книги из ГПНТБ / Технология гидролизных производств учебник

кислоты, поступающих в смеситель 6, регулируется в соответствии с заданной концентрацией разбавленной кислоты.

Для контроля за запасом жидкости в гидролизаппарате под од­ ной из его опор устанавливается весомер 26, а под другой — под­ вижный шарнир 25. В нижней части гидролизаппарата монтиру­ ются фильтрующие устройства для-отбора гидролизата и отделе­ ния его от лигнина.

По окончании гидролиза оставшийся на дне гидролизаппарата лигнин через быстрооткрывающийся клапан 3 выбрасывается в цик­ лон 4, где отделяется от пара и выгружается на транспортер 5. При подогреве гидролизаппарата с сырьем и кислотой до начала перколяции в нижний конус его подается острый пар. Для удаления воздуха из гидролизаппарата в его верхнем конусе имеется штуцер 27, через который производится сдувка. Для контроля давления в гидролизаппарате пространство над верхней крышкой его сооб­ щается с указывающим и самопишущим манометром.

Перегретый гидролизат (температура 150— 185° С) удаляется из гидролизаппарата в систему, состоящую из одного или нескольких

В этом случае достигается более полное использование тепла от­ ходящего гидролизата. Работа испарителей регулируется так, чтобы в первом испарителе 10 было наибольшее давление, а в последнем испарителе 12 оно было близко к атмосферному. Охлажденный до 100— 105°С гидролизат из последней ступени испарения поступает на последующую обработку. В процессе испарения гидролизата, сопровождающегося его охлаждением, объем его уменьшается при­ мерно на 10%. Образующийся при этом пар уходит из испарителей в систему теплообменных аппаратов для регенерации содержаще­ гося в нем тепла.

Для конденсации паров самоиспарения обычно применяются по­ верхностные теплообменные аппараты решоферы. Иногда исполь­ зуются и конденсаторы смешения.

На схеме (см. рис. 14) пары из испарителя высокого давления 10 с температурой 140— 150° С поступают в решофер высокого давле­ ния 13. Образующийся при этом конденсат через конденсационный горшок, пропускающий только жидкость, поступает в испаритель 18. Соответственно пар самоиспарения гидролизата из испарителя второй ступени 11 и испарителя третьей ступени 12 поступает в пластинчатые теплообменники 14 и 15. Из этих теплообменников конденсат также направляется в испаритель 18 конденсата, где ох­ лаждается до 100— 105° С. Количество этого конденсата составляет около 10% от охлаждаемого гидролизата.

В зависимости от состава сырья и режима гидролиза состав кон­ денсата изменяется. При переработке хвойной древесины в нем содержится около 0,3% фурфурола, 0,1% метанола и 0,12% уксус­ ной кислоты. На ряде гидролизных заводов из этих конденсатов получают чистый фурфурол. Этот процесс в дальнейшем будет рассмотрен более подробно.

70

Вода, используемая для разбавления кислоты, перед смешением с концентрированной серной кислотой нагревается вначале за счет тепла выходящего гидролизата, а затем глухим и острым паром.

На рис. 14 показан один из вариантов подогрева холодной воды, предназначенной для получения горячей разбавленной кислоты. Вода вначале нагревается в пластинчатом теплообменнике низкого давления 15 до 50—60° С и собирается в сборнике теплой воды 16. Из этого сборника теплая вода центробежным насосом 17 под давле­ нием 4—5 KacJcM2 подается в теплообменник 14 второй ступени ис­

парения и затем в решофер первой ступени испарения 13, где на­ гревается до 120— 140° С. Подогретая таким образом вода центро­ бежным насосом высокого давления 9 подается в подогреватель воды глухим паром 8, а затем для окончательного нагрева — в во­ догрейную колонку 7, куда подается острый пар. Из колонки нагре­ тая до заданной температуры вода поступает в смеситель 6 для кислоты. Вода, используемая в гидролизном производстве, должна иметь временную жесткость не более 0,7 м г - э к в / л (в противном

случае на стенках аппаратуры выпадают соли). Более жесткая вода должна предварительно подвергаться химической очистке с целью ее умягчения.

Охлажденный до 103— 105° С гидролизат из последнего испари­ теля 12 поступает в инвертор 28. После инверсии гидролизат на­ правляют на очистку и подготовку для биохимической переработки.

