Влияние некоторых параметров на линейную скорость роста кристаллов сахарозы Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

637.345.664.1.054.065

ВЛИЯНИЕ НЕКОТОРЫХ ПАРАМЕТРОВ НА ЛИНЕЙНУЮ СКОРОСТЬ РОСТА КРИСТАЛЛОВ САХАРОЗЫ

А.И. ГНЕЗДИЛОВА

Вологодская государственная молочнохозяйственная академия им. Н.В. Верещагина

В настоящее время отсутствует единая точка зрения относительно зависимости скорости роста от линейных размеров кристаллов сахарозы.

Разработанная автором [1] теория и последующие экспериментальные исследования роста единичных кристаллов, подчиняющихся при своем движении закону Стокса, указывают на независимость скорости от линейных размеров кристаллов [2].

При исследован™ коллективного роста кристаллов сахарозы было установлено [3,4], что мелкие кристаллы растут медленнее. По мнению Харина [5] к компромиссному решению приводит учет влияния объемной доли кристаллов в растворе. При уменьшении объемной доли у зависимость скорости роста от размера снижается. При увеличении у эта зависимость становится все ощутимей и скорость роста мелких кристаллов возрастает.

Таким образом, вопрос о влиянии размера на скорость роста кристаллов сахарозы требует дальнейшей экспериментальной проверки.

Скорость роста зависит также от направления оси [4, 6] и структуры поверхности [7]. Кристаллы с гладкой поверхностью, без дефектов растут медленнее.

В настоящей работе поставлены задачи экспериментально исследовать влияние размера, направления роста и характера поверхности на линейную скорость роста кристаллов сахарозы.

Были приготовлены пересыщенные растворы сахарозы методом выпаривания под разрежением на установке ]1УО-64. Затем пересыщенные растворы переводили в герметически закрывающийся стеклянный сосуд, куда вносили затравочные кристаллы. Сосуд закреплялся во вращающейся с частотой «=0,1 с_| установке. В этих условиях рост кристаллов происходил под действием собственного веса и подчинялся закону Стокса, что воспроизводило гидродинамические условия роста в промышленных кристаллизаторах.

Опыты проводили до наступления видимого вторичного зародышеобразования, после.чего кристаллы быстро отделяли фильтрованием под разрежением и промывали спиртом, насыщенным сахарозой. Затем определяли гранулометрический состав фракций путем измерения линейных размеров 500 кристаллов с помощью микроскопа. В качестве линейных размеров были приняты средние арифметические величины направлений длины У и ширины X кристалла.

За линейную скорость роста были приняты отношения прироста среднеарифметического размера А К и АХ к продолжительности опыта Дт:

АУ АХ

IV —: н- =— .

Л г Дт

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

Таблигіа і

Характери- Средний размер кристаллов различных фракций, Ы0-6 м

стика 1 2 3 . 4

Уо 189 358 770 2179

131 274 599 1917

В процессе опытов пересыщение поддерживалось постоянным за счет регулирования количества вносимой затравки, которая не превышала 0,2% к объему раствора, что одновременно позволяло исключить условие стесненности.

Результаты экспериментального определения скоростей роста (табл. 2) свидетельствуют о тенденции возрастания \му и м>х при увеличении пересыщения А,„ и температуры.

Таблица 2

Скорость роста, МО8 м/с, кристаллов сахарозы в пересыщенных

шшпмХ ратшрш ?|ру ТЕНгд.чпурс, К

333 313

'V моль/100(1 г НЮ IV,, V, Ли. ноль/1000 г НЮ И/у Щ

Фракция 1

0,213 3,34 2,88 0,172 1,31 1,25

0,427 6,49 5,62 0,344 2,86 2,50

0,637 10,01 8,47 0,519 4,80 3,81 .

0,851 13,04 10,65 0,648 6,02 4,52

. 1,354 21,19 17,20 1,054 9,35 ■^1 оо о

1,871 33,02 23,90 1,481 12,23 9,82

■ і • Фракция 2 :- • ' V. •'

0,213 3.88 3,36 0,172 1,70 1,49

0,427 7,85 6,10 0,344 3,51 2,90

0,637 11,99 9,20 0,519 5,22 4,52

0,851 15,30 11,50 0,648 6,00 5,59

1,354 24,20 18,50 1,054 10,28 9,00

1.871 35.10 28,50 1,481 14,56 11,85

Фракция 3

0,213 5.00 3,92 0,172 2 17 191

Окончание табл. 2

Скорость роста, 1108 м/с, кристаллов сахарозы в пересыщенных ____________водных растворах при температуре, К__________

