1.2 Обоснование точки строительства
Точкой строительства фурфурольного завода по производству фурфурола 1-го и 2-го сорта была выбрана территория в Северо-Западном федеральном округе РФ на северо-востоке Ленинградской области, на реке Волхов, которая впадает в Волховскую губу Ладожского озера.
Здесь присутствует источник водоснабжения; источник сырья (побережье р. Волхов по большей части представляет собой заросшую смешанным лесом местность). Имеются деревоперерабатывающие предприятия, специализирующиеся на производстве пиломатериалов; деревянных опор для линий электропередач. Отходы производства этих предприятий (технологическая щепа, опилки) выгодно использовать в качестве сырья в производстве фурфурола. Имеется источник электроэнергии – линии электропередач. Кроме этого, развита транспортная сеть: автомобильное сообщение железнодорожные пути. Так же есть возможность сплава сырья в баржах. Из этой точки существует возможность отпуска продукции в северо-западный регион РФ.
Таким образом, считаю, что строительство фурфурольного завода в выбранной мною точке выгодно и целесообразно.
1.4. Теоретическая часть
Кинетика образования фурфурола.
Многочисленные экспериментальные данные показывают,
что для описания кинетики каталитического превращения
￡)-ксилозы в фурфурол в разбавленных водных растворах применимы
уравнения реакции первого порядка.
В общем виде влияние температуры и концентрации ионов
водорода на минутную константу скорости разложения ксилозы
выражается эмпирическим уравнением
где Н+ — молярная концентрация ионов водорода; Т — абсолютная температура, К
Теоретически возможный выход фурфурола Fx в момент
времени t определяют по уравнению
Уравнение применимо при интенсивном выведении образующегося фуфурола из зоны реакции при отгонке с паром.
В реальных условиях образующийся фурфурол в зоне реакции
претерпевает дальнейшие превращения (осмоление). С учетом
вторичных превращений фурфурола в условиях гидролиза его
реальный выход Fz из пентоз составляет:
Реальный выход фурфурола зависит от реакционной способности
моносахаридов, которые по этому признаку можно
расположить в следующий ряд: ксилоза>арабиноза>уроновые
кислоты.
Выход фурфурола из пентозанов Р исходного сырья определяют
с учетом константы скорости гидролиза , этих полисахаридов
Скорость образования фурфурола при дегидратации пентоз
ниже, чем скорость гидролиза пентозанов, в связи с чем дегидратация
является лимитирующей стадией этого многостадийного
процесса.
Помимо факторов химической кинетики при разработке оптимальных
технологических параметров получения фурфурола
необходимо учитывать макрокинетические факторы, включающие
гидродинамику, тепло- и массоперенос.
Для гетерофазных систем при получении фурфурола характерны
следующие особенности: градиент концентраций катализатора
в поверхностных слоях и толще гидролизуемых частиц;
послойное продвижение фронта химических реакций от поверхностных
слоев к внутренним с увеличением пористости и сорбционной
способности частиц сырья; диффузионный транспорт
моносахаридов в растворе и фурфурола в жидкости и в парах,
зависящий от физической структуры и влагосодержания гидролизуемого материала и режима процесса.
Макрокинетические факторы влияют на скорость гидролитических и дегидратационных процессов и определяют продолжительность пребывания фурфурола в зоне реакции 13, а следовательно, и глубину его вторичных превращений. Примерно
80 % потерь фурфурола обусловлены невысокой скоростью молекулярной диффузии в частицах сырья и около 20 % составляют
транспортные потери при выведении фурфурола из гидролизаппарата.
При практическом осуществлении процесса гидролиза пен-
тозансодержащего сырья при получении фурфурола необходимо
проводить гидролиз мелкодисперсного сырья при минимальном
запасе жидкости в гидролизаппарате с быстрейшим
выведением фурфурола из зоны реакции для получения максимального
выхода целевого продукта.
Методы гидролиза пентозансодержащего сырья в фурфурольном производстве.
Процесс производства фурфурола состоит из двух основных
технологических стадий — получения фурфуролсодержащих растворов
и ректификационного концентрирования и очистки фурфурола.
Фурфуролсодержащие конденсаты получают либо в результате
фурфурольных варок пентозансодержащего сырья на
специализированных заводах фурфурольного профиля, либо
в качестве побочных продуктов производства на предприятиях
дрожжевого или спиртодрожжевого профиля.
В качестве основных видов пентозансодержащего сырья используют
растительные отходы сельскохозяйственного производства
и древесину лиственных пород (включая одубину).
Теоретически возможный выход фурфурола из пентоз составляет
6 4%. из пентозанов 73%.
Для фурфурольного производства характерно значительное
многообразие технологических приемов переработки пентозансодержащего сырья. Основное применение в промышленных условиях находят следующие методы получения фурфурола:
двухстадийный фурфурольно-гексозный метод гидролиза, при
котором сырье подвергается парофазной фурфурольной варке
в присутствии H2SO4 в качестве катализатора с последующим
перколяционным гидролизом целлолигнина и получением гексозного
гидролизата для дрожжевого производства; одностадийная
серно-кислотная фурфурольная варка с использованием
целлолигнина в качестве топлива; двухстадийный фурфурольно-
гексозный метод с применением солевых катализаторов на
первой стадии; автокаталитический (бескислотный) парофазный
метод в аппаратах периодического или непрерывного действия.
