автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.03, диссертация на тему:Повышение экологичности процессов переработки растительного сырья

^КРАСНОЯРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ

АКАДЕМИЯ

§

На правах рукописи

ВОРОНИН Сергей Михайлович

ПОВЫШЕНИЕ ЭКОЛОГИЧНОСТИ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕРАБОТКИ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ

05.21.03 - Технология и оборудование

химической переработки древесины; химия древесины.

Диссертация в виде научного доклада на соискание ученой степени кандидата технических наук

Красноярск -1997

/

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор ПЕТРОВ B.C.

кандидат технических наук ДОРФМАН е.а.

Ведущая организация: Санкт-Петербургская Лесотехническая академия

Защита диссертации состоится 19 июня 1997 года в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 063.83.01 Красноярской государственной технологической академии по адресу: 660049, г.Красноярск, пр. Мира, 82.

С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомиться в библиотеке академии

Диссертация в виде научного доклада разослана "__"_1997г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат химических наук, доцент Д ц ИСАЕВА Е.В.

'U

/

Актуальность.* На заводах спиртового и дрожжевого профиля, работающих на гидролизатах растительного сырья, количество твердых, парогазовых и жидких выбросов составляет до 5 тыс. м3/ч. В расчете на тонну абсолютно сухой древесины по данным Ю.И.Холькина эти выбросы содержат 1-1,5 т отработанной жидкости, 3-6 кг фурфурола, около 1 кг органических кислот, 0,5 кг метанола, а также много других летучих веществ и твердых выбросов. Основными точками вредных отходов являются гидролиз-аппараты, ферментеры, ректификационные аппараты, сушилки и другое оборудование.

Со сточными водами дрожжевых и спиртовых производств сбрасывается около 95% загрязнений. Нейтрализация общезаводских стоков требует больших затрат, но и после применяемой в производстве биологической очистки их остаточная загрязненность по ХПХ высока- в пределах 150-1000 utO<¡/л, что приводит к отравлению воды в естественных водоемах. Практически на всех предприятиях указанного профиля не выдерживаются установленные нормы по содержанию в очищенных водах взвешенных веществ, азота и других токсичных веществ.

Вредное влияние парогазовых выбросов на окружающую среду в первую очередь связано с поступлением в атмосферу загрязненного воздуха, содержащего живые клетки и частицы субстрата из ферментеров, который в радиусе 15 км вызывает загрязнение окружающей среды. Воздух в производственных помещениях содержит около 200 тыс. микробных частиц в 1 м3 воздуха, в наружном воздухе на расстоянии 100 метров от ферментеров находятся около 50 тыс. клеток в 1м3 > что вызывает аллергические и распираторные заболевания у людей.

Твердые выбросы , в основном гипсовый шлам и лигнин, :капливаются в виде отвалов на открытых площадках, размываются, ухудшают аграрные и санитарные условия.

Годовые отходы гидролизного лигнина, на Красноярском 5иохимическом заводе, составляют приближенно 100 тыс. тонн ( при влажности 65%). Объем нх использования не превышает 30%, и применяется он, в основном, в хачестве выгорающей добавки в кирпичном 1роизводстве. На перевозку в отвалы остальной массы расходуется шачительные средства, величина которых, постоянно растущая, составила з 1995 году 4,5 млрд рублей. Помимо этого имеют место выбросы в 1тмосферу, существенно сказывающиеся на состоянии воздушного эассейна в районе расположения завода и экономических показателях. Гак, потери в окружающую среду от сцеж-циклонов содержат 17,9 тонн в ■од фурфурола; 12,8 тонн в год метанола; 8,5 тонн в год органических

* Автор выражает глубокую признательность научным консультантам [..т.н., проф. Войнову H.A. и д.т.н., проф. Левину Б.Д. Красноярской юсударственной тхнологической академии за оказанную поддержку и юмощъ в работе

кислот; 2,4 тонн в год серной кислоты.

С газовыми выбросами от известковой печи, обогреваемой теплом сгорания лигнина, уносится в год 18,2 тонн неорганической пыли; 12,7 тонн сернистого газа; 21,7 тонн окиси углерода; 6 тонн двуокиси азота.

В настоящее время эффективной очистке подвергается не более 70°А выбросов, что недостаточно для защиты от загрязнений.

Вред, наносимый окружающей среде, большие штрафы выплачиваемые за ядовитые выбросы, несовершенство используемоп оборудования, высокие энергозатраты являются факторами сдерживающими развитие отрасли.

Строительство новых производств, выпускающих продукции микробного синтеза, вызывает резкий протест общественности из-з; отравления и загрязнения атмосферы, земли и водоемов. Стремлени< снизить отрицательное действие жидких, твердых и газообразны: выбросов вызывает необходимость уменьшить их выход путеи совершенствования существующих, а также создания принципиальн< новых технологий и оборудования. Решение данной задачи можж осуществить как путем интенсификации тепло-и массообменных процессо! в существующих промышленных аппаратах, так и путем внедрения новы; технических идей.

Цель работы. Совершенствование методов переработка растительного сырья с целью снижения выбросов и частичной утилизацш отходов, повышения экологических и экономических показателе£ производства.

Научна« новизна. Разработаны и исследованы новые конструкцш контактных устройств ректификационных аппаратов, позволяющш увеличить интенсивность тепло- и массообменных процессов и снизит! выбросы.

Изучены закономерности гидродинамики и массопереноса нг многоэлементных ступенях ректификационных аппаратов, выявлены ю оптимальные параметры, получены расчетные зависимости.

Разработана схема очистки конденсата от фурфурола, котора? позволяет снизить выбросы и уменьшить энергозатраты.

Предложен и исследован новый высокоэффективный спосоС выращивания кормовых дрожжей, обеспечивающий низкие расходь отработанной жидкости и воздуха.

Исследованы технические решения по аэрации и очистке гидролизата ри его подготовке к биохимической переработке.

Предложена и исследована схема сушки и измельчения гидролизного игнина для его последующей утилизации.

Получены математические модели, описывающие влияние условий одготовки на показатели процесса и свойства гидролизного лигнина.

Практическая ценность. Разработанные технические решения епло-и массообменных аппаратов, способы культивирования микроорга-измов, очистки гидролизата, подготовки лигнина позволяют значительно нтенсифицировать процессы получения спирта, кормового белка, тилизировать отходы гидролизного производства с получением товарных родуктов, снизить энергозатраты, повысить производительность борудования, уменьшить загрязнение окружающей среды, улучшить кономические показатели производства.

Целесообразность и эффективность использования разработанных и ащищенных авторскими свидетельствами способа выращивания микроор-анизмов, контактных устройств и аппаратов для проведения тепло- и мас-ообменных процессов, а также метода и оборудования для подготовки идролизного лигнина подтверждены результатами, полученными в роизводственных условиях Красноярского биохимического завода при роизводстве этилового спирта, культивировании кормовых дрожжей, очитке гидролизата, переработке лигнина. Результаты испытаний позволяют екомендовать научные разработки для широкого использования в инже-ерной практике.

Реализация работы в промышленности. Результаты работы ис-ользованы на Красноярском биохимическом заводе при проектировании изготовлении промышленных ректификационных колонн, ферментера, акуум-охладительнсй установки, модернизации промышленной сушиль-ой установки для подготовки лигнина.

