Кинетика роста кристаллов а-лактозы из пересыщенных водных растворов Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

ра влия-мвания гвие ка-я бичей

1ния се-гельных й струк-:пользо-

(24)

(25)

(26)

ячество гчивают упругой 1зор на-

(27)

(28)

(29)

1 свиде-Гельных

1СХ0ДИТ

фОВОЖ-

состоя-ивания ные со-н упру-форма-

1рован-Опре-1зруше-и пара-гю пло-

'шение чно уз-№0 де-эв под-пах —

1Я роль . Ядра :ях, ве-)м они им на-

[ проч-юдсол-:изким

показателям эффективности шелушения. Коэффициент вариаций в рамках каждой из областей деформаций был высок, что свидетельствует о невозможности в условиях существующей технологии получения целого ядра без его дробления и дробления лузги. Присутствие измельченного ядра и лузги в рушанке существенно затрудняет разделение на веечных машинах.

На основании проведенных исследований обоснована необходимость фракционирования семян подсолнечника по линейным размерам и аэродинамическим свойствам с последующим раздельным обрушиванием каждой фракции.

Результаты исследований прочностных свойств полученных фракций семян подсолнечника на тен-зометрическом комплексе подтвердили необходимость проведения такой технологической операции. Резко сократились области варьирования всех видов деформаций и напряжений при обрушивании и измельчении фракций семян, полученных комбинированным способом по линейным размерам (ширине,толщине) и аэродинамическим свойствам.

Кафедра технологии переработки зерна и комбикормов

Поступила 07.04.99

'Г 637.345.12

КИНЕТИКА РОСТА КРИСТАЛЛОВ а-ЛАКТОЗЫ ИЗ ПЕРЕСЫЩЕННЫХ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ

А.И. ГНЕЗДИЛОВА, О.И. ТОПАЛ, В.М. ПЕРЕЛЫГИН

Вологодская государственная молочно-хозяйственная академия им. Н.В. Верещагина

Воронежская государственная технологическая академия

Исследования закономерностей роста кристаллов из пересыщенных водных растворов позволяют заключить, что процесс может протекать в диффузионной и кинетической областях.

Кинетические процессы в свою очередь включают этапы: адсорбцию молекул, поверхностную диффузию к активным центрам и встраивание молекул в кристаллическую решетку (место роста) [1, 2]. Для пересыщенных водных растворов а-лак-тозы кинетическим процессам предшествует стадия мутаротации. Установлено [3], что скорости диффузии и мутаротации значительно превышают скорость поверхностной реакции. Таким образом, кинетические процессы роста кристаллов лактозы являются определяющими. Они и стали предметом настоящего исследования, в котором кинетика роста кристаллов рассматривается как двухстадийный процесс, включающий поверхностную диффузию и встраивание в кристаллическую решетку.

Поскольку скорость граней кристалла неодинакова в различных направлениях, введем линейные скорости роста кристаллов ХР и Ш, соответственно в направлениях у их.

При рассмотрении роста в направлении у уравнения линейной скорости роста, исходя из двухстадийной модели, будут иметь следующий вид: стадия поверхностной диффузии

1= Ку(те-т0уу-, (1)

стадия встраивания в кристаллическую решетку

1Гу = ^'к-тв)п,, (2)

где т,т£,т0 — концентрация пересыщенного раствора в объеме, у поверхности, в месте роста соответственно, моль/1000 г Н20; п', я "■— порядок роста 1-й и 2-й стадий соответственно;

тп — концентрация насыщенного рас-, ' твора, моль/1000 г Н20;

Ку и К — кинетические коэффициенты скорости роста, которые были получены в виде уравнений

К=Ку,ь- (з)

К^= К;оехр(-Е/ЯТ), (4)

где Куо и К —постоянные величины;

Е — энергия активации, Дж/моль;

Т — температура, К;

Я — газовая постоянная, Дж/(моль-К).

Поскольку рост кристаллов лактозы протекает в кинетической области, то га = т8.

Из уравнений (1) и (2) может быть получено уравнение

(У/Ку)1/яу + {^у/Ку)Упу’ = т5 - тЕ = Ат. (5)

Аналогично для направления х

(Г//д1/п‘' + (1У/К)1/п*" = Ат, (6) где К’ = КУ'5; (7)

К= К&М-Е/ЯТ). (8)

Уравнения (5) и (6) были использованы для расчета линейной скорости роста кристаллов а-лактозы, а также для определения кинетических параметров: коэффициентов К, К и порядков роста п и п . С этой целью были поставлены опыты по определению экспериментальной скорости роста при Т 293, 313 и 333 К и различных пересыщениях.

Для проведения опытов пересыщенные водные растворы а-лактозы переводились в герметически закрывающийся стеклянный сосуд, куда вносились затравочные кристаллы. Сосуд закреплялся во вращающейся с частотой п = 0,1 с1 раме. В этих условиях рост кристаллов проходил в процессе их свободного падения, что воспроизводило гидродинамические условия роста в промышленных кристаллизаторах.

