2 \ Р /
Дифференцирование уравнения (XIX—9) дает
dM =-----—exp /------—\dt (XIX—10)
или
dM 8MaD I ~2D~ X zvtv 11 \
-^r=^r-exp(—H’ (XIX~1I)
Аналогичным путем можно плучить кинетические уравнения
диффузии для частиц других форм:
341
для цилиндра при диффузии через его обе торцовые стенки
dM 8M0D / -2Dz \
= —— exp I--,
dz------------------L2 \ L2 )
(XIX—12)
где L — общая длина цилиндра;
для цилиндра при диффузии через его боковую поверхность
dM 4M0D [ 5,76.0т: \ zvtv сп
=“^-exp----------’ (XIX-13)
ат к2 \ к2 /
где R— радиус цилиндра;
для шара
dM 6M0D / ti2Dz
= 2—exp-
dz---------------------------г2-\ г2
(XIX—14)
где г — радиус шара.
Из уравнений (XIX—11) — (XIX—14) следует, что скорость
извлечения веществ из твердой фазы, так же как и остаток
вещества в твердой фазе — в соответствии с уравнением
(XIX—9) — есть экспоненциальная функция от времени.
Разделим уравнение (XIX—11) на уравнение (XIX—9).
После элементарных преобразований для диффузии из пла-
стинки получим 1
— = М.
dz l2
(XIX—15)
Аналогично будем иметь:
для цилиндра при диффузии через его обе торцовые стенки
-^- = гс2— М, (XIX—16)
dz L2
для цилиндра при диффузии через его боковую поверхность
— = 5,76 — М, (XIX—17)
dz R2 .
для шара
dM » D
----= т2----М.
dz г2
(XIX—18)
1 Знак минус опускаем, так как он является лишь указанием на то, что
с увеличением времени скорость падает, и оправдан в уравнениях (XIX—11)—
dM
(XIX—14). Зависимость — = f(M), наоборот, является прямой.
dz
342
Из уравнений (XIX—15) — (XIX—18) следует, что скорость
извлечения веществ из твердой фазы есть линейная функция
от остатка вещества в твердой фазе.
Уравнения (XIX—15) — (XIX—18)—новая форма выраже-
ния для скорости извлечения веществ из твердой фазы. Они
показывают зависимость скорости от остатка вещества, что
в принципе важнее и более правильно отражает физическую
картину процесса, чем зависимость скорости от времени, нося-
щая по существу формальный характер. Зависимость скорости
от величины остатка извлекаемого вещества отражает степень
связанности его с твердым скелетом частиц (трудность извле-
чения), что при экстракции растительных масел [19, 30] может
иметь большое значение. Уравнения (XIX—15) — (XIX—18) пол-
нее, чем уравнения (XIX—11)—(XIX—14) отражают так назы-
ваемую «кинетическую неравноценность» (см. главу XVIII),
связанную с анизотропностью внутренней структуры частиц.
Зависимости типа «скорость — остаток» применяют при изуче-
нии других процессов массопереноса, особенно часто при изу-
чении сушки твердых тел.
Из уравнений (XIX—15) — (XIX—18) получаются простые
расчетные уравнения для коэффициентов диффузии:
диффузия из пластинки
£>= —. л2М dM . dz ’ (XIX—19)
диффузия из цилиндра через обе его торцовые стенки
л2М dM ' dz (XIX—20)
диффузия из цилиндра через его боковую поверхность
р - dM ~ 5,76М ’ dz ; (XIX—21)
диффузия из шара
Г2 D = — гАМ dM dz (XIX—22)
Логарифмирование уравнений (XIX—15) — (XIX—18) дает
уравнение вида:
lg = const + lg M. (XIX—23)
dz
Из этого уравнения видно, что зависимость — =f(M) для
dz
всех рассмотренных форм частиц в логарифмической сетке
343
Рис. 120. Графическая
интерпретация обобщен-
ного уравнения кинетики
экстракции из твердых
тел:
dM
4-lg— X
dx
представлена прямой линией с постоянным угловым коэффи-
циентом, равным единице (рис. 120). Величина ординаты при
одном и том же значении М отражает различие в величине
коэффициента диффузии для разных материалов и разных
значений I, L, R или г. Таким образом, уравнение (XIX—23)
является обобщенным уравнением кинетики экстракции из
твердых тел.
Угловой коэффициент в уравнении (XIX—23) равен единице,
разумеется, при чисто графическом рассмотрении задачи, т. е.
когда прямые проходят под углом
45° при одинаковом масштабе осей
координат. Физические значения
углового коэффициента, равного от-
ношению Ig — к lg М, конечно,
dz
отличны от единицы. При угле
наклона 45° отношение — к 44
ат
постоянно и, следовательно, в со-
ответствии с уравнениями (XIX—
19) — (XIX—22) коэффициент внут-
ренней диффузии является констан-
той. Во всех остальных случаях
коэффициент внутренней диффузии
является переменной величиной.
Из приведенных на рис. 121
результатов обработки данных раз-
личных авторов видно, что извлече-
ние веществ из твердых тел не
всегда строго соответствует теоре-
тическому уравнению (XIX—23).
В указанных примерах угловой ко-
эффициент для таких материалов,
как соевый лепесток с / = 0,35 мм
при извлечении экстракционным
бензином, соевый и хлопковый ле-
извлечении бензолом при определен-
ных значениях М лишь приближается к единице. Это свидетель-
ствует об изменении в ходе извлечения коэффициента диффу-
зии, что в случае извлечения, например, из лепестка с /=0,35 мм
при использовании уравнения (XIX—9) установить трудно, так
как зависимость в полулогарифмической сетке, как
было установлено выше, по истечении определенного времени т
имеет вид прямой.
Полученные кинетические уравнения верны в условиях, когда
сопротивлением внешней диффузии можно пренебречь. Именно
масса извлекаемого вещества
масса сухой твердой фазыхвремя.
Б—IgM X
[масса извлекаемого вещества!
масса сухой твердой фазы j
песток с / = 0,407 мм
344
эти условия наиболее характерны для экстракции растительных
масел (см. главу XVIII). В принципе такие же уравнения могут
быть получены и для случаев, когда сопротивлением погранич-
ного слоя (второго этапа экстракции) пренебречь нельзя. Это
Рис. 121. Зависимость скорости экстракции от остатка извле-
каемого вещества в твердой фазе по опытным данным:
dM
Л—1g-—
йт
масса извлекаемого вещества
масса сухой твердой фазы X время
[масса извлекаемого вещества
--------------------------------
масса сухой твердой фазы
1 —экстракция тетрахлорэтиленом глиняных пластинок, пропитанных
•соевым маслом [393]; 2— экстракция растворителем типа i Skellysolve
микротомных срезов арахиса с / = 0,26 мм [414]; 3 — экстракция бен-
золом соевого лепестка с /= 0,407 мм [385]; 4 — экстракция бензолом
хлопкового лепестка с / = 0,407 мм [381]; 5— экстракция техническим
гексаном соевого лепестка с /= 0,407 мм [385]; 6—экстракция техниче-
ским гексаном хлопкового лепестка с / = 0,407 мм [385]; 7 — экстракция
бензином соевого лепестка с /=0,35 мм [21]; 8 — экстракция бензином
соевого лепестка с /=0,45 мм [21].
345
может быть сделано на основании решения дифференциального
уравнения нестационарной диффузии, найденного [169] для
пористой пластинки, обтекаемой растворителем.
ОПЫТНЫЕ ДАННЫЕ
Мы обработали имеющиеся опытные данные, которые могут
быть представлены в виде зависимости — = f(M) в логариф-
мической сетке координат [32]. Некоторые из них показаны на
рис. 122—125*.
Опытные данные описываются уравнением (XIX—23), по-
скольку показанные на этих рисунках зависимости имеют линей-
ный характер. Однако угловой коэффициент прямых, как
правило, больше единицы. У некоторых прямых можно видеть
тенденцию к приближению угла наклона к 45°, т. е. процесс
протекает при переменном коэффициенте внутренней диффузии
и лишь в области относительно малых масличностей материала
он становится постоянным, что особенно наглядно видно из
рис. 121.
Данные рис. 122—125 показывают, что всегда справедливо
соотношение а^1. Это хорошо согласуется с представлениями
о физической сущности процесса, так как неравенство
означало бы рост коэффициента внутренней диффузии с паде-
нием масличности материала, что не отвечает представлениям
о различной связанности масла внутри частиц, лежащей в основе
существования периодов экстракции.
Экстракция растительных масел характеризуется наличием
одного лишь периода падающей скорости. Для материалов,
обычно экстрагируемых в производственных условиях, в ходе
экстракции скорость уменьшается по порядку величин в 100—
1000 раз.
Из этого общего правила имеется исключение, связанное
с ролью влажности материала (рис. 124). С повышением влаж-
ности ядра подсолнечника угловой коэффициент уменьшается
и при определенном значении влажности (13,67%) знак его
меняется на обратный, т. е. с уменьшением масличности мате-
риала скорость экстракции возрастает. Этот пример показывает,
что в виде исключения на кривой скорости экстракции возможно
наличие максимума. Это, вероятно, можно объяснить неблаго-
приятными условиями проникновения гидрофобного раствори-
теля внутрь смоченных водой частиц и диффундирования масла
из частиц в начале процесса. Характер процесса становится
* На рис. 122—125 размерность скорости — мин~1.
Рис. 122 составлен по результатам лабораторных опытов на микротомных
срезах ядра семян подсолнечника [96], рис. 124 — по результатам лаборатор-
ных опытов на различном по влажности ядре семян подсолнечника [103].
346
нормальным по истечении определенного отрезка времени в ре-
зультате стабилизации.
Обработка данных,
условиях (рис. 125), в
ЛИ г, ,
зависимости— = /(т)
dt
полученных в заводских и полузаводских
общем подтверждает линейный характер
в логарифмической сетке координат,
Рис. 122. Скорость экстракции как функ-
ция масличности материала; раствори-
тель — петролейный эфир; толщина срезов
(в мм):
/ — 0,006 (I опыт); 2- 0,006 (II опыт); 3 — 0,016
(I опыт); 4 — 0,016 (II опыт); 5 — 0,030 (I опыт),
5 — 0,030 (II опыт); 7 — 0,060 (II опыт); 5 — 0,065
(III опыт); 9 — 0,130 (III опыт); 10 — 0,260
(III опыт).
однако имеется точка перелома в области относительно неболь-
шой масличности материала (1—2%). Возможно, что причиной
этого является несоответствие граничных условий реального
процесса граничным условиям обобщенного уравнения кинетики
347
г
0,00! ? J 4 5 6 7390,0! г 3 9 5 67st^r 2 ОМ'
Рис. 123. Скорость экстракции как функция
масличности материала (по результатам лабора-
торных опытов на смеси частиц приблизительно
одинаковой величины); растворитель — экстрак-
ционный бензин; экстрагируемый материал:
1 — сырой соевый лепесток толщиной 0,55 ±0,05 мм [21];
2 — сырой соевый лепесток толщиной 0,30 ±0,05 мм [191;
3 — экспеллерная хлопковая крупка из шелушеных семяи
со средним диаметром 4,5 мм [26]; 4 — форпрессовый под-
солнечный лепесток нормального режима жаренья со
средней толщиной 0,50 мм [77]; * — сырая соевая крупка
со средним диаметром 0,75 мм [19]; 6 — форпрессовая под-
солнечная крупка нормального режима жаренья со сред-
ним диаметром 4 мм [77]: 7— форпрессовый подсолнеч-
ный лепесток нормального режима жаренья со средней
толщиной 1 мм [77]; 8 — крупка кориандровых отходов
со средним диаметром 0,75 мм [19].
348
(постоянство концентрации наружного раствора). Этот вопрос
нуждается в дополнительном изучении.
Опытные данные позволяют в уравнение (XIX—23) внести
угловой коэффициент а, не равный единице. Обозначив кон-
станту буквой Ь, напишем уравнение (XIX—23) в следующем
виде:
1п^- = bine -j-alnM (XIX—24)
dM
dT
0,001
9
8
7
б
S
4
3
2
0,0001
9
8
7
б
5
4
3
2
OflOODI........................................
' Ц 1,25 1,26 1,26 1,28 1,3 (32 1,36 1,38 t,6 M
Рис. 124. Скорость экстракции как функ-
ция масличности материала; растворитель —
петролейный эфир; влажность ядра в %:
7 — 2,81; 2 — 5,47; 5 — 8,57; 4 — 12,31; 5 — 13,67.
ИЛИ
— = еьМа. _ (XIX—25)
dz
После разделения переменных получим
M~adM = ebdt. (XIX—26)
Пределами интегрирования будут: Л4К — конечная маслич-
ность (масличность шрота), М — некоторая промежуточная
349
масличность tK и т — соответственно продолжительность экс-
тракции:
МК
J M~adM = eb (XIX—27)
м
Рис. 12а. Скорость экстракции как функции
масличности материала (по результатам за-
водских и полузаводских опытов):
/ — экстракция форпрессового хлопкового жмыха в
шнековом экстракторе экстракционным бензином
[71]; 2 — экстракция лепестка из форпрессового ара-
хисного жмыха в ленточном экстракторе ДС-70 экст-
ракционным бензином [15]; 3 — экстракция льняного
форпрессового жмыха на ленточном экстракторе гек-
саном [498]; 4 — экстракция сырого соевого лепестка
в полузаводском экстракторе Кеннеди гексаном [464].
В результате интегрирования получаем
К
1 — a
еЬ ('— тк)’
(XIX—28)
1 Брать начальную масличность Л1Н (при т = 0) недопустимо, так как при
этом скорость экстракции равна нулю.
350
После элементарных преобразований будем иметь
Мк = ’ VМх~а + (1 — а) еь (г — тк) . (XIX—29)
Значения (1 —а) и еь определим следующим образом.
Поскольку D является переменной, то напишем уравнение
(XIX—23) для диффузии из пластинки в следующем виде:
ig-~ = (XIX-30)
Сравнивая уравнения (XIX—24) и (XIX—30), получим
eb = , (XIX—31)
1—а=—(XIX-32)
1g М
Таким образом, уравнение (XIX—29) позволяет определить
масличность материала при любом значении времени по огра-
ниченному числу опытных данных, из которых по уравнениям
(XIX—19) — (XIX—22) находится значение D. Взяв любую
промежуточную точку М, т, при известном D находим Л4К.
Подставим в уравнение (XIX—25) значение еъ из уравнения
(XIX—31) и а из равенства (XIX—32). Тогда получим кинети-
ческое уравнение экстракции масла из лепестка:
, ig о \
т2 ч-----
— = — ЛН (XIX—33)
dz Р
В этом уравнении коэффициент внутренней диффузии
является переменной величиной. Для других форм частиц будут
иными значения постоянного члена перед М в правой части
уравнения. Это уравнение полнее, чем уравнения нестационар-
ной диффузии, рассмотренные в главе XV, описывает экстрак-
цию растительных масел, поскольку оно учитывает изменение D
в ходе процесса. Особенно это относится к первому периоду и
к зоне перехода между периодами.
В заключение уместно отметить работу [464, 465], в которой
экстракция растительных масел рассматривается не как диффу-
зионный процесс, а как проблема динамики потока в капил-
лярах, т. е. предлагается в качестве закона, описывающего
экстракцию, закон движения жидкости в капиллярах Хагена-
Пуазейля. Преобразования этого закона привели к следующему
уравнению для скорости экстракции:
_^L = ^(C), (XIX—34)
351
где с — остаток вещества в твердой фазе;
к= ------постоянная величина;
л
у — поверхностное натяжение мисцеллы;
р — плотность мисцеллы;
р — вязкость мисцеллы.
Действительно, в цитируемой работе показано, что при
изменении концентрации мисцеллы от 0 до 25% (по массе)
значение k остается постоянным. Это, конечно, чисто случайное
совпадение между уравнением (XIX—34) и опытными данными,
так как закономерности едины при любой концентрации мис-
целлы, в то время как значение k существенно изменяется при
концентрациях выше 25%. Поэтому уравнение (XIX—34) сле-
дует рассматривать лишь как эмпирическую зависимость. Более
подробно упомянутая работа рассматривается в обзоре [18].
РОЛЬ ТЕМПЕРАТУРЫ
При постоянном коэффициенте внутренней диффузии роль
температуры в кинетике процесса может быть изучена на основе
уравнений (XIX—15) — (XIX—18). Рассмотрим эту задачу для
экстракции масла из лепестка, т. е. будем исходить из урав-
нения (XIX—15) [48].
При постоянном коэффициенте внутренней диффузии можно
принять, что твердая фаза оказывает постоянное по величине
тормозящее действие на диффузию, т. е. справедливо равенство
D = aDw (XIX—35)
где DM — коэффициент свободной молекулярной диффузии
(диффузия жидкости в жидкости);
а — постоянная величина.
Перепишем здесь формулу для DM, основанную на теории
«свободных мест» (см. главу XV),
DM = -^e~^ (XIX-36)
от0
Совместное рассмотрение уравнений (XIX—15), (XIX—35)
и (XIX—36) дает
— = с^е~ М, (XIX—37)
dT
где с= -------величина, постоянная для данной системы
6т0/2
жидкость — твердое тело.
352
Если рассчитать элементарное перемещение молекулы 6
по известным формулам [373], то окажется, что среднее зна-
чение б2 для триглицеридов с повышением температуры -изме-
няется незначительно и приближенно может быть принято
постоянным.
Для данного значения переменной М можно написать
уравнение, отражающее влияние на скорость экстракции только
температуры и связанной с ней энергии активации диффузии:
= he kT , (XIX—38)
dz
где h — постоянная величина.
Для других форм частиц уравнение будет иметь такой
же вид.
Необходимо отметить, что поскольку мы исходим из
D = const, то уравнения (XIX—37) и (XIX—38) относятся
к изотермической экстракции, но при разных температурах, т. е.
они отвечают на вопрос, как изменится скорость экстракции
при переходе от Л к Т2, причем обе температуры в ходе
экстракции остаются постоянными. По той же причине эти
уравнения соответствуют в основном второму периоду про-
цесса.
Принципиально важно произвести теоретический анализ
уравнения (XIX—38).
При понижении температуры в соответствии с этим уравне-
нием скорость экстракции падает. Вблизи от точки замерзания
экстрагирующей жидкости сильно возрастает энергия активации,
что должно привести к эквивалентному уменьшению скорости
экстракции. В точке замерзания и ниже извлечение будет идти
со скоростью диффузии в твердых телах, т. е. в практическом
смысле упадет до нуля.
При повышении температуры скорость экстракции в соответ-
ствии с этим уравнением возрастает. Вблизи от точки кипения
или при кипении экстрагирующей жидкости происходит интен-
сивное образование мельчайших пузырьков пара растворителя,
что может привести к резкому уменьшению энергии активации
диффузии w и, следовательно, к значительному увеличению ско-
рости экстракции. В результате этого чисто молекулярный
механизм внутренней диффузии нарушится.
Таким образом, теоретический анализ уравнения (XIX—38)
показывает, что вблизи от экстремальных (крайних) значений
температуры — от точек замерзания и кипения экстрагирующей
жидкости — закономерность изменения скорости экстракции
должна отклоняться от описываемой этим уравнением. Теорети-
ческая зависимость скорости экстракции от температуры пока-
зана на рис. 126, где tK и t3 — температуры кипения и замер-
12 В- В. Белобородов
353
зания экстрагирующей жидкости, /кр1 и /кр2— критические тем-
пературы экстракции, т. е. такие температуры, при которых
происходит качественное изменение состояния экстрагирующей
жидкости — вскипание, замерзание, влекущее за собой резкое
изменение скорости процесса.
Уравнение (XIX—38) для экстракции растительных масел
можно упростить, приняв w не зависящей от температуры. Так
как 62 = const, то логарифмирование уравнения (XIX—36) после
Рис. 126. Теоретический характер за-
висимости скорости экстракции от
температуры:
прямолинейный участок кривой соответст-
вует логарифму-уравнения (XIX—38), загнб
вниз — характеру процесса вблизи от точки
замерзания, загиб вверх — характеру про-
цесса вблизи от точки кипения экстраги-
рующей жидкости.
подстановки в него DM из урав-
нения (XIX—35) дает
lg D = const — 0,434 .
kT
(XIX—39)
Поскольку, как было пока-
зано [382, 383], зависимость
lg D = f линейна, то, дей-
ствительно, w можно считать
не зависящей от температуры
при изменении ее в пределах,
достаточно далеких от экстре-
мальных точек. Поэтому мож-
но написать
^L==he~^' (XIX—40)
dz
и после логарифмирования:
1g — М^ <= const— 0,434 — ,
dz Т
W
где q=------постоянная величина.
k
(XIX—41)
На рис. 127 в полулогарифмической сетке координат пока-
зана зависимость-— =/( —){48]. Как видно из рисунка, урав-
dz \ Т J
нение (XIX—41) удовлетворяет опытным данным, а в соответ-
ствии с теоретическим анализом роли температуры вблизи от
точки кипения растворителя зависимость отклоняется от этого
уравнения в сторону увеличения скорости экстракции. Особен-
ное увеличение скорости экстракции вблизи от точки кипения
экстрагирующей жидкости было показано и в производственных
условиях на экстракторах ДС-70 [286] и НД-1000 [278, 325].
С известным основанием можно полагать, что в основе этого
явления лежит нарушение молекулярного механизма внутренней
354
диффузии в результате возникающих кавитаций при образова-
нии и «захлопывании» пузырьков пара растворителя [48, 324].
Необходимо отметить, что это пока единственный обоснованный
случай возникновения конвективной диффузии внутри частиц
экстрагируемого материала.
Уравнение (XIX—41) удовлетворяет опытным данным в пре-
делах изменения температуры от 20 до приблизительно 60 °C.
Рис. 127. Скорость экстракции как функция —
экстрагируемый материал — целое ядро семян
арахиса приблизительно шаровой формы со сред-
ним диаметром 8,6±0,06 мм; растворитель —
экстракционный бензин (ГОСТ 462—51):
1 _ М=0,05; 2 —М=0,1; 3 — ,М=0.2; 4 - М=0,3: 5 — М =
=0,4; « -Л1=0,5.
По-видимому, оно будет действительным и при более низких
температурах, так как пока растворитель и масло при умень-
шении температуры будут оставаться в жидком состоянии, нет
оснований предполагать нарушение молекулярного механизма
массопереноса внутри частиц. Поэтому уравнение (XIX—41)
может быть использовано, в частности, и для научного предви-
дения скорости экстракции при пониженной температуре в связи
с разработкой проблемы экстракции при двух разных темпе-
ратурах [361].
12* 355
Глава XX. ЭКСТРАКЦИЯ В РЕАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ
СПОСОБЫ ЭКСТРАКЦИИ
Различают ступенчатую и бесступенчатую экстракцию.
Под ступенью экстракции понимается такой участок длины
(высоты) экстрактора или те аппараты системы экстракторов,
в пределах которых концентрация поступающей мисцеллы оди-
накова. Разность концентраций внутри каждой ступени экстрак-
Рис. 128. Изменение концентрации внутреннего (/)
и наружного (//) растворов при противоточной мно-
гоступенчатой экстракции.
ции уменьшается до некоторой величины, в случае равновесной
экстракции — до нуля.
Ступенчатой считается такая экстракция, когда в ходе про-
цесса разность концентраций по длине (высоте) экстрактора
или в системе экстракторов изменяется скачкообразно (ступе-
нями). В экстракторах, работающих по этому способу, указан-
ный характер изменения разности концентраций осуществляется
при поступлении на каждую отдельную ступень мисцеллы оди-
наковой концентрации. Изменение концентрации мисцеллы на
поверхности частиц при этом происходит также скачкообразно
от ступени к ступени, а внутри частиц — плавно, в соответ-
ствии с кинетическими закономерностями процесса.
Способ ступенчатой экстракции может быть представлен
следующими частными случаями: одноступенчатая (однократ-
ная) экстракция, простая многоступенчатая (многократная)
356
экстракция, противоточная и прямоточная многоступенчатая
(многократная) экстракция [30].
Рассмотрим противоточную многоступенчатую экстракцию
(рис. 128, 129).
Отличительной особенностью этого способа экстракции
является взаимная зависимость между концентрациями мисцелл,
а следовательно, и между разностями концентраций различных
3//Z-2 И П-1 МП МП*1 Мт-1
Рп-2 Pn-t Рл РП*1 Рщ-i Рн
ХП-2 хП-1 ХП ХП+1 х т-1 хн
Рк
Mi
Pi
Рн
У'н
Mn+i
Рпч
Упч
М1
Pi
Pi
Mn
Pn
Ул
"п-t
Pn-t
Mm-1
Pm-t
Ут-1
мП-2
Pn-2
Уп~2 Уп-1
мк
Рк
УК
53
Рис. 129 Схема противоточной мно-
гоступенчатой экстракции:
1 ........... п—1, п, /г+1, .........
т —, номера ступеней экстракции (за пер-
вую принимаем ступень, в которую посту-
пает свежий материал; в общем случае он
может содержать растворитель);
п — иомер любой промежуточной ступени
экстракции; /и —номер последней ступени
экстракции; Р, р— количество растворите-
ля в мисцелле снаружи и внутри частиц
материала; х, // — концентрация мисцеллы
снаружи н внутри частиц материала.
ступеней экстракции: на каждую данную ступень подается
мисцелла, получаемая на последующей ступени экстракции.
Например, мисцелла, поступающая в п ступень экстракции,
выходит из п+1 ступени; мисцелла, поступающая в п+1 сту-
пень, выходит из п + 2 ступени экстракции и т. д. Введение
рециркуляции мисцеллы не изменяет существа данного способа
экстракции [30]. Способ противоточной многоступенчатой экс-
тракции широко распространен в промышленности и осущест-
вляется в таких экстракторах, как ротационный Блау-Нокс,
ленточный Де-Смета, ленточно-ковшовый Лурги и т. п.
Под бесступенчатой понимается экстракция, при которой
в ходе процесса разность концентраций по длине (высоте)
экстрактора или в системе экстракторов изменяется плавно и
непрерывно. Вместо ступени экстракции можно принять понятие
об эквивалентной длине (высоте) экстрактора, представляющей
собой такой по величине участок длины (высоты) экстрактора,
357
в пределах которого достигается такая же эффективность про-
цесса, что и в пределах одной ступени ступенчатой экстракции
(при прочих равных условиях). На рис. 130 показано изменение
/,д
0,9
0,8
07
Ч g 0,0
0,0
[ли сота (длина/ экстрактора
Рис. 130. Изменение концентрации внут-
реннего (1) и наружного (2) растворов
при противоточной бесступенчатой экстрак-
ции.
концентраций мисцеллы внутри и снаружи частиц, а на
рис. 131—общая схема процесса противоточной бесступенчатой
экстракции. Способ противоточной бесступенчатой экстракции
Мк
Рк
Х(Г
Иц
Рис. 131. Схема противоточной бес-
ступенчатой экстракции (условные
обозначения те же, что и на
рис. 129).
Рк
Ун
Рк
У*
также широко распространен в промышленности и осущест-
вляется в экстракторах НД-1000, НД-1250, Олье и др.
БАЛАНСОВЫЕ УРАВНЕНИЯ
В процессе экстракции растительных масел происходит меж-
фазное перераспределение веществ: масло извлекается из
частиц материала и в смеси с растворителем образует мисцеллу,
а частицы материала насыщаются растворителем. При этом
358
обязательно должен соблюдаться баланс по маслу, раствори-
телю и материалу, подвергаемому экстракции. Именно эта идея
и лежит в основе приводимых ниже балансовых уравнений [33].
Масса экстрагируемого материала в ходе экстракции в связи
со сказанным (извлечение масла, насыщение растворителем)
изменяется, но одна его часть — сухое обезжиренное веще-
ство— остается неизменной. Это позволяет получить очень про-
стую форму уравнений.
Совершенно очевидным является следующее равенство
(в долях единицы):
Gm = Mh-Mk, (XX-1)
где GM — масса масла, извлеченного при экстракции из мате-
риала, в пересчете на единицу массы его сухого
обезжиренного вещества (проще — из единицы массы
сухого обезжиренного вещества);
Мн — масличность материала, поступающего на экстрак-
цию, на сухое обезжиренное вещество;
Мк — масличность материала после экстракции (маслич-
ность шрота) на сухое обезжиренное вещество.
Величину GM можно представить в следующем виде:
Q __ КчцРмцСЫЦ (XX__2)
Gc
где УМц — количество мисцеллы, выходящей из экстрактора в
единицу времени, м3/ч;
Рмц — плотность мисцеллы, т/м3;
сМц — концентрация мисцеллы, доли единицы;
Gc — масса сухого обезжиренного материала, поступаю-
щего на экстракцию в единицу времени, т/ч.
С учетом равенства (XX—1) напишем:
УмцрмцСмц = Мн — Мк, (XX—3)
Gc
откуда
Количество растворителя (по массе), поступающего в экс-
трактор (Gp в т/ч), равно сумме количеств растворителя, ухо-
дящего с мисцеллой и шротом, т. е.
Gp = Vmi1Pm!X (1 — смц) 4- 5mpGc, (XX—5)
где 5шр — растворителеемкость (бензиноемкость) шрота на
сухое обезжиренное вещество, доли единицы.
359
Заменяя в уравнении (XX—4) величину ИМцрмц ее значением
ив уравнения (XX—5) и решая полученное уравнение относи-
тельно Gc, получим
Gc =---------, (XX—6)
(Мн-Мк)------+ 5шр
Смц
где Vp — количество растворителя, поступающего на экстрак-
цию, мР/ч',
Рр—удельный вес растворителя, т/лг3.
Решая уравнение (XX—6) относительно других входящих
в него величин, получим:
V pPp GmpGc
g;
GC(M„-MK)
МЛ УрРр — 5шр Gc + Gc (Л4Н— Мк)
Gc|(MH-O------—+Gmp
.
Pp
TZ c 1 Смц
VpPp — Gc -
Г* LMII
------------
(Ия-Мк)
(XX—7)
(XX—8)
(XX- 9)
(XX—10)
1
Рассмотрим, например, уравнение (XX—6). Первый член
знаменателя состоит из произведения: масса масла на единицу
массы сухого обезжиренного вещества (Л4Н—Мк) X массу
растворителя в мисцелле (1—смц), деленную на массу мас-
ла в мисцелле (смц), т. е. в целом равен массе растворителя
в мисцелле на единицу массы сухого обезжиренного вещества;
второй член знаменателя равен массе растворителя в шроте на
единицу массы сухого обезжиренного вещества. Знаменатель
в сумме представляет собой массу всего поступающего на
экстракцию растворителя на единицу массы сухого обезжирен-
ного вещества. Частное от деления массы растворителя, посту-
пающего на экстракцию в единицу времени (т/ч), на массу
растворителя на единицу массы сухого обезжиренного вещества
и дает производительность экстрактора по сухому обезжирен-
ному веществу (т/ч). Аналогичным путем можно рассмотреть и
уравнения (XX—7) — (XX—10).
Уравнение (XX—4) является формой балансового уравнения,
не включающей бензиноемкости шрота. Из него непосредственно
можно получить следующие уравнения:
Мл — Мн — Рсма, (XX—11)
360
Смц = 4- (AfH - Л1К), (XX-12)
умц = ~ , (XX—13)
Смцрмц
Где F = -УыцРмц-отношение массы мисцеллы к массе сухого
Gc
обезжиренного материала.
Уравнения (XX—6) —(XX—13) являются балансовыми соот-
ношениями. Поэтому при применении этих уравнений нельзя за-
даваться произвольными значениями входящих в них величин:
значения всех величин уравнений (XX—6) — (XX—13) должны
быть связанными, взаимозависимыми, т. е. соответствовать
реальному течению процесса.
Уравнения (XX—4) и (XX—6) в сочетании с известными
методами расчета [30] могут быть использованы для определе-
ния производительности экстрактора, когда не известны вели-
чины масличности шрота и концентрации мисцеллы.
Уравнения (XX—8) и (XX—13) дают возможность рассчи-
тать одновременно концентрацию мисцеллы и ее количество,
т. е. полностью определить нагрузку дистилляционной аппа-
ратуры. При сочетании уравнений (XX—4) и (XX—10) опреде-
ляется нагрузка испарителей для шрота.
Из уравнения (XX—12) следует, что основными факторами,
практически определяющими концентрацию мисцеллы, являются
величины F и Ms. Масличность шрота (Мк), абсолютное значе-
ние которой в реальных условиях сильно не изменяется (хотя
относительное изменение может составлять даже 100% и более),
большого влияния на концентрацию мисцеллы не оказывает.
Отсюда следует, что абсолютное значение концентрации мис-
целлы может быть сильно увеличено за счет, например, сни-
жения количества растворителя, подаваемого на экстракцию.
При этом произойдет некоторое повышение масличности шрота
(в соответствии с уменьшением разности концентраций), но не
такое большое (по абсолютному значению), как увеличение
концентрации мисцеллы: это видно из уравнения (XX—И) по
изменению произведения Рсмц, один из сомножителей которого
уменьшается (F), тогда как другой увеличивается (смц). Соот-
ношение между увеличением масличности шрота и концентрации
мисцеллы различно для разных способов экстракции и кон-
струкций экстракторов.
Концентрация мисцеллы в принципе может быть очень боль-
шой, но в любом случае остается меньше единицы (или 100%).
Отсюда следует, что при экстракции всегда F> (Ма — ЛК).
Уравнения (XX—6) — (XX—13) могут служить для проверки
точности опытных данных и справедливости рекомендаций,
361
включающих величины производительности, масличности шрота,
концентрации мисцеллы и т. п. *. Сопоставление результатов
расчета по уравнениям с опытными данными может оказаться
полезным для выяснения причин ошибки опыта или рекомен-
дации [33].
Еще одной очень важной особенностью полученных урав-
нений является то, что они применимы к любому способу
экстракции и любой конструкции экстрактора.
Примеры расчетов.
1. На экстракторе НД-1000 перерабатывают форпрессовый подсолнечный
лепесток.
Исходные данные: производительность экстрактора по семенам —
205 т!сутки- масличность лепестка 14,0%; влажность лепестка 8,5%; количе-
ство подаваемого в экстрактор бензина 7,5 м3!ч\ бензиноемкость шрота на
абсолютно сухое обезжиренное вещество 0,275; концентрация мисцеллы 9,5%.
Требуется определить масличность шрота.
Решение. Пусть выход абсолютно сухого обезжиренного вещества в
шроте составляет 33%. Тогда Gc = 2,82 т)ч. Другие величины, входящие
в уравнение (XX—7), по которому производится определение масличности
шрота:
Л4н= 0,1805; Рр = 7,5 Л13/ч; Рр = 0,7т/м3; Бшр = 0,275;
скц = 0,095.
Масличность шрота на абсолютно сухое обезжиренное вещество равна
Л4К = 0,1805 —
7,5-0,7 —0,275-2,82
2,82
0,095
1 — 0,095
0,0135 = 1,35 %.
2. На экстракторе ДС-70 производится переработка форпрессового под-
солнечного лепестка.
Исходные данные: производительность по семенам 205 т/суткн\
масличность лепестка 14,0%; влажность лепестка 7,75%; количество подавае-
мого в экстрактор бензина 3,5 м3/ч; бензиноемкость шрота на абсолютно су-
хое обезжиренное вещество 0,30; масличность шрота 1%; влажность шрота
9,0%- Требуется определить концентрацию и количество мисцеллы, выходя-
щей из экстрактора (загрузку дистилляционной установки).
Решение. При таком же выходе абсолютно сухого обезжиренного ве-
щества в шроте, как и в предыдущем примере, величины, входящие в урав-
нения (XX—8) и (XX—13), по которым производится решение, составляют:
Gc = 2,82 m/ч; Мя = 0,1790; Л4Х = 0,0111; Vp = 3,5 ж3/ч; Рр = 0,7т/л13;
^шр — о ,30.
По уравнению (XX—8) определяем концентрацию мисцеллы
_____________2,82 (0,1790 —0,0111)_______
3 ,5-0,7 — 0,30-2,82 + 2,82 (0,1790 — 0,0111)
* Эти уравнения не включают количество растворителя, которое испа-
ряется при экстракции; однако оно настолько незначительно, что учитывать
его в балансовых уравнениях процесса экстракции нет никакого смысла. •
362
Плотность мисцеллы рассчитываем по правилу смешения:
рыц = 0,228- 0 ,9 + 0 ,772 • 0,7 = 0,745 т/.Л
Количество мисцеллы, выходящей из экстрактора, определяем по урав-
нению (XX—13):
2,82 (0,1790 — 0,0111)
0,228-0,745
= 2 ,79 м3/ч.
Таким образом, из экстрактора выходит (поступает на дистилляцию)
2,79 м3/ч мисцеллы с концентрацией по маслу 22,8%.
АНАЛИТИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ
До сих пор мы рассматривали решения дифференциальных
уравнений диффузии при постоянной концентрации внешнего
раствора (мисцеллы). В реальных условиях ведения экстрак-
ции концентрация мисцеллы не остается постоянной, а увели-
чивается в направлении от входа растворителя в аппарат до
выхода из него мисцеллы.
Была получена эмпирическая формула, учитывающая это
обстоятельство [387], проанализированная нами [30]. Однако
эмпирические зависимости остаются действительными только
в пределах условий опытов, в которых они были получены,
и поэтому не могут быть широко использованы для анализа
закономерностей процесса и его расчета. Имеется предложе-
ние [422] вести расчет масличности шрота на основе разности
между неравновесной и равновесной масличностью. Этот метод
неточен, имеет ограниченное применение, регламентируемое
величиной разности между неравновесной и равновесной мас-
личностью, и не может применяться для анализа закономер-
ностей процесса.
Общее решение задачи о концентрации вещества во внешнем
растворе, движущемся через пористый слой сферических частиц
для случая, когда сопротивлением пограничного слоя жидкости
можно пренебречь, выглядит следующим образом [482]*:
(XX—14)
* Символ erf обычно означает функцию ошибок (error function) Таусса:
erfp =
у
dz
о
363
где и =------
Со
с0 — концентрация раствора на входе в слой;
с — концентрация раствора в данном сечении
слоя;
х= "mb---паРаметр длины, безразмерный;
y=2D^t——'jb2— параметр времени, безразмерный;
D — эффективный коэффициент диффузии в
частицах (принят постоянным);
k —эффективная константа равновесия — на-
клон линейной изотермы;
z — расстояние от входа до данного сечения
слоя;
т — свободный объем на единицу объема
твердых частиц;
v — линейная скорость потока в пористом
слое частиц (принята постоянной);
b — радиус сферических частиц;
t — время с момента начала процесса.
