Растворение как физико-химический процесс образования однородного раствора из твердой и жидкой фаз, его использование в пищевой промышленности. Обратимое и необратимое растворение. Характеристика основных способов растворения. Аппараты и их классификация.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Содержание

• Введение
• 1. Основные определения и понятия
• 2. Теоретические закономерности процесса растворения
• 3. Способы реализации процесса растворения, аппараты для реализации процесса растворения
• 3.1 Способы растворения
• 3.2 Классификация аппаратов
• 3.3 Аппараты для растворения
• Заключение
• Список использованных источников

Введение

Растворение - физико-химический процесс, протекающий между твердой и жидкой фазами и характеризующийся переходами твердого вещества в раствор. Растворенным веществом считается тот из компонентов, который при обычных условиях находится в агрегатном состоянии, отличном от агрегатного состояния растворителя.

В пищевой промышленности растворение - самый распространенный способ обработки сырья, полупродуктов, получения готовой продукции. В заводских условиях, а также в крупных аптечных учреждениях этим способом получают различные водные, спиртоводные, масляные растворы кристаллических веществ, растворы сухих и густых экстрактов, спирты, ароматные воды, растворы коллоидов, других высокомолекулярных соединений (ВМС).

Цель данной курсовой работы - изучить процесс растворения.

Структура курсовой работы включает в себя введение, три главы, заключение, список использованных источников.

Введение содержит актуальность данной темы, где и для чего используется процесс растворения, структуру работы, информационную базу.

В первой главе содержатся основные определения и понятия процесса растворения.

Во второй главе представлена теоретическая закономерность процесса растворения.

В третьей главе рассмотрены способы реализации процесса, аппараты для реализации процесса измельчения.

Для написания данной курсовой работы были изучены учебные издания, в которых наиболее полно изложен материал по процессу растворения, специальная литература.

1. Основные определения и понятия

Растворение - образование однородного раствора из твердой и жидкой фаз. Непосредственный результат растворения заключается в получении раствора, т.е. гомогенной смеси двух и более веществ. Обычно взаимодействие растворителя с полностью растворяющейся твердой фазой происходит на поверхности частиц, в ряде случав это взаимодействие может затрагивать пористую структуру внутри частиц. Можно выделить два основных класса реакций растворения:

1. Обратимое растворение;

2. Необратимое растворение.

Обратимое растворение сводится к образованию сольватов на поверхности реагирующей твердой фазы и переносу их в раствор. Обратимость этого процесса заключается в том, что полученный раствор можно кристаллизацией разделить на исходные реагенты. Примером такого процесса является растворение ионных кристаллов в воде с образованием пересыщенных растворов и их кристаллизация.

Необратимое растворение можно по типу реакций разбить на 3 подгруппы:

а) реакции, сводящиеся к образованию сольватов на поверхности и последующему переносу их в раствор. По своему типу эти реакции могут быть сходными с теми, которые наблюдаются при обратимом растворении. Однако полученный раствор уже нельзя кристаллизацией разделить на исходные компоненты. Примером таких реакций может служить растворение смешанных кристаллов, состоящих из ионных молекул, либо стекол в полярных и неполярных жидкостях;

б) окислительно-восстановительные реакции, приводящие к образованию сольватированных ионов и продуктов восстановления окислителя. К такого рода реакциям относятся взаимодействие металлов или их сплавов с окислителями или комплексообразователями в водных растворах;

в) реакции присоединения, замещения, нейтрализации. К этой подгруппе относятся реакции взаимодействия молекулярных и ионных кристаллов с полярными и неполярными жидкостями, приводящие к образованию сольватированных молекул и ионов.

Все эти реакции объединяет общее для гетерогенных процессов свойство: реакции растворения всегда включают в себя несколько стадий Плаксин Ю.М., Малахов Н.Н., Ларин В.А., Процессы и аппараты пищевых производств. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: КолосС, 2008. - 760 с.: ил. - (Учебники и учеб. пособия для студентов высш. учеб. заведений)., с. 638:

· перенос растворителя к поверхности кристалла;

· химическая межфазная реакция на поверхности кристаллов;

· отвод продукта растворения от поверхности реакции.