Апробация работы. Результаты выполненных исследований и азработок докладывались на ежегодных научно-технических онференциях Красноярской государственной технологической академии 1985-1995), Международной ярмарке оборудования, сырья, новых ехнологий для химической промышленности "Промхимия-95" Красноярск, 1995), научно-практической конференции "Эколого-кономические проблемы лесного комплекса (Санкт-Петербург, 1997), на редприятиях и научно-исследовательских институтах отрасли.

На защиту выносятся: Новые технические решения, направленные а совершенствование производства с целью комплексной переработки

растительного сырья, улучшения экологических и экономических показателей, результаты исследований в области ректификации спирта и фурфурола, выращивания дрожжей, очистки гидролизатов от примесей, сушки и измельчения лигнина.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 работ, в том числе получено 6 авторских свидетельств на изобретение.

1. ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССА РЕКТИФИКАЦИИ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ЭТИЛОВОГО СПИРТА

Этиловый спирт нашел широкое применение в химической промышленности как сырье для получения целевых веществ, таких как этиленгликоль, антифризы, этаноламины, синтетическое волокно, ди-этиловый эфир, пластмассы, лаки, краски, растворители, латекс, ацетат целлюлозы, белок и т. д., а также используется в пищевой промышленности для производства ликероводочных изделий. Этанол также используется в качестве добавки к моторному топливу, десульфуризатора каменных углей с большим содержанием серы.

Увеличение потребления этилового спирта в отраслях традиционного использования приведет в ближайшее время к необходимости наращивания его производства.

В условиях рыночных отношений экономическая целесообразность увеличения производства этилового спирта определяется соотношением себестоимости и оптовой цены. Повышение оптовой цены возможно при улучшении качества продукции, однако более перспективным является снижение себестоимости продукции, что достигается за счет уменьшения капитальных вложений на строительство установок и уменьшения затрат на очистку сточных вод, путем внедрения высокоэффективного оборудования, энергосберегающих технологий и утилизации отходов производства.

Повышение эффективности и экологычности спиртовых колонн. На получение этанола в спиртовом производстве расходуется большое количество производственной воды (около 3 м3 на 1 дал спирта), которая подвергается загрязнению и требует очистки. Ректификационные аппараты при производстве спирта являются одним из основных потребителей энергии (пара), источником выбросов загрязненной жидкости. В кубовом остатке содержатся более 100 кг/м3 взвешенных

астиц, альдегиды, простые и сложные эфиры, кетоны, спирты, кислоты и ругие токсичные вещества, процентное содержание которых можно низить путем увеличения эффективности ректификационных аппаратов КПД контактной ступени) и снижения их числа. При повышении ффективностк ступени увеличивается исчерпывание летучих компонентов I смеси, уменьшается флегмовое число, а, следовательно снижается 1асход пара, количество кубового остатка и выбросы вредных веществ в [ромышленные стоки. Уменьшение числа ректификационных аппаратов в •ехнологической линии (например, путем увеличения их фоизводительности), ведет к снижению тепловых потерь (расхода пара), уменьшению количества выбросов при эксплуатации оборудования.

Поэтому в задачи исследования входил поиск наиболее эффективных <ассообменных контактных ступеней с высокой пропускной способностью ю пару и жидкости.

При проведении ректификации в промышленности в основном «пользуются аппараты барботажного типа со стандартными солпачковыми, ситчатыми, решетчатыми и клапанными контактными »лементами. Однако, увеличение производительности перечисленных «онтактных устройств в действующих цехах не представляется возможным. Допустимые среднерасходные скорости пара по сечению указанных ректификационных аппаратов не превышают 1,0-2,0 м/с при атмосферном давлении, а эффективность (КПД) ступени равна 0,3-0,6 в ¡ависимости от состава смеси. Повышение производительности ректификационных колонн барботажного типа, используемых в настоящее зремя, за счет увеличения диаметра корпуса не оправдано, так как резко зозрастает вес и металлоемкость, неизмеримо усложняется их изготовление, транспортировка и монтаж, снижается эффективность, увеличиваются капитальные затраты. Самыми высокими из них, в указанных условиях являются затраты на транспортировку аппаратов и их монтаж.

Анализ известных конструкций массообменных контактных ступеней показывает, что увеличение производительности и эффективности действующих ректификационных колонн возможно за счет внедрения пленочных прямоточных контактных устройств. Их высокая эффективность обусловлена, прежде всего, достижением большой межфазной поверхности и высокими значениями соотношения расходов потоков Ь/й. Большая производительность обеспечивается достижением скорости пара по сечению колонны 1- 10 м/с.

Однако, разработка, создание и широкое внедрение ректификационных аппаратов с пленочными прямоточными контактными устройствами на основе опубликованных в литературе данных является сложной проблемой, так как накопленный экспериментальный материал недостаточен, в большинстве случаев выполнен на одиночных устройствах и не обобщен. Поэтому при переходе от одиночного контактного устройства к трубному пучку возникает целый ряд нерешенных вопросов. Большинство из них в той или иной мере связано с конструктивными особенностями сепарационного устройства, узла ввода жидкости и распределения потоков жидкости на контактной ступени, кроме того, отсутствуют надежные зависимости для расчета основных параметров процесса.

С учетом выше изложенного были разработаны новые контактные устройства и изучены закономерности их работы.

Исследовались пленочные контактные устройства [2,3], диаметром 17, 30, 72 и 260 мм и длиной 100-300 мм, схемы которых представлены на рис. 1а и рис. 16. Диаметр корпуса колонны выполнялся равным 0,05м; 0,12ми 2,60 м,число контактных ступеней варьировалось от 3 до 46 шт.

1-контактная труба; 2- дырчатый сепаратор; 3- ленточная спираль; 4- газовый патрубок; 5- каналы для ввода жидкости; 6- пластины; 7- подпорная шайба; 8-колпачок; 9-цирхуляционный контур Рис.1. Схемы исследованных контактных устройств

Создание в контактных устройствах пленочного однонаправленного вижения жидкости и пара обеспечивает высокие скорости заимодействия фаз, интенсивную турбулизацию потоков, многократное бновление межфазной поверхности, а также широкий диапазон стойчивой их работы.

В случае применения контактных устройств с пластинчатой насадкой рис. 16) создается дополнительная поверхность контакта фаз (пленка жидкости транспортируется паром не только по внутренней поверхности рубы, но и по обеим сторонам пластин). Это позволяет уменьшить число онтактных устройств на ступени аппарата путем увеличения их диаметра ез существенного снижения эффективности.

На лабораторных стендах и в промышленных аппаратах проведены омплексные исследования гидродинамики и массообмена контактных стройств, отработаны оптимальные конструкции.

Результаты экспериментальных исследований гидродинамики штактных устройств позволили выявить оптимальные режимы работы и олучить методику расчета гидравлического сопротивления контактной тупени, которая сводится к расчету потерь напора в газовом патрубке,, онтактной трубе, сепарационном устройстве и ступени в целом. Для пределения коэффициента гидравлического сопротивления на межфазной ранице пар -пленка жидкости Я \ (расчет значений которого вызывает

пределенные трудности) после анализа известных зависимостей и ополнительных экспериментальных исследований использовалось равнение:

Гидравлическое сопротивление исследованных пленочных контактных стройстз в диапазоне скоростей пара 10-30 м/с и уровне жидкости на тупени 40-160 мм составило 100-350 мм вод. столба.