Решение уравнения (XX—14) ограничено определенными ус-
ловиями, которые были приняты при его получении: слой оди-
наковых по размеру шаровых частиц с постоянным коэффици-
ентом внутренней диффузии и постоянной скоростью движения
экстрагирующей жидкости между частицами.
Аналогичная задача, но другим оригинальным методом, ре-
шалась именно в связи с экстракцией растительных масел [480].
Это решение базируется на аналогии между процессами экс-
тракции и промывки осадка на фильтре и на следующих допу-
щениях: одинаковый размер частиц материала, постоянство кон-
центрации внутреннего и наружного растворов в каждом дан-
ном сечении аппарата, неподвижность слоя частиц. Эти допу-
щения позволили написать следующее дифференциальное урав-
нение в частных производных:
------l = о, (XX—15)
dhdt р dh с di
где у — концентрация внешней мисцеллы;
h — расстояние от входа до данного сечения слоя;
t — время;
Ка — общий коэффициент диффузии
р — объем неподвижной жидкости (внутренней мисцеллы)
на единицу объема общей массы;
* В указанной работе Ка имеет размерность ЬТ~*, т. е. под этой величи-
ной следует, по-видимому, понимать коэффициент массопереноса.
364
с — скорость движения внешней мисцеллы в пересчете на
полное сечение массы.
Если за х0 принять среднюю концентрацию внутри частиц
материала в начале процесса (/ = 0), то интегрирование уравне-
ния (XX—15) приводит к
J е~\ (2 dQ - е-% (2 ]At0)
(XX—16)
где
К„ < е Ка ,
т] = —he = —— f,
с р
/0 — видоизмененная функция Бесселя первого рода пер-
вого порядка [14];
9 — объем внешней мисцеллы на единицу площади попе-
речного сечения аппарата.
Параметр г], как нетрудно видеть, эквивалентен высоте (дли-
не) слоя материала.
Уравнение (XX—16) можно представить в более общем ви-
де, если в качестве переменной вместо 0 принять величину
g = _L=_£Lj (XX—17)
V рЛ
представляющую собой отношение объема мисцеллы между ча-
стицами (внешней мисцеллы) к объему мисцеллы внутри частиц
(внутренней мисцеллы). При такой замене уравнение (XX—16)
приобретает вид:
у = хое 71
0 г / —ч
р-гЧ(2т1]АИ-е~^
(XX—18)
Графическое изображение этого уравнения при некоторых
частных значениях его параметров показано на рис. 132. Ана-
лиз представленной зависимости позволяет прийти к принци-
пиально важному заключению.
Вблизи от абсциссы g=l наблюдается'пересечение кривых
с различным параметром tj, т. е. при различной высоте (длине)
аппарата. При |>1 кривые с большими значениями г] раньше
приближаются к нулевой концентрации внешней мисцеллы, чем
кривые с меньшими значениями г], т. е. если работать со слоем
большой высоты (длины), то выходящая из аппарата мисцелла
будет обладать высокой концентрацией до тех пор, пока через
аппарат не пройдет объем растворителя, приблизительно рав-
ный объему аппарата минус объем собственно частиц, насы-
щенных растворителем (мисцеллой), что соответствует г]~ 1.
При данном количестве материала экстрагирование его в высо-
ких (длинных) аппаратах может дать мисцеллу на выходе
365
большей концентрации, чем экстрагирование в низких (корот-
ких) аппаратах при одном и том же количестве применяемого
растворителя.
Не следует забывать, что это заключение относится к случаю
экстракции данной порции материала растворителем, пропускае-
мым через его слой, т. е. по существу к одноступенчатой экстрак'
Рис. 132. Графическая интерпретация уравнения
(XX—18) при различной высоте слоя материала в ап-
парате.
ции. Полученное заключение нельзя распространять на проти-
воточную многоступенчатую или бесступенчатую экстракцию в
аппаратах непрерывного действия.
Применение уравнений (XX—16) и (XX—18) требует знания
характеристики слоя материала (пористость, объем промежут-
ков между частицами, коэффициент массопереноса). Это об-
стоятельство, а также ограниченность и малая практическая
значимость случаев, к которым применимы эти уравнения, силь-
но снижает их прикладное значение.
Для непрерывной противоточной бесступенчатой экстракции
в основу может быть положено следующее соотношение [480],
базирующееся на методе единиц переноса Кольборна:
Vdy — Куа (уе — y)dh = К,а (х — хе) dh, (XX—19)
где V—объем мисцеллы, выходящей из экстрактора в
единицу времени;
а — площадь поверхности контакта между материа-
лом и растворителем на единицу длины (высо-
ты) экстрактора;
36G
dh — длина (высота) бесконечно малого элемента экс-
трактора;
Ку, Кх — коэффициенты массопереноса соответственно во
внешней и внутренней мисцелле;
у, х — концентрация соответственно внешней и внутрен-
ней мисцеллы;
уе, хе — те же концентрации, но на границе раздела фаз.
Допускается, что уе = хе, т. е. сопротивление второго этапа
диффузионного пути принимается пренебрежимо малым. Рас-
сматривается установившийся процесс, что дает основание ве-
личины х и у в каждом данном сечении аппарата считать по-
стоянными. Это справедливо для внешней мисцеллы у, но не для
внутренней х, так как поле концентраций внутри частиц зави-
сит от их внутренней структуры, которая не всегда гомогенна.
Поэтому величине х придается значение некоторой средней кон-
центрации мисцеллы внутри частиц материала.
Сказанное с достаточным основанием позволяет написать:
У = Уе = Хе- (XX—20)
Уравнение (XX—19) упростится до
Vdy = KxU(x — У) dh. (XX—21)
В методе единиц переноса дается уравнение так называемой
рабочей прямой, показывающее соотношение между концентра-
циями внешнего и внутреннего раствора:
Vy^ulx-xJ, (XX—22)
где и.— объем внутренней мисцеллы, выходящей из экстракто-
ра с материалом (шротом) в единицу времени;
лу — конечная концентрация внутренней мисцеллы.
Определив х из уравнения (XX—22) и подставив это зна-
чение в уравнение (XX—21), получим
У1 h0
uV f-----*У---- = /СхО f dh. ‘ (XX—23)
Juxi-^-(V— и) у J
о о
Пределами интегрирования взяты: y = Q, y = yt, где гц— кон-
центрация мисцеллы на выходе из экстрактора; h = hQ, h = 0,
где h0 — полная высота (длина) экстрактора.
Интегрирование уравнения (XX—23) по таблицам [332] пос-
ле элементарных преобразований дает.
V — и.
)'i + xi „ .
In—“--------- (XX—24)
Vu
367
Уравнение (XX—24) позволяет определить длину (высоту)
экстрактора, требуемую для достижения определенной степени
обезжиривания материала и концентрации мисцеллы.
Представляют интерес решения уравнения (XX—24) относи-
тельно конечной концентрации внешней (уО и внутренней (xj)
мисцеллы:
ГУга (V—и) /г01 _ j)____
L Vu ]v — и ’
Г Кха (V — и) hn 1
ехр[—vu—J
(XX—25)
(XX—26)
(V —ц)У1
и
При помощи этих уравнений можно произвести принципи-
альный анализ зависимости уг и xt от различных факторов.
Если вместо концентраций у, и xt ввести величины общего
количества масла в материале в начале процесса Хо и в конце
процесса Хь то после алгебраических преобразований из урав-
нения (XX—24) получим:
Высота (длина) экстрактора, как следует из уравнения
(XX—27), для данного вида материала и растворителя (Хх=
= const, а = const) зависит от количества подлежащего экстра-
гированию масла (Хо— Xt) и соотношения между внешней и
внутренней мисцеллами ( — J .
г- Кхи
Если допустить, что отношение -р- постоянно, например
равно единице, то величину h0 легко определить как функцию
остающейся в материале доли масла —1 и соотношения —
Ло и
(рис. 133).
Рассмотренные уравнения для непрерывной противоточной
бесступенчатой экстракции также имеют лишь принципиальный
характер, так как для их применения необходимо располагать
опытными данными по коэффициентам массопереноса, поверх-
368
ности контакта фаз, которую для частиц неправильной формы
определить практически невозможно, и внутренней пористости
частиц. Кроме того, они верны лишь при постоянном коэффици-
енте массопереноса, что не соответствует действительности, как
мы видели в главе XVIII. С большими упрощениями решение
задачи по нахождению концентрации внешнего раствора при
бесступенчатой противоточ-
ной экстракции рассматри-
валось ранее [14]. Это ре-
шение базируется на урав-
нениях стационарной диф-
фузии, не соответствующих
физическому смыслу экс-
тракции растительных ма-
сел.
Необходимо отметить
большую сложность реаль-
ных условий экстракции, что
чрезвычайно затрудняет по-
лучение строгих аналитиче-
ских решений, которые мог-
ли бы быть применены не
только для принципиаль-
ного анализа закономерно-
стей процесса, но и для его
расчета. В настоящее время
таких решений еще нет.
Нам кажется, что анализ
процесса на основе подоб-
ного преобразования описы-
вающих его дифференциаль-
ных уравнений в определен-
ной мере восполняет недо-
Рис. 133. Зависимость между высотой
(длиной) экстрактора Ло и долей не-
проэкстрагированного масла при
-Ло
V
различных значениях соотношения —.
и
статки аналитического исследования, потому что он позволя-
. ет шире рассмотреть вопрос.
КРИТЕРИИ ПОДОБИЯ
В широком смысле экстракция растительных масел, как и
экстракция веществ из твердых тел вообще, описывается тремя
дифференциальными уравнениями: уравнением нестационарной
диффузии в движущемся потоке, уравнением нестационарного
движения вязкой жидкости и уравнением неразрывности (сплош-
ности) потока нестационарного движения жидкости.
В ранее опубликованной работе [31] дается подробное обое-
367
нование выбора именно этих уравнений. Подобное их преобра-
зование приводит к следующей зависимости:
f (Е, Fo', Ре', Но, Fr, Eu, Re) = О, (XX—28)
где Е — симплекс концентрации;
Fo' — диффузный критерий Фурье;
Ре' — диффузный критерий Пекле;
Но — гидродинамический критерий гомохронности;
Fr — критерий Фруда;
Ей — критерий Эйлера;
Re — критерий Рейнольдса.
Так как Pe' = Pr'Re, то вместо Ре' можно ввести диффузи-
онный критерий Прандтля Рг'. Тогда
f (Е, Fo', Рг', Но, Fr, Eu, Re) = 0. (XX—29)
При экстракции в слое в уравнение (XX—29) необходимо до-
бавить симплекс геометрического подобия Г). Целесообразнее
всего взять в качестве него отношение высоты слоя к среднему
h . *
размеру частиц-----. Это отношение хорошо характеризует
4
основные свойства слоя с точки зрения условий извлечения мас-
ла при экстракции: чем больше h и меньше de, тем больше сле-
живаемость слоя и тем, следовательно, меньше эффективность
экстракции. С учетом сказанного, критериальное уравнение
можно написать так:
f (Е, TiFo', Рг', Но, Fr, Eu, Re) = 0. (XX—30)
Состав входящих в уравнения (XX—29) и (XX—30) крите-
риев подобия может быть представлен в следующем виде.
с«> — с
Симплекс концентрации Е=----------, где с^, с0 и с— концент-
с» — со
рация мисцеллы снаружи частиц при наступлении равновесия
(т=оо), в начале процесса (т=0) и к данному моменту эк-
стракции.
Симплекс концентрации может быть представлен также как
Q
отношение концентраций мисцеллы внутри частиц £= —, где
Со
С — концентрация мисцеллы внутри частиц к данному моменту
экстракции, Со — то же, но при т=0. Наконец, концентрации
могут быть заменены содержанием масла в материале и тогда
Е= —, где q и qQ — масличность материала к данному момен-
<7о
ту экстракции и при т = 0.
Первое выражение для Е необходимо применять в том слу-
чае, когда экспериментальные данные обрабатывают, чтобы по-
370
лучить уравнение для расчета концентрации мисцеллы с. Выра-
жение Е = — удобно для расчета масличности шрота.
Симплекс концентрации может быть заменен диффузионным
критерием Нуссельта
Nu, = _W^
D
где К — коэффициент массопереноса,
D — коэффициент диффузии.
В таком случае критериальное уравнение должно быть за-
писано в следующем виде:
f (Nu\ I^Fo', Рг' Но, Fr, Eu, Re) = О,
(XX—31)
т. е. может быть получено после обработки экспериментальных
данных расчетное уравнение для нахождения коэффициента мас-
сопереноса.
Диффузионный критерий Нуссельта, или безразмерный ко-
эффициент массопереноса, можно получить из рассмотрения:
массообмена на границе раздела фаз [150]. Такая замена целе-
сообразна потому, что иметь две определяемые величины — Е
и Nuz — в одном уравнении нет необходимости, так как с точки
зрения результатов расчета концентрации мисцеллы и маслич-
ности шрота они исключают друг друга. Кроме того, такая за-
мена целесообразна еще и потому, что коэффициент массопере-
носа дает возможность рассчитывать не только концентрацию
мисцеллы и масличность шрота, но и продолжительность экст-
ракции, что очень важно при конструировании новых экстрак-
торов.
Критерий Fo' =
диффузионной гомохронно-
D-
—- — критерии
de
сти — является мерой скорости изменения концентрации внутри
частицы при нестационарном процессе массопереноса. Он ха-
рактеризует связь между скоростью изменения концентрацион-
ного поля, физическими константами и размерами частиц.
Критерий Рг'= — , где р.— абсолютная (динамическая)
Dp
вязкость мисцеллы, — критерий подобия концентрационных и
скоростных полей. Он является мерой подобия этих полей: при
Рг/= 1 и градиенте давления, равном нулю, поля концентраций
и скоростей подобны.
Критерий Ре/= —критерий диффузионного подобия —
мера отношения конвективного (w) и молекулярного (D) пере-
носов вещества в потоке.
37L
Критерий Но= —критерий гидродинамической гомо-
Ле
хронности — учитывает нестационарный характер движения мис-
целлы. Критерий Но характеризует скорость изменения поля
скоростей течения мисцеллы во времени.
Критерий Fr= — —критерий гравитационного подобия —>
является мерой отношения сил инерции (®) и тяжести (g) в од-
нородном потоке.
Критерий Еи= —, где А/?— разность давлений, под влия-
pw2
днем которой движется жидкость, — учитывает влияние сил гид-
ростатического давления. Критерий Ей — это мера отношения
сил давления (Ар) и инерции (w) в потоке мисцеллы.
Критерий Re =—, где v — кинематическая вязкость мис-
v
целлы, — критерий режима движения. Он характеризует гидро-
динамический режим (ламинарный, переходной, турбулентный)
потока мисцеллы, являясь мерой отношения сил инерции (да) и
внутреннего трения (v).
В уравнении (XX—31) часть критериев подобия относится к
процессу собственно массопереноса, это критерии: Nu', Fo', Pr'.
Другая часть критериев подобия характеризует гидродина-
мическую картину движения мисцеллы. К ним относятся кри-
терии Но, Fr, Еп и Re. Наконец, симплекс Г! описывает гео-
метрические условия, в которых протекает процесс экстракции.
Все эти стороны процесса взаимосвязаны и составляют единое
целое. Однако при рассмотрении отдельных сторон процесса
экстракции — массопереноса или гидродинамики — нет необхо-
димости учитывать все критерии, входящие в уравнение
(XX—31).
Процесс экстракции одной, отдельно взятой частицы экст-
рагируемого материала без наличия конвекции (настаивание)
может быть описан уравнением:
f(Nu', Fo', Pr') -= 0. (XX—32)
При экстракции в слое, но без конвекции, добавляется ос-
ложняющее влияние явлений, происходящих за счет блокиро-
вания части наружной поверхности частиц и возможного их сле-
живания. Для такого случая уравнение будет иметь вид
f (Nu', Fo', Pr' Fj) = 0. (XX—33)
При экстракции в слое при движении мисцеллы критери-
альное уравнение для массопереноса должно учитывать степень
конвективное™ потока мисцеллы, влияющую на соотношение
молекулярного и конвективного переноса вещества. Целесооб-
372
разнее всего применить критерий Рейнольдса, характеризующий
режим движения мисцеллы, тесно связанный с интенсивностью
конвективного переноса вещества. Тогда критериальное уравне-
ние будет иметь вид:
f(Nu', Fo', Pr', Re, TJ = 0. (XX—34)
При экстракции во взвешенном состоянии при перемешива-
нии уравнение можно записать так:
f (Nu', Fo', Pr', Re) = 0, (XX—35)
т,
где Re= -----• (d — диаметр мешалки, поб — число оборотов
v
мешалки в секунду).
Уравнение (XX—35) в принципе аналогично уравнению экст-
ракции соевого молока при перемешивании, полученному ранее
Ill, 316].
Чисто гидродинамическая картина процесса экстракции в
слое может быть охарактеризована уравнением:
f (Но, Fr, Eu, Re, Г2) = 0. (XX—36)
Одной из наиболее важных практических задач использова-
ния уравнения (XX—36) является нахождение функции Еи=
= ф(Но, Fr, Re, Ft), из которой может быть найдена величина
напора, необходимого для преодоления заданной высоты слоя
материала с определенной характеристикой. Здесь не затраги-
вается чисто гидродинамическая сторона процесса экстракции
при перемешивании, так как этот вопрос является специальной
областью моделирования работы мешалок.
Приведенные уравнения (XX—32) — (XX—36) еще не дают
представления о том, какие именно критерии подобия являются
главными, в основном определяющими эффективность процес-
са. Этот вопрос может быть выяснен экспериментальным путем.
Так, например, было показано {19, 24, 26], что для случая эк-
стракции жмыховой крупки в определенных пределах изменения
скорости движения мисцеллы и высоты слоя экстрагируемого
материала уравнение (XX—34) превращается в зависимость
Nu'=f(Fo'). В одной из работ [30] приведены коэффициенты
уравнения для некоторых видов экстрагируемого материала,
способы и численные примеры расчетов на базе этого уравне-
ния масличности шрота, концентрации мисцеллы и продолжи-
тельности экстракции. Аналогичная зависимость была получена
и для сырого соевого лепестка в более поздней работе [171].
Подобные частные формы критериальных уравнений могут
быть получены и для других видов экстрагируемого материала
и условий экстракции. Это в равной мере относится и к гидро-
динамической стороне процесса экстракции. Например, по-ви-
373
димому, не всегда есть необходимость учитывать такие крите-
рии подобия, как Но, Fr и Гь
В заключение кратко остановимся на принципиальном вопро-
се о выборе исходных дифференциальных уравнений для подоб-
ного преобразования, так как от этого зависит вид критериаль-
ных уравнений.
Для частного случая экстракции в слое в качестве дифферен-
циальных уравнений движения вязкой жидкости и неразрывно-
сти потока можно было бы принять соответствующие уравне-
ния фильтрации. При использовании уравнений ламинарной:
фильтрации получаются видоизмененные критерии Но и Ей. Ре-
шение уравнений турбулентной фильтрации приводит к получе-
нию видоизмененных критериев Но и Fr, а также некоторых:
других критериев. Получение дифференциальных уравнений тур-
булизованной фильтрации само по себе затруднено из-за отсут-
ствия уравнения скорости фильтрации для всего переходного-
диапазона скорости. Турбулизованный же (переходной) режим
движения при экстракции растительных масел встречается до-
вольно часто. Кроме того, применение уравнений движения
жидкости в пористой среде неудобно, так как в получаемых при
этом критериях подобия появляются такие дополнительные ве-
личины, как пористость и проницаемость, измерение которых яв-
ляется затруднительным. Особая сложность появляется при эк-
стракции слоя сжимаемых частиц, так как в этом случае вели-
чины пористости и проницаемости изменяются во времени и про-
странстве.
В изданной ранее работе [14] принимаются следующие урав-
нения: стационарного массопереноса = Oj ; стационарного
(установившегося) движения вязкой жидкости (-- = О А и не-
\ dz )
разрывности (сплошности) потока, существенно отличающееся
от общепринятого уравнения [150]; это различие авторами не-
объясняется. Из кинетики экстракции (см. главу XIX) следует,,
что принимать уравнение стационарного массопереноса для опи-
сания процесса экстракции принципиально неправильно, так как
при экстракции веществ из твердых тел (в частности, раститель-
ных масел из лепестка, крупки) — =£ 0.
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЭКСТРАКЦИИ
Основными показателями эффективности работы экстракто-
ра являются, как известно, масличность шрота, концентрация
мисцеллы и производительность, взаимно связанные [23]. При-
веденные выше балансовые уравнения дают соотношение меж-
374
ду этими величинами. Рассмотрим влияние основных производ-
ственных факторов на эффективность экстракции.
В соответствии с представлениями о механизме и кинетике
экстракции важнейшими являются факторы, под влиянием кото-
рых происходит формирование внутренней и внешней структуры
экстрагируемого материала, степень вскрытия клеток ядра се-
мян или семян, влажность материала, определяющий размер ча-
стиц, внутренняя пористость частиц и ее характер, способность
материала к слеживанию, способ предварительного съема масла
(в схемах, где он имеется) и некоторые другие.
Способ и режим ведения процесса собственно экстракции
данного материала позволяют в определенных пределах изме-
нять лишь некоторые факторы эффективности процесса — со-
отношение растворитель: материал (идентичное изменению кон-
центрации мисцеллы), температуру, продолжительность (длину
пути), состояние массы частиц (неподвижный, перемешиваемый
слой, взвешенное состояние) и высоту слоя материала. Для дан-
ной конструкции экстрактора в сложившихся условиях его ра-
' боты главнейшими являются первые два фактора [281]. Опреде-
I ленное сочетание их может привести к повышению эффектив-
ности экстракции. Впервые этот вопрос был поставлен нами со-
вместно с А. М. Голдовским [97].
Уже из анализа балансовых уравнений был сделан вывод,
что увеличение концентрации мисцеллы в принципе должно со-
провождаться не очень большим повышением масличности шро-
та, различным для разных конструкций экстракторов. Действи-
тельно, экспериментально было показано, что в экстракторе
НД-1000 при увеличении концентрации мисцеллы до 18—21%
[285], а в экстракторе ДС-70 — до 50—55% [280] масличность
подсолнечного шрота заметно не возрастает. Превышение этих
пределов концентрации мисцеллы приводит к существенному
увеличению масличности шрота.
Как следует из рис. 134, при увеличении количества раство-
рителя, подаваемого в экстрактор, кривые масличности шрота
и концентрации мисцеллы становятся все более пологими, осо-
бенно это относится к кривым масличности шрота. Начиная с
определенного значения количества растворителя, изменение
этой величины уже мало сказывается на масличности шрота.
Соотношение между концентрацией мисцеллы и температу-
рой было найдено в заводских условиях при экстракции под-
солнечного форпрессового лепестка на экстракторе ДС-70 [280].
Влияние температуры экстракции на промышленных аппара-
тах изучалось в некоторых работах [278, 286]. Ее повышение по-
ложительно влияет на масличность шрота и концентрацию мис-
целлы.
Влияние продолжительности в большой степени связано с
длиной пути экстракции (количеством ступеней при противо-
375
точной многоступенчатой экстракции). Рассмотрим эти факторы'
в их совокупности.
В вертикальном шнековом экстракторе происходит более или
менее плавное изменение масличности шрота и концентрации:
мисцеллы (рис. 135), тогда как в горизонтальном ленточном в
обычных условиях его работы вначале наблюдается быстрое из-
менение этих показателей и, начиная с четвертой ступени, что»
Палачество вензина. подобаемого S зшпоантор, м3/ч
Рис. 134 Зависимость масличности шрота и кон-
центрации мисцеллы от количества растворителя
(бензина), подаваемого в экстрактор; экстрагируе-
мый материал — жмыховой лепесток семян подсол-
нечника;
экстрактор НД-1000: 1 — масличность шрота, 2 —
концентрация мисцеллы [285];
экстрактор ДС-70: 3 — масличность шрота, 4 —
концентрация мисцеллы [280].
соответствует продолжительности 50 мин (т. е. приблизительна
такой же, что и в вертикальном шнековом экстракторе), изме-
нения незначительны (кривые / и II, рис. 136). Лишь в услови-
ях получения конечной мисцеллы высокой концентрации она из-
меняется также более или менее плавно (кривая III на рис. 136).
Характер кривых масличности шрота и концентрации мис-
целлы в вертикальном шнековом экстракторе свидетельствует об
изменчивости этих показателей, об отсутствии достаточного ре-
зерва в их улучшении. Разумеется, это действительно при рабо-
те экстрактора на данном материале в сложившихся условиях
376
работы. Улучшение структуры материала может привести к
улучшению показателей по масличности шрота и концентрации
мисцеллы. Наоборот, при работе на горизонтальном ленточном
экстракторе в обычных условиях имеется большой резерв (кри-
вые I и II, рис. 136), который наряду с повышением температу-
ры и был использован для увеличения концентрации конечной
.мисцеллы (кривая III, рис. 136).
Рис. 135. Зависимость масличности шрота (I) и концент-
рации мисцеллы (II) от длины пути и продолжительности
экстракции в экстракторе НД-1000;
экстрагируемый материал — жмыховой лепесток семян
подсолнечника; количество растворителя (бензина), пода-
ваемого в экстрактор, — 6,5 м3/ч [285].
Состояние массы частиц материала в экстракторе имеет
большое значение, хотя непосредственного сравнительного изу-
чения эффективности экстракции в неподвижном, перемешивае-
мом слое и взвешенном состоянии до сих пор не проводилось.
Можно высказать соображения о принципиальных преимущест-
вах экстракции во взвешенном состоянии. К ним относится
прежде всего отсутствие блокирования поверхности частиц в ре-
зультате их соприкосновения друг с другом. Далее, в частично
перемешиваемом и особенно в неподвижном слое возможно сле-
живание частиц. Наконец, экстракция во взвешенном состоянии
полностью снимает вопрос о гидравлическом сопротивлении
массы частиц, т. е. позволяет работать на частицах различной
внешней структуры, что сильно ограничено для неподвижного
37Z.
и даже перемешиваемого слоя. Экстракция во взвешенном со-
стоянии в промышленности применяется в системе фильтра-
ция — экстракция [407]. Общая продолжительность экстракции
в этой системе меньше (около 36 мин), чем во всех применяе-
Рис. 136. Зависимость масличности шрота (I) и концент-
рации мисцеллы (II, III) от длины пути (порядкового но-
мера ступени) и продолжительности экстракции в экстрак-
торе ДС-70;
экстрагируемый материал: кривые lull — жмыховой лепесток семян
арахиса; количество растворителя (бензина), подаваемого в экстрак-
тор,— 2,3 м3/ч [15]; кривая III— жмыховой лепесток семяи подсол-
нечника, количество растворителя (бензина), подаваемого в экстрак-
тор, — 2,0 Л43/Ч [280].
мых в настоящее время в промышленности типах экстракцион-
ных линий.
Наибольшее промышленное распространение имеет, однако,
экстракция в неподвижном или частично перемешиваемом слое
(экстракторы Де-Смета, Лурги, Бамага, НД-1000, НД-1250 и
др.). Специальными опытами в лабораторных условиях было-
378
показано [19], что высота слоя неслеживающихся материалов
(жмыховая крупка) не оказывает заметного влияния на мас-
личность шрота, тогда как с увеличением высоты слоя слежи-
вающихся материалов (сырой соевый лепесток) масличность
.шрота повышается. Первое подтверждено было в производст-
венных условиях экстракции на аппарате ДС-70 форпрессового
лепестка семян арахиса [15].
Производительность экстрактора тесным образом связана с
масличностью шрота и концентрацией мисцеллы. Эта связь бы-
ла представлена в виде балансовых уравнений. Однако некото-
рый интерес представляет пропускная способность экстрактора
как транспортного элемента, численно равная его производи-
тельности при данных показателях по масличности шрота и кон-
центрации мисцеллы. Пропускная способность экстрактора зави-
сит от степени использования объема аппарата и его рабочих
элементов (виток, ковш и т. п.), характеризующейся величиной
коэффициента использования, который представляет собой от-
ношение объема экстрагируемого материала, фактически пропу-
скаемого рабочим элементом (экстрактором, отдельной его ча-
стью) за один период (один оборот шнека, один цикл оборота
ковша, один оборот материала в экстракторе и т. п.), к объему
рабочего элемента (экстрактора, отдельной его части). Коэффи-
циент использования Кисп для экстракторов типа НД-1000 и
НД-1250 может быть найден из уравнения [49]:
Яисп = ЯзаЛпр, (XX—37)
где Кзап — коэффициент заполнения рабочих элементов;
Кпр — коэффициент проскальзывания.
Понятно, что для ковшовых и ленточных экстракторов Кпр=
=1, и их пропускная способность зависит только от заполнения
рабочих элементов (при постоянных прочих условиях).
Было найдено [49], что для экстрактора НД-1000 Кисп пер-
вого витка шнека загрузочной колонны, определяющего про-
пускную способность экстрактора в целом, равен 0,70—0,73. Для
экстрактора НД-1000, в целом КИсп=0,60—62; т. е. до 40%
объема этого аппарата полезно не используется.
Глава XXI. ДИСТИЛЛЯЦИЯ РАСПЫЛЕНИЕМ
ГИДРОДИНАМИКА РАСПЫЛЕНИЯ
Самые общие представления в этой области сводятся к сле-
дующему [233].
Вышедшая в виде струи из форсунки жидкость стремится к
статически устойчивому состоянию, при котором свободная энер-
гия поверхности является минимальной. Этому соответствует
379
сферическая форма поверхности, в связи с чем струя жидкости
является статически неустойчивой. Когда по какой-либо причи-
не диаметр струи отклоняется от среднего значения, в ней обра-
зуются более тонкие участки. В них благодаря поверхностному
натяжению повышается давление, жидкость переходит в более
толстые участки струи, струя еще больше утоньшается в опре-
деленных местах и дробится на капли. При турбулентном дви-
жении струи в ней возникают поперечные волны, способствую-
щие дроблению.
Причиной распада струи на капли могут быть помехи в фор-
сунке, вызывающие ротационно-симметричные колебания в
струе, или возникновение турбулентности струи при большой
скорости ее движения [495].
При дистилляции мисцеллы применяются форсунки танген-
циального типа [27]. Центробежные усилия, возникающие в них,
способствуют дроблению струи. Сопротивление трения среды
также является одним из факторов дробления струи и дополни-
тельного дробления капель. Капли движутся с большой скоро-
стью, по крайней мере непосредственно после их возникновения
из струи, когда динамический напор еще велик. При этом на
поверхности капель образуются в виде' диска нити, которые при
срыве и разрушении образуют новые капли. В пневматических
(паровых) форсунках с поверхности жидкости воздухом (паром}
как бы срываются тонкие нити, которые распадаются в местах
утоньшения с образованием капель.
Благодаря взаимодействию с паровой (газовой) средой фор-
ма возникшей капли жидкости изменяется (рис. 137). Вначале
капли сплющиваются по направлению движения и приобретают
форму круглой лепешки. Развитие деформации приводит к об-
разованию тела с тонкой оболочкой, которая разрывается с
образованием мелких и мельчайших капелек.
При своем развитии деформация капли проходит через кри-
тическую стадию [68]: поверхность капли становится неустойчи-
вой относительно малых возмущений; достигнув этой стадии,
капля распадается. Для каждого диаметра капли существует
нижний (режим раздвоения) и верхний (режим распыла) пре-
делы устойчивости.
Активным началом распада капли являются силы давления
окружающей среды, неравномерно распределенные по поверх-
ности капли [233]. Распад капли происходит в том случае, когда
возникающие вследствие аэродинамического давления силы
превосходят по всей капле силы поверхностного натяжения. Си-
лы аэродинамического давления в свою очередь зависят от от-
носительной скорости движения капли.
Рассмотрение энергетических затрат на образование распы-
ла позволяет дополнительно пролить свет на механизм процес-
са.
380
Общий расход энергии [441] складывается из следующих ее
видов:
энергии образования поверхности, равной произведению по-
верхностного натяжения на величину дополнительно образовав-
шейся поверхности; это обычно небольшая величина;
энергии преодоления сил внутреннего трения; время образо-
вания капли обычно очень мало, чаще всего несколько микро-
секунд, и потому в связи с
очень высокой скоростью
деформации значение сил
внутреннего трения велико;
потерь энергии вследст-
вие недостаточно эффектив-
ного ее приложения к жид-
кости.
Хотя в общем увеличе-
ние количества энергии, за-
трачиваемой на распыление
жидкости, приводит к полу-
чению все более мелких и
мелких капель, имеется, од-
нако, теоретический и неко-
торый практический предел,
который может быть достиг-
нут. Когда нить жидкости
становится все более и бо-
лее тонкой, скорость ее
слияния быстро увеличи-
вается вследствие большой
поверхностной энергии на
единицу объема жидкости.
Скорость и количество де-
формаций должны также
увеличиваться и прибли-
жаться к некоторому пре-
делу. Было установлено
[441], что при высоких ско-
ростях воздуха в некоторых
типах воздушных форсунок
дробление асимптотически
Рис. 137. Стадии дробления капли,
в паровой (газовой) среде [200].
приближается к величине частиц-
порядка 6 мкм.
В ряде работ [68, 91, 206, 222, 402, 421] были получены кри-
териальные уравнения для дисперсности распыла. Анализ этих
уравнений позволяет назвать факторы, определяющие дисперс-
ность распыла: физические свойства жидкости (поверхностное
натяжение, вязкость, плотность), скорость и режим движении
•Жидкости в выходном отверстии форсунки, диаметр его, давле-
38 Г
яие распыляемой жидкости, физические свойства среды (вяз-
кость, плотность) и скорость ее движения. Наиболее общий под-
ход к этой проблеме [200] основан на подобном преобразовании
уравнений движения и сплошности жидкой и газовой (паровой)
фаз с граничными условиями, определяемыми равенствами ка-
сательных, нормальных напряжений и скоростей на межфазной
поверхности. Это преобразование приводит к критериям, от ко-
торых зависит дисперсность распыла, оцениваемая, например,
по диаметру капель:
где w = w" — w'— относительная скорость газа (пара);
р — плотность;
р — вязкость;
о — поверхностное натяжение;
I — геометрический параметр;
' — жидкая фаза;
" — газовая фаза.
Отметим, что критерий , полученный в некоторых ра-
а
ботах [91, 206], хорошо отвечает представлениям о дроблении
струй и капель, поскольку он характеризует соотношение между
инерционными силами потока распыленной жидкости, внутрен-
ним трением и свободной поверхностной энергией.
Перегрев распыляемой жидкости существенно влияет на дис-
персность распыла [209, 210, 222].
Рассмотрим особенности работы форсунки тангенциального
типа на перегретой мисцелле [44].
С ростом давления распыляемой мисцеллы производитель-'
ность форсунки увеличивается по закону, близкому к линейно-
му. Однако с увеличением температуры и уменьшением концен-
трации бензиновой мисцеллы производительность форсунки па-
дает. Плотность мисцеллы при этом уменьшается. В то же вре-
мя производительность форсунки обратно пропорциональна
плотности [233, 402, 421] и по закономерности распыления нена-
гретых жидкостей должна возрастать.
Указанная зависимость производительности форсунки по
лерегретой мисцелле от температуры и концентрации мисцеллы
может быть объяснена следующим.
В середине выходного отверстия тангенциальной форсунки
имеется пространство, не заполненное жидкостью [421], образу-
ющееся, по-видимому, под действием центробежной силы. Из
перегретой мисцеллы растворитель начинает испаряться уже в
этом пространстве и вблизи от выходного отверстия. Образую-
щиеся пары создают противодавление, действительный напор
падает и производительность форсунки уменьшается. При этом
382
через выходное отверстие движется уже не жидкость, а ее смесь
с паром, вследствие чего производительность форсунки также
падает. Как противодавление, так и содержание паров в смеси
тем больше, чем выше температура распыляемой мисцеллы и
ниже ее концентрация.
Распыл, в целом, неоднороден как по величине отдельных
капель, так и по их распределению в поперечных и продольных
плоскостях сечения распылительной камеры. Для оценки дис-
персности распыла предложены [205] понятия среднеарифмети-
ческого, среднеквадратичного, среднекубического, среднеповерх-
ностного и средневесового диаметра. Применение той или дру-
гой оценки дисперсности распыла зависит от цели и удобства-
обработки экспериментальных данных. Распределение распыла
в камере может быть описано критериальными уравнения-
ми [235].
ИСПАРЕНИЕ ИЗ КАПЕЛЬ
Рассмотрим последовательно испарение из капель в непо-
движной и движущейся средах.
Для скорости испарения из капель в неподвижной среде
предложен ряд уравнений:
мгновенная скорость испарения [400]
- ~ = Кд4№ (Л - У), (XXI—2)
dv
испарение капли воды в воздух [500]
-^ = KaA(p0-pL), (XXI—3>
испарение в воздух капель воды радиусом г> 10~4 см [347]
\ /О
(XXI—4)
стационарная диффузия пара от сферической капли [428]
dm____ D^PMAp z
(XXI—5)
поток молекулярной диффузии от испаряющейся капли [354J
/ = £)— ,
1 tn j *
dr
(XXI -6)
D = — UR,
з
383-
•скорость испарения малых капель [446]
dt~ ~ RT ’ '
для капли, помещенной в центре шарообразного сосуда [420],
I = 4vaDcQ ехр ( — -^™.\. (XXI—8)
I J
В этих уравнениях приняты следующие условные обозначе-
ния: Лд — коэффициент массопереноса; Kg — коэффициент ско-
рости абсорбции; A, Dv, D — коэффициент диффузии; 0, t—вре-
тмя; w, т — масса; 1т — поток, отнесенный к 1 см2\ у, yi — насы-
щенная концентрация паров вещества и их концентрация в па-
ровой (газовой) фазе соответственно; pG — парциальное давле-
ние паров воды в воздухе; pL — давление паров воды при дан-
ной температуре; Ек — упругость пара над каплей; е — упру-
гость пара в окружающем пространстве; с0— концентрация на-
сыщенного пара; г, а — радиус капли; z — диаметр капли;
А — поверхность раздела между фазами; Р — общее давление;
рв — давление пара испаряющегося вещества; Ар — градиент
парциального давления поперек пленки; рв. м — среднелогариф-
мическое парциальное давление диффундирующего вещества по-
перек пленки; Й4— молекулярная масса; х — толщина газовой
пленки; К — газовая постоянная; К\ — радиус сферического со-
суда; Т—абсолютная температура; «— средняя скорость мо-
лекул пара.
