Производство этилового спирта

Гидролиз полисахаридов растительной ткани в холодной воде практически не наблюдается. При повышении температуры воды выше 100° гидролиз полисахаридов протекает, но настолько медленно, что практического значения такой процесс не имеет.

Удовлетворительные результаты получаются только при применении катализаторов, из которых производственное значение имеют лишь сильные минеральные кислоты: серная и реже соляная. Чем выше концентрация сильной кислоты в растворе и температура реакции, тем быстрее протекает гидролиз полисахаридов до моносахаридов. Однако присутствие таких катализаторов имеет и отрицательную сторону, так как они одновременно с реакцией гидролиза полисахаридов ускоряют и реакции распада моносахаридов, соответственно снижая этим их выход.

При распаде гексоз в этих условиях вначале образуется окси-метилфурфурол, который быстро разлагается далее с образованием конечных продуктов: левулиновой и муравьиной кислот. Пентозы в этих условиях превращаются в фурфурол.

В связи с этим, чтобы получить из полисахаридов растительной ткани моносахариды, необходимо обеспечить наиболее благоприятные условия для реакции гидролиза и максимально сократить возможности дальнейшего распада образующихся моносахаридов.

В этом заключается задача, которую решают исследователи и производственники при выборе оптимальных режимов гидролиза.

Из большого числа возможных вариантов концентрации кислоты и температуры реакции в настоящее время практически применяются только два: гидролиз разбавленными кислотами и гидролиз концентрированными кислотами. При гидролизе разбавленными кислотами температура реакции обычно составляет 160—190° и концентрация катализатора в водном растворе колеблется от 0,3 до 0,7% (H2SO4, HCl).

Реакцию проводят в автоклавах под давлением 10—15 атм. При гидролизе концентрированными кислотами концентрациясерной кислоты обычно составляет 70—80%, а соляной 37—42%. Температура реакции в этих условиях 15—40°.

Снизить потери моносахаридов легче при гидролизе концентрированными кислотами, вследствие чего выход сахара при этом методе может достигать почти теоретически возможного, т. е. 650—750 кг из 1 г абсолютно сухого растительного сырья.

При гидролизе разбавленными кислотами снизить потери моносахаридов вследствие их разложения значительно труднее и поэтому практически выход моносахаридов в этом случае обычно не превышает 450—500 кг из 1 т сухого сырья.

Ввиду малых потерь сахара при гидролизе концентрированными кислотами получающиеся водные растворы моносахаридов — гидролизаты отличаются повышенной чистотой, что имеет большое значение при их последующей переработке.

Серьезным недостатком методов гидролиза концентрированными кислотами до последнего времени был большой расход минеральной кислоты на тонну получаемого сахара, что приводило к необходимости регенерации части кислоты или использования ее в других производствах; это осложняло и удорожало строительство и эксплуатацию таких заводов.

Большие трудности возникали также при подборе для аппаратуры материалов, стойких в агрессивных средах. По этой причине основная масса действовавших гидролизных заводов была построена по методу гидролиза разбавленной серной кислотой.

Рис. 1. Схема гидролиза растительного сырья разбавленной серной кислотой: 1—транспортер; 2 — направляющая воронка; 3 — гидролизаппарат; 4 — фильтр; 5, 7, 9, 10, 12, 14, 21, 23, 26, 28 — трубы; 5, 8 —испарители гидролизата; 11,13 — решоферы; 15 — насос; 16 — бак оборотной воды; 17— смеситель воды и кислоты; 18 — кислотный насос; 19 — мерник кислоты; 20 — клапан; 22 — циклон для лигнина; 24 — транспортер для лигнина; 25 — вращающаяся мешалка; 57 — водогрейная колонна; 29 —диски; 30 — весомер, 31 — боковая дверца.

Измельченная хвойная древесина со склада сырья по транспортеру 1 поступает в направляющую воронку 2 и далее в горловину гидролизаппарата 5. Это вертикальный стальной цилиндр с верхним и нижним конусами и горловинами. Внутреннюю поверхность такого гидролизаппарата покрывают кислотоупорными керамическими или графитовыми плитками или кирпичом, укрепленным на слое бетона толщиной 80—100 мм. Швы между плитками заполняются кислотоупорной замазкой. Верхняя и нижняягорловины гидролизаппарата с внутренней стороны защищены от действия горячей разбавленной серной кислоты слоем кислотоупорной бронзы. Полезный объем таких гидролизаппаратов обычно составляет 30—37 м³, но иногда применяются также гидролизаппараты объемом 18, 50 и 70 м³. Внутренний диаметр таких гидролизаппаратов составляет около 1,5, а высота 7—13 м. В верхний конус гидролизаппарата во время гидролиза по трубе 5 подается нагретая до 160—200° разбавленная серная кислота.

