Difuzia - aparate si utilaje utilizate pentru difuzie, calculul instalatiilor si aparatelor de difuzie

DIFUZIA

1.Generalitati

Difuzia este operatia prin care se realizeaza transferul de substanta dintr-o faza in alta, avand la baza legea generala a osmozei.In principiu procesul de difuzie poate fi realizat pe doua cai:

materialul introdus intr-un aparat vertical este spalat cu un curent dizolvant pana la expulzarea dizolvantului (solutului) in materialul solid, fig. 1.

a)                                            b)

Fig.1 Schema difuziei a) circulatia in echicurent ; b)circulatia in contracurent

Teoria procesului de difuzie

Sunt doua grupe de baza:

- teorii bazate pe legea lui Fick

- teorii la baza caruia sta ecuatia diferentiala generala a procesului de difuzie cu stabilirea conditiilor la limita.

O importanta in practica o reprezinta teoria lui P.M. SILIN, aplicata la difuzia zaharului in apa. La baza acestei teorii sta considerentul ca procesul este stationar si ca atare are la baza legea lui Fick (expresia matematica fiind: (1).)

Ca un caz particular al ecuatiei difuziei generale a transferului de masa :

                       (2)

In (1) s-a considerat ca = 0 (punct stationar) si ca operatia decurge intr-o singura directie. Siliu foloseste ecuatia lui Fick. , (3)

in care: C - conc. In zahar in zeama din taietei; c - conc in zahar in zeama de difuzie ;X - lungimea parcursului de difuzie ;G - cantitatea de zahar care difuzeaza % ;D - coeficientul de difuzie. ;t - timpul de difuzie.

Transferul de substanta intr-un sistem izolat format din doua sau mai multe faze este posibil cand componentul in cauza se gaseste la concentratii diferite in cele doua faze. El apare spontan daca fazele sunt in contact si decurge de la faza in care componentul este in concentratie mai mare, spre faza in car acelasi component este in concentratie mai mica. Procesul continua teoretic pana se stabileste un echilibru, cand se omogenizeaza concentratia componentului respectiv in cele doua faze.

Factorul motor al difuziei este gradientul de concentratie ( grad C), care este definit ca limita raportului dintre diferenta de concentratie D C a componentului intre cele doua faze si distanta pe normala D l intre cele doua suprafete intre care are loc diferenta de concentratie, cand Dl 0:

Grad C = ;                                 (4)

In transferul de substanta apare un flux de substanta (N), care reprezinta cantitatea de substanta care difuzeaza in unitatea de timp: (M - cantitatea de substanta).

Fluxul unitar de substanta (n) se defineste ca fiind fluxul de substanta raportat la unitatea de suprafata, , [kg / m²s], in care: t - timpul, s.

Fluxul unitar de substanta este denumit si viteza de difuziune.

Transferul de substanta se poate realiza in doua moduri:

prin difuziune moleculara, care consta in deplasarea la scara moleculara a substantei printr-un fluid;

prin difuziune prin convectie sau de turbulenta, cand deplasarea componentului care se transfera se realizeaza cu ajutorul curentilor de convectie, care apar in fluide.         Tinand seama de modul de realizare, difuziunea moleculara poate exista singura, insa difuziunea prin convectie este insotita totdeauna de difuzie moleculara. Difuziunea moleculara este un proces lent, care nu se poate intensifica de cat prin ridicarea temperaturii.

Difuziunea prin convectie presupune transferul de substante realizat prin curgerea fluidului, fiind mult mai intens decat difuziunea moleculara si depinde de gradul de turbulenta al fazei. Miscarea, la difuziunea convectiva, se poate obtine prin simpla deplasare a fluidelor in interiorul aparatelor, prin agitare, prin actiunea unei diferente de presiune etc. In cazul transferului de substanta prin difuziunea convectiva se poate specifica coeficientul partial de transfer de substanta, care este invers proportional cu grosimea stratului limita prin care are loc transferul de substanta prin difuziune. Coeficientul partial al transferului de substanta prin difuziune k_A se poate exprima prin relatia:

;  (5)

in care : k_A - coeficientul partial al transferului de substanta ; D_e - coeficientul de difuziune efectiva ; - grosimea stratului limita prin care are loc difuziunea ; Grosimea nu poate fi masurata, de aceea valoarea lui k_A se determina experimental.

2. APARATE SI UTILAJE UTILIZATE PENTRU DIFUZIE

In industria alimentara operatia de difuzie se aplica la fabricarea zaharului din sfecla, la obtinerea concentratelor de vitamina C din macese etc. Pentru realizarea practica a difuziei s-au construit aparate cu functionare continua, care folosesc principiul contracurentului.

Clasificarea aparatelor in functie de constructia organelor de transport si de pozitia corpului aparatului este prezentata in tabelul 1.

Tabelul 1Aparate cu functionare continua

Sub numele de difuzie, operatia este intalnita la obtinerea zaharului in industria de prelucrare a sfeclei de zahar, la obtinerea vitaminei C din macese etc.