Суммарная скорость процесса растворения определяется скоростями отдельных стадий. Если скорость одной из стадий процесса существенно меньше, чем скорость других, суммарная скорость процесса будет определяться скоростью именно этой наиболее медленной стадии. В том случае, когда медленной (лимитирующей) стадией является химическое взаимодействие, концентрация реагирующего вещества у поверхности совпадает с концентрацией в объеме, а наблюдаемая скорость реакции зависит от внешних параметров (т.е. от температуры и концентрации) точно также, как и истинная скорость реакции на поверхности. Такую предельную область гетерогенного процесса принято называть кинетической.

Если же медленной стадией процесса является подвод реагентов к поверхности или отвод продуктов реакции от поверхности, то скорость процесса определяется скоростью диффузии, и макроскопическая кинетика реакции не имеет ничего общего с истинной кинетикой на поверхности. Эту предельную область гетерогенного процесса называют диффузионной.

В наиболее сложном случае совместного влияния факторов процесс называют диффузионно-кинетическим.

2. Теоретические закономерности процесса растворения

С точки зрения химии растворение - процесс, включающий химическую реакцию между растворителем и растворенным веществом, завершающийся образованием соединений растворенных ионов (молекул) с молекулами растворителя. Эта реакция характеризуется порядком реакции , связывающим плотность потока растворяемого вещества j [кг/ (м²*с)] с концентрацией его насыщенного раствора С_нас [кг/м³] феноменологическим соотношением Плаксин Ю.М., Малахов Н.Н., Ларин В.А., Процессы и аппараты пищевых производств. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: КолосС, 2008. - 760 с.: ил. - (Учебники и учеб. пособия для студентов высш. учеб. заведений)., с. 638

(1)

где К - константа. Поток растворяемого вещества должен равняться диффузионному потоку от этой же поверхности:

(2)

где - коэффициент скорости растворения (коэффициент массоотдачи), м/с.

Выделим вблизи поверхности кристалла слой с промежуточной концентрацией С < С₁ < С_нас, определяющей процессы непосредственно на твердой поверхности. Тогда

(3)

Вблизи поверхности кристалла движущая сила (С_н - С₁) и массовый поток вещества (кг/с) окажутся связанными выражением

(4)

где F - площадь поверхности, м²;

- постоянная, м/с.

Этот же поток, определяемый через процесс диффузии вдали от поверхности кристалла, определяется зависимостью Плаксин Ю.М., Малахов Н.Н., Ларин В.А., Процессы и аппараты пищевых производств. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: КолосС, 2008. - 760 с.: ил. - (Учебники и учеб. пособия для студентов высш. учеб. заведений)., с. 638

(5) (6)

где - градиент концентраций.

Из условия неразрывности массовых потоков найдем:

(7) (8)

где - кинетическое сопротивление, с/м;

- диффузионное сопротивление, с/м;

D - коэффициент диффузии, м²/с;

- общее сопротивление массопередаче, с/м.

Из найденных выражений следует, что

(9)

Общее сопротивление массопередаче находят из эмпирических критериальных уравнений, связывающих диффузионные критерии Нуссельта и Прандтля с критерием Рейнольдса:

(10)

где А, m, n - постоянные.

В практических расчетах растворения пользуются обобщенными формулами, аппроксимирующими экспериментальные зависимости доли нерастворившегося вещества от безразмерного времени где - время полного растворения всех частиц.

Эту долю называют кинетической фракцией, которая в большинстве случаев не зависит от концентрации растворенного вещества и температуры, а также от гидродинамических условий растворения (частоты вращения и размера мешалки, размеров и формы ректора и др.). эти параметры сказываются на полном времени растворения , но не на виде функции (x). Имеется лишь некоторая зависимость от дисперсности кристаллов....