На ход экстракции влияют многие факторы, которые учиты­ваются в производственных условиях. Главными из них являют­ся следующие.

1. Размер щепы. Чем мельче щепа, тем больше общая сум­марная поверхность ее, которая соприкасается с растворителем. Ускоряет процесс экстракции измельчение древесины поперек волокон, так как при этом перерезается большое количество трахеид и смоляных ходов, по которым растворитель быстрее проникает внутрь щепы. Однако получение мелкой щепы удоро­жает процесс измельчения осмола, а большое количество древес­ной мелочи и пыли затрудняет проникновение растворителя в массу щепы, забивает коммуникации на экстракционных уста­новках.

Как правило, на канифольно-экстракционных заводах ос- мольная щепа должна быть не больше 15—20 мм по волок­ну. На Новобелицком лесохимическом комбинате следующий состав щепы по размеру: больше 15 мм 18,5—11,5%, 9—15 мм 50—42%, 6—9 мм 25,4—21,5%, 4—6 мм 13—9,2%, 2—4 мм 6,5—2%, древесная мелочь 1,2—0,8%.

При определении степени измельчения щепы необходимо иметь в виду дальнейшее использование ее после экстракции. При получении древесно-волокнистых плит требуются определен­ные размеры, чтобы не снизилась прочность вырабатываемых материалов.

2. Температура в основном положительно влияет на процесс экстракции. Она повышает экстрагирующую способность раство­рителя, что облегчает диффузию. Но, кроме того, температура при экстракции повышает активность растворителя и по отно­шению к другим компонентам древесины. Вместе со смолистыми веществами в раствор переходят танниды, белки и пр. Высокая температура способствует окислению смоляных кислот с обра­зованием темноокрашенных продуктов. Все это снижает каче­ство получаемых канифоли и скипидара.

Обычно температура на экстракционных установках, рабо­тающих без избыточного давления, определяется температурой кипения растворителя. Для бензина она составляет в среднем 100°. При батарейно-противоточном способе экстракции, где применяется избыточное давление, поддерживается более высо­кая температура в экстракторах (120—150°).

3. Давление ускоряет пропитывание щепы растворителем, но замедляет выход смолистых веществ изнутри щепок к их наруж­ной поверхности. Высокое давление при работе на огне и взры­воопасном растворителе требует особой герметичности и проч­ности аппаратуры. Поэтому считается целесообразным повы­шать давление в экстракционных батареях только до 2—4 атм. Гидравлическое сопротивление, препятствующее извлечению смолистых веществ из древесины, при этом еще заметно не про­является. Представляет практический интерес чередование дав­ления в аппаратах с вакуумом.

4. Влажность древесины имеет большое значение в процессе экстракции. Если применяется неполярный растворитель, напри­мер бензин, то влага препятствует проникновению его внутрь щепы, диффузия смолистых веществ замедляется, и время экс­тракции увеличивается. Лучше извлекать смолистые вещества из воздушно-сухого осмола (с влажностью около 20%). При большей влажности осмол следует подсушивать в экстракцион­ных аппаратах, путем кипячения растворителя, вместе с парами которого отгоняется и влага из щепы.

5. Циркуляцию растворителя по экстракционным аппаратам создают при помощи насосов. Значение циркуляции в процессе экстракции велико. Если растворитель, окружающий щепу, на­ходится в покое, концентрация смолистых веществ в раствори­теле, содержащемся в щепе, и в растворителе, соприкасающемся со щепой (пограничный слой), быстро выравнивается. Дальней­ший переход смолистых веществ из щепы в раствор замед­ляется. При циркуляции же растворитель со щепой соприкасает­ся с меньшей концентрацией смолистых веществ, чем в раство­рителе, который находится в щепе. Возрастает градиент концентрации и, следовательно, увеличивается скорость диффу­зии смолистых веществ.

В процессе экстракции необходимо обеспечивать хорошую циркуляцию растворителя.

