Файл: Технология гидролизных производств учебник..pdf

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