Опыты проводились до наступления видимого вторичного зародышеобразования, после чего кристаллы быстро отделялись фильтрованием под раз-

режением, промывались спиртом, насыщенным лактозой, и высушивались. Затем определялся гранулометрический состав фракций путем измерения линейных размеров 500 кристаллов с помощью микроскопа. В качестве характеристических размеров были приняты средние арифметические величины направлений у — наибольшей оси кристалла их — основания кристалла.

За скорость линейного роста были приняты отношения прироста среднеарифметического размера Ау и Ах к продолжительности опыта Дг:

Wll = Ау/Ат; Гх = Ах/Ат.

Таблица 1

Среднеарифметический размер, • 106 м Фракции

1 2 3

Уо 124,5 ■310,2 749,7

хо 76,5 213,6 460,5

Таблица 2

Константы

Температура, К

293

313

333

Коу • 10'

• юь

Ку ■ 1°6

• 1°6 Е • 10”3

2,00

1,12

7.14

7.14 12,60

2,00

1,12

7.14

7.14 12,60

3,50

2,00

7.14

7.14 12,60

Таблица 3

Ат, моль/1000 г Фракции

1 2 3

Н20 п п п п п п

0,170 - 0,728

0,095 - 0,763

0,168

0,349

0,507

0,855

1,025

1,375

Т = 293 К 2 2

Т = 313 к 2 2

Т = 333 К 1 1 1 1 1 1

Кристаллизация проводилась при постоянном пересыщении. Это достигалось за счет регулирования количества вносимой затравки, которая не превышала 0,1 % к объему раствора, что позволяло исключить условия стесненности.

В работе были использованы затравочные кристаллы трех фракций, характеристика которых приведена в табл. 1.

Полученные экспериментальные значения скоростей роста Wy и были использованы для

Шэеделения констант в уравнениях (3), (4), (7) и .которые приведены в табл. 2.

Порядок роста п' и «"был определен в зависимости от температуры, размера кристалла и пресыщения Ат. Установлено, что порядки роста в направлении у их равны. Значения порядков представлены в табл. 3.

4 Таблица 4

Ат. моль /1000 г

н2о

■ 109 м/с, у фракций

0,1699

0,2255

0,3421

0,4556

0,5646

0,7281

0,0947

0,1945

0,2871

0,4731

0,5793

0,7632

0,1678

0,3485

0,5067

0,8549

1,0254

1,3751

расчетная экспериментальная

1 2 3 1 2 3

Т = 293 К

— 0,280 0,944 — 0,296 0,870

0,378 0,494 1,572 0,347 0,474 1,505

0,873 1,141 3,266 0,792 1,084 3,498

1,555 2,034 5,294 1,403 2,106 5,106

2,388 3,117 7,488 2,181 3,343 7,021

4,027 5,210 11,230 4,301 5,621 10,201

Т = 313 К

0,076 0,298 0,426 0,083 0,301 0,462

0,323 1,141 1,561 0,352 1,065 1,716

0,711 2,298 3,055 0,767 1,921 3,264

1,975 5,538 6,944 2,078 5,267 6,576

2,868 7,687 9,546 3,003 7,211 9,048

5,098 11,836 14,415 5,007 11,238 13,100

Т = 333 К

0,969 1,562 7,204 0,947 1,639 7,443

3,727 12,739 15,126 3,448 11,399 15,259

7,260 18,613 22,067 6,645 16,981 23,065

16,938 30,790 36,730 15,736 27,911 39,178

22,221 36,502 43,703 20,121 36,744 44,861

36,294 48,350 58,249 36,333 52,783 60,500

Таблица 5

№х, • 109 м/с, у фракций

/1000 г н2о расчетная экспериментальная

1 2 3 1 2 3

1 2 3 4 5 6 7

Т = 293 К

0,1699 — 0,178 0,771 — 0,172 0,721

0,2255 0,227 0,313 1,237 0,211 0,296 1,088

0,3421 0,527 0,725 2,420 0,491 0,675 2,220

0,4556 0,938 1,294 3,749 0,881 1,378 3,288

0,5646 1,441 1,982 5,119 1,343 2,187 4,575

0,7

0,0 О,Г 0,2 0,4 0,5 0,71

0,1і

0,3‘

0,51

0.8!

1,0!

і,з:

}

с.и.

