Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Переработка отходов производства растительных масел. Учебное пособие
.pdf
Третий способ производства топливных брикетов PINI&KAY
подразумевает механическую обработку сырья шнековыми прессами,
при которой сочетаются два фактора – высокое давление и термическая обработка. Благодаря этому лигнин, содержащийся в сырье, становится своеобразным клеем, который формует брикет в плотное изделие. Обычная форма изделия при таком способе – четырехгранник,
шестигранник или восьмигранник с отверстием посередине. Брикет
обладает высокой прочностью к механическим воздействиям, что
позволяет перевозить его на большие расстояния, он не боится влаги,
хорошо хранится.
Компания НПК «АТЕК» (Москва) начала серийный выпуск компактной линии малой производительности для гранулирования в брикеты растительных отходов – соломы, лузги подсолнечника, гречихи
и др. Линия предназначена для использования в крестьянских и фермерских хозяйствах. Ее производительность на травяной муке – до
1000 кг/ч, на древесных отходах – до 500 кг/ч. Оборудование может
использоваться для кормопроизводства, а сушильный комплекс линии – для эффективной сушки зерна.
Компания «Жаско» (г. Волгоград) предлагает технологическое
оборудование для переработки в топливные брикеты отходов растениеводства и перерабатывающей промышленности [3].
На установке УБО-2 (рис. 1.3) [3] производят брикеты из лузги
подсолнечника, шелухи, соломы, опилок и других отходов растениеводства. В основе технологии лежит процесс непрерывного прессования в обогреваемой матрице.
Связующие элементы – вещества, содержащиеся в клетках растений. Брикет формируется шнеком, создающим удельное давление до
200 МПа в нагреваемой формующей втулке. В результате контакта
с нагретыми стенками поверхность и внутреннее отверстие вдоль оси
брикета обугливаются, что создает защитный гидрофобный слой
и улучшает условия горения брикета. Непрерывно выходящий шестигранный брус с гранью шириной 35 мм раскраивается на брикеты
требуемой длины.
11
Рис. 1.3. Установка брикетирования отходов УБО-2 [3]
Пресс-грануляторы ПГ-600М, ПГ-500М, ПГ-300М и гранулятор
малый ГМ-0,5М предназначены для получения высококачественных
топливных и сырьевых гранул различного диаметра из лузги, шелухи,
опилок и других отходов растительного происхождения.
Инжиниринговая компания ООО «Альтернативные топливные
технологии» (г. Екатеринбург) предлагает комплекс инженерных
услуг по созданию предприятий, выпускающих топливные гранулы
из отходов сельскохозяйственной продукции, лесопиления. Потребителям предлагаются мини-заводы производительностью 500
и 1000–1500 кг/ч, а также более 2000 кг/ч.
ООО СП «Грантех» (г. Киев) предлагает линии гранулирования
растительных отходов разной производительности. Предприятием изготовлено и внедрено более 130 линий гранулирования. Диапазон
производительности оборудования рассчитан как на потребности
среднего хозяйства, так и мощных производственных объединений.
Процесс гранулирования на оборудовании «Грантех» включает
в себя измельчение сырья на дробильных машинах, пропаривание
продукта и спрессовывание в гранулы, охлаждение гранул с помощью противоточных охладителей серии ГТО7. Датчики уровня контролируют процесс охлаждения и обеспечивают безаварийность работы. Просеивающие машины отделяют полученную гранулу. Просе-
12
янный продукт отправляют на склад, мелочь возвращают на повторное гранулирование [3].
Использование подсолнечной лузги в качестве топлива не всегда
является рациональным способом утилизации данного отхода масложирового производства, так как при этом не используется содержащееся в ней масло. Более целесообразна химическая переработка лузги.
Пирогенетическое разложение подсолнечной лузги (сухая перегонка) в опытных условиях позволяет получить в пересчете на сухое
вещество: уксусной кислоты – около 5 %; метанола – около 1,5 %; угля – 36–37 %. При сухой перегонке лузги получается ничтожный (не
более 1 %) выход фурфурола в смеси с другими продуктами пирогенетического разложения. Вследствие сложности процесса метод пирогенетического разложения подсолнечной лузги не получил промышленного применения.