Из уравнений (XXI—2) — (XXI—8) следует, что скорость
испарения капли в неподвижной среде зависит от ее размера,
физических свойств жидкости (упругости ее паров), температу-
ры, содержания испаряющегося вещества в паровой (газовой)
фазе, а также от толщины газовой пленки вокруг капли — из
уравнения (XXI—5).
Влияние этих факторов остается и в условиях движения ок-
ружающей среды, но относительная их роль изменяется. Дви-
жение окружающей среды вносит существенные изменения в ки-
нетику процесса испарения капли и требует учета ряда допол-
нительных факторов. Среди них, как правило, в той или иной
форме фигурирует критерий Рейнольдса.
В некоторых работах [213, 346—348] вводится так называе-
мый ветровой множитель f, являющийся функцией критерия
Рейнольдса. Например, уравнение (XXI—4) с учетом ветрового
.множителя записывается так [347]:
dm
------f. (XXI—9)
4лД (Ек — е) rf \ dt )0
384
Зависимость ветрового множителя от числа Рейнольдса име-
ет следующий вид [213]:
f=l+kRe”, (XXI—10)
где kun — коэффициенты, имеющие различное численное зна-
чение при различном Re.
Роль гидродинамики при испарении из капли показана в спе-
циальных работах [54, 357, 453, 458, 474, 475], выполненных на
различных объектах и в разных условиях по скорости движения
капель и среды.
Испарение из падающей капли состоит из двух периодов:
испарение при образовании и при свободном падении капли
[486]. Также два периода выделяется в сушке молока распыле-
нием [123]: первый период характеризуется постоянством тем-
пературы молока и скорости изменения квадрата диаметра
капли; во втором периоде температура молока увеличивается,
приближаясь к температуре сушильного агента, а по характеру
изменения диаметра капли второй период состоит из трех эта-
пов (скорость изменения диаметра капли постоянная, падает
до нуля и постоянный диаметр капли). Скорость распыли-
тельной дистилляции (сушки) очень велика. Так, по неко-
торым данным [8], продолжительность распылительной сушки
белково-коллоидных веществ составляет ’До—'/ю сек Скорость
массопереноса при испарении из капли может контролировать-
ся диффузией жидкости или диффузией пара [404]. При повы-
шении температуры газовой фазы температура капли прибли-
жается к точке кипения и механизм процесса может изменяться
в сторону преобладания конвективного массопереноса. На осно-
вании расчетов при допущении, что массоперенос контролирует-
ся диффузией в жидкости, меньшие капли замедляют движение,
увеличивают температуру, изменяются в составе и уменьшают-
ся по размерам значительно быстрее, чем большие капли.
Критериальные уравнения имеются в ряде работ [233, 419,
474]. Критериальное уравнение массообмена для испарения из
капель чистой жидкости представляется в виде связи между кри-
териями Нуссельта, Рейнольдса, Прандтля, Архимеда и пара-
метрическим критерием, характеризующим влияние интенсивно-
сти массообмена на теплообмен [233].
Скорость переноса компонента к выражается уравнени-
ем [419]:
m°k = ^rdDv,K (ч&.г—=&.s)(l + KSc^ReT), (XXI—11)
где fd — радиус горизонтальной проекции капли; Dv, к — объ-
емный коэффициент диффузии компонента к; Ok, i, Ok, s— кон-
центрация компонента к соответственно на поверхности раздела
13 В, В. Белобородов 385
и в свободной потоке на расстоянии от капли; К — коэффици-
ент пропорциональности; Sc= 77^ ~ —критерий Шмид-
uf.k им,к
та, vs — кинематическая вязкость; Г_)Р к — молекулярный коэф-
фициент диффузии (диффузия по закону Фика) компонента к;
р — давление; Dm,«—коэффициент диффузии, Максвелла ком-
понента к, Re — критерий Рейнольдса по максимальному диа-
метру капли.
ОБЩИЕ УРАВНЕНИЯ
Дистилляция распылением по гидродинамическим изменени-
ям в жидкой фазе условно может быть разделена во времени
на три периода [39]: I — период образования отдельных капель
(или период распада струи); II — период развития турбулент-
ности в пределах отдельных капель и III—период затухания
турбулентности в пределах отдельных капель. В газовой фазе
благодаря интенсивному перемешиванию состояние и свойства
примерно одни и те же в любой точке распылительной камеры,
поэтому при установившемся непрерывном процессе явления в
газовой фазе не могут быть разделены на отдельные пе-
риоды.
С точки зрения состояния жидкой фазы дистилляция распы-
лением, как и другими методами, делится на периоды кипения
и испарения [97].
Необходимые и достаточные условия возникновения и суще-
ствования отдельных периодов процесса [40] следующие:
4щ>^кип — условие возникновения периода ки-
пения;
4т>^кип, хкр<хКон —условия возникновения и существова-
ния одного только периода кипения;
^мц<^кип —условие возникновения и существова-
ния одного только периода испа-
рения.
Здесь /мц, Дип — соответственно температура и температура
кипения распыляемой мисцеллы при давлении паров раствори-
теля в распылительной камере;
хкр, Хкон — соответственно критическая (в точке перехода от
периода кипения к периоду испарения) и конечная концентра-
ция мисцеллы по растворителю.
В зависимости от условий дистилляция распылением может
протекать только в периоде кипения, только в периоде испаре-
ния или при последовательном совмещении обоих периодов. Для
предварительной дистилляции мисцеллы характерно наличие
только одного периода кипения, хотя при определенных усло-
виях (низкая температура распыляемой мисцеллы, небольшое
386
количество подаваемого острого пара или инертного газа) воз-
никновение периода испарения не исключено. При окончатель-
ной дистилляции мисцеллы существование только одного перио-
да кипения, как правило, не наблюдается.
Преобразование классических уравнений движения вязких
жидкостей, сплошности потока, нестационарной диффузии, с уче-
том гидродинамического взаимодействия и уравнений массопере-
носа между фазами приводит к получению ряда критериев по-
добия. Если бы на границе раздела фаз не возникала турбу-
лентность, значительно влияющая не только на снижение меж-
фазного сопротивления, но и на интенсивность массопереноса в
отдельных фазах, то указанных уравнений было бы достаточно
для описания дистилляции распылением. Однако дистилляция
распылением отличается интенсивной межфазной турбулентно-
стью [39, 42].
Анализ закономерностей дистилляции распылением [27, 35,
38—42, 44—46] позволяет отметить следующие безразмерные от-
ношения, не вытекающие из подобного преобразования назван-
ных выше дифференциальных уравнений.
1. Взрывная сила — , где рн — давление паров растворителя
в непосредственной близости от поверхности жидкости при ее
выходе из форсунки, рр— давление паров растворителя в рас-
пылительной камере. Неравенство рн>Рр, являющееся следст-
вием перегрева распыляемого под давлением исходного раство-
ра и причиной «мгновенного» испарения части растворителя,
представляет собой дополнительную характеристику распада
струй и капель, помимо того, что между жидкой и газовой фа-
зами наблюдается взаимодействие чисто гидродинамической
природы, учитываемое [200] равенствами касательных, нор-
мальных напряжений и скоростей.
В связи с действием взрывной силы — закономерности ра-
Рр
боты форсунок, характер распыла и ход процесса дистилляции
должны существенно отличаться от аналогичных явлений для
ненагретых жидкостей. Действительно, как было отмечено вы-
ше, характер зависимости производительности форсунки тан-
генциального типа от некоторых факторов (температуры, кон-
центрации распыляемого раствора) при распылении перегретой
мисцеллы отклоняется от характера соответствующих зависимо-
стей для ненагретых жидкостей. Давление рн возрастает с уве-
личением температуры распыляемой жидкости. Как было экспе-
риментально показано [222], температуре распыляемой жидко-
сти пропорциональна дисперсность распыла.
Уже только рост дисперсности распыла должен приводить к
ускорению процесса дистилляции, помимо турбулизации меж-
13* 387
фазной поверхности и усиления конвекции внутри жидкой и
паровой фаз (рис. 138) *.
2. При дистилляции распылением в токе водяного пара или
инертного газа коэффициент насыщения в подавляющем боль-
шинстве случаев не достигает 100%. Поэтому давление паров
растворителя в непосредственной близости от межфазной по-
Рис. 138. Зависимость конечной концентрации
Рн
мисцеллы ак от отношения — .
Рр
верхности после выхода жидкости из форсунки ps больше дав-
ления паров растворителя в распылительной камере рр. Отпо-
ру
шение — в периоде кипения действует как взрывная сила,
Рр
Pi
а в периоде испарения отношение — можно рассматривать как
₽р
меру турбулизации межфазной поверхности вследствие массо-
переноса через нее (рис. 139).
3. В ходе дистилляции распылением дисперсность распыла
возрастает под действием форсунки, сил трения между фазами,
взрывной силы и т. п. Иными словами, необходимо принимать
во внимание большую кривизну выпуклой межфазной поверх-
ности при дистилляции распылением. Роль этого фактора меж-
* На рис. 138—148 приведены результаты камеральных опытов по ди-
стилляции мисцеллы арахисное масло — экстракционный бензин. Значения
рн и рр взяты по экспериментальным данным [250].
Здесь и ниже (см. рис. 139—141) мы показываем влияние ряда безраз-
мерных отношений на эффективность дистилляции распылением по результа-
там лишь одной серии опытов (концентрация исходной мисцеллы по раство-
рителю 20%, температура исходной мисцеллы 120 °C).
388
фазной (и внутрифазной) турбулентности может быть охарак-
Рк
теризована зависимостью ак от — , где рк — давление над вы-
пуклой, рп — давление над плоской поверхностью. Отношение
нуждается, однако, в дополнительном преобразовании, по-
Рп
скольку величину рк в усло-
виях. дистилляции измерить
пока невозможно.
Будем исходить из урав-
нения Томсона [149]:
In 25- = , (XXI—12)
рп RTr
где о — поверхностное на-
тяжение;
V — мольный объем
жидкости капли;
7? — универсальная га-
зовая постоянная;
7' — абсолютная темпе-
ратура;
г —радиус капли.
Для маловязких жидко-
стей, к которым можно
отнести растворы большин-
ства веществ при относи-
тельно высоких температу-
рах, наблюдающихся при
дистилляции, эффективность
дробления практически не
возможность принять [200]
Рис. 139. Зависимость конечной кон-
центрации мисцеллы ак от отноше-
Ps
НИЯ ---------------- .
Рр
(давление мисцеллы такое же, как
на рис. 138).
зависит от их вязкости, что дает
а
2w"2p" ’
(XXI—13)
где w" — скорость движения паровой (газовой) фазы;
р" — плотность паровой (газовой) фазы.
Подстановка уравнения (XXI-13) в равенство (XXI-12) дает
Рк 4Vw"2p" ZVVT 1
-£7 = ехр-^Д-> (XXI—14)
, Vw"2p" ..
т. е. безразмерное отношение ---!— может быть принято в
качестве меры влияния кривизны капли распыла на межфазную
турбулентность или эффективность процесса дистилляции рас-
пылением.
Характеристику дисперсности распыла можно дополнитель-
389
ио упростить умножением на критерий Эйлера для жидкой фа-
зы, который получается при подобном преобразовании уравне-
ния Навье — Стокса, т. е. обязательно входит в критериальное
уравнение процесса, получаемое общепринятым путем:
Vk)"2P"
RT
ЬР
Рн®'2
р"
УЬР
рт
(XXI—15)
Таким образом, окончательно за меру влияния дисперсности
распыла на эффективность дистилляции распылением принима-
и\р
ется отношение --- (рис. 140).
4. При дистилляции распылением могут возникать капилляр-
ные волны вследствие быстрых изменений концентрации раство-
ра, вызывающих в разных точках , струи и капли временное
(мгновенное) существование
различной концентрации и,
следовательно, различного по-
верхностного натяжения. Ка-
пиллярные волны вызывают
турбулизацию межфазной по-
верхности.
За меру интенсивности ка-
пиллярных волн мы прини-
маем частоту их колебаний,
которая [212] пропорциональна
— Для процесса в целом
р'г3
турбулизацию межфазной по-
верхности капиллярными вол*
нами можно охарактеризовать
Рис. 140. Зависимость конечной отношением:
концентрации мисцеллы ак от от-
РДр
ношения ——— (давление мисцел-
RT
лы такое же, как на рис. 138).
' 3
----, (XXI—16)
где индексы н и к относятся соответственно к началу и концу
процесса.
Подстановка уравнения (XXI—13) в уравнение (XXI—16)
позволяет окончательно получить безразмерное отношение, ха-
рактеризующее интенсивность капиллярных волн:
Рк 4
(XXI—17)
390
Влияние этого безразмерного отношения на эффективность
дистилляции распылением показано на рис. 141 *.
5. Фазовое превращение, наблюдающееся в процессах дистил-
ляции, при наличии потока вещества через межфазную поверх-
ность и неравенстве удельных весов фаз, вызывает возникнове-
ние вблизи от этой поверхности неравных векторов скоростей,
что в свою очередь является причиной по-
явления реактивной силы [200]:
PR = Ял. (w" — w'), (XXI—18)
g
где w'— скорость движения жидкой
фазы;
g— ускорение силы тяжести;
gn— количество растворителя, уда-
ляемого в единицу времени**.
Сила PR действует как дополнительный
фактор дробления капли и турбулизации
межфазной поверхности, поскольку капля
жидкости, как было показано', деформи-
руется в тело неправильной формы с тонкой
оболочкой, что вызывает несовпадение меж-
ду направлением приложения равнодейст-
вующей реактивных сил и направлением
движения капли. Эффективность действия
PR может быть учтена через ее отношение
к силе воздействия динамического напора
потока при выходе жидкости из форсунки:
Рис. 141. Зависи-
мость конечной кон-
центрации мисцеллы
ак от отношения
Рк 4
Рн °н
nd?
__Ф р
4
(давление мисцеллы
(XXI—19) такое же, как на
рис. 1381.
где Р — давление распыляемой жидкости;
d$— диаметр выходного отверстия форсунки.
Уравнения (XXI—18) и (XXI—19) дают
pr _ 4g„ (w" — w'}
(XXI—20)
* Значение <тн и <тк взяты по экспериментальным данным [174], рк и
рн —рассчитаны по правилу смешения.
* * В рассматриваемой работе [200] PR имеет размерность силы на едини-
цу площади. Целесообразно gn придавать принятое нами значение, поскольку
площадь межфазной поверхности при дистилляции распылением неизвестна.
Величина PR приобретает при этом размерность силы.
391
По уравнению (XXI—18) PR направлена в сторону проти-
PR
воположную Рф, поскольку w"<w' и — отрицательная ве-
личина.
В действительности направление реактивной силы может
быть самым различным. Поэтому уравнение (XXI—20) можно
рассматривать лишь как качественное и неполное. Из экспери-
ментальных данных не удается, за некоторыми исключениями,
PR
установить четкой корреляции между ак и отношением р- , рас-
УФ
считанным по уравнению (XXI—20). Роль реактивной силы в
эффективности дистилляции распылением нуждается в допол-
нительном исследовании.
В настоящее время развитие поверхности контакта фаз чуть
ли не единственное объяснение высокой интенсивности дистил-
ляции распылением. Это, конечно, очень важный фактор, но,
как следует из рассмотрения ряда явлений, присущих распыле-
нию перегретых жидкостей, — не единственный. Более того, не-
обходимо подчеркнуть, что полученные из опыта корреляции
данные (рис. 138—141) являются следствием не только межфаз-
ной, но и внутрифазной турбулентности, по крайней мере это
можно сказать о некоторых из рассмотренных факторов. Напри-
мер, на турбулентность внутри жидкой и паровой (газовой) фаз
влияют взрывная и реактивная силы. Учет рассмотренных фак-
торов межфазной (и внутрифазной) турбулентности для анали-
за закономерностей и расчета массопереноса при дистилляции
распылением совершенно необходим.
С введением рассмотренных факторов можно сформулиро-
вать качественно новые замечания при анализе процесса ди-
стилляции распылением. Действие этих факторов проявляется
сразу после выхода жидкости из форсунки. Иными словами,
наибольшей интенсивностью процесс обладает в зоне распыли-
тельной камеры, непосредственно примыкающей к форсунке,
т. е. дистилляция распылением не требует больших объемов
распылительной камеры, в противоположность сушке твердых
тел распылением. Действительно, производственные испытания
[27, 161, 256] показали, что при неизменных размерах аппарата
замена дистилляции мисцеллы в слое с колпачковыми тарелка-
ми на дистилляцию распылением с форсункой тангенциального
типа приводит к увеличению производительности аппарата. Для
дальнейшего увеличения производительности распылительных
дистилляторов и уменьшения их размеров нужен подвод макси-
мального количества тепла вблизи от форсунок. В связи с этим
необходимы специальные конструктивные решения.
Отметим, что часть рассмотренных факторов межфазной тур-
булентности имеет общее значение для дистилляции другими
методами (в пленке, в слое). Сюда относятся такие факторы,
392
Ps Рк °к
как — и —.
рр Рн
Теперь можно написать общее критериальное уравнение
массопереноса при дистилляции распылением, которое получа-
ется в результате подобного преобразования названных выше
дифференциальных уравнений с учетом полученных факторов
межфазной турбулентности [39]:
К" МьРа w' Рн Ps 1)ДР Рк Щ
D" ’ К' ’ МрРр W Рр Рр ’ RT ’ Рн Зн
) = °- (XXI—21)
Дополнительные условные обозначения:
w,'t — скорость мисцеллы в выходном отверстии
форсунки;
v — кинематическая вязкость;
d — диаметр распылительной камеры;
D — коэффициент диффузии;
Д-Р — напор в выходном отверстии форсунки;
К — коэффициент массопереноса;
Л1Р, Л1а, рр, ра — соответственно молекулярная масса и пар-
циальное давление паров растворителя и
подаваемого в распылительную камеру
агента (водяного пара, инертного газа);
' — жидкая фаза;
" — паровая (газовая) фаза;
н — начальное состояние;
к — конечное состояние.
В уравнении (XXI—21) комплекс —является критерием
распыления, о котором мы уже говорили выше. Комплекс
-----— является формой критерия- Фруда, который имеет
значение для III периода изменений в жидкой фазе. Критерий
состава --^аР'1 , встречающийся в некоторых работах [327, 328],
имеет значение при дистилляции с острым паром или инертным
газом. В других случаях он превращается в нуль, и уравнение
упрощается. Отношение является мерой соотношения диф
39
фузионных сопротивлений фаз. При
все сопротивление
сосредоточено в жидкой фазе и уравнение (XXI—21) превра-
щается в
Пр
®hZ р" р" а р" (w'w")2 '/ Л4ара
< р' р' ’ ’ ga ’ D' ’ МрРр
w' Рн Ps VAP Рк 1 0 7YVT 991
• 1
w" Рр Рр RT Рн3н РФ )
сопротивление сосредоточено в газовой фазе, и
К" о
и------>0 все
К'
уравнение (XXI—21) превращается в
W'd ч" MaPa w' рн ’.Ps
к’ > [)" ’ МрРр ’ ш" ’ рр ’ рр ’
-^) = 0. (XXI—23)
В уравнении (XXI—23) учтена турбулизация газовой (паро-
вой) фазы действием взрывной и реактивной сил, неуравнове-
шенных сил на межфазной поверхности и за счет собственно
распыления.
Численные значения коэффициентов уравнений (XXI—21) —
(XXI—23) получаются опытным путем в соответствии с общими
правилами теории подобия. При обработке экспериментальных
данных часть критериев или симплексов из конечных уравнений
может выпасть вообще, что является следствием требований к
точности конечных уравнений и вытекает из понятия о прибли-
женном подобии [163].
Так, нами получено, в частности, следующее приближенное
уравнение для окончательной дистилляции мисцеллы с водяным
паром:
р"\—о,0073 / Щ, \ 0,001 / Рн >,0,001 г Ps \о,ooi
р' 1 \ W” / \Рр) \Рр I
(XXI— 24)
Из уравнения (XXI—24) видно, что основными факторами,
определяющими эффективность окончательной дистилляции мис-
целлы методом распыления, являются ее физические свойства
и' Л4ара
•— , величина расхода острого пара -, соотношение между
D' МрРй
394
г “ ” .1 Р Р
плотностями жидкой и паровой фаз — и , величина силы
Рн' р'
, Ри
трения между фазами —, взрывная сила —и поперечный мас-
гв" рр
Ps
соперенос —.
Рр
КОЭФФИЦИЕНТ МАССОПЕРЕНОСА
Коэффициент массопереноса в жидкой фазе при дистилляции
мисцеллы распылением составляет величину порядка 10~2 сек~1
[38]. По нашим неопубликованным еще данным, коэффициент
массопереноса в паровой (газовой) фазе на два порядка боль-
ше. Таким образом, основное диффузионное сопротивление при
дистилляции мисцеллы распылением сосредоточено в жидкой
фазе, т. е. уравнение (XXI—22) является главным. Из него и
получено расчетное уравнение (XXI—24). Поэтому важно про-
следить изменение величины коэффициента массопереноса
именно в жидкой фазе при изменении различных параметров
процесса [38, 41].
Коэффициент массопереноса можно рассматривать как меру
скорости процесса. Изменение коэффициента массопереноса в
жидкой фазе позволяет проследить изменение и перераспреде-
ление диффузионных сопротивлений в жидкой фазе, а также
механизм и кинетику процесса. При дистилляции распылением
межфазную поверхность определить практически невозможно,
поэтому кратко изложим сведения об объемном коэффициенте
массопереноса.
Объемный коэффициент массопереноса в жидкой фазе пред-
ставляет собой количество растворителя, испарившегося в еди-
ницу времени на единицу объема исходной (распыляемой) мис-
целлы при разности концентраций в жидкой фазе, равной еди-
нице. Коэффициент массопереноса рассчитывался нами из опыт-
ных данных по уравнению:
Рисх^б
60бМцАхСр
К
(XXI—25)
где Gq — количество растворителя (бензина), испаривше-
гося в единицу времени из мисцеллы, Омц;
Рисх — плотность мисцеллы при исходной концентрации
и температуре;
АхСр— средняя разность концентраций в жидкой фазе.
Проследим изменение коэффициента массопереноса в зави-
симости от характеристик исходной мисцеллы — температуры,
давления и концентрации.
395
На рис. 142 показана зависимость коэффициента массопере-
носа от температуры распыляемой мисцеллы. Как следует из
рисунка, с ростом температуры наблюдается увеличение коэф-
фициента массопереноса. Для предварительной дистилляции это
увеличение начинается с 90 °C, что, по-видимому, связано с воз-
никновением периода кипения. В некоторых случаях кривые мо-
гут обладать максимумом (на рис. не показано) [38].
а 5
Рис. 142. Объемный коэффициент массопереноса в жидкой фазе
как функция температуры распыляемой мисцеллы:
а — концентрация мисцеллы по маслу 15% (по массе); расход углекислого
газа 5 г/мин-, давление (избыточное) мисцеллы (в ат): 1 — 1; 2 — 2; 3 — 3;
4 — 4; б — концентрация мисцеллы по маслу 90% (по массе); расход углекис-
лого газа 30 г/мин.', давление (избыточное) мисцеллы (в ат)', 1 — 2: 2 — 3:
3 — 4; 4 — 5; 5 — 6.
С увеличением давления распыляемой мисцеллы происходит
уменьшение коэффициента массопереноса по закону, близкому к
линейному. Этот характер зависимости наблюдается при любых
практически важных изменениях концентрации и температуры
мисцеллы (рис. 143).
Речь идет об увеличении давления при неизменном диаметре
выходного отверстия форсунки, т. е. параллельно с давлением
растет удельная нагрузка распылительной камеры по исходной
396
мисцелле. Поэтому, несмотря на рост дисперсности распыла при
увеличении давления, в целом происходит уменьшение коэффи-
циента массопереноса.
Зависимость коэффициента массопереноса от концентрации
распыляемой мисцеллы (рис. 144) обладает явно выраженным
максимумом.
Рис. 144. Объемный коэффициент массо-
переноса в жидкой фазе как функция
концентрации распыляемой мисцеллы;
Рис. 143. Объемный коэффи-
циент массопереноса в жидкой
фазе как функция давления
распыляемой мисцеллы; концен-
трация мисцеллы по маслу
80% (по массе); температура
100 °C; расход углекислого га-
за (в г]мин):
Г—40, 2—30, .3-20, 4—5, 5—0.
Номер кривой ^мц’ град ссо2- г/мин Избыточное давление Рмц’ ат
1 120 20 3
2 120 20 4
3 100 20 3
4 100 20 4
5 120 20 3
6 120 0 4
7 100 0 3
8 100 0 4
Из представлений о межфазной турбулентности при дистил-
ляции распылением вытекает зависимость коэффициента мас-
сопереноса от характеристик газовой фазы (состава и скорости
397
Рис. 145. Объемный коэффициент массопереноса в жидкой фазе как функция
расхода инертного газа (Gco2)
Обозначение на рисунке а б в г
Исходная концентрация по маслу, % по массе 15 40 80 90
Исходная температура, °C 90 100 135 120
Давление (избыточное) распыляемой мисцеллы в ат:
на рис. а и б соответствует номеру кривой; на рис. в и г — 1 — 2; 2 — 3; 3 — 4; 4 — 5; 5—6.
р р
движения). В факторах — и — отражено влияние состава га-
Рр РР
зовой фазы через рр. В факторе — также отражено влияние
Рп
состава, поскольку от него зависит плотность и вязкость газа,
и скорости газовой фазы, от которой зависит величина и направ-
ление сил межфазного взаимодействия. Свойства и скорость га-
зовой фазы влияют на дисперсность распыла и, следовательно,
на рк- В факторе -отражено влияние скорости движения га-
РФ
зовой фазы, так как от нее зависит pR. Практически все сказан-
ное охватывается зависимостью коэффициента массопереноса от
расхода инертного газа (острого пара) G, поскольку с измене-
нием G изменяются состав и скорость газовой фазы (рис. 145).
Из рис. 145 следует, что в общем с увеличением расхода
инертного газа происходит рост коэффициента массопереноса в
жидкой фазе. Однако при дистилляции мисцеллы высокой ис-
ходной концентрации возникает уменьшение коэффициента
массопереноса с ростом расхода инертного газа. Этот перегиб
кривых в области высоких концентраций мисцеллы по маслу
объясняется тем, что один из компонентов смеси — масло — не-
летуч, и процесс как бы исчерпывает себя. Такая зависимость
согласуется с зависимостью коэффициента масопереноса от кон-
центрации исходной мисцеллы (рис. 144).
ФАКТОРЫ ЭФФЕКТИВНОСТИ
В заключение рассмотрим, как влияют наиболее важные про-
изводственные факторы на эффективность дистилляции мисцел-
лы методом распыления [35, 46]. Эффективность процесса будем
оценивать либо по остатку бензина в масле (мисцелле) хкоч
в % по массе и величине удельной нагрузки распылительной
камеры по отгоняемому бензину Gg в г/(мин-л), либо только по
хкон. Вначале, как и при анализе коэффициента массопереноса,
рассмотрим влияние исходных характеристик мисцеллы. Как
видно из рис. 146, с уменьшением содержания бензина в исход-
ной мисцелле хн,.Л- уменьшаются остаточное содержание бензина
в отходящей мисцелле и удельная нагрузка распылительной ка-
меры, что вполне естественно. В области концентраций хисх^
Дй50% остаток бензина в отходящей мисцелле уменьшается по
линейному закону и значительно быстрее уменьшения содержа-
ния бензина в исходной мисцелле. При хИСх~40—50% зависи-
мость приобретает криволинейный характер и в целом является
затухающей. По-видимому, область хисх~40—50% обладает
критическими свойствами, что можно связать с резким изме-
нением ряда физических свойств мисцеллы в этой области кон-
399
центраций: температуры кипения, вязкости и поверхностного на-
тяжения.
Влияние температуры распыляемой мисцеллы на хкон пока-
зано на рис. 147. При х11СХ = 85% по массе заметное снижение
хкон начинается при температуре выше 90 °C, что хорошо со-
гласуется с соответствующей зависимостью для коэффициента
о ю ?а за ао so оо ?о во оо т
J исх, % № массе
Рис. 146. Зависимость величи-
ны остатка бензина в отходя-
щей мисцелле и удельной на-
грузки распылительной камеры
по отгоняемому бензину от кон-
центрации распыляемой мис-
аеллы (температура распыляе-
мой мисцеллы 100—105 °C; циф-
рами на кривых обозначено
давление мисцеллы в ат).
массопереноса. С уменьшением хисх наклон кривых падает и
при хисх=10% по массе линии располагаются почти параллель-
но оси температуры, причем они спрямляются.
Важно отметить, что при окончательной дистилляции (хисх =
= 20% по массе и хИсх=Ю% по массе) нагрев распыляемой
мисцеллы до 100 °C дает уже небольшую величину хкои, а даль-
нейший рост температуры приводит к незначительному умень-
шению хкои. Отсюда следует, что сильный перегрев мисцеллы
перед распылением существенно не изменяет глубины отгонки
растворителя, но может привести к ухудшению качества масла.
С ростом давления распыляемой мисцеллы содержание бен-
зина в отходящей мисцелле и удельная нагрузка по отгоняемому
бензину возрастают (рис. 148). Эта зависимость тесным обра-
400
401
зом может быть связана со следующими факторами: дисперсно-
стью распыла, удельной нагрузкой распылительной камеры по
мисцелле и распределением распыла в камере. Все эти факторы
изменяются с изменением давления распыления. Дисперсность
распыла с ростом давления увеличивается. Одновременно с этим
возрастают удельная нагрузка распылительной камеры по мис-
целле и доля мисцеллы, попадающей на стенки камеры. Эти два
явления отрицательно сказываются на эффективности процесса,
так что в целом хКон и Go увеличиваются с повышением давле-
ния распыления.
Теперь перейдем к рассмотрению влияния характеристик ре-
жима работы распылительной камеры. Важнейшей из них яв-
GH о
ляется соотношение , где Gh,o — количество подаваемого
Об 2
на дистилляцию острого пара в единицу времени, Go — количе-
ство отгоняемого растворителя (бензина) за ту же единицу вре-
GH Q
мени. На рис. 149 * показана зависимость хкон от —-— при ди-
Go
стилляции под атмосферным давлением (а), и та же зависи-
мость при дистилляции под вакуумом (б). Как видно из рисун-
ка, вначале наблюдается быстрое падение хкон. При определен-
ен о
ном критическом значении кривые становятся практически
параллельными оси абсцисс, т. е. процесс затухает при некото-
рой величине бензина в масле, составляющей несколько десятых
GH о
долей процента. Критическое значение — зависит от глуби-
ны вакуума, температуры отходящего масла и некоторых дру-
гих характеристик. В показанных на рис. 149 случаях крити-
ки о
ческое значение — при дистилляции при атмосферном дав-
лении равно 7—8, а при дистилляции под вакуумом — 4—5. Чем
выше температура отходящего масла, тем ниже критическое
Gtt О
значение J— [35]. Вообще можно сказать, что чем интенсив-
но
нее воздействие того или иного фактора (чем выше температу-
ра распыляемой мисцеллы и отходящего масла, чем глубже
вакуум и т. п.), тем меньше критическое значение отношения
°н2о
G&
Роль вакуума и температуры отходящего масла (tM) видна
из данных табл. 30, которые сгруппированы так, чтобы можно
было видеть влияние температуры масла при одинаковых дав-
* На рис. 149 приведены результаты камеральных опытов на установке
[45] при дистилляции мисцеллы подсолнечное масло — легкокипящий экстрак-
ционный бензин.
402
лениях распыляемой мисцеллы и приблизительно одинаковых от-
Gj[ Q
ношениях ——.Во всех этих опытах температура распыляе-
мой мисцеллы равна 120 °C.
Рис. 149. Зависимость остатка бензина в масле от отноше-
ния
а — опыты под атмосферным давлением без слоя при температуре
распыляемой мисцеллы и отходящего масла 120 °C; о — опыты под
вакуумом 550 мм рт. ст. без слоя при температуре распыляемой мис-
целлы и отходящего масла 120 °C, давление (избыточное) в ат-. 1—2;
2 — 3; 3 — 4; 4 — 5; 5 — 6.
При дистилляции без острого пара влияние вакуума на оста-
ток бензина в масле очень велико. Подача острого пара значи-
403
тельно снижает роль вакуума, но она остается все еще доволь-
но ощутимой.
Таблица 30
Влияние вакуума и температуры отходящего масла на остаток бензина в
масле
Атмосферное давление Вакуум 550 мм рт. ст.
рмц (избы- точное), ат *м, СС sH,0 "GT" хкои, % по массе tM, °C сн2о °б ХКОН’ °® по массе
111 0 5,36 120 0 1,62
132 0 4,26 132 0 1,38
120 7,30 0,24 123 3,70 0,30
2 135 5,72 0,18 137 4,35 0,16
126 13,70 0,56 123 8,40 0,18
130 8,61 0,51 135 9,80 0,15
119 22,04 0,20 120 13,98 0,09
130 24,7 0,52 136 15,40 0,08
117 0 5,60 120 0 1,57
113 0 3,13 136 0 1,96
122 3,38 0,91 120 2,11 0,29
135 2,99 0,57 133 2,37 0,28
4 119 7,32 0,53 122 3,90 0,22
134 5,88 0,30 134 5,54 0,15
120 8.62 0,36 121 7,22 0,21
136 16,15 0,37 135 7,60 0,12
118 0 5,63 122 0 1,54
130 0 3,90 132 0 1,95
120 2,42 0,74 123 1,97 0,23
136 2,37 1,05 135 1,30 0,27
а 123 4,59 0,35 123 3,07 0,22
о 138 122 136 3,18 7,70 7,95 0,30 0,20 0,30 135 4,88 0,18
Влияние температуры особенно велико при дистилляции без
вакуума и без острого пара. Дистилляция под вакуумом с
острым паром при изменении температуры в изученных преде-
лах (до «120—135 °C) практически не изменяет своей эффек-
тивности. Это необходимо иметь в виду при регулировании ра-
боты заводских аппаратов.
Пример расчета. Подсолнечная мисцелла распыляется при помощи фор-
сунки в цилиндрическом аппарате, работающем под вакуумом с острым
паром.
Исходные данные. Концентрация’ мисцеллы по маслу 80%; темпе-
ратура НО °C; диаметр форсунки 5 мм; внутренний диаметр аппарата 1200 мм,
его производительность по исходной мисцелле 500 ке/ч; глубина вакуума
404
Grr (-)
500 мм рт. ст.; соотношение —-2— =5,0, температура масла на выходе
°б
100 °C; температура паров в аппарате 70 °C.
Определить величину остатка бензина в масле, поступающем в барботи-
руемый слой.
Решение. Расчетным является уравнение (XXI—24).
1. Величины у', D', ps и р' берем при средних значениях концентрации
и температуры мисцеллы. Концентрацию мисцеллы на выходе принимаем
равной 100% *, тогда
аср = 90%,
/ср = 105еС.
2. Плотности мисцелл расчитываем по закону аддитивности
р'= 0,834 г/см3;
Рн= 0,808 г]см\
3. Величина у' берется из опытных данных [30]
v' = 0,048 см?1сек.
4. Коэффициент диффузии при 20 °C, .0=0,68-10~5 см2[сек. (см.
главу IV).
При 105 °C коэффициент диффузии рассчитывается по известной форму-
ле [17]:
Г-q 378,2-0,42
О' = О —i = 0,68-10-5 ’ -тЧ-- = 1,47-10-5 см2/сек.
1 'j лУО , X ‘ U , Хи
Вязкость растворителя при 20 °C (293,2 °К) т] и 105 °C (378,2 °К) if при-
нята по опытным данным [30].
5. Остаточное общее давление в аппарате
760 — 500
Робщ =----—-----= 0,342 am.
Парциальное давление паров бензина рассчитывается по формуле:
Робщ 0,342
Рр — ту л- — 7 — 0,013 ат.
1 + 2^.2vl 1 + ?П_9.5
"н.О О» 18
Парциальное давление паров воды
Рв = Робщ — Рр = 0,342 — 0,013 = 0,329 ат.
6. Скорость мисцеллы на выходе из форсунки
4-GMU 4-500
wu =----------=--------------------= 876 см сек.
3,6л^?н 3,6л (0,5)2-0,808
* Это делаем для того, чтобы получить возможность определить средние
значения у', D', ps и р'. Допускаемая здесь ошибка для аСР в несколько де-
сятых долей процента не может заметным образом повлиять на у', D', ps и р'
405
7. Плотность паров бензина и воды рассчитываем по уравнению Менде-
леева — Клапейрона:
РрМр
ъ" — —---.
р — RT ’
0,013-91,19
Рб ~ 82,06-343,2
= 0,42-10“4 г/см3.
Рв
0,329-18
82,06-343,2
= 0,21-10-3
г /см3.
8. При дистилляции отгоняется 100 кг/ч или 27 г/сек бензина и подается
в аппарат 135 г/сек острого пара.
Объем паров бензина
= 0,42-10-"^ = 64’3’10< см31сек-
Объем паров воды
135
У в = 0 21 10~~з~ = 64>3’ 10< см31сек-
Объем смеси
Усм = 128,6-104 см3/сек.
Скорость движения смеси в аппарате
4Усм
л£)2
4-128,6-104
------------ \\Асмсек.
1202
9. Из рис. 28 приближенно находим
ps = 0,53 ат,
ри= 1,10 ат.
10. По уравнению (XXI—24) рассчитываем
/ 0,048 Х0.06/ 18-0,329 до,0012 / 0,42-10~4 \-0.0073
а1; = 0,55 [--------------I I------------------) [ ----------)
\ 1,47-10-5 / 1 91,19-0,013) \ 0,808 /
/ 0,42-10—4 \-о.0073 /876\-о,оо1 / ij \o,ooi /0,53 iO.ooi
М 0,834 / \П4/ <0,013/ <0,013/ =
или ак = 100%,
т. е. в масле остаются следы бензина.