Проведено исследование уноса жидкости паром с контактных стройств и контактной ступени, оказывающего влияние на эффективность ппарата. Установка в дырчатом сепараторе ленточной спирали или одпорной шайбы обеспечивает надежную сепарацию. При плотности рошения в контактном устройстве до 400 м3/(м2« ч) и скорости пара в онтактном устройстве до 30 м/с унос жидкости с контактной ступени не ревышает 1,5%.

Исследована пропускная способность контактных устройств по сидкости, которая через кратность циркуляции К влияет на ффективность контактных ступеней. Отработаны конструктивные

решения узлов ввода жидкости в пленочных контактных устройствах < целью достижения максимальной производительности. Получень уравнения для расчета расхода жидкости через контактные устройства I зависимости от их конструктивных параметров и технологически:? режимов. Как установлено, расход жидкости через контактное устройствс увеличивается с повышением уровня жидкости на ступени, падением давления (инжекции) в каналах ввода жидкости и уменьшение» гидравлических сопротивлений контактного устройства и сепаратора. Пр* скорости пара 15-30 м/с, уровне жидкости на ступени 100-160 мь плотность орошения пленочных контактных устройств составила 250-40С м3/(м^ч).

По результатам исследований массообмена при ректификации смесе£ этанол-вода, фурфурол-вода в случае однократного пропускания жидкоста через пленочные контактные устройства (рис.1а и рис.16) полученг зависимость для расчета высоты единицы переноса

Ноу = 1Г=^

— ' [з Рг°'4+0,2/1 Рг/0,5 ], V 1 1

которая с точностью ±15% описывает известные данные при восходящем движении пленки жидкости по гидравлически гладкой поверхности контактных труб или пластин.

Как видно, при восходящем пленочном течении в условиях сильные взаимодействий фаз, высота единицы переноса в контактном устройстве не зависит от скорости пара, а зависимость Ноу от фактора массопередачя Я,=тО/Ь имеет линейный характер.

Для расчета эффективности контактного устройства Еу и контактной ступени Еоу были использованы уравнения*

Е.. — 1--; Е„, = —

у Я + ехр^(1+А) ^ Л1

1+уЛЕу

-1

Численные значения параметров у и п в представленных уравнениях определялись при обработке экспериментальных данных, полученных в опытных и промышленных ректификационных колоннах на ступенях с 5 и 13 устройствами.

*Н.И.Савельев, Н.А.Войноа, Н.А.Николаев. Закономерности массопереноса на многоэлементных хонтахтных ступенях прямоточно-вихревых аппаратов// Взв.ВУЗов. Химия и хим.технол.-1983.-Ш.-С.107-110.

Установлено, что в широком диапазоне изменения концентрации легколетучего компонента в смеси ( т=0,5-12; Рг=0,35-0,95; Рг1=80-400), скорости пара 10-30 м/с, кратности циркуляции жидкости на ступени К= 1,5-12 , уровне жидкости Н= 40-160 мм, п=1,4, величина локального байпасного потока жидкости(у)равнаО, что объясняется слабым ее перемешиванием на ступени.

Согласно расчетным и экспериментальным данным, представленным на рис.2, эффективность контактной ступени с пленочными контактными устройствами в большой степени зависит от концентрации компонентов в смеси (тангенса угла наклона равновесной линии ш) и кратности циркуляции жидкости на ступени.

Наиболее существенное влияние величины кратности циркуляции жидкости на эффективность ступени наблюдается при ш > 2,5, где увеличение К вызывает интенсивный рост Еоу.

Еоу

к = 12

к= 6 к= 3

г А ь а

т

Рис.2. Зависимость эффективности многоэлементной контактной ступени от тангенса угла наклона равновесной линии и кратности циркуляции жидкости при ие=16 м/ с; /=200 мм; ¿1=17 мм; п= 8 шт; система- этанол-вода

Увеличение длины пленочных контактных устройств приводит к росту их эффективности, однако при /> 200 мм наблюдается снижение КПД ступени, что обусловлено значительным увеличением -идравлического сопротивления контактного устройства и снижением, тем :амым, кратности циркуляции жидкости.

Согласно полученным данным (рис.3) пропускная способность разработанных пленочных контактных устройств по пару в 3-7 раз выше, 4ем у аппаратов барботажного типа. Это позволяет уменьшить диаметр тпарата, или, при замене действующих контактных ступеней, увеличить ;го производительность и повысить экологичность. При этом }ффектнвность контактной ступени сопоставима, а в ряде случаев выше,

чем в действующих промышленных барботажных аппаратах.

toy 0.9

0.6

0.3

2 4 6 8 10

Рис.3. Зависимость эффективности контактной ступени от фактора скорости в колонне при 1=100 мм, d=27 мм, Н=85 мм, х: 1-0,6; 2-0,35 (мол. дол.)

Данные авторов: З-Шейнман В.И., 4-Левданский Э.И., б- Киселев A.M.

Проведено исследование многоэлементных ступеней, на которых устанавливалось по 13 пленочных контактных устройств с пластинчатой насадкой, размещенных в укрепляющей части бражной колонны диаметром 2,6 м при межступенчатом расстоянии 700 мм. Эффективность контактной ступени составила 0,6-0,8, гидравлическое сопротивление ступени при расходе бражки 100 м3/ч не превышало 250 мм вод. столба.

Характеристики ректификационных колонн с пленочными контактными устройствами и стандартными колпачковыми элементами представлены в табл. 1.

Результаты исследований показывают, что при диаметре аппарата до 0,8 м целесообразно использовать пленочные контактные устройства малого диаметра до 30 мм, что позволяет обеспечить максимальную эффективность. При диаметре колонны более 0,8 ы с позиций упрощения монтажа и снижения металлоемкости наиболее перспективны пленочные контактные устройства большого диаметра до 100-300 мм.

Эксплуатация спиртовой колонны с 46 ступенями и пленочными контактными устройствами диаметром 30 мм, высотой 100 мм при флегмовом числе четыре позволила получить продукт с объемной концентрацией этанола 96,4%. Достигнуто снижении расхода пара в 1,8

\

5s--»- д7 у 2

Таблица 1

Основные характеристики спиртовых колонн

Наименование показателей Колпачковая (стандартная) Пленочная

Производительность, дал/сут 7000 7000

Высота аппарата, м 19 14

Диаметр аппарата, м 2,0 0,8

Число контактных ступеней, шт 64 46

Фактор скорости, м/с (кг/м3)0-5 1,6 5,0

Съем продукции с единицы площади сечения

аппарата, дал/(сут м2) 2229 13933

Основные конструктивные размеры:

межтарельчатое расстояние, мм 300 300

высота переливной планки, ым 50 80

высота контактного устройства, мм 80 100

раза по сравнению с колонной барботажного типа, уменьшены выбросы веществ с отработанной жидкостью.

