close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Исследование и разработка технологического процесса очистки натрий-карбоксиметилцеллюлозы методом экстракции

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Макарова Инна Валерьевна
ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА
ОЧИСТКИ НАТРИЙ-КАРБОКСИМЕТИЛЦЕЛЛЮЛОЗЫ МЕТОДОМ
ЭКСТРАКЦИИ
Специальность 05.17.08 – Процессы и аппараты химических технологий
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Бийск 2018
Работа выполнена в Бийском технологическом институте (филиале) федерального
государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования
«Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова»
Научный руководитель
Легаев Александр Иванович,
кандидат технических наук, доцент
Официальные оппоненты:
Сорокопуд Александр Филиппович,
доктор технических наук, профессор,
ФГБОУ ВО «Кемеровский государственный
университет»,
профессор кафедры «Машины и аппараты
технологических систем»
Базарнова Наталья Григорьевна,
доктор химических наук, профессор,
ФГБОУ ВО «Алтайский государственный университет»
профессор кафедры «Органической химии»
Ведущая организация
ОАО «Центральный научно-исследовательский
институт бумаги»
Защита диссертации состоится «08» июня 2018 года в 900 часов на заседании
диссертационного совета Д 212.004.08 в Бийском технологическом институте (филиале) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения
высшего образования «Алтайский государственный технический университет им.
И.И. Ползунова» по адресу: 659305, Алтайский край, г. Бийск, ул. имени Героя Советского Союза Трофимова, 27.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте www.bti.secna.ru
Бийского технологического института (филиала) федерального государственного
бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова»
Автореферат разослан «06» апреля 2018 г.
Ученый секретарь диссертационного совета
2
Шалунов А.В.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность диссертационной работы. Натриевая соль карбоксиметилцеллюлозы (Na-КМЦ) представляет собой эфир целлюлозы. Na-КМЦ – это продукт реакции целлюлозы с монохлоруксусной кислотой или ее натриевой солью в присутствии щелочи.
В процессе синтеза карбоксиметилцеллюлозы получается технический продукт, содержание примесей в котором может достигать 50 %, что ограничивает в ряде случаев его применение. В зависимости от степени очистки Na-КМЦ применяется в качестве эмульгатора и стабилизатора пищевой и фармацевтической промышленности, а также в качестве регулятора свойств буровых растворов.
В настоящее время в России отсутствует промышленное производство очищенной Na-КМЦ. Внутренний рынок полностью занят продукцией производства
США, Италии, КНР.
Современное производство технической Na-КМЦ ведется суспензионным
способом, для синтеза наилучшим растворителем является изопропиловый спирт
(ИПС). Основной принцип удаления примесей из КМЦ заключается в их экстракции
с помощью растворителей, которые растворяли бы побочные продукты и не растворяли основной продукт – КМЦ. Технические решения по очистке КМЦ сводятся
главным образом к поиску таких экстрагентов или переводу Na-соли КМЦ в нерастворимое состояние. Для очистки технической Na-КМЦ чаще применяются водные
растворы этилового или метилового спиртов.
Применение водных растворов ИПС для удаления примесей ограничено из-за
относительно невысокой растворимости. Однако использование различных спиртов
для синтеза и очистки Na-КМЦ создает как технологические, так и экономические
проблемы. В этой связи представляет интерес исследование процесса, при котором
ИПС будет использоваться не только для синтеза, но и для очистки Na-КМЦ.
Для правильной организации технологического процесса очистки с использованием ИПС необходимы различные данные, например, о растворимости примесей
в его водных растворах различной концентрации, данные о распределении примесей
между Na-КМЦ и водными растворами ИПС. Однако такие данные в литературе отсутствуют, также отсутствуют инженерные методики расчета процесса очистки
водными растворами ИПС.
В связи с вышеизложенным, актуальными являются исследование и разработка технологического процесса очистки натрий-карбоксиметилцеллюлозы (Na-КМЦ)
методом экстракции водными растворами ИПС, определение технологических режимов получения очищенной Na-КМЦ.
Цель работы – разработка технологического процесса очистки Na-КМЦ методом экстракции водными растворами ИПС и его практическая реализация, а также
определение технологических режимов получения очищенной Na-КМЦ.
Задачи исследования.
1. Разработать математическое описание процесса экстракции примесей из
технической Na-КМЦ. Составить алгоритм и блок-схему ступенчатой очистки технической Na-КМЦ, которые позволят определять содержание основного вещества в
Na-КМЦ после каждой ступени экстракции с учетом степени отжима, концентрации
экстрагента и жидкостного модуля.