Одним из самых распространенных методов химической переработки подсолнечной лузги является ее гидролиз минеральными кислотами. При гидролизе лузги и других растительных материалов
(хлопковой шелухи, стержней кукурузных початков, пивной дробины
и др.) с применением в качестве катализатора минеральных кислот
в результате взаимодействия углеводов растительной ткани с водой
происходит превращение их в моносахариды, растворимые в воде.
Для гидролиза применяют главным образом серную, а иногда соляную кислоту. Гидролиз ведут разбавленной или концентрированной кислотой.
Получение углеводов из растительных отходов методом гидролиза экономически эффективно; стоимость углеводов, получаемых
из отходов, в десятки раз дешевле стоимости углеводов, выделяемых
из пищевого сырья.
Самое широкое распространение получил гидролиз подсолнечной
лузги, разбавленной серной кислотой. В процессе кислотного гидролиза лузги при температуре выше 100 °С входящие в ее состав полисахариды образуют смесь различных редуцирующих сахаров, ряда летучих
органических веществ (муравьиную и уксусную кислоты, содержание
13
которых в гидролизатах доходит до 5 % от веса лузги), фурфурола и его
гомологов, метилового спирта и других веществ.
По степени гидролизуемости полисахариды делятся на легкогидролизуемые, содержащие 95 % пентоз и сбраживаемые сахара; трудногидролизуемые, содержащие 93 % сбраживаемых сахаров и трудногидролизуемые вещества.
При гидролизе легкогидролизуемых полисахаридов получают
пентозный гидролизат, целлолигнин образует непрогидролизовавшийся остаток. В состав пентозного гидролизата переходит 40 % сухих веществ лузги, из которых около 23 % составляют редуцирующие
сахара, остальные 17 % – это примеси, содержащие 5 % уроновых
кислот, 7 % летучих кислот, 3 % золы, 0,3 % азота.
Состав редуцирующих сахаров пентозных гидролизатов в пересчете на массу исходной абсолютно сухой облагороженной лузги: глюкоза
– 0,45 %, манноза – следы, галактоза – 0,81 %, ксилоза – 12,2 %, арабиноза – 2,2 %, рамноза – 0,23 %, уроновые кислоты – 25 %.
Пентозный гидролиз подсолнечной лузги необходимо проводить
при как можно более низких температурах и меньшей концентрации
кислоты. Например, при гидролизе лузги 2%-ной серной кислотой
за 2 ч при 120 °С или за 3 ч при 110 °С выход редуцирующих сахаров
достигает 18–20 % от массы лузги при расходе серной кислоты 0,37–
0,43 кг на 1 кг пентоз.
В результате гидролиза трудногидролизуемых полисахаридов
получают гексозный гидролизат. Трудногидролизуемые полисахариды содержат в пересчете на массу абсолютно сухой исходной лузги:
редуцирующих сахаров – 33,5 %, уроновых кислот – 2,7 %, летучих
кислот – 1,1 %, золы – 1,1 %, азота – 0,2 %.
В настоящее время переработку подсолнечной лузги проводят
путем двухфазного гидролиза с получением пентозного и гексозного
гидролизатов методом стационарного гидролиза в автоклавах или методом перколяционного гидролиза.
При стационарном гидролизе сырье обрабатывают в гидролизаторе раствором кислоты при подогреве острым паром до определен-
14
ной температуры и давления. После варки гидролизат подают в испаритель, а затем в нейтрализатор, где проводят его обработку оксидом
кальция (известью), после чего его направляют на брожение. Остаток
после гидролиза, представляющий собой целлолигнин, выгружают
из гидролизатора для дальнейшей переработки или непосредственного использования.
При перколяционном гидролизе раствор сахаров, образовавшийся в процессе гидролиза, выводят из гидролизатора не по окончании
гидролиза, а во время протекания процесса. Перколяционный гидролиз можно осуществлять методами пульсирующей (ступенчатой) или
непрерывной перколяции.
При ступенчатой перколяции после загрузки сырья в аппарат подают не весь объем раствора серной кислоты, а только его часть.
Обогрев паром проводят со ступенчатым повышением температуры
и давления. После подогрева массы до температуры первой ступени
гидролиза начинается выдача гидролизата с одновременной подачей
кислоты на следующую ступень. Процесс циклически повторяется.