Повышение зффеятшшоста и экологичности брагсных колонн. Бражные колонны являются основными потребителями пара в ректификационном отделении (примерно 75% от общего количества) и экологически опасны, вследствие загрязнения больших объемов промышленной воды. Специфичной особенностью проектирования и эксплуатации бражных колонн является то, что в процессе ректификации бражки происходит гипсация (отложение толстого слоя осадка) на поверхности контактных устройств и аппарата в целом. Это снижает эффективность тарелки , уменьшает степень нсчерпываемости спирта, увеличивает потери спирта и количество выбросов с лютером, повышает расход пара на брагоперегонку. С целью поддержания эффективной работы бражных колонн осуществляется их частая очистка. Остановка указанных аппаратов также способствует загрязнению и отравлению окружающей среды. Используемые в производстве чешуйчатые и сктчатые тарелки, вследствие постоянных чисток, быстро выходят из строя по причине их износа, что приводит при их дальнейшей эксплуатации к неоправданно большим выбросам вредных веществ с кубовой жидкостью и большим расходам пара.

Как показали результаты промышленных испытаний бражных колонн, установка контактных ступеней с пленочными контактными

устройствами (рис. 16) на питающей ступени аппарата и ниже, в области интенсивного образования осадка, приводит к быстрому забиванию каналов ввода жидкости (чему способствует слабое перемешивание жидкости на ступени, газ не барботирует через слой жидкости на ступени, и вследствие этого, не препятствует осаждению осадка). В этой связи для ректификации "бражки" в бражной колонне разработаны и исследованы модифицированные колпачковые устройства, схема которых представлена на рис.1в. Для увеличения срока непрерывной работы бражных колонн были увеличены основные конструктивные размеры ступени и устройства (зазор между полотном горизонтальной перегородки и торцом колпачка; каналы для выхода жидкости в переливных патрубках,- высота сливной планки и.т.д.) по сравнению со стандартной колпачковой "тарелкой".

Установка на контактном устройстве циркуляционного контура (который впервые использовался на "тарелках" такого типа) позволила увеличить эффективность контактной ступени за счет создания газлифтного режима движения газожидкостной смеси на ступени, а также обеспечила снижение уноса жидкости на ступени, вследствие устранения взаимного влияния струй пара, выходящих из смежных колпачков, увеличение производительности.

Замена ситчатых и чешуйчатых контактных ступеней в бражных колоннах на разработанные колпачковые ( в колоннах диаметром 2,6 м размещалось на ступени по 13 колпачков диаметром 270 мм) позволила увеличить производительность колонн по питанию (бражке) в 3,5 - 4 раза, снизить расход пара до 145 кг/м3 (вместо 255,7 кг/м3), продлить срок непрерывной работы колонн до 1 года (вместо 3 мес.), уменьшить почти вдвое выбросы этанола с бардой.

Снижение выбросов фурфурола. В процессе гидролиза древесины из полученного гидролизата в испарителях образуются пары с невысокой объемной концентрацией фурфурола ( на Красноярском биохимическом заводе не более 0,2% об.) содержащие ацетон, метанол, уксусную кислоту, и другие примеси, которые

направляются в основную ректификационную колонну для укрепления и дальнейшей переработки, причем количество поступающих загрязнений сокращается при повышении степени выделения перечисленных веществ из гидролизата. В настоящее время, в связи с резким подорожанием энергоносителей, получение фурфурола из конденсата стало нерентабельным, а при разложении фурфурола в непереработанном конденсате (путем обработки его, например, известковым молоком в

течении 3-4 часов при расходе 3 кг извести на 1 кг фурфурола) расходуются большие средства.

В этой связи проведен анализ известных способов получения фурфурола и разработана схема, позволяющая снизить затраты на производство. Согласно схеме, представленной на рис.4, пары, выходящие из испарителя, делятся на два потока- один поступает в исчерпывающую колонну, а другой направляется в теплообменник, затем после конденсации также подается на орошение в исчерпывающую колонну. Окончательное удаление фурфурола из кубового остатка осуществляется в вакуум-испарителе. Предлагаемая схема позволяет при атмосферном давлении получить конденсат (без затраты дополнительной энергии), поступающий в основную колонну с объемной концентрацией фурфурола 1,3%, что в 2 раза сокращает расход пара в основной ректификационной колонне, снижает выброс фурфурола в сточные воды и позволяет получить "товарный" фурфурол. Схема прошла опытную проверку.

1-испаритель; 2- теплообменники; 3- исчерпывающая колонна;

4- основная ректификационная колонна; 5- вакуумный испаритель Рис.4. Схема очистки конденсата Разработанная схема позволяет осуществить более полное выделение фурфурола из конденсата, что является эффективным методом предотвращения загрязнения сточных вод этим токсичным компонентом.

2. ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ КОРМОВЫХ ДРОЖЖЕЙ

Основным загрязняющим стоком при производстве кормовых дрожжей является отработанная культуральная жидкость

жидкость

(последрожжевая бражка). Она составляет по загрязненности 70-90% от общего количества загрязнений и относится к высококонцентрированным стокам, которые требуют глубокой очистки и утилизации. На получение 1т кормовых дрожжей расходуется до 300 м3 производственной воды. В расчете на 1т абс. сухого сырья в отработанной культуральной жидкости содержится 100-150 кг сухих веществ; их концентрация составляет 0,91,3%. В состав отработанной жидкости входит целый комплекс токсичных и трудноокисляемых веществ- фуранкарбоновые кислоты, фурфуриловый спирт, фенолы, терпены, лигногуминовые вещества, соединения фтора, мышьяка, соли тяжелых металлов и т.д. Сокращение объема жидкостных потоков при производстве кормовых дрожжей возможно при переработке неразбавленных гидролизатов (РВ=3-10%) после их глубокого облагораживания.

Из-за несовершенства технологических процессов и оборудования в атмосферу поступает загрязненный воздух, неконденсирующиеся газы, пары воды и органических примесей, мелкодисперсные капли субстрата и живых клеток дрожжей.

Одной из причин, сдерживающих развитие промышленного микробиологического синтеза и создание крупнотоннажных установок производства кормового белка, является низкая растворимость кислорода в культуральной жидкости, недостаточный отвод тепла и продуктов метаболизма из зоны биохимической реакции. Это не позволяет проводить процесс выращивания микроорганизмов при высокой концентрации редуцирующих веществ в ферментативной среде (гидролизат предварительно разбавляют чистой водой до содержания редуцирующих веществ 7-15 кг/м3) на базе действующего оборудования, что предопределяет низкую производитель и большой расход загрязненной воды. Наибольшее распространение в промышленной практике получил способ культивирования микроорганизмов с принудительным диспергированием газа (барботаж). В этом случае количество кислорода, доставляемое в жидкую фазу, определяется величиной межфазной поверхности, развиваемой в результате массового прохождения пузырей газа сквозь слой жидкости. Скорость переноса кислорода в жидкой фазе, также, как и скорость отвода продуктов метаболизма, оказывается весьма низкой и не превышает 0,7 - 0,9 кг/(мЗч), а расход воздуха ,в связи с этим, достигает больших значений 50 м3/(мЗч). Некоторое увеличение скорости переноса кислорода при барботаже достигается путем перемешивания, что обеспечивает дополнительное развитие межфазной поверхности и частичную турбулизацию жидкой фазы. Однако длительная эксплуатация аппаратов барботажного типа с мешалками

показала, что увеличение энергетических затрат не всегда сопровождается адекватным повышением эффективности процесса.