In industria zaharului se intalnesc urmatoarele aparate si utilaje de difuzie:

Difuzorul cu functionare discontinua (fig.2 ) se utilizeaza montat in baterie (serie<9 circulatia produselor de difuzie ( zeama de difuzie si taitei de sfecla) realizandu-se in contracurent.

Fig.2. Difuzor cu functionare discontinua

Pentru realizarea unei difuzii bune, realizand o capacitate mare de prelucrare, difuzoarele se monteaza cate 8 - 12 intr-o baterie( fig.3), intercaland intre ele schimbatoarele de caldura pentru preincalzirea zemii de difuzie inainte de a intra in difuzor. Dezavantajul instalatiei cu difuzare in baterie este ca ocupa spatiu mult, consuma multa apa pentru difuzia zaharului din sfecla si randamentul este relativ mic.

Figura 3 Asezarea difuzoarelor in baterie cu intercalare de calorizatoare.

Difuzorul rotativ, cu doua elice (fig 4), realizeaza difuzia in flux continuu. In acest difuzor, circulatia zemii de difuzie si a taiteilor de sfecla se realizeaza in contracurent, ceea ce permite stabilirea unei diferente de concentratii (C- c) aproape constanta pentru toata durata operatiei.

Difuzorul este un cilindru orizontal , confectionat din tabla de otel. In interiorul cilindrului, care se monteaza cu o usoara inclinatie , se gasesc doi melci transportori , ale caror inceputuri au un decalaj de 180⁰. Spre centrul difuzorului melcii transportori se sudeaza de o placa longitudinala, care imparte cilindrul in doua parti semicilindrice.

Placa longitudinala este astfel confectionata, incat in partea centrala este compacta, iar pe partile laterale este perforata cu orificii destul de fine, pentru a permite retinerea taiteilor de sfecla.

Fig.4 Instalatia interioarǎ a tamburului rotativ RT 1- tambur, 2- melc dublu, 3 si 4-fluxuri de zeamǎ, 5 - site, 6 - banda centralǎ, 7- table inclinate ;

Pe partea centrala compacta se sudeaza pe ambele fete din loc in loc ( dar la distante egale) placute de forma dreptunghiulara. Placutele au sens invers de montare pe fetele placii compacte astfel incat in timpul rotirii difuzorului se dea doua sensuri de circulatie pentru zeama de difuzie. Placutele sunt asezate perpendicular pe placa compacta , dar inclinate fata de axa placii compacte cu u unghi astfel ales, incat o placuta sa cuprinda trei compartimente ( formate din melci transportori) .

In rotatia tamburului se creeaza in spatiul dintre spirele melcului doua fluxuri de taitei ( spre exterior) si doua fluxuri de zeama de difuzie ( spre interior) astfel incat se realizeaza difuzia cu intensitate marita.

Difuzorul coloana, cu melc (fig.5) este construit dintr-o coloana verticala, confectionata din tabla de otel rezistent la coroziune. In interiorul coloanei se gaseste un melc montat pe o teava , care serveste drept ax. Spiralele melcului sunt prevazute cu canale radiale pentru scurgerea zemii de difuzie.

La baza turnului, sub prima spira a melcului se monteaza o sitǎ , iar deasupra acesteia se gaseste un racord pentru pomparea amestecului de taitei si zeama care vine de la oparitor. Sub sita, coloana difuzorului se termina cu un colector tronconic , din care se elimina zeama de difuzie prin racordul 10.

Fig.5. Difuzor, coloana cu melc BMA 1- gurǎ alimentare cu tǎietei, 2- solutie caldǎ, 3 - separator, 4- opǎritor, 5- pompǎ de amestec, 6- ax cu palete, 7- racorduri pentru apǎ de presǎ si apǎ caldǎ, 8- racord intrare apǎ proaspǎtǎ, 9- gurǎ evacuare borhot 10- racord iesire zeamǎ difuzie, 11- solutie de circulatie;

Pe toata inaltimea coloanei se monteaza guri de vizitare si termometre de control, precum si stuturi pentru luarea probelor pentru analize.

Actionarea melcului vertical este asigurata prin elementele de transmisie montate la partea superioara.

Circulatia produselor in coloana se realizeaza in contracurent; taiteii circula de jos in sus cu ajutorul melcului vertical, iar zeama circula prin scurgere de sus in jos, asigurand pe toata durata operatiei de difuzie o diferenta de concentratie aproape constanta.

Aparat de difuzie Olier

Alimentare apǎ

Este alcǎtuit din 1.6 coloane, 7-8 sistem de actionare, 9- buncǎr de alimentare, 10- discuri perforate, 11- transportor cu lant, 12- sitǎ de separare a tǎieteilor, 13- tuburi curbe

Alimentare apǎ de presǎ iesire zeamǎ difuzie

Fig. 6 Aparat de difuzie Olier

3. BILANTUL DE MATERIALE SI TERMIC

a) Bilantul de materiale se stabileste astfel:

Daca se noteaza cu :

x- concentratia zaharului in zeama de difuzie, in kg zahar / kg apa

y - concentratia zaharului in taiteii de sfecla, in kg zahar / kg apa

G_m - cantitatea de material (taitei) supus difuziei, in kg

G_z - cantitatea de zeama de difuzie (la inceput apa), in kg, se poate stabili bilantul de materiale pe intreaga operatie de difuzie:

G_z (x_f - x_i) = G_m (y_i - y_f)

In care s-a notat cu f sfarsitul operatiei si cu i inceputul operatiei.