2. Провести экспериментальные исследования процесса экстрактации приме3
сей из технической Na-КМЦ. Разработать методики проведения экспериментов и изготовить лабораторные установки по исследованию предельной растворимости
примесей, входящих в состав технической Na-КМЦ, кинетики экстракции примесей
из Na-КМЦ водными растворами ИПС. Проверить адекватность разработанного математического описания.
3. Разработать инженерную методику определения структуры и режимов процесса очистки технической Na-КМЦ, которая позволит получить продукт с заданным содержанием основного вещества.
4. Экспериментально подтвердить эффективность использования методики
расчета ступенчатой очистки технической Na-КМЦ с целью получения продукта с
содержанием основного вещества от 90 до 99 %.
Объекты, предметы и методы исследования.
Объектом исследования является процесс экстрагирования примесей из технической Na-КМЦ. Предмет исследования – система: техническая Na-КМЦ и водные растворы ИПС. Сочетание теоретических и экспериментальных исследований
позволяет решить поставленные задачи.
Научная новизна работы.
1. Разработано математическое описание процесса ступенчатой экстракции
примесей из технической Na-КМЦ, позволяющее определять необходимое количество ступеней и длительность процесса экстракции обеспечивая заданное качество
очистки.
2. Аналитически обоснована и экспериментально подтверждена целесообразность использования ИПС в качестве экстрагента при получении очищенной
Na-КМЦ методом экстракции.
3. Впервые определены коэффициенты диффузии примесей в частицах
Na-КМЦ в зависимости от концентрации ИПС. Значение эффективного
коэффициента диффузии изменяется в диапазоне от 0,57×10-10 до 0,82×10-10 м2/с.
4. Впервые получены данные по растворимости гликолята натрия (NaC2H3O3)
и его смесей с NaCl в водных растворах ИПС. Значение растворимости гликолята
натрия изменяется от 1 до 46 %. Значение растворимости смеси гликолята натрия и
хлорида натрия изменяется от 0,9 до 41 %.
5. Впервые получены коэффициенты распределения примесей между Na-КМЦ
и водными растворами ИПС, а также эмпирические уравнения описывающие зависимость коэффициента распределения от концентрации примесей в водном растворе
ИПС при различной концентрации ИПС.
6. Предложены технологические режимы получения очищенной Na-КМЦ
(концентрация спирта в водно-спиртовом растворе, жидкостной модуль, время, а
также число ступеней экстракции).
Практическая значимость.
1. Разработана методика выбора количества стадий и режимов процесса
очистки технической Na-КМЦ водными растворами ИПС. Данная методика используется на предприятии ООО «Бия-Синтез» (получен акт внедрения).
2. Впервые на основе результатов проведенных исследований подтверждена
целесообразность использования ИПС в качестве экстрагента при получении очищенной Na-КМЦ методом экстракции.
3. Результаты экспериментальных исследований позволяют производить рас4
четы необходимые для проектирования промышленного оборудования процесса
очистки технической Na-КМЦ.
Достоверность результатов исследований подтверждена успешной апробацией разработанного математического описания процесса экстракции примесей из
технической Na-КМЦ, удовлетворительным согласованием расчетных и экспериментальных данных, использованием поверенного современного оборудования при
проведении экспериментов, оценкой погрешностей измерений по стандартным методикам.
Основные положения, выносимые на защиту.
– Математическое описание процесса ступенчатой экстракции примесей из
технической Na-КМЦ, позволяющее определять необходимое количество ступеней
и длительность процесса экстракции обеспечивая заданное качество очистки.
– Экспериментальные данные исследования процесса экстракции. Результаты
экспериментальных исследований по определению коэффициентов распределения
примесей между Na-КМЦ и водными растворами ИПС, позволяющие использовать
разработанное математическое описание для практических расчетов.
– Инженерная методика ступенчатой очистки технической Na-КМЦ. Результаты использования данной методики для проектирования процесса получения очищенной Na-КМЦ на предприятии ООО «Бия-Синтез».
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на всероссийских и международных конференциях: на VI-й,
VII-й, VIII-й Всероссийских научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием «Технологии и оборудование
химической, биотехнологической и пищевой промышленности» (г. Бийск, 2013–
2015 гг.), работы были отмечены дипломами III степени (2013 г., 2014 г.); Международной научно-практической конференции «Наука и современность» (г. Уфа,
2014 г.); Международной научно-практической конференции «Эволюция научной
мысли» (г. Уфа, 2015 г.); 2-й Международной научно-практической конференции
Technical sciences: modern issues and development prospects (Sheffield, UK, 2014 г.).
