Разделение неоднородных систем

Каждая неоднородная система состоит из двух фаз (сред) дисперсионной (внешней, сплошной) и дисперсной (внутриней, мелкораздробленной).

Между этими фазами имеется поверхность раздела — этим системы (как смеси) отличаются от растворов, которые не имеют поверхности раздела между компонентами. Смеси, в которых дисперсионными средами являются жидкости, называются жидкими неоднородными система­ми, а смеси с газовыми дисперсионными средами — газовы­ми гетерогенными системами.

Жидкие неоднородные системы, дисперсными фазами которых являются твердые тела, жидкости или газы, назы­вают соответственно суспензиями, эмульсиями и пенами.

Газовые неоднородные системы с твердой дисперсной фазой называют пылями, дымами, а с жидкой фазой —_: ту­манами.

В производстве пищевых продуктов неоднородные сис­темы часто приходится разделять на составные части. Так, в сахарном производстве суспензию, образующуюся в са- турационных аппаратах, разделяют с целью получения сока, свободного от твердых частиц; утфель подвергают разде­лению для получения кристаллического сахара; пивные заторы разделяют для освобождения пивного сусла от дро­бины; молоко сепарируют для отделения -жира и подверга­ют сгущению для увеличения концентрации жира и белка; из воздуха выделяют твердые частицы пыли с целью его очистки или сохранения ценного продукта (сахарная, муч­ная пыль и так далее).

Методы разделения выбирают в зависимости от харак­тера составных частей системы и состояния фаз.

Разделение жидкостей от жидкостей осуществляют путем гравитационного или центробежного разделения. Эти процессы применяются для разделения воды и масла при производстве растительных масел, регенерации рыбьего жира, отделении сливок от молока, влаги при влажной вы­гонке жира.

Разделение жидкости от твердых тел осуществляют центрифугированием, фильтрованием, прессованием. Эти процессы применяют при производстве крахмала, масла, сахара, молока, соков, напитков и др., а также при раз­личной очистке, в том числе сточных вод.

Разделение твердых материалов от твердых материа­лов осуществляют по размеру частиц путем сортировки и просеивания в мукомольной промышленности, при сорти­ровке зерна, по цвету при сортировке кофейных зерен.

В зависимости от того, какая фаза движется относи­тельно другой, различают два основных метода разделе­ния: осаждение и фильтрование.

В процессе осаждения (отстаивания) частицы движут­ся относительно сплошной среды.

При фильтровании дисперсионная среда проходит сквозь концентрированную дисперсную фазу или через специаль­но предназначенное для разделения пористое тело.

9.Осаждение (отстаивание)

Отстаивание широко применяется для очистки и ра­финации жидких полуфабрикатов. Отстаивание - это осажд­ение под действием собственной массы твердых частиц, находящихся во взвешенном состоянии в жидкой среде.;

Скорость осаждения взвешенных частиц зависит от их плотности и степени дисперсности и физических свойств жидкости, в которой они осаждаются, так как последняя 'называет сопротивление их движению. При устоявшемся режиме скорость осаждения W_ос частиц постоянная и для Ламинарной области движения может быть определена по закону Стокса (см. уравнение 2.2).

Недостатком осаждения в отстойниках является длитель­ное время осаждения. Значительно интенсифицировать про­вес осаждения можно с применением центробежных сил. При вращательном движении суспензии в центробежных сил устройствах на частицу действует центробежная сила G_ц(Н).

G_ц = mώ² х R

где m — масса частицы, кг;

ώ — угловая скорость вращения частицы, с^-1

R — радиус вращения частицы, м.

Сила тяжести без учета подъемных сил равна:

G _т = mg

Сравнивая эти два уравнения, получим:

G_ц = mώ² х R/g

то есть центробежная сила больше сил тяжести в ώ² х R/g раз.

Величину Ф = ώ² х R/g называют фактором разделения. Чем больше фактор разделения, тем выше разделительная способность центробежных устройств.

Осаждение, особенно с применением центробежных сил, | широко используется в пищевых производствах. В сахар­ном производстве его применяют для очистки диффузного сока, разделения утфеля (отделение межкристального ра­створа от кристаллов), в крахмалопаточном производст­ве — для выделения крахмала из крахмальной суспензии, в молочном производстве — для отделения сливок, в мяс­ном производстве — для отделения шквар при вытопе жира и во многих других производствах.

Эффективность осаждения оценивают по эффекту раз­деления в %:

Кч.о

µ р= — х 100,

Кч.н

где К_ч.и — количество дисперсной фазы в неоднородной системе (количество частиц начальное);

К ч.о — количество выделенного вещества (например, в перешедшего в осадок).

7.Фильтрация

Фильтрацию разделяют на два вида поверхностную и объемную

Поверхностную фильтрацию; применяют для выделения твердых частиц из раствора, то есть для разделения твердой и жидкой суспензий.