В нижнем конусе установлен фильтр 4 для отбора полученного гидролизата. Гидролиз в таких аппаратах производится периодически.

Как уже указывалось выше, гидролизаппарат загружают измельченным сырьем через направляющую воронку. При загрузке сырья через трубу 5 поступает нагретая до 70—90° разбавленная серная кислота, которая смачивает сырье, способствуя его уплотнению. При таком методе загрузки в 1 м³ гидролизаппарата помещаетсяоколо 135 кг опилок или 145—155 кг щепы, в пересчете на абсолютно сухую древесину. По окончании загрузки содержимое гидролизаппарата подогревается острым паром, поступающим в нижний конус его. Как только будет достигнута температура 150—170°, в гидролизаппарат по трубе 5 начинает поступать 0,5—0,7%-ная серная кислота, нагретая до 170—200°. Одновременно образующийся гидролизат через фильтр 4 начинает выводиться в испаритель 6. Реакция гидролиза в щдролизаппарате продолжается от 1 до 3 часов. Чем короче время гидролиза, тем выше температура и давление вгидролизаппарате.

В процессе гидролиза полисахариды древесины переходят в соответствующие моносахариды, растворяющиеся в горячей разбавленной кислоте. Для предохранения этих моносахаридов от разложения при высокой температуре содержащий их гидролизат непрерывно в течение всей варки выводят через фильтр 4 и быстро охлаждают в испарителе 6. Так как по условиям процесса гидролизуемое растительное сырье в гидролизаппарате все время должно быть залито жидкостью, заданный уровень ее поддерживается горячей кислотой, поступающей по трубе 5.

Такой метод работы носит название перколяция. Чем быстрее идет перколяция, т. е. чем быстрее через гидролизаппарат протекает горячая кислота, тем быстрее образующийся сахар выводится из реакционного пространства и тем меньше он разлагается. С другой стороны, чем быстрее идет перколяция, тем больше расходуется на варку горячей кислоты и тем меньше получается концентрация сахара в гидролизате и соответственно больше расход пара и кислоты на варку.

Практически для получения достаточно высоких выходов сахара (при экономически приемлемой концентрации его в гид-ролизате) приходится выбирать некоторые средние условия пер-коляции. Обычно останавливаются на выходе сахара в 45—50% от веса абсолютно сухой древесины при концентрации сахара в гидролизате 3,5—3,7%. Эти оптимальные условия реакции соответствуют отбору через нижний фильтр из гидролиз аппарата 12—15 м³ гидролизата на 1 т абсолютно сухой древесины^ загруженной в гидролизаппарат. Количество гидролизата, отбираемого за варку на каждую тонну гидролизуемого сырья, называют гидромодулем вытекания, и он является одним из основных-показателей примененногона заводе режима гидролиза. этиловый серный гидролиз колчедан В процессе перколяции между верхней и нижней горловинами гидролизаппарата возникает некоторая разность давлений, способствующая сжатию сырьяпо мере растворения содержащихся в нем полисахаридов.

Сжатие сырья приводит к тому, что в конце варки остающийся нерастворенным лигнин занимает объем около 25% начального объема сырья. Поскольку по условиям реакции жидкость должна покрывать сырье, уровень ее в процессе варки соответственно снижается. Контроль за уровнем жидкости в процессе варки осуществляется при помощи весомера 30, показывающего изменение суммарного веса сырья и жидкости в гидролиз-аппарате.

По окончании варки в аппарате остается лигнин, содержащий на 1 кг сухого вещества 3 кг разбавленной серной кислоты, нагретой до 180—190 С.