Consumul specific de zeama de difuzie se poate calcula din raportul:

Pt o operatie ideala de difuzie (cand se spala taiteii mereu cu apa curata, iar la sfarsitul operatiei materialul este complet epuizat in zahar) se admite x_i = y_i. In acest caz se obtine o diferenta concentratii constanta.

La obtinerea zaharului prin difuzie, taiteii se spala cu apa de difuzie si se obtine zeama de difuzie care merge in instalatiile in instalatiile de concentrare (evaporare) si ramane sa se elimine din aparat borhotul si apa de golire finala.

Se considera ca apa de golire este 120% fata de cantitatea de sfecla, iar borhotul 90% fata de cantitatea de sfecla.

In acest caz se poate stabili bilantul total al unei difuzii:

G_m +W₀= G_z + B +W_g (kg)

In care , in afara notatiilor de mai sus, se dau:

W₀ - apa de difuzie (necesara realizarii difuziei pe toata durata operatiei), in kg;

B - cantitatea de borhot ramasa dupa difuzie, in kg;

W_g - apa de golire ( obtinuta la ultima spalare), in kg.

b. Bilantul de termic se stabileste dupa relatiile date mai sus.

4. CALCULUL INSTALATIILOR SI APARATELOR DE DIFUZIE

4.1. Calculul difuzoarelor cu functionare discontinuǎ

Printr-un aparat de difuzie circula debitele:

a) de material ( taitei de sfecla), G_m

G_m = S_1PmvW_m

b) apa de difuzie (        zeama de difuzie) G_z. E

in care:

S₁ - este sectiunea transversala a aparatului, in m²; P_mv - densitatea in vrac a materialului, in m/min; E - coeficient de extract tone zeama de difuzie / tone material; W_z - viteza cu care circula zeama de difuzie in aparat in m / min ; P_z - densitatea zemii de difuzie, in t / m³ ; P_m - densitatea materialului in t / m³

Din relatiile de mai sus rezulta ca difuzia se realizeaza prin deplasarea produselor cu vitezele:

si

Cantitatea de sfecla care intra zilnic in difuzor se poate stabili cu relatia:

in care:

V - este volumul util al aparatului, in hl ; s_m - incarcarea specifica cu material al aparatului in kg / hl;              t_d - durata operatiei de difuzie in min.

Din formula de mai sus se deduce volumul: .

Pentru aparatele de difuzie, actionate in miscare de rotatie, se poate incarca cantitatea G_m de material la o incarcare specifica s_m data, obtinandu-se lungimea L a aparatului in functie de diametru astfel :

unde: V₁ - volumul total al aparatului in m³

Materialul ce contine dizolvatul de separat prin difuzie este introdus intr-o coloana sau intr-un aparat orizontal, la un capat, iar dizolvantul, in partea opusa, realizandu-se o circulatie in contracurent, fig

Aparatele de difuzie cu coloana pot fi cu circulatia dizolvantului de sus in jos sau invers.

4.2. Calculul aparatelor de difuzie cu functionare continua

Se considera datele initiale:y - continutul de dizolvant din materialul initial kg dizolvat, kg apa ; Q_y - debitul de solutie obtinuta la difuzie t/ min ; l - lungimea unitara a particulei de material m/ 100 ; C₂ - continutul de dizolvat din reziduu kg dizolvat/ kg apa

q - productivitate zilnica t sfecla / 24 ore ; t_m - temperatura medie de difuzie ⁰C ;T_m - incarcarea specifica a aparatului cu material kg/hl

Prin calcul trebuie sa se determine :

t - durata de difuzie, min ; d - diametrul aparatului, m; L- lungimea efectiva pe care are loc difuzia, m; N - puterea necesara pentru actionare, kw.

Intre datele problemei si necunoscute se pot stabili o serie de relatii.

Astfel din formula productivitatii q se deduce:

[t sfecla / 24 h]

in care V - volumul util al aparatului, hl

Din relatia de mai sus se poate stabili volumul util al aparatului. La calculul aparatelor rotative, trebuie sa se tina cont de influenta diametrului aparatului d, asupra incarcarii specifice T_m cu marirea diametrului aparatului se reduce implicit incarcarea specifica conform relatiei: T_m = 6,3 . 50 (1 - 0,12d), t / m³. 24h

Astfel, lungimea aparatului va fi: , m

in care: V₁ - volumul total al aparatului, m³

Cunoscand incarcarea specifica cu material si volumul util al aparatului, cu ajutorul lungimii L calculate , se determina diametru d. Dimensiunile aparatelor de difuzie se apreciaza dupa normative.