6. Смолистость осмола. Количество смолистых веществ, пе­реходящих из щепы в раствор, и скорость процесса экстракции зависят от исходной смолистости древесины. Чем богаче смо­листыми веществами щепа, тем больше их будет извлечено, так как остаточная смолистость щепы после экстракции одинакова при тощем, среднем и жирном осмоле.

Количество извлеченных смолистых веществ выражается че­рез коэффициент извлечения (в %)

„ _ Хс-Х„ • 100 *изв X J

Где: Хс и Х0 — содержание канифоли в щепе (в % от абсолют­но сухой обессмоленной древесины) соответственно до экстрак­ции и после нее.

Обычно на заводах перерабатывают пневый осмол с содер­жанием канифоли 15—18% (на древесину 20%-ной влажности), а остаточная смолистость в отработанной щепе составляет 4—6% (на абсолютно сухую обессмоленную древесину).

7. Время экстракции. Количество извлеченных из осмола смолистых веществ зависит от длительности процесса экстраги­рования. Количество смолистых веществ, переходящих в рас­твор в единицу времени, не одинаково в течение периода экс­тракции. Вначале, когда разница в концентрациях смолистых веществ в щепе и растворителе значительна, процесс диффузии идет скорее, и в единицу времени в раствор переходит много смолистых веществ. В конце, когда градиент концентрации сни­жается, количество извлекаемых смолистых веществ становится все меньше и меньше.

Таким образом, процесс экстракции имеет асимптотиче­ский характер: скорость экстрагирования, непрерывно умень­шаясь, стремится к нулю. Если процесс экстракции приостано­вить, то в раствор перейдет меньше смолистых веществ. Если же процесс затянуть по времени, то добавочное незначительное количество смолистых веществ не будет компенсировать расходы по проведению экстрагирования (расход пара, электроэнергии, потери растворителя, износ аппаратуры, рабочая сила и др.). Конец экстракции устанавливают по экономической целесооб­разности. Обычно время экстракции в заводских условиях со­ставляет от 5 до 8 часов при батарейно-противоточном методе.

8. Растворитель. В химической промышленности в качестве растворителей применяются многие органические жидкости. Ос­новные требования, которые предъявляются к растворителям в канифольно-экстракционном производстве: а) высокая раство­ряющая способность по отношению только к смолистым веще­ствам и полная индифферентность к другим составным частям древесины; б) низкая удельная теплота испарения, определяю­щая расход пара при перегонках; в) относительно низкая темпе­ратура кипения и в то же время далекая от начальной темпе­ратуры кипения скипидара, что облегчает отгонку растворителя от мисцеллы; г) при перегонках с паром важно, чтобы раствори­тель не смешивался и не растворялся в воде; д) химическая стойкость растворителя при многократном обращении его в про­изводстве; е) отсутствие токсичности и корродирующих свойств по отношению к металлам; ж) малая летучесть и негорючесть, взрывобезопасность; з) невысокий удельный вес; и) доступность по цене и широкая распространенность при массовом произ­водстве.

В канифольно-экстракционном производстве наиболее широ­ко распространен бензин БР-1 и БР-2 с температурой кипения в пределах от 80 до 120° (ГОСТ 443 — 56). Бензин относительно дешев, хорошо растворяет нормальные смоляные кислоты. Хоро­шо отгоняется из щепы с паром и из мисцеллы.

К недостаткам бензина относятся следующие: плохо раство­ряет окисленные смоляные кислоты, что снижает при экстрак­ции суммарный выход смолистых веществ; растворимость окис­ленных продуктов повышается в канифольных растворах бен­зина; кроме того, бензин является очень огнеопасным раство­рителем.

Пятидесятилетняя промышленная практика применения бен­зина как на наших отечественных канифольно-экстракционных заводах, так и на зарубежных, убеждает в том, что он является пока наиболее рентабельным и целесообразным растворителем для извлечения смолистых веществ из древесины.