406
Глава XXII. ДИСТИЛЛЯЦИЯ В ПЛЕНКЕ
ГИДРОДИНАМИКА ПЛЕНКИ
Можно отметить три основных режима течения по верти-
кальной поверхности тонкой пленки жидкости, омываемой па-
ром или газом [200]:
ламинарный с гладкой поверхностью раздела фаз;
ламинарный с волнистой поверхностью раздела фаз;
турбулентный.
Количественной мерой перехода одного режима движения в
другой является критическое значение числа Рейнольдса для
пленки
Re = , (XXII—1)
где w' — средняя скорость течения пленки;
6 — толщина пленки;
V — коэффициент кинематической вязкости жидко-
сти.
Если через G' обозначить расход жидкости' (по массе) на
единицу измерения ширины пленки (например, на 1 м), а через
у' ее удельный вес, то можно написать:
G' = fW6. (XXII-2)
Подставив w'6 из уравнения (XXII—2) в равенство
(XXII—1), получим
Re = — . (ХХП-З)
Уравнение (XXII—3) очень удобно, поскольку число Рей-
нольдса можно вычислить без измерения толщины пленки и
средней скорости ее движения.
Критические значения числа Рейнольдса в настоящее время
еще точно не установлены. Значения Кекрит имеются во многих
работах [122, 200, 212, 366, 397, 409].
Необходимо различать стекание жидкой пленки по верти-
кальной поверхности и движение ее вверх под воздействием па-
рового (газового) потока — так называемое обращенное течение
жидкой пленки. Первый вид течения пленки отмечается на ста-
дии предварительной дистилляции мисцеллы в аппаратах Воль-
мана и Лурги, на стадии окончательной дистилляции — в аппа-
ратах линий НД-1250 и Де-Смета. Второй вид течения пленки
встречается главным образом на стадии предварительной ди-
стилляции мисцеллы — в аппаратах линий НД-1250, Де-Смета,
Лурги и др.
407
В соответствии с исследованием гидродинамики стекающей
пленки [397] уже при Re = 4 на поверхности пленки возникают
первые волны, замыкающиеся кольцеобразно вокруг трубы, по
поверхности которой они движутся. Эти волны обладают пра-
вильной синусоидальной формой.
Дальнейшее увеличение скорости стекания пленки резко из-
меняет картину. На расстоянии 20—30 см от начала пути про-
исходит разрушение фронта волн. За счет деления волн возни-
кают новые волны, движущиеся с различной скоростью, перете-
кающие с противоположных сторон трубы. Большие волны как
бы двигают перед собой меньшие. Синусоидальная форма волн
пропадает.
Существенным отличием волнового ламинарного от просто
ламинарного режима движения пленки является заметная роль
в нем капиллярных, поверхностных сил.
При определенном значении числа Re на поверхности плен-
ки возникают капиллярные волны и образуются точки возмуще-
ния, часто перемещающиеся по трубе вверх и вниз [397]. По-
верхность пленки становится «шереховатой». Режим движения
пленки переходит в турбулентный.
Механизм стекания пленки по нагретой поверхности обла-
дает рядом особенностей, возникающих благодаря образованию
пузырьков пара [447]. При повышении температуры поверхности
возникают мелкие медленно растущие пузырьки, немного нару-
шающие жидкостную пленку; относительно большие быстро ра-
стущие пузыри, разрывающие пленку; при определенной темпе-
ратуре пленка остается гладкой, потому что бурно образующие-
ся пузырьки расходуют свою энергию на распределение жидко-
сти равномерно по ширине пластинки; дальнейшее повышение
температуры приводит к возникновению пузырьков по всей по-
верхности нагрева, что перемешивает пленку, при этом крупные
пузыри, диаметр которых достигает 30 мм, покидают сухие, по-
хожие на кратер места и стекают в виде мыльной пены; нако-
нец, рост температуры поверхности приводит к отрыву от нее
жидкостной пленки в виде струек, которые падают, все время
отдаляясь от поверхности пластины.
Наличие волн на поверхности пленки снижает межфазное
сопротивление. Благодаря этому увеличивается скорость массо-
переноса. В этом, как указывалось ранее>[31], главное значение
возникновения волн. Поверхность пленки, т. е. межфазная по-
верхность, за счет ее волнистости увеличивается незначитель-
но— на 0,5—3% [397]. При турбулентном режиме движения
пленки массоперенос внутри нее становится в основном конвек-
тивным.
Уравнения для толщины пленки, стекающей по ненагретой
поверхности, приводятся ниже.
408
При ламинарном режиме с гладкой поверхностью толщина
пленки определяется по уравнению Нуссельта [397]*:
6 = Re1/s , (XXII—4)
При ламинарном режиме движения с волнистой поверхностью
для средней толщины пленки в уравнение (XXII—4) необходи-
мо ввести коэффициент [212]
3 = 0,8 < 1<у/з Re*/з. (XXII—5)
При турбулентном режиме движения средняя толщина плен-
ки [397] равна * 1
7> - т Re/ls, . (XXII—6)
где т — коэффициент пропорциональности, определяемый по
уравнению:
т = -J— f У/з. (XXII—7)
*''СК|!ИТ ' '
В рассматриваемой работе [397] ReKpHT = 400.
Отметим, что в соответствии с приведенными уравнениями
толщина пленки прямо пропорциональна кинетической вязкости
жидкости.
Обращенное течение жидкой пленки определяется услови-
ем [200]:
— > 1, (XXII—8)
(р' — р")
где g" — коэффициент трения газа (пара) о поверхность пленки.
Механизм обращенного течения жидкой пленки состоит в
следующем [452].
Ясно выраженные волны поднимаются на неодинаковом друг
от друга расстоянии. Пленка по всей длине трубки находится в
спокойном состоянии, так как амплитуда и форма отдельных
волн остаются практически неизменными. При уменьшении ско-
рости газовой фазы волны, которые до этого лишь частично ок-
ружали трубку и вначале были друг с другом перемешаны, на-
чинают подниматься по трубке в виде колец. При этом области
* Имеющиеся в опубликованных работах [200, 212, 366] уравнения легко
приводятся к уравнению (XXII—4) при допущении, что плотность газовой
фазы р" = 0. Это обоснованно, так как р"<р'.
1 В одной из работ [200] дается другое, более сложное, уравнение для
турбулентной пленки.
409
с явно выраженными волнами сменяются отрезками, на которых
поверхность пленки относительно гладкая. Отношение воз-
д
растает до 4. В переходной области волны перекатываются по
гладкой пленке, объединяются с идущими впереди волнами и
после определенного пути снова разделяются. Пленка при этом
находится в неспокойном состоянии. При сильном снижении
скорости газа и уменьшающейся скорости пленки волны стано-
вятся толще до тех пор, пока поверхностного натяжения для
удержания пленки не будет хватать. Жидкость тогда разбрыз-
гивается в газовый поток.
При обращенном течении пленки постоянство ее толщины не
соблюдается. Течение пленки обладает явно выраженным пуль-
сационным характером, который особенно хорошо наблюдается
при малых скоростях газа. При этом видно, как пленка, полу-
чившая некоторый импульс, начинает терять скорость и спол-
зать вниз, пока импульс газового потока вновь не сообщит ей
энергию для подъема.
Сказанное объясняет наличие двух областей (с различным
наклоном прямых в логарифмической системе координат) зави-
симости, описываемой уравнением [452]:
8*Re"3 =№'),
(XXII—9)
где
2£б3
б*= —-—- —безразмерная толщина пленки;
( и )
V— количество поднимающейся жидкости;
и — охват трубки.
Перегиб намечается при Re'^5.
В первой области уравнение для средней толщины пленки
имеет вид:
во второй области:
1,25-10< Г/3^2 У/а пщ'/з'
Re" L\ Й / .
0,915-10*
Re"
(XXII—10)
(XXII—11)
о —
Отметим, что выражения в квадратных скобках уравнений
(XXII—10) и (XXII—11) соответственно аналогичны уравнению
(XXII—4) или входят в уравнение (XXII—6) для толщины сте-
кающей пленки. В этом заключена определенная аналогия меж-
ду стекающей и восходящей пленками. Обращенное течение
пленки при Re'<C~5 рассматривается как докритическое, а при
Re'>~5 — как турбулентное [452]. Имеется другой подход к
410
отысканию средней толщины пленки при ее обращенном тече-
нии [182, 183]; тогда получается выражение через перепад дав-
ления, расходуемого на преодоление внутреннего трения в газе.
При наличии испарения состояние жидкостной пленки суще-
ственно изменяется. Когда пленка находится на обогреваемой
поверхности, то испаряющиеся частицы производят возмущение
пограничного слоя, создают неустойчивость движения, в слое
возникает турбулентность. Ламинарный слой вблизи от обтекае-
мой поверхности разрушается и образуется своеобразный тур-
булентно-диффузионный пограничный слой [143], степень турбу-
лизованности которого зависит от интенсивности испарения и
скорости потока. Все это приводит к тому, что критическое зна-
чение числа Рейнольдса становится примерно в 50 раз меньше,
чем при движении пленки без испарения жидкости.
ИСПАРЕНИЕ ИЗ ПЛЕНКИ
Испарение из пленки происходит в основном так же, как со
свободной поверхности. Специфика и интенсивность испарения
из пленки определяются ее гидродинамикой, рассмотренной
выше.
К основным преимуществам аппаратов пленочного типа от-
носятся [307] сравнительно высокая допустимая скорость паров
в аппарате, высокая производительность и малое гидравлическое
сопротивление.
Очень существенно для интенсивности испарения из пленки
наличие или отсутствие обогрева поверхности, на которой на-
ходится пленка.
Пленка на обогреваемой поверхности испаряется интенсив-
нее, чем на необогреваемой. Это является следствием не только
того, что поверхность является дополнительным (а чаще и ос-
новным) источником тепла для пленки, но и существенного из-
менения механизма массопереноса на обогреваемой поверхно-
сти — значительного повышения доли конвективного массопере-
носа в пленке, температура которой близка к точке кипения или
равна ей. Однако обогреваемая поверхность может оказывать
воздействие на превращения термолабильных веществ, содержа-
щихся в растительных маслах (госсипол, фосфатиды и др.).
Пленка на обогреваемой поверхности встречается главным об-
разом в аппаратах для предварительной дистилляции мисцел-
лы при обращенном движении жидкости.
Испарение из стекающей пленки на необогреваемой поверх-
ности в принципе менее интенсивно вследствие лишь односто-
роннего теплообмена (с паровой фазой) и меньшей турбулент-
ности такой пленки. Стекающая пленка применяется лишь для
Удаления небольших количеств растворителя в аппаратах для
окончательной дистилляции мисцеллы.
411
?•
Состав и скорость движения паровой (газовой) фазы при
испарении из пленки могут оказывать большое влияние на эф-
фективность процесса потому, что от скорости движения этой
фазы зависят, во-первых, сам характер движения пленки — сте-
кание или подъем (обращенное движение), во-вторых, — вели-
чина межфазного сопротивления и состояние поверхности плен-
ки. Наконец, состав паровой (газовой) фазы оказывает непо-
средственное влияние на движущую силу процесса — разность
концентраций (парциальных давлений) на поверхности пленки
и в ядре потока, что особенно важно при больших диффузион-
ных сопротивлениях в указанной фазе.
При обращенном течении пленки от величины скорости дви-
жения паровой (газовой) фазы зависит не только интенсивность
массопереноса, но и производительность аппарата. Это также в
определенной, но меньшей степени, справедливо для процессов
со стекающей пленкой.
Испарение растворителя из мисцеллы (повышение ее кон-
центрации) приводит к увеличению поверхностного натяжения,
что стабилизирует жидкую пленку [461, 505]. Это вытекает так-
же и из динамического рассмотрения вопроса [212], согласно
которому турбулентные пульсации гасятся капиллярным давле-
нием — , где К — размер области затухания турбулентности
X
у свободной поверхности пленки. Указанное обстоятельство мо-
жет быть одной из причин уменьшения интенсивности отгонки
растворителя в пленке с ростом концентрации мисцеллы.
Др" О'т v'
р"ш"2 ’ I'2 ’ Г'2 ’ D’ ’ D" ’
K" MiPa ps Рк jk A = g
K' AlpPp pp рн -2 J
(XXII—12)
Для газовой фазы в качестве геометрического параметра мо-
жет быть принят диаметр аппарата или приведенный диаметр,
равный диаметру круга, площадь которого равна свободной пло-
щади поперечного сечения аппарата. В случаях, когда дистил-
ляция происходит в трубках (предварительные дистилляторы
линии НД-1250, Де-Смета и др.), в качестве I" целесообразно
принять их внутренний диаметр.
Уравнение (XXII—12) можно упростить следующим обра-
зом. В качестве характеристик влияния гидродинамики течения
пленки на интенсивность массопереноса оставим критерии Рей-
нольдса Аи Фруда А-. Последний характерен, поскольку дей-
gb
ствие силы тяжести на пленку всегда существенно. Из крите-
риев Рейнольдса и Фруда можно получить критерий Галилея,
иногда применяемый для анализа и расчета пленочной дистил-
ляции [306, 307].
Критерии Эйлера - А2- и гидродинамической гомохронности
_ p'w'
w'v
— для жидкой пленки являются чисто гидродинамическими
6
ОБЩИЕ УРАВНЕНИЯ
Обобщенное уравнение для дистилляции в пленке может
быть получено из уравнения для распылительной дистилляции,
откуда необходимо исключить критерии подобия, специфичные
для операций дробления струй и капель при распылении жидко-
сти и факторы межфазной турбулентности, специфичные для
распыления перегретых жидкостей. В остальном состав перво-
начального уравнения по критериям и симплексам подобия оста-
ется без изменения, потому что явления массопереноса и гидро-
динамики, частично явления на границе раздела фаз и состав
газовой фазы будут описываться такими же уравнениями, как и
в случае распылительной дистилляции. С учетом сказанного пер-
воначальная зависимость будет иметь следующий вид (в каче-
стве геометрического параметра для жидкостной пленки прини-
мается ее средняя толщина):
критериями, поэтому из рассмотрения явлений массопереноса
они могут быть исключены. Это же можно сказать и о крите-
риях Эйлера, гидродинамической гомохронности и Фруда для
газовой фазы.
Критерии чисто молекулярного массопереноса—Фурье—для
жидкой
б2
D"-
и газовой —s
фаз не могут быть исключены без
эксперимента, так как при течении пленки и газа (пара) моле-
кулярным переносом пренебречь нельзя.
Приведенные соображения позволяют упростить уравне-
ние (XXII—12):
ш'6
о
Ар'
р' ш/2
w”l"
w"2
Si" ’
w"x
~1'Г’
и/о w' w'2 w"l” D’~ D"t
< ’ A7’ ’ T2 ’
___ К” мара ps pk дк
D' ’ D" ’ K' ’ MvPp ’ Pp ’ p; s2
413
= 0. (XXII—13)
412
В этом уравнении так же, как и в уравнении для распыли-
те
, отношение — является
К'
К"
и — ->оо получим уравнение массо-
переноса для жидкой фазы:
тельной дистилляции (см. главу XXI)
формой критерия Био. Пр
wr
IF'
w’2
&
D'z
В2
v'
D' ’
' 2 \
Ma£a_j jVk_] = 0. (XXII—14)
TWpPp Pp pH J
При
К"
К'
->0
уравнение
массопереноса для
газовой фазы бу-
дет иметь следующий вид:
f(aK, — , —, ^ = 0. (XXII—15)
\ у" I"1 D" МрРр) ’
При дистилляции без острого пара (инертного газа) в слу-
чаях, когда молекулярный массоперенос не играет существен-
ной роли, из уравнения (XXII—15) получается уравнение, очень
часто применяемое для обработки опытных данных1:
jf (ак, Re", Рг") = 0. (XXII—16)
Нет оснований включать в уравнения (XXII—15) или
(XXII—16) факторы межфазной турбулентности из уравнения
(XXII—13). В самом деле, роль симплекса —_ ограничена вол-
ей"
нообразованием на поверхности жидкой пленки и распростра-
няется лишь на область газовой фазы, непосредственно примы-
‘ 2
кающую к жидкой. Факторы и р* к. характеризуют турбу-
Рр Рн
лизацию лишь поверхности жидкой пленки.
Сравнение полученных уравнений с соответствующими урав-
нениями для распылительной дистилляции (см. главу XXI) по-
казывает, что пленочная дистилляция не обладает рядом факто-
ров межфазной и внутрифазной турбулентности, которые прису-
щи дистилляции распылением. Это позволяет сделать принци-
1 Из рассмотрения массопереноса через границу раздела фаз легко по-
лучить диффузионный критерий Нуссельта Nu", который обычно в уравнении
(XXII—16) стоит вместо ак. Отметим, что путь получения расчетных формул
из уравнений (XXII—13) — (XXII—16) такой же, как и для распылительной
дистилляции (см. стр. 394).
414
пиальный вывод, что пленочная дистилляция является менее ин-
тенсивным процессом массопереноса, чем дистилляция распыле-
нием перегретых жидкостей.
Вопрос о доле сопротивления жидкой и паровой (газовой)
фаз при пленочной дистилляции мисцеллы еще неясен. Можно
предполагать, что по мере увеличения концентрации мисцеллы в
связи с ростом ее вязкости будет увеличиваться сопротивление
жидкой фазы. Действительно, для дистилляции в стекающей
пленке было показано [307], что сопротивление жидкой фазы су-
щественно в области v'>0,8 спз и Re'<%150. Указанная вязкость
наблюдается уже при концентрации мисцеллы 35—45% по мас-
се. Простым расчетом легко показать, что значения критерия
Re' в окончательных дистилляторах линий ДС составляют ве-
личину порядка 10 4, т. е. намного меньше, чем даже при воз-
никновении волнообразования на поверхности пленки, не говоря
уже о нарушении ламинарного режима ее движения. В пользу
большего сопротивления жидкой фазы при пленочной дистилля-
ции мисцеллы говорит распределение сопротивлений между фа-
зами при распылительной дистилляции — процессе с большей
турбулентностью жидкой фазы (см. главу XXI).
Все сказанное позволяет считать, что при дистилляции мис-
целлы с исходной концентрацией 80% и выше в стекающей
пленке в аппаратах типа ДС основное сопротивление сосредото-
чено в жидкой фазе. Для таких аппаратов нами получено при-
ближенное расчетное уравнение:
ак = 0,92 + 0,036 PQ0’06 №Lf058 ^°'°065 Х
\ D' J \ Мррр / \ рр )
(XXII—17)
Для других условий пленочной дистилляции мисцеллы во-
прос о фазе с основным сопротивлением массопереносу должен
быть дополнительно изучен.
Из уравнения (XXII—17) видно, что основными факторами,
определяющими эффективность дистилляции мисцеллы в сте-
кающей пленке в окончательных дистилляторах типа ДС, явля-
ются ее физические свойства ^7^» величина расхода острого
\ О ( Рч \
—, поперечный массоперенос ( — и интенсивность
Л4ррр / , \ Рр)
(Рк \
—7~т I •
Рн % ‘
415
ДИСТИЛЛЯЦИЯ В ПОДНИМАЮЩЕЙСЯ ПЛЕНКЕ
Аппараты для дистилляции мисцеллы в поднимающейся
пленке работают в однопроходном режиме и в режиме цирку-
ляции [34] — соответственно, например, предварительный дистил-
лятор (аппарат Кестнера) линии НД-1250 и вторая ступень ди-
стилляции линий ДС-70 и ДС-130. Нам не известны примеры
применения аппаратов с поднимающейся пленкой на стадии
окончательной дистилляции. Остановимся вначале на однопро-
ходном режиме *.
Производительность дистиллятора может повышаться до оп-
ределенного предела (до 150% от номинальной) без большого
снижения концентрации конечной мисцеллы [34]. С увеличением
производительности несколько снижается температурный уро-
вень процесса (падает температура на входе и выходе). Отме-
тим, что температура мисцеллы на входе в аппарат значительно
выше температуры поступающей мисцеллы (в рассматриваемой
работе 15—20 °C) и в отдельных случаях достигает 120—130 °C,
несмотря на общую направленность потока снизу вверх. В ос-
нове этого явления лежит естественная циркуляция мисцеллы
внутри трубок [34].
Дистилляция под вакуумом, что пока еще не находит широ-
кого применения в промышленности при однопроходном режи-
ме работы аппарата, значительно повышает концентрацию от-
ходящей мисцеллы и снижает температурный уровень процесса
в основном за счет снижения температуры на входе. Такая же
картина наблюдается и при повышенной (против номинальной
до 150%) производительности аппарата [34].
Как было экспериментально показано [34], при дистилляции
без вакуума оптимальный уровень давления (избыточного) гре-
ющего пара составляет приблизительно 2 ат, а при дистилля-
ции под вакуумом — 400 и 575 мм рт. ст. — снижается до 1 ат.
Эти уровни определяются замедлением роста концентрации от-
ходящей мисцеллы в условиях продолжающегося заметного по-
вышения ее температуры.
В условиях режима циркуляции возможен значительный
рост производительности без существенного снижения концент-
рации конечной мисцеллы (табл. 31). Эта закономерность сохра-
няется и при более глубоком вакууме — 575 мм рт. ст. [34].
Рост глубины вакуума при циркуляции мисцеллы в целом
приводит к повышению концентрации конечной мисцеллы, одна-
1 Опытные данные по предварительной дистилляции мисцеллы подсол-
нечное масло — легкокипящий экстракционный бензин в поднимающейся плен-
ке получены на камеральной установке по типу линии ДС-70 в >/4 величины
производственного аппарата. Исходная концентрация по маслу для однопро-
ходного режима 13,40—16,24% по массе, для режима циркуляции — 37,83—
42.30%.
416
ко это повышение незначительно после 450 мм рт. ст. Отметим,
что увеличение глубины вакуума в реальных условиях процесса
не приводит к заметному снижению температурного уровня про-
цесса [52]. В этих условиях процесс как бы исчерпывает себя.
Установленное оптимальное значение вакуума — 450 мм рт. ст.—
является обоснованием заводского режима работы второй сту-
пени дистилляции линий ДС-70 и ДС-130.
Таблица 31
Результаты предварительной дистилляции мисцеллы в поднимающейся пленке
под вакуумом 450 мм рт. ст. при различной производительности
(режим циркуляции)1
Давление Производитель- ность по исход- ной мисцилле, мл! мин Концентрация конечной мис- целлы, % по массе Температура мисцеллы, °C
греющего па- ра (избыточ- ное), ат на входе в | на выходе из аппарат трубчатки аппа- рата
250 93,78 98 105
1 450 97,14 95 105
850 94,71 87 97
1400 95,92 80 86
250 98,67 120 123
450 97,41 100 107
2 850 97,21 99 108
1400 95,85 90 97
250 98,70 129 134
450 98,14 125 131
3 850 97,54 103 113
1400 96,50 99 ПО
250 98,78 134 141
450 97,73 132 138
4 850 98,19 121 130
1400 97,65 111 119
1 Данные таблицы получены при дистилляции под вакуумом (450 мм рт.
ст.), соответствующим работе линии ДС-70. В режиме циркуляции произво-
дительность 400 — 450 мл/мин при исходной концентрации я: 40 % по массе
соответствует номинальной.
При дистилляции под вакуумом повышение давления грею-
щего пара не сопровождается заметным увеличением концент-
рации мисцеллы, но вызывает значительный рост температуры
дистилляции. Вообще и в заводских условиях температура пред-
варительной дистилляции при работе аппарата в режиме цирку-
ляции довольно высока — около 120 °C [52]. Только в условиях
14 В. В. Белобородов 417
дистилляции без вакуума рост давления греющего пара приво-
дит к заметному увеличению концентрации конечной мисцеллы,
однако, такие условия не характерны для режима циркуляции.
ДИСТИЛЛЯЦИЯ В СТЕКАЮЩЕЙ ПЛЕНКЕ
Рассмотрим влияние основных факторов на эффективность
дистилляции в токе водяного пара. Из имеющихся данных [36]
воспользуемся наиболее характерными для окончательной дис-
тилляции в линиях ДС-70 и ДС-130, т. е. рассмотрим закономер-
Рис. 150. Зависимость остаточного содержания бензина в
масле (1, 2, 3) и удельной нагрузки дистиллятора по от-
гоняемому бензину (4) от производительности по мисцелле:
номинальная производительность 150 г)мин;
температура отходящего масла /масла=Ю0 °C; температура
острого пара /н2О = 150°С;
общий расход острого пара Gilo (сумма подач во внут-
реннюю труб)' и барботер) в г!мин:
/—75; 2—100; 3 — 150; 4 — 75, 100, 150.
ности при концентрации исходной мисцеллы по растворителю
Хисх=2°/о по массе, за исключением тех случаев, когда изучае-
мой величиной является хИсх-
Рост производительности дистиллятора до предела, почти в
два раза превышающего номинальную производительность, не
сопровождается увеличением остатка бензина в масле (рис. 150).
Однако удельная нагрузка по отгоняемому бензину существенно
увеличивается, что естественно при росте производительности и
приблизительно постоянном остатке бензина в масле.
Как видно из рис. 151, заметное влияние исходной концент-
рации отмечается при исходном содержании бензина 10% и
больше. При меньшем исходном содержании бензина значение
418
этого фактора невелико, т. е. небольшие изменения концентра-
ции исходной мисцеллы, которые могут встречаться в производ-
стве, не могут существенно повлиять на эффективность процес-
са. Однако содержание бензина в исходной мисцелле должно
быть минимальным для обеспечения устойчивой работы окон-
чательного дистиллятора, что согласуется с данными и завод-
ских опытов [52].
Рис. 151. Зависимость остатка бензина
в масле от содержания бензина в ис-
ходной мисцелле; дистилляция под ва-
куумом 500 мм рт. ст. при номиналь-
ной производительности; /масла =
= 100 °C; Й12О = 150°С;
Gh3o в г) мин:
/ — 50; 2 — 75; 3—100; 4 — 150.
На рис. 152 показано влияние на эффективность процесса
расхода острого пара | отношения Сно). При различных усло-
\ Go /
виях дистилляции (температура отходящего масла, острого па-
ра и глубина вакуума) характер кривых один и тот же: с уве-
GH п
личением отношения ___ „ наклон кривых падает, а при опре-
Go
GH Q
деленном критическом значении кривые становятся прак-
Об
тически параллельными оси абсцисс. Так же как и при распы-
лительной дистилляции, эта зависимость имеет затухающий ха-
рактер, а критическое значение . °Нг0 зависит от конкретных ус-
Go
ловий ведения процесса. Увеличение расхода острого пара вы-
ше некоторой величины, соответствующей критическому значе-
Q
нию - 1ГО_, нецелесообразно. Из этого же рисунка следует, что
Gq
влияние вакуума остается заметным даже при больших значе-
Q
ниях отношений . Hj0 .
Gg
Температура острого пара при ее изменении в практически
важных пределах (150—200 °C) оказывает существенное влия-
14* 419
ние на эффективность процесса при его ведении под атмосфер-
ным давлением: чем выше температура острого пара, тем ниже
остаток бензина в масле. При дистилляции под вакуумом роль
температуры острого пара в указанных пределах ее изменения
нивелируется и лишь при большом содержании бензина в исход-
ной мисцелле и малых расходах острого пара остается замет-
ной [36].
%
Рис. 152. Зависимость остаточного содержания бензина в масле от соот-
0н2о
ношения —-—:
Об
/-Сяс,а= 100°C;ZHO = 150 °C; вакуум 0 мм рт. ст.-, 2~*масла = 120 °C; ?HtO“ 15° "С;
вакуум 500 мм рт. ст.; 3-Сасла= 120 °C; ^0=150 °C; вакуум 0 мм рт. ст.-, 4-
t ,. .100 °C: /[| О-°|;5С' ”С; вакуум 500 мм рт. ст.; 5 — t„aCJia - 120 °C; Щ.о -200 С'
вакуум 0 ям рт.'ст.; 6-Чиасла - 120 °C; = 200 °C; вакуум 500 мм рт. ст.; 7
Z асла = 135 °C; /н„о “ 150 °C; вакуум 500 мм рт. ст.; 8- /масла - 135 °C; '°Н2О—
“ ' ' = 150 °C; вакуум 0 мм рт. ст.
Данные опытов по дистилляции при различной температуре
отходящего масла приведены в табл. 32.
Таблица 32
Результаты окончательной дистилляции мисцеллы в стекающей пленке под
вакуумом 500 мм рт. ст. при различной температуре отходящего масла
^н2о. хкон, % йн2о, ^масла. Й12О, А'кон, %
г/мин град град по массе г! мин град град по массе
0 98 0,35 80 131 158 0,18
о 121 0,15 95 99 148 0,39
0 132 0,31 97 132 154 0,14
45 104 148 0,26 145 108 165 0,17
50 120 144 0,13 160 121 154 0,19
50 130 146 0,20 165 130 154 0,12
75 102 151 0,27 250 НО 160 0,11
70 118 146 0,13 250 130 150 0,14
420
Как видно из таблицы, при малых абсолютных значениях
остатка бензина в масле (порядка нескольких десятых долей
процента) влияние температуры отходящего масла не очень за-
метно. При абсолютных значениях остатка бензина порядка
нескольких процентов влияние температуры масла большое [36],
но такие условия не характерны для заводской дистилляции.
Для удаления последних десятых долей процента бензина из
масла при дистилляции мисцеллы в стекающей пленке так же,
как и при распылительной окончательной дистилляции, нецеле-
сообразно сильно повышать температуру отходящего масла.
Окончательная дистилляция мисцеллы в стекающей пленке
(на необогреваемой поверхности), характеризуется снижением
температуры в ходе процесса [52], т. е. температура масла на
выходе из аппарата ниже температуры мисцеллы на входе (дру-
гие способы дистилляции обычно отличаются обратным соотно-
шением). В основе этого лежит тот факт, что в силу малых ис-
ходных содержаний бензина в мисцелле процесс протекает в
периоде испарения под вакуумом. Мисцелла охлаждается за
счет испарения растворителями, а теплообмен между стекаю-
щей пленкой и острым паром недостаточен для компенсации
этого расхода тепла.
Пример расчета. В окончательном дистилляторе линии ДС-70 отгоняется
бензин из подсолнечной мисцеллы.
Исходные данные: концентрация мисцеллы 90% по массе; темпе-
ратура 100 °C; глубина вакуума 500 мм рт. ст.; температура масла на выходе
Ga
из дистиллятора 105 °C; соотношение ~—=4,8; растворитель^экстракционный
Ор
бензин (ГОСТ 462—51). Определить величину остатка бензина в масле, сте-
кающем с пластин дистиллятора (поступающем в барботируемый слой).
Решение. Расчетным является уравнение (XXII—17).
1. Величины v', D' и ps берем при средних значениях концентрации и
температуры мисцеллы.
Концентрация мисцеллы на выходе принимается равной 100%, тогда
= 95 % ;
Zcp = 102,5 °C.
2. Величина v' берется из опытных данных [30]
•/ = 0,0614 см1; сек.
3. Коэффициент диффузии при 20 °C D=0,68- 10-5 с.и2/сек (см. главу IV).
При 102,5 °C коэффициент диффузии получается по известной формуле [17]
D' = D
= 0,68-10~5
375,7-0,42
293,2 0,25
= 1,47-10—5 см^сек.
Вязкость растворителя при 20°C (293,2°К)п и 102,5°C (375,7 °К)ц' при-
нята по опытным данным [30].
4. Остаточное общее давление в дистилляторе.
760 — 500
Робш. — ygg — 0,342 am.
421
Парциальное давление паров бензина рассчитывается по формуле
0,342 _
Рр = оПэ------= °’013°ат-
x + ! + ПГ'4'8
Парциальное давление паров воды равно
Ра = Робш — Рр = 0,342 — 0,0135 = 0,328 ат.
5. Величина ps рассчитывается по уравнению (IV—19)
ps = 10°.77+0,00945-102,5 . 5 = 273 мм рт. ст. = 0,360 ат.
6. Плотность исходной мисцеллы получаем из закона аддитивности рн =
= 0,847 г;см\ плотность масла при 105 °C рк =0,867 г/см?.
7. Поверхностное натяжение исходной мисцеллы и масла рассчитываем
по формулам (IV—13) и (IV—6):
5„= О,415-9О0,93—(0,089 — 0,000269-90)-100 = 24,60 б«н/с.и;
ск = 34,5-0,062-105 = 28,0 дан/см-
8. По уравнению (XXII—17) рассчитываем ан:
п п 0.0614 \ 0.06 / 18-0,328 \0’058 ч/
ак = 0,92 -р 0,03о -----------) (------------1 X
\ 1,47-10—5 / \91,19-0,0135/
v / 0,360 \о,0065 / 0,867-28,0 \—0,014
• - z <0,0135/ \ 0,847-24^60/
= 0,986,
Таким образом, в масле остается приблизительно
зин отгоняется при обработке масла острым паром
перед выходом масла из дистиллятора.
1,4% бензина. Этот бен-
в слое непосредственно
Глава ХХ111. ДИСТИЛЛЯЦИЯ В СЛОЕ
ГИДРОДИНАМИКА БАРБОТАЖА
Барботаж — прохождение пара или газа через слой жидко-
сти — в той или иной мере представлен в большинстве аппара-
тов для окончательной дистилляции мисцеллы. Сравнительно
редко барботаж встречается на промежуточных и тем более на
предварительной стадиях процесса. Барботирующим агентом
при дистилляции мисцеллы является водяной пар, как правило,
перегретый. Вопрос об использовании для этих целей инертного
газа пока еще находится в состоянии изучения {28].
В установках для дистилляции мисцеллы барботаж осущест-
вляется почти исключительно либо при помощи трубок с отвер-
стиями (барботеров), либо на колпачковых тарелках. В новей-
ших типах дистилляционных установок колпачковые тарелки
встречаются редко.
422
Рассмотрим прохождение через слой жидкости единичных
пузырьков пара (газа) и их массового потока.
После отрыва пузырька от отверстия скорость его возраста-
ет до некоторой постоянной величины, причем длительность
ускоренного движения чрезвычайно мала [203]. Пузырьки боль-
шого объема (сфероиды), всплывая, деформируются. При всплы-
вании в жидкости, находящейся в спокойном состоянии, на внут-
ренней поверхности сфероидов
образуется монослой ориентиро-
ванных молекул, ориентирую-
щее влияние которых распрост-
раняется и на некоторое рас-
стояние внутрь жидкости [204].
Такая модель соответствует дву-
пленочной теории, справедливой
для неинтенсифицированных
процессов.
При некотором объеме пузы-
рек сохраняет форму шара. Если
объем увеличивается, форма
сфероида определяется резуль-
тативным действием капилляр-
ных, гидродинамических и гра-
витационных сил (подъемной си-
лой), причем основная роль при-
надлежит последним [204]. На
рис. 153 показано, как изменяет-
ся форма пузыря в зависимости
от его объема [203].
Общая картина всплывания
единичных пузырьков жидкости
представляет собой совокупность
трех одновременно действующих
взаимосопряженных материальны
пузырьков и жидкости, направленного вверх; потока жидкости,
направленного вниз; потока всплывающих пузырьков в парал-
лельном потоке смеси, направленного вверх. Таким образом,
уже при барботировании большого количества единичных пу-
зырьков слой интенсивно перемешивается. Более детальное рас-
смотрение механизма показывает [1, 2], что основная масса
жидкости переносится вверх в промежутках между соседними
по вертикали пузырьками, а вниз жидкость стекает в пленках,
разделяющих смежные цепочки пузырьков. Взаимная зависи-
мость между скоростями трех потоков следующая [269]:
7
Рис. 153. Изменение формы пузы-
ря (всплывание воздушных пузы-
рей в воде) в зависимости от его
объема в см3:
1—0,01- 2 — 0,095 : 3 — 0,15: 4 — 0,28,
5 — 0,5- 5—1,0- 7—1,43; 5 — 2.5; 9 —
4,0; 10 — 13,3; 11 — 20,0; 12 — >20,0.
потоков [268]: потока смеси
t^CM
= -----—---
^ж
I WCM
(XXIII—1)
423
где о»ж — скорость нисходящего потока жидкости;
ДОсм — скорость восходящего потока смеси;
w? — скорость потока всплывающих пузырьков.
При относительно низкой скорости газового потока отверстия
в горизонтальной плоскости в основном формируют простые
«статические» пузырьки, объем которых пропорционален по-
верхностному натяжению и радиусу отверстий и не зависит от
скорости газового потока (408]. При больших скоростях газового
потока частота образования пузырьков становится высокой, а
объем пузырька пропорционален скорости потока газа и не за-
висит от поверхностного натяжения. Для каждой величины от-
верстия частота образования пузырьков достигает максимума,
а при определенной скорости газового потока последовательные
пузырьки соединяются. Интересно, что размеры барботажных
отверстий влияют на эффективность перемешивания лишь при
небольших скоростях газа [89]. С увеличением скорости газа
роль размера отверстий уменьшается.
При некоторой критической скорости смеси (доСм)кр режим
свободного всплывания единичных пузырьков переходит в сме-
шанный, который характерен чередованием режима свободного
всплывания и режима сплошной струи. При критической скоро-
сти газового потока (twr)Kp устанавливается режим сплошной
струи, причем при этом действуют три сплошных потока: поток
газа и расположенные вокруг него потоки восходящей и нисхо-
дящей жидкости. Очень важно то, что при больших слоях
жидкости смена режимов наступает разновременно [269], т. е.
в подобных случаях на разных высотах слоя смеси устанавли-
ваются различные гидродинамические режимы.
В каждый данный момент при постоянной скорости газового
потока в слое имеется три зоны: зона барботажа, зона пены и
зона брызг [302]. Зона пены существует даже при малых ско-
ростях газа,что связано с недостаточной кинетической энергией
всплывающих пузырьков газа для преодоления прочности по-
верхностной пленки, особенно адсорбционного слоя поверхност-
но-активных веществ, если они есть в растворе. Образующаяся
пена имеет малоподвижную ячеистую структуру, напоминаю-
щую соты. При увеличении скорости газа возникает динамиче-
ски подвижная пена, в которой процесс тепло- и массопереноса
протекает наиболее интенсивно. Эта пена представляет собой
взвешенный слой, состоящий из пленок и струй жидкости, тес-
но перемешанных с пузырьками и струями газа.
