книги из ГПНТБ / Технология гидролизных производств учебник

сечению и высоте гидролизаппарата, к различным скоростям вы­ ведения сахара из разных частей гидролизуемого материала. Эта неравномерность может быть несколько уменьшена, если на поток измельченного сырья в верхнем конусе гидролизаппарата во время загрузки подавать струю пара или воздуха, разбрасывающего сырье-равномерно по всей поверхности.

Неравномерность движения жидкости в сырье при перколяции обычно повышается с увеличением диаметра гидролизаппарата, что приводит к замедлению выведения сахара из части сырья и, сле­ довательно, увеличивает время распада сахара. Для учета этой не­ равномерности в формулу (21) для выхода сахара z при перколя­ ции вводится коэффициент неравномерности перколяции фь

При перколяционном гидролизе смеси щепы и опилок в промыш­ ленных гидролизаппаратах этот коэффициент обычно колеблется от 0,92 до 0,97.

На равномерность вытеснения сахара из гидролизаппарата боль­ шое влияние оказывает уровень жидкости в сырье. Наиболее рав­ номерное, послойное вытеснение сахара в гидролизаппарате имеет место при заполнении всего сырья жидкостью, т. е. когда уровень жидкости равен уровню сырья. Приведенные выше значения коэф­ фициента неравномерности вытеснения фі относятря именно к этому случаю.

При снижении уровня жидкости ниже уровня сырья коэффици­ ент ф] быстро падает. Так, при нахождении уровня жидкости на

в случае, когда уровень сырья и жидкости совпадают. Это явление, впервые обнаруженное инж. Бейгельманом, было использовано им при разработке так называемого л е н и н г р а д с к о г о р е ж и м а гидролиза.

2. Гидролизуемое сырье, состоящее из клеточных стенок расти­ тельных тканей, имеет сложную ячеистую структуру. Часть клеток в процессе измельчения сырья разрушается и внутрь их легко про­ никает гидролизующаяся жидкость. Основная же масса клеток ос­ тается неповрежденной, и разбавленная кислота проникает внутрь их по капиллярам и порам в клеточных стенках. Процесс пропитки измельченного сырьд горячей разбавленной кислотой ускоряется при повышении давления и температуры в гидролизаппарате. При этом кислота, проникающая в толщу куска древесины, быстрее дви­ жется вдоль волокон, чем поперек их. При движении разбавленной кислоты по клеткам она постепенно разбавляется содержащейся в древесине влагой и частично нейтрализуется находящимися в ней зольными элементами. Если пропитанную разбавленной, кислотой щепу сжать, то вытекающая из нее кислота имеет более низкую концентрацию, чем исходная. Разбавление кислоты в толще дре­ весины тем сильнее, чем больше размеры кусков и чем выше ее

50

влажность. При последующем нагреве древесины скорость гидро­ лиза по указанной выше причине оказывается тем меньше, чем крупнее куски древесины и чем больше их начальная влаж­ ность.

Необходимо также учитывать, что в период подогрева сырья, смоченного разбавленной серной кислотой, поступающий в гидролизаппарат острый пар конденсируется и разбавляет кислоту в про­ странстве между кусками сырья. На этот процесс оказывает влия­ ние время года, так как в зависимости от температуры сырья рас­ ходуется разное количество пара на его прогрев до заданной температуры. К концу варки эта разница в скоростях гидролиза наружных и внутренних частей кусков древесины постепенно сгла­ живается вследствие выравнивания концентрации кислоты в ре­ зультате диффузии. На скорость пропитки древесины кислотой влияет также содержащийся в ней воздух. Его удаляют пропари­ ванием сырья.

В процессе перколяции образовавшийся в кусках измельченного сырья сахар должен перейти в протекающую вокруг них перколи­ рующую жидкость. Этот процесс протекает различно для разных частей куска измельченной древесины. Наиболее просто этот про­ цесс протекает на поверхности кусков, которые непосредственно омываются протекающей жидкостью, уносящей образовавшийся са­ хар. Значительная часть сахара удаляется в окружающую жид­ кость путем выдавливания его раствора из толщи сырья в резуль­ тате сжатия. В процессе перколяции .сырье сжимается почти в 4 раза. Однако значительная часть сахара еще остается в кусках древесины и постепенно диффундирует из них. Этот процесс про­ текает наиболее медленно. Он осложнен большим количеством по­ лупроницаемых перегородок, стоящих на пути выведения сахара из толщи куска измельченной древесины.