Объемную фильтрацию применяют для осветления напитков, удаления пыли из воздуха и других сред, то есть I для разделения коллоидной, жидкой или газообразной фаз коллоидных растворов, золей или аэрозолей.

В качестве фильтрующих элементов используют тканевые салфетки или фиброзные материалы. Хотя отверстия в фильтрующем элементе по сравнению с диаметром; частиц, отделяемых от жидкости, относительно большие, ¹ жидкости не проходят через отверстия-, а улавливаются ¹ волокнами фильтрующего элемента или частицами осадка,; уже адсорбированными на волокнах фильтрующего элемента, то есть накапливаются на поверхности волокон.

Скорость фильтрования зависит от падения давления:. при прохождении жидкости через фильтрующие элементы. Движущей силой процесса фильтрования является перепад давлений ДР над перегородкой (или слоем осадка и | перегородкой) и под перегородкой. Перепад давления со­здается при помощи вакуума, давления сжатого воздуха,

подачи суспензии механическим путем, например насосом. Для предотвращения быстрого забивания основных фильтров часто применяются вспомогательные вещест­ва — диатолит, перлит, целлюлоза, активированный уголь И другие в виде тонкодисперсиых или тонковолокнистых: веществ. Их наносят тонким слоем на фильтрующую пере-; городку.

В процессе фильтрования перепад давлений ДР в боль­шинстве случаев остается постоянным, а сопротивление слоя' осадка увеличивается, так- что скорость фильтрации Уф можно выразить уравнением в м³/ (м²с):

У_ф = d V/ F • dῖ, (2.8)

где V — количество фильтрата, м²;

F — площадь поверхности фильтрации, м²;

ῖ— продолжительность фильтрации, с,

Микропористые фильтрующие элементы применяются для выделения из жидкостей очень мелких частиц, в основ­ном для разовых операций разделения, так как поры быст­ро засоряются.

Ультрафильтрацию в пищевой промышленности широко применяют для концентрирования белковых растворов, крахмала и других макромолекул в производстве таких про­дуктов, как молоко, молочная сыворотка, яичные белки и другое.

Ультрафильтрационные мембраны отличаются от мик­ропористых фильтрующих элементов тем, что каждая пора открывается в сторону низкого давления и любая малая частица проходит через мембрану, тогда как крупные оста­ются на ее поверхности.

Скорость фильтрования определяется падением давле­ния в мембране и накоплением материала на поверхности мембраны.

Обратный осмос Применяется для удаления растворен­ных в продуктах минеральных веществ, например, для вы­деления соли или сахара из раствора.Движущей силой про­цесса перемещения воды через мембрану является разность между осмотическим давлением раствора Р_осм и перепадом гидростатического давления Р на мембране. Поток воды через мембрану описывается выражением

q= k • А( Р - Росм),

где k — характеристика мембраны;

А — поверхность мембраны.

Осмотическое давление пищевых продуктов высокое, например, Р_осм молока и фруктового сока равно (6—10) * 10⁵ Па, концентрированного фруктового сока — 8 • 10⁶ Па, так что для создания потока воды необходимо создать очень высо­кое гидростатическое давление. Это создает серьезные труд­ности при конструировании оборудования.

Мембраны для обратного осмоса — это полимерные гели, то есть они не имеют пористой структуры. Переме­щение воды и растворенных веществ через мембраны осу­ществляется вследствие диффузии, а разделение проис­ходит потому, что скорость диффузии воды на несколько Порядков выше скорости диффузии растворенных веществ.

Промышленностью в настоящее время освоены мемб­раны из ацетата целлюлозы, но уже начали появляться, го крайней мере, в экспериментальных установках, мемб­раны из ароматических полиамидов и других материалов, которые лучше удерживают органические молекулы.

Гель-фильтрацию применяют в основном для лабора­торных анализов, реже в промышленных условиях, например, для обессоливания белков подсырной сыворотки. Гель-фильтрация соединяет в себе элементы фильтрации и жидкостной хромотографии, она обеспечивает разде­лив молекул растворенного вещества различного размера

Для осуществления гель-фильтрации колонку заполняют частицами пористого геля (полидекстроном или полириламидом) с порами соответствующего размера. Определенное количество раствора, содержащего мелкие и крупные молекулы, вводят в верхнюю часть колонки и элюиуют через накопитель с помощью чистого растворителя, Крупные молекулы быстро проходят через колонку в пустотах между частицами. Небольшие молекулы проникают внутрь частиц путем диффузии и задерживаются в них. Таким образом исходный объем раствора разделяется на два или более объема, содержащих частицы разного размера.

Фильтрация широко применяется в пищевой промышленности. В свеклосахарном производстве фильтрованием отделяют осадок от сатурационных соков, в пивоварении отделяют дробину от сусла и осветляют готовый продукт — пиво. Широко применяется фильтрование жидкостей в виноделии, ликероводочном производстве и в производстве соков.

Эффективность фильтрации, так же как и осаждения, оценивают по степени разделения смеси.