Развитие гидролизной промышленности

Концентрированную кислоту из мерника плунжерным насосом через обратный клапан подают в угловой смеситель на верхнем конусе гидролизаппарата, где она разбавляется горячей водой до требуемой концентрации. Для повышения качества товарных дрожжей необходимо использовать улучшенную кислоту высшего или 1-го сорта.

Нагрев воды, направляемой на гидролиз, осуществляют в струйном водоподогревателе 4. Вода в этом аппарате нагревается за счет конденсации пара в струе жидкости. Для нагрева воды целесообразно применять перегретый пар с высокими параметрами (температура 400?С, избыточное давление 1,7 МПа).

Отбираемый гидролизат температурой 170-180?С направляется в общий коллектор и охлаждается путем самоиспарения в последовательно соединенных испарителях 5, в которых поддерживаются следующие параметры: ? ступень - 9,5 МПа, 151?С; ?? ступень - 0,28 МПа, 130?С; ??? ступень - 0,12 МПа,104?С. При испарении гидролизата в пары переходит около 50% фурфурола от исходного содержания, а также другие летучие примеси, что повышает доброкачественность гидролизата.

Для лучшего теплоиспользования оборотная вода с температурой 50-60?С из сборника 13 последовательно поступает в пластинчатые 10 и трубчатые 9 теплообменники (решоферы) и нагревается до 135-142?С; затем вода нагревается до температуры гидролиза острым паром в струйном подогревателе.

В сборнике 12 собирается фурфуролсодержащий конденсат, выход которого 10-12% от количества гидролизата, концентрация фурфурола 0,30-0,35%. Выделение фурфурола из конденсата и его очистка проводятся путем ректификации в фурфурольном отделении. Конденсат пропускается через дополнительный испаритель 11, работающий при атмосферном давлении. Образующиеся пары конденсируются в конденсаторе 8 и направляются в сборник 12.

Таким образом, решоферно-испарительный узел обеспечивает: охлаждение гидролизата со 170-180?С до 98-102?С; рациональное теплоиспользование гидролизата путем нагрева воды, направляемой на гидролиз, до 130-140?С; снижение жидкостного потока гидролизата на 10-12%; частичное удаление из гидролизата фурфурола и других легколетучих примесей; возможность получения фурфурола из конденсатов как побочной товарной продукции.

Охлаждение и частичная очистка гидролизата на испарителях является первой стадией процесса подготовки гидролизата к биохимической переработки.

Выгрузка твердого остатка после гидролиза - технического лигнина, производится в циклон (сцежу) 1. Назначение циклона - отделение паров, образующихся в результате самоиспарения жидкости при снижении давления до атмосферного, от технического лигнина. Лигнин по выдувной трубе 2 направляется в сцежу по касательной к ее поперечному сечению; образующиеся пары сбрасываются в атмосферу, лигнин собирается в нижней части циклона и с помощью выгребного механизма подается в автотранспорт или на конвейер для последующего использования.

Инверсия гидролизата

Промежуточные продукты гидролиза гемицеллюлозных полисахаридов растительного сырья - водорастворимые олигосахариды. При инверсии гидролизата осуществляется дополнительный гидролиз олигосахаридов до моносахаридов. Цель инверсии - повышение выхода усваиваемых углеводов и, следовательно, выхода товарной продукции из перерабатываемого сырья. Процесс инверсии осуществляют при повышенной температуре, при атмосферном или повышенном давлении в течение времени, достаточном для полного гидролиза олигосахаридов. Катализатором гидролиза служит Н₂SO₄, содержащаяся в гидролизате.

Гидролизат из испарителя 5 третьей ступени с температурой 100-105?С непрерывно поступает в нижнюю часть инвертора 6. В инверторе температура несколько снижается (до 95-98?С) за счет самоиспарения жидкости и охлаждения через стенки. Объем и число используемых инверторов должны обеспечить продолжительность пребывания гидролизата в течение 6-8 ч. Гидролизат после инверсии (инверт) непрерывно вытекает через несколько штуцеров в верхней части инвертора, связанных общим коллектором, и поступает в сборник инвертированного гидролизата 7.

Для предотвращения загрязнения атмосферы образующиеся в инверторе пары необходимо направлять на поверхностные конденсаторы 8. Образующийся конденсат с содержанием фурфурола 0,2-0,4% направляется в сборник фурфуролсодержащих конденсатов 12.

Технологические схемы и режимы подготовки гидролизата к выращиванию дрожжей

В гидролизате наряду с РВ присутствуют вещества, отрицательно влияющие на ход процесса выращивания дрожжей, такие как фурфурол, оксиметилфурфурол, фенол, минеральные соли азота и калия. Концентрация ингибиторов в культуральной среде не должна превышать ПДК, величина которого специфична для каждого вещества. Для обеспечения нормальных условий процесса выращивания необходимо соответствующим образом подготовить гидролизат. Для этой цели требуется осуществить ряд последовательных технологических операций: самоиспарение гидролизата, нейтрализацию, очистку от взвешенных веществ, охлаждение самоиспарением, аэрацию воздухом.

Нейтрализация.

Основной задачей при подготовке гидролизата является удаление ингибиторов, а учитывая наличие в среде нескольких ингибиторов, необходимо удалять каждый из них по возможности полнее. Кроме этого необходимо освободить гидролизат от серной кислоты, снизить температуру до 28 - 32?С и максимально снизить количество взвешенных и коллоидных веществ.