Некоторое увеличение характеристик по сравнению с барботажным способом взаимодействия фаз достигается при эрлифтном перемешивании. Однако, и в этом случае при расходе воздуха 45 - 50 м3/ (м3ч) перерабатывается ферментативная среда с концентрацией редуцирующих веществ менее 15 кг/м3, а производительность эрлифтного аппарата объемом 600 м3 не превышает 6 - 7 т сухих дрожжей в сутки.

Увеличение скорости транспорта кислорода за счет установки перемешивающих устройств в циркуляционном контуре вызывает резкое увеличение энергетических затрат. Расход энергии на единицу полученной биомассы в биореакторах с механическим перемешиванием составляет 2 - 3 кВт-ч/ кг, что значительно больше, чем в аппаратах других типов. Увеличение энергозатрат объясняется тем, что хотя интенсивное перемешивание культуральной жидкости мешалками и способствует некоторому увеличению межфазной поверхности за счет дробления газовых пузырьков до некоторого размера, течение жидкости между пузырьками газа остается преимущественно ламинарным и затраченная энергия не ведет к соответствующему повышению скорости транспорта кислорода в жидкой фазе.

Небольшие расходы энергии и воздуха достигаются при струйной аэрации. Однако низкая скорость переноса кислорода в жидкой фазе не позволяет перерабатывать в струйных биореакторах высококонцентрированные среды. Предельная концентрация редуцирующих веществ в ферментативной среде не превышает 8 кг/м3 , а это приводит к увеличению габаритов оборудования и повышению эксплуатационных расходов на очистку больших объемов отработанной жидкости и концентрирование биомассы.

Перспективным для промышленного использования является способ выращивания микроорганизмов, реализуемый в пленочных аппаратах, в которых взаимодействие фаз происходит при стекании турбулентной пленки жидкости по поверхности насадки при больших плотностях орошения.

В этой связи авторами разработан [6] способ получения биомассы дрожжей, заключающийся в том, что культивирование микроорганизмов в пленочном биореакторе осуществляют при низкой скорости воздушного потока 0,1-0,6 м/с, а культуральную жидкость в пленке перемешивают путем создания отрывных циркуляционных жидкостных вихрей (например, используя насадки с искусственной крупномасштабной шероховатостью). Разработаны и исследованы различные варианты трубчатых пленочных насадок. Установлено, что наибольшей удерживающей способностью ( толщина пленки жидкости составляет 10-

25 мм) и эффективностью обладают трубчатые насадки с винтовой крупномасштабной шероховатостью. Апробация способа осуществлена на установке, представленной на рис.5.

Культураяьндя

1-емкость для культивирования; 2- контактный элемент; 3- секция охлаждения; 4-секция подачи газа; 5- секция ввода культуральной жидкости; 6- насос; 7- счетчик расхода жидкости; 8- абсорбер Рис.5. Схема экспериментальной установки

Согласно разработанной схеме культуральная жидкость из емкости для культивирования насосом подается в секцию для ввода культуральной жидкости, затем, пройдя кольцевой распределитель жидкости, стекает в виде турбулентной пленки по внутренней поверхности контактных элементов, обтекая витки винтовой шероховатости, и интенсивно перемешивается, что существенно интенсифицирует тепло- и массообменные процессы. При этом пленка культуральной жидкости насыщается кислородом, а из нее выводится углекислый газ, образованный в результате клеточного метаболизма. Выделяющееся в биохимическом процессе тепло отводится водой, подаваемой в секцию охлаждения. Газовая смесь из биореактора вентилятором подается в абсорбер, где осуществляется ее очистка от СОг, а затем вновь подается в контактные элементы.

Выращивание дрожжей С.БСоии непрерывным способом [8] при культивировании микроорганизмов с концентрацией редуцирующих

веществ в ферментативной среде 40 кг/м3 позволило достигнуть среднюю рабочую концентрацию биомассы дрожжей 64 кг/м3 при скорости протока 0,24 ч'1. Разработанный способ выращивания микроорганизмов позволяет в широком диапазоне изменять концентрацию кислорода в культуральной жидкости путем изменения кратности циркуляции жидкости.

Проведены исследования массообмена в пленке жидкости, стекающей по внутренней поверхности трубчатой насадки с винтовой шероховатостью, на примере изотермической абсорбции. Установлено, что поверхностный коэффициент массоотдачи составил (2 - 5)-10"2 м/с, что в десятки раз выше значений, достигаемых при барботаже и газлифтном способе взаимодействия фаз. В этой связи использование пленочного течения для выращивания микроорганизмов позволяет перерабатывать вы-:ококонцентрированные питательные среды (5 = 30 - 100 кг/м3) при достижении концентрации микроорганизмов до 100 кг/м3. В результате эказывается возможным уменьшить габариты технологического эборудования, в несколько раз снизить расходы воды и газа и обеспечить лх качественную очистку.

При выращивании дрожжей в пленке культуральной жидкости отвод тепла осуществляется непосредственно в зоне биохимической реакции, гго не требует дополнительных конструктивных решений и не влияет на троцесс интенсификации тепло- и массообмена.

В процессе выращивания, из-за отсутствия циркуляции пузырьков углекислого газа в объеме жидкости и интенсивного отвода из пленки проектов метаболизма (в частности СО2, который сдерживает рост), исклю-¡ается их накапливание в культуральной жидкости, что характерно для фугих способов культивирования. При работе на чистом кислороде юзможна полная утилизация углекислого газа на технологические нужды.

В разработанном способе газ не участвует в создании развитой по-герхности контакта фаз и турбулизации жидкости, поэтому проведение ферментации возможно при низких расходах воздуха или чистого газа, 1то снижает выбросы в окружающую среду.

На основании полученных результатов разработана методика расчета 11] пленочного биореактора. В предлагаемом варианте расчета определя-отся технологические параметры биореактора (рабочий объем жидкости, сонцентрация микроорганизмов, расход питательного сусла и потребляемого кислорода ). Осуществляется расчет физических параметров культу->альной жидкости (вязкость, плотность, поверхностное натяжение и т.д.). 1а базе заданных параметров трубчатой насадки определяются гидродина-гаческие характеристики (коэффициент трения, средняя толщина пленки

жидкости) и массообменные параметры (коэффициент массоотдачи, конечная концентрация кислорода в пленке культуральной жидкости). Осуществляется расчет насадки с целью получения оптимальных значений ее длины и диаметра, параметров винтовой шероховатости. Проводится тепловой и конструктивный расчет.

