Стадии процесса экстрагирования и их количественные характеристики

При переходе одного или нескольких веществ из одной фазы (сырья) в другую (экстрагент) можно выделить три стадии:

1. «внутренняя диффузия», включающая все явления переноса веществ внутри частиц сырья;

2. перенос вещества в пределах непосредственно диффузионного ламинарного пограничного слоя (за счет трения и вязкости);

3. перенос вещества движущимся экстрагентом (конвективная диффузия).

На первойстадии экстрагирование из обезвоженного сырья с клеточной структурой начинается с проникновения экстрагента в материал, смачивания веществ, находящихся внутри клетки, растворения и десорбции их. Далее следует молекулярный перенос растворенных веществ, вначале в экстрагент, находящийся в межклеточном пространстве, затем в экстрагент, заполняющий микро- и макротрещины и на поверхность кусочков материала.

Рис. Частичка сырья в экстрагенте

С₁ – средняя концентрация экстрагируемых веществ внутри частицы

С₂ – средняя концентрация экстрагируемых веществ на поверхности частицы

С₃ – средняя концентрация экстрагируемых веществ в диффузном пограничном слое

С₄ – средняя концентрация экстрагента в объеме, омывающем частичку

Количество продиффундировавшего вещества из внутренних структур частицы на ее поверхность (первая стадия) можновыразть в виде уравнения:

где S – количество продиффундировавшего вещества, кг;

D_вн – коэффициент внутренней диффузии, м²/с

F – поверхность раздела фаз, м²;

l – толщина частицы материала, через которую диффундируют вещества, м;

t – время диффузии, с;

C₁, C₂ – концентрация вещества, кг/м3.

На второйстадии идет диффузия веществ от поверхности частицы (концентрация С₂) к наружной поверхности диффузионного пограничного слоя (концентрация С₃). Пограничный диффузионный слой оказывает большое сопротивление дальнейшему переносу экстрагируемых веществ в экстрагент. Толщина этого слоя зависит, в основном, от скорости перемешивания экстрагента. Чем больше скорость перемешивания, тем меньше толщина пограничного слоя. В пределах диффузионного пограничного слоя перенос веществ осуществляется по закону свободной диффузии, по первому закону Фика (Фика-Щукарева):

где d – толщина диффузионного пограничного слоя, м.

На третьейстадии процесса экстрагирования перенос действующих веществ осуществляется за счет движения экстрагента (конвективная диффузия). Количество вещества, перенесенного в экстрагент за счет конвективной диффузии описывается уравнением:

S = b х F х (C₃ - С₄) х t

где b – коэффициент конвективной диффузии (м/с), который тем выше, чем интенсивнее перемешивание

Суммарный процесс переноса вещества из частицы материала в экстрагент выражается основным уравнением массопередачи:

S = K х F х (C₁ – С₄)

где К – коэффициент массопередачи (м/с), который учитывает все величины, являющиеся количественными характеристиками трех стадий процесса экстракции и определяется из уравнения: