CC BY
30
КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ
УДК 678.049.167: 66.061.34
В. 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]:
Nud = f(Re,Pr).
Здесь Р входит в диффузионный критерий
Р-R
Nu . = -—, d D Dc
где R - определяющий размер частицы, из которой извлекают целевой компонент, DC -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
£=^ • < i )■
dt dx2
Интегрирование уравнения (1) в граничных условиях
С1 = С при 0<х<1 и t=0 (2)
1н
С-|=0 при х=0; и ^0
приводит к выражению [3,4]:
(2т+1)/2-:Ю^
С* = А У ________1___е 412 (3)
С1Н : 2^=0(2т +1) ’
где С и С - конечная и начальная концентрация диффундирующего вещества в капилляре; 1к 1н
I- 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 т = 0, получим:
С1К 8
С,
.2
ехр(
).
'ін л Л1‘
После логарифмирования (4) находим О с из выражения
0с = ^(ід8 Л
л
2
2 “ І9 С. л С1|
).
(4)
(5)
Такм образом, определив из эксперимента С1Н и С1К, по зависимости (5) можно определить коэффициент свободной диффузии Б 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
Эс = 1,76(1 - 6,11-10“3 С1Г ) • 10-9 ,м2/сек
. Ж.
1> г*}3
Рис. 1 - Зависимость коэффициента свободной диффузии от концентрации минеральных солей в растворе: Т=200С, о, х- параллельные опыты
Таблица 1
Наименование процессов Т р- ра,0 С Экстрагент Экстракт Коэффициент свободн.дифф., Р 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 Балластныебелк. в-ва 0,468 • 10 -9
Обеззоливание
- нейтрализация 10-20 5% НС1 Известь+ 0,613 • 10-9
коллагенаты
- окончательная 10-20 Вода НС1+ минер. 0,290 • 10-9
промывка соли
Выплавление 45-50 Вода Желатин. 0,67 10 -9
желатина раствор
Примечание:
1. В таблице 1 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)-7 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 £-толщина пограничного слоя, определённая, например, методом голографической интерферометрии.
Им можно воспользоваться при определении коэффициента стеснённой диффузии Б 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.
6Аксельруд 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].