Выход фурфурола из пентозансодержащего сырья
Основное развитие получил двухстадийный фурфурольно-гексозный метод гидролиза, так как при этом обеспечивается комплексная переработка пентозансодержащего сырья.
При проведении фурфурольной стадии процесса количество подаваемого раствора кислоты на смачивание сырья должно быть минимальным. При переработке растительных отходов сельскохозяйственного производства применяется 10%-ный раствор H2S04. При использовании в качестве сырья древесины лиственных пород используют 93—95%-ную H2S04 или солевые катализаторы. В фурфурольном производстве нецелесообразно применять насыщенный водяной пар, который дает повышенное количество конденсата. В связи с этим при прогреве сырья и фурфурольной варке обычно применяют перегретый пар температурой 240 °С, теплосодержанием 2900 кДж/кг при давлении 1,4—1,5МПа. В процессе парофазнойфурфурольной варки производится одновременная подача острого пара и отбор фурфуролсодержащих паров из верхней части гидролизаппарата. Параметры фурфурольной варки должны обеспечить достаточно глубокую конверсию пентозанов в фурфурол с сохранением физической структуры целлолигнина.
Перколяционный гидролиз целлолигнина , выход
которого около 70 % от исходного сырья, проводится с вертикальным
или вертикально-горизонтальным (совмещенным)
направлением движения раствора катализатора. Отбираемый
гексозный гидролизат направляется в дрожжевое производство.
Гексозный гидролизат, получаемый по двухстадийному фурфу-
рольно-гексозному режиму гидролиза, содержит повышенное
содержание фурфурола и других ингибирующих примесей. Перед
биохимической переработкой этот гидролизат смешивают
с более высококачественным гидролизатом, получаемым при более
мягких режимах одностадийного гидролиза для дрожжевого
производства.
Выход технического лигнина после завершения перколяционной стадии 30—40 % (в пересчете на абс. сухое вещество) от сырья; его влажность около 70%. Содержание серной кислоты в лигнине 6—8 %.
При фурфурольной варке некоторых видов пентозансодержащего сырья (древесины лиственных пород, стержней кукурузных початков) происходит значительная потеря физической структуры сырья и, как следствие, снижение скорости перколяции при гидролизе целлолигнина и получение низкого выхода РВ.
В Институте химии древесины АН ЛатвССР разработана
технология фурфурольно-гексозного гидролиза пентозансодержащего
сырья с применением концентрированной серной кислоты на первой стадии процесса. При этом ограниченное количество серной кислоты с концентрацией 93 % тонкой пленкой смачивает поверхность гидролизуемых частиц, но не пропитывает их. Согласно гипотезе дифференцированного катализа , выдвинутой Н. А. Ведерниковым, в этих условиях гидролиз гемицеллюлоз протекает в толще гидролизуемых частиц в мягких условиях при 130—160 °С при действии уксусной кислоты, образовавшейся в результате деацетилирования. При возникновении градиента концентраций пентозы диффундируют к поверхности частиц, где сорбирована
H2SO4 в количестве 3—5 % от массы материала. Дегидратация
в поверхностном слое способствует быстрому переходу фурфурола в паровую фазу и его выведению из зоны реакции. Эта особенность проведения процесса позволяет сохранить физическую структуру целлолигнина и успешно осуществлять перколяционный
гидролиз трудногидролизуемых полисахаридов.
При маломодульном смачивании щепы концентрированной
кислотой большое значение имеет равномерность нанесения катализатора на поверхность частиц сырья. С увеличением доли
сырья, не обработанного кислотой, выход фурфурола падает.
Маломодульное смачивание технологической щепы древесины
лиственных пород с влажностью 45 °/о осуществляется в двухвалковом
червячно-лопастном смесителе. Подача сырья в смеситель
осуществляется червячным конвейером. С целью равномерного
распределения 3—5 % жидкости от массы сырья по его поверхности 93%-ная H2SO4 подается в зону поступления щепы с помощью форсунок. Коэффициент неравномерности смешения составляет 30—40 %• Плотность загрузки древесины лиственных пород (смеси березы и осины) в гидролизаппарат объемом 80 м3 составляет 160 кг/м3; коэффициент заполнения аппарата 0,95.
Фурфурольная стадия процесса проводится при 150—160 С
в течение 90 мин. Отгонка фурфурола осуществляется острым
паром, подаваемым через фильтрующие лучи. Допустимая скорость
отбора фурфуролсодержащего пара зависит от размера
гидролизуемых частиц сырья и составляет для щепы около
1,45 кг/ч на 1 м2 свободного сечения гидролизаппарата.
После завершения фурфурольной варки необходима промывка
целлолигнина водой для выведения РВ и предотвращения
их потерь. Промывные воды направляются на нейтрализацию
совместно с гидролизатом. Перколяционный гидролиз
трудногидролизуемых полисахаридов целлолигнина проводится
по обычному режиму при 185 °С (1,15 МПа). Оборот гидролиз-
аппаратата около 8 ч.
Рассмотренный метод позволил повысить суммарный выход
РВ и фурфурола до 30—35 % от абс. сухой древесины лиственных
пород, в том числе получить 6—8 % фурфурола и 20—25 % РВ. Этот метод применяется на ряде предприятий фурфурольно-дрожжевого профиля.