Результаты исследований представлялись на краевом конкурсе работ на соискание
премий Алтайского края в области науки и техники. Результаты отмечены присуждением премии Алтайского края в области науки и техники 2016 года в номинации
«Научные и технические исследования и опытно-конструкторские разработки, завершившиеся применением в производстве новых технологий, техники, приборов,
оборудования, материалов и веществ, а также практическая реализация изобретений, решений в области управления и финансов» и дипломом лауреата премии Алтайского края в области науки и техники 2016 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, из них 6
статей в журналах, входящих в перечень рецензируемых журналов и изданий, 7 докладов в сборниках научных конференций.
Личный вклад автора состоит в проведении литературного поиска, в постановке цели работы и задач исследования, в применении теоретических и экспериментальных методов решения поставленных задач, в проведении экспериментов, в
получении данных о равновесии и коэффициентах распределения примесей, в определении основных кинетических параметров процесса экстракции примесей из технической Na-КМЦ, необходимых для использования разработанного математиче5
ского описания, в обработке полученных данных, в разработке инженерных методик
расчета, а также в подготовке публикаций статей и выступлениях с докладами на
конференциях.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения,
четырех глав, заключения, списка использованных источников, включающего 130
наименований, в том числе 14 иностранных, 1 приложения и содержит 113 страниц
машинописного текста.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность и сформулирована цель работы, определены задачи исследования, показана научная новизна и практическая значимость
работы.
В первой главе кратко рассмотрены физико-химические свойства и механизм
образования Na-КМЦ, основные области применения технической и очищенной NaКМЦ.
Приведены способы получения технической Na-КМЦ и основное целлюлозное
сырье для ее получения.
Описаны способы получения очищенной Na-КМЦ. Сравнение различных способов производства очищенной Na-КМЦ с целью получения продукта, содержащего
минимальные количества примесей, показало, что наиболее рациональным способом организации процесса является суспензионный способ синтеза с последующей
очисткой технического продукта водно-спиртовыми растворами. Такой процесс
очистки по своей сути является процессом экстракции в системе «твердое тело –
жидкость». Рассмотрена кинетика процесса экстрагирования в системе «твердое тело – жидкость». Выявлено, что наиболее приемлемым растворителем для синтеза
является ИПС. Однако применение его для очистки Na-КМЦ недостаточно изучено.
Показано, что наиболее простым и эффективным для реализации является
процесс ступенчатой очистки растворами спирта возрастающей концентрации.
Представлено аппаратурное оформление процесса очистки технической Na-КМЦ,
которое строится на каскадной схеме расположения оборудования, а именно: смешение – разделение.
Исходя из анализа литературных данных, определены цели и задачи диссертационной работы.
Во второй главе приводится математическое описание процесса экстракции
примесей из технической Na-КМЦ.
На основе анализа литературных данных, предварительных экспериментов по
изучению процесса очистки технической Na-КМЦ для математического описания
процесса был сделан ряд допущений:
1) твердые частицы имеют сферическую форму;
2) частицы обладают изотропной структурой, т.е. диффузионная проводимость распределяемого вещества в них по всем направлениям одинакова;
3) в процессе экстракции геометрические размеры частицы не изменяются.
Математическое описание процесса экстракции примесей из технической NaКМЦ представляет собой систему уравнений, которая базируется на нестационар6
ном уравнении диффузии, граничном условии третьего рода, дифференциальном
уравнении баланса массы.
Математическое описание в безразмерном виде:

 C
  2 С 2 C 
;
  2  


Fo
r

r
(1)
Д

r



C
1
 Fo 0
 C
0

,

r

r 0
 C
C


 Bi Д  
 С пс 
  r r 1
  r 1


С
Спс 

М
где С – безразмерная концентрация распределяемых примесей в частице, %;
С пс – безразмерная концентрация распределяемых примесей в экстрагенте, %;
r
r
– безразмерный радиус; r – текущий радиус сферической твердой частицы, м;
R
R – радиус исходной сферической твердой частицы, м; Fo Д 
число Фурье; Bi Д 
Dэф
– диффузионное
R2
R
– диффузионное число Био; τ – текущее время, с;  – коэфDэф
фициент массоотдачи в сплошной фазе, м/с; Dэф – эффективный коэффициент диффузии, зависящий от структурных параметров материала, м2/с; М – модуль экстракции M   с  Vс
 к  Vк
Разработанная блок-схема ступенчатой очистки технической Na-КМЦ представлена на рисунке 1. Данная схема состоит из последовательных стадий смешения
(продукта с экстрагентом) и разделения (продукта и жидкой фазы).