Бензин БР-1 и БР-2 в основном состоит из нормального геп­тана, имеет удельный вес 0,74, теплоемкость 0,46 ккал/кг-град. Теплоту испарения 70 ккал/кг, теплопроводность 0,13, раствори­мость в воде 0,08%. Пары бензина в 2,7 раза тяжелее воздуха, стелются понизу, заполняя в первую очередь в производствен­ных помещениях приямки, траншеи для труб, тоннели для транс­портеров и т. д. Содержание паров бензина в производственных помещениях не должно превышать 0,3 мг/л воздуха.

Хорошим растворителем смоляных кислот является скипидар. При его применении можно в значительной степени упростить переработку мисцеллы, но при длительном нагревании этот рас­творитель легко изомеризуется и полимеризуется в продукт с плохой растворяющей способностью. Кроме того, скипидар является очень дорогим по сравнению с растворителями из нефти.

Бензол и толуол обладают высокой растворяющей способ­ностью по отношению к смоляным кислотам. Эти растворители дороги, пределы взрываемости в смеси с воздухом у них шире, чем у бензина, а пожарная опасность еще больше.

Этиловый спирт хорошо растворяет смолистые вещества, но при разбавлении водой его растворяющая способность быстро падает. Вследствие полной растворимости его в воде затруд­няется регенерация. Этот растворитель широко применяется в лабораторной практике.

Хлорированные углеводороды — дихлорэтан и трихлорэтилен имеют высокую растворяющую способность по отношению к смо­ляным кислотам. Они негорючи, нерастворимы в воде и легко перегоняются с паром. Недостатком их является ядовитость и высокая стоимость. Тем не менее эти растворители широко применяются в химико-фармацевтической промышленности и представляют практический интерес для канифольно-экстрак — ционного производства. Содержание паров дихлорэтана в рабо­чих помещениях не должно превышать 0,05 мг/л воздуха, т. е. в 6 раз меньше, чем допустимая норма для бензина.

Бутиловый спирт хорошо растворяет нормальные и окислен­ные смоляные кислоты. Этот весьма активный растворитель ме­нее токсичен и летуч по сравнению с бензином. Он применяется в смеси с бензином для извлечения окисленных продуктов из старого осмола и еловой серки. К недостаткам бутанола как растворителя относится значительная растворимость его в воде (до 8%), что вызывает необходимость регенерации бутанола из флорентинных вод. Бутиловый спирт имеет высокую теплоту испарения (138 ккал/кг) и температуру кипения (118°). А это повышает расход пара на переработку осмола.

Серный и петролейный эфиры в производственных условиях для извлечения смолистых веществ из осмольной щепы не применяются. Они широко используются в лабораторной прак­тике для проведения разных анализов со смолистыми веще­ствами.

По исследованиям В. Н. Козлова и И. П. Коленко, самую высокую экстрагирующую способность имеет бутанол и спирто — бензольная смесь, хотя разница в количестве извлеченных смо­листых веществ (как это наблюдали авторы) у всех раствори­телей незначительна.

Способы экстракции

В промышленной практике применяются три основных спо­соба экстракции: периодический, батарейно-противоточный и не­прерывный. При каждом из них можно экстрагировать смо­листые вещества при атмосферном или повышенном давлении, низкой или повышенной температуре, с циркуляцией, рецир­куляцией растворителя или возвратом его в аппарат при деф­легмации и т. д.

Периодический способ

Сущность этого способа состоит в том, что порцию сырья за­ливают растворителем. В течение определенного времени рас­творитель настаивают на сырье. Смолистые вещества из ос­мольной щепы переходят в раствор, образуя мисцеллу. Ап­параты, в которых происходит извлечение экстрактивных ве­ществ, называются экстракторами. Они представляют собой цилиндрические сосуды с верхним и нижним конусами, с верх­ней и нижней горловинами для загрузки и выгрузки щепы. Если экстракцию ведут с подогревом, то внутри экстрактора имеются змеевики для нагрева растворителя и щепы. Чтобы щепа не по­падала на змеевики, устроен внутренний нижний конус, или ложное днище, по всему сечению экстрактора, а для выгрузки щепы есть боковой люк. Часто подогрев циркуляционных раст­воров производят в выносных подогревателях, которые придают­ся каждому экстрактору. В верхнюю горловину вставлен сетча­тый патрон для предохранения коммуникации от древесной пы­ли, которая отмывается от щепы растворителем или уносится с паром при отгонке впитанного растворителя от щепы.

Для более полного извлечения смолистых веществ проводят Пять-шесть последовательных экстракций. Две-три последние экстракции предназначены для того лишь, чтобы смыть с по­верхности щепы смолистые вещества, которые были извлечены при первых экстракциях из внутренних вместилищ. В итоге по­лучается большой объем мисцеллы со сравнительно низким содержанием смолистых веществ.

Более эффективной является экстракция с возвратом раство­рителя на орошение щепы. Такой прием работы называется дефлегмационным способом экстракции. При этом способе сок­ращается время оборота экстрактора до 8—10 часов и расход пара на переработку мисцеллы, так как концентрация смоли­стых веществ в ней повышается до 70—80 г/л вместо 50 при пе­риодической экстракции настаиванием.

Батарейно-противоточный метод экстракции

При этом способе растворитель непрерывно проходит через несколько последовательно соединенных экстракторов, которые называются батареей. Растворитель подают в экстрактор со щепой, уже подвергавшейся экстракции. Она содержит незначи­тельное количество смолистых веществ и обрабатывается чи­стым и, следовательно, наиболее активным растворителем. Про­ходя по батарее экстракторов, растворитель насыщается смоли­стыми веществами и выходит в виде мисцеллы из того экстрак­тора, в который загружена свежая щепа. При движении раство­рителя по батарее по принципу противотока создаются благо­приятные условия для извлечения смолистых веществ. Экстрак­тор, в который подается растворитель, называется хвостовым, а тот, из которого сливается мисцелла,— головным. В хвостовом экстракторе давление составляет 4—5 атм и поддерживается наиболее высокая температура растворителя (130—140°). Пер­воначально растворитель подогревают в батарейном подогре­вателе или теплообменнике, который устанавливается после ба­тарейного насоса, подающего растворитель на экстракцию. При движении по экстракторам растворитель подогревается в вы­носных подогревателях, которые имеются у каждого экстрак­тора. В головном экстракторе, а также и в первом от него при Переработке влажного осмола щепа подсушивается путем кипя­чения канифольных растворов в этих экстракторах. Вместе с мисцеллой из головного экстрактора выходят пары воды и ра­створителя. Пары от мисцеллы отделяются в сепараторе. Из хвостового экстрактора, отключенного от батареи, сливают обратный слив, в котором содержится 8—10 г/л канифоли. Об­ратный слив снова подают на экстракцию в хвостовой экстрак­тор в первую половину рабочего периода, когда головной экст­рактор со свежей щепой заполняется протекающими по батарее канифольными растворами (мисцелла в это время не сливает­ся). Во вторую половину рабочего периода в батарею подают рабочий растворитель и сливают из, головного экстрактора мис- целлу с содержанием канифоли 70—90 г/л. Количество мисцел­лы 1,5—1,8 г с 1 м3 щепы, находящейся в экстракторе (жидко­стной модуль по мисцелле 1,5—1,8). После слива растворителя отключенный от батареи экстрактор ставят на отдувку раство­рителя, впитанного щепой. Отдувку производят острым паром, как и в периодически действующих экстракторах. Щепу загру­жают в экстрактор с ленты транспортера, а выгружают в бун­кер, из которого отработанная щепа поступает на дальнейшую переработку или используется в качестве топлива в котельной для получения пара.