Рассмотрим более подробно явления, происходящие при диф­ фузионном выведении сахара из толщи гидролизуемого материала.

Как известно, скорость диффузии растворенного вещества из зоны с повышенной концентрацией в зону с меньшей концентра­ цией осуществляется по закону Фика:

dm = - D F -Ц . dt,

где т — количество растворенного вещества, диффундирующего че­ рез полупроницаемую перегородку F; зависит от градиента

концентрации de , коэффициента диффузии D и времени t.

Коэффициент D показывает, сколько данного вещества продиффундирует в единицу времени через единицу площади на расстоя­ нии единицы длины при разности концентраций равной единице (его размерность м2/ч, или см2!сек).

При стационарном диффузионном потоке, т. е. в условиях посто­ янства градиента концентрации вещества, приведенную выше

формулу можно представить следующим образом:

Температурный коэффициент этого процесса для древесины со­ ставляет 1,3— 1,45.

При практических расчетах из-за трудности определения поверх­ ности гидролизуемых частиц пользуются вместо коэффициента диф­

где 2 — количество сахара в древесине;

у— количество сахара, диффундирующего из древесины в под­ вижную жидкость за время t;

р— коэффициент, учитывающий разбавление сахара в под­

вижной жидкости; этот коэффициент выражается отноше­ нием объемов неподвижной и подвижной жидкостей.

Коэффициент массопередачи будет разным для сырья с разной степенью измельчения.

Произведенные измерения показали, что коэффициенты массопе­ редачи сахара при 160° С почти равны константам скорости гидро­

ния сахара из древесины замедляется относительно скорости гидролиза, и относительная потеря сахара вследствие его распада увеличивается. Указанные выше причины замедляют естественный переход образовавшегося при гидролизе сахара в перколяционную жидкость, вследствие чего увеличивается время пребывания сахара в гидролизаппарате и соответственно снижается выход.

Влияние этих факторов на выход сахара при перколяционном гидролизе условно характеризуется коэффициентом ф2. С учетом

В настоящее время нет пока точных числовых значений коэффи­ циента фг. Однако приближенные подсчеты показывают, что этот коэффициент при гидролизе опилок составляет 0,98, а при гидро­ лизе средней древесной щепы с размерами кусков 3x30x33 мм — около 0,80.

5 2

9. ПОВЕДЕНИЕ СЫРЬЯ ПРИ ПЕРКОЛЯЦИОННОМ ГИДРОЛИЗЕ

При полном гидролизе полисахаридов растительного сырья раз­ бавленными кислотами лигнин обычно сохраняет структуру ткани. Куски лигнина в большинстве случаев сохраняют размеры и форму исходного сырья. Поэтому при одноступенчатом гидролизе уро­ вень сырья в гидролизаппарате оседает не более чем на 5— 10%. Однако при последующей выдаче гидролизата под давлением из нижнего конуса гидролизаппарата вследствие значительной раз­ ницы в давлениях под нижним фильтром и над остатком сырья на­ блюдается значительное сжатие и оседание его на 40—60%.

При перколяционном гидролизе эта разность давлений действует во все время перколяции, вследствие чего оседание лигнина дости-

гает 70—75%. Оседанию остатка при перколяции способствует также почти полное удаление целлюлозы, которая в известной сте­ пени предохраняет лигнин от сильного сжатия.

Скорость оседания сырья при перколяции зависит от качества исходного сырья и особенно от природы лигнина.

Изменение объема различных видов сырья по мере растворения содержащихся в нем полисахаридов видно из рис. 11.

Как указывалось выше, для обеспечения равномерного послой­ ного вытеснения гидролизата из сырья при перколяции уровень жидкости в гидролизаппарате должен быть не ниже уровня сырья. Поскольку уровень сырья в процессе перколяции непрерывно сни­ жается, соответственно должен изменяться и запас жидкости в гид­ ролизаппарате.