Серная кислота удаляется методом нейтрализации с использованием двух нейтрализующих агентов: известкового молока и аммиачной воды. При нейтрализации известковым молоком происходит реакция с образованием гипса:

H₂SO₄+ Ca(OH)₂= CaSO₄+ 2H₂O

Находящиеся в растворе органические кислоты также частично нейтрализуются.

Гипс плотностью 2,3 г/см³ выпадает в осадок. Этим свойством пользуются, выделяя его из раствора осаждением.

При нейтрализации кислоты аммиачной водой образуется сульфат аммония:

H₂SO₄+ 2NH₄OH = (NH₄)₂SO₄+ 2H₂O.

Образующийся сульфат аммония полностью растворим и осадка не образует. Если для нейтрализации известковым молоком необходимо устанавливать специальные аппараты, то для нейтрализации аммиачной водой достаточно подавать ее во всасывающую линию насоса, откачивающего гидролизат. Кроме того, у каждого из методов есть свои недостатки. Для известкового метода характерна трудоемкость транспортировки, складирования и приготовления известкового молока. Азот, связанный с серной кислотой, не может быть использован для образования белков. Таким образом, почти весь сульфат аммония остается в последрожжевой бражке, что приводит к значительным затратам при очистке промышленных стоков. Кроме того, аммонийный азот является ингибитором процесса выращивания дрожжей.

На гидролизных предприятиях применяют последовательную нейтрализацию вначале известковым молоком с донейтрализацией аммиачной водой. При этом расход аммиачной воды должен быть таким, чтобы содержание азота в последрожжевой бражке было бы в пределах 80 - 100 мг/л.

Цель нейтрализации состоит не только в осуществлении самого процесса нейтрализации, но и в получении такого нейтрализата, который позволил бы провести отстаивание при минимальном количестве оборудования. Для этой цели нейтрализацию проводят при температуре 75 - 85?С с применением гипсовой затравки, подаваемой совместно с известковым молоком. Эта операция носит название направленной кристаллизации гипса. Гипс получается в виде мелких кристаллов, имеющих большую удельную поверхность, которые служат центрами кристаллизации крупных кристаллов гипса.

Нейтрализованный гидролизат называется нейтрализатом. Образовавшийся гипс выделяется путем отстоя. Совместно с гипсом из раствора выделяется часть содержащихся в нем коллоидных и взвешенных веществ. Температура нейтрализата после нейтрализации и отстоя обычно равна 80 - 85?С.

Нейтрализацию гидролизата проводят непрерывным способом в двух последовательно соединенных нейтрализаторах. В первый нейтрализатор подают гидролизат, а в его струю - известковое молоко. Нейтрализат последовательно сверху вниз проходит оба нейтрализатора, и из последнего насосом перекачивается в отстойники.

Нейтрализатор (рис. 5) оборудован мешалкой лопастного типа. Также используются аппараты, оснащенные устройством "Газлифт" , при котором перемешивание среды осуществляется за счет подачи воздуха. Вместо лопастной мешалки по центру нейтрализатора по вертикали соосно размещены четыре отрезка трубы. Диаметр труб увеличивается снизу вверх, а высота труб уменьшается. Уровень жидкости в нейтрализаторе примерно на 900 мм выше верхнего обреза четвертой трубы. При подаче сжатого воздуха в нижнюю трубу устанавливается интенсивная циркуляция (эффект эрлифта) жидкости. Преимуществом данной системы является отсутствие движущихся частей. Нейтрализатор снабжен необходимыми штуцерами для подачи гидролизата, известкового молока, нейтрализата из головного нейтрализатора и отбора нейтрализата. Для вытяжки паров и гзов в крышке нейтрализатора есть штуцер, к которому присоединена вытяжная труба.

Осветление.

Осветление нейтрализата производится на непрерывно действующих отстойниках. Отстойник представляет собой цилиндрический сосуд с коническим днищем и закрытый плоской крышкой (рис. 6). Нейтрализат через успокоитель поступает в центральную часть отстойника. Шлам осаждается на дне отстойника, а нейтрализат, осветляясь, поднимается вверх по сечению отстойника и сливается в желоб, расположенный по окружности отстойника, а из него направляется в сборник осветленного сусла. Для очистки от осадка внутренней поверхности и кромки желоба предусмотрен скребок. Осадок, скапливающийся на дне отстойника, выгребным механизмом сгребается к центру конусного днища и через штуцер направляется в выгружатель шлама.

Осветленный нейтрализат из желоба отстойника поступает в сборник и оттуда насосом подается на вакуум-охладительную установку (рис. 7). Она состоит из одного четырехступенчатого вакуум-испарителя и четырех поверхностных конденсаторов. Вакуум-испаритель представляет собой цилиндрический аппарат, разделенный по вертикали на четыре отдельные секции - четыре испарителя, поставленные друг на друга. Нейтрализат поступает в верхнюю и последовательно проходит все четыре секции. Охлажденный нейтрализат из последней секции откачивается насосом. Пары самоиспарения из каждой секции поступают в межтрубное пространство своего трубчатого конденсатора.

Коагуляция

Однако описанная схема подготовки гидролизата оказывается недостаточной из-за недоброкачественности нейтрализата, поэтому необходима дополнительная обработка, цель которой - максимально снизить содержание в нейтрализате коллоидных веществ. В процессе выращивания дрожжей происходит окисление и коагуляция лигногуминовых веществ, на что затрачивается кислород воздуха. За счет коагуляции увеличивается содержание взвешенных веществ.