Анализ результатов расчета позволяет сделать следующие обобщения. С повышением содержания редуцирующих веществ в питательном сусле (S = 1 - 5%) происходит (рис.ба) незначительное увеличение энергозатрат (в отличие от известных способов выращивания), уменьшается объем питательного сусла, увеличивается концентрация микроорганизмов в культуральной жидкости . Для каждого диаметра трубчатой насадки пленочного биореактора найден оптимальный расход культуральной жидкости, при котором достигаются наименьшие удельные затраты энергии (рис.66). С увеличением диаметра контактной трубы количество насадок на контактной ступени уменьшается (рис.бв). Наименьшие удельные затраты при установке трубчатой насадки с винтовой шероховатостью достигаются на длине трубы 1,5-2 метра, высоте выступа шероховатости 4-5 мм и параметре шероховатости s/h = 6-8.

Значения некоторых показателей, полученных при выращивании микроорганизмов различными способами, представлены в табл.2.

Как видно, выращивание микроорганизмов в турбулентной пленке жидкости позволяет существенно снизить расход отработанных потоков жидкости и воздуха, что позволяет направить их на очистку и организовать замкнутый цикл по газу.

Подготовка гидролизата к ферментации. Очистка гидр-олизата от примесей позволяет увеличить выход биомассы дрожжей i уменьшить выбросы в сточные воды. На долю органических веществ которые проходят через весь технологический процесс и поступают в сточные воды, приходится около 40% от РВ. В рассматриваемо! работе проводились исследования по очистке гидролизата аэрационны; способом. При традиционном барботажном способе аэрации затрачивается до 2 кВтч/м3 электроэнергии, расходуются большие объемь чистого воздуха - до 60 м3/м3.

С целью снижения расхода воздуха и энергозатрат был* осуществлена аэрация гидролизата в разработанном авторами [5 аппарате со стекающей пленкой при Естественной циркуляции Достигнуто снижение расхода электроэнергии в 1,5 раза и уменьшеь расход воздуха до 1-2 м3/м3.

У,К.ВТ*Ч/КГ

ЬЛ к

-

При (1=80 мм; Ь=4 мм; 5/Ь=6; 1?е= 170000; 1-РВ=5%, 2-РВ=3%, 3-РВ=1%

5

ÍIM

У, кВт X ч/кг 4

1 л 2 3

л

«.00

200

300

400

Яе* КГ3

При /=1,5 м; РВ=3%. 1-а=50 мм, 2- 80 мм; 3-100

П . шт.

(600

800

£ 1 2

X У УЪ

100

200

зоо

400

Ю"

При РВ=3%, /=1,5 м, 1- а=70 мм, 2- 80 мм, 3-100 мм (У- удельные энергозатраты, п- число труб в аппарате)

Рис.6. Результаты расчета пленочного биореактора

Таблица 2

Основные показатели способов выращивания

Газлифтный Газлифтный Струйная Пленочное

способ аэрации способ аэрации с аэрация течение

механическим жидкости

перемешивание

Скорость переноса кислорода, кг/(м?ч)

4,0 4-7 0,4 - 0,7 10

Удельный расход отработанной жидкости, м3/кг

0,28 0,2 0,4 0,03

Удельный расход воздуха, м3/кг

30-50 34 10 0- 10

Концентрация биомассы (АСД), кг/м3

4 - 10,5 10 4 50- 100

Удельный расход энергии, кВт ч/кг

0,8 -1,75 2-3 0,4 - 0.5 0.6 - 1,4

Использование только аэрационной обработки гидролизата не позволяет обеспечить достаточно глубокую его очистку от загрязнений, поэтому были проведены исследования [12] по очистке и охлаждению гидролизата в вакуумной установке. Действующие в промышленности ступенчатые вакуум-охладительные установки представляют собой громоздкие колонные аппараты диаметром 3,5 м и длиной 15 м, которые устанавливаются на высоте 10 м и более для обеспечения непрерывного отвода гидролизата, и снабжены вакуум-насосами мощностью около 100 Квт.

Для повышения эффективности процесса охлаждения, очистки гидролизата, снижения энергозатрат предложено использовать в качестве вакуум -установки аппарат пленочного типа. В разработанном аппарате очистка гидролизата осуществляется при стекании его в виде турбулентной пленки по поверхности насадки. При этом конденсация паров, выделившихся из гидролизата, осуществляется непосредственно в зоне испарения (А.с.№1745278), что позволяет уменьшить мощность вакуум-насосов, так как отпадает необходимость в транспортировании паров из аппарата в теплообменники. Апробированы три схемы взаимодействия потоков гидролизата и охлаждающей воды, которые представлены на рис.7.

\

N

>4

1 - гидролизат; 2- охлаждающая вода,' 3- конденсат Рис.7. Схемы взаимодействия потоков в вакуум-охладительной установке

Формирование пленки охлаждающей воды и гидролизата непосредственно в корпусе аппарата (рис.7а) обеспечивает интенсивное охлаждение гидролизата. Однако, в этом случае идет разбавление гидролизата водой вследствие самоиспарения охлаждающей воды и капель воды с поверхности пленки, что ведет к снижению концентрации редуцирующих веществ в гидролизате. Рассмотренная схема движения потоков может быть реализована при осуществлении одновременного охлаждения гидролизата и его разбавления. Более предпочтительной является схема взаимодействия потоков, представленная на рис.76 и рис.7в, где, в первом случае, гидролизат стекает в виде пленки по поверхности труб, а во втором - по поверхности наклонных желобов. Характерные результаты исследования представлены в табл. 3.

Таблица 3

Результаты экспериментальных исследований

Параметры Гидролизат до Гидролизат после Примечание

испарения испарения

Температура,°С 80 48 Количество

дистиллята 3%;

Концентрация РВ, 2,9 3,0 абсолютное

кг/ м3 давление 0,015 Мпа;

расход гидролизата

Концентрация 0,047 0,029 0,8 м3/ч

фурфурола, %

Как показали экспериментальные исследования применение пленочного вакуум-охладительного аппарата позволяет снизить

температуру гидролизата до 45-48°С, уменьшить концентрацию фурфурола до 0,03% при снижении расхода энергии в 3 раза.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА СУШКИ И ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ ГИДРОЛИЗНОГО ЛИГНИНА

Утилизация твердых выбросов, в частности гидролизного лигнина (крупнотоннажного отхода гидролизных производств), является одной из наиболее острых задач оздоровления экологической обстановки и рационального использования природного растительного сырья.

Основными направлениями применения лигнина являются использование его в виде энергетического топлива, заменителя древесного угля в цветной металлургии (гранулированный лигнин), наполнителя пластмасс, шин, радиотехнических изделий, линолеума и других полимерных материалов (лигнинная мука), для производства антикоррозийных, медицинских препаратов, в качестве удобрения в сельском хозяйстве, в кирпичном и цементном производствах .

Применяемый лигнин , согласно требованиям ТУ 59-98-75, должен содержать влаги не более 65%, золы не выше. 4,5%, кислот (в пересчете на уксусную) не более 3,5%, что создает определенные трудности при его переработке. Кроме того, в зависимости от физической структуры и гранулометрического состава сырья, параметров гидролиза размер частиц гидролизного лигнина (полидисперсного, комкующегося во влажном состоянии материала) лежит в пределах от 0,001 до 10 мм, что вызывает необходимость его измельчения.

Ввиду сложности процесса подготовки лигнина, ошибок допущенных на стадии проектирования, известные планы по переработке и утилизации гидролизного лигнина не были осуществлены. На Красноярском биохимическом заводе на базе лигнина должно было быть создано производство формованного угля мощностью 13,7 тыс.тонн в год. Цех крупногранулированного угля (КГУ) был построен, однако многолетние испытания (1977-1985 гг.) по его освоению привели к выводу о неработоспособности технологической схемы. Общие затраты за период освоения производства КГУ на заводе составили 4957,9 тыс. рублей. В связи с изложенным выше Главмикробиопромом было принято решение о реконструкции цеха для производства лигнобрикетов и формованного угля из лигнина. Осуществление поставленной задачи по исходным данным НПО Гидролизпром было поручено институтам Сибгипробиосинтез Главного управления микробиологической промышленности (отделение подсушки лигнина до влажности 52-55%), а также ЦНИИЛХИ

Министерства целлюлозно-бумажной промышленности (блок грануляции, :ушки гранул, отделение пиролиза, склад угля и смолы). Работы по >еконструкции цеха, однако, не начаты и до сих пор, так как исходные (анные на разработку проекта отсутствуют.

Вследствие сложившейся ситуации на Красноярском биохимическом 1аводе проведены самостоятельные исследования по проблеме ^пользования лигнина.

Наиболее "узким" местом в технологии получения продуктов из шгнина является его сушка , так как в сухом состоянии он чрезвычайно 1зрыво-пожароопасен. Температура его самовоспламенения- 425°С, юспламенения-195°С, тления- 185°С. Минимальная концентрация сислорода в воздухе, способная вызвать взрыв- 11,5%. Абсолютно сухой 1игнин может взрываться в контакте с воздухом, содержащим 11 % сислорода, при влажности материала 0,5 кг/кг взрывоопасная сонцентрация кислорода в воздухе - 19,8 %. Нижний предел взрываемости 1ИГНИНОВОЙ пыли при размере частиц твердой фазы от 81 до 125 мкм- 52,5 /М3.

Эксперименты по сушке и измельчению лигнина проведены в лабораторных и производственных условиях (9]. Использовались барабанные сушилки, где процесс сушки осуществляется в условиях достаточно эффективного перемешивания материала и интенсивного взаимодействия контактирующих фаз, а тепло и -массообмен между лигнином и содержащим кислород сушильным агентом протекает в безопасной обстановке, так как внутри барабана (равно как и по длине транспортных линий) отсутствуют застойные зоны. Это препятствует образованию неподвижного слоя влажного лигнина и его возгоранию. Вследствие поддержания невысокой относительной скорости движения фаз при сушке, снижается вероятность накопления зарядов статического электричества, способных привести к взрыву сухого материала. С целью улучшения безопасности процесс сушки осуществлялся при параллельном движении фаз ( горячий сушильный агент вступает в контакт с влажным лигнином).

В опытной сушилке использовался барабан длиной 1 м, диаметром Э,2 м, а в качестве промышленной установки- агрегат АВМ-065 РЖ, состоящий из узла подачи материала, сушильного барабана (диаметром 2,727 м, длиной 4,028 м), теплогенератора, циклона для отделения сухого не измельченного материала, молотковой дробилки, циклонов для отделения сухой измельченной массы, гранулятора, хвостового циклона.

При конвективной сушке полидисперсного материала с перемешиванием слоя результаты процесса зависят от большого числа факторов (конструктивных размеров сушилки, скорости вращения барабана, физических и теплофизических свойств материала, скорости и температуры сушильного агента и.т.д) , что затрудняет математическое описание процесса. Поэтому для получения достоверных зависимостей и уменьшения объема экспериментальных работ исследования велись на основе математического планирования. Определено влияние скорости вращения барабана Х1 (пределы изменения 4-8 об/мин), начальной температуры сушильного агента Х2 (550-700°С), скорости ленты конвейера Х3 (2,1-6,3 м/с), на конечную влажность материала У1, напряжение барабана по испаряемой влаге Уз, унос лигнина Уз, производительность сушилки У4, удельный расход топлива Уб, конечную температуру сушильного агента Уб, средний диаметр частиц высушенного и измельченного лигнина Получены [9] расчетные зависимости выходных факторов от режимных условий процесса. Как показывает анализ данных с ростом скорости вращения барабана, вследствие сокращения продолжительности пребывания материала в зоне сушки, конечная его влажность увеличивается, а унос уменьшается. Наиболее чувствительным фактором при изменении Х1 является конечная температура сушильного агента, зависящая от условий контакта фаз в барабане и , в этой связи, резко снижающаяся при интенсивном перемешивании твердой фазы. Установлено, что напряжение барабана по влаге, производительность сушилки по влажному материалу и удельный расход топлива практически не зависят от скорости вращения барабана. Еще менее весомой независимой переменной является начальная температура сушильного агента, с повышением которой увеличивается конечное ее значение У7 и унос лигнина. Незначительно изменяется также средний диаметр частиц после сушки и измельчения. Остальные выходные факторы от Х2 практически не зависят.

Наиболее действенным рычагом управления процессом следует считать скорость ленты конвейера Х3 , от величины которой зависят все выходные бпараметры высушиваемого материала. Согласно экспериментальным данным, представленным на рис.7 , с повышением Х3 и связанным с ним ухудшением условий контакта сушильного агента с материалом увеличивается конечная влажность частиц, напряжение барабана по влаге, производительность сушилки по влажному материалу,средний диаметр частиц после сушки и измельчения, а унос

астиц лигнина, удельный расход топлива и конечная температура газа нижаются.

-3

с1т, ^ гГмо'. С, V, А, г^к,

ММ Кг КГ уо ^ '

м3 ч мТч

Рис.7. Влияние скорости ленты конвейера на выходные параметры сушки гидролизного лигнина.

Как показали экспериментальные исследования, величина параметра г7 является надежным показателем условий сушки в барабане. 1остоякство значения или его колебание в пределах нескольких радусов в процессе сушки свидетельствует о стабильности процесса, в то ремя как заметное ее изменение, как правило, является сигналом о :едопустимо высокой загрузке барабана, возрастании конечной влажности игнина и , как следствие, забивании линии выгрузки материала.

Установлено, что агрегат АВМ-065 РЖ пригоден для обезвоживания идролизного лигнина. Готовый продукт имеет минимальную влажность 50% при среднем диаметре частиц 0,4-0,5 мм. Производительность грегата по исходному продукту достигает 2000 кг/ч (до 1000 кг/ч по ухому материалу), напряжение барабана по влаге доведено до 106 :г/(м?ч) а удельный расход топлива (дизтопливо)- до 0,1х10 а м3/ кг.

Слабым местом АВМ-065 РЖ оказался узел очистки отходящих газов путем разделения газовзвеси в циклонах, непригодный для улавливания мелких частиц, вследствие чего унос материала оказался недопустимо большим - порядка 40%, причем основную долю потерь составили наиболее ценные мелкие частицы. Кроме того, согласно имеющихся в литературе сведений, циклоны являются традиционным местом загораний и взрывов лигнина. Вследствие этих ограничений было принято решение отказаться от транспортирования измельченного лигнина по трубам в газовом потоке с последующей сепарацией в циклонах и непосредственно на выходе из мельницы подавать сухой и измельченный материал на упаковку по ленточному транспортеру.