В конце гидролиза делают промывку горячей водой, после чего выгружают целлолигнин.
При непрерывной перколяции в аппарат непрерывно подают раствор серной кислоты, а из аппарата отбирают гидролизат. Скорость
подачи кислоты постепенно уменьшается, а температура ее увеличивается. В конце варки вместо раствора кислоты в аппарат подают воду для промывки лигнина. Способ гидролиза подсолнечной лузги путем непрерывной перколяции наиболее экономически выгоден благодаря высокой производительности.
Гидролиз подсолнечной лузги и других растительных материалов
разбавленной серной кислотой имеет ряд существенных недостатков.
К ним относятся низкий выход редуцирующих сахаров (50–65 %
от теоретически возможного), большой расход пара, потребность
в громоздком оборудовании ввиду применения при гидролизе большого гидромодуля. Гексозные гидролизаты, получаемые из подсол-
15
нечной лузги, имеют низкую концентрацию моноз и содержат продукты их разложения (оксиметилфурфурол и гуминовые вещества).
Гидролизаты, полученные из подсолнечной лузги, используют
для производства различных химических веществ. Из пентозного
гидролизата производят кристаллическую ксилозу, ксилит, триоксиглутаровую кислоту, фурфурол, кормовые дрожжи. Гексозный гидролизат сбраживают с получением этилового спирта.
При сбраживании пентозно-гексозных гидролизатов лузги в смеси с мелассой маслянокислыми бактериями получают растворители –
ацетон, бутанол и этанол [4]. Одна из схем переработки гидролизатов
показана на рис. 1.4 [4]. По этой схеме подсолнечная лузга вначале
подвергается мягкому гидролизу разбавленной серной кислотой. Получающийся пентозный гидролизат используют для выработки кормовых дрожжей и фурфурола. Остаток, содержащий целлюлозу
и лигнин, подвергают более жесткому гексозному гидролизу. Образующийся при этом гексозный гидролизат нейтрализуют известью
и сбраживают с образованием этилового спирта.
Гидролиз подсолнечной лузги концентрированными кислотами
имеет ряд важных преимуществ по сравнению с гидролизом разбавленной кислотой. При гидролизе лузги концентрированными минеральными кислотами получается более высокий выход сахаров, значительно сокращается расход пара и повышается концентрация сахаров в гидролизатах.
В настоящее время одним из наиболее прогрессивных направлений развития химической переработки растительного сырья является
гидролиз концентрированной серной кислотой.
При гидролизе подсолнечной лузги и других видов растительного
сырья концентрированной серной кислотой процесс растворения углеводов протекает в две фазы: первая фаза – основной гидролиз с образованием продуктов, растворимых в кислоте; вторая фаза – инверсия – гидролиз полисахаридов до моносахаридов: глюкозы, ксилозы,
арабинозы, галактозы.
16
Рис. 1.4. Схема переработки растительного сырья, богатого
пентозанами, при двухфазном гидролизе [4]
Гидролиз концентрированной серной кислотой ведут непрерывно
при низких температурах (50–60 °С) при модулях кислоты по моногидрату от 1,5 до 0,3 весовых единицы на 1 единицу абсолютно сухого сырья. При использовании модуля кислоты 1,5 предусматривается вторичное использование серной кислоты для производства удобрительного и кормового преципитата – дикальцийфосфата (Са2РО4). Несмотря
на то, что при гидролизе концентрированной серной кислотой получают высокий выход сахаров, этом метод недостаточно экономически выгоден из-за большого расхода кислоты и сложности ее переработки.
Более перспективен метод гидролиза с применением малого модуля кислоты 0,3 (30 % моногидрата от абсолютно сухой лузги). По-
17
лученные гидролизаты и нейтрализаты отличаются высокой концентрацией редуцирующих сахаров (10–18 %) и очень низким содержанием продуктов распада углеводов. Это позволяет использовать их
для получения пищевой глюкозы, кормовых дрожжей, многоатомных
спиртов и других продуктов. Переработку подсолнечной лузги методом гидролиза с применением малого модуля кислоты осуществляют
по технологической схеме, представленной на рис. 1.5 [4].