333 313

Д/л, моль/1000 г Н20 И',, Щ моль/1000 г Н20 HV Wr

0,427 8,34 6,85 0,344 4,24 3,81

я Ш7:^, 12,65 10,39 0,519 6,59 5,88

0,851 17,00 13,04 0,648 8,00 7,01

1,354 то о-т Zo. _ 22,33 1,054 13,02 11,04

1,871 40,73 33,32 1,481 18,11 14,67

Фракция 4

. 0,213 5,39 6,03 0,172 1,22 2,01

' .0,427 10,74 11,37 0,344 2,48 3,93

0,637 14,70 15,60 0,519 3,62 5,78

0,851 20,60 22,00 0,648 4.50 6,56

'1,354 31,00 32,11 1,054 7,25 10,40

■: 1*171 - . > 43,30 44,17 1,481 11,56 14,50

.... _ г ... к ,;i'i — —, -

Линейная скорость роста кристаллов сахарозы зависит также от направления. Установлено, что для кристаллов фракций 1, 2, 3 скорость -п>у выше, чем \гх Исключение составляют кристаллы самой крупной фракции 4, для которой имеет место незначительное превышение м>х над мгу при Г 333 К и существенное -при Г313 К. В последнем случае отношение скоростей в среднем составляет м>ум/х * 0,6.

Установленная анизотропность роста согласно литературным данным может быть обусловлена различной ретикулярной плотностью граней, различной работой образования двухмерного зародыша, неодинаковой концентрацией насыщения у растущей поверхности [8] или различным адсорбционным потенциалом граней [9].

На наш взгляд, различие в скоростях роста м>х и ну обусловлено согласно [10] различием силовых полей вдоль граней УиХ. Это оказывает влияние на структуру переходного слоя у поверхности растущего кристалла, а следовательно, на концентрацию сахарозы в этом слое и, в результате, на движущую силу процесса.

Линейная скорость роста зависит также от размера кристаллов. В основном для всех фракций ч*х и м>у возрастают при увеличении размера затравочных кристаллов (табл. 2). Этот факт подтверждается теорией В. Косселя [8], согласно которой рост гомеополярных кристаллов наиболее вероятен с середины грани. На этом основании доказано, что если рост происходит по механизму двухмерного зародышеобразования, то линейная скорость роста должна быть пропорциональна линейному размеру кристалла [11].

Отклонение от обнаруженной тенденции имеет место только для кристаллов фракции 4 при 7' 313 К, для которых ч/х и особенно м>у значительно ниже соответствующих скоростей для более мелких фракций. Это объясняется тем, что для исследований были выбраны кристаллы фракции 4 с гладкой поверхностью и пра-

вильной формы, а такие кристаллы растут значительно медленнее кристаллов с шероховатой поверхностью

[7].

Следует отметить, что влияние структуры поверхности на рост наиболее выражено при Г 313 К, когда рост протекает в смешанной области и кинетические процессы на поверхности играют существенную роль [1,2]. При 7" 333 К влияние структуры поверхности не является определяющим, поэтому линейная скорость роста кристаллов самой крупной фракции 4 имеет наибольшее значение. При этой температуре процесс лимитируется диффузией молекул из объема раствора к поверхности, поэтому более существенную роль играет гидродинамическая обстановка вблизи кристалла.

Из изложенного следует, что закон роста для крупных кристаллов имеет свои особенности, которые связаны прежде всего со структурой их поверхности.

Кроме того, установлено [12], что при достижении кристаллом определенных размеров дислокационный рост приводит к появлению в кристалле напряжений, растущих с увеличением его размера. Напряженный кристалл с избыточной энергией становится термодинамически неустойчивым, что ведет к повышению растворимости т„ у его поверхности и снижению движущей силы процесса А т.

Следует отметить, что это напряжение, по-видимому, максимально в направлении оси Y, поэтому для кристаллов фракции 4 имеет место соотношение wy<wx.

<i :-v: $ 'Т! r/flfvfrlti-.' И : : *

\;и№<г~: -t’ ТЬ ?? ВЫВОДЫ

1. Линейная скорость роста кристаллов сахарозы зависит от их размера, структуры поверхности и направления роста.

2. Влияние указанных факторов определяется конкретными условиями и зависит от соотношения между кинетическими и диффузионными процессами.

3. Рост крупных кристаллов имеет свои особенности, что необходимо учитывать при управлении процессом промышленной кристаллизации.

V г: ' ' Ц ■ •; . 1 Ч; ■ . i

ЛИТЕРАТУРА

1. Харин В.М. К теории кристаллизации сахара // Изв. вузов. Пищевая технология. - 1974.-№4.-С. 97-101.

2. Харин В.М. Исследование роста и растворения кристаллов сахарозы// Изв. вузов. Пищевая технология. - 1974. - № 3. - С. 97-101.

3. Требин Л.И., Скрипко Н.И., Бажал И.Г. Влияние размера кристаллов сахарозы на линейную скорость их роста и растворения // Сахарная пром-сть. - 1984. - № 6. - С.33-35.

4. Heffels S.K., Jong E.J., Sinke D.J. Growth Rate of Smal Sucrose Crystals at 70°C//Zuckering. -1987. -112. -№ 6. - P. 511-518.

