Файл: Технология гидролизных производств учебник..pdf

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