Изменение объема сырья во времени при перколяционной варке зависит от качества сырья, глубины гидролиза, определя­ емой принятым режимом, и разности давлений над сырьем и под фильтром. Эта величина устанавливается эмпирически. Так же

53

устанавливается и необходимый запас жидкости в каждый момент от начала варки. Контроль над запасом жидкости во время варки осуществляется с помощью весомеров, т. е. приборов, позволяющих непрерывно контролировать вес гидролизаппаратов. Весомеры ре­ гулируются так, чтобы нулевое положение стрелки его соответство­ вало весу пустого гидролизаппарата. Изменение запаса жидкости в гидролизаппарате при перколяционном гидролизе различных ви­ дов сырья показано на рис. 12.

Сжатие сырья при перколяционном гидролизе оказывает сущест­ венное влияние на скорость протекания через него гидролизата. В начале варки скорость перколяции практически не ограничена. Однако по мере сжатия сырья скорость протекания жидкости через него быстро замедляется и в дальнейшем становится лимитирую­ щей режим гидролиза.

Исследования показали, что в условиях протекания жидкости через измельченное сырье процесс подчиняется закону ламинарного движения и может быть выражен уравнением Пуазейля

т] — вязкость, кгс • сек/м2-, Н — длина каналов, принимаемая равной высоте фильтрую­

щего слоя, м\ а — коэффициент, характеризующий криволинейность ка­

налов;

F — площадь сечения гидролизаппарата, м2.

В этом уравнении 8а/пяг4 характеризует капиллярную систему, через которую протекает жидкость, и носит название удельного сопротивления, обозначаемого через р.

Уравнение Пуазейля можно переписать так:

Удельное сопротивление р представляет собой величину потери напора потока (кгс/м2) при прохождении жидкости с вязкостью 1 кгс-сек/м2 через слой материала толщиной 1 м при скорости фильтрации 1 м3/м2-сек.

В результате потери напора между верхним и нижним слоями сырья возникает разность давлений, приводящая к сжатию сырья. Растительное сырье в процессе перколяционного гидролиза ведет себя, как сжимаемое.

Для оценки степени сжатия сырья пользуются геометрическим фактором, который определяется отношением F :Я, т. е. отноше­ нием площади сечения гидролизаппарата (яг2) к высоте слоя гид­ ролизуемого материала, а также учитывает форму аппарата.

Удельное сопротивление движению жидкости по высоте гидро­

54

лизуемого материала не одинаково. Измерения показали, что наи­ большим сопротивлением обладает слой сырья, располагающийся в нижней части гидролизаппарата, вблизи фильтрующих устройств.

Замедление скорости выдачи гидролизата в значительной сте­ пени зависит от свойств лигнина, входящего в состав растительной ткани. Так, лигнин хвойной древесины и подсолнечной лузги долго сохраняет структуру ткани и поэтому эффект замедления здесь про­ является в меньшей степени. Лиственная древесина, хлопковая ше­ луха и особенно кукурузная кочерыжка при варке быстро теряют первоначальную структуру, легко спрессовываются и образуют трудно проницаемый для перколирующей жидкости слой.

Чтобы облегчить протекание жидкости через такое сырье приме­ няют следующие приемы:

1.Смешивают легко разваривающееся сырье, например кукуруз­ ную кочерыжку, с трудно разваривающимся и хорошо сохраняю­ щим форму сырьем, например с подсолнечной лузгой;

2.Гидролиз ведут в условиях, когда в лигнине остается целлю­ лозы больше, чем обычно. Например, если при гидролизе хвойной древесины в лигнине в конце варки остается около 10% целлюлозы, то при гидролизе лиственной древесины или кукурузной кочерыжки оставляют целлюлозы до 30% от лигнина;

3.Приводят предварительное спекание или полимеризацию лиг­ нина, обрабатывая сухое сырье в гидролизаппарате перед гидро­ лизом перегретым паром с температурой ниже температуры на­ чала 'экзотермической реакции;

4.Загружают на дно гидролизаппарата трудно развариваемое сырье, например подсолнечную лузгу, а затем на нее подают куку­

рузную кочерыжку, легко теряющую структуру. При гидролизе дре­ весины на дно гидролизаппарата вначале засыпают «подушку» из крупной щепы, а затем сверху насыпают мелко измельченную дре­ весину, например опилки.