Операцию коагуляции стали производить перед процессом выращивания путем продувки воздухом с использованием эрлифтных аппаратов для выращивания дрожжей. В процессе аэрации содержание взвешенных веществ увеличивается и их необходимо выделить из нейтрализата. Для этой цели используют такие же отстойники, как и для отстоя горячего нейтрализата.

Гидролизаппарат периодического действия

Гидролизаппарат периодического действия предназначен для проведения процесса гидролиза растительного сырья разбавленными минеральными кислотами при повышенной температуре и давлении.

Устройство

Гидролизаппарат современной конструкции представляет собой стальной, сварной, вертикальный, цилиндрический сосуд с эллиптической верхней и конической нижней частями, заканчивающимися горловинами, к фланцам которых крепятся соответственно автоматизированная быстрооткрывающаяся крышка и выдувной быстродействующий клапан.

Стальной корпус гидролизаппарата защищен от воздействия агрессивной среды футеровкой, снаружи корпус покрыт теплоизоляцией. Обычно теплоизолированный корпус заключают в тонкостенный алюминиевый кожух, который предохраняет теплоизоляцию от механических разрушений.

Верхняя горловина гидролизаппарата предназначена для загрузки в аппарат растительного сырья. Она герметично закрывается поворотной быстродействующей механизированной крышкой с полукольцевыми захватами. Герметичность аппарата во время работы и быстрое открывание и закрывание его обеспечиваются за счет крышки специальной конструкции.

Нижняя горловина гидролизаппарата служит для выгрузки лигнина, оставшегося после гидролиза полисахаридов растительного сырья. К фланцу горловины присоединен запорный клапан, конструкция которого обеспечивает быстрое открывание гидролизаппарата при выгрузке лигнина и герметичность его в процессе работы. Быстродействующая крышка и запорный клапан сбалансированы с целью предотвращения случайной разгерметизации аппарата во время гидролиза.

Из-за сложной конфигурации верхнюю и нижнюю горловины, как правило, делают стальными литыми и защищенными от действия агрессивной среды бронзовым кольцом или стаканом, которые крепят шурупами, а верхнюю стальную крышку - латунным, бронзовым или медным вкладышем, прилегающим непосредственно к уплотнительной поверхности бронзового кольца верхней горловины аппарата. На верхнем днище аппарата имеются штуцера для входа воды и серной кислоты, сдувки парогазов, отбора фурфуролсодержащих паров, подсоединения предохранительного клапана и уровнемера, датчиков системы контрольно-измерительных приборов и автоматики. На нижнем днище установлены штуцера для отбора гидролизата, подачи пара на прогрев загруженной массы сырья, а также для подсоединения контрольно-измерительных приборов. Штуцера аппарата изготовляют литыми из кислотоупорной бронзы и устанавливают перед началом футеровочных работ. Штуцера могут быть стальными двухслойными, один из которых (внутренний) является кислотостойким.

Примерно к середине цилиндрической части гидролизаппарата приварены две опорные лапы, одна из которых опирается на пружинный весомер с датчиком, другая - на две шарнирные опоры, которые обеспечивают перемещение системы в зависимости от температурных изменений, и исключают воздействие горизонтальных усилий на датчик пружинного весомера.

Внутри аппарата на поверхности футеровки в нижней конической части имеется фильтрующее трубчатое устройство, состоящее из коротких и удлиненных лучей, предназначенных для отбора гидролизата. Как короткие, так и удлиненные лучи объединяются в два самостоятельных коллектора, расположенных вне аппарата.

Принцип работы

Принцип работы гидролизаппарата периодического действия осуществляется по единой технологической схеме: загрузка сырья, прогрев содержимого гидролизаппарата, перколяция, промывка водой остатка (лигнина), отжим и выгрузка лигнина.

Загрузка сырья

Для повышения производительности гидролизаппарата необходимо обеспечить при загрузке сырья его максимальную плотность. Плотность загрузки определяется величиной насыпной массы, которая зависит от гранулометрического состава сырья, его влажности и породного состава, так как плотность древесины различных пород значительно отличается.

Плотность загрузки сырья при смачивании раствором кислоты приблизительно на 20% выше насыпной массы соответствующего сырья. Максимальная плотность загрузки достигается при использовании смеси щепы и опилок с содержанием щепы 60%.

Продолжительность операции загрузки сырья в гидролизаппарат зависит от вместимости аппарата и обычно составляет 30 мин для аппарата объемом 37 м³ и 40 мин для аппаратов 80 м³.

Для предотвращения гидравлических ударов в результате расширения жидкости при нагревании загрузку сырья и кислоты проводят не до самой крышки - в верхнем конусе аппарата оставляют паровое пространство.

Прогрев сырья

Сырье до температуры реакции прогревают путем подачи острого пара с температурой 200-210?С в нижнюю часть гидролизаппарата в течение 30-50 мин. Прогрев должен обеспечить равномерное повышение температуры по высоте и сечению гидролизаппарата. При прогреве подача кислоты в аппарат и отбор гидролизата не производятся. Через сдувочный коллектор проводится 1-2 сдувки по 3-5 мин при давлении 0,3 МПа для удаления воздуха и других неконденсирующихся газов. При сдувке удаляются также пары воды, фурфурола, терпенов (при переработке хвойного сырья) и других летучих примесей.

В процессе прогрева сырья завершается процесс его пропитки раствором катализатора и в значительной степени проходит гидролиз легкогидролизуемых полисахаридов.

Перколяционная стадия процесса

Оптимальный технологический режим гидролиза должен обеспечить получение максимального выхода моносахаридов из гидролизуемого сырья с учетом экономической эффективности производства.

Повышение температуры реакционной смеси в процессе перколяции осуществляется за счет дополнительного прогрева сырья горячим раствором кислоты. В процессе гидролиза температура в гидролизаппарате неодинакова по его высоте. Наиболее значительная разница наблюдается на перколяционной стадии процесса.

В промышленности отсутствует постоянный контроль температуры в процессе гидролиза. Температуру гидролиза весьма приближенно оценивают по температуре подаваемой варочной смеси и давлению в верхней части гидролизаппарата. Температура реакционной смеси не соответствует давлению насыщенного пара, особенно в период прогрева сырья при наличии неконденсируемых газов. Избыточное давление в гидролизаппарате (0,1-0,2 МПа) сохраняется и на перколяционной стадии процесса. Для строгого соблюдения режима гидролиза по температуре - основному параметру, определяющему скорость химических реакций, необходимы установка датчиков и постоянный контроль за температурой в нескольких точках по высоте и диаметру аппарата.

При перколяционном гидролизе подача раствора катализатора и выдача гидролизата из зоны реакции осуществляются непрерывно.

Гидролиз трудногидролизуемых полисахаридов не проводят до конца; в техническом лигнине содержится 15-25% непрогидролизованных полисахаридов. При более глубоком гидролизе получают очень разбавленные гидролизаты; в результате потери физической структуры сырья затрудняется проведение последующих стадий промывки лигнина и отжима гидролизата.

Основные параметры фурфурольно-гексозного гидролиза

Таблица 2.1

Операция	Продолжительность tоб, мин	Концентрация подаваемой варочной к-ты, %	Температура Т, ?С	Давление p, МПа	Гидромодуль выдачи m
1.Смачивание сырья в смесителе 2. Загрузка сырья в гидролизаппарат 3. Прогрев нижним паром и сдувка неконденсирующихся газов 4. Фурфурольная варка 5. Сдувка 6.Подъём давления 7. Подача кислоты 8.Перколяция с отбором гидролизата 9.Промывка и отжим 6. Выгрузка лигнина	- 45 45 150 15 15 40 120 50 10	- - 0,1-1,5 0,15-0,75 0,75-0,3 0,3-0,8 0,8-0,9 0,9-1,1 1,1-1,2 0,2-0,3	- - 100-110 110-170 170-135 135-170 170-175 175-185 185-190 120-135	10,0 - - - - - 0,6-0,7 0,6-0,7 --	- - - 1,5-2,0 0,2-0,3 - - 6,0 2,0 -

Промывка

Промывку твердого остатка водой проводят после завершения перколяционной стадии процесса. При промывке прекращают подачу в смеситель концентрированной серной кислоты; цель операции - сокращение потерь моносахаридов с лигнином путем их отмывки водой.

Отжим

При отжиме гидролизата и промывных вод подача воды не производится, гидролизат отбирается через фильтрующие устройства до достижения остаточного давления в аппарате 0,6-0,7 МПа.

Выгрузка лигнина

Выгрузка лигнина ("выстрел") проводится за счет повышенного давления в гидролизаппарате (0,6-0,7 МПа) и вскипания жидкости при открытии быстродействующего клапана в нижнем корпусе аппарата. Лигнин при этом направляется в циклон (сцежу), давление в котором атмосферное. Влажность выгружаемого лигнина составляет обычно 65-70%.

Фурфуролсодержащие пары проходят через циклонный сепаратор и фильтр для удаления мелких частиц сырья и целлолигнина, которые собираются в бункере. Затем пар поступает в паропреобразователь для регенерации тепла путем получения вторичного пара с давлением 0,3-0,4 МПа, направляемого для обогрева ректификационных колонн. Избыток пара направляется в дрожжевое производство. Поверхность типового паропреобразователя для фурфурольно-дрожжевого производства составляет 344 м². Фурфуролсодержащий конденсат из сборника направляется на ректификационное концентрирование и очистку. В некоторых схемах предусматривается нейтрализация органических кислот конденсата для снижения интенсивности коррозии оборудования и осмоления фурфурола.

Ректификация фурфуролсодержащих конденсатов. Основными стадиями выделения и очистки фурфурола являются: отгонка (исчерпывание) фурфурола из конденсата, его концентрирование до получения азеотропа фурфурол -- вода и очистка от легколетучих примесей; охлаждение азеотропа и его декантация на водный и фурфурольный слой; обезвоживание фурфурола-сырца; вакуум-ректификационная очистка фурфурола от примесей.

При фурфурольно-гексозном гидролизе пентозансодержащего сырья на первой стадии процесса образуются конденсаты, содержащие 3,5--5 % фурфурола. Эти конденсаты на большинстве предприятий разбавляются на 30--40 % конденсатами паров самоиспарениягексозногогидролизата, которые содержат 0,7--0,8 % фурфурола. В связи с этим на ректификацию поступает конденсат с содержанием фурфурола 2,5--4 %.

По этой схеме проводится укрепление конденсата в основной фурфурольной колонне до концентрации фурфурола 30--35%, концентрирование и отбор легколетучих фракций (ЭАФ --эфирноальдегидной и МФ -- метанольной) и отбор лютера из кубовой части с концентрацией фурфурола около 0,01 % и органических кислот примерно 1 %. Легколетучие фракции обычно отбираются в виде общей метанольной фракции, выход которой составляет около 6 % от товарного фурфурола. Средний состав этой фракции, %: метанола 80, воды 10, фурфурола 1, прочих легколетучих примесей. При реализации метанольной фракции в качестве побочной товарной продукции возможна ее очистка от легколетучих примесей при их отборе в виде эфирно-альдегидной фракции после вытяжного конденсатора. Из метанольной фракции путем ее ректификации может быть получен товарный метанол.

