Экстракция растительных масел – типичный диффузионный процесс, осуществляется путем диффузии двух видов: молекулярной и конвективной.

Молекулярной диффузией называется перенос вещества в виде отдельных его молекул. Так как полярности молекулы масла и растворителя близки, интенсивности межмолекулярных сил взаимодействия также близки друг к другу. При соприкосновении этих жидкостей поверхность раздела фаз исчезает, и жидкости начинают смешиваться. Чем выше температура, тем больше кинетическая энергия молекул и тем интенсивнее процесс диффузии. Поскольку система стремится к термодинамическому равновесию, происходит выравнивание концентраций: молекулы переходят из областей с большей концентрацией в область с меньшей концентрацией, что и является сущностью молекулярной диффузии.

Процесс молекулярной диффузии описывается первым законом Фика, который в дифференциальной форме можно представить:

dM = - D dF dτ dC / dX,

в интегральной форме: 

М = - D F τ dC / dX,

то есть масса вещества dM, продиффундировавшего за время dτ через элементарную поверхность dF, пропорциональна среднему градиенту концентрации dC / dX этого вещества.

В этих уравнениях:

D – коэффициент молекулярной диффузии;

dC – разность концентраций;

dX – путь диффундирования,

знак «-» обозначает, что перенос вещества протекает в направлении падения концентрации распределяемого компонента.

 Коэффициент диффузии D показывает, какая масса масла диффундирует в единицу времени через единицу поверхности при градиенте концентраций, равном 1. Характеризует способность данного вещества проникать в ту или иную среду при данной температуре. А способность проникать зависит от размера молекул, вязкости среды и температуры.

 Конвективная диффузия – перенос вещества в виде отдельных небольших объемов его раствора. Уравнение конвективной диффузии:

dS = - β F dC / dτ,

где β – коэффициент конвективной диффузии.

Коэффициенты конвективной и молекулярной диффузии различаются. Их сравнительная характеристика представлена в табл. 4.

Таблица 4 Характеристика коэффициентов диффузии

Экстракция масла растворителем из отдельной частицы материала (рис. 29). Вытеснив воздух из промежутков между частицами, растворитель смачивает внешнюю поверхность частицы, растворяет на ней свободное масло, затем вытесняет воздух из пор, проникает по порам внутрь частицы и растворяет масло внутри.

Растворенное масло движется изнутри частицы к поверхности. На поверхности частицы образуется пограничный слой движущейся жидкости за счет ориентации и связывания молекул масла молекулярным силовым полем частицы. В этом пограничном диффузионном слое подвижность молекул масла значительно снижается. От внешней поверхности пограничного слоя масло переносится в общий поток мисцеллы.

Рис. 29. Схема процесса экстракции масла из лепестка:

1,2 – этапы молекулярной диффузии; 3 – этап конвективной диффузии

По характеру диффузионного пути процесс экстракции масла делится на три этапа:

1 этап: молекулярная диффузия масла изнутри частицы материала к ее наружной поверхности. Характеризуется коэффициентом молекулярной диффузии масла изнутри – D_в. Сопротивление диффузии на первом этапе определяется выражением R₁ = l / (5,88 D_в). Оно характеризует влияние внутренней структуры частиц (через D_в) и внешней структуры (через толщину лепестка l) на процесс экстракции.

Скорость диффузии масла изнутри частицы в основном определяется ее внутренней структурой. Численное значение коэффициента характеризует степень вскрытия клеток, пористость материала и др. Для идеальной внутренней структуры D= D_в. Наиболее приближен к идеальной внутренней структуре экспеллерный жмых.

Оптимальную внутреннюю структуру имеет лепесток толщиной 0,55 мм, удельная площадь его поверхности составляет 43,4 см²/г. Если уменьшить толщину l, то диффузионное сопротивление должно уменьшиться. Однако с увеличением количества вскрытых клеток наблюдается сжатие, замазывание пор веществом лепестка, внутренняя структура ухудшается, снижается коэффициент внутренней диффузии, возрастает сопротивление диффузии.

2 этап: молекулярная диффузия через пограничный слой. Характеризуется коэффициентом молекулярной диффузии в пограничном слое, зависит от него и от толщины пограничного слоя b. Сопротивление диффузии на данном этапе определяется выражением R₂ = b / D. Толщина слоя b зависит от физико-химических свойств поверхности, степени ее шероховатости, режима движения мисцеллы.

В целом сопротивление пограничного слоя R₂ зависит от физических свойств растворителя и масла, температуры, скорости и режима движения мисцеллы.

3 этап: конвективная диффузия масла от пограничного слоя в движущуюся мисцеллу. Характеризуется коэффициентом конвективной диффузии. Доля молекулярной диффузии на этом этапе очень незначительна, в основном протекает конвективная диффузия. Ее скорость зависит от гидродинамических условий движения потока мисцеллы, при переходе от ламинарного к турбулентному - скорость резко возрастает.

Диффузионное сопротивление R₃ отражает влияние гидродинамических условий, то есть зависит от скорости и режима движения мисцеллы, ее физических свойств и температуры.

Для процесса экстракции в целом вводится коэффициент массопереноса К – это количество масла, переносимое через единицу поверхности в единицу времени при разности концентраций, равной единице.

В случае экстракции лепестка:

К = 1 / (R₁ + R₂ + R₃).

Лимитирующей стадией процесса будет диффузионный перенос масла изнутри твердой частицы, поэтому коэффициент массопереноса, характеризующий процесс экстракции в целом, будет определяться:

К = 1 / R₁ = 5,88 D_в / l.

Экстракция масла из частиц в их совокупности. В реальных условиях экстракция масла осуществляется из предварительно подготовленного масличного сырья, которое представляет собой совокупность частиц разной формы и различного размера. В этом случае процесс экстракции будет зависеть от перемешивания экстрагируемого материала. Экстракция из массы материала может проводиться в неподвижном частично перемешиваемом слое, перемешиваемом слое или во взвешенном состоянии.

В частично перемешиваемом слое возможно слеживание частиц, блокирование их поверхности другими частицами. При сжимании частиц проницаемость слоя для растворителя ухудшается. Очень мелкие частицы уносятся растворителем, могут скапливаться в отдельных местах и увеличивать гидравлическое сопротивление. Такие участки хуже обрабатываются растворителем.

В перемешиваемом слое процесс экстракции зависит от степени перемешивания.

При экстракции во взвешенном состоянии поверхность частиц открытая, они не блокируют друг друга, и общая продолжительность процесса уменьшается.