Двухступенчатый подъем давления подогреваемой воды позво­ ляет на первых стадиях подогрева использовать теплообменную аппаратуру, рассчитанную на меньшее давление.

На некоторых заводах подогрев горячей воды глухим паром не производится, вода нагревается в смесителях острым паром.

3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ ГИДРОЛИЗАППАРАТОВ

Гидролизаппарат периодического действия представляет собой вертикальный цилиндр с двумя усеченными конусами (рис. 15). Верхний конус заканчивается загрузочным отверстием, закрыва­ емым крышкой. Нижний конус заканчивается выхлопным устройст­ вом для удаления лигнина по окончании варки сырья. В верхней горловине гидролизаппарата имеются штуцера для подвода горя­ чей разбавленной кислоты и сдувки воздуха в начале варки, а также для сброса избыточного давления. В нижнем конусе гид­ ролизаппарата устанавливаются фильтрующие устройства для от­ деления гидролизата от лигнина.

На цилиндрической части гидролизаппарата снаружи приварены опорные лапы, которыми он опирается на несущую конструкцию.

Корпус гидролизаппаратов обычно изготовляется сварной, из листовой стали. В последнее время ведутся опыты по применению для этой цели титана.

На гидролизных заводах в СССР применяются гидролизаппараты различной емкости: 18, 30, 36, 50, 70 и 160 мъ. Отношение

71

удобной для проведения перколяции. Стальные гидролизаппараты должны быть защищены внутри кислотоупорным слоем от корро­ дирующего действия горячей разбавленной серной кислоты. Футе­ ровка состоит из сплошного слоя бетона с шамотом, примыкающего к стальной стенке. Внутренняя поверхность бетонного слоя

них слоев на нижние и, следовательно, больше плотность загрузки. При влажности древесины около 45—48% плотность загрузки опи­ лок (в пересчете на абс. сухое вещество) составляет 120— 125 кг/м3. Обычная древесная щепа хвойных пород в тех же условиях загру­ жается сплотностью 125— 135 кг/м3. При использовании смеси опи­ лок и щепы плотность загрузки возрастает. Так, при соотношении

— 145 кг/м3. В тех же условиях плотность загрузки подсолнечной лузги равна 80— 110 кг/м3, измельченной кукурузной кочерыжки 150—200 кг/м3, хлопковой шелухи 190— 195 кг/м3 и рисовой лузги 90— 114 кг/м3.

72

Для увеличения плотности загрузки древесины стремятся полу­ чить смесь щепы и опилок с содержанием щепы 60—80%. При этом соотношении достигается наибольшая плотность загрузки измель­ ченной древесины. Известно, что увеличению плотности загрузки способствует использование смеси подсолнечной лузги и кукуруз­ ной кочерыжки. Плотность загрузки подсолнечной лузги возрастает до 160 кг/м3, если ее предварительно раздавить между вращающи­ мися вальцами.

Наиболее распространенным способом уплотнения сырья в гидролизаппарате является одновременная загрузка его сырьем и раз­ бавленной серной кислотой. При этом плотность загрузки опилок возрастает на 8— 10% и достигает 130— 135 кг/м3, а плотность за­ грузки щепы — только на 3% и составляет 127— 138 кг/м3.

Продолжительность загрузки-гидролизаппаратов сырьем зависит от их емкости и производительности загрузочных устройств и ко­ леблется от 25 до 40 мин.

По окончании загрузки верхняя крышка гидролизаппарата за­ крывается и снизу в него подается острый пар для подогрева. В начальной стадии подогрева в верхней части гидролизаппарата собирается воздух, вытесняемый из растительного сырья, а также пары скипидара при переработке хвойной древесины. Этот воздух удаляется, так как его присутствие искажает показания манометра, а находящийся в воздухе кислород способствует образованию окис­ ленных продуктов, особенно при получении фурфурола.

Для удаления воздуха и других летучих продуктов в начальной стадии подогрева гидролизаппарата производится сдувка, при ко­ торой избыточное давление в гидролизаппарате снижается с 3 до 1 кгс/см2. Затем давление пара снова поднимается до заданного значения. В зависимости от принятого режима содержимое гидро­ лизаппарата подогревается до 140— 160° С в течение 30—60 мин. За это время, как уже указывалось выше, значительная часть ге­ мицеллюлоз успевает перейти в раствор. С этого момента или после небольшой выдержки (в течение 5— 10 мин) для гидролиза геми­ целлюлоз начинается перколяция. Этот процесс состоит в том, что в верхнюю часть гидролизаппарата на сырье непрерывно подается нагретая до заданной температуры разбавленная серная кислота, которая, постепенно протекая через столб сырья, уносит образую­ щийся сахар через установленные на дне гидролизаппарата фильтры за его пределы.

Для обеспечения перколяции необходимо с известной скоростью подавать в гидролизаппарат нагретую до 170— 190° С разбавленную серную кислоту. Для этой цели, как указывалось выше, предвари­ тельно нагретая вода смешивается перед гидролизаппаратом в спе­ циальном смесителе с холодной концентрированной серной кисло­ той. Такое устройство позволяет до минимума свести участок тру­ бопроводов, подвергающихся сильному корродирующему действию горячей разбавленной серной кислоты. Смеситель для смещения воды и концентрированной серной кислоты изготовляется из бронзы,

73

латуни или облицовывается внутри кислотостойким пластиком, например фторопластом, или свинцом.

Для предохранения от попадания горячей разбавленной серной кислоты в водяную и сернокислотную коммуникации, которые из­ готовляются из обычной стали, применяются специальные обрат-

стеме теплообменников, а затем прямым смешением с паром в спе­ циальных водогрейных колонках (рис. 16) или пароструйных по­ догревателях, работающих по принципу эжектора.

Гидролизат удаляется из гидролизаппарата через трубчатые фильтры, представляющие собой систему кислотоупорных труб, на поверхности которых имеются отверстия диаметром 4 мм.

Расположение фильтрующих устройств в гидролизаппарате ока­ зывает большое влияние на скорость удаления из него гидроли­ зата. На рис. 17— 19 приведены основные варианты расположения

74

фильтрующих устройств. При вертикальной перколяции (рис. 17, а) горячая разбавленная серная кислота подается в верхнюю горло­ вину или верхний конус гидролизаппарата. Готовый гидролизат в этом случае отбирается через фильтрующее устройство, располо­ женное в нижнем конусе аппарата. В этих условиях перколирую­ щая жидкость в гидролизуемом сырье перемещается сверху вниз. При вертикальной перколяции скорость выдачи гидролизата огра­ ниченна, причем это ограничение проявляется тем сильнее, чем больше емкость гидролизаппарата. Так,при емкости гидролизаппа­ рата 18 ж3 модуль отбора гидролизата 13— 14 может быть осуще­ ствлен в течение 60—70 мин. Это означает, что за 60—70 мин на каждую тонну загруженного сырья (в пересчете на абсолютно су­ хое) отбирается 13— 14 ж3 гидролизата. В тех же условиях из гид­ ролизаппарата емкостью 36 ж3 тот же гидромодуль удается ото­

гидравлических сопротивлений в нижнем конусе.

Это сопротивление вначале варки относительно небольшое, по мере гидролиза сырья быстро возрастает и к концу варки дости­ гает наибольшего значения.

Сильное замедление скорости выдачи гидролизата из гидролизаппаратов большой емкости привело к необходимости разработки различных режимов гидролиза для гидролизаппаратов разной ем­ кости. При этом предусматривалось, что режим гидролиза должен быть таким, чтобы обеспечить гидролиз полисахаридов в гидролизаппарате емкостью 18 ж3 за время в 2 раза меньшее, чем в гидролизаппарате емкостью 36 ж3.

То, что производительность больших гидролизаппаратов с верти­ кальной перколяцией была тем меньше, чем больше был их объем, служило причиной временной задержки применения в промышлен­ ности гидролизаппаратов большей емкости.

Большие гидравлические сопротивления в нижней части гидроли­ заппаратов при вертикальной перколяции способствовали спрессо­ выванию лигнина и образованию трудно удаляемых остатков на нижнем конусе. Постепенное накопление этих остатков в гидролизаппаратах приводило к снижению их полезной емкости и требо­ вало периодической остановки для ручной очистки аппаратов от остатков лигнина.

С целью снижения гидравлических сопротивлений при удале­ нии гидролизата из больших гидролизаппаратов было предложено применять горизонтальную перколяцию. Расположение труб, по­ дающих кислоту и отводящих гидролизат в этом случае, видно из рис. 17, б. В этих условиях скорость выдачи гидролизата повыша­ ется в 2—3 раза. Однако этот способ перколяции не получил широ­ кого практического применения из-за снижения концентрации са­ хара в гидролизате вследствие образования горизонтальных пото­ ков жидкости в рыхло расположенном сырье. Для исключения этого недостатка была применена схема перколяции с переменным потоком жидкости, представленная на рис. 18. По этой схеме

75

перколяция делится на два периода. Первый период соответствует начальной стадии перколядии, когда сырье еще заметно не снижа­ ется и поэтому гидравлические сопротивления в нем относительно невелики. В этот период перколяцию можно вести сверху вниз (рис. 18, а). Во второй половине варки (см. рис. 18,6) подача кис­ лоты переключается на горизонтальную перколяцию. Благодаря

*

этому горизонтальная перколяция осуществляется в уже сжатом сырье и образование горизонтальных потоков в значительной сте­ пени ограничено. К сожалению, этот процесс, несмотря на его боль­ шее совершенство, требует более сложного оборудования.

С целью упрощения конструкции оборудования с большим успе­ хом был использован вариант перколяции, получивший наимено­ вание совмещенной перколяции. На рис. 19, а представлен один из вариантов этой перколяции с удлиненной подающей трубой, а на рис. 19, б — без удлиненной подающей трубы. В этом случае одно­ временно осуществляется вертикальная и горизонтальная перко­ ляция.

76

Совершенствование конструкции больших гидролизаппаратов по­ зволило решить вопрос обеспечения необходимой скорости перколяции.

Как уже указывалось, при осуществлении перколяционного гид­ ролиза необходимо постоянно контролировать запас жидкости в гидролизаппарате. С этой целью под одну из лап, которыми гидролизаппарат опирается на бетонный фундамент, подкладывается пружинный или гидравлический весомер. Гидравлический весомер (рис. 20) представляет собой вертикальный цилиндр, заполненный жидкостью, на которую сверху через резиновую прокладку 3 да­ вит поршень 1. Давление, возникающее в жидкости, передается по металлической трубке в мано­ метр, стрелка которого показы­ вает на шкале количество тонн или кубометров жидкости, на­ ходящейся в гидролизаппарате.

На этой шкале нуль соответ­ ствует массе пустого гидролизаппарата. Учитывается так же ожидаемая масса сырья, посте­ пенно изменяющаяся в про­

твердый остаток лигнина про­ мывается водой. Для осуществления этой операции прекращается

подача концентрированной серной кислоты в смеситель, а перегре­ тая вода, поступающая в гидролизаппарат, постепенно вытесняет из него гидролизат. Продолжается эта операция 20—30 мин. Про­ мывка способствует снижению кислотности лигнина и увеличению выхода сахара благодаря вытеснению из него гидролизата.

По окончании промывки из лигнина отжимается жидкость, по­ сле чего он удаляется из гидролйзаппарата. С момента начала от­ жима жидкости прекращается подача горячей воды в гидролизап­ парат, а выдача гидролизата продолжается. Эта операция чрез­ вычайно ответственна. Ее проведение оказывает непосредственное влияние на полноту удаления лигнина из гидролйзаппарата.

Процесс удаления лигнина из нижней части гидролйзаппарата основан на быстром вскипании содержащейся в нем перегретой жидкости в момент сообщения гидролйзаппарата с атмосферой.

В нижней горловине гидролйзаппарата установлен быстродейст­ вующий клапан (рис. 21), который приводится в действие водой под давлением до 20 кгс/см2 или сжатым воздухом. Вскипающая в лиг­ нине вода образует большое количество пара, который, расши­ ряясь, разрывает плотную массу влажного лигнина на мелкие

77

куски, образующие с ним паро-лигниновую взвесь, вылетающую по кислотоупорной трубе большого диаметра в циклон, где лигнин от­ деляется от пара. Операция удаления лигнина из гидролизаппарата продолжается 30—50 сек. Она получила название вы дув к и . Если выдувку производить при давлении жидкости в гидролизаппарате выше 7—8 кгс/см2, вместе с лигнином будет разрушаться и керами­ ческая футеровка гидролизаппарата, так как в ее порах содер­ жится перегретая вода. Поэтому перед выдувкой давление в гидро­ лизаппарате должно быть снижено с 10— 12 до 6—7 кгс/см2. Даль­ нейшее снижение давления недопустимо, так как при более низком давлении и температуре жидкости в лигнине выдувка его может не произойти или произойдет частично.

Рис. 21. Быстродействующий клапан:

Если по недосмотру давление в гидролизаппарате снизится ниже указанного, то дополнительная подача пара или горячей воды для подъема давления до заданной величины не дает существенного эффекта, так как равномерное распределение температуры в ох­ лажденном лигнине осуществляется очень медленно.

Влажность выдуваемого лигнина должна быть около 65%. После выдувки лигнина и осмотра гидролизаппарата он снова загружа­ ется сырьем для процесса гидролиза.

Схема выдувки лигнина из гидролизаппарата представлена на рис. 14. По этой схеме паро-лигниновая взвесь через быстрооткрывающийся клапан в нижнем конусе гидролизаппарата по трубе диа­ метром около 400 мм поступает по касательной в циклон.

Поскольку выдувка лигнина из нескольких гидролизаппаратов осуществляется не одновременно, на гидролизных заводах к одному циклону (сцеже) присоединяются выдувные трубы двух или трех гидролизаппаратов. Циклоны, используемые для отделения лигнина от пара, представляют собой стальные вертикальные цилиндриче­ ские сосуды, объем которых обычно в 2 раза больше объема гидро­ лизаппарата.

78

Паро-лигниновая смесь, поступающая в цилиндрическую часть циклона со скоростью до 200 м/сек, вследствие развивающейся центробежной силы разделяется на более тяжелые частицы лиг­ нина, отбрасываемые к стенкам, и на более легкий пар, собираю­ щийся в центральной части циклона. Освобожденный от частиц лигнина пар выходит через верхнюю вытяжную трубу в атмосферу, при этом в циклоне развивается избыточное давление до 0,3 кгс/см2. (Выходящие в атмосферу пары, увлекая частицы лигнина, загряз­ няют воздушный бассейн. Принимаются меры к очистке этих паров.) Отброшенный к стенкам циклона лигнин падает на плоское дно, где вращаются на вертикальном валу две горизонтальные лопасти со скоростью 5 об/мин. С помощью этого устройства находящийся на дне циклона лигнин сбрасывается в люк и далее на транспортер или непосредственно в кузов автомашины.

Поскольку влажный лигнин, выдуваемый в циклон, пропитан горячей разбавленной серной кислотой, внутренние стенки его, а также выдувная труба и выгребное устройство должны быть за: щищены от коррозии. По этой причине выдувные трубы изготов­ ляются из кислотоупорной стали. Внутренность циклонов футеру­ ется слоем кислотоупорного бетона или выкладывается кислотоупор­ ными плитками или кирпичом.

Для обеспечения необходимых параметров перколяционного гид­ ролиза гидролизаппараты оборудованы необходимой контрольно­ измерительной аппаратурой и, на ряде заводов, приборами для ав­ томатического регулирования подачи горячей разбавленной кис­ лоты с заданной температурой и концентрацией, а также скорости выдачи гидролизата. Контрольно-измерительная аппаратура и при­ боры для автоматического регулирования процесса объединяются на общем пульте управления. Такое расположение этих приборов позволяет контролировать и регулировать ход процесса во всех гидролизаппаратах одновременно.

Гидролизат из всех гидролизаппаратов поступает в общий кол­ лектор. Работа батареи гидролизаппаратов организуется так, чтобы расход пара на варку был наиболее равномерным. Поэтому должна быть равномерной и выдача гидролизата из гидролизаппаратов в ис­ парители. Только в этих условиях узел регенерации тепла имеет наибольший коэффициент полезного действия.

Продуктовые трубопроводы в целях предохранения от коррозии изготовляются из латуни или красной меди, а вентили — из фосфо­ ристой бронзы. Внутренняя поверхность этих трубопроводов при соприкосновении с перегретым гидролизатом покрывается слоем смолы, гуминовых веществ и лигнина. Этот слой при небольшой толщине замедляет коррозию металла. Однако при неблагоприят­ ных условиях он может настолько увеличиться, что продуктовый трубопровод становится непроходимым для гидролизата. В этом случае он подлежит демонтажу и выжиганию. Эта операция вы­ зывает длительную остановку гидролизаппаратов на чистку трубо­ проводов.

79