По мере увеличения скорости пропускания газа (пара) через
жидкость условно можно отметить возникновение трех различ-
ных режимов [301]:
собственно барботаж, характерный тем, что большую часть
объема дисперсной системы занимает жидкость;
424
пенный режим, при котором большую часть объема дисперс-
ной системы занимает газ (пар);
режим брызг, характерный тем, что жидкость взвешена в га-
зовой фазе в форме брызг различной степени дисперсности,
причем все брызги, или значительная часть их, уносятся из
данного объема с потоком газа.
. В режиме барботажа, по существу, представлены все три
режима, но доминирующим является первый. Это же можно
сказать и о пенном режиме, при котором все-таки остается не-
большой барботажный слой и незначительное количество жидко-
сти находится в виде брызг. В этом заключается условность при-
веденного деления.
В одной из работ [327] в общем аналогичные режимы барбо-
тажа названы соответственно пузырьковым, пенным и струйным,
там же математически сформулированы условия перехода от
одного режима к другому.
Повышение стабильности пены отрицательно сказывается на
интенсивности массопереноса, так как при этом задерживается
обновление диффузионных слоев. Но, с другой стороны, при
очень подвижной пене может наступить снижение интенсивно-
сти процесса из-за очень малого времени существования пузырь-
ков [303].
Определяющими параметрами режима взаимодействия слоя
жидкости с газом (паром) обычно принято считать высоту га-
зо-жидкостного слоя Н (или плотность его, величину, обратную
Н) и гидравлическое сопротивление Ар. Предлагается [302] из
эксперимента определять следующую зависимость:
# = Ш г> йп> Sc, рк, рж, а) (XXIII—2)
или
Др = f2 (wr, i, hn, Sc, Рж, рж, а), (XXIII—3)
где wr — скорость газа (пара);
i — интенсивность потока жидкости;
/гп— высота сливного порога тарелки (высота перели-
ва слоя);
Sc — площадь сливного отверстия;
[1Ж — вязкость жидкости;
рж — плотность жидкости;
о — поверхностное натяжение на границе жидкости с
газом (паром).
Имеются указания [1, 2], что на величину Н влияет отноше-
ние вязкости жидкости к поверхностному натяжению, а не зна-
чения каждой из этих величин в отдельности.
С гидродинамикой барботажа можно подробнее ознакомить-
ся по хорошо систематизированному обзору исследований в
этой области [341].
425
КИНЕТИКА НАСЫЩЕНИЯ
При прохождении пузырьков пара (газа) через мисцеллу они
насыщаются паром растворителя. Отношение
ср = , (XXIII—4)
Ps
где р— действительное парциальное давление паров
растворителя;
ps—парциальное давление паров растворителя в
" состоянии равновесия с раствором данной кон-
центрации при той же температуре (состояние
насыщения),
носит название коэффициента насыщения Ч
Величина ф характеризует степень использования пара (га-
за) в данных условиях дистилляции. При ф=1 насыщение пол-
ное, и дальнейший контакт пара (газа) с мисцеллой бесполезен,
если только острый пар (газ) не является одновременно и пере-
датчиком тепла.
Коэффициент ф входит в известное уравнение для определе-
ния расхода острого пара:
GB = Gp , (XXIII—5)
РрМрф
' Gp—количество отгоняемого растворителя;
Мв, Л4Р — молекулярная масса соответственно воды и рас-
творителя;
Рв, Ро — парциальное давление соответственно паров во-
ды и растворителя.
Простейшее выражение для ф было получено [392] на базе
двупленочной теории, т. е. в условиях малоинтенсивного взаимо-
действия пара (газа) с жидкостью. Исходным является уравне-
ние массопереноса для паровой (газовой) фазы:
± = kA(ps~p), (XXIII—6)
а~.
где т — продолжительность контакта фаз;
k — коэффициент диффузии в паре (газе);
А — поверхность пузыря.
Разделение переменных и интегрирование этого уравнения
дает:
Akz = In (-i-5), (XXIII—7)
V — ?/
1 Необходимо подчеркнуть, что ps — давление пара над раствором, но не
над чистым растворителем. Именно такое понимание ps было дано в 1930 г.
в первой работе по определению <р [399].
426
откуда получаем
?==1 — e~/kz. (XXIII-8)
Для коэффициента ср чисто эмпирически было получено дру-
гое выражение [399]:
<Р = 1— е D, (XXIII—9)
где ki — опытная константа, величина которой определяется
скоростью диффузии паров растворителя;
L — высота жидкости,-через которую проходит пар (газ);
D — диаметр отверстий барботера для пара (газа).
В соответствии с уравнениями (XXIII—8) и (XXIII—9) ко-
эффициент насыщения тем больше, чем выше скорость диффу-
зии пара растворителя, больше время контакта фаз или высота
барботажа. Однако между этими уравнениями имеется кажуще-
еся противоречие: в соответствии с уравнением (XXIII—8) при
увеличении размера пузыря (увеличении Л) ср возрастает, а в
соответствии с уравнением (XXIII—9) —уменьшается (размер
пузыря пропорционален диаметру отверстий барботера). На са-
мом деле, как было показано [481], более точным является сле-
дующее уравнение:
<р = 1— е v , (XXIII—10)
где /г2 — некоторая константа, равная kV;
V — объем пузыря.
Поскольку Л = г/2 (где d— диаметр пузыря), a V=D3, то
уравнение (XXIII—10) согласуется с уравнением (XXIII—9) и
в то же время с уравнением (XXIII—8). Таким образом, в
принципе увеличение диаметра пузыря приводит к уменьшению
коэффициента насыщения. Исходя из этого, можно заключить,
что в условиях спокойного всплывания пузырьков в мисцелле
эффективность использования острого пара будет повышаться
с уменьшением диаметра отверстий барботера.
Полученное уравнение (XXIII—10) не является строгим, так
как при всплывании пузыря давление в нем уменьшается вслед-
ствие уменьшения гидростатического давления столба жидкости,
а объем пузыря увеличивается из-за снижения гидростатиче-
ского давления и обогащения его парами растворителя [481].
При допущении, что пузырь сохраняет форму шара, эти явления
учтены в уравнении [480, 481]:
<р=--------, (XXIII—11)
(1 + Р-е) Р
где — количество молей растворителя, отогнанного од-
ним молем острого пара;
427
р=-------безразмерное соотношение (имеет вспомогатель-
Р
ное значение);
р' — парциальное давление паров растворителя над
жидкостью;
р — общее давление над жидкостью.
С учетом указанных явлений основное дифференциальное
уравнение перегонки с водяным паром имеет следующий
вид [481]:
(XXIII—12) •
rfy \ Y / k 1 + fi /
(p~\~Ph)
где -------------соотношение между давлением в пузырьке и
’ на поверхности жидкости;
р — плотность жидкости (точнее, смеси жидкости
с паром);
h —высота столба жидкости над пузырем;
р, — отношение числа молей отгоняемого раство-
рителя к числу молей острого пара;
Н — безразмерный коэффициент, являющийся
функцией ряда параметров (давления над
жидкостью, плотности жидкости, диаметра
пузырьков, поверхностного натяжения и др.).
Величина у является функцией высоты барботажа. Поэтому,
по существу, уравнение (XXIII—12) является характеристикой
изменения р, с высотой слоя жидкости над всплывающим паро-
вым пузырем. Интегрирование его в пределах от у=1 (поверх-
ность слоя жидкости) до у0= ' , где h0— глубина погру-
Р
жения барботера, дает значение
Теоретический анализ интегральной формы уравнения
(XXIII—12) показывает [480, 481], что полное насыщение пу-
зырька растворителем не достигается при любой высоте слоя
жидкости, поскольку условия такого насыщения изменяются
быстрее, чем скорость испарения растворителя вследствие
уменьшения давления в пузыре при его подъеме. Однако мак-
симальное насыщение устанавливается сравнительно быстро
(рис. 154) *. Из рис. 154, где кривые построены на основе ин-
тегрирования уравнения (XXIII—12) [480, 481], видно, что мак-
симальная эффективность при р = 0,1 отвечает значению у0 =
= 1,5. Это соответствует глубине погружения барботера прибли-
зительно на 60 см, что встречается в практике.
* На рис. 154 принято, что //=10. Как показали опыты на мисцелле
оливковое масло — бензол (содержание бензола изменялось в пределах 3—
6% по массе), величина И изменяется от 5 до 20 [481].
428
Приведенные уравнения для коэффициента насыщения оста-
ются действительными лишь в условиях малоинтенсивного
взаимодействия паровой (газовой) и жидкой фаз. По-видимому,
в какой-то мере они описывают кинетику насыщения три бар-
ботажном (пузырьковом) режиме движения пара (газа) через
слой жидкости. Для пенного режима и режима брызг еще нет
аналитических решений, в связи с большой сложностью этих
Рис. 154. Зависимость количества удаляе-
мого растворителя от глубины погружения
барботера (параметра уо)-
процессов. Уравнения для коэффициента насыщения были полу-
чены [327] на основе подобного преобразования соответствую-
щих дифференциальных уравнений. Конечные безразмерные со-
отношения имеют следующий вид1:
для пенного режима
(р= 1,17 Fr—0,12
МрРр SA \о,23/Da 0,48
MEpB J \ / \ Hq /
(XXIII—13)
для режима брызг:
Ф = 5,52РГ°’48
МрРр
SA
So
’-° (Da
\ h0
-2,3
(XXIII—14)
где Fr=--------критерий Фруда;
gd
w — скорость движения паровой или газовой фазы;
d —диаметр отверстий барботера;
1 Для барботажного (пузырькового) режима <р = 1,0 [327]. В соответ-
ствии с изложенной выше кинетикой насыщения такое значение для <р мож-
но рассматривать лишь как первое грубое приближение.
429
g—ускорение силы тяжести; т
Sa —площадь поперечного сечения аппарата;
So —площадь сечения отверстий для ввода пара;
Da—диаметр аппарата или диаметр области влияния
вводимого пара;
h0 — минимальная высота столба жидкости, начиная
от которой высота слоя жидкости не оказывает
заметного влияния на коэффициент насыщения.
Существование различных режимов определяется приведен-
ными ниже неравенствами.
Пузырьковый режим:
_0,I2f МрРр \-°'l25(SA \0.28 /Оа 4-0,48
1 г к МЕрв / к -So ) Uo / > ’
(XXIII—15)
Пенный режим:
-0, !2/МрРр\-0.125 /SA X 0,28 /^4-0,48
к ! \s0 ) \h0 ) >
> 0,735.
(XXIII—16)
Режим брызг:
Fr"0'12
/WpPp 4—0,125 / SA \0,28 7 Da \-0,48
МвРв / \ So / к Р-0 /
0,735.
(XXIII—17)
Отметим, что коэффициенты уравнений (XXIII—13),
(XXIII—14) и неравенств (XXIII—15) — (XXIII—17) получены
из опытов по перегонке в токе водяного пара чистых жидко-
стей, а не растворов. Поэтому указанные соотношения могут
быть с достаточным основанием применены при дистилляции
мисцеллы малой концентрации по маслу. При высоком содер-
жании масла, когда свойства мисцелл сильно отклоняются от
свойств идеальных растворов, соотношения (XXIII—13) —
(XXIII—17) являются лишь грубым приближением к действи-
тельным закономерностям. Для окончательной дистилляции
мисцеллы необходимо получить из эксперимента новые значе-
ния коэффициентов приведенных соотношений.
ОБЩИЕ УРАВНЕНИЯ
Здесь так же, как и при анализе распылительной и пленочной
дистилляции, рассмотрим общее уравнение массопереноса при
дистилляции в слое. Эта проблема не менее сложна, чем про-
блема насыщения пара растворителем в условиях пенного ре-
жима и режима брызг, в связи с чем нет ее аналитического
решения. Имеющееся уравнение основано на подобном преобра-
зовании системы дифференциальных уравнений [327], описы-
вающих установившийся процесс движения через слой жидко-
43Q
-ft сти двух массовых потоков: потока введенного водяного пара
> и потока паров дистиллируемого вещества. Этими уравнениями
•' являются следующие: движения жидкой и паровой фаз, диффу-
зии и зависимости скорости вводимого пара от геометрических
параметров. Граничные условия характеризовались равенства-
ми скоростей, сил трения, касательных напряжений и равен-
а- ством разности давлений в фазах давлению, возникающему от
поверхностного натяжения на межфазной поверхности; уравне-
нием материального баланса на границе раздела фаз.
Обобщенное уравнение имеет вид:
Kyi2 i I w2 a p. 'WpPp
Dp ~~ 1 \ gl ’ w2lp ’ Dp ’ MBpB ’
—, — , Л). (XXIII—18)
г-ж Рж d d I
KI2
где __— ==Ki['.M —модифицированный критерий Кирпичева;
Dp
w2
— =Fr —критерий Фруда;
---------критерий, характеризующий соотношение
w2/p
в системе поверхностных сил (о), сил
инерции (w) и тяжести (р) *;
^=Рг' —критерий Прандтля;
^рРр
----критерии состава;
Kv— общий объемный коэффициент массопере-
носа (в пересчете на единицу объема жид-
кости) ;
I— геометрический размер системы;
DP — коэффициент диффузии пара растворителя;
D—коэффициент диффузии жидкого раствори-
теля;
w—скорость водяного пара;
о — поверхностное натяжение;
р, р, — соответственно плотность и вязкость водя-
ного пара;
1 Этот критерий является комбинацией критериев Фруда Fr (роль сил
тяжести) и Вебера We= — (роль поверхностных сил).
We s
Fr w2lp
431
Рж, [Л;к— плотность и вязкость жидкости (мис-
целлы) ;
h — высота слоя дистиллируемой жидкости
(мисцеллы) над барботером.
Таким образом, уравнение (XXIII—18) отражает влияние
на скорость массопереноса при дистилляции в слое гравитаци-
онных, поверхностных и инерционных сил, свойств пара и
жидкости, состава паровой фазы, размеров аппарата, высоты
слоя жидкости и размера отверстий барботера. Это уравнение
является наиболее общим '.
При перегонке чистых жидкостей для отдельных режимов
барботажа получены уравнения [327], приведенные ниже.
Пузырьковый режим:
, л 12 t MopD \—0,45 / D. \0,81
/ S. \-0.37
. (XXIII-19)
Пенный режим:
' Пл/ -Н,П0 °’125
КФм = 4,26-10~4 Fr0,4 X
\ Шврв /
/ D. \1,62 / S X—1,0
Х(тг) Ш (ХХШ-20)
Режим брызг:
/' Мвр0 X—0,47 f D. \о,23
= (X) (ХХШ-21)
Эти уравнения имеют те же ограничения, что и уравнения
(XXIII—13), (XXIII—14) и неравенства (XXIII—15) —
(XXIII—17).
ФАКТОРЫ ЭФФЕКТИВНОСТИ
Рассмотрим влияние основных факторов на эффективность
предварительной и окончательной дистилляции мисцеллы в слое
[27, 35, 36, 50, 51].
Как видно из рис. 155*, вначале происходит сильное возра-
стание концентрации мисцеллы и после перегиба кривой, соот-
1 Еще неясна полностью роль межфазной турбулентности при дистилля-
ции в слое. По-видимому, анализ явлений на границе раздела фаз может при-
вести к уточнению уравнения (XXIII—18).
* На рис. 155 представлены результаты лабораторных опытов по дистил-
ляции в слое на установке, описанной в опубликованной работе [51], мисцел-
лы подсолнечное масло — экстракционный бензин.
432
^етствующего определенной продолжительности (на прафике-
30 мин), концентрация мисцеллы практически не изменяется,
расположение зоны перегиба зависит от максимальной темпе-
ратуры предварительной дистилляции: чем выше температура,,
тем больше концентрация мисцеллы. Появление зоны перегиба
является следствием перехода процесса от периода кипения
к периоду испарения.
Рис. 156. Влияние глубины
вакуума на эффективность
предварительной дистилля-
ции мисцеллы;
исходная концентрация мис-
целлы по маслу 15% по
массе; максимальная тем-
пература мисцеллы 95 °C;
продолжительность 15 мин.
Рис. 155. Влияние продолжительности пред-
варительной дистилляции мисцеллы на эф-
фективность процесса;
исходная концентрация мисцеллы по маслу
15% по массе; максимальная температура
мисцеллы 95 С (дистилляция под атмос-
ферным давлением без острого пара).
Показанная на рис. 155 закономерность процесса должна
учитываться при регулировании работы аппаратов для предва-
рительной дистилляции в слое. Зона перегиба кривой может
устанавливаться по концентрации мисцеллы, выходящей из
предварительного дистиллятора. Если, например, эта концент-
рация выше концентрации мисцеллы, кипящей при температуре
ее выхода из предварительного дистиллятора, то процесс уже
перешел в период испарения и его продолжительность может
быть сокращена, что приведет к увеличению производительно-
сти предварительного дистиллятора без заметного снижения
концентрации выходящей мисцеллы.
Проведение процесса под вакуумом значительно повышает
концентрацию конечной мисцеллы при предварительной дистил-
ляции (рис. 156). Дистилляция в слое под вакуумом, что в про-
мышленных условиях еще не применяется, может быть сред-
433-
ством повышения концентрации мисцеллы и увеличения про-
изводительности предварительных дистилляторов. [
Применение острого пара — еще более мощное средств))
интенсификации предварительной дистилляции мисцеллы
(рис. 157). Высокая эффективность предварительной дистилля-
ции мисцеллы в слое с применением острого пара была пока-
зана и в заводских условиях [27].
Рис 157. Влияние расхода острого пара на эф-
фективность предварительной дистилляции мис-
целлы.
(GB—количество острого пара, поступающее
на дистилляцию в единицу времени, Gp — коли-
чество бензина, отгоняемое при дистилляции в
единицу времени);
исходная концентрация мисцеллы по йаслу 15%
по массе; температура острого пара 200 °C, про-
должительность процесса 15 мин.
Действие острого пара отчасти аналогично действию ваку-
ума: в пространстве над мисцеллой острый пар занимает опре-
деленный объем, в связи с чем в соответствии с законом Даль-
тона снижается парциальное давление паров растворителя.
Дополнительными факторами эффективности при вводе острого
пара являются следствия акта барботирования: увеличение
межфазной поверхности, перемешивание слоя. Кроме того,
острый пар передает мисцелле некоторое количество тепла и
частично механически увлекает растворитель. Все это приводит
к большей эффективности дистилляции в токе водяного пара,
чем просто под вакуумом, даже при одинаковой глубине ваку-
ума, создаваемой вакуум-насосом (эжектором) или возникаю-
щей в связи с вводом острого пара. Это хорошо видно из срав-
434
нения рис. 156 и 158*: тангенс угла наклона лилий до зоны пе-
региба соответственно равен 0,76 и 1,63.
' Показанные на рис. 155—157 кривые обладают тенден-
цией к перегибу или явным перегибом, т. е. каждый из рас-
смотренных факторов эффективности обладает оптимальные
InijiuHa Наю^ни, tw рт.т
Рис. 158. Корреляция меж-
ду конечной концентра-
цией мисцеллы и глубиной
вакуума, возникающего в
связи с вводом острого
пара.
Рис. 159. Влияние продолжи-
тельности процесса и расхода ост-
рого пара на эффективность окон-
чательной дистилляции мисцеллы;.
исходная концентрация мисцел-
лы по маслу 80% по массе; тем-
пература масла 115 °C; темпера-
тура острого пара 200 °C; давле-
ние атмосферное
значением. Например, оптимальное значение расхода острога-
пара соответствует величине ——, равной 0,3—0,4. Между эти-
бр
ми факторами эффективности имеется взаимная зависимость:,
любой способ интенсификации процесса (применение вакуума
или острого пара) уменьшает значение его оптимальной про-
должительности.
Из рис. 159 видна роль продолжительности и расхода остро-
го пара в эффективности окончательной дистилляции мисцеллы.
* Условия те же, что и в ранее рассмотренных опытах (рис. 157). Способ-
расчета глубины вакуума изложен в опубликованной работе [50].
435
Количество отгоняемого бензина и температура вспышки
масла возрастают с увеличением продолжительности процесЬа
и расхода острого пара. Так же, как и при предварительной
дистилляции, кривые имеют зону перегиба при определеннЬм
значении отношения : слишком большой расход острого
Ор
пара не приносит существенной
Рис. 160. Влияние глубины вакуу-
ма и расхода острого пара на
эффективность окончательной ди-
стилляции мисцеллы;
.продолжительность дистилляции
15 мт; остальные условия, кроме
давления, те же, что и ранее
(рис. 159); кривые проведены
лишь через крайние точки для по-
каза степени их разброса.
пользы для отгонки бензина.
Выше определенного зна-
GB Л
чения отношения — глубина
Gp
вакуума уже не оказывает
большого влияния на эффек-
тивность отгонки растворителя
при окончательной дистилля-
ции мисцеллы (рис. 160). Ме-
ханизм действия острого пара
при окончательной дистилля-
ции тот же, что и при предва-
рительной. Эффективность
барботажа при определенном
расходе острого пара настоль-
ко велика, что положительная
роль вакуума сглаживается.
Но это действительно только
при достаточно большом рас-
ходе острого пара, что было
нами подтверждено в завод-
ских условиях при окончатель-
ной обработке масла в распы-
лительно-пленочном дистил-
ляторе. [27]. При малом расхо-
де острого пара (рис. 160)
роль вакуума остается замет-
ной. Это также подтверждает-
ся заводскими опытами на
окончательном дистилляторе
ДС-70, отличающемся малым
расходом острого пара: повышение расхода острого пара ниве-
лировало отрицательное влияние на температуру вспышки мас-
ла снижения глубины вакуума [52]. Интересно отметить, что
роль вакуума в эффективности распылительной и пленочной
окончательной дистилляции, как было показано в предыдущих
главах, остается заметной при любом расходе острого пара,
тогда как при дистилляции в слое положительное влияние ва-
куума нивелируется в значительно большей степени, начиная с
некоторой величины расхода острого пара. При любом способе
дистилляции ввод эквивалентных количеств острого пара в оди-
-436
маковой степени снижает парциальное давление паров раство-
рителя. Специфика действия острого пара при дистилляции в
слое в отношении нивелирования роли вакуума заключается
именно в акте барботажа с
его интенсивным взаимо-
действием фаз и относи-
тельно большой продолжи-
тельностью.
Зависимость эффектив-
ности окончательной ди-
стилляции от высоты слоя
масла для аппарата данной
конструкции и определен-
ных размеров является од-
новременно и зависимостью
от продолжительности ди-
стилляции. С ростом высо-
ты слоя масла изменяются
условия барботажа и насы-
щения паровых пузырьков
(струй) и увеличивается
продолжительность контак-
та фаз. Кривые (рис. 161)
обладают минимумом, ко-
торому соответствует опти-
мальная высота слоя мас-
ла. Вначале рост продол-
жительности контакта фаз
при увеличении высоты
слоя приводит к уменьше-
нию остатка бензина в мас-
ле. Однако с некоторого
Рис. 161. Зависимость остатка бен-
зина в масле от высоты барботируе-
мого слоя (опыты в камеральных
условиях па мисцелле подсолнеч-
ное масло — легкокипящий экстрак-
ционный бензин);
давление атмосферное; температура
отходящего масла 120 °C; сочетание
слоя с дистилляцией распылением;
расход острого пара (t~ 150 °C) в
г/мин:
а — 50; б — 100; в— 200: давление (избы-
точное) распыляемой мисцеллы в ат: 1 — 2;
2-6.
значения высоты слоя уве-
личивается его гидростати-
ческое сопротивление, что
может привести к возник-
новению режима брызг, не-
благоприятного для скоро-
сти массопереноса, в ре-
зультате чего увеличивает-
ся остаток бензина в масле.
Приблизительно такая же
закономерность отмечается
и при сочетании дистилля-
ции в слое и в стекающей пленке [36].
Отгонка остатков растворителя из масла при дистилляции
в слое, так же как и при дистилляции распылением и в стекаю-
437
щей пленке, не требует большого . повышения температуры
масла. По крайней мере, повышение температуры масла от 120
до 135 °C не приводит к значительному снижению остатка бен-
зина [35].
Высота слоя масла, которой пропорциональна продолжи-
тельность процесса, и температура — очень важные производ-
ственные характеристики окончательной дистилляции мисцел-
лы, поскольку от них в основном зависят изменения качества
экстракционного масла, возникающие в ходе дистилляции мис-
целлы в целом.
ГЛУБИНА ОТГОНКИ
Обработка масла в слое в настоящее время является необ-
ходимым этапом процесса окончательной дистилляции мисцел-
лы. Даже высокоинтенсивный процесс дистилляции распыле-
нием не обеспечивает получения стандартного по температуре
вспышки масла [27]. По-видимому, значительное повышение
температуры масла и большой расход острого пара могут обе-
спечить получение стандартного по температуре вспышки масла
при распылительной и пленочной дистилляции. По крайней
мере, мы достигли таких результатов при дистилляции мисцел-
лы в стекающей пленке на камеральном аппарате типа окон-
чательного дистиллятора ДС-70 в следующих условиях: мис-
целла подсолнечное масло — легкокипящий экстракционный
бензин обрабатывалась под вакуумом 600—650 мм рт. ст., тем-
Q
пература отходящего масла около 150°С; отношение—— —не-
Gp
сколько десятков единиц. Однако такие условия дистилляции
неприемлемы в практике из-за ухудшения качества масла и вы-
сокого расхода пара. Можно предполагать, что со снижением
температуры кипения растворителя получение стандартного по
температуре вспышки масла при дистилляции без слоя облег-
чится. Кардинально этот вопрос мог бы быть решен при приме-
нении сжиженных газов типа пропан — бутан, температура ки-
пения которых ниже нуля. Снижение же температуры кипения
ныне применяемых у нас растворителей приблизительно на
15 град, т. е. переход, например, на технический гексан, лишь
в некоторой степени упростит задачу получения стандартного
по температуре вспышки масла при дистилляции без слоя.
Основные трудности останутся из-за чрезвычайно сильного уве-
личения температуры кипения мисцеллы при больших концент-
рациях. Вместе с тем отказ от окончательной дистилляции
в слое необходим для дальнейшего снижения продолжительно-
сти процессов дистилляции, что должно привести к дополни-
тельному улучшению качества масла.
438
По имеющимся данным, содержание бензина в готовом
экстракционном масле (в % по массе) невелико: в подсолнеч-
ном— 0,062—0,111 [290], в рапсовом— 0,16, соевом — 0,034 —
0,040 [473].
Указание [472] на то, что в экстракционном масле содер-
жится около 0,5% бензина, является единичным и не может
рассматриваться как типичный результат работы окончатель-
ных дистилляторов. Особенно это относится к отечественной
промышленности, контролирующей процесс по температуре
вспышки — чувствительному анализу, обнаруживающему со-
тые доли процента остатка бензина в масле.
Кроме отмеченного, барботируемый слой на окончательной
стадии обработки масла имеет следующий недостаток: в ре-
зультате интенсивного перемешивания верхних и нижних слоев
в готовое масло может попасть мисцелла. Это так называемый
«проскок» мисцеллы, приводящий к появлению растворителя
в готовом масле и снижению его температуры вспышки.
Работа окончательных дистилляторов без «проскоков» мо-
жет быть обеспечена при автоматическом поддержании слоя
определенной высоты и температуры масла на выходе. Допол-
нительная установка колпачкового дистиллятора для устране-
ния «проскоков» [294] является излишним усложнением, ухуд-
шающим качество масла в связи с увеличением продолжитель-
ности процесса.
В заключение отметим, что дистилляция в слое в дистилля-
торах современных конструкций применяется, как правило,
при окончательной обработке масла, когда к глубине отгонки
предъявляются особенно жесткие требования. Только в дистил-
ляторах устаревших конструкций (Кебера и Гильдебрандта)
дистилляция в слое является единственным способом. Примене-
ние различных способов дистилляции в разных дистилляторах
и сочетание различных способов дистилляции в данной конст-
рукции дистиллятора рассмотрено в одной из работ [31].
Глава XXIV. ОТГОНКА РАСТВОРИТЕЛЯ ИЗ ШРОТА
ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
От способа и режима проведения процесса удаления раство-
рителя из шрота зависят потери растворителя, пожаро- и
Бзрывобезопасность при транспортировании и хранении шрота,
а также кормовые, а в некоторых случаях пищевые и техниче-
ские достоинства шротов. Основным методом удаления раство-
рителя из шрота является отгонка. В некоторых случаях для
удаления определенного количества непрочно связанного раст-
ворителя перед отгонкой применяется механический отжим.
439
В принципе отгонка растворителя из шрота аналогична про-
цессу сушки с точки зрения закономерностей внутреннего мас-
со- и теплопереноса, хотя и обладает рядом особенностей.
В отличие от сушки масличных семян, которая всегда закан-
чивается при определенной оптимальной их влажности, целью
отгонки является полное удаление растворителя, существенно»
отличающегося по своим физико-химическим свойствам от во-
ды. Далее, шрот, из которого отгоняется растворитель, уже про-
шел через все основные технологические операции производства
растительных масел и приобрел внутреннюю структуру с боль-
шим, если не полным, разрушением клеток. Наконец, раствори-
тель в шроте находится не в чистом виде, а в виде слабой
мисцеллы, концентрация которой по мере удаления раствори-
теля повышается, так что в конце процесса приходится иметь-
дело с находящейся внутри частиц шрота мисцеллой довольно
высокой концентрации, из которой растворитель отгонять труд-
но. В некоторых случаях шрот в начале процесса увлажняется,
что не может не вызвать осложнений в механизме внутреннего»
массо- и теплопереноса.
Условия внешнего массо- и теплопереноса существенно от-
личаются от условий конвективной сушки, поскольку при от-
гонке растворителя из шрота не используется такой теплоноси-
тель, как нагретый воздух или топочные газы с их высоким су-
шильным потенциалом.
Современные способы отгонки растворителя из шрота мож-
но разделить следующим образом:
отгонка в перемешиваемом слое, применяемая в чанных
испарителях — тостерах;
отгонка из перемешиваемого материала в частично взве-
шенном состоянии, используемая в шнековых испарителях;
отгонка в полностью взвешенном состоянии в токе перегре-
тых паров отгоняемого растворителя. Этот способ отгонки з
последние годы интенсивно исследуется, хотя еще и не нашел
промышленного применения.
В дальнейшем приведенные способы мы будем кратко назы-
вать отгонкой в слое, в полувзвешенном и взвешенном со-
стоянии.
При отгонке в слое в чанных испарителях внешние условия
теплопереноса во многом напоминают условия теплопереноса
в чанных жаровнях, в которых передача тепла осуществляется
контактным способом, посредством термоизлучения и конвек-
ции. Отличие состоит в том, что в каждый чан чанного испари-
теля подается острый пар. Эта особенность технологии отгонки
растворителя в чанных испарителях приводит к сильному воз-
растанию доли тепла, передаваемой в результате конвекции
за счет теплообмена между 'водяным паром и частицами шрота.
Так, тепловой баланс работы модернизированного чанногоиспа-
440
рителя на соевом шроте показывает [485], что почти 90% по-
требного тепла шрот получает благодаря конденсации острого
пара. Кроме того, чанный испаритель обогревается паром с дав-
лением (избыточным) 10 ат, т. е. процесс идет при более высо-
кой, чем при жаренье мятки (мезги), температуре греющих по-
верхностей и, следовательно, при более интенсивном термоиз-
лучении. По-видимому, в чанных испарителях явление само-
пропаривания идет в самом начале процесса, когда температу-
ра шрота еще относительно невелика.
При отгонке в полувзвешЛном состоянии в шнековых испа-
рителях тепло передается шроту теми же тремя путями, однако
теплоперенос посредством конвекции и термоизлучения менее
интенсивен, поскольку значительно меньше подается острого
пара и процесс ведется при более низком избыточном давле-
нии греющего пара в рубашках испарителей (4—5 ат).
Отгонка во взвешенном состоянии отличается прежде всего
тем, что практически все необходимое тепло частицам шрота
передается в результате конвекции от перегретых паров того же
растворителя, который отгоняется. Значительное количество те-
пла не может передаваться посредством термоизлучения, по-
скольку температура паров выше температуры стенки трубы,
в которой происходит испарение растворителя.
Передача тепла контактным способом здесь очень ограни-
чена, она наблюдается лишь в моменты кратковременного со-
прикосновения частиц шрота с внутренней поверхностью трубы,
в которой испаряется растворитель, и то только до тех пор, пока
температура частиц шрота остается достаточно низкой для обе-
спечения высокой разности температур между стенкой и части-
цами шрота, т. е. в начале процесса1. По ходу процесса коли-
чество тепла, передаваемого контактным способом, умень-
шается.
Значительным сушильным потенциалом обладает паровая
фаза при отгонке растворителя из шрота в слое и во взвешен-
ном состоянии. При отгонке в слое (работа чайных испарите-
лей) возникает заметная разность между парциальными дав-
лениями паров растворителя у поверхности частиц (или у по-
верхности испарения внутри частиц) и в паровой фазе, по-
скольку в последней в связи с подачей больших количеств
острого пара парциальное давление паров растворителя пони-
жено. Несколько иной характер имеет сушильный потенциал
при отгонке растворителя во взвешенном состоянии, так как
происходит испарение в среду перегретого пара того же раст-
ворителя, который отгоняется из шрота. Общий сушильный по-
1 Металлическая стенка трубы нагревается быстрее и до более высокой
температуры, чем частицы шрота, поэтому указанная разность температур
гри отгонке во взвешенном состоянии должна быть.
441
тенциал данного процесса может быть.оценен количеством ра-
створителя, которое должно перейти в паровую фазу для урав-
нивания давления паров растворителя у поверхности частиц
(или у поверхности испарения внутри частиц) и вне частиц.
Этому должно соответствовать равенство температур твердой
и паровой фаз.
МЕХАНИЗМ И КИНЕТИКА
Механизм и кинетика отгонки растворителя из шрота еще
не были предметом специального ’’изучения, поэтому можно вы-
сказать лишь предварительные суждения по этому вопросу,
основанные на общих закономерностях массо- и теплопереноса,
выявленных главным образом применительно к условиям про-
цесса сушки.
Внутренний массоперенос при отгонке растворителя из шро-
та в принципе может осуществляться посредством массопровод-
ности (бензинопроводности, если в качестве растворителя ис-
пользуется бензин, — аналога влагопроводности), термомассо-
проводности (термобензиноцроводности — аналога термовлаго-
проводности) и фильтрационного потока под воздействием гра-
диента давлений. Интенсивность каждого из этих потоков за-
висит от способа отгонки растворителя, фазы процесса во вре-
мени и режима его проведения.
На отгонку поступают частицы шрота, практически пол-
ностью насыщенные жидким растворителем. Сначала испа-
ряется растворитель, находящийся на поверхности частиц. За-
тем поверхность испарения углубляется и появляется градиент
бензиносодержания, под влиянием которого протекает основной
перенос массы. Хотя в начале процесса температура наружных
слоев частиц выше температуры внутренних слоев, заметного-
переноса растворителя внутрь частиц посредством термомассо-
проводности не может быть, так как частицы насыщены жидким
растворителем. Некоторый перенос растворителя внутрь ча-
стиц в результате термомассопроводности в виде пара в прин-
ципе наблюдается в пределах зоны между наружной поверх-
ностью частиц и поверхностью испарения внутри частиц. По-ви-
димому, механизм этого переноса определяется тепловым сколь-
жением пара в макрокапиллярах. Однако одновременно в пре-
делах этой же зоны, но из частиц, также в виде пара перено-
сится растворитель в связи с эффузией в микрокапиллярах, вы-
зываемой тем же градиентом температуры. Поэтому неизвест-
но, как влияет градиент температуры на интенсивность массо-
переноса — тормозяще или ускоряюще. В целом влияние тер-
момассопроводности в начале процесса не может быть сущест-
венным, поскольку обусловливаемый ею внутренний перенос в
виде пара значительно менее интенсивен, чем перенос в виде
жидкости, вызываемый градиентом бензиносодержания.
442
Специфично увлажнение материала в начале процесса при
•отгонке растворителя в слое (в тостерах). Механизм этого
увлажнения, по-видимому, состоит в следующем.
Проникновение влаги, вводимой в виде жидкости или появ-
ляющейся в результате конденсации острого пара, в частицы
начинается в основном после образования поверхности испаре-
ния внутри частиц и происходит под действием градиента вла-
госодержания и градиента температуры. Явление избирательно-
го смачивания вряд ли может иметь серьезное значение в са-
мом начале процесса, так как растворитель, находящийся на по-
верхности частиц, испаряется быстро, благодаря чему, наруж-
ная -поверхность частиц становится легко доступной для непо-
средственного контакта с влагой. При этом «фронт» влаги про-
двигается за углубляющейся в частицы поверхностью испаре-
ния. Одновременно с этим некоторое количество влаги испа-
ряется с поверхности частиц и с их наружных слоев.
Такое явление усложняет механизм процесса, поскольку в
пределах зоны, ограниченной наружной поверхностью частиц
и поверхностью испарения внутри частиц, одновременно дви-
жутся в противоположных направлениях' два потока: поток па-
ров растворителя из частиц и поток воды -внутрь частиц в виде
жидкости и пара. Для обеспечения движения этих потоков в
противоположных направлениях поток воды в виде жидкости
должен перемещаться по внутренним стенкам капилляров,
часть сечения которых остается свободной для взаимного про-
никновения паров растворителя и воды. Механизм этого про-
никновения в свою очередь является сложным и состоит из
явлений взаимной молярной и молекулярной диффузии, тепло-
вого скольжения паров в макрокапиллярах и эффузии в
микрокапиллярах. Поток жидкой влаги внутрь частиц быстро
прекращается, так как в чанных испарителях частицы шрота
нагреваются до температуры, близкой к 100° С, за относитель-
но небольшой промежуток времени *.
Проникновение паров воды внутрь частиц в чанных испари-
телях в начале процесса с точки зрения интенсивности отгонки
растворителя можно оценить как положительное явление, при-
водящее в соответствии с законом Дальтона к понижению пар-
циального давления паров растворителя в микро- и макрока-
пиллярах в непосредственной близости от поверхности испаре-
ния, что ускоряет отгонку растворителя.