На первую стадию экстракции поступает продукт, массой mк0 , который характеризуется концентрацией примесей в Na-КМЦ (Спк), содержанием основного вещества (ОВ, %), влажностью (W, %). Затем смешивается с определенным количеством
экстрагента, массой mсП 1 (водного раствора спирта, заданной концентрации), который поступает со стадии приготовления. Через некоторый промежуток времени, когда из смеси в раствор перейдет определенное количество извлекаемого вещества
(примесей из Na-КМЦ) и раствор достигнет состояния равновесия, происходит разделение твердой и жидкой фаз.
Исходя из технологических особенностей процесса, часть экстрагента остается
на продукте, который переходит на следующую ступень экстракции.
Потоки отработанного экстрагента, которые идут со стадии деления после
первой ступени, подаются на регенерацию.
7
На i-ю ступень экстракции поступает продукт, массой mкi 1 кг; экстрагент,
удерживаемый на продукте, массой mскi 1 кг, который характеризуется концентрацией
спиртового раствора ( С сi 1 , %), концентрацией примесей в спиртовом растворе ( С псi 1 , %)
и экстрагент, получаемый на стадии приготовления, массой mсni кг с концентрацией
спиртового раствора ( С сi , %), концентрацией примесей в экстрагенте ( С псi , %).
Отработанный экстрагент может быть направлен либо на регенерацию, либо
на приготовление экстрагента для некоторой стадии, либо может частично подаваться на регенерацию и на приготовление экстрагента.
Рисунок 1 – Блок-схема ступенчатой очистки технической Na-КМЦ методом
экстракции
По завершении процесса экстракции в i-й ступени отработанный экстрагент
отводится на стадию деления, а полученный продукт с оставшейся на нем частью
экстрагента поступает на следующую ступень. С последней стадии экстракции полученный продукт поступает на сушку.
В третьей главе описаны используемые лабораторные установки. Приведены
методики исследования предельной растворимости примесей, входящих в состав
технической Na-КМЦ, кинетики экстракции примесей из Na-КМЦ водными растворами ИПС, необходимые для определения параметров математического описания
(коэффициента распределения  ; эффективного коэффициента диффузии Dэф и коэффициента удержания Куд), выбора технологических режимов получения очищенной Na-КМЦ, а именно минимизации количества оборудования и расхода экстра8
гента.
Для исследования кинетики экстракции и коэффициентов распределения примесей, входящих в состав технической Na-КМЦ, использовалась лабораторная установка, схема которой представлена на рисунке 2.
1 – аппарат; 2 – перемешивающее устройство; 3 – электродвигатель;
4 – термостат; 5 – кран на сливном штуцере; 6 – центрифуга;
7 – вакуум-воронка; 8 – ресивер; 9 – вакуумный насос
Рисунок 2 – Схема лабораторной установки для исследования кинетики
экстракции примесей, входящих в состав технической Na-КМЦ
Основными примесями, загрязняющими Na-КМЦ, являются хлорид натрия и
гликолят натрия. В литературе приводятся данные о растворимости одной из примесей – хлорида натрия. В диссертационном исследовании в основном внимание было
уделено растворимости гликолята натрия и смеси хлорида натрия и гликолята
натрия в весовом соотношении 65:35 (данное соотношение выбрано для типовых
условий проведения процесса карбоксиметилирования). На лабораторной установке
были получены результаты исследования предельной растворимости гликолята
натрия в водно-спиртовой смеси, которые на рисунке 3 представлены тройной диаграммой.
С3H8O – ИПС; NaC2H3O3 – гликолят натрия; H2O – вода
Рисунок 3 – Предельная растворимость гликолята натрия при различных
концентрациях ИПС
9
Концентрация гликолята натрия (NaC2H3O3) выше бинодальной кривой приводит к образованию двух слоев. Область концентраций ИПС, при которой проводились эксперименты, составляла от 0 до 80 % (диапазон заметного изменения растворимостей и представляет интерес для промышленных применений).
По результатам эксперимента получено уравнение (2), достаточно адекватно
описывающее предельную растворимость гликолята натрия
y  46  14,567  х 0, 257 ,
(2)
где у – весовой процент гликолята натрия в полученном растворе; x – весовой процент ИПС в полученном растворе.
Проверка адекватности полученной эмпирической зависимости (2) экспериментальных данных осуществлялась по критерию Фишера. Расчетное значение критерия Фишера составило FР = 0,0012, табличное – Fт = 4,95 при
уровне значимости
 = 0,05 (FP < Fт).