Число тарелок в исчерпывающей части колонны обычно 22--24. Отбор водно-фурфурольногоазеотропа проводится с 27--29-й тарелок, метанольной фракции -- с 40-й тарелки. В качестве основных фурфурольных колонн применяют колпачковые ректификационные колонны диаметром 1,6--2,4 м и высотой 15--28 м. Поверхность дефлегматоров этих колонн 120--400 м², вытяжных конденсаторов 10--60 м², теплообменника для лютера 160 м², объем сборника лютера 60--100 м³. Теплообменник фурфурольного погона основной колонны имеет поверхность 15--40 м², змеевиковый холодильник для отбора метанольной фракции-- 1,2 или 3,5 м².

Водно-фурфурольная фракция охлаждается до 20 °С и в декантаторе объемом 1,4 м³ расслаивается на водный слой, содержащий около 8 % фурфурола, и нижний слой фурфурола-сырца, содержащий 5--8 % воды. Фурфурольная вода возвращается в основную колонну; фурфурол-сырец нейтрализуется в нейтрализаторе непрерывного действия 1--1,5%-ным раствором кальцинированной соды Na₂C0₃. При этом содержание органических кислот в сырце снижается с 0,2--0,3% до 0,05%. При нейтрализации фурфурола-сырца непрерывным методом отработанный содовый раствор, содержащий 8 % фурфурола, направляется в сборник фурфуролсодержащего конденсата.

Фурфурол является весьма реакционноспособным соединением и легко осмоляется при перегонке (его температура кипения при атмосферном давлении 161,7 °С). В связи с этим для снижения температуры кипения фурфурола-сырца обезвоживание и очистка проводятся под вакуумом.

На обезвоживающей колонне фурфурол освобождается от воды и легколетучих примесей, которые собираются в вакуум-сборнике. В составе водной фракции содержится около 30 % фурфурола, в связи с чем при охлаждении в холодильнике происходит ее расслаивание в декантаторе на фурфурольный слой, направляемый в сборник фурфурола-сырца, и водный слой, направляемый в сборник фурфуролсодержащего конденсата.В зависимости от мощности фурфурольного цеха в качестве обезвоживающих колонн используют ректификационные колонны диаметром 0,4--0,6 м, на специализированных заводах -- диаметром 1,8 м, их высота 5--10 м. Дефлегматоры обычно имеют поверхность или 34 м², вытяжные конденсаторы 34 м². В качестве подогревателя используют теплообменники с поверхностью 9,5 или 20 м².

На отгонной колонне в кубовый остаток переходят высококипящие вещества, главным образом метилфурфурол. Товарный фурфурол с содержанием основного вещества не менее 99,5 % отбирается в вакуум-сборник из верхней части колонны. Колонны и обогреваются глухим паром через выносные подогреватели для предотвращения разбавления фурфурола конденсатом греющего пара. Отгонные колонны колпачкового типа имеют диаметр 0,5--1,4 м (на специализированных заводах--1,4--2,4 м), высоту 7--13 м. Поверхность дефлегматора 25 м²; двухсекционного--15 м²; подогревателя 13--25 м²; кожухотрубчатый холодильник товарного фурфурола имеет поверхность 23 м².Потери фурфурола при оптимальной схеме ректификационного отделения и соблюдения всех технологических параметров процесса составляют 9--10% от количества фурфурола в исходном конденсате, в том числе с лютером и при осмолении в основной колонне около 4%, при вакуум-ректификации 1,5--2%, с кубовым остатком 3,5--4% (при наличии в схеме регенерации фурфурола из кубового остатка). Если регенерация фурфурола не производится, то потери фурфурола в ректификационном отделении возрастают до 14--15%, так каквыход кубового остатка составляет 8--10% от фурфурола-сырца (около 12% от товарного фурфурола). На многих предприятиях потери фурфурола выше приведенных значений.

Кубовый остаток примерно на 70 % состоит из фурфурола, причем около 60 % фурфурола от массы кубового остатка может быть выделено при его регенерации путем вакуум-разгонки на колонне периодического или непрерывного действия. При вакуум-разгонке кубовых остатков получают фурфурол 2-го сорта и кубовую фракцию, которая обычно сжигается. Из этой фракции может быть отогнан в качестве побочного продукта метилфурфурол.

Для снижения потерь продукции в виде кубовых остатков целесообразно снижение температуры и продолжительности пребывания фурфурола в колоннах и циркуляционных потоках. В частности, применение более эффективных режимов вакуумной ректификации фурфурола-сырца на обезвоживающей и отгонной колоннах (температура паров перед дефлегматорами 20--25 °С и 50--55 °С соответственно при остаточном давлении 1,6--1,7 и 2--2,6 кПа) позволяет получать фурфурол реактивного качества с массовой долей примесей менее 0,3%.

Снижению потерь фурфурола при ректификации способствует также более полная нейтрализация органических кислот, вызывающих его осмоление.

При среднем выходе фурфурола 8--9 % расход сырья на 1 т продукции составляет 11,2--12,5 т. При получении фурфурола из пентозансодержащего сырья удельный расход пара составляет 85--125 ГДж/т, расход серной кислоты (в пересчете на моногидрат) 280--320 кг/т.