Из гидролизаппарата лигнин выгружают в циклон 22 по трубе 21. Для этой цели быстро открывают клапан 20, соединяющий внутреннее пространство гидролизаппарата с циклоном 22. Благодаря быстрому снижению давления между кусочками лиг-: нина содержащаяся в нем перегретая вода мгновенно вскипает, образуя большие объемы пара. Последний рвет лигнин и увлекает его в виде взвеси по трубе 21 в циклон 22. Труба 21 подходит к циклону по касательной, благодаря чему струя пара с лигнином, врываясь в циклон, движется вдоль стенок, совершая вращательное движение. Лигнин центробежной силой отбрасывается к боковым стенкам и, теряя скорость, падает на дно циклона. Освобожденный от лигнина пар через центральную трубу 23 выбрасывается в атмосферу.

Циклон 22 обычно представляет собой вертикальный стальной цилиндр объемом около 100 м.³, снабжённый боковой дверцей 31 и вращающейся мешалкой 25, которая помогает при выгрузке лигнина со дна циклона на ленточный или скребковый транспортер 24.

Для предохранения от коррозии внутренняя поверхность циклонов иногда защищается слоем кислотоупорного бетона Как уже указывалось выше, в процессе перколяции в верхний конус гидролизаппарата подается нагретая разбавленная серная кислота. Ее приготовляют путем смешивания в кислотоупорном смесителе 17 перегретой воды, подаваемой по трубе 28, с холодной концентрированной серной кислотой, поступающей из мерного бачка 19 через поршневой кислотный насос 18.

Поскольку холодная концентрированная серная кислота слабо коррозирует железо и чугун, эти металлы широко используют для изготовления баков, насосов и трубопроводов, предназначенных для ее хранения и транспортировки к смесителю. Аналогичные материалы применяются и для подвода перегретой воды к смесителю. Для защиты стенок смесителя от коррозии применяют фосфористую бронзу, графит или пластическую массy — фторопласт 4. Последние два используются для внутренней футеровки смесителей и дают наилучшие результаты.

Готовый гидролизат из гидролизаппарата поступает в испаритель 6 высокого давления. Это — стальной сосуд, работающий под давлением и футерованный внутри керамическими плитками, как и гидролизаппарат. В верхней части испарителя емкостью 6—8 м³ имеется крышка. В испарителе поддерживается давление на 4—5 атм ниже, чем в гидролизаппарате. Благодаря этому попадающий в него гидролизат мгновенно вскипает, частично испаряясь, и охлаждается до 130—140°. Образующийся пар отделяется от капель гидролизата и по трубе 10 поступает в решофер (теплообменник) 11, где конденсируется. Частично охлажденный гидролизат из испарителя 6 по трубе 7 поступает в испаритель 8 низкого давления, где охлаждается до 105—110° в результате вскипания при более низком давлении, обычно не превышающем одной атмосферы. Образующийся в этом испарителе пар по трубе 14 подается во второй решофер 13, где также конденсируется. Конденсаты из решоферов 11 и 13 содержат 0,2—0,3% фурфурола и используются для его выделения на специальных установках, которые будут рассмотрены ниже.

Тепло, содержащееся в паре, который выходит из испарителей 6 и 8, используется для нагрева воды, поступающей в смеситель 17. Для этой цели из бака 16 оборотной воды насосом 15 теплую воду, полученную из ректификационного отделения гидролизного завода, подают в решофер низкого давления 13, где она нагревается с 60—80° до 100—110°. Затем по трубе 12 подогретая вода проходит решофер высокого давления 11, где паром при температуре 130—140° подогревается до 120—130°. Дальше температуру воды повышают до 180—200° в водогрейной колонне 27. Последняя представляет собой вертикальный стальной цилиндр с дном и верхней крышкой, рассчитанными на рабочее давление 13—15 атм.

Пар в водогрейную колонку подают по вертикальной трубе 26, на конце которой укреплены 30 горизонтальных дисков 29. Пар из трубы 26 проходит через щели между отдельными дисками в колонну, заполненную водой. Последняя непрерывно подается в колонну через нижний штуцер, смешивается с паром, нагревается до заданной температуры и по трубе 28 поступает в смеситель 17.

Гидролизаппараты устанавливают на специальном фундаменте в ряд по 5—8 шт. На больших заводах число их удваивают и устанавливают их в два ряда. Трубопроводы для гидролизата изготовляют из красной меди или латуни. Арматура, состоящая из вентилей и клапанов, изготовляется из фосфористой или паспортной бронзы.