Разработанное направление подготовки гидролизного лигнина является перспективным, так как потребности в этом материале в различных областях народного хозяйства весьма велики.

ВЫВОДЫ

1. В рамках решения проблемы снижения выбросов при переработке гидрализатов растительного сырья предложены аппараты, технологические схемы, способ выращивания микроорганизмов, методы утилизации твердых отходов.

2. Для снижения вредных выбросов с отработанной жидкостью при ректификации, увеличения производительности ректификационных колонн и снижения расхода пара рекомендуется использовать пленочные и модернизированные колпачковые массообменные устройства, которые прошли промышленную апробацию, разработана методика их расчета.

3. С целью снижения затрат на очистку конденсата, содержащего фурфурол, и уменьшения расхода пара усовершенствована схема по лучения фурфурола, включающая вакуумный испаритель и дополните. -льную исчерпывающую колонну, работающую под атмосферным давлением.

4. Для снижения расхода отработанного воздуха, уменьшения выбросов предложены и апробированы высокоэффективные пленочные аппараты по очистке гидролизата.

5. Разработан и апробирован новый высокоэффективный способ выращивания микроорганизмов в турбулентной пленке жидкости, позволяющий резко уменьшить расходы отработанного воздуха, жидкости и выбросы веществ в окружающую среду. Разработана методика расчета пленочного биореактора, проведен анализ результатов расчета.

6. Предложена схема и разработана технология подготовки гидролизного лигнина путем конвективной сушки с перемешиванием слоя и измельчения, что позволяет решить одну из крупных экологических и экономических проблем гидролизного производства.

Основные условные обозначения

d-внутренний диаметр контактной трубы; h- высота выступа шероховатости; s- расстояние между выступами; U) и ug- среднерасходная скорость жидкости и пара в контактном элементе; ш - тангенс угла наклона равновесной линии; Н - уровень жидкости на ступени; L и V-объемный расход жидкости на контактной ступени; Vj- объемный расход жидкости через контактное устройство; РВ- концентрация редуцирующих веществ; G- объемный расход пара; I - длина трубчатой насадки; djr-зквивалентный диаметр насадки; 8 и 8о* средняя толщина пленки жидкости при восходящем прямотоке и стекающей гравитационной пленки; pj и pg- плотность жидкости и пара (газа); X¡ и Xg,X[ - коэффициент гидравлического сопротивления на межфазной границе и на стенке насадки для газа и жидкости; А, и A,i- фактор массопередачи контактного устройства и контактной ступени; Еу и Еоу- эффективность контактного устройств и ступени; Noy и Ноу- число единиц переноса и высота единицы переноса контактной ступени; Pf) и Рг - число Прандтля жидкости и пара; Re- число Рейнольдса.

Основное содержание диссертации излогхано о следующих работах:

1. Исследование процесса разделения гидролизной смеси в ректификационной пленочной колонне с трубчатыми контактными устройствами/Войнов H.A., Харин В.Ф., Щербаков В.Н.,Кабанов Г.П., Мусиенко И.М., Воронин С.М.//В сб.: Гидролизное производство,- 1978.-№10.-С.3.

2. A.c. 965446 (СССР) МКИ3 B01D 3/26. Аппарат для контактирования пара (газа) с жидкостью/Воронин С.М., Войнов H.A., Харин В.Ф., Кабанов Г.П., Николаев H.A.- 1982.- Бюлл.изобр. № 38.

3. A.c. 1118384 (СССР) МКИ3 B01D 3/26. Аппарат для контактирования пара (газа) с жидкостью/ Воронин С.М., Войнов H.A., Сиваев С.И., Харин В.Ф., Николаев H.A., Иванчин Ю.А.- 1984,-Бюлл.изобр.Мз 38.

4. A.c. 1386651 (СССР) МКИ4 C12N 1/00. Аппарат для сгущения суспензии//Воронин С.М., Войнов H.A., Марков В.А.,Харин В.Ф., Николаев H.A.- 1988.- Бюлл.изобр. № 13.

5. А.с.(СССР) 1445741 МКИ4 BOl D 3/26. Аппарат для контактирования газа/Воронин С.М., Войнов H.A., Марков В.А., Николаев H.A., Терентьев А.И. - 1988. - Бюлл.изобр. № 47.

6. А.с.1446919 (СССР) МКИ4 C12N 1/16. Способ получения биомассы дрожжей / Воронин С.М., Войнов H.A., Марков В.А., Николаев H.A., Лаишевкин Н.В., Коновалов Н.М.

7. A.c. (СССР) 1579515 (СССР) МКИ4 BOID 1/22. Пленочный выпарной аппарат / Воронин С.М., Войнов H.A., Климова C.B., Терентьев А.И. - 1990. - Бюлл. изобр. № 27.

8. Марков В.А., Войнов H.A., Воронин С.М., и др. Выращивание кормовых дрожжей на гидролизате в пленочном ферменте / / Гидролизная и лесохим. пром-сть. -1990. - №7 - с.23-25.

9. Левин Б.Д., Романченко П.Г., Воронин С.М. Сушка гидролизного лигнина на установке АВМ-065 РЖ / / Гидролизная и леохим. пром-сть. -1993. - №1 - с.27-30

10. Воронин С.М., Левин Б.Д., Борисова Т.В. Модернизация агрегата АВМ-065 РЖ применительно к сушке гидролизного лигнина. :тез. докл. / / Проблемы химико-лесного комплекса:науч.-техн. конф. / Красноярск . - 1996. - с.16

11. Войнов H.A., Щербаков В.Н., Воронин С.М. Анализ результатов исследования пленочного биореактора. : Тез. докл. / / Проблемы химико-лесного комплекса: науч.-техн. конф. /Красноярск. - 1996. - с.17.

12. Войнов H.A., Марков В.А., Воронин С.М. и др. Очистка и охлаждение гидролизата древесины в пленочной вакуум - охладительной установке. / / Переработка растительного сырья и утилизация отходов. -Красноярск,- 1996. - с.180-185.

13. Воронин С.М., Левин Б.Д. Проблема использования гидролизного лигнина и пути её решешш на Красноярском биохимическом заводе. /Красноярская госуд. технол. акад. - Красноярск,1977. - с.10 - Деп. в ВИНИТИ 14.03.97 №771-В97.

14. Воронин С.М., Левин Б.Д. О решении экологического и технологического аспектов проблемы утилизации гидролизного лигнина. : Тез. докл. / /Эколог - экономические проблемы лесного комплекса : науч. - практ. конф. / СПб. - 1997. - с.112-114.

15. Воронин С.М., Житкова Н.Ю., Войнов H.A. Экологически чистая технология выращивания микроорганизмов. : Тез. докл. / /Эколого -экономические проблемы лесного комплекса: науч. - практ. конф. / СПб. -1997. - с.114-116.

16. Житкова Н.Ю., Воронин С.М., Коновалов Н.М., Войнов H.A. Расчет гидродинамических параметров в условиях вертикального прямоточного движения газа и турбулентной пленки жидкости. / Красноярск, 1997. - с.25 Деп. в ВИНИТИ 10.04.97. № 1160 - В97.