На рисунке 4 результаты исследования предельных растворимостей бинарной
смеси хлорида и гликолята натрия в соотношении 65:35 в водно-спиртовой смеси
представлены тройной диаграммой. Поведение смеси NaCl:NaC2H3O3 практически
не отличается от поведения чистого NaC2H3O3 в водных растворах ИПС.
По результатам эксперимента получено уравнение, достаточно адекватно описывающее предельную растворимость смеси хлорида натрия и гликолята натрия (3)
в весовом соотношении 65:35.
y  41  11,95  х 0, 276 ,
(3)
где у – весовой процент смеси хлорида натрия и гликолята натрия в полученном
растворе; x – весовой процент ИПС в полученном растворе.
С3H8O – ИПС; H2O – вода; NaCl:NaC2H3O3 – смесь хлорида натрия и гликолята
натрия в соотношении 65:35
Рисунок 4 – Растворимость бинарной смеси хлорида натрия и гликолята натрия в
соотношении 65:35 при различных концентрациях ИПС
Проверка адекватности полученной эмпирической зависимости (3) экспериментальных данных осуществлялась по критерию Фишера. Расчетное значение кри10
терия Фишера составило FР = 0,00157, табличное – Fт = 4,95 при уровне значимости
 = 0,05 (FP < Fт).
Проведены экспериментальные исследования по определению коэффициента
распределения примесей между Na-КМЦ и водными растворами ИПС различной
концентрации. На графике (рисунок 5) точками представлены зависимости коэффициента распределения от концентрации примесей в водном растворе ИПС для различных его концентраций.
Расчетные значения
Экспериментальные значения
1
– концентрация ИПС 50 %
– 50 %
2
– 55 %
– 55 %
3
– 60 %
– 60 %
4
– 65 %
– 65 %
5
– 70 %
– 70 %
6
– 75 %
– 75 %
7
– 80 %
– 80 %
Рисунок 5 – Сопоставление расчетных значений и экспериментальных значений
зависимости коэффициента распределения от концентрации примесей в водном
растворе ИПС
Коэффициент распределения зависит от концентрации примесей в водном
растворе ИПС и от концентрации ИПС.
Все последующие эксперименты проводились при скоростях вращения мешалки 70 об/мин, которая обеспечивает отсутствие внешнего диффузионного сопротивления.
Были определены коэффициенты диффузии примесей в частицах Na-КМЦ.
Исходя из визуальных наблюдений, было сделано допущение, что частицы имеют
сферическую форму, они постоянного размера на протяжении всего процесса, также
был определен линейный размер частиц сырья. Величина эквивалентного размера
частиц составляла 0,472 ×10-3 м (R=const=0,472 ×10-3 м).
Значения эффективного коэффициента диффузии в зависимости от концен11
трации ИПС представлены на рисунке 6.
Рисунок 6 – Значение эффективного коэффициента диффузии в зависимости от
концентрации ИПС
В результате экспериментальных исследований определен коэффициент
удержания остаточного водного раствора ИПС после каждой ступени экстракции,
который является важной характеристикой при расчете содержания основного вещества в продукте. Он показывает, какое количество раствора ИПС с перешедшими
в него примесями остается на Na-КМЦ после соответствующей ступени экстракции
и отделения отработанного экстрагента.
К
уд

m
влКМЦ
 (m
m
коч
m )
пк
,
(4)
коч
где m
– масса влажной Na-КМЦ после экстракции, кг; mкоч – масса абсолютно
влКМЦ
чистой Na-КМЦ ( mкоч  (mк0  W )  Спк0 ) , кг; mк0 – масса исходного абсолютно сухого
продукта с примесями (Na-КМЦ), кг; С пк0 – концентрация примесей в исходном продукте (Na-КМЦ), %; W – влажность исходной КМЦ, %; mпк – масса примесей в NaКМЦ после экстракции, кг.
Результаты обработки экспериментальных исследований приведены на рисунке 7. Значение коэффициента удержания выбирается в зависимости от способа отделения Na-КМЦ от экстрагента (рисунок 7 а, б, в), а также от концентрации ИПС и
содержания основного вещества в Na-КМЦ.
а) под действием гравитационных сил
12
б) под вакуумом
в) под действием центробежных сил
– содержание основного вещества в Na-КМЦ 60 %
– 70 %
– 80 %
Рисунок 7 – Значения коэффициента удержания в зависимости от способа
отделения
Исходя из полученных данных видно, что чем выше концентрация водного
раствора ИПС, тем коэффициент удержания меньше. Коэффициент удержания возрастает с увеличением содержания основного вещества в Na-КМЦ. Наиболее эффективным является отделение очищенной Na-КМЦ от экстрагента под действием
центробежных сил.