5. Увеличивают площадь фильтрации и уменьшают путь движе­ ния жидкости через сырье путем замены вертикального движения ее в гидролизаппарате на горизонтальное или комбинирован­ ное. Этот вопрос более подробно будет рассмотрен при описании устройства гидролизаппаратов.

6. При возникновении больших гидравлических сопротивлений

втолще сырья создается большая разность давлений между верх­ ними и нижними слоями частично гидролизованного сырья. Эта разность давлений достигает иногда 5—7 кгс/см2. В этих условиях

втолще сырья жидкость начинает вскипать. Образующийся пар увеличивает объем движущейся парожидкостной смеси и еще бо­ лее замедляет движение жидкости. Для снижения влияния этого фактора следят за тең, чтобы разность давлений в верхней части гидролизаппарата и под фильтром не превышала 2—3 кгс/см2.

Уплотнение сырья в процессе перколяции оказывает существен­ ное влияние на его структуру, время диффузии сахара из отдель­ ных его кусочков, а также на соотношение неподвижной и переме­ щающейся жидкой фазы.

55

Иногда лигниновый остаток, особенно около фильтров, сжима­ ется настолько, что плотность его в сухом состоянии достигает 1,3— 1,5, т. е. почти в 2 раза превышает плотность исходной древе­ сины. Плотность сухого куска древесины обычно составляет около 0,45. При гидролизе этого куска без изменения его объема после растворения полисахаридов плотность сухого вещества падает до 0,12—0,15. Таким образом, в процессе перколяции в результате сжатия плотность лигнинового остатка может возрасти в 7— 10 раз. Такой лигниновый остаток напоминает по внешнему виду бурый уголь и с большим трудом удаляется из гидролизаппарата. Он кон­ центрируется обычно в нижнем конусе гидролизаппарата, вблизи фильтрующих устройств и непосредственно на них. Образование таких остатков нежелательно, поскольку они, накапливаясь от варки к варке, снижают полезный объем гидролизаппарата.

В заключение необходимо отметить, что часть лигнина, содержа­ щегося в растительном сырье, при перколяционном гидролизе пере­ ходит в гидролизат, образуя в нем неустойчивый коллоид. Так, при гидролизе хвойной древесины (ели, сосны) в раствор переходит около 10% содержащегося в ней лигнина. Поэтому к концу варки в гидролизаппарате остается около 25% лигнина, в то время как в исходной древесине его около 27,5—27,0%.

При гидролизе лиственной древесины, хлопковой шелухи и ку­ курузной кочерыжки в коллоидное и суспендированное состояния переходит значительно большее количество лигнина. Поэтому гексозный гидролизат этих видов сырья больше'загрязнен лигнином, чем гидролизат хвойных пород.

При гексозном гидролизе хлопковой шелухи содержащиеся в ней волокна хлопка распадаются на мелкие кусочки гидроцеллюлозы, которая плохо удерживается фильтрами и, проходя через них, по­ падает в значительных количествах в гидролизат и, далее, в отстой­ ники. Содержащийся во всех растительных тканях лигнин цементи­ рует кусочки гидроцеллюлозы и предохраняет их от уноса с гидро­ лизатом.

10.ИЗМЕНЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ И КОНЦЕНТРАЦИИ КИСЛОТЫ

ВГИДРОЛИЗАТЕ ПРИ ПЕРКОЛЯЦИОННОМ ГИДРОЛИЗЕ

Впроцессе перколяционной варки растительного сырья темпера­ тура и концентрация серной кислоты в жидкости, заполняющей гидролизаппарат, не остается постоянной. В соответствии с приня­ тым режимом обычно стационарный период варки, соответствую­ щий подогреву сырья с кислотой, характеризуется непрерывным подъемом температуры, причем температура внизу гидролизаппа­

рата выше, чем в его верхней части. Однако в результате энергич­ ного воздействия струи острого пара, подаваемого снизу гидролиз­ аппарата, к концу подогрева температура в разных точках гидролиз­ аппарата выравнивается. Обычно к концу периода подогрева тем­ пература неподвижной жидкости в гидролизаппарате достигает 140— 170° С. С этого момента под верхнюю крышку гидролизаппа-

56

рата начинает поступать горячая разбавленная серная кислота, предварительно нагретая до 175— 190° С, а снизу начинается вы­ дача гидролизата.

Поскольку с этого момента подача острого пара в низ гидролизаппарата прекращается, гидролизат, образовавшийся в период подогрева, почти не смешивается с поступающей сверху горячей кислотой, и вытеснение жидкости сверху вниз идет послойно. По­ этому перемещающаяся жидкость в начальном периоде перколядии имеет непостоянную температуру в гидролизаппарате, образуя два слоя: внизу слой гидролизата, образовавшегося в период по­ догрева, имеющий температуру 140— 170° С, и выше его слой кис­ лоты с температурой 175—190° С. По мере вытеснения жидкости из гидролизаппарата температура верхнего слоя постепенно повыша­ ется в результате смешения жидкостей и теплообмена между под­ вижной и неподвижной жидкостью и сырьем. Нижний слой сырья до вытеснения всей подвижной жидкости, возникшей в период подо­ грева, имеет температуру 140— 175° С и только по мере прохожде­ ния через него верхнего слоя горячей кислоты температура в нем постепенно доходит до 180— 185° С. В этих условиях манометр, ус­ тановленный у верхней крышки, не дает правильного представле­ ния о температуре в гидролизаппарате. Этот манометр показывает только упругость пара верхнего слоя жидкости в гидролизаппарате, а также присутствующих здесь воздуха и углекислоты,- Для опре­ деления истинной температуры по высоте гидролизаппарата при­ меняют специальные термопары в кислотоупорном исполнении.

Изменяется по высоте гидролизаппарата и концентрация серной кислоты в разные периоды варки. Это вызвано тем, что в период подогрева средняя концентрация кислоты в гидролизате обычно не превышает 0,4—0,5%, в то время как горячая разбавленная ки­ слота, поступающая в период перколяции, обычно имеет концент­ рацию 0,5—0,8% •

1І. НЕКОТОРЫЕ ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ ПО РАСЧЕТУ ВЫХОДА САХАРА ПРИ ПЕРКОЛЯЦИОННОМ ГИДРОЛИЗЕ ИЗМЕЛЬЧЕННОГО РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ

Расчет выхода сахара при перколяционном гидролизе в произ­ водственных условиях обычно осуществляется исследователями и производственниками при разработке новых или совершенствова­ нии применяемых режимов гидролиза. В основе этих расчетов ле­ жат количественные зависимости между отдельными параметрами режима, которые были рассмотрены выше.

При расчете режима обычно устанавливают все основные пара­ метры, от которых зависит максимальная производительность 1 м3 полезной емкости гидролизаппарата при определенном заданном выходе сахара из гидролизуемого сырья. Выход сахара предвари­ тельно определяется экономическим расчетом, показывающим оп­ тимальное соотношение между стоимостью измельченного сырья, стоимостью пара и ожидаемой себестоимостью сахара в гидролизате.

57

При совершенствовании производственного режима проверочный расчет выхода сахара и его концентрации в гидролизате показы­ вает, какие из параметров процесса необходимо изменить с целью приближения их к оптимальным. В этих условиях часто приходится учитывать местные ограничения, например допустимое давление внутри гидролизаппарата, скорость выдачи гидролизата на приня­ той системе фильтров, мощность котельной по пару и т. д.

Основной расчет заключается в определении оптимальных выхо­ дов сахара при выбранных параметрах режима.