2.2 Пооперационный расчет сырья и материалов (материальный баланс)

Исходные данные

№	Наименованиие	Единица измерения	Величина
1	Рабочие дни в году	день	345
2	Состав древесины Береза осина	%	70 30
3	Влага в сырье	%	40
4	Загрузка а.с.д. в гидролизаппарат	кг/м3	160
5	Коэффициент заполнения гидролизаппарата	%	0,95
6	Количество серной кислоты, связываемой зольными элементами сырья (от а.с.д.)	%	0,35
7	Модуль смачивания сырья 92% серной кислотой	кг/кг а.с.д.	0,2
8	Давление по стадиям гидролизата: Начальный подогрев сырья Сдувка неконденсируемых газов Отгон фурфурола Конец отгона фурфурола Сдувка перед гексозным гидролизом Давление при гексозном гидролизе	МПа	0,29 4 0,12 0,69 0,78 0,12
9	Параметры греющего пара: Давление температура	МПа *С	1,47 240
10	Скорость отбора фурфуролсодержащего пара на 1м2 свободного сечения гидролизаппарата	кг/м3	1,45
11	Модуль отбора фурфуролсодержащего пара: При отгонке с пролетным паром При сдувке перед гексознымгидролизом	кг/кг а.с.д.	2,1 0,27
12	Выход продуктов по стадиям	%	-табл
13	Потери фурфурола (от поступившего с конденсатами) В том числе: С лютером основной колонны От осмоления в основной колонне С метенольной фракцией При вакуум-ректификации С кубовым остатком	%	8,81 1,3 2,6 0,33 1,28 3,30
14	Выход кубового остатка от фурфурола-сырца	%	8,3
15	Выход фурфурола при регенерации его из кубовой фракции (от содержания его во фракции)	%	61
16	Концентрация серной кислоты при гексозном гидролизе	%	0,5
17	Модуль гидролизата	%	8,6
18	Выход РВ от а.с.д. по гидролизату	%	30



3. Охрана окружающей среды

· Характеристика промышленных выбросов

Основными технологическими выбросами в атмосферу являются: пары фурфурола от сборников пентозного гидролизата и экстрактных вод, инверторов и нейтрализаторов, отстойников, парогазовая смесь, образующаяся при удалении лигнина из гидролизаппаратов, водород при активации и регенерации катализатора, вентиляционные выбросы, отводящие воздух из рабочей зоны.

Выбросы содержат в незначительном количестве пары серной кислоты, фурфурола, органических кислот, метанола и аммиака.

Основными производственными стоками в производстве ксилита являются: конденсат вторичного пара с выпарных установок, стоки от мытья оборудования и полов, промывные воды со стадии ионообмена и отмывки от регенерации и активации катализатора гидрирования.

"Кислые стоки", образующиеся при регенерации и активации ионных смол, при регенерации и отмывке катализатора, при мойке технологического оборудования поступают в смеситель сточных вод и после нейтрализации их до рН 6,5-8,5 в городской коллектор сточных вод. Конденсат вторичного пара с выпарных установок направляется в городской коллектор сточных вод.

Твердые и жидкие отходы

Шлам, образующийся в результате осветления пентозного гидролизата, сиропа угольной суспензией, представляет собой суспензию реагента, адсорбированных коллоидных и красящих веществ. Шлам собирается в специальном сборнике и насосом откачивается в шламоямы. По мере испарения жидкой фазы шлам вывозится в отвал.

Сплавной катализатор после 5-6 регенераций теряет свою активность и становится непригодным для дальнейшей работы, поэтому он сдается на переплавку в качестве металлолома в количестве 8кг на 1 тонну кристаллического ксилита.

Отработанные ионообменные смолы АН-1, КУ-1, ЭДЭ-10п выгружаются в бункер и вывозятся автотранспортом в отвал.

Отходы некондиционной полиэтиленовой ленты, полиэтиленовые пакеты, образующиеся при разрыве стерилизованных пакетов с продуктом, выгружаются в бункер и вывозятся в отвал.

Очистка сточных вод и их использование в производстве

Наиболее негативное влияние на окружающую среду оказывает сброс сточных вод в поверхностные водоемы. Поэтому на проектируемом предприятии предусмотрено строительство цеха очистки сточных вод.

С учетом характера образующихся сточных вод, для их сбора и отведения на очистные сооружения организуется несколько канализационных систем: канализация для производственных сточных вод; для приема бытовых сточных вод; ливневая канализация - для приема поверхностного стока с территории предприятия. Биологически и механически загрязненные производственные стоки направляются на общезаводскую насосную станцию перекачки, откуда подаются на очистные сооружения. Бытовые и поверхностные сточные воды поступают в городскую канализацию.

Система водообеспечения промышленных предприятий должна предусматривать оборотное водоснабжение, т.е. повторное использование после соответствующей их очистки. В соответствии с назначением сточные воды подразделяются на два самостоятельных потока. Первый поток - стоки, проходящие очистку и выпускаемые в водоем, второй поток - сточные воды, проходящие очистку и возвращаемые в систему оборотного водоснабжения.

В связи с большими расходами воды на пополнение оборотных систем, их можно рассматривать основными потребителями очищенных сточных вод.