На основании проведенных расчетов, полученных с помощью разработанного
математического описания, были рассмотрены некоторые варианты ведения процесса ступенчатой экстракции. Для получения продукта с содержанием основного вещества 90 % и 96 % различной степени отжима, концентрации водного раствора
ИПС при различном числе ступеней. В таблице 1 представлены рекомендованные
концентрации спирта для каждой ступени экстракции в зависимости от степени отжима.
13
Таблица 1 – Рекомендованные концентрации спирта для ступеней экстракции в
зависимости от степени отжима
Коэффициент
Число
Концентрация спирта по ступеням
удержания
ступеней
4
3
2
1
4
80 %
75 %
65 %
60 %
3,6
3
80 %
75 %
60 %
3
80 %
65 %
60 %
2
2
80 %
60 %
3
80 %
70 %
60 %
1,6
2
80 %
60 %
В таблице 2 приведены данные по степени очистки, полученные с помощью
разработанного математического описания, и экспериментальные значения степени
очистки полученных образцов после завершения процесса.
Таблица 2 – Влияние коэффициента удержания и количества ступеней экстракции
на степень очистки в лабораторных условиях
Коэффициент
Число ступеней
Степень очистки, %
удержания Ку
расчетная
экспериментальная
3,6
3
92,02
91,8
4
96,42
96,0
2
2
90,93
92,0
3
96,57
97,0
1,6
2
91,63
92,0
3
95,77
96,2
Разработанное математическое описание кинетики процесса экстракции и ступенчатого описания процесса может быть рекомендовано для применения в промышленных условиях.
В четвертой главе приведено описание технологической схемы опытнопромышленного участка получения очищенной Na-КМЦ.
Также представлена разработанная инженерная методика ступенчатой очистки
технической Na-КМЦ с целью получения продукта с содержанием основного вещества от 90 до 99 %.
Приведено сравнение результатов расчетных и экспериментальных исследований по определению числа ступеней экстракции и длительности процесса очистки
Na-КМЦ.
Подтверждена пригодность использования методики для проектирования процесса получения очищенной Na-КМЦ.
Схема созданной на предприятии ООО «Бия-Синтез» опытно-промышленной
установки для наработки опытных партий продукции и проверки методов расчета
процесса ступенчатой экстракции технической Na-КМЦ представлена на рисунке 8.
Основу установки составляет аппарат, изображенный на рисунке 9 (а и б), объемом
1,5 м3, который представляет собой вертикальную цельносварную цилиндрическую
емкость из нержавеющей стали с эллиптическими днищем и крышкой.
14
1 – кара, 2 – реактор, 3 – аппарат промывной, 4 – центрифуга, 5 – вакуум-воронка, 6 – ресивер, 7 – вакуумный насос,
8 – сборник, 9 – сушильный шкаф, 10 – протирочный барабан
– Na-КМЦ техническая;
– ИПС отработанный;
– Na-КМЦ очищенная (промытая);
– Na-КМЦ мокрая;
– Na-КМЦ сухая;
– вода обработанная, умягченная
(дистиллированнная);
– ИПС;
– Na-КМЦ сухая крупного помола;
– в канализацию
Рисунок 8 – Технологическая схема опытно-промышленного участка получения очищенной Na-КМЦ
15
б
а
Рисунок 9 – Внешний вид емкостного аппарата (а), крышка снята внешний вид
перемешивающего устройства (б)
На установке были проведены наработки опытных партий продукции. В процессе экстракции проводили отборы проб экстрагента, которые подвергались кондуктометрическому методу определения массовой доли примесей. Циклы экстракции продолжались до тех пор, пока не достигалось заданного содержания основного
вещества в Na-КМЦ.
Анализ полученного образца Na-КМЦ проводился по стандартной методике
(ГОСТ 16932-93). Эксперименты выполнялись при температуре 22 ± 2 °С.
Эксперименты по определению длительности процесса экстракции проводились для Na-КМЦ с размером частиц (радиус) 0,5 ×10-3 м. Концентрация водного
раствора ИПС составляла от 50 до 80 %. Степень извлечения примесей составила
95 % от равновесного значения. Сравнение расчетных и экспериментальных значений времени экстракции приведены в таблице 3.
Таблица 3 – Влияние концентрации спирта на длительность экстракции до степени
извлечения 95 %
Время экстракции, мин
Концентрация спирта, %
Расчетное
Экспериментальное
50
11,7
11
55
12,2
12
60
14,5
15
65
15,5
15
70
16,0
16
75
16,5
17
80
16,8
18
Проверка методики определения числа ступеней проводилась на этой же установке. Процесс отделения экстрагента от продукта (Na-КМЦ) осуществлялся либо
естественным сливом в аппарате (под действием гравитационных сил), либо подачей на центрифугу, либо отделением на вакуум-воронке с последующим возвращением в аппарат Na-КМЦ и повторными стадиями экстракции.