5. Харин В.М. К теории кристаллизации сахара // Изв. вузов. Пищевая технология. - 1975.-№ 2. - С. 129—136.

6. Heffels S.K., Jong E.J. Modelling Sucrouse Crystal Growth // Zuckering / - 1988. - 113. - X° 9. - P. 781-786.

7. Van Hook A. Growth Rate Curves of Sucrose Crystals /7 Zuckering. - 1984 - 109. - № 7. - P. 638-640.

8. Бакли Г. Рост кристаллов. - М.: Иностр. лит-ра, 1954. -

406 с. ... ■. ■ • -■ ■■ .

9. Фольмер М. Кинетика образования новой фазы. - М.: Наука, 1986. - 20В с.

10. Постников В.А. Исследование кристаллизации во взвешенном сдос: Автореф, дис. .,. канд. техн. наук. — М., 1962 - 24 с,

11. Рогинский С.З. Кинетика роста кристаллов // Журн. физ. химии. - 1939. - XIII. - Вып. 8. - С. 1040-1052.

12. Белышев М.А. Влияние соударений и кинетических факторов на размер и форму кристаллов при массовой кристаллизации в циркуляционном кристаллизаторе: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Свердловск. 1982.-25 с.

Кафедра технологического оборудования . 1

Поступила 08.05.01 г. " , , ~ ■

66.061.002.612

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ БАТАРЕЙНОЙ ЭКСТРАКЦИИ

Е.П. КОШЕВОЙ, В.С. КОСАЧЕВ, Х.Р. БЛЯГОЗ,

Х.Р. СИЮХОВ, В.Ю. ЧУНДЫШКО

Кубанский государственный технологический университет Майкопский государственный технологический институт ' -

Батарейная организация процесса экстракции [1] по сравнению с периодическим ведением процесса (например, экстракция жидкой двуокисью углерода в отдельных экстракторах [2]) стабилизирует работу экстракционной установки по количеству и концентрации обрабатываемой мисцеллы, что способствует эффективной в энергетическом отношении работе системы рекуперации растворителя в установке. Однако эффективность экстракции в батарее без анализа предсказать трудно.

Эффективность экстракции, так же как эффективность разделения в любом массообменном процессе, может быть выражена через число единиц переноса. Если не учитывается отклонение от идеального «поршневого» режима течения жидкой фазы в слое экстрагируемого материала, то определяемое число единиц переноса называют «кажущимся»

N.

-ь

dc'

с —с

(1)

где А'кт- «кажущееся» число единиц по твердой фазе; с\х и с'вых -соответственно концентрации жидкой фазы на входе и выходе аппарата, кг/м3; с'*-гипотетическая локальная концентрация, равновесная с твердой фазой при идеальном противоточном контактировании фаз.

Для определения Л^кт проводится интегрирование уравнения (1) с использованием уравнения равновесия и материального баланса для части аппарата в пределах от сечения входа поступающего растворителя с относительным объемным расходом р = УШ (V - объем пор твердой фазы, IV - объем жидкой фазы, поданной за весь период экстракции) и объемной концентрацией с(1) (индексы; н - начальное и к - конечное) до промежуточного сечения аппарата

„0);

С'"' = с„(1) + Р (с{~’ -с,

J2K

(2)

Не учитывая адсорбционные эффекты при равнове-

сии, примем с*'-2! = с<1;

N. . - 1

dc

' Г'

Ї-ЇЗ

dc

-Д2)

(с12) - с**21)

dc{1)

= __________d^__________

І{[с(г,(1-Р)]-[сі°-Рс®]}"

= _L in ^(I-PM^-Pcf).

a-Р) cfa-pMc'11-pcf)' - 1

(3)

(1-p)

-In-^

(1-Р) с?-с™

С учетом материального баланса (2) и того, что для практически значимого случая сн(1) = 0, эффективность экстракции имеет вид

П = (е„(2) -с, (2))/с„(2) = НЭК/Э„)[(100 - Эн)/(100 - Эк)], (4)

где Э - содержание экстрагируемых веществ в твердой фазе, %.

Уравнение для определения кажущегося числа единиц переноса по твердой фазе без учета адсорбционных эффектов принимает вид

КТ 1 1 *_TlP

л',т=--------In-

(1-р) 1-т,

(5)

В общем случае необходимо учитывать силы адсорбции при равновесии. При этом наклон равновесной зависимости т = для основных видов экст-

рагируемых материалов т определен экспериментально в пределах 0,07 - 0,1, соответственно фактор экстракции Л = т/р.

Соотношение между параметрами процесса экстракции следующее: г--.

Л = А,

(6)

где г, = (снп> - ск(2))/(с„'-2! - с,*®) - эффективность экстракции; / = (с°'к - с(1)„)/(от с®, - с(,,„) - фактор разделения; Л = т!р - фактор экстрак-ции.

Тогда соотношения для определения кажущихся чисел единиц переноса по твердой фазе