На гидролизных предприятиях применяют в основном механические и биологические способы очистки сточных вод. Механические способы предназначены для удаления из сточной воды взвешенных веществ. К механическим способам очистки относится: задержание крупных плавающих загрязнений на решетках; выделение минеральных примесей в песколовках; осаждение взвешенных веществ в первичных отстойниках; осаждение активного ила во вторичных отстойниках; доочистка сточных вод на контактных осветлителях. Биологические способы предназначены для очистки сточных вод от растворенных и нерастворенных веществ с помощью микроорганизмов активного ила. К биологическим способам относится очистка сточных вод от растворенных и взвешенных загрязнений в аэротенках. Сточные воды гидролизно-дрожжевого производства характеризуются высоким показателем загрязнения БПК и ХПК. В соответствии с рекомендациями СНиП 11-32-74 при БПК2о выше 250 мг/л необходимо применять двухступенчатую схему биологической очистки, при этом на первой ступени устанавливаются аэротенки-смесители, а на второй ступени -аэротенки-вытеснители. В аэротенках-смесителях сточная вода подается рассредоточенно.

Распределение сточных вод производится посредством лотков, размещенных над перегородкой, разделяющей коридоры аэротенка. В аэротенках вытеснителях сточная вода подается в начало первого коридора и последовательно проходит все коридоры.

В биологически очищенной воде отсутствует большинство токсичных соединений, что является реальной основой для использования сточных вод после механической и биологической очистки в основном производстве. Биологически очищенная вода может совместно с избыточным илом возвращаться в основное производство, в частности на смачивание и гидролиз сырья, на приготовление нейтрализующих агентов и питательных солей. В результате таких операций представляется возможным сократить расход свежей воды и снизить количество загрязнений, поступающих в водоемы.

· Технологическая схема привязки оборудования к проектируемому участку

По своему функциональному назначению все методы очистки сточных вод делятся на внутрицеховую очистку стоков и внеплощадную очистку.

Внутрицеховая локальная очистка применяется для частичного удаления некоторых видов загрязнений с целью последующего использования очищенных вод в системе оборотного водоснабжения или в замкнутых циклах водо-использования по основному технологическому потоку. Методы внутрицеховой очистки применяют также для снижения общего уровня загрязнения стоков, направляемых для более полной очистки на внеплощадные очистные сооружения промышленного предприятия, либо на городские очистные сооружения. При внутрицеховой очистке возможно использование механических, химических, биологических и электрохимических методов.

Внеплощадочная очистка сточных вод используется для очистки общего стока. При механобиологической очистке сочетается механическая очистка стоков от взвешенных веществ и биологическая -- от растворенных примесей. Основные растворенные загрязнения удаляются при биологической (биохимической) очистке стоков. Этот метод основан на способности микроорганизмов ассимилировать органические и неорганические соединения сточных вод. В очистных сооружениях используют комплекс микроорганизмов различной видовой принадлежности, относящихся к бактериям, грибам и простейшим. Это позволяет удалять из стоков разнообразные примеси, включая токсичные вещества. Хлопьевидные скопления микроорганизмов называют активным илом. В настоящее время на очистных сооружениях каждого предприятия складывается естественная популяция микроорганизмов активного ила, которая зависит от состава исходных сточных вод и технологических параметров процесса очистки.

Микроорганизмы активного ила при наличии необходимого количества растворенного кислорода интенсивно окисляют углеводы, органические кислоты, аминокислоты, альдегиды, спирты, углеводороды, фенолы и другие соединения. В частности, не ассимилируемая дрожжами левулиновая кислота усваивается микроорганизмами активного ила на 60--70 %. Не все органические вещества подвергаются биохимическому окислению с одинаковой скоростью, о чем свидетельствует наличие в очищенных водах ряда примесей. Наиболее медленно разлагаются микроорганизмами лигногуминовые вещества. Большая их часть сохраняется в сточных водах, придавая им темную окраску.

Для интенсификации процессов биологической очистки сточных

вод испытываются методы целенаправленного подбора культур микроорганизмов, аэробная стабилизация культур, применение химических мутагенов и др. Биологическую очистку сточных вод проводят в аэротенках или аэрофильтрах (высоконагружаемых биофильтрах с искусственной аэрацией). Аэротенки отличаются более высокой эффективностью по удельной производительности (0,8--1 кг БПК с 1 м3 вместимости аэротенка) и степени очистки, однако требуют больших капитальных вложений, чем

аэрофильтры. Аэрофильтры с гравийной засыпкой помимо низкой эффективности практически не поддаются ремонту.

В гидролизной промышленности основным типом оборудования

для биологической очистки сточных вод являются Аэротенки-смесители, в которых очищаемая сточная вода и активный ил рассредоточено вводятся в аэротенк вдоль продольной стенки и так же выводится иловая смесь. При такой подаче обеспечивается быстрое перемешивание воды и иловой суспензии. На второй ступени биологической очистки, где концентрация загрязнений понижена, возможно применение аэротенков-вытеснителей, в которых поступающая вода не перемешивается с ранее поданной на очистку. В аэротенках этого типа на начальной стадии активный ил перегружен питательными веществами при дефиците кислорода; в конце аэротенка поступает избыточное количество кислорода при недостатке питательных веществ.

На проектируемом предприятии предусмотрена механобиологическая очистка сточных вод. На внеплощадные очистные сооружения сточные воды поступают по напорному самотечному коллектору, состоящему из двух- четырех параллельно действующих трубопроводов.