М.А. Тамбо

Ві тов у ма и] ствак кине-деля» рац® селек Ио устан водно хлебо, свекл| нуюр ацетаї лисул цип | опыто

Це; ния н ност^ жевои ющим втори1

ые кри‘ готорых

[ИЯ ско-ны для \), (77 И

зависи-[ пресы-роста в йрядков

аблица 4

їльная

] з"

0,870

1,505

3,498

5,106

7,021

10,201

0,462 1,716 3,264 6,576 9,048 I 13,100

7,443

15,259

23,065

39,178

44,861

60,500

[блица 5

[ьная

нг

0,721

1,088

2,220

3,288

4,575

Окончание табл. 5

1 2 3 4 5 6 7

0,7281 2,434 3,314 7,378 2,656 3,513 6,575

Г = 313 К

0,0947 0,044 0,141 0,359 0,051 0,160 0,300

0,1945 0,189 0,567 1,197 0,221 0,540 1,111

0,2871 0,415 1,191 2,210 0,479 1,181 2,041

0,4731 1,155 3,070 4,650 1,298 3,113 4,111

0,5793 1,732 4,380 6,172 1,853 4,182 5,625

0,7632 2,983 7,013 8,965 3,096 6,750 8,187

Т = 333 К

0,1678 0,472 1,216 4,711 0,523 1,112 4,594

0,3485 1,952 7,823 9,940 1,867 7,315 9,537

0,5067 3,990 11,513 14,529 3,890 10,625 14,108

0,8549 9,980 18,896 24,034 9,834 17,449 23,886

1,0254 13,447 22,299 28,482 12,881 22,600 28,037

1,3751 20,266 29,442 37,869 22,050 32,311 37,717

Зная величины кинетических параметров, по уравнениям (5) и (6) были рассчитаны и ]УХ. Результаты расчетов, представленные в табл. 4 и 5, показали удовлетворительное совпадение с экспериментом. Среднее относительное отклонение вычисленных данных от опытных составило ±7,11%.

ВЫВОДЫ

1. Линейная скорость роста кристаллов с-лакто-зы зависит от температуры, пересыщения, размера кристалла и направления роста.

2. Уравнения (5) и (6) могут быть использованы для расчета линейной скорости роста кристаллов а-лактозы.

ЛИТЕРАТУРА

1. Фольмер М. Кинетика образования новой фазы. — М.: Наука, 1986. — 208 с.

2. Стрикленд-Констэбл Р.Ф. Кинетика и механизм кристаллизации. — Л.: Недра, 1971. — 412 с.

3. Полянский К.К., Шестов А.Г. Кристаллизация лактозы: физико-химические основы. — Воронеж.: ВГУ, 1995. — 184 с.

Кафедра технологического оборудования Кафедра физической и коллоидной химии

Поступила 12.02.99

663.55.067.38

СЕЛЕКТИВНОСТЬ И УДЕЛЬНАЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ ПРИ УЛЬТРАФИЛЬТРАЦИОННОМ РАЗДЕЛЕНИИ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ ДРОЖЖЕВЫХ И СПИРТОВЫХ ПРОИЗВОДСТВ

С.И. ЛАЗАРЕВ, В.Б. КОРОБОВ, В.Л. ГОЛОВАШИН, М.А. КУЗНЕЦОВ

Тамбовский государственный технический университет

В процессе разработки и эксплуатации аппаратов ультрафильтрационного разделения необходима информация как по физико-химическим свойствам разделяемых растворов и мембран, так и по кинетике массопереноса. Из характеристик, определяющих явление массопереноса в ультрафильт-рационных процессах, первоочередными являются селективность и удельная производительность.

Исследования осуществляли на лабораторной установке с водными растворами последрожжевой водной барды, образующейся при производстве хлебопекарных дрожжей и этилового спирта из свеклосахарной массы [1]. Использовали мембранную разделительную ячейку плоскорамного типа с ацетатцеллюлозными (УАМ-150, УАМ-200) и по-лисульфонамидными (УПМ-К) мембранами. Принцип работы установки и методика проведения опытов изложены в работах [2, 3].

Цель исследований — изучение влияния давления на селективность и удельную производительность ультрафильтрационной очистки последрожжевой барды от растворенных веществ с последующим использованием продуктов разделения во вторичных производствах.

Анализ на содержание растворенных веществ в пробах осуществляли по бихроматной окисляемо-сти (ХПК) [4].

Селективность и удельную производительность рассчитывали по формулам

-Спер/Сисх) 100%, (1)

в = У/Бт, (2)

где <р — селективность мембран, %;

Си, С,,е? — концентрации исходного раствора

и пермеата, кг/м3; в — удельная производительность мембраны, м3/(м2с);

V — объем пермеата, м3;

5 — площадь мембраны, м2; г — время проведения опыта, с.

Результаты расчетных данных приведены в таблице и на рисунке (кривые 1,2,3 соответственно мембраны УАМ-150, УАМ-200, УПМ-К) в виде зависимостей селективности и удельной производительности от давления Р. Характер изменения последних от давления при ультрафильтрационной очистке последрожжевой водной барды от растворенных веществ можно объяснить образованием на ультрафильтре динамических мембран [5]. Их формирование происходит из мембранообразующего вещества, в данном случае из свекольного крахмала, адсорбирующегося на мембране. Удерживание на ее поверхности мембранообразующих веществ зависит прямо пропорционально от энер-