1 Увлажнение шрота перед поступлением его в шнековые испарители
1144], которое не нашло широкого промышленного применения, может сопро-
вождаться несколько более длительным проникновением жидкой влаги внутрь
частиц, поскольку в шнековых испарителях шрот до 100 °C нагревается не
так быстро, как в чанных. »
443
По мере углубления поверхности испарения и повышения
температуры частиц шрота независимо от способа проведения
процесса (в слое, полувзвешенном или взвешенном состоянии)
внутри частиц возникает и усиливается фильтрационный поток
паров растворителя под воздействием градиента давления. При
температуре частиц шрота выше температуры насыщения окру-
жающей среды, т. е. при температуре, близкой к температуре
начала кипения растворителя (для экстракционного бензина
приблизительно 70°C), что соответствует жестким условиям от-
гонки растворителя, фильтрационный поток паров под воздей-
ствием градиента давления .становится основным содержанием
механизма внутреннего массопереноса. При этом из шрота на-
чинает испаряться содержащаяся в нем вода. Испарение воды
интенсифицируется при дальнейшем повышении температуры
частиц шрота, так что в конце процесса или на той его стадии,
когда температура шрота близка к 100 °C или выше, внутри ча-
стиц общий фильтрационный поток состоит из смеси паров ра-
створителя и воды.
Таким образом, для внутреннего массопереноса при отгонке
растворителя из шрота в начале процесса существенным яв-
ляется массопроводность (бензинопроводность), а в конце про-
цесса— фильтрационный поток паров под воздействием гради-
ента давления. Явления термомассопроводности (термобензино-
проводности) играют несущественную роль.
Переход от массопроводности к фильтрационному потоку
осуществляется плавно, так что в каждый данный момент про-
цесса после начала углубления поверхности испарения действу-
ют оба механизма.
Анализ внутренного массопереноса мог быть более углуб-
ленным, если бы имелись опытные данные по коэффициентам
бензино-, термобензинопроводности и молярного переноса паров
растворителя. Определение численных значений этих коэффи-
циентов и выявление их зависимости от различных факторов,
прежде всего от бензиносодержания и температуры шрота,—
одна из наиболее важных задач дальнейшего вскрытия законо-
мерностей отгонки растворителя из шрота.
Внутренний теплоперенос при отгонке растворителя из шро-
та во многом напоминает внутренний теплоперенос при жа-
ренье, особенно при отгонке в чанных испарителях с характер-
ным для их работы увлажнением материала в начале процесса,
что аналогично первому этапу «влажного» жаренья. В каждый
момент отгонки растворителя из шрота непременным элемен-
том внутреннего теплопереноса является теплопроводность,
осложненная в начале процесса переносом влаги в основном
в виде жидкости и растворителя в виде жидкости и пара (рабо-
та чанных испарителей), переносом только растворителя в виде
444
жидкости и лара (отгонка в полувзвешенном и взвешенном со-
стоянии) и в конце процесса — переносом растворителя и вла-
ги в основном в виде пара. Тот или иной вид внутреннего по-
тока тепла определяется величиной критерия фазового превра-
щения, а закономерности внутреннего теплопереноса в целом-
могут быть приближенно описаны уравнениями (XVII—5) и
(XVII—6), приведенными на стр. 304.
В заключение остановимся на общих положениях кинетики
отгонки растворителя из шрота.
Общность процессов сушки и
отгонки растворителя из шрота
позволяет предположить, что по-
следний процесс состоит из пе-
риода постоянной скорости (уда-
ление растворителя в основном
с поверхности частиц) и периода
падающей скорости (удаление
растворителя в основном из
частиц). Действительно, это под-
тверждается [315] при отгонке
дихлорэтана из соевого шрота
(рис. 162). Как видно из рисун-
ка, скорость отгонки растворите-
ля из неподвижного слоя частиц
(в вакуум-сушильном шкафу)
в условиях контактной теплопе-
редачи возрастает с увеличением
глубины вакуума и температуры
греющей поверхности. Обращает
на себя внимание высокое содер-
жание растворителя в критиче-
ской точке — в точке перехода от
периода постоянной к периоду
падающей скорости отгонки.
В изученном случае оно колеб-
лется от 32 до 50%, т. е. состав-
ляет величину, приблизительно
равную растворителеемкости
шрота, поступающего в завод-
ские аппараты для отгонки. Не-
известно, является ли это след-
ствием условий отгонки или общим
распространить на условия отгонки
разных конструкций. Поэтому, хотя
Рис. 162. Кривые скорости от-
гонки растворителя из шрота:
1 — вакуум 710 мм рт. ст., температура*
греющей поверхности 145 °C; 2 — вакуум
550 мм рт. ст., температура греющей
поверхности 145 °C; 3 — вакуум 350 ми-
рт. ст., температура греющей поверх-
ности 140 °C; 4 —вакуум 350 мм рт. ст.у
температура греющей поверхности:
100 °C.
положением, которое можно-
растворителя в испарителях
в принципе процесс отгонки
растворителя из шрота можно считать состоящим из периодов;
постоянной и падающей скорости, необходимо исследование-
кинетики процесса в реальных условиях.
445.
ОТГОНКА В СЛОЕ
В чанных испарителях [173] отгонка растворителя из шрота,
хак уже упоминалось, происходит в условиях большого расхо-
да острого пара, подаваемого в каждый чан. Кроме этого, слой
шрота пронизывается паром, выходящим из расположенных
ниже чанов. Такая интенсивная обработка острым паром слоя
шрота, перемешиваемого мешалкой, в принципе может приве-
сти к появлению кипящего слоя в чанном испарителе. Во вся-
ком случае, увеличение диаметра верхнего чана в модернизиро-
ванном чанном испарителе обосновывается отчасти стремлени-
ем ликвидировать «вскипающий» слой шрота для увеличения
производительности аппарата [485].
Отдельные частицы шрота и слой в целом быстро прогре-
ваются и уже в первом чане испарителя температура шрота
близка к 100 °C [172, 173, 485], содержание растворителя практи-
чески становится равным нулю в пятом чане. Влажность шрота
в течение всего процесса остается на достаточно высоком уров-
не [171].
При отгонке растворителя в чанных испарителях происхо-
дят глубокие изменения внутренней структуры частиц шрота
[485], сопровождающиеся разрывом клеточных стенок и коагу-
ляцией белков (рис. 163*). Указанные изменения, сопровож-
дающиеся инактивацией аитипитательных факторов, что важно
для кормовых достоинств соевого шрота [172, 432, 485], могут
оказывать некоторое влияние на скорость и глубину отгонки
растворителя. Разрыв клеточных стенок, который происходит
в соответствии с имеющимся предположением [485] в результате
бурного испарения растворителя в первом чане (испаритель-
ной зоне) аппарата, по-видимому, облегчает отгонку остатков
растворителя в последующих чанах, поскольку разрушается
одно из серьезных препятствий выходу паров растворителя из
частиц. Возможно, что возникающий внутри клеток градиент
.давления является силой, непосредственно воздействующей на
клеточные стенки, ослабленные в условиях повышенной влажно-
сти и температуры. В чанных испарителях, так же как и в чан-
ных жаровнях, не исключено определенное влияние на разрыв
клеточных стенок ножей мешалки.
Продолжительность обработки отдельных частиц материала
в чанных испарителях неодинакова. Так, было отмечено [172],
"что при средней расчетной продолжительности пребывания
шрота в испарителе 54 мин первые окрашенные лепестки начи-
нали появляться через 29 мин, а последние — через 83 мин.
По визуальным наблюдениям, это не приводит к различию от-
* На фотографии (рис. 163) целлюлоза (вещество клеточных стенок)
выглядит в виде черных полос, а белковые вещества (внутриклеточное со-
держимое) — в виде испещренной сероватой поверхности.
446
дельных частиц по окраске и внешнему виду. Однородность, по
крайней мере внешняя, частиц шрота, несмотря на разное вре-
мя их пребывания в чанном испарителе, объясняется равномер-
ностью нагрева отдельных частиц, что согласуется с интенсив-
ной обработкой шрота острым паром, пронизывающим переме-
шиваемый слой.
Рис. 163. Изменения внутренней структуры частиц соевого1
шрота при обработке его в чанном испарителе (микрофото-
графии) :
а — шрот до обработки; б — недостаточно обработанный шрот; в — нор-
мально обработанный шрот.
ОТГОНКА В П0ЛУВЗВЕШЕНН0М СОСТОЯНИИ
В отличие от работы чанных испарителей в шнековых испа-
рителях отгонка растворителя происходит при малом расходе-
острого пара. Интенсивность конвективного теплопереноса по-
447
этой причине в шнековых испарителях должна быть ниже, чем
св чанных; на первое место здесь выходит контактный способ
теплопереноса.
На рис. 164 показаны кривые изменения содержания бензи-
на в шроте и температуры шрота во времени, полученные на
«опытной установке, основным элементом которой была часть
Рис. 164. Изменение содержания бензина в шроте и тем-
пературы шрота в зависимости от времени при отгонке в
полувзвешенном состоянии;
опыты при атмосферном давлении на шроте из форпрессо-
вого хлопкового жмыха при числе оборотов лопастного
вала в минуту:
1—28; 2—40; 3 — 46; 4 — 58; 5 — 68; острый пар — 20 кг/ч
150 °C)— подавался в испаритель, начиная с Т = 7,5 мин..
-секции заводского шнекового испарителя [352]. Анализ этих
кривых позволяет произвести следующее деление процесса на
периоды.
По изменению содержания бензина в шроте можно разли-
чать два периода, отличающихся удалением растворителя, об-
.ладающего различной энергией связи с материалом. В первом
периоде происходит удаление наименее прочно связанного ра-
-створителя, находящегося на наружной поверхности частиц и в
макро- и микрокапиллярах с относительно небольшим сопро-
тивлением массопереносу. Во втором периоде удаляется прочно
связанный растворитель, удерживаемый на внутренних поверх-
ностях частиц силами адсорбции или находящийся в частицах
в виде высококонцентрированных мисцелл. Границей между
периодами является точка перегиба кривой Б=/(т). При дости-
-448
жении этой точки, т. е. в первом периоде, отгоняется до 90%
от исходного содержания растворителя в шроте.
Из представленных на рис. 164 кривых E = f(i;) нельзя
установить наличия периода постоянной скорости Возможно,
это является следствием того, что растворителеёмкость в кри-
тической точке выше исходной, наблюдавшейся в данных опы-
тах (см. приведенные выше результаты опытов по отгонке ди-
хлорэтана из неподвижного слоя).
По изменению температуры шрота процесс делится на три
периода: первый—период интенсивного роста температуры
шрота (на рис. 164 до 2 мин), второй — период пониженной
скорости роста температуры 1 2 и третий — период возобновления
интенсивного роста температуры (на рис. 164 при 28 об!мин
этот период начинается при т = 6 мин), который к концу про-
цесса затухает. В принципе, при времени т^-оо кривые темпе-
ратуры шрота должны сойтись в одной точке с температурой,
равной температуре греющей поверхности.
В самом начале процесса, когда на поверхности частиц еще
находится пленка растворителя, относительно велико значение
коэффициента контактной теплопередачи, так что подводимого
тепла достаточно и для интенсивного испарения растворителя,
и для быстрого роста температуры шрота. В ходе процесса про-
исходит углубление внутрь частиц поверхности испарения и
«осушка» наружной поверхности частиц, что приводит к умень-
шению коэффициента контактной теплопередачи. В этих усло-
виях подводимое тепло в большей степени расходуется на испа-
рение слабо связанного растворителя и в меньшей степени на
наррев частиц из-за пониженной теплопроводности их «осушен-
ных» наружных поверхностей и внешних слоев. Поэтому про-
должается интенсивная отгонка растворителя, и возникает
второй период по изменению температуры шрота с замедленной
скоростью роста температуры.
С переходом процесса во второй период по содержанию
бензина, когда оно становится очень малым, тепло уже не ис-
пользуется в больших количествах на восполнение такой зна-
чительной статьи расхода в тепловом балансе, как скрытая теп-
лота испарения растворителя, и почти все передается частицам
шрота, в результате чего они начинают быстро нагреваться, и
возникает третий период по изменению температуры. С таким
утверждением хорошо коррелирует тот факт, что окончание
первого периода по содержанию бензина во времени прибли-
женно совпадает с началом третьего периода по температуре
1 Кривые при различной глубине вакуума [352] аналогичны кривым
на рис. 164 и также не позволяют зафиксировать период постоянной ско-
рости.
2 Иногда второй период может перейти в период постоянной темпера-
туры (к этому близка кривая 1 на рис. 164).
15 В. В. Белобородов 44g
шрота (см. рис. 164). В дальнейшем скорость роста температу-
ры шрота замедляется, поскольку уменьшается разность темпе-
ратур между греющей поверхностью и шротом.
Как видно из рис. 164, увеличение интенсивности перемеши-
вания материала в шнековом испарителе приводит к ускорению
процесса как по отгонке растворителя, так и по росту темпера-
туры шрота. Заметно снижается продолжительность первого
периода по содержанию бензина. Так, увеличение числа оборо-
тов лопастного вала в минуту с 28 до 68 уменьшает продолжи-
тельность первого периода с 8 до 4 ми н. Увеличение глубины
вакуума приводит к приблизительно .аналогичной по отгонке
бензина интенсификации процесса [352].
Роль острого пара при отгонке растворителя в шнековых
испарителях остается еще не выясненной до конца. Увеличение
расхода острого пара, приводящее к снижению парциального
давления паров растворителя в шнековозм испарителе, как будто
бы должно приводить к непрерывному увеличению скорости и
полноты отгонки, однако опыт показывает [351], что кривая со-
держание бензина в шроте — расход острого пара обладает
минимумом. Возможно, что рост остатка бензина в шроте, на-
чиная с некоторой величины расхода острого пара в данных
условиях работы шнекового испарителя, может быть объяснен
тем, что возникающий при увлажнении материала 1 под дейст-
вием влаго- и термовлагопроводности поток влаги внутрь ча-
стиц каким-то образом тормозит фильтрационный поток пара
растворителя из частиц, снижая градиент внутреннего дав-
ления.
Такое предположение тем более вероятно, чем меньше жид-
кого растворителя находится в частица Л, что характерно для
тех стадий процесса, на которых температура шрота выше
температуры кипения растворителя. При наличии в частицах
значительного количества жидкого растворителя проникнове-
ние влаги в виде пара, наоборот, как упоминалось выше, мо-
жет ускорить процесс благодаря снижению парциального дав-
ления паров растворителя непосредственно над поверхностью
испарения. Вместе с тем конденсация влаги на частицах шрота
возможна при их температуре ниже 100 °C, т. е. указанное тор-
можение, если оно и возникает, то на каких-то промежуточных
стадиях процесса, когда температура шрота находится в преде-
лах между температурой кипения растворителя в данных усло-
виях и температурой конденсации влаги.
Использование острого пара может снизить остаток бензи-
на в шроте. Необходимо только устано'Вить оптимальные зна-
чения расхода острого пара.
1 В указанной работе [351] температура острого пара была равна 144—
148 °C, так что конденсация его не была исключена..
450
ОТГОНКА ВО ВЗВЕШЕННОМ СОСТОЯНИИ
Отгонка растворителя во взвешенном состоянии, известная
под названием мгновенного испарения, разрабатывается в свя-
зи с получением соевого шрота с минимальной денатурацией
белковых веществ [394, 398], шрота специального технического
назначения и шрота, предназначенного для пищевой промыш-
ленности [394, 398, 459, 460]. Технически мгновенное испарение
осуществляется в горизонтальной испарительной трубе, внутри
которой в прямотоке движется смесь из частиц шрота и пере-
гретых паров того же самого растворителя, который отгоняется.
В конце процесса, длящегося приблизительно 2—3 сек, части-
цы шрота отделяются от растворителя в циклоне. Раствори-
тель через перегреватель снова возвращается в испарительную
трубу и таким образом движется по замкнутому циклу, а часть
его, равная количеству удаляемого из шрота растворителя, не-
прерывно выводится из системы на конденсацию. В некоторых
вариантах система дополняется пневматическим охлаждением
шрота [398].
Скорость паров в испарительной трубе опытной установки
7,6 м/сек, температура паров на входе в испарительную трубу
165 °C [3941. Для интенсификации процесса скорость паров мо-
жет быть повышена до 24—30 м/сек, а их температура — до
204 °C [398].
В табл. 33 приводятся результаты опытов по отгонке техни-
ческого гексана (пределы кипения 65,6—71,0°С) из проэкстра-
гированного соевого лепестка, содержащего при поступлении в
испарительную трубу летучих (влага плюс гексан) 35,4% и соб-
ственно влаги 9,0% [394].
Таблица 33
Результаты опытов по отгонке технического гексана из соевого лепестка
во взвешенном состоянии
Номер опыта Температура, °C Содержание летучих в лепестке на выходе, %
пара лепестка на выходе
на входе на выходе общее (сумма влаги и гекса- на) влаги гексана
1 143 126 84 4,21
2 165 138 88 7,32 6,96 0,36
3 149 129 99 4,02 3,27 0,75
4 161 141 105 3,06 2,32 0,74
5 161 143 101 4,20 4,00 0,20
Отгонка во взвешенном состоянии в большинстве случаев не
обеспечивает получение шрота с достаточно низким содержа-
нием растворителя. В более подробном исследовании [398]
остановились на остатке гексана в шроте 0,3%. Недостатком
15* 451
такого способа испарения является необходимость дополни-
тельной обработки шрота, которую рекомендуется проводить
под вакуумом, чтобы не денатурировать белки. Одновременно
с этим должна осуществляться дезодорация соевого шрота,
если он предназначен для пищевых целей.
Вместе с тем скорость отгонки основного количества раство-
рителя во взвешенном состоянии намного выше, чем в слое или
в полувзвешенном состоянии. Если при работе чанных или шне-
ковых испарителей отгонка до десятых долей процента остатка
растворителя происходит за несколько (или даже более деся-
ти) минут, то отгонка во взвешенном состоянии действительно
является практически мгновенной. Это объясняется хорошими
условиями теплообмена между перегретыми парами раствори-
теля и частицами шрота и высокой разностью температур, ко-
торая даже в конце процесса, как это следует из табл. 33,
остается значительной. Исследования показывают [398], что
разность температур между паром и шротом на выходе возра-
стает линейно с увеличением температуры пара на входе в ис-
парительную трубу.
В испарительной трубе вместе с парами растворителя при-
сутствует воздух, который подсасывается через шлюзовый за-
твор, выводящий шрот из циклона. При малой производитель-
ности установки количество воздуха в смеси с парами раство-
рителя может доходить до 60% [398], так что по существу испа-
рение происходит в перегретые пары не чистого растворителя,
а его смеси с воздухом. Это, видимо, положительно влияет на
глубину отгонки растворителя, поскольку специальный опыт,
поставленный в цитируемой работе, показал, что сильное сни-
жение содержания воздуха в смеси (до 1—3%) приводит к
увеличению остатка гексана в шроте (на 0,15—0,20%).
Исследование роли некоторых переменных показало [398],
что остаток растворителя в шроте уменьшается при увеличе-
нии скорости и температуры циркулирующих паров и уменьше-
нии производительности установки. В ходе отгонки в испари-
тельной трубе происходит некоторое измельчение шрота.
Несмотря на отмеченный недостаток — относительно высо-
кое содержание растворителя в шроте — описанный способ об-
ладает простотой конструктивного оформления, относительно
малой величиной капитальных затрат и не требует больших
производственных площадей.
Дальнейшее усовершенствование этого способа получения
шрота с минимальной денатурацией белков должно быть на-
правлено на разработку условий, обеспечивающих большую
глубину отгонки растворителя.
ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА 1
1. Аксельрод Л. С., Дильман В. В. Удельный вес газожидкостной
эмульсии при барботаже. «Химическая промышленность», 1954, № 1, с. 28—33.
2. Аксельрод Л. С., Дильман В. В. О высоте слоя эмульсии на
барботажных тарелках. ЖПХ. Т. XXIX. 1956. Вып. 12, с. 1803—1813.
3. Алексеев Н. Д. Производительность плоских сит и наивыгоднейший
режим их работы. Всесоюзный институт маслобойно-жировой промышлен-
ности. Труды. Вып. VI, 19.37, 155—234.
4. А л е к с е е в Н. Д. Оборудование жиродобывающих производств. М ,
Пищепромиздат, 1943.
5. А л ф р е й Т. Механические свойства высокополимеров. М., ИЛ, 1952.
6. Аммосова А. М. Новая шелушильная машина для хлопковых се-
мян. «Пищевая промышленность», 1961, № 2, с. 3—7.
7. Аммосова А. М. Новый принцип шелушения хлопковых семян.
ВНИЭКИПродмаш. Труды. Вып. I (22), М., 1963, с. 3—13.
8. А н д р е е в В. А. Дисперсное обезвоживание белково-коллоидных ве-
ществ. Сушка в пищевой промышленности. Профиздат, 1958.
9. Аппель П. Теоретическая механика, тт. I, II. М., Физматгиз, 1960.
10. Банцер Г. В. Эксплуатация экстракционных установок Олье во
Франции. МЖП, 1962, № 6, с. 42—46.
11. Бао-Чжи-Цюань. Исследование кинетики экстрагирования пи-
тательных веществ из сои. Кандидатская диссертация. ЛТИ им. Ленсовета,
Л„ 1955.
12. Барам А. А. Физико-химические основы технологии процесса извле-
чения веществ из пористых тел. «Химическая промышленность», 1964, № 2,
с. 62 (142)—68 (148).
13. Бартенев С. И. Влияние скорости движения экстрагирующей жид-
кости на скорость диффузии сахара из сока клеток свекловичной стружки.
Кандидатская диссертация. МТИПП, М., 1949.
14. Батунер Л. М., Поз ин М. Е. Математические методы в химиче-
ской технике. Госхимиздат, 1960.
15. Безуглов И. Е., Гавриленко И. В., Грабовский И. И.
Исследование отдельных вопросов непрерывной экстракции на установке
ДС-70. ВНИИЖ. Труды. Вып. XIX, Л., 1959, с. 286—295.
16. Белобородов В. В. Вязкость подсолнечных и соевых мисцелл.
МЖП, 1956, .Ж 3, с. 11—13.
17. Белобородов В. В. Коэффициенты диффузии некоторых расти-
тельных масел. ЖПХ, XXIX, 1956, вып. 9, с. 1437—1438.
18. Белобородов В. В. Процесс экстракции растительных масел (ли-
тературный обзор). ВНИИЖ, Л-, 1957.
19. Б е л о б о р о д о в В. В. Изучение механизма процесса экстракции
растительных масел. Кандидатская диссертация. Л., 1957.
20. Белобородов В. В. Методика лабораторной экстракции. МЖП,
1957, № 2, с. 17—18.
1 В списке литературы приняты следующие обозначения: ЖПХ — «Жур-
нал прикладной химии», МЖП — «Масло-жировая промышленность»,
МЖД — «Маслобойно-жировое дело».
453
21. Б е л о б о р о д о в В. В. Структура экстрагируемого материала как
один из определяющих факторов эффективности процесса экстракции. МЖП,
1957, № 5, с. 13—17.
22. Белобородов В. В. Производство растительных масел в Китай-
ской Народной Республике. М., Пищепромиздат, 1957.
23. Белобородов В. В. Методика испытания вертикального шнеково-
го экстрактора. Сборник «Методика заводских испытаний в производстве
растительных масел», под. ред. проф. А. М. Голдовского. ВНИИЖ, Л„ 1958,
с. 30—34.
24. Белобородов В. В. Влияние скорости и режима движения мис-
целлы на масличность шрота. Сборник «Обмен передовым научно-техническим
опытом». НТО пищевой промышленности, Л., 1958, с. 76—82.
25. Белобородов В. В. Опытные данные по бензиноемкости некото-
рых шротов. МЖП, 1958, № 2, с. 7—9.
26. Белобородов В. В. Изучение процесса экстракции растительных
масел из жмыхов. ЖПХ, т. XXXI, 1958. Вып. 9, с. 1565—1572.
27. Белобородов В. В. Дистилляция масляных мисцелл ВНИИЖ,
Л., 1958.
28. Белобородов В. В. Дистилляция мисцеллы в токе инертных га-
зов. ВНИИЖ. Труды. Вып. XIX. 1959, с. 159—168.
29. Белобородов В. В. Общие уравнения процесса отжима в произ-
водстве растительных масел. ВНИИЖ. Труды. Вып. XIX, 1959, с. 374—387.
30. Белобородов В. В. Методы расчета процесса экстракции расти-
тельных масел. М., Пищепромиздат, 1960.
31. Б е л о б о р о д о в В. В. Новое в технике и технологии маслодобываю-
щей промышленности. М., Пищепромиздат, 1960.
32. Белобородов В. В. Кинетика процесса экстракции растительных
масел. ВНИИЖ. Труды. Вып. XXI. 1961, с. 127—137.
33. Белобородов В. В. Балансовые уравнения процесса экстракции
растительных масел. «Пищевое машиностроение», 1962, № 1/19, с. 18—25,
МЖП, 1961, № 12, с. 10—11.
34. Белобородов В. В. Предварительная дистилляция мисцеллы в
поднимающейся пленке. МЖП, 1963, № 2, с. 5—8.
35. Белобородов В. В. Важнейшие производственные факторы эф-
фективности дистилляции мисцеллы методом распыления. МЖП, 1963, № 4,
с. 9—12.
36. Белобородов В. В. Окончательная дистилляция мисцеллы в сте-
кающей пленке. МЖП, 1963, № 7, с. 4—11.
37. Белобородов В. В. Кинетические уравнения экстракции из твер-
дых тел. ВНИИЖ, Труды. Вып. XXIII. 1963, с. 125—130.
38. Б е л о б о р о д о в В. В. Зависимость коэффициента массопереноса
в жидкой фазе от температуры, давления и концентрации распыляемой мис-
целлы. ВНИИЖ. Труды. Вып. XXIII, 1963, с. 145—158.
39. Белобородов В. В. Явления массопереноса при дистилляции рас-
пылением. ВНИИЖ. Труды, вып. ХХШ. 1963, с. 159—170.
40. Б е л о б о р о д о в В. В. Основные периоды процесса дистилляции мис-
целлы методом распыления. ВНИИЖ, Труды. Вып. XXIII. 1963, с. 171—183.
41. Белобородов В. В. Взаимодействие фаз при дистилляции распы-
лением. «Известия высших учебных заведений. Пищевая технология», 1963,
№ 6, с. 108—112.
42. Белобородов В. В. Распыление перегретых растворов как сред-
ство интенсификации массопереноса при фазовых превращениях. Второе Все-
союзное совещание по тепло- и массообмену. Тезисы докладов. Минск, 1964.
43. Белобородов В. В. Условия прохода частиц через отверстия
плоского сита с круговым поступательным движением. ВНИИЖ. Труды,
вып. XXVI, 1966.
44. Белобородов В. В., Иванова Н. А. Некоторые вопросы ра-
454
боты форсунки в связи с дистилляцией мисцеллы методом распыления.
МЖП, 1962, № 2, с. 4—8.
45. Белобородов В. В., Иванов Н. А. Предварительная дистил-
ляция мисцеллы методом распыления. МЖП, 1962, № 7, с. 8—10.
46. Белобородов В. В., Иванова Н. А. Влияние концентрации,
температуры и давления мисцеллы на эффективность дистилляции ее методом
распыления. МЖП, 1962, № 9, с. 8—12.
47, Б е л о б о р о д о в В. В., Каспаров Г. Н. Условия прохода оди-
ночной частицы через отверстия плоского сита с возвратно-поступательным
движением. ВНИИЖ. Труды. Вып. XXV. 1965, с. 20—29.
48. Белобородов В. В., Не щадим А. Г. Температурный фактор
в кинетике процесса экстракции растительных масел. «Известия высших учеб-
ных заведений. Пищевая технология», 1962, № 4, с. 133—139.
49. Белобородов В. В., Тросько В. И. О коэффициенте использо-
вания вертикального шнекового экстрактора. МЖП, 1958, № 5, с. 13—14.
50. Б е л о б о р о д о в В. В., Чудновская М. А. Роль времени, ва-
куума и острого пара в процессе дистилляции мисцеллы. МЖП, 1958, № 8,
с. 13—17.
51. Белобородов В. В., Чудновская М. А. Улучшение процесса
дистилляции мисцеллы в маслоэкстракционном производстве. ГОСИНТИ,
М„ 1959.
52. Белобородов В. В., Иванова Н. А., Бухтарева Э. Ф.,
Альбинская О. И. Некоторые характеристики производственного режи-
ма работы дистилляционной установки линии ДС-70. ВНИИЖ. Труды.
Вып. XXVI. 1966.
53. Беляев И. П. Новый способ обрушивания семян. Листовка МППТ
РСФСР «Опыт новаторов производства», 1957.
54. Берман Л. Д. К вопросу о скорости испарения капель воды. «Жур-
нал технической физики», т. XXIII, 1953, вып. 10, с. 1886—1889.
55. Б линдер А. Влага и ее влияние на экстракцию. МЖД, 1929, № 12,
с. 18—21.
56. Богомолов М. Н., ГортинскийВ. В. Влияние удара про-
сеиваемых частиц о кромку отверстия сита на эффективность сепарирования.
ВНИИЗ. Труды. Вып. 46. 1963, с. 55—67.
57. Б о л т а к с Б. И. Диффузия в полупроводниках. М., Физматгиз,
1961.
58. Б р а й н е с Я- М. Подобие и моделирование в химической и нефте-
химической технологии. М., Гостоптехиздат, 1961.
59. Б у р е н к о в Н. А. Исследование процессов фильтрации и экстракции
при вибрировании. Автореферат кандидатской диссертации. КТИИП, 1954.
60. Былинки на В. Н. Сб. «Биохимия культурных растений», т. III,
М.,—Л., 1938, с. 133—137.
61. Бэррер Р. Диффузия в твердых телах. М., ИЛ, 1948.
62. Вайсбергер А., Проскауэр Э., Риддик Дж., Гипсу. Ор-
ганические растворители. М., ИЛ, 1958.
63. Василенко П. М. Теория движения частицы по шереховатым по-
верхностям сельскохозяйственных машин. Изд. АН УССР, Киев, 1960.
64. Василинец И. М., Кириевский Б. Н., Романова Л. В.,
С п и н о в Р. И. Новый способ сушки семян подсолнечника в кипящем слое.
«Пищевая промышленность», 1962, № 6, с. 27—31.
65. Вентце ль Е. С. Теория вероятностей.. М., Физматгиз, 1962.
66. Вишнепольская Ф. А. Экстракция соевых семян этиловым спир-
том. ВНИИЖ. Труды. Вып. XXIII. 1963, с. 131—144.
67. ВНИИЖ- Руководство по технологии получения и переработки расти-
тельных масел и жиров, т. I, Л., 1960.
68. Волынский М. С. Изучение дробления капель в газовом потоке.
ДАН СССР. Т. XVIII, 1949, № 2, с. 237—240.
455
69. Гавриленко И. В. Непрерывная экстракция подсолнечных семян
методом орошения. МЖД, 1938, № 1, с. 17—19.
70. Г а в р и л е н к о И. В. Экстракция растительных масел сжиженными
газами. Рефераты работ ВНИИЖа за 1958 г., Л„ 1959, с. 7—8.
71. Гавриленко И. В. Маслоэкстракционное производство. М., Пи-
щепром издат, 1960.
72. Гавриленко И. В., Безуглов И. Е., Вишнепольская Ф. А.
Экстракция шнекпрессовых жмыхов из семян подсолнечника ВНИИЖ Тру-
ды. Вып. XIX. 1959, с. 357—373.
73. Гавриленко И. В., Б е з у г л о в И. Е., В и ш н е п о л ь с к а я Ф. А.,
Степанов Н. М. Выбор рациональной технологической схемы, режима
работы и производственно-технические показатели при переработке хлопко-
вых семян методом непрерывной экстракции ВНИИЖ. Труды Вып XIV,
1952, с. 17—36.
74. Гавриленко И. В., Безуглов И. Е., Степанов Н. М. Раз-
работка оптимальных условий подготовки к экстракции подсолнечных семян
в шнековых экстракторах. ВНИИЖ. Труды. Вып. XIV. 1952, с. 37—53.
75. Гавриленко И. В., Белобородов В. В. О режиме движения
мисцеллы в вертикальном шнековом экстракторе. МЖП, 1953, № 7, с. 10—13
76. Гавриленко И. В., Белобородов В. В. Вязкость хлопковых
мисцелл. МЖП, 1953, № 11.
77. Гавриленко И. В., Вишнепольская Ф. А. Влияние режима
подготовки мезги подсолнечных семян на скорость и полноту экстракции.
ВНИИЖ- Труды. Вып. XIX, 1959, с. 146—158.
78. Г а в р и л е н к о И. В., И с м а и л о в И. М. Капиллярные явления
при стоке растворителя из шрота. МЖП, 1963, № 4, с. 12—14.
79. Г а в р и л е н к о И. В., Исмаилов И. М. Связывание растворителя
шротом при экстракции. МЖП, 1963, № 9, с. 14—16.
80. Г а в р и л е н к о И. В., Исмаилов И. М. Формы и состояние
растворителя в проэкстрагированном материале (шроте). МЖП 1964, № 1,
с. 9—11.
81. Гавриленко И. В., Мекинулова Е. П. Промывка масляных
мисцелл электролитами. МЖП, 1962, № 11, с. 7—9.
82. Ган А. И. Рефераты работ института за 1956 г. ВНИИЖ, Л., 1957,
с. 3—4.
83. Ган А. И. Исследование процесса увлажнения хлопковых семян.
ВНИИЖ- Труды. Вып. XIX, Л., 1959, с. 49—60.'
84. Ган А. И. Определение коэффициента термовлагопроводности хлоп-
ковых семян. ВНИИЖ. Труды, Вып. XX, Л., 1960.
85. Ган А. И. Исследование процесса увлажнения хлопковых семян.
Автореферат кандидатской диссертации. Ташкент, 1961.
86. Ган А. И., Щ е к о л д и н М. И. Экспериментальное исследование
термовлагопроводности ядра хлопковых семян. ВНИИЖ. Труды. Вып. XXI,
Л., 1961, с. 81—90.
87. Г а н А. И., Щ е к о л д и н М. И. Экспериментальное исследование
термовлагопроводности ядра хлопковых семян. ВНИИЖ, Труды. Вып. XXI,
Л., 1961, с. 91 — 101.
88. Г а н А. И., Щ е к о л д и н М. И. Экспериментальные исследования
потенциалопроводности (влагопроводности) ядра хлопковых семян. ВНИИЖ.
Труды. Вып. XXI, Л., 1961, с. 102—113.
89. Гандзюк М. П, Стабников В. Н. Исследование некоторых ти-
пов барботеров. «Известия высших учебных заведений. Пищевая техноло-
гия», 1961, № 5, с. 76—83.
90. Геккер И. Е. Процессы и аппараты пищевых производств. М., Гос-
торгиздат, 1963.
91. Гельперин Н. И., Вильниц С. А. Диспергирование жидкостей
при истечении из насадок в воздух и жидкие среды. Труды Московского ик-
456
статута тонкой химической технологии им. М. В. Ломоносова. Вып 6, М.,
1956, с. 111—116.
92. Гинзбург А. С. Теплофизические основы процесса выпечки. М.,
Пищепромиздат, 1955.
93. Гинзбург А. С. Сушка пищевых продуктов. АС, Пищепромиз-
дат, 1960.
94. Гоголев Т. Ф. Теория и практика сушки масличных семян.
ВНИИЖ, Труды. Вып. IV. М.—Л., Снабтехиздат, 1934.
95. Г о л д о в с к и й А. М. Физико-химические и биохимические основы
производства растительных масел. М., Пищепромиздат, 1937.
96. Г о л д о в с к и й А. М. Исследования по экстракции масличных семян.
ВНИИЖ. Труды. Вып. XIV, 1952, с. 54-75.
97. Голдовский А. М. Теоретические основы производства раститель-
ных масел. М., Пищепромиздат, 1958.
98. Г о л д о в с к и й А. М. К вопросу об улучшении конструкции аппара-
тов для приготовления мезги в производстве растительных масел. МЖП,
1960, № 8,'с. 3—11.
99. Голдовский А. М. Дополнительные замечания к вопросу об
улучшении конструкций аппаратов для приготовления мезги. МЖП, 1961,
№’7, с. 16—19.
100. Г о л д о в с к и й А. М., 3 а й ц е в а М. Г. К оценке технологических
свойств семян подсолнечника новых селекционных сортов. МЖП, 1963, № 1,
с. 7—11.
101. Голдовский А. М., 3 а й ц е в а М. Г. К вопросу о переработке
семян подсолнечника высокомасличных сортов. МЖП, 1964, № 7, с. 4—8.
102. Голдовский А. М., Иванова Н. А. Количественные соотно-
шения и химическая характеристика составных частей семян льна. МЖП,
1961, № 2, с. 3—7.
103. Голдовский А. М., Любарская М. О влиянии влажности на
диффузию масла из клеток семян при экстракции. МЖД, 1935, № 12,
с. 586—587.
104. Г олдовский А. М, Мацу к Ю. П. Изменение объема прессуе-
мого материала при прессовании в шнековых прессах. МЖП, 1953, № 6,
с. 10—11.
105. Г о л д о в с к и й А. М., М а ц у к Ю. П. К пониманию некоторых яв-
лений, происходящих в ходе прессования в шнековых прессах. ВНИИЖ,
Труды. Вып. XIX. 1959, с. 71—77.
106. Голдовский А. М., Мацу к Ю. П., Щербак П. А. Изучение
работы шнековых прессов. Продолжительность прессования в шнековых прес-
сах. МЖП, 1953, № 5, с. 4—6.
107. Гортинский В. В. К вопросу о послойном движении продуктов
измельчения зерна на сите рассева. ВНИИЗ. «Сообщения и рефераты».
Вып. 5, М„ 1959, с. 11 — 12.
108. Гортинский В. В. Теоретические основы послойного движения
продуктов измельчения зерна на сите рассева. ВНИИЗ, Труды Вып. XXXIX.
М„ 1960, с. 65—82.
109. Гортинский В. В. Элементы теории движения продукта по ситу
рассева. Раздел учебника А. Я. Соколова «Технологическое оборудование
элеваторов, мельниц, крупяных и комбикормовых заводов». М., Заготиз-
дат, 1960.
НО. Гортинский В. В. Сортирование продуктов измельчения зерна
в рассевах. ВНИИЗ. Труды. Вып. 40, 1961, с. 115—138.