16
В таблице 4 представлены рекомендованные концентрации спирта для каждой
ступени экстракции.
Таблица 4 – Рекомендованные концентрации спирта для ступеней экстракции
Число
Концентрация спирта по ступеням
ступеней
5
4
3
2
1
5
80 %
75 %
70 %
65 %
60 %
4
80 %
75 %
70 %
60 %
3
80 %
70 %
60 %
2
80 %
60 %
В таблице 5 приведено сравнение расчетных значений и экспериментальных
значений содержания основного вещества при различном числе ступеней и степени
отжима.
Таблица 5 – Влияние коэффициента удержания и количества ступеней экстракции
на степень очистки
Содержание основного вещества, %
Коэффициент
Число ступеней
удержания Ку
расчетное
экспериментальное
5
97,6
97,63
4
95,0
94,90
4
3
92,0
92,39
2
87,3
87,29
5
98,4
98,38
4
96,0
96,11
3
3
94,0
93,92
2
89,0
89,13
5
99,0
98,93
4
97,0
97,13
2
3
95,0
95,28
2
91,0
90,93
5
99,0
99,15
4
97,0
97,57
1,5
3
95,9
95,89
2
91,8
91,80
Результаты проведенных исследований подтвердили эффективность применения данной методики для проектирования процесса получения очищенной Na-КМЦ.
На основе разработанной методики был спроектирован и внедрен в производство
процесс получения очищенной Na-КМЦ на предприятии ООО «Бия-Синтез».
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
1. Установлено, что наиболее рациональным способом организации процесса
является суспензионный способ синтеза с последующей экстракцией технического
продукта водно-спиртовыми растворами на основе спирта, используемого для синтеза. Показана целесообразность использования ИПС как для синтеза, так и для
очистки технической Na-КМЦ с использованием его водных растворов.
17
2. Разработано математическое описание процесса ступенчатой экстракции
примесей из технической Na-КМЦ. Предложены алгоритм и блок-схема ступенчатой экстракции технической Na-КМЦ, которые позволяют определять содержание
основного вещества в Na-КМЦ после каждой ступени экстракции с учетом степени
отжима, концентрации экстрагента и жидкостного модуля.
3. Проведены исследования равновесия в системах Na-КМЦ – примеси – водный раствор ИПС. Впервые получены данные по равновесию, коэффициентам распределения примесей, являющихся сопутствующими при производстве технической
Na-КМЦ. Выявлена особенность водных растворов ИПС; она заключается в том, что
ИПС при превышении предельно допустимых концентраций разделяется на два
слоя. Показано, что предельная растворимость гликолята натрия изменяется от 1 до
46 %; предельная растворимость смеси хлорида и гликолята натрия изменяется от
0,9 до 41 % при изменении концентрации ИПС от 5 до 80 %.
4. Проведены экспериментальные исследования по определению коэффициента удержания остаточного водного раствора ИПС. Установлено, что чем выше концентрация водного раствора ИПС, тем коэффициент удержания меньше. Коэффициент удержания возрастает с увеличением содержания основного вещества в NaКМЦ. Показано, что коэффициент удержания для гравитационного разделения находится в диапазоне от 3,32 до 3,86; для вакуум-фильтрации – в диапазоне от 1,73 до
2,26, для центробежного разделения – в диапазоне от 1,36 до 1,86.
5. Разработана упрощенная инженерная методика определения количества
стадий и режимов процесса ступенчатой очистки технической Na-КМЦ. Предложены технологические режимы получения очищенной Na-КМЦ с целью получения содержания основного вещества от 90 до 99 %.
6. На основе разработанной инженерной методики был спроектирован и внедрен в производство процесс получения очищенной Na-КМЦ на предприятии
ООО «Бия-Синтез», обеспечивающий возможность получения продукта с содержанием основного вещества от 90 до 99 %, что подтверждается актом внедрения.
ОПУБЛИКОВАННЫЕ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
1. Макарова, И.В. Растворимость гликолята натрия в водных растворах изопропилового спирта [Текст] / И.В Макарова, А.И. Легаев, В.А. Куничан, Н.Н. Волкова // Научно-технический вестник Поволжья. – 2014. – № 3. – С. 147–149.