При выборе параметров режима необходимо исходить из их эко­ номической целесообразности. С одной стороны, желательно стре­ миться к минимальному расходу серной кислоты, топлива, электро­ энергии на единицу продукции и максимальному использованию сырья. С другой стороны, при выборе критерия гидролиза необхо­ димо определить минимальное количество полисахаридов, которые целесообразно оставить в лигнине к концу варки. Поскольку к концу варки в гидролизаппарате остается небольшое количество полисахаридов, выходящий гидролизат также содержит небольшое количество растворенных моносахаридов. При этом себестоимость 1 кг сахара к концу варки становится больше. Поэтому перколяцию обычно останавливают, когда содержание РВ в гидролизате с 4—5% в начале варки падает до 1%. Однако эта величина не одинакова для всех видов сырья и определяется экономической конъюнктурой.

Выход сахара рассчитывают приближенно по приведенным ки­ нетическим формулам. Кроме того, необходимо при этом учитывать скорость выведения образовавшегося сахара из гидролизаппарата.

Как указывалось, концентрация и количество сахара в гидролиз­ аппарате по его высоте распределяется по закону треугольника. Следовательно, при отборе из гидролизаппарата в единицу времени части гидролизата количество выводимого сахара будет соответст­ вовать отношению величины площади трапеции, отсекаемой от пло­ щади треугольника, к величине площади всего треугольника. Если принять высоту треугольника за т, а высоту трапеции за п, то ко­ личество выдаваемого сахара в этих условиях определится соот­

учитывающую скорость выведения сахара из гидролизаппарата. Необходимо, однако, иметь в виду, что эта формула описывает процесс в идеальных условиях, т. е. при установившемся перколя­ ционном процессе и постоянстве всех параметров варки. В дейст­ вительности этот процесс осложнен наличием доперколяционного

58

(

периода — подогрева, переходным периодом перколяции до устано­ вившегося равновесия, периодом окончания варки, когда подача кислоты прекращается и наступает стадия промывки остатка. Кроме того, в процессе перколяции непрерывно изменяется запас жид­ кости, количество сырья и его плотность, а часто также концен­ трация кислоты и температура. При послойном вытеснении жид­ кости с разными температурами гидролиз по высоте гидролизаппарата будет протекать с разной скоростью.

Все эти факторы могут быть учтены при расчете. Однако рас­ чет в этом случае становится очень сложным. Поэтому исследова­ тели часто упрощают его, принимая постоянными некоторые из пе­ ременных.

Чтобы учесть влияние всех основных переменных на процесс перколяционного гидролиза, применяются различные варианты при­ ближенных расчетов. Например, было предложено процесс варки от начала подогрева до конца перколяции разбить на относительно короткие периоды и для них принять постоянными все параметры. Вначале для расчета принимались десятиминутные периоды. В бо­ лее позднее время в связи с широким использованием в технике счетно-решающих устройств эти периоды можно было значительно сократить.

В другом варианте расчетов было предложено учитывать влия­ ние на выход сахара изменения параметров реакции по периодам перколяции, т. е. отрезки времени, в течение которых количество отбираемого гидролизата соответствует рабочему запасу жид­ кости в гидролизаппарате, т. е. ее количеству, находящемуся в гид­ ролизуемом материале.

Техника этих расчетов до настоящего времени продолжает со­ вершенствоваться. Один из наиболее распространенных методов расчета выходов сахара при перколяционном гидролизе—-графо­ аналитический, предложенный И. И. Корольковым ‘, включает сле­ дующие основные операции:

1. Вычисление количества сахара, образующегося в период подо­ грева гидролизаппарата. Расчет ведется по формулам для одно­ ступенчатого гидролиза, отдельно для легко- и трудногидролизу­ емых полисахаридов, находящихся в исходном растительном сырье. Предварительно устанавливается значение критерия гидролиза и критерия распада сахара, которые затем подставляются в расчет­ ные формулы. Числовые значения этих критериев, а также гидро­ модуля запаса и отбора гидролизата находятся графически из диа­ граммы, построенной в зависимости от времени варки в минутах.

Значения критериев вычисляются из условий принятого режима. В расчетные формулы для выхода сахара подставляются средние за данный период значения критериев.

2. Вычисление количества сахара, образующегося при перколя­ ции без поправки на влияние диффузионных и гидродинамических

1 Корольков И. И. Перколяционный гидролиз растительного сырья. М., 1968, с. 143.

59