111. Грин Д. В. Внешняя баллистика. Современная математика для
инженеров. Под ред. Э. Ф. Беккенбаха. М., ИЛ, 1958, с. 48—72.
112. Г у р в и ч В. Л., С о с н о в с к и й Н. П. Избирательные растворители
в переработке нефти. М.—Л., Гостоптехиздат, 1953.
113. Гу хм ан А. А. Введение в теорию подобия. М., Изд. «Высшая
школа», 1963.
457
114. Де Г р о о т С. Р. Термодинамика необратимых процессов. М., Гос-
техтеориздат, 1956.
115. Демидов А. Р. Мельничные вальцовые станки. М., Заготиздат,
1948.
116. Демин И. В. Основы конструирования рушально-веечных агрега-
тов в маслобойной промышленности. М., Пищепромиздат, 1955.
117. Д е м и н И. В. Разрушение оболочки клещевины динамическим сжа-
тием. МЖП, 1957, № 2, с. 14—16.
118. Дорменко В. В. Опыт прессования сала кашалота для получе-
ния жира и кожевенного сырья. ВНИРО. Труды. Вып. XXII, М., Пищепром-
издат, 1952, с. 87—116.
119. Дронов С. Ф. Динамическая теория извлечения сахара из свеклы
диффузионным методом. М., Пищепромиздат, 1952.
120. Дьяконов Г. К. Вопросы теории подобия в области физико-хи-
мических процессов. Изд. АН СССР, М., 1956.
121. Дюкло Ж- Диффузия в жидкостях. ГОСИНТИ, 1939.
122. Живайкин Л. Я. Волгин Б. В. Течение пленок жидкости по
вертикальной поверхности. ЖПХ, т. XXXIV, 1961, вып. 6, с. 1236—1243.
123. Жилов С. Н. Распылительная сушка молока и ее интенсификация
применением зонного дутья. Сушка в пищевой промышленности. Профиз-
дат, 1958.
124. Жуков И. И. Коллоидная химия. Л., 1949.
125. Жуковский Н. Е. Заметка о плоском рассеве. Собр. соч. Т. III,
М.—Л., Гостехтеориздат, 1949, с. 515—522.
126. Заморуева Т. А., Мацук Ю. П., Нещадим А. Г. Определе-
ние истинной длины поровых каналов в слое экстрагируемого материала.
ВНИИЖ. Труды. Вып. XXIV, 1963, с. 47—52.
127. 3 а р е м б о Г. В. О сжатии мезги в процессе ее прессования в шне-
ковых прессах. ВНИИЖ- Труды. Вып. XIX, 1959, с. 118—122.
128. Зарембо Г. В. Анализ теоретической объемной производительно-
сти последовательного ряда шнековых звеньев в прессах различных типов.
ВНИИЖ. Труды. Вып. XX, 1960, с. 32—39.
129. 3 а р е м б о Г. В. О времени прохождения мезги через шнековый
пресс. ВНИИЖ. Труды. Вып. XX, 1960, с. 59—62.
130. Зарембо Г. В. Современные конструкции шнековых прессов не-
прерывного действия для производства растительных масел. «Пищевая про-
мышленность*, ЦИНТИПищепром, М., 1960.
131. Зарембо Г. В. Измерение температуры мезги в шнековых прес-
сах. ВНИИЖ. Труды. Вып. XXI, 1961, с. 73—80.
132. Зарембо Г. В. Исследование процесса отжима растительных
масел в шнековых прессах. Кандидатская диссертация. Краснодар, 1962.
133. Зарембо Г. В., Гольянова В. В. Увеличение срока службы
витков шнековых прессов непрерывного действия. ВНИИЖ. Труды. Вып. XV,
М-, Пищепромиздат, 1954, с. 20—37.
134. Зарембо Г. В., Медведев А. А. К выводу формулы произво-
дительности шнековых прессов. ВНИИЖ. Труды. Вып. XIX, с. 86—103.
135. Иванова Э. И. Влияние остатков масла в шроте на процесс
отгонки из него растворителя. МЖП, 1962, № 9, с. 13—15.
136. Иванова Э. И., Леонтьевский К. Е., Чудновская М. А.
Изучение возможности использования ультразвука в процессах маслодобыва- -
ния. ВНИИЖ. Труды. Вып. XIX, 1959, с. 260—268.
137. Игольченко М. И. Номограмма для определения возможности
вентилирования семян подсолнечника. МЖП, 1960, № 10, с. 16—18.
138. Игольченко М. И. Равновесная влажность ядра, оболочки и
семян высокомасличного подсолнечника. «Известия высших учебных заведе-
ний. Пищевая промышленность», 1960, № 5, с. 20—23.
139. Игольченко М. И. Исследование гигроскопических свойств
458
высокомасличных семян подсолнечника. Автореферат кандидатской диссерта-
ции. Краснодар, 1961.
140. Игольченко М. И., К о п е й к о в с к и й В. М. Поглощение и от-
дача влаги высокомасличными семенами подсолнечника. «Известия высших
учебных заведений. Пищевая промышленность», 1958, № 1, с. 27—32.
141. Ильин С. С. Новое в технологии выработки растительных масел
в Западной Европе. МЖД, 1933, № 2, с. 20—24; 1933, № 3, с. 22—27.
142. Исаев И. И. Определение времени прессования пищевых дисперс-
ных продуктов при постоянной нагрузке. «Известия высших учебных заведе-
ний. Пищевая промышленность», 1958, №5, с. 119—123.
143. И с м а и л о в М. И. К теории пограничного слоя при испарении.
Изд. АН Узб. ССР, Ташкент, 1959.
144. Ис а а и л о в И. М., М а х м у д о в А. У., К л е п и к о в В. Г. Способ
кондиционирования шрота по влажности. МЖП, 1962, № 11, с. 37—39.
145. Исмаилов И. М., Маркман А. Л., Качер Я. Ф., Куч-
мар О. Г., С о с н о в с к а я Б. Я- Экстракция хлопковых семян с отжатием
мисцеллы. ВНИИЖ. Труды. Вып. XXIV, 1963, с. 39—46.
146. Кавказов Ю. Л. Основы технологии сушки. Всесоюзное научно-
техническое совещание. Пленарные заседания. Профиздат, 1958, с. 68—93.
147. Кавказов Ю. Л. Сушка и увлажнение капиллярно-пористых тел.
Сушка в химической и легкой промышленности. Профиздат, 1958, с. 5—17.
148. Казанский М. Ф. Анализ форм связи и состояния влаги, погло-
щенной дисперсным телом, с помощью кинетических кривых сушки. ДАН
СССР, т. 130, 5, 1960, с. 1059—1062.
149. Карапетянц М. X. Химическая термодинамика. М.—Л., Гос-
химиздат. 1953,
150. Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической тех-
нологии. М., Госхимиздат, 1960.
151. Каспаров Г. Н., Белобородов В. В. Таблицы для определе-
ния размеров семян. «Известия высших учебных заведений. Пищевая техно-
логия», 1964, № 5, с. 64—66.
152. Каспаров Г. Н., Белобородов В. В., Алексеев В. М.
Влияние формы и размеров отверстий плоского сита на эффективность
очистки семян подсолнечника. МЖП, 1965, № 3, с. 9—11.
153. Каспаров Г. Н., Белобородов В. В. Влияние основных ки-
нематических параметров работы плоского сита на эффективность очистки
семян подсолнечника «Известия высших учебных заведений. Пищевая техно-
логия», 1965, № 3, с. 92—96.
154. Каспаров Г. Ц., Белобородов В. В. Влияние производи-
тельности, исходной засоренности и угла наклона сит на эффективность
очистки семян подсолнечника. МЖП, 1965, № 4, с. 9—13.
155. Каспаров Г. Н., Белобородов В. В. Влияние длины сита на
эффективность очистки высокомасличных семян подсолнечника. «Известия
высших учебных заведений Пищевая технология», 1965, № 4, с. 97—100.
156. Кафаров В. В. О моделировании сложных процессов. ЖПХ,
XXVIII, 1955. Вып. 11, с. 1234—1237.
157. Кафаров В. В. О теоретическом анализе диффузионных процес-
сов. ЖПХ, XXIX, 1956. Вып. I, с. 40—46.
158. Кафаров В. В. Основы массопередачи. Изд-во «Высшая школа».
М„ 1962.
159. Кафаров В. В. Анализ процессов массопередачи на основе пред-
ставлений о межфазной турбулентности. Тепло- и массоперенос. Т. II, Минск,
1963, с. 152—160.
160. Кац Б. А. Коэффициенты трения хлопковых семян и продуктов их
переработки. МЖП, 1958, № 12, с. 28—30.
161. Каштанов Е. И. Переработка хлопковых семян без обрушивания.
МЖП, 1961, № 4, с. 38—40.
162. Кир невский Б. Н. Аэродинамика кипящего слоя при сушке пи-
459
щевых материалов. «Известия высших учебных заведений. Пищевая техноло-
гия», 1962, № 6, с. 109—115.
163. Кирпичев М. В. Теория подобия. Изд. АН СССР, М., 1953.
164. Кишиневский М. X. О теоретической работе Данквертца в обла-
сти абсорбции. ЖПХ, XXVII, 1954. Вып. 4, с. 382—390.
165. Кишиневский М. X. О двух путях теоретического анализа аб-
сорбционных процессов. ЖПХ, XXVIII, 1955. Вып. 9, с. 927—933.
166. Кишиневски й'М. X., П а м ф и л о в А. В. О кинетике абсорбции.
ЖПХ, XXII, 1949. Вып. 11, с, 1173—1182.
167. Ключкин В. В. Прочность плодовых оболочек высокомасличных
семян подсолнечника. МЖП, 1958, № 9, с. 14—16.
168. Ключкин В. В. Обрушивание семян подсолнечника центробежным
способом. ВНИИЖ- Труды. Вып. XIX, 1959, с. 65—70.
169. Ключкин В. В. Уравнения нестационарной диффузии для пори-
стой пластинки, обтекаемой растворителем. ВНИИЖ. Труды. Вып. XXV, 1965.
170. Ключкин В. В. Влияние скорости движения растворителя на
процесс экстракции соевого масла. ВНИИЖ. Труды. Вып. XX, 1965,
с. 125—140.
171. Ключкин В. В. Исследование процесса экстракции соевого масла.
Кандидатская диссертация. 1966.
172. Ключкин В. В., Пи люк Н. И. Получение высококачественного
соевого шрота. ВНИИЖ- Труды. Вып. XXIII, 1963, с. 184—195.
173. Ключкин В. В., Пилюк Н. И., Г и р и н Г. М. Производство
тестированного шрота на Хабаровском масложировом комбинате. МЖП, 1963,
№ 7, с. 36—38.
174. Коваленко Ю. Т. Поверхностное натяжение мисцелл. МЖП,
1962, № 2, с. 8—12 (поправку к этой работе см. в том же журнале № 7,
1962).
175. Коваленко Ю. Т. Температуры кипения подсолнечных мисцелл.
МЖП, 1963, № 4, с. 7—9.
176. Коваленко Ю. Т. О некоторых свойствах растворов раститель-
ных масел в органических растворителях. ВНИИЖ. Труды. Вып. XXVI, 1966.
177. Коваленко Ю. Т., Белобородов В. В. Распределение кон-
центрации внутри частиц материала в ходе экстракции. ВНИИЖ- Труды
Вып. XXIV, 1963, с. 53—61.
178. Коваленко Ю. Т., Устинова Т. Н. Давление пара высоко-
концентрированных подсолнечных мисцелл. ВНИИЖ. Труды. Вып XXIV,
1963, с. 72—77.
179. К о в а л е н к о Н. П., Овчаренко В. Е. Особенности экстрак-
ционной установки фирмы Олье. МЖП, 1962, № 6, .с. 32—36.
180. Козьмин П. А., Э й д у с П. Т., Б а р е р Г. О., Козьмина Е. П.
2Мукомольное производство. М., Заготиздат, 1940.
181. Колпаков И. П. Руководство по эксплуатации шнековых прессов
ФП и ЕП при переработке подсолнечных семян. М., Пищепромиздат, 1951.
182. Ко но беев Б. И. Гидродинамика и массообмен в пленках жидко-
сти при высоких скоростях газа. Автореферат кандидатской диссертации.,
М., 1958.
183. Конобеев Б. И., Мал юсов В. А., Жаворонок Н. М. Гид-
равлическое сопротивление и толщина пленки при обращенном течении жид-
кости под действием газа в вертикальных трубках. «Химическая промышлен-
ность», 1957, № 3, с. 38 (166) —41 (169).
184. Копейковский В. М., Забелина 3. К., Щербаков В. Г.
Влияние влажности и некоторых биохимических факторов на условия хране-
ния высокомасличных семян льна. МЖП, 1956, № 6, с. 9—12.
185. Копейковский В. М., Костенко В. К- Изучение механизма
сушки семян подсолнечника высокомасличных сортов. «Известия высших учеб-
ных заведений. Пищевая технология», 1961, № 6, с. 66—72.
186. Копейковский В. М., Костенко В. К. Влияние скорости
460
движения теплоносителя на скорость сушки подсолнечных семян. МЖП, 1962,
№ 10, с. 13—16.
187. Копейковский В. М., Неброева Л. Г. Гигроскопические
свойства плодов и семян клещевины. МЖП, 1964, № 2, с. 7—9.
188. Костенко В. К. Влияние толщины продуваемого слоя на скорость
процесса сушки семян высокомасличного подсолнечника. «Известия высших
учебных заведений. Пищевая технология», 1962, № 5, с. 68—72.
189. Костенко В. К- Исследование процесса сушки высокомасличных
семян подсолнечника в производственных условиях. МЖП, 1962, № 8, с. 4—10.
190. Костенко В. К- Исследование в области сушки высокомасличных
семян подсолнечника. Автореферат кандидатской диссертации. Красно-
дар, 1962.
191. Красицкий И., Г авриленко И. Экстракция сырой подсолнеч-
ной мятки. МЖД, 1930, № 11, 12, с. 11—16.
192. Кришер О. Научные основы техники сушки. М., ИЛ., 1961.
193. Ксифилинов X. А. Обоснование методов очистки семян маслич-
ных культур. ВИМ. Труды. Т. 17. М., Сельхозгиз, 1952, с. 153—234.
194. Ксифилинов X. А. О кинематическом режиме работы плоского
решета. «Сельхозмашина», 1954, № 10, с. 17—21.
195. Кудрявцев Н. Взвешенные скорости маслосемян, их ядер и обо-
лочек. МЖД, 1935, № 5, с. 206—208.
196. Кудрявцев Н. Н. Центробежная рушка. МЖД, 1936, № 10,
с. 479—481.
197. Кузнецов Д. С. Гидродинамика. Л., Гидрометеоиздат, 1951.
198. Куприц Я. Н. Физико-химические основы размола зерна. М., За-
готиздат, 1946.
199. Купчинский П. Д. Вязкость растительных масел. ВНИИЖ-
Труды. Вып. XVII, Л., 1957, с. 183—189.
200. Кутателадзе С. С., Стырикович М. А. Гидравлика газо-
жидкостных систем. М.—Л., Госэнергоиздат, 1958.
201. Кутявин С. М. Опыт переработки нешелушеных хлопковых се-
мян на Уч-Курганском маслоэкстракционном заводе. МЖП, 1958, № 9,
с. 36—41.
202. Кухлевская В. А., Романова Л. В. Изучение работы бара-
банной сушилки. ВНИИЖ. Труды. Вып. XIX, 1959, с. 61—64.
203. Ладыженский Р. М. Исследование движения воздушного пу-
зырька в воде при высоких значениях Re. ЖПХ. Т. XXVII. Вып. I, 1954,
с. 22—32.
204. Ладыженский Р. М. Исследование форм газообразного пузырь-
ка, подымающегося в неподвижной жидкости. ЖПХ. Т. XXIX, 1956, вып. 2,
с. 193—200.
205. Л а с т о в ц е в. А. М. Оценка дисперсности распыленной жидкости.
Труды Московского института химического машиностроения, II (10), 1950,
с. 3—18.
206. Ластовцев А. М. Уравнение дробления жидкости вращающимися
распылителями. Труды Московского института химического машиностроения.
Исследования в области процессов и аппаратов химических производств. М.,
1957, с. 29—42.
207. Лебедев В. А. Определение фракционного состава механических
примесей подсолнечной мисцеллы. «Известия высших учебных заведений. Пи-
щевая технология», 1962, № 2, с. 134—137.
208. Лебедев П. Д. Расчет и проектирование сушильных установок.
М.—Л., Госэнергоиздат, 1963.
209. Лебедев П. Д., Верба М. И., Л е о н ч и к Б. И., Порт-
нов В. Д., Садчиков О. В. Сушка распылением подогретых неорганиче-
ских растворов. «Известия высших учебных заведений. Энергетика», 1959,
№ 2, с. 111—116.
210. Лебедев П. Д., Л е о н ч и к Б. И. Распылительная сушка перегре-
461
тых растворов. Тепло- и масссиеренос. Т. IV, М.—Л., Госэнергоиздат, 1963,
с. 221—226.
211. Леве нс он Л. В., Прейгерзон Г. И. Дробление и грохочение
полезных ископаемых. М.—Л., 1940.
212. Левич В. Г. Физико-химическая гидродинамика. М., Физмат-
гиз, 1959.
213. ЛейбензонЛ. С. Об испарении капли в газовом потоке. Изве-
стия АН СССР. Серия «География и геофизика», 1940, № 3, с. 285—304.
214. Л е й б е н з о н Л. С. Движение природных жидкостей и газов в по-
ристой среде. М.—Л., ОГИЗ, 1947.
215. Леонтьевский К. Е. Хранение масличных семян. М., Ппщепром-
пздат, 1959.
216. Леонтьевский К. Е., Аношкина А. А. К вопросу об изме-
нении дисперсности материалов в процессах производства растительных
масел. ВНИИЖ. Труды. Вып. XXIII, 1963, с. 22—25.
217. Леонтьевский К. Е., Аношкина А. А., Астахов И. И.
Электронно-микроскопические исследования структур материалов при пере-
работке семян подсолнечника. ВНИИЖ. Труды. Вып. XXIV, 1963, с. 19—32.
218. Леонтьевский К. Е., Фальк Е. Ю. Изменение белковых ве-
ществ в процессах маслодобывания. МЖП, 1956, № 3, с. 13—14.
219. Леонтьевский К. Е., Чудновск а я М. А. Метод определения
удельной поверхности сыпучих материалов. МЖП, 1959, № 9, с. 11—15.
220. Леонтьевский К. Е., Чудновская М. А. О смачивании в
процессах маслодобывания. ВНИИЖ- Труды. Вып. XXI, 1961, с. 5—12.
221. Леонтьевский К. Е., Чудновская М. А. Об адгезии масла
в материалах маслодобывания. ВНИИЖ. Труды. Вып. XXII, 1961, с. 5—18.
222. Л е о и ч и к Б. И. Экспериментальное исследование процесса сушки
перегретых растворов методом распыления. Автореферат кандидатской дис-
сертации. МЭИ, М., 1959.
223. Л е т о ш н е в М. Н. Теория вероятностей (в приложении к исследо-
ванию рабочего процесса плоского сортировочного решета). Теория, конструк-
ция и производство сельскохозяйственных машин. Т. I. Теория. Под ред.
проф. В. П. Горячкина. М.—Л., Сельхозгиз, 1935, с. 83—132.
224. Летошнев М. Н. Сельскохозяйственные машины. М.—Л., Сель-
хозгиз, 1955.
225. Лыков А. В. О термической диффузии влаги. ЖПХ. Т. VIII.
Вып. 8, 1935, с. 1354—1360.
226. Лыков А. В. Кинетика и динамика процессов сушки и увлажне-
ния. М.—Л., Гизлегпром, 1938.
227. Лыков А. В. Явления переноса в капиллярно-пористых телах. М.
Гостехтеориздат, 1954.
228. Лыков А. В. Тепло- и массообмен в процессах сушки. М.—Л.,
Госэнергоиздат, 1956.
229. Лыков А. В. Тепло- и массообмен как основа теории сушки. Все-
союзное научно-техническое совещание. Пленарные заседания. Профиздат,
1958, с. 34—46.
230. Лыков А. В., Грязнов А. А. Молекулярная сушка. М., Пище-
промиздат, 1956.
231. Лыков А. В., Михайлов Ю. А. Теория переноса энергии и ве-
щества. Изд. АН БССР, Минск, 1959.
232. Лыков А. В., М и х а й л о в Ю. А. Теория тепло- и массопереноса.
М.—Л., Госэнергоиздат, 1963.
233. Лыков М. В. Сушка распылением. М., Пищепромиздат, 1955.
234. Л ы с я н с к и й В. М. О коэффициенте диффузии сахара в свекле.
Труды Киевского технологического института пищевой промышленности.
Вып. XIII, 1953, с. 51—60.
235. Лышсвский А. С. О полях концентраций распыленной жидкости
462
е ассиметричной струе. «Инженерно-физический журнал», т. IV, 1961, № 2,
с. 27—32.
236. Макеев А. С., Бевзушенко В. С. Вибрирование при диффу-
зионном процессе. «Сахарная промышленность», 1955, № 1, с. 17—18.
237. А1 а р к м а н А., Б о ч к о В. Влияние высоты давления в прессе на
выход масла. МЖД, 1928, № 8, с. 19—23.
238. Маркман А. Л., Кац Б. А., Чеботарева А. П., Дуброви-
на М. Н., У с м а н б е к о в а У. К вопросу о повышении масличности семян
хлопчатника. МЖП, 1961, № 5, с. 18—20.
239. Маркман А. Л., Мастов А. Н. Экстракция шнекпрессовых жмы-
хов из хлопковых семян. ВНИИЖ- Труды. Вып. XIX, 1959, с. 169—192.
240. Маркман А. Л., Шамсутдинов Р. М. Датчик для измерения
давлений в зеерных цилиндрах шнековых прессов. МЖП, 1957, № 6, с. 15—19.
241. Маркман А. Л., Шамсутдинов Р. М., Махамадами-
н о в М. Д., Сабиров 3., Грабовский И. И., Торбин Б. Ф. Полупро-
изводственные испытания схемы двухступенчатой экстракции сырой хлопко-
вой мятки. ВНИИЖ. Труды. Вып. XXIII, 1963, с. 116—124.
242. Масликов В. А. Некоторые вопросы конструкции шнековых прес-
сов. МЖП, 1953, № 6, с. 11—15.
243. М а с л и к о в В. А. К выводу уравнения экстракции. «Известия
высших учебных заведений. Пищевая технология», 1958, № 2.
244. Масликов В. А. Примеры расчетов оборудования производства
растительных масел. М., Пищепромиздат, 1959.
245. Масликов В. А. Работа измельчающих машин и форма связи
масла белковым комплексом ядра. «Известия высших учебных заведений.
Пищевая технология», 1959, № 2, с. 142—150.
246. Масликов В. А. Упругие свойства мезги и работа, затрачиваемая
на ее сжатие. «Известия высших учебных заведений. Пищевая технология»,
1962, № 2, с. 128—133.
247. Масликов В. А. Изменение объема материала в шнековых прес-
сах. «Известия высших учебных заведений. Пищевая технология», 1962, № 4,
с. 140—143.
248. Масликов В. А. Технологическое оборудование производства
растительных масел. М., Пищепромиздат, 1962.
249. Масликов В. А., Лебедев В. А., Арутюнян Н. С.,
А г а р ы ш е в Д. Ф. Опыт применения гидроциклона для очистки подсолнеч-
ной мисцеллы. МЖП, 1963, № 1, с. 27—30.
250. М а с л и к о в В. А., Т р о я н о в а Н. Л. К вопросу о температурах
кипения подсолнечно-бензиновых мисцелл. Труды КИППа. Вып. XVI, Крас-
нодар, 1957, с. 47—50.
251. 1М асликов В. А., Чечевицын П. И. Сопротивление конуса вы-
ходящей ракушке и максимальное давление, развиваемое шнековым прессом.
«Известия высших учебных заведений. Пищевая технология», 1965, № 6,
с. 81—84.
252. М а ц у к Ю. П. К вопросу распределения масла в слоях прессуемо-
го материала. ВНИИЖ. Труды. Вып. XV, М., Пищепромиздат, 1954, с. 11—20.
253. Мацу к Ю. П. Температупа зеерных цилиндров шнековых прессов
ФП, ЕП, МП. МЖП, 1957, № 1, с. 18—20.
254. ДА а ц у к Ю. П. Методика испытания шнекового пресса. Сб. «Мето-
дика заводских испытаний в производстве растительных масел», под ред.
дроф. А. М. Голдовского. ВНИИЖ, Л., 1958, с. 22—29.
255. М а ц у к Ю. П. Из опыта подготовки жмыха семян подсолнечника
для последующей экстракции. ВНИИЖ, Л., 1958, с. 30.
256. М а ц у к Ю. П. Дистилляция мисцеллы распылением. МЖП, 1959,
№ I, с. 44—45.
257. Мац у к Ю. П. Улучшение качества масла и жмыха в процессе
прессования. Сб. ВНИИЖа «Пути улучшения качества и расширения ассорти-
мента продукции масложировой промышленности», Л., 1959.
463
258. М а ц у к Ю. П. Вопросы производительности шнековых прессов.
ВНИИЖ. Труды. Вып. XIX, 1959, с. 103—116.
259. Мацук Ю. П. К вопросам улучшения структуры экстрагируемого
материала и снижения бензиноемкости шрота. ВНИИЖ Труды. Вып XIX,
1959, с. 123—138.
260. Мацук Ю. И. Фильтрационная характеристика экстрагируемого
материала. ВНИИЖ- Труды. Вып. XIX, 1959, с. 193—207.
261. Мацук Ю. П., Ветров Б. Я- Охлаждение маслом зеерных ци-
линдров шнековых прессов. МЖП, 1957, № 6, с. 13—14.
262. Мацук Ю. П., Твердовский Г. И., К р е й с и н а Р. А., Пуш-
карев Г. П., Савченко Н. Я. Охлаждение горизонтальных зеерных ци-
линдров шнековых прессов. МЖП, 1956, № 2, с. 9 — 11.
263. Медведев А. А., Зарембо Г. В. Способ измерения радиальных
давлений в шнековых прессах. МЖП, 1954, № 1, с. 15—17.
264. Медведев А. А., Ром анков П. Г. Некоторые вопросы анало-
гии диффузионных и тепловых процессов. ЖПХ. Т. XXXII, 1959. Вып 5,
с. 1021 — 1029.
265. Медведев А. А., Р о м а н к о в П. Г. Уравнения и критерии подо-
бия неизотермической диффузии. ЖПХ. Т. XXXII, 1959, вып. 11, с. 2424—2428.
266. /Лееров Я. С. Применение гидроциклонов в масложировой про-
мышленности. МЖП, 1962, № 1, с. 33—36.
267. Мез ин В. К. Модернизация экстракционной установки НД-1000.
МЖП, 1962, № 6, с. 29—31.
268. Меликян Р. А. Всплывание единичных пузырьков в среде жид-
кости. ЖПХ, т. XXIX, 1956, вып. 12, с. 1792—1802.
269. Меликян Р. А. О гидродинамических режимах при всплывании
газа в слое жидкости. ЖПХ, т. XXX, 1957, вып. I, с. 38—44.
270. М и н к е в и ч И. А., Борковский В. Е. Масличные культуры.
Сельхозгиз, М., 1955.
271. Мир ер Е. Сб. «Исследования по химии и технологии производства
хлопкового масла», 1936, с. 49—54.
272. Михайлов А. Р. Исследование прочности семенной оболочки
семян клещевины. МЖП, 1952, № 7, с. 6—8.
273. Михеева Н. С. Исследование механизма сушки влажных мате-
риалов. МТИПП. Труды. Вып. VI, М., Пищепромиздат, 1956, с. 64—76.
274. Морин И. В. Теория и расчет винта шнекового пресса. «Пищевое
машиностроение», 1953, № 2, с. 41—48.
275. Моррисон Ф. Корма и кормление. Сельхозгиз, 1948.
276. Нассонов В. А. Анатомическое строение масличных семян.
Вып. I. М.—Л., Пищепромиздат, 1940.
277. Непомнящий Е. А. Кинетика процесса сепарирования. «Известия
высших учебных заведений. Пищевая технология», 1962, № 3, 150—154.
278. Нещадим А. Г. Интенсификация процесса экстракции масел из
масличных семян на аппаратах НД-1000. Тезисы докладов и сообщений. Все-
союзное совещание по вопросам новой техники. Краснодар, 1956, с. 60—62.
279. Нещадим А. Г. О разрушении клеточной структуры при подготов-
ке масличных семян к экстракции. МЖП, 1962, № 4, с. 17—19.
280. Нещадим А. Г. Неизотермическая ступенчатая экстракция с по-
лучением высококонцентрированных мисцелл. МЖП, 1962, № 12, с. 9—13.
281. Нещадим А. Г. Разработка способа экстракции растительных
масел с получением мисцелл высоких концентраций. Автореферат кандидат-
ской диссертации. Краснодар, 1962.
282. Н е щ а д и м А. Г. К влиянию температуры на экстракцию маслосо-
держащих материалов. «Известия высших учебных заведений. Пищевая тех-
нология», 1963, № 4, с. 53—57.
283. Нещадим А. Г. Изменения отдельных факторов в процессе
экстракции тонкого подсолнечного лепестка в аппарате НД-1000. МЖП, 1963,
№ 12, с. 9—13.
464
284. Нещадим А. Г., Белобородов В. В. Потери растворителя на
маслоэкстракционных заводах и пути их снижения. ВНИИЖ. Труды.
Вып. XIX, 1959, с. 208—245.
285. Нещадим А. Г., Коростелев В. М., П р о щ е н к о И. И.
К. вопросу о кинетике процесса экстракции в экстракторе НД-1000. МЖП,
1962, № 1, с. 6—9.
286. Нещадим А. Г., Курдюмов В. И. Влияние температурных ус-
ловий на эффект экстракции подсолнечных форпрессовых жмыхов в экстрак-
торе ДС-70. МЖП, 1961, № 6, с. 35—38.
287. Нещадим А. Г., Леденев Б. И., Бондаренко П, Е. Приме-
нение шнекового пресса «Титан V» при переработке маслосемян подсолнечни-
ка. МЖП, 1959, № 4, с. 7—8.
288. Никитина Л. М. Таблицы равновесного удельного влагосодер-
жания и энергии связи влаги с материалами. М.—Л., Госэнергоиздат, 1963.
289. Николаи Е. Л, Теоретическая механика. Физматгиз, 1962.
290. Овчаренко В. Е. Количественное определение бензина в экстрак-
ционном масле. МЖП,1958, № 4, с. 10—11.
291. Овчаренко В. Е. Некоторые данные по экстракции тонких по-
молов жмыхов. Сб. статей о работах института 1959—1961. УкрНИИМП.
Вып. IV—V, Харьков, 1963, с. 19—23.
292. Овчаренко В. Е. К вопросу изучения внутренней структуры
жмыха. МЖП, 1964, № 9, с. 5—7.
293. Овчаренко В. Е., Белобородов В. В. Гидродинамика частиц
подсолнечного форпрессового жмыха в восходящем потоке растворителя.
«Известия высших учебных заведений. Пищевая технология». 1965, № 3,
с. 144—146. '
294. Овчаренко В. Е., Дзюб и некий Р. Н. Непрерывная дистил-
ляция мисцеллы в колонных дистилляторах. МЖП, 1964, № 1, с. 39—40.
295. Основы расчета и конструирования машин и аппаратов пищевых
производств. Под ред. проф. А. Я- Соколова. М., Пищепромиздат, 1960.
296. Павлов К. Ф , Ром анков П. Г., Носков А. А. Примеры и за-
дачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Л., Госхимиз-
дат, 1959.
297. Плановский А. Н., Николаев П. И. Процессы и аппараты
химической и нефтехимической технологии. М., Гостоптехиздат, 1960.
298. Плюшкина Е. 3. Опыт сушки семян подсолнечника. М.,
ГОСИНТИ, 1959.
299. Поваров А. И. Гидроциклоны. М., Госгортехиздат, 1961.
300. П о д о л ь с к ая М. 3., Г а н А. И. Исследование хлопковых техни-
ческих семян. МЖП, 1957, № I, с. 5—9.
301. Позин М. Е., М у х л е н о в И. П., Тумаркина Е. С., Т а-
р а т Э. Я. Пенный способ взаимодействия газов с жидкостями. ЖПХ,
т. XXVII, 1954, вып. 1, с. 12—21.
302. Позин М. Е., М у х л е н о в И. П., Тар ат Э. Я- О характере
дисперсной системы газ — жидкость. ЖПХ, т. XXX, 1957, вып. 1, с. 45—52.
303. Позин М. К., Тум аркнна Е, С. О влиянии физических свойств
жидкости на образование подвижной пены. ЖПХ, т. XXVII, 1954, вып. 11,
с. 1170—1179.
304. Предтеченский В. К. Термовлагопроводность лузги и ядра
семян подсолнечника. «Известия высших учебных заведений. Пищевая техно-
логия», 1965, № 2, с. 142--146.
305. Пригожин И. Введение в термодинамику необратимых ппоцессов
М„ ИЛ., 1960.
306. Р а я л о Г. Ю. Массообмен при дистилляции с водяным паром в
аппаратах пленочного типа. Труды Таллинского политехнического института.
Серия А, № 128, Таллин, 1957.
307. Р а я л о Г. Ю., Р о м а н к ов П. Г. Разделение бинарных смесей пу-
тем дистилляции с водяным паром в аппаратах пленочного типа. Труды ЛТИ
им. Ленсовета. Вып. XLVI, Л., Госхимиздат, 1958, с. 147—161.
'465
308. Ребиндер П. А. О формах связи влаги с материалами в процессе
сушки. Всесоюзное научно-техническое совещание по интенсификации процес-
сов и улучшению качества материалов при сушке в основных отраслях про-
мышленности и сельском хозяйстве. Пленарные заседания Профиздат 1958,
с. 20—33.
309. Ребиндер П. А., Шрейн ер Л. А., Жигач К. Ф. Понизители
твердости в бурении. М.—Л., 1944.
310. Ржехин В. П. Влияние величины удельных давлений в прессе на
выход масла. БТИ МПП СССР, 1950, 5, с. 16—19.
311. Ржехин В. П., Погонкина Н. И. Пластичность жиросодержа-
щих объектов. «Бюллетень технической информации», 1950, № 5, с. 19—23.
312. Ржехин В. П., Погонкина Н. И., Чука ев а В. Н. Перера-
ботка соевых семян с получением пищевых жмыха и масла. МЖП, 1955, № 6,
с. 9—13.
313. Романков П. Г. Единые кинетические закономерности как основа
современного учения о процессах и аппаратах химической технологии. Док-
торская диссертация. ЛТИ им. Ленсовета, Л., 1947.
314. Романков П. Г. Гидравлические процессы химической техноло-
гии. Л.—М., Госхимиздат, 1948.
315. Романков П. Г. Разработка рационального метода разделения
суспензии, полученной в импульсном экстракторе. Фонды ВНИИЖа, 1956.
316. Романков П. Г., Бао Чжи-Цюань. Изучение процесса
экстрагирования из твердых материалов. Труды ЛТИ им. Ленсовета,
вып. XXXIX. Госхимиздат, 1957, с. 44—77.
317. Романков П. Г., Бао Чжи-Цюань, Курочкина М. И. Не-
которые вопросы теории и практики экстрагирования из твердых материалов.
«Химическая наука и промышленность», т. III, 1958, № 4, с. 506—511.
318. Романова Л. В. Особенности семян подсолнечника высокомас-
личных сортов, влияющие на их хранение. Труды выездной сессии Ученого
совета ВНИИЖа по вопросам хранения семян подсолнечника высокомаслич-
ных сортов. Л., 1959, с. 72—82.
319. Романова Л. В., Сазы кина Н. А. Сравнительное изучение
семян подсолнечника высокомасличных сортов в связи с вопросами их хра-
нения. ВНИИЖ. Труды. Вып. XIX, 1959, с. 5—17.
320. Руб Д. М. Исследование маслоотжимных шнековых прессов. Авто-
реферат кандидатской диссертации. МТИПП, М., 1957.
321. Румянцев С. Н., Штюрмер Г. А., Хованов М. И. Коэффи-
циент трения скольжения мезги подсолнечных семян относительно стального
стержня. МЖП, 1960, № 9, с. 37—39.
322. Р у ш к о в с к и й С. В. Биохимические особенности семян подсолнеч-
ника высокомасличных сортов. Труды выездной сессии Ученого Совета
ВНИИЖа по вопросам хранения семян подсолнечника высокомасличных сор-
тов. ВНИИЖ, Л„ 1959, с. 62—71.
323. Салимова X. Физико-механические свойства хлопковых семян
как показатель их сырьевого достоинства. Автореферат кандидатской диссер-
тации. Ташкент, 1957.
324. С е р д ю к В. И. Об интенсификации процесса экстракции раститель-
ных масел. «Известия высших учебных заведений. Пищевая технология»,
1961. № 1, с. 111—116.
325. Сердюк В. И. Опытная работа на экстракторе НД-1000 в усло-
виях температурной интенсификации. МЖП, 1961, № 7, с. 38—40.
326. Сердюк В. И. Исследование процесса экстракции растительных
масел. Автореферат кандидатской диссертации. Краснодар, 1962.
327. Сийрде Э. К- Исследование процесса дистилляции с водяным па-
ром. Труды Таллинского политехнического института. Серия А, Таллин,
1957. № 8.
328. Сийрде Э. К., Р о м а н к о в П. Г. Исследование процесса дистил-
ляции с водяным паром. ЖПХ, т. XXXI, 1958, вып. 12, с. 1817—1823.
466
329. Силин П. М. Вопросы получения диффузионного сока. «Сахарная
промышленность», 1950, № 11, с. 17—23.
330. С к и п и н А. И. Непрерывно действующий форчанный агрегат для
получения масла из мятки. «Бюллетень изобретений», 1956, № 3, с. 15, авт.
свид. 102856.
331. С к о б л о А. И., Т р е г у б о в а И. А., Е г о р о в Н. Н. Процессы и
аппараты нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. М,
Гостоптехиздат, 1962.
332. Смолянский М. Л., Таблицы неопределенных интегралов. М.,
Физматгиз, 1963.
