Файл: Технология гидролизных производств учебник..pdf

В этом уравнении константы скорости гидролиза полисахарида ki и скорости распада сахара k2 имеют те же зависимости от пара­ метров реакции, как и при одноступенчатом гидролизе. Специаль­ ные опыты показали, что скорость перколяции и присутствие лиг­ нина не оказывают заметного влияния на скорость гидролиза цел­ люлозы в растительной ткани.

Продолжительность гидролиза при перколяционной варке t равна времени воздействия горячей разбавленной кислоты на по­ лисахариды и состоит из времени подогрева содержимого гидролизаппарата t' и времени перколяции t" (t = t' + t").

Если гидролизу подвергается только один полисахарид, напри­ мер целлюлоза, количество ее в любой момент времени от начала перколяционного процесса может быть определено по формуле

а — х = а е —k^t

Если гидролизу подвергается растительное сырье, состоящее из двух фракций гемицеллюлоз и целлюлозы, имеющих различное зна­ чение констант скорости гидролиза, общее количество оставшихся не измененными полисахаридов в момент времени t будет равно

Обычно к концу периода подогрева содержимого гидролизаппарата, т. е. к началу перколяции, первая и вторая фракции гемицел­ люлоз переходят в раствор, хотя и не успевают полностью прогидролизоваться до соответствующих моносахаридов. Целлюлоза же

вэтих условиях изменяется незначительно.

Впериод подогрева гидролизаппарата находящееся в нем из­ мельченное растительное сырье, залитое холодной или слегка по­ догретой разбавленной кислотой, постепенно нагревается до наи­ высшей температуры, соответствующей 140—170° С. Смесь подо­ гревается острым паром, подаваемым в нижнюю часть гидролизап­ парата. Продолжительность этой операции составляет 25—40 мин.

Вэтих условиях процесс гидролиза полисахаридов и накопление сахара в гидролизате протекает по уравнениям (2) и (14) для од­ ноступенчатой варки. При этом, как указывалось выше, переходят в раствор почти все гемицеллюлозы первой и второй фракций и не­ большое количество целлюлозы, в основном относящееся к ее амор­ фной части. Расчет количества гидролизованных полисахаридов и образовавшегося сахара в этот период осложнен тем, что в период подогрева непрерывно повышается температура и снижается кон­

4 6

центрация кислоты вследствие разбавления ее конденсирующимся паром. Поэтому для расчетов приходится применять приведенные критерии гидролиза, которые суммируют показатели режима за пе­ риод подогрева.

Таким образом, перед началом перколяции в гидролизаппарате уже имеется значительное количество сахара, который необходимо вывести из реакционного пространства с максимальной скоростью. С этой целью ранее быстро удалялась большая часть гидролизата, после чего начиналась перколяция. Однако в дальнейшем для пре­ дохранения сырья от уплотнения и упрощения процесса от этой операции пришлось отказаться и осуществлять перколяцию сразу по окончании подогрева в заполненном жидкостью гидролизаппа­ рате. В этом случае выход сахара при перколяционном гидролизе можно вычислить по приближенному уравнению

где цйі и ца2 — теоретический выход сахара при гидролизе первой и второй фракций гемицеллюлоз. Это допущение делается для упро­ щения расчетов. В действительности в период подогрева часть моносахаридов, образующихся из гемицеллюлоз и целлюлозы, раз­ рушается, а некоторое количество гемицеллюлоз не успевает прогидролизоваться. При уточненных расчетах этот фактор необхо­ димо учитывать.

Большинство величин, входящих в уравнение (24), легко уста­ навливается экспериментально. Труднее определить время распада сахара f2, так как оно зависит от таких факторов, как скорость вы­ ведения сахара с гидролизатом из гидролизаппарата, скорость пере­ хода образующегося сахара из куска древесины в окружающую жидкость, неравномерность послойного вытеснения гидролизата при перколяции.

Рассмотрим далее более подробно каждый из этих факторов.

8.О СКОРОСТИ ВЫВЕДЕНИЯ САХАРА ИЗ ГИДРОЛИЗАППАРАТА ПРИ ПЕРКОЛЯЦИИ

Представим себе гидролизаппарат как вертикальный цилиндр, заканчивающийся двумя усеченными конусами, заполненный плот­ ными кусками древесины и горячей разбавленной кислотой (рис. 10). Общая высота слоя сырья и кислоты равна h. Если гидролиз ве­ дется одноступенчатым методом, то концентрация сахара в гидро­ лизате по всему объему гидролизаппарата будет практически оди­ наковой и будет изменяться во времени по кривой для z, т. е. по кривой, проходящей через максимум.