2. Макарова, И.В. Оптимизация твердофазного способа получения карбоксиметилцеллюлозы [Текст] / И.В Макарова, В.А. Куничан, К.В. Севодина, Н.Н. Волкова,
А.И. Легаев // Вестник алтайской науки– 2014. – № 4 (22). – С. 311–314.
3. Макарова, И.В. Совместная растворимость хлорида и гликолята натрия в
водных растворах изопропилового спирта [Текст] / И.В Макарова, А.И. Легаев,
В.А. Куничан, Н.Н. Волкова // Ползуновский вестник. – 2014. – № 4. – Т. 2. – С. 88–91.
4. Легаев, А.И. Математическое моделирование процесса твердофазного карбоксиметилирования целлюлозы в условиях тепломассообмена [Текст] / А.И. Легаев,
В.А. Куничан, И.В Макарова, Н.Н. Волкова // Ползуновский вестник. – 2014. – № 4. –
Т. 2. – С. 84–87.
5. Макарова, И.В. Исследование кинетики растворения основных примесей в
производстве натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы [Текст] / И.В Макарова,
А.И. Легаев // Вестник Воронежского государственного университета. Серия: Химия.
Биология. Фармация. – 2015. – № 3. – С. 37–40.
6. Макарова, И.В. Математическое описание ступенчатой экстракции примесей
18
из технической Na-КМЦ [Текст] / И.В Макарова, А.И. Легаев // Научно-технический
вестник Поволжья – 2016. – № 2. – С. 34–36.
7. Макарова, И.В. Очистка технической Na-КМЦ методом непрерывной экстракции
[Текст] / И.В. Макарова, К.В. Маскаева, В.А. Куничан, Н.Н. Волкова, А.И. Легаев // Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности:
материалы 6-й Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов
и молодых ученых с Международным участием (22–24 мая 2013 г., г. Бийск). Алт. гос.
техн. ун-т, БТИ. – Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2013. – С. 455–457.
8. Макарова, И.В. Растворимость солей, содержащихся в Na-КМЦ в водных растворах изопропилового спирта [Текст] / И.В. Макарова, В.А. Куничан, А.И. Легаев, Н.Н. Волкова // Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности: материалы 7-й Всероссийской научно практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с Международным участием (21–23 мая 2014г., г. Бийск). Алт.
гос. техн. ун-т, БТИ. – Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2014. – С. 165–167.
9. Макарова, И.В. Растворимость NaCl в водных растворах изопропилового спирта в
зависимости от температуры / И.В. Макарова, В.А. Куничан, А.И. Легаев, Н.Н, Волкова //
Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности: материалы 7-й Всероссийской научно практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием (21–23 мая 2014г., г. Бийск). Алт. гос.
техн. ун-т, БТИ. – Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2014. – С. 167–169.
10. Макарова, И.В. Исследование растворимости бинарной смеси хлорида и гликолята натрия в водных растворах изопропилового спирта / И.В. Макарова // Международная
научно-практическая конференция «Наука и современность» (8 декабря 2014 г., г. Уфа). –
Уфа: Изд-во РИО МЦИИ ОМЕГА САЙНС, 2014. – С. 7–9.
11. Макарова, И.В. Исследование процесса очистки технической Na-КМЦ методом
экстракции / И.В. Макарова // 2nd International Conference «Technical sciences : modern issues
and development prospects». – Sheffield, UK: B&M Publishing USA, San Francisco, California,
2014. – С. 94–97.
12. Макарова, И.В. Получение очищенной Na-КМЦ методом непрерывной экстракции / И.В. Макарова, В.А. Куничан, А.И. Легаев // Международная научно-практическая
конференция «Эволюция научной мысли» (3 февраля 2015 г, г. Уфа). – Уфа: Изд-во РИО
МЦИИ ОМЕГА САЙНС, 2015. – С. 4–6.
13. Легаев А.И., Математическое моделирование процесса карбоксиметилирования
щелочной целлюлозы твердофазным способом в непрерывнодействующем реакторе шнекового типа / А.И. Легаев, И.В. Макарова, В.А. Куничан, Н.Н, Волкова // Технологии и
оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности: материалы
8-й Всероссийской научно практической конференции студентов, аспирантов и молодых
ученых с международным участием (20-22 мая 2015г., г. Бийск). Алт. гос. техн. ун-т, БТИ.
– Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2015. – С. 200–204.
19
_________________________________________________________________________
Подписано в печать 04.04.2018. Формат 60×84/16.
Печать – ризография. Объем 1,25 п.л. Тираж 100 экз. Заказ 2018 – 26
Отпечатано в ОИТ БТИ АлтГТУ им. И.И. Ползунова
659305, г. Бийск, ул. имени Героя Советского Союза Трофимова, 27
20
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа