Традиционные способы экстрагирования пористых материалов в большинстве случаев не вполне эффективны, т. к. не обеспечивают достаточную полноту истощения сырья, характеризуются высокой длительностью процесса и непродуктивными затратами подведенной энергии. Вместе с тем, постоянное увеличение объемов производства и ассортимента продуктов на основе экстрактов диктует необходимость дальнейшей разработки теории процесса, новых интенсивных способов экстрагирования и аппаратов для их осуществления.

Теория диффузионного экстрагирования была разработана к середине семидесятых годов ХХ века Г.А. Аксельрудом, В.М. Лысянским и др. Ее суть заключается в том, что массоперенос целевых компонентов в пористых частицах осуществляется исключительно в результате молекулярной диффузии. Эта теория определила направление традиционных способов интенсификации процесса экстрагирования: ускорение пропитки сырья экстрагентом, оптимальное измельчение сырья и преобразование его пористой структуры, повышение температуры, рациональный подбор растворителей и т. д.

Гидродинамические способы интенсификации процесса экстрагирования в основном базируются на результатах, вытекающих из теории изотропной турбулентности, согласно которой скорость массообменного процесса определяется величинами пульсационных составляющих скорости u' и давления p' турбулентного потока. В отсутствии внешних сил движение жидкости относительно частиц возможно при условии, что жидкость движется ускоренно или замедленно. Ускорение в турбулентном потоке определяется отношением u'/l, где l - масштаб турбулентных пульсаций. Другой важный фактор, влияющий на массоперенос, — коэффициент турбулентной диффузии K_т так же зависит от пульсаций скорости и масштаба турбулентности K_т = u' l. (Здесь и далее вместо привычного обозначения коэффициента диффузии D мы будем использовать K). Это обусловлено тем, что буквой D в работе обозначаются оператор дробного дифференцирования). Отсюда следует, что для интенсификации процесса необходимо увеличивать скорость движения жидкости и использовать различные способы ее турбулизации. В конечном итоге интенсивность процесса определяется удельной (на единицу массы или объема) локальной диссипацией мощности N ∼ d(u')²/df.
Среди гидродинамических способов интенсификации процесса наибольшее влияние на скорость процесса оказывают вихревое экстрагирование, экстрагирование в режиме вакуумного кипения и взрывного вскипания экстрагента, применение механических колебаний суспензии, наложение на перерабатываемую суспензию ультразвука, пульсаций давления и т. д. Если оставаться в рамках диффузионной теории экстрагирования, то эти методы снижают только внешнедиффузионное сопротивление и не должны оказывать заметного влияния на скорость массопереноса внутри пористых частиц. Между тем оно есть, причем значительное.

Это говорит о том, что в аппаратах с интенсивным гидродинамическим режимом механизм экстрагирования целевых компонентов из пористых материалов иной. В крупных порах в результате наложения на систему низкочастотных колебаний давления, под действием импульсов давления вблизи поверхности частиц или в результате механической деформации частиц инициируется конвективный (фильтрационный) массоперенос. Вместе с тем извлечение целевых компонентов из мелких пор, объем которых многократно превышает объем крупных пор, осуществляется по диффузионному механизму. В целом механизм экстрагирования в условиях интенсивного гидродинамического воздействия на пористые частицы можно рассматривать как диффузионно-конвективный.

Ряд исследователей, признавая наличие конвективной составляющей массопереноса, для описания кинетики экстрагирования используют диффузионные модели, заменяя в них коэффициенты молекулярной диффузии на коэффициенты эффективной диффузии. Подобный подход не учитывает реальных закономерностей процесса, поскольку извлечение целевых компонентов из мелких пор осуществляется все же молекулярной диффузией. Р.Ш. Абиевым и Г.М. Островским исследован процесс экстрагирования целевых компонентов на основе модели тела с бидисперсной пористой структурой. Экстрагент под действием низкочастотных колебаний давления в аппарате совершал осциллирующее движение в крупных порах. Однако, поскольку задача решалась численным методом, полученные результаты носят частный характер.

Таким образом, теория диффузионно-конвективного экстрагирования еще не разработана. Поэтому исследования в данной области являются актуальными.

Предлагаемая книга представляет собой обобщение работ по теории и практике экстрагирования, проведенных на кафедре Процессов и аппаратов химической технологии Санкт-Петербургской государственной химико-фармацевтической академии в период с 2000 по 2007 год. Теоретическое рассмотрение предваряется изложением метода дробного дифференцирования, наиболее удобного при исследовании математических моделей, связанных с уравнениями в частных производных эволюционного типа. Затем метод применяется для решения ряда задач, большая часть которых ранее не рассматривались. Во многих случаях полученные результаты сопоставляются с экспериментальными данными, что позволяет сделать определенные выводы о характере протекающих процессов.

Следует оговориться, что для значительной части экспериментальных данных до сих пор не удалось предложить адекватные математические модели. В этих случаях дается только качественное объяснение наблюдаемых эффектов.

В целом настоящее исследование посвящено разработке нового научного направления – диффузионно-конвективного экстрагирования.

СОДЕРЖАНИЕ
НАЗАД