Если гидролиз проводить в условиях идеальной перколяции, с бесконечно большой скоростью, то весь образующийся сахар бу­ дет выводиться из реакционного пространства в момент его обра­ зования и концентрация сахара по всей высоте гидролизаппарата будет ничтожно малой. Если перколяцию проводить с некоторой средней скоростью, то при установившемся процессе концентрация

4 7

сахара по высоте гидролизаппарата будет изменяться по треуголь­ нику, причем наименьшая концентрация сахара, близкая к нулю, будет в верхнем слое сырья и наибольшая в нижнем.

Средняя концентрация сахара в этом случае будет соответство­ вать ширине треугольника на половине его высоты. Соответственно будет изменяться и время пребывания сахара в реакционном про­

хара. И капля кислоты, проходя гидролизаппарат, будет непрерывно насыщаться сахаром до момента выхода ее из реакционного про­ странства. Концентрация' сахара в капле будет изменяться при этом по описанному выше треугольнику. Общий выход сахара будет удовлетворять приведенному выше уравнению для х [см. формулу (2)]. Но так как одновременно с реакцией образования сахара про­ текает его распад, то общий выход сахара будет зависеть от вре­ мени его разложения t2. Это время в крайней верхней точке гидро­ лизаппарата равно нулю, а в крайней нижней точке для молекулы сахара, прошедшей весь гидролизаппарат, будет равно th Исходя

48

из рис. 10, принимаем, что среднее время разложения сахара в гидролизаппарате равно времени, необходимому для протекания кис­ лоты от среднего слоя гидролизуемого материала до выхода, т. е. половине времени, затрачиваемого кислотой на прохождение всего слоя сверху вниз. Отсюда время распада сахара і%в гидролизаппарате можно вычислить по приближенной формуле

Эта формула показывает, что время разрушения сахара при перколяционном гидролизе пропорционально половине перемещаемой фазы и обратно пропорционально скорости перколяции.

Рассматривавшийся выше механизм выведения сахара из гидролизаппарата при перколяционном гидролизе умышленно упрощен. При практическом осуществлении этого процесса необходимо учи­ тывать ряд осложняющих обстоятельств. К числу их относятся сле­ дующие:

1. Неравномерное перемещение жидкости по высоте и живому сечению гидролизаппарата. Эта неравномерность вызывается двумя основными причинами: наличием в сырье некоторого количества от­ носительно неподвижной жидкости и отсутствием постоянства ско­ рости перколяции во всех точках живого сечения гидролизаппарата.

Количество неподвижной жидкости, смачивающей измельченное сырье, составляет приблизительно 150% от массы абс. сухого сырья. Эта жидкость состоит из воды набухания, составляющей около 30% от массы сырья, и жидкости, располагающейся в порах и полостях клеток. Остальная жидкость занимает пространство между кусками измельченного сырья и при перколяции вытесня­ ется послойно. Эта часть жидкости называется перемещаемой.

Отсутствие постоянства скорости перемещаемой жидкости по жи­ вому сечению гидролизаппарата — следствие неравномерной плот­ ности загруженного сырья. Обычно сырье поступает в гидролизаппарат через верхнюю горловину и попадает в его центральную часть. Под ударами кусков падающего сырья плотность его дости­ гает наибольшего значения в середине поперечного сечения гидро­ лизаппарата. На поверхности образующегося конуса сырье скаты­ вается к его стенкам. В результате потери живой силы кусками сырья плотность его упаковки около стенок гидролизаппарата по­ лучается меньше, чем в центральной части. Кроме того, при за­ грузке сырья для увеличения его плотности одновременно подают теплую разбавленную кислоту. Благодаря этому вес сырья увеличи­ вается и верхние слои сильнее сжимают нижние, увеличивая их плотность на 8— 10%•

В результате непостоянства гранулометрического состава загру­ жаемого сырья часто изменяется соотношение опилок и щепы по высоте гидролизаппарата. Все это приводит к непостоянству жи­ вого сечения пустот между кусками сырья и, следовательно, раз­ ным гидравлическим сопротивлениям движению жидкости по вы­ соте и живому сечению гидролизаппарата. Это в свою очередь при­ водит к неравномерному движению жидкости по всему живому