На схеме очистки общезаводских производственных стоков показана одноступенчатая биологическая очистка (то есть аэротенков-вытеснителей нет). Схема состоит из следующих операций;

· выделение тяжелых и крупных примесей на радиальных песколовках;

· выделение взвешенных веществ в первичных отстойниках;

· биологическая очистка в аэротенке;

· выделение ила во вторичных отстойниках;

· доочистка сточных вод на контактных осветлителях;

· уплотнение осадка в отстойниках-уплотнителях.

Сточные воды поступают в приемную камеру 1 с решеткой для грубой механической очистки, проходят песколовки 2 для удаления минеральных примесей и осветляются в первичных радиальных отстойниках 4. Получаемые осадки удаляются на песковую площадку 3 и в сборник 15. Основная очистка сточных вод от растворенных примесей осуществляется в аэротенке 5, где очищаемые воды смешиваются с активным илом и иловая смесь аэрируется в Течение 6--12 ч при температуре около 25 °С. Подачу воздуха в аэротенк обеспечивает воздуходувная станция 6.

Производительность аэротенков зависит от интенсивности массообменных процессов и концентрации активного ила. Условия культивирования активного ила: pH 7--7,2, температура 22--25 °С, содержание биомассы (прессованной) 4--5 г/л, концентрация азота 20--50 мг/л, Р 20 5 10--15 мг/л. Прирост активного ила в аэротенках составляет 40--50 % от снижения количества БПК₅ в стоках. Отделение активного ила после очистки осуществляют на радиальных отстойниках 7. Избыточный активный ил после предварительного сгущения в отстойнике-уплотнителе 13 используется в основном производстве (например, на гидролиз совместно с растительным сырьем) либо после обезвоживания в цехе 17 направляется стороннему потребителю.

Биологическую очистку сточных вод можно рассматривать

как завершающий этап многостадийной биохимической переработки

субстрата, включающей основную ферментацию и биохимическую

переработку ОКЖ:

Ферментация Биоокисление

Сусло-------------> О КЖ ---------------------->

БПКо = 1 2 -- БП К б = 3 -- 15 тыс. мг 0 2/'л -- 4 тыс. мг 0 2/л . >

Биоокислеиие Биологическая очистка

----------------- *¦ Сточные воды-------------------- *¦ БОВ

БП К б = 0 ,5 -- БП К б = Ю -- 1,5 тыс. мг 0 2/л -- 20 мг 0 2/л

При многостадийной биохимической переработке субстрата выход биомассы из 1 т абс. сухого сырья составляет, кг: кормовых дрожжей 180--200, микробной биомассы при биоокислении 50--60 и активного ила при биологической очистке стоков

40--50, т. е. суммарный выход биомассы 270--300 кг.

Осветленные в радиальном отстойнике 7 биологически очищенные воды (БОВ) направляются на доочистку (например, на контактные осветлители). При использовании БОВ в основном производстве целесообразна их дополнительная деминерализация.

Перед сбросом в водоем очищенные воды иногда направляют в пруды-осветлители И. При совместной очистке производственных и хозяйственно-бытовых стоков очищенные воды перед сбросом подвергаются хлорированию для подавления жизнедеятельности нежелательных микроорганизмов. Большинство действующих очистных сооружений должны обеспечивать глубину очистки стоков по БПКп на 99,2%, по взвешенным веществам на 98 %, т. е. остаточная загрязненность биологически очищенных вод не должна превышать: БПКп Ю--20 мг 0 2/л и взвешенных веществ 15--20 мг/л. При проектировании новых и реконструкции действующих предприятий необходимо обеспечить еще более глубокую очистку. В частности, по современным требованиям сбрасываемые очищенные воды должны иметь БПКп не более 3 мг О2/л, ХПК не более 30 мг О/л; цветность не допускается.

На практике наиболее современные схемы механобиологической очистки с применением аэротенков обеспечивают следующие показатели очищенных сточных вод: БПКб 30-- 100 мг О₂/л, взвешенные вещества 20--70 мг/л, аммонийный азот 10-- 70 мг/л, сухой остаток 100--500 мг/л, pH 6,5--8,5, растворенный кислород 4--8 мг/л. Более подробная характеристика исходных и очищенных сточных вод приведена в табл. 12.2. Степень очистки по БПКб при биологической очистке достигает 85--95 °/о, а общее содержание

органических примесей снижается на 80--85 %.

При очистке стоков в аэрофильтрах, а также по неполной схеме с аэротенками, глубина очистки значительно ниже и очищенные воды имеют БПК₅ 200--300 мг 0 2/л. Некоторые гидролизные заводы не имеют очистных сооружений и сбрасывают стоки с БПК₅ 1000--2500 мг 0 2/л. Приведенные показатели не удовлетворяют современным требованиям к качеству биологически очищенных сточных вод при их сбросе в водоемы. Практически на всех предприятиях не выдерживаются установленные нормы по содержанию в очищенных водах взвешенных веществ, азота, БПК₅, БПКп, ХПК и др. В связи с этим органы санитарного контроля применяют штрафные санкции, дают предписания о сокращении производства или закрытии предприятий. Из-за нестабильной работы очистных сооружений мощность ряда предприятий по кормовым дрожжам ограничена на 10--50 %.

Основными причинами создавшегося положения являются:

· недостаточная мощность запроектированных очистных сооружений;

· установка на ряде предприятий аэрофильтров, не обеспечивающих

достаточной очистки вод;

· нарушения технологии очистки сточных вод.

Практически на всех предприятиях требуется реконструкция и расширение очистных сооружений, переход на многостадийные методы очистки стоков.

Размещено на Allbest.ru

...