333. Соколов В. И. Теория центробежного отжима. «Журнал техниче-
ской физики», т. XVIII, вып. I, 1948, с. 105—114.
334. С о к о л о в А. Я. Технологическое оборудование предприятий по
хранению и переработке зерна. Хлебоиздат, 1958.
335. Соколов А. Я., Ж и с л и н Я. М., Гринберг Е. Н. Эксперимен-
тальные исследования процесса аэрошелушения зерна крупяных и масличных
культур. ВНИЭКИПродмаш, Труды института. Вып. I (28), М., 1964,
с. 3—12.
336. С п и н о в Р. И. Из опыта работы эстракционного цеха Запорожско-
го масложиркомбината. МЖП, 1952, № 9.
337. Спинов Р. И. Фильтрация мисцеллы. МЖП, 1962, № 10, с. 32—34.
338. Спинов Р. И. Закономерности процесса фильтрования подсолнеч-
ной мисцеллы. МЖП, 1964, № 5, с. 5—10.
339. С п и н о в Р. И. Исследование процессов очистки мисцелл в произ-
водстве растительных мабел. Автореферат кандидатской диссертации. Красно-
дар, 1964.
340. Спинов Р. И., П и т к е в и ч М. Г., Беликов И. Г. Отчет по
изучению непрерывной экстракции масличных семян и жмыхов. Лейпциг, 1946.
341. Ст а б ни ко в В. Н. Перегонка и ректификация спирта. М., Пище-
промиздат, 1962.
342. Стабников В. Н., Попов В. Д., Редько Ф. А. Процессы и
аппараты пищевых производств. М., Пищепромиздат, 1959.
343. Стародубцева А. Н. Гигроскопические свойства и равновесная
влажность маслосемян. «Известия высших учебных заведений. Пищевая тех-
нология», 1959, № 4, с. 36—39.
344. Суворове. С. О полезной работе валков при измельчении зерна.
ВНИИЗ. Труды. Вып. 40, 1961, с. 65—93.
345. Тарасов С. Г. Исследование процесса влаго-тепловой обработки
подсолнечной мягки. Автореферат кандидатской диссертации. Краснодар,
1965.
346. Тверская Н. П. Испарение падающей капли. «Ученые записки
ЛГУ», № 120. Серия физических наук, 1949, № 7, с. 241—266.
347. Тверская Н. П. Влияние потока воздуха на скорость испарения
капель воды. «Известия АН СССР. Серия география и геофизика». Т. XIV,
1950, № 2, с. 164—170.
348. Тверская Н. П. Температура испарения капель. «Известия АН
СССР. Серия география и геофизика», 15, 1951, с. 74—81.
349. Термодинамика необратимых процессов. М., ИЛ., 1962.
350. Тихонов М. И., Леонтьевский К. Е., 3 арембо Г. В. Испы-
тание нового шнекового вала маслоотжимного пресса. ВНИИЖ. Труды.
Вып. XXIII, 1963, с. 26—31.
351. Т о р б и и Б Ф. Снижение потерь бензина со шротом. МЖП, 1963,
№ 3, с. 34—35.
352. Торбин Б. Ф., Белобородов В. В. Основные факторы эффек-
тивности отгонки растворителя из шрота в шнековых испарителях. МЖП,
1964, № 10, с. 8—13.
353. Тросько У. И., Мастов А. Н. п др. Упрощение схемы очистки
хлопковых семян. ВНИИЖ. Рефераты работ института за 1958 г. Л., 1959.
467
354. ТуницкийН. М. О диффузионных процессах в условиях естест-
венной турбулентности. «Журнал физической химии», т. XX, вып. 10, 1946,
с. 1137—1141.
355. У к о л о в В. С., Р е з ч и к о в В. А., Л е б е д и к Г. И. Сушка семян
н коробочек клещевины в насыпи. ВНИИЗ. Труды. Вып. 47, М., 1963,
с 3—13.
356. Фалько в ский И. М. Сушка и увлажнение лубоволокнистых ма-
териалов. Сушка в химической и легкой промышленности. Профиздат, 1958,
с. 66—87.
357. Федосеев В. А., Полищук Д. И. Испарение капель воды при
температурах среды ниже температуры кипения. «Журнал технической фи-
зики», 23, 1953, вып. 2 с. 233—241.
358. Франк-Каменецкий Д. А. Диффузия и теплопередача в хи-
мической кинетике. М.—Л., Изд. АН СССР, 1947.
359. Френкель А. И. Кинетическая теория жидкостей. Изд. АН СССР,
1945.
360. Хала Э., П и к И., Ф р и д В., В и л и м О. Равновесие между жид-
костью и паром. М., ИЛ., 1962.
361. Химические превращения жирных кислот и глицеридов. ВНИИЖ-
Вып. XVII, 1959.
362. Ху сид С. Д. Измельчение зерна. М., Хлебоиздат, 1958.
363. Цециновский В. М. Теоретические основы разделения сыпучих
смесей. ВНИИЗ. Труды. Вып. XXIII, 1951, с. 5—24.
364. Цециновский В. М. Интенсификация процесса просеивания про-
дуктов размола на рассевах. ВНИИЗ. Труды. Вып. XXIII, 1951 с. 25—49.
365. Цециновский В. М. Обобщенное уравнение кинетики сепариро-
вания. ВНИИЗ. Сообщения и рефераты. Вып. II, М., 1962, с. 3—5.
366. Циборовский Я. Процессы химической технологии. Л., Госхим-
издат, 1958.
367. Шамсутдинов М. Р. И. Методика измерения давлений и темпе-
ратур внутри щелевых цилиндров шнекпрессов. Автореферат кандидатской
диссертации. Изд. САЗПИ, Ташкент, 1955.
368. III а р о й к о Е. А. Изучение физических свойств семян подсолнечни-
ка в связи с их хранением. ТСХА, Рефераты докладов. Вып. XIX, М., 1954,
с. 78—82.
369. Шаройко Е. А. Гигроскопические свойства семян подсолнечника.
МЖП, 1964, № 3, с. 6—9.
370. Шахов Ф. Н., Желеховский В. А. Расчеты, конструирование
ц исследование химической аппаратуры и машин. НИИХИММАШ, сб. 5,
Машгиз, 1950.
371. Шахпаронов М. И. Очерки философских проблем химии. Изд.
Московского университета, 1957.
372. Шенкель Г. Шнековые прессы для пластмасс. Л., Госхимиздат,
1962.
373. Штрауф Е. А. Молекулярная физика. Л.—М., Гостехтеориз-
дат, 1919.
374. Штребачек 3., Тауск П. Перемешивание в химической про-
мышленности. Л., Госхимиздат, 1963.
375. Щербаков В. Г. Биохимия и товароведение масличного сырья.
М., Пищепромиздат, 1963.
376. Щиголев Б. М. Математическая обработка наблюдений. М., Физ-
м атгиз, 1962.
377. Э к к е р т Э. Р., Д р е й к Р. М. Теория тепло- и массообмена. М.—Л.,
Госэнергоиздат, 1961.
378. Эпштейн Д. А. Классификация химических реакций в связи с
определением оптимальных условий технологических процессов. ЖПХ, т. XIX,
1946. Вып. 10, 11, с. 1125—1142.
468
379. Эпштейн Д. А. Научные основы проектирования химико-техно-
логических процессов. ЖПХ, т. XXIV, 1951. Вып. 7, с. 770—771.
380. Яковлева В. М. Некоторые особенности анатомического стро-
ения эндосперма семени кориандра и их влияние на экстрагируемость корианд-
ровых отходов. ВНИИЖ- Труды. Вып. XIX, Л., 1959, с. 18—27.
381. Alderks О. Н. Cooking of Meats and Recovery of the Oil. «Cotton-
seed and Cottonseed Products» (edit. Bailey A. E.), Interscience, N. Y., 1948,
615—650.
382. Antonioli A. G., TurrizianiR. Sulla estrazione di olio a mez-
zo di solvente ad elevata temperatura. Nota 1. «Annali di Chimica», 41, 1951,
No. 4—5, 255—263.
383. Antonioli A. G., Turruziani R. Sulla estrazione di olio a
mezzo di solvente ad elevata temperatura. Nota III. «Annali di Chimica», 45,
1955, No. 11, 1035.
384. Arnold L. K-, Carvey R. M. Preliminary Studies on the Applica-
tion of Certain Chlorinated Solvents to Soybean Oil Extraction. «J. Am. Oil
Chemists’Soc.» 30, 1953, No. 2, 81—82.
385. Arnold L. К., C h о u d h u г у R. B. R. Extraction of Soybean and
Cottonseed Oil by Four Solvents. «J. Am. Oil Chem. Soc.», 37, 1960, No. 9,
458—459.
386. Arnold L. K-, Fu K. Liu. Boiling Point—Vapor Pressure—Com-
position Relations for Trichloroethylene—Cottonseed Oil Miscellas. «J. Am. Oil
Chem. Soc.», XXX, No. 6, 1953, 249—251.
387. A r n о 1 d L. K-, J u h 1 W. G. Solvent Extraction of Cottonseed Meats.
«J. Am. Oil Chem. Soc.», XXXI, 1954, No. 12, 613—618.
388. Arnold L. K., J u h 1 W. G., A r v i d s о n J. R. Densities and Visco-
sities of Trichloroethylene Miscellas of Cottonseed Oil, Fish Oil and Beef Tal-
low. «J. Am. Oil Chem. Soc.», 31, 1954, No. 9, 393—394.
389. A r n о 1 d L. K-, P a t e 1 D. J. Effect of Moisture on the Rate of Sol-
vent Extraction of Soybeans and Cottonseed Meats. «J. Am. Oil Chem, Soc:»,
XXX, 1953, No. 5, 216—218.
390. Arnold L. K-, Pool S. P. Effects of Certain Operating Variables
on the Continuous Solvent Extraction of Vegetable Oils. «J. Am. Oil Chem.
Soc.», XXX, 1953, No. 12, 611—613.
391. Ayers A., Scott C. A Study of Extraction Rates for Cottonseed
and Soybean Flakes Using n—Hexane and Various Alkohol—Hexane Mixtures.
«J. Am. Oil Chem. Soc.», 29, 1952, No. 6, 213—218.
392. Bailey A. E. Steam Deodorization of Edible Fats and Oils. Theory
and Practice. «Ind. Engng Chem.», 33, 1941, No. 3, 404—408.
393. Bailey A. E. Industrial Oil and Fat Products. N. Y., London Inc.,
1951.
394. В e 11 e г P. А., В r e k k e O. L., W a 11 h e r G. F., S m i t h A. K-
Flash Desolventizing. «J. Am. Oil. Chem. Soc.», 31, 1954, No. 10, 401—403.
395. В о n о 11 о M. The Problem of «Fines» in Continuous Solvent Extrac-
tion Systems. «Oil and Soap», XXIII, No. 9, 1946, 297—299.
396. Boucher D. F., В r i e r I. С., О s b u r n I. O. Extraction of Oil
from Porous Solid. «Trans. Am. Inst. Chem. Engrs», XXXVIII, 967—993, 1942.
397. Brauer H. Stromung und Warmeiibergang bei Rieselfilmen. «VDI-
Forschungsheft», 457, Ausgabe В., B. 22, 1956, Dusseldorf.
398. В r e k k e O. L., M u s t a k a s G. C., R a e t h e r M. C., Griffin E. L.
Flash Desolventizer Operation to Produce Soybean Protein Flakes. «J. Am.
Oil Chem. Soc.», 36, 1959, No. 6, 256—260.
399. Carey J. S. Distillation, Chemical Engineers’Handbook, Ed. J. H. Per-
ry, N. Y., Toronto, London, Me Graw-Hill Book, Inc., 1950.
400. Chemical Engineers Handbook, Ed. John H. Perry, New York, Toronto,
London, McGraw-Hill Book Co., Inc., 1950.
401. С о n d a r J. Anwendung des Hochfrequenz—Kraftfeldes bei der Aufar--
469
beitung Verschiedener Olsamen. «Fette—Seifen—Anslrichmittel», 65, 1963,
N. 3, 196—202.
402 Consiglio J. A., Sliepcevich С. M. Effect of Liquid Physical
Properties and Flow Rates on the Surface Area of Sprays from a Pressure
Atomizer. «А. I. Ch. E. Journal», 3, N. 3, 1957, 418—427.
403. Coats H. B., Wingard M. R. Solvent Extraction. III. Effect of
Particle Size on Extraction Rate. «J. Am. Oil Chem. Soc.» 2, 27 1950 no. 2,
93—96.
404. Culwerwell J. F., Grounds P. W., Lamb G. G., Ste-
vens W. F. Composition Change in Binary—Component Spray Vaporization
at Atmospheric Pressure. «А. I. Ch. E. Journal», 2, 1956, No. 4, 555—560.
405. D an ckw er t s P. V. Significance of Liquid—Film Coefficients Gas
Absorption. «Ind. Engng Chem.», 43, No. 6, 1951.
406. Daniel R. S. Vapor Pressure of Pure Substances Organic Compounds.
«Ind. Engng Chem.», 39, 1947, No. 4, 517—540.
407. D’A quin E. L., S p a d а г о J. J. et al. Filtration—Extraction of
Cottonseed. «Ind. Engng Chem.», 45, 1953, 247—254.
408. DavidsonL, Amick E. H. Jr. Formation of Gas Bubbels at Ho-
rizontal Orifices. «А. I. Ch. E. Journal», 2, 1956, No. 3, 337—342.
409. Dukler A. E., В er gel in О. P. Characteristics of Flow in Falling
Liquid Films. «Chem. Engng Progr.», 48, 1952, No. 11, 557—563.
410. D u n n i n g J. W. High Capacity Expeller Operations. «Oil Mill Gaz.»,
58, 1954, No. 12, 11—15.
411. Dunning J. W., К e a h e у H. P. High Capacity Expeller Operations.
«J. Am. Oil Chem. Soc.», 29, 1952, No. 12, 627—628.
412. Eaves P. H., Malaison L. L, Black C. L., Crovette A. L,
D’Aquin E. L. A Comparison of Five Commercial Solvents for Extraction of
Cottonseed. «J. Am. Oil Chem. Soc.», XXIX, 1952, No. 3, 88—94.
413. Eaves P. H., Mo 1 a i s о n L. J. et al. The Effects, of Alkali Cooking
on the Yields of Crude Neutral Oil from Cottonseed Meats. «J. Am. Oil Chem.
Soc.», 35, 1958, No. 1, 33—36.
414. Fan H. P., Morris J. C., Wakeham H. Diffusion Phenomena in
Solvent Extraction of Peanut Oil. Effect of Cellular Structure. «Ind. Engng
Chem.», 40, 1948, No. 2, 195—199.
415. «Fette—Seifen—Anstrichmittel», 60, 1958, No. 8, 5.
416. «Fette—Seifen—Anstrichmittel», 61, 1959, No. 5, 12.
417. Friedman L., Kraemer E. O. The Structure of Gelatine Geis
from Studies of Diffusion. «J. Am. Oil Chem. Soc.», 52, 1930, No. 4, 1295—1304.
418. Fritz F. Die Wichtigsten Losungs- und WeichmachungsmitteL VEB
Verlag, Berlin, 1957.
419. Frossling N. Uber die Verdunstung Fallender Tropfen. «Gerlands—
Beitr. Geophys.», 52, 1938, 170—216.
420. Fuchs N. Uber die Verdampfungschwindigkeit kleiner Tropfchen in
einer Gasatmosphare. «Physikalische Zeitschrift der Sowjitunion», b. 6, Heft 3,
1934, 224—243.
421. ’Gebhardt H. Zerstaubung mit Dralldiisen. Teil I—II. Maschinen-
bautechnik, 8, 1959, Heft 1, 33—40; Heft 2, 83—91.
422. GrosbergJ. A. Solid—Liquid Extraction Calculations. «Ind. Engng
Chem.», 42, 1950, No. 1, 154—162.
423. Herrmann I. Lehrbuch der Vorratspflege. VEB Deutscher Land-
wirtschaftsverlag, 1963.
424. Hsu N. T., Salo K-, Sage В. H. Material Transfer in Turbulent
Gas Streams. Influence of Shape on Evaporation of Drops of n-Heptane. «Ind.
Engng Chem.», 46, 1954, No. 5, 870—876.
425. Hutchins R. P. Safety of Design in Solvent Extraction. «J. Am. Oil
Chem. Soc.», 34, 1957, No. 3. 119—121
426. J а с к s о n M. L., L a v о с о t F. L, Richards H. R. Screw Extru-
470
sion Theory with Application to Double—Base Propellant. «Ind. Engng Chem.»,
50, 1958, No. 10, 1569—1576.
427. JakyM, Co nd ar J., Demeczky M. Uber die dielectrische Vor-
behandlung bei der Verarbeitung von SonnenDlumensaat. «Fette—Seifen—An-
strichmittel», 62, 1960, No. 6, 483—486.
428 Johnstone H. F„ Eads D. K. Vaporization of Small Sulfur Drop-
lets. «Ind. Engng Chem.», 42, 1950, No. 11, 2293—2297.
429. Johnstone H. F., Spoor J. H., Goss W. H. Properties of Soy-
bean Oil—Solvent Mixtures. «Ind. Engng Chem.», 32, 1940, No. 6, 832—835.
430. Jost W. Diffusion in Solids, Liquids, Gases. Acad. Pr. Inc., N. Y.,
1952.
431 Junker M. Die Benzinverluste bei der Extraction «Allg. Oel und
Fette Ztg.», 28, 1931, No. 19, 331—332; 28, No. 20, 334—345.
432. Kaufmann H. P., Guldenpfenning Dr. R. Neuzeitliche Tech-
nologie der Fette und Fettprodukte XCIV: Die Olgewinnung durch Losungsmit-
tel—Extraction. «Fette—Seifen—Anstrichmittel», 65, 1963, N. 4, 368—374.
433. Kaufmann H. P., Guldenpfenning R. Neuzeitliche Techno-
logic der Fette und Fettprodukte XCV: Die Olgewinnung durch Losungsmittel
Extraction. «Fette—Seifen—Anstr.», 65, 1963, N. 7, 578—585.
434. Kaufmann H. P., G u I d e n p f e n n i n g R. Neuzeitliche Techno-
logie der Fette und Fettprodukte XCVI: Die Olgewinnung durch Losungsmit-
tel—Extraction. «Fette—Seifen—Anstr.», 65, 1963, N. S.
435. К e a n e J. D., Smith С. T. Solution Hold-up as a Factor in Oilseed
Extractor Design. «J. Amer. Oil Chem. Soc.», 35, 1958, N. 5, 199—203.
436. King W. H., Frampton V. L. Properties of Oil Extracted from
Cottonseed with Acetone—Hexane—Water Solvent Mixture. «J. Amer. Oil Chem.
Soc.», 38, 1961, N. 9, 497—499.
437. King С. O., Kats D. L., Brier I. C. The Solvent Extraction of
Soybean Flakes. «Trans. Am. Inst. Crem. Engrs.», LX, 1944, N. 5, 533—556.
438. King W. H„ Knoepf ler N. B. et al. Pilot—Plant Development of
the Alkali Cooking Process for Cottonseed Meats. I. Effect of Flake Thickness
and of Time, Temperature and Aloisture Content During Cooking. «J. Amer.
Oil Chem. Soc.», 34, 1957, N. 1, 27—30.
439. King W. H„ Knoepf ler N. B., Carrol L. H. Pilot—Plant De-
velopment of the Alcali—Cooking Process for Cottonseed Meats. III. Quantitative
35 ?958’Ng 1V46—49S °П Solubi!ity of Meai Nitrogen- «J. Am. Oil Chem.
of см?Д King WH. Wolf or d k T et al Effecf of H Du Cookino-
233 1956 N 2 71-74 ₽e S °f MeaIs and Oils- Am- Oil Chem. Soc.»“
pression. Jlnd. Engng Chem.'» ПЗк Й^З, E<*Uation of °U Ex‘
vin», 8, 1^57,PN. ЗкрУ 151—^52У benzinu v extra'aenich stanieich. «Prymysl Potra-
XII,419%LNa 5,^368—370. Evaporation of Smal! Spheres. «Physical Rewiew»,
frei Tahend^n4 mefber,?a,Wsverhalt,1'sse bsi
ten», 43, 1956, N 20, 465-466 d der ^erdampfung. «Naturwissenschaf-
471
448. Les problemes de filtration en huilerie. Bulot J. Expose introductif.
R a i c h 1 e n M. Generalites sur les parois filtrantes ame de la filtration.
«Revue franq. corps, gras», 10, 1963, N. 3, 137—145.
Defromont C., Delahaye D. Quelques. observations sur la filtration
des corps, gras. «Revue franq. corps, gras», 10, 1963, N. 4, 197—205.
449. Lewis W. K., Whitman W. G. Principles of Gas Absorption, «Ind.
Engng Chem.», 16, 1924, N. 12, 1215.
450. L ii d e R. Die Gewinnung von Fetten und fetten Glen. 3. verbess.
Aufl., Dresden u. Leipzig, 1954.
451. McGee A. E. Extraction Naphthas: General Chemical Composition.
«Oil and Soap», 1937, 14, 324.
452. M a h r e n h о 11 z O. Forderting eines Fliissigkeitsfilmes an einer senk-
rechten Wand durch einen Gasstrom. «Kaltetechnik», 10, 1958, N. 5, 150—156.
453. Mai sei D. S., Sherwood T. K. Evaporation of Liquids into Tur-
bulent Gas Streams. «Chem. Engng Progr.», 46, 1960, N. 3, 131—138.
454. Markley K. S. Soybeans and Soybean Products. I. Interscience.
N. Y„ 1950.
455. M a t e i к a K. Losungs- und Diffusionsol in Olsaaten und Kuchen.
«Fette—Seifen», 48, 1941, 600, 671.
456. M e 11 a п I. Industrial Solvents. Sec. Ed., 1950.
457. Miessner H. Filtration. «Fette—Seifen-Anstrichmittel» 55 1953.
N. 10, 714-718.
458. Monchik L., Reiss H. Studies of Evaporation of Small Drops.
«J. Chem. Phys.», 22, 1954, N. 5, 831—836.
459. M u s t a к a s G. C., Kirk L. D., Griffin E. L. Bland Undenatura-
ted Soybean Flakes by Alcohol Washing and Flash Desolventizing. «J. Amer.
Chemists’Soc.», 38, 1961, N. 9, 473—478.
460. Mustakas G. G., Kirk L. D., Griffin E. L. Flash Desolventizing
Defatted Soybean Meals Washed with Aqueous Alcohols to Yield a High-Pro-
tein Product. «J. Amer. Oil Chem. Soc.», 39, 1962, N. 4, 222—226.
461. N о r m a n W. S., Binns D. T. The Effects of Surface Tension Chan-
ges on the Minimum Wetting rates in Wetted—Rod Distillation Column. «Trans.
Ins. Chem. Eng.», 38, 1960, N. 6, 294—300.
462. Onsager L. Reciprocal Relations in Irreversible Processes. «Phys.
Rev.», 37, 1931, 405—429; 38, 1931, 2265—2279.
463. Osburn J. O., Katz D. L. Structure as a Variable in the Applica-
tion of Diffusion Theory to Extraction. «Trans. Amer. Inst. Chem. Eng.», 40, 1944,
5, 511—531.
464. О t h m e r D. F., A g g a r w a 1 I. C. Extraction of Soybeans (Theory
and Mechanism). «Chem. Engng Progr.», 51, 1955, N. 8, 373—378.
465. Othmer D. F., Jaatinen W. J. Extraction of Soybeans (Theory
and Mechanism). «Ind. Engng. Chem.», 51, 1959, N. 4, 543—546.
466. Othmer D. F., Thakar M. S. Correlating Diffusion Coefficients
in Liquids. «Ind. Engng Chem.», 45, 1953, N. 3, 589—593.
467. Pa r d u n H. «Seifensieder—Ztg.», s.s. 73, 101, 121, 141.
468. P a r d u n H., Neuman R. Beitrage zur analytischen Bestimmung
der chemischen Zusammensetzung des Extractions Benzins II: Bestimmung des
Benzol- und Naphten Gehaltes; Gesamtanalyse technischer Extractionsbenzine.
«Fette—Seifen—Anstrichmittel», 56, 1954, N. 7, 463—470.
469. Piekard R. H. «Oil and Soap», 15, 1938, N. 10, 261—263.
470. Pilette M. La bonification des graines-de coton par triage mecani-
qus. «Oleagineaux». 1962, 17, N. 6, 565—570.
471. Pollard E., V i x H. L. E., G a s t г а с к E. A. Solvent Extraction of
Cottonseed and Peanut Oils. «Ind. Engng Chem», 37, 1945, N. 10,
1022—1026.
472. Prevot A., M 11 e F. C a b e z a. Note sur 1’essence residuell dans
les huiles brutes d’extraction. «Rev. franc, corps gras», 9, 1962, N. 1, 34—37.
473. Purr A., H e 11 i c h A. Uber die Bestimmung des Restbenzins in
472
extrahierten Olen und Extraktionsschroten. «Fette—Seifen—Anstrichmittel», 57,
1955, N. 10, 782—789.
474. Radusch R. Uber die Verdampfungsgeschwindigkeit von Wasserf-
ropfen. «Chemie—Ing.—Techn.», 28, 1956, N. 4, 275—277.
475. R a n z J. W. E., Marshall W. R. Evaporation from Drops. Part I-
«Chem. Engng Progr.», 48, 1952, 141—146; Part II. «Chem. Engng Progr.», 48,
1952, 173—180.
476. Rao R. K., Arnold L. K. Alcoholic Extraction of Vegetable Oils. II.
Solubilities of Corn, Linseed and Tung Oils in Aqueous Ethanol. «J. Am. Oil
Chem. Soc.», 33, 1956, N. 2, 82—84.
477. Rao R. K., Arnold L. K. Alcoholic Extraction of Vegetable Oils.
111. Solubilities of Babassu, Coconut, Olive, Palm, Rapeseed and Sunflower
Seed Oils in Aqueous Ethanol. «J. Am. Oil Chem. Soc.», 33, 1956, N. 9,
389—391.
478. Rao R. K., Arnold L. Alcoholic Extraction of Vegetable Oils.
V. Pilot Plant Extraction of Cottonseed by Aqueous Ethanol. «J. Am. Oil Chem.
Soc.», 35, 1958, N. 6, 277—281.
479. R a о R. K., Kr ishn a M. G., Z a h e e r S. H., A r n о 1 d L. K- Alcoho-
lic Extraction of Vegetable Oils. I. Solubilities of Cottonseed, Peanut, Sesame
and Soybean Oils in Aqueous Ethanol. «J. Am. Oil Chem. Soc.», 1955, N. 7,
420—423.
480. Rigamonti R. Alcuni problemi di ingeneria Chimica nel campo
dei grassi. «Olii—Grassi—Colori», XXXVI, 1959, N. 11, 431—439.
481. Rigamonti R., Gianetto A. Steam Distillation: Efficiency Stu-
dies. Intern. Symp. on Distill. Brighton, Eng., 4/5/6 May, 1960, 18—26.
482. Rosen J. B. General Numerical Solution for Solid Diffusion in
Fixed Beds. «Ind. Engng Chem.», 46, 1954, N. 8, 1590—1594.
483. Schwarz P. Uber die Herabsetzung der Losungsmiftel—Verluste in
der Oelextraktionsindustrie. «Allg. Oel und Fette—Ztg.», 26, 1929, N. 33,
408—411.
484. Schwitzer M. K. Continuous Processing of Fats, 1952.
485. S i p о s E., Witte N. H. The Desolventizer-Toaster Process for Soy-
bean Oil Meal. «J. Am. Oil Chem. Soc.», 38, 1961, N. 3, 11—12, 17—19.
486. Sjenitzer F. Spray Drying «Chem. Engng Sci.», 1, 1952, 101—117.
487. S к a u E. L, Magne F. C., Mod R. R., Durr R. L. General Densi-
ty Equation for Glyceridic Oil—Solvent Mixture. «Ind. Engng Chem.», 47,
1955, N 5, 1043—1049.
488. Smith A. S. Evaluation of Extraction Rate Measurements. «J. Am.
Oil Chem. Soc.», XXIX, 1952, N. 10, 421—425.
489. Smith A. S., Wechter F. J. Vapor Pressure of Hexane-Soybean
Oil Solutions at Low Solvent Concentrations. «J. Am. Oil Chem. Soc.» 2,
XXVII, 1950, N. 10, 381—383.
490. S p a d a г о J. J., V i x H. L. E. et al. Present Status of the Filtration-
Extraction Process for Cottonseed. «J. Am. Oil Chem. Soc.», 32, 1955, N. 3,
160—163.
491. Spadaro J. J., Vix FL L. E. Solvent Cooking of Cottonseed Meats
for Extraction. «J. Am. Oil Chem. Soc.», 33, 1956, N. 4, 177—180.
492. Taylor R. B. «Chem. and Met. Eng», 44, 1937, 478—481.
493. Thompson D., Sutherland D. G. Ultrasonic Insonation Effect
он Liquid—Solid Extraction. «Ind. Engng Chem.», 47, 1955, N. 6, 1167—1169.
494. Treybal R. E. Mass—Transfer Operations. McGraw-Hill Book Co.,
N. Y., Toronto, London, 1955.
495. Troesch H. A. Die Zerstaubung von Fliissigkeiten. «Chemie—Ing.—
Techn.», 26, 1954, N. 6, 311—320.
496. Vaccarino G. et S. Un precede nouveau pour le raffinage des
Indies vegetales ou animales. «Oleagineux», 12, 1957, N. 10, 623—626.
497. Vaccarino G. New Industrial Process for Cottonseed. «J. Am.
Oil Chem. Soc.», 38, 1961, N. 3, 143—147.
473
498. Van derVoort P. Das De Smet—Verfahren zur kontinuirlichen
Losungsmittel-Extraktion von Olsaaten. «Fette—Seifen—Anstrichmittel», 55,
1953, N. 6, 361—365.
499. Westernhagen H. Reinigung von Missella durch Hydrozyklone.
«Fette—Seifen—Anstrichmitteb, 59, 1957, N. 10, 872—876.
500. Whitman W. G., Long L., Wang H. J. Absorption of Gases by
a Liquid Drop. «Ind. Engng Chem.», 1, 1926, N. 4, 363—367.
501. Wilke H. Die Polierfiltration raffinierter, warmer und gekiihlter
Speiseoie. «Fette—Seifen—Anstrichmittel», 55, 1953, N. 11, 801—806.
502. Wilke H. Probleme der Filtration in der Industrie der Ole und Fette.
«Fette—Seifen—Anstrichmittel», 65, 1963, N. 6, 470—475.
503. Wingard M. R., Phillips R. C. Solvent Extraction. IV. The Ef-
fect of Temoerature on Extraction Rate. «J. Am. Oil Chem. Soc.», 28, 1951, N. 4,
149—152.
504. Zimmerman Don C. The Relationship Between Seed Density and
Oil Content in Flax. «J. Am. Oil Chem. Soc.», 39, 1962, N. 2, 77—78.
505. Zuiderweg F. I., Harmens A. The Influence of Surface Pheno-
mena on the Performance of Distillation Columns. «Chem. Eng Sci.», 9, 1958,
N. 2/3, 89—103.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
Предисловие .................................................... 3
ЧАСТЬ ПЕРВАЯ. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ
Глава I. Процессы как совокупность явлений.......................7
Классификация явлений.........................................7
Кинетические закономерности................................
Характерные примеры явлений................................
Глава II. Характеристика масличных семян...........................20
Составные части ...............................................20
Химический состав............................................. 25
Гигроскопические свойства .................................... 25
Благо- и термовлагопроводность.................................28
Глава III. Физико-механические свойства материалов производства ра-
стительных масел...................................................32
Размеры масличных семян........................................32
Коэффициенты трения ...........................................36
А1еханические свойства оболочек семян ...................... 41
Критические, взвешенные и седиментационные скорости ... 46
Удельная поверхность . ................................. 52
Упругие и пластические свойства мезги.......................54
Глава IV. Физико-химические свойства материалов производства ра-
стительных масел...................................................57
Растворители.................................................। 57
Общие сведения...............................................57
Физические свойства .........................................61
Растворяющая способность ..........................62
Растворы (мисцеллы) ...........................................67
Физические свойства , ................................ 67
Мисцеллы как реальные растворы '.............................74
Смеси твердое тело — мисцелла (растворитель)...................79
Отдельные частицы............................................79
Слой частиц материала....................................... 83
ЧАСТЬ ВТОРАЯ. МЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
Глава V. Анализ просеивания........................................91
Аналитический метод .......................................... 93
Вероятностный метод . 100
475
Стр.
Глава VI. Просеивание на плоском сите с возвратно-поступательным
движением.........................................................108
Условия прохода частиц .................................... 108
Кинематические параметры работы сита.........................120
Опытные данные . . , . . 129
Глава VII. Просеивание на плоском сите с круговым поступательным
движением ........................................................137
Условия прохода частиц ...................................... 137
Послойное движение частиц в рассеве...........................143
Глава VIII. Обрушивание масличных семян...........................146
Механизм обрушивания..........................................147
Обрушивание в бичевых рушках . 151
Обрушивание в центробежных рушках.............................153
Особенности обрушивания семян хлопчатника.....................157
Глава IX. Измельчение.............................................159
Общая теория измельчения......................................160
Механизм измельчения на вальцовых станках.....................162
Технологические параметры работы вальцовых станков . . - 165
Изменения материала в воде измельчения ...................... 169
Измельчение на дисковых и молотковых мельницах . . . .174
ЧАСТЬ ТРЕТЬЯ. АЭРО- И ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
Глава X. Разделение, основанное на аэродинамических свойствах смеси
частиц............................................................179
Действие воздушного потока на частицы ..............179
Полет смеси частиц в неподвижном воздухе ...... 187
Глава XI. Отжим...................................................191
Элементарные представления ...................................191
Общие уравнения...............................................194
Общие уравнения отжима жидкости (масла, растворителя) . . 194
Общие уравнения отжима смеси жидкости (масла, растворителя)
с паром (газом).........................................200
Роль отдельных факторов.......................................204
Глава XII. Отжим в шнековых прессах...............................206
Особенности работы шнековых прессов...........................206
Распределение давления ...................................... 210
Сжатие материала .............................................216
Продолжительность отжима......................................219
Изменение масличности материала ............................. 222
Глава XIII. Производительность шнековых прессов................. 229
Основные факторы производительности...........................229
Расчет производительности ................................... 235
Зависимость между производительностью и глубиной отжима . . 240
476
Стр.
Глава XIV. Разделение суспензий...........................................243
Суспензии в производстве растительных масел............................243
Методы разделения суспензий............................................244
Осаждение в гравитационном поле........................................245
Осаждение в центробежном поле ...............................• 248
Фильтрация ............................................................255
ЧАСТЬ ЧЕТВЕРТАЯ. ДИФФУЗИОННЫЕ И ДИФФУЗИОННО-
ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ
Глава XV. Некоторые сведения из теории массопереноса...........265
Механизм массопереноса в жидкостях и газах ...... 265
Основные законы массопереноса...............................267
Частные уравнения диффузии из твердых тел.......271
Явления на границе раздела фаз....................................... 274
Глава XVI. Кондиционирование по влажности (сушка и увлажнение) . 279
Связь влаги с материалом . ...............................279
Механизм сушки и увлажнения.................................282
Кинетика сушки и увлажнения.................................288
Условия и эффективность сушки .........................................291
Критериальные уравнения . . . ...........................294
Глава XVII. Кондиционирование по влажности и температуре (жаренье) 297
Теплофизические основы......................................297
Массо- и теплоперенос .................................................302
Жаренье в реальных условиях ...........................................306
Изменения материала . . .311
Глава XVIII. Механизм экстракции..................................312
Этапы диффузионного пути....................................312
Коэффициент массопереноса...................................313
Внутренняя диффузия.........................................317
Внешняя диффузия...................................................... 323
Гидродинамика экстракции....................................325
Роль отдельных факторов.....................................330
Глава XIX. Кинетика экстракции.................................333
Определение понятия ........................................ . 333
Основные периоды.......................................................335
Кинетические уравнения.................................................341
Опытные данные.........................................................346
Роль температуры.......................................................352
Глава XX. Экстракция в реальных условиях..................................356
Способы экстракции . . . ........................356
Балансовые уравнения...................................................358
Аналитические решения..................................................363
Критерии подобия.......................................................369
Эффективность экстракции ..............................................374
477
Стр.
Глава XXI. Дистилляция распылением...............................379
Гидродинамика распыления . 379
Испарение из капель.........................................'-’83
Общие'уравнения . . . : :.............................386
Коэффициент массопереноса.....................................395
Факторы эффективности.........................................299
Глава XXII. Дистилляция в пленке.................................407
Гидродинамика пленки ........................................ 407
Испарение из пленки...........................................411
Общие уравнения...............................................412
Дистилляция в поднимающейся пленке............................416
Дистилляция в стекающей пленке ...............................418
Глава XXIII. Дистилляция в слое..................................422
Гидродинамика барботажа.......................................422
Кинетика насыщения............................................426
Общие уравнения...............................................430
Факторы эффективности . 432
Глубина отгонки . . 438
Глава XXIV. Отгонка растворителя из шрота........................439
Общие положения...............................................439
Механизм и кинетика...........................................442
Отгонка в слое................................................446
Отгонка в полувзвешенном состоянии............................447
Отгонка во взвешенном состоянии...............................451
Использованная литература ...................................... 453
Владимир Витальевич. Белобородов
ОСНОВНЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРОИЗВОДСТВА
РАСТИТЕЛЬНЫХ МАСЕЛ
Редактор Л. А. Притыкина
Переплет художника И. Н. Котлермана
Техн, редактор Г. Г. Абрамова
Корректоры: 3. В. Коршунова, Т. Т. Талдыкина
Т-13432 Сдано в набор 23/III 1966 г.
Подписано к печати 22/IX 1966 г. Бум. тип. № 2
Формат 60X90'/ie Объем 30 печ. л. Уч.-изд. л. 28,42
Тираж 3000 экз. Цена 1 р. 57 к. Заказ 276
Изд ат. № 3858 Т. п. 1966 г., п/№ 15.
Московская типография № 6 Главполиграфпрома
Комитета по печати при Совете Министров СССР
Москва, Ж-88, 1-й Южно-портовый пр., 17.