Рис. 1.5. Принципиальная схема гидролиза (малый модуль) [4]
Измельченную подсолнечную лузгу смешивают с предварительно нагретой до 55 °С серной кислотой, имеющей концентрацию 75 %
при модуле 0,3. Полученную смесь, имеющую вид сухого порошка,
гидролизуют в шаровых мельницах, где в течение нескольких часов
происходит размол и перераспределение кислоты в обрабатываемом
растительном материале. Под действием молекул серной кислоты
происходит химическая деструкция полисахаридов лузги, в результате чего образуется масса, представляющая собой пастообразное вещество темно-коричневого цвета. Процесс гидролиза ведут при температуре около 50 °С с последующей выдержкой массы в термовыдерживателе при температуре 70–90 °С в течение 30 мин. Сыпучую
гидролизатную массу из термовыдерживателя подают в сосуд для
разбавления водой и оттуда перекачивают в инвертор для окончательного гидролиза до редуцирующих сахаров. Инверсию ведут непрерывным способом, без отделения лигнина, при гидромодуле 1:4
и концентрации серной кислоты 3,3 %. Продолжительность инверсии
18
при температуре 120 °С составляет 20 мин. При этом степень инверсии достигает 98 %. Инвертный раствор подвергают прямой нейтрализации суспензией гидроксида кальция в воде (известковым молоком), и образовавшийся гипс отфильтровывают на непрерывно действующих ленточных вакуум-фильтрах. Затем раствор осветляют активированным углем и далее направляют на ионообменники для глубокой очистки от зольных элементов. Полученный гидролизат в последующем перерабатывают с получением кристаллической глюкозы,
а маточные оттеки – с получением этилового спирта и дрожжей [4].
Подсолнечную лузгу можно перерабатывать с получением фурфурола. Потенциальное содержание фурфурола в подсолнечной лузге
составляет 16–17 %. Фурфурол представляет собой альдегид фуранового ряда. Благодаря наличию нескольких функциональных групп
фурфурол является очень активным химическим соединением. Он
проявляет свойства ненасыщенного соединения и замкнутого эфира.
Разнообразие свойств фурфурола обуславливает широту его применения. Его используют при производстве фурфурольных смол и пластиков, как дезинфекционное средство, для получения различных медицинских препаратов (например, фурацилина). Некоторые нитрофураны используют для лечения инфекционных заболеваний и проведения лечебно-профилактических мероприятий в ветеринарии, животноводстве и птицеводстве. Основным потребителем фурфурола является
нефтеперерабатывающая промышленность, в которой его используют
как селективный растворитель при очистке смазочных масел.
В области органического синтеза наибольшее промышленное
значение имеют производные фурфурола – продукты его гидрирования и окисления. При гидрировании фурфурола получают фуриловый
и тетрагидрофуриловый спирты и ряд других химических веществ.
Фуриловый спирт используют для антикоррозийного покрытия оборудования, как селективный растворитель (для экстрагирования пенициллина), в качестве дубильного вещества, как инициатор горения
топлива для реактивных двигателей. Кретоновые и фталевые эфиры
фурфурола применяют для получения смоляных лаков. Фурфурил-
19
меркаптан, имеющий аромат кофе, используют как душистое вещество. Тетрагидрофуриловый спирт применяют для выработки эфиров
олеиновой и других кислот, которые являются пластификаторами при
производстве эфиров целлюлозы и каучука.
Малеиновый ангидрид и малеиновая кислота, являющиеся продуктами окисления фурфурола, применяют при выработке полиэфирных смол, а также химикатов, используемых в сельском хозяйстве.
Гидразид малеиновой кислоты (препарат МГ-Т) применяют в качестве гербицида, а также для задержки роста корнеплодов и клубнеплодов (например, картофеля и лука).
При декарбонизации фурфурола получают фуран, который далее
гидрируют с получением тетрагидрофурана, являющегося основой
при синтезе нейлона, а также бутадиен – исходное вещество, используемое при производстве синтетического каучука.
Фурфурол образуется при нагревании пентозансодержащих растительных материалов в кислой среде по схеме, представленной на
рис. 1.6 [4]. В процессе гидролиза подсолнечной лузги помимо фурфурола в виде летучих продуктов образуются также метанол, уксусная и муравьиная кислоты.
Рис. 1.6. Схема получения фурфурола [4]
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]