Определение коэффициентов свободной диффузии в процессах твёрдофазного экстрагирования в технологии желатина Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 678.049.167: 66.061.34

B. Г. Кузнецов, Р. К. Кузнецов, Г. А. Аминова

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ СВОБОДНОЙ ДИФФУЗИИ В ПРОЦЕССАХ ТВЁРДОФАЗНОГО ЭКСТРАГИРОВАНИЯ В ТЕХНОЛОГИИ ЖЕЛАТИНА

Ключевые слова: коэффициенты свободной диффузии, массоперенос с твёрдой фазой, метод капиллярных ячеек.

Получены экспериментальные значения коэффициентов свободной диффузии для ряда процессов в технологии желатина.

Кеу words: coefficient offree diffusion, mass transfer with solid-phase, method of capillary cells.

The experimental values of the coefficients of free diffusion for a number of process in the technology of gelatin.

В процессах твёрдофазного экстрагирования для определения влияния технологических параметров на коэффициент массоотдачи Р используют зависимость [l]:

Nu. = f(Re,Pr). d

Здесь Р входит в диффузионный критерий

Nud =PR ,

d Dc

где R - определяющий размер частицы, из которой извлекают целевой компонент,

D C -коэффициент свободной диффузии целевого компонента из капилляра в поток

растворителя, имеющего нулевую концентрацию по диффундирующему веществу.

Из многообразия методов определения свободной молекулярной диффузии использовался метод капиллярных ячеек, основанный на диффузии исследуемого вещества из капилляра в растворитель [2,3]. Для расчёта использовалось уравнение Фика

dC-=DcdC, (i)

dt c dx2

Интегрирование уравнения (l) в граничных условиях

С1=C при 0<x<1 и t=0 (2)

1 1н

C1=0 при x=0; и t=0

приводит к выражению [3,4]:

(2m+1)/2^2Dct

C1K = A у 1 e 4l2 , (3)

C1H л2 m=0(2m +1)

где C и C -конечная и начальная концентрация диффундирующего вещества в

IK 1h

капилляре; l - длина капилляра; t - время диффузии.

При достаточно больших значениях t уравнение (3) представляет собой быстро сходящийся ряд, всеми членами которого, кроме первого, можно пренебречь. Полагая m = 0, получим:

С1К * ехр(—), (4)

C,Н л2 412

После логарифмирования ( 4 ) находим О с из выражения

О. = 9^(19 8

С

п

2

п

2

С,

-19-^) Сн

Таким образом, определив из эксперимента С^ и Сш, по зависимости (5) можно определить коэффициент свободной диффузии Э С. С этой целью проводят испытания на

установке, снабжённой термостатом. Температура поддерживалась постоянной и равной температуре производственного процесса.

Исследовались процессы деминерализации шрота, золения оссеина,

обеззоливания оссеина, экстрагирования желатина из оссеина, обезжиривания кости.

Методика экспериментов заключалась в следующем. Капилляры длиной 30 см с внутренним диаметром 4 мм запаивались с одной стороны и заполнялись экстрактами известной концентрации. Затем капилляры взвешивались на аналитических весах и в вертикальном положении открытым концом кверху помещались в цилиндр, заполненный экстрагентом так, чтобы над верхним уровнем цилиндра находился достаточно большой его слой (примерно 50-60 мм). Через заданное время капилляры извлекались и определялась концентрация экстрактов любым из известных способов, например, в случае определения коэффициента свободной дифузии в процессе деминерализации, золения, обеззоливания -комплексонометрическим методом. При выплавлении желатина и обезжиривании применялся рефрактометрический метод анализа, поскольку в этом случае экстракты являются оптически прозрачными жидкостями.

Для примера опишем технологию эксперимента на стадии деминерализации шрота. Капилляры заполнялись экстрактами известной концентрации С 1н=11.276; 37,775; 60,327;

86,543 ;91,899 (кг/м ). Затем капилляры взвешивались на аналитических весах и в вертикальном положении открытым концом кверху помещались в цилиндр, заполненный соляной кислотой. Через 38 часов капилляры извлекались и определялась концентрация экстрактов комплексонометрическим методом. Опытные результаты представлены на рис. 1 и аппроксимированы с точностью +10 % следующим выражением

м /сек

Ос = 1,76(1 - 6,11 ■10-3С1 ) ■ 10-9

. Ж-

Р г*}3

Рис. 1 - Зависимость коэффициента свободной диффузии минеральных солей в растворе: Т=200С, о, х - параллельные опыты

от концентрации

В таблице 1 даны результаты испытаний.

Таблица 1

Наименование процессов Т,0 С Экстрагент Экстракт Коэффициент свободн. дифф., й С, м/сек

Обезжиривание 70 Вода Жир+вода 7,24 • 10 ~9

Деминерализация 15 5%НС1 Минер. в-ва 0,992 • 10 ~9

Золение 16-18 1%Са(ОН) 2 Балластные белк. в-ва 0,468 • 10 9

Обеззоливание - нейтрализация - окончательная промывка 10-20 10-20 5% НС1 Вода Известь+коллагенаты НС1+ минер. соли 0,613 • 10 9 0,290 • 10 ~9

Выплавление желатина 45-50 Вода Желатин. раствор 0,67 • 10 ~9

Примечание:

1. В таблице даны средние значения коэффициентов диффузии.

2. Состав экстрактов и экстрагентов принят в соответствии с технологическим регламентом.

3. Среднее время экспериментов для получения стабильных значений коэффициентов

свободной диффузии составило: для процесса обезжиривания -2 часа, деминерализации -38 час, золения - 72 часа, обеззоливание (стадия нейтрализации)-? часов, обеззоливание (стадия

окончательной промывки) - 6 час, выплавление желатина -5час.

Полученные значения й С могут быть использованы для определения коэффициента массоотдачи р = йс / 5 [5], где 5- толщина пограничного слоя, определённая, например, методом голографической интерферометрии.

Им можно воспользоваться при определении коэффициента стеснённой диффузии й Э

поскольку между ними существует прямо пропорциональная связь [6].

Литература

1. Романков, П.Г. Экстрагирование из твёрдых материалов /П.Г. Романков, М.И. Курочкина. -Л. : Химия. Ленинградское отделение,1983.-256 с.

2. Александров, Л.Г. Определение коэффициентов свободной молекулярной диффузии некоторых экстрактов растительного сырья в жидкой углекислоте. / Л.Г. Александров, В.И. Сердюк., И.М. Аношин // Изв.Вузов Пищ. технол. -1969.- №2. С. 143-144.

3. Старикова, Т.Н. Исследование процесса и повышение эффективности деминерализации костного

шрота в производстве желатина: дис.... канд. техн наук / Старикова Тамара Николаевна. -

Казань,1982.-272 с.

4.. Дюкло, Ж. Диффузия в жидкости / Ж. Дюкло - М.: Иностранная литература,1938. -345 с.

5. Романков, П.Г. Массообменные процессы химической технологии / П.Г. Романков, Н.Б. Рашковская ,В.Ф. Фролов. - Л. Химия. Ленинградское отделение,1975.-335 с.

6. Аксельруд, Г.А. Экстрагирование. Система твёрдое тело- жидкость / Г.А. Аксельруд, В.М. Лысянский. - Л.: Химия. Ленинградское отделение, 1974.-254 с.

© В. Г. Кузнецов - канд. техн. наук, доц. каф технологии конструкционных материалов КНИТУ; Р. К. Кузнецов - асс. той же кафедры; Г. А. Аминова - д-р техн. наук, проф., зав. каф технологии конструкционных материалов КНИТУ, [email protected].