Схема экстракционной батареи с основной коммуникацией приведена на рис. 59. Число экстракторов в батарее от 6 до 10. При большом числе экстракторов в батарее создается значи­тельное сопротивление для передвижения растворителя и тре­буется высокое избыточное давление, при котором замедляется процесс экстракции в силу большого гидравлического сопро­тивления, преодолеваемого веществами при выходе их из щепы. В настоящее время на канифольно-экстракционных заводах при­меняют батареи из 6 экстракторов, разделяя батареи из 10 эк­стракторов и устанавливая 2 дополнительных аппарата. При батарейно-противоточном методе экстракции получают более высокий коэффициент извлечения смолистых веществ, а именно: 80—85%, вместо 75—80% при периодической экстракции; более концентрированную мисцеллу, при этом уменьшается количество растворителя, находящегося в производстве, и сокращается время экстракции.

Суточный график работы экстракционной батареи показан на рис. 60. Если батарея состоит из 10 экстракторов, то обычно 7 из них участвуют в экстракции, 2 находятся под отдувкой ра­створителя и 1 на вспомогательных операциях — под выгрузкой и загрузкой. Оборот экстрактора: загрузка 15—20 мин, экстрак­ция, включая обратный слив, 6—7 часов, отдувка растворителя 50—60 мин, выгрузка 15—20 мин, профилактика 10—15 мин. Всего время экстракторооборота 8—9 часов.

Объемный расход растворителя при батарейно-противоточ- ном методе экстракции: 1) на пропитку щепы 20—25% от объе­ма, занимаемого щепой; 2) на заполнение промежутков между

О ^ "

Ь: s с О) S А

NdauiHDdujaHc

Щепой 50—55%’ от объема, занимаемого щепой, и 3) на заполне­ние вредного пространства (верхняя горловина экстрактора, трубчатый подогреватель, пространство под ложным нижнем конусом, примыкающая к батарее коммуникация, и др.) 5—7% от объема щепы. Всего требуется растворителя около 80—82%’ от объема загруженной в экстрактор щепы. Количество раство­рителя, сливаемое с мисцеллой, определяют по формуле

V»=V0-(Vm+Vc),

Где:

VM—объем мисцеллы;

V0 —общий расход растворителя па экстрактооборот;

Vвп — объем растворителя, впитанного щепой;

Ус —растворитель, ушедший из экстрактора с парами сушки.

При подсушке щепы в головном экстракторе вода отгоняется с растворителем в соотношении 1:6.

Весовое количество мисцеллы за один рабочий период опре­деляется по формуле

Где:

G — вес щепы, загружаемой в экстрактор;

С — смолистость осмола (содержание канифоли в % к весу исходной щепы);

К — коэффициент извлечения при экстрагировании;

П —концентрация канифоли в мисцелле в %• При батарейно-проти^оточном способе экстракции содержа­ние канифоли в мисцелле составляет 7—8%, а летучих 2—2,5%. Работа экстракционной батареи характеризуется следующими основными показателями: съем канифоли с 1 м3 экстрактора 3,5—4 кг/час, расход острого пара на отгонку растворителя от щепы 0,45 г на 1 канифольную единицу (КЕ), потери бензина 0,15 г на 1 КЕ и общий расход технологического пара—14 г на 1 КЕ.

Батарейно-дефлегмационный способ экстракции

Периодический способ дефлегмационной экстракции приме­нялся на заводе «Вахтан» с 1932 г. Сущность его состояла в том, что при первой и второй экстракциях щепа в экстракторе пол­ностью покрывалась растворителем. Проводилось энергичное кипячение растворителя, вместе с парами которого отгонялась вода (сушка щепы). Для последующих экстракций в экстрактор подавали растворитель до уровня ложного днища. При кипяче­нии пары бензина проходили через слой щепы, частично конден­сировались при этом и стекали вниз, извлекая из щепы смоли­стые вещества. Щепа выполняет в этом процессе роль насадки, которая орошается конденсатом растворителя.

17 А. К. Славянский

К преимуществам периодического дефлегмационного способа экстракции относятся: 1) сокращение объема бензина и 2) умень­шение времени экстракции.

Дальнейшим совершенствованием процесса экстракции на заводе «Вахтан» является разработка батарейно-дефлегмацион — ного метода, в котором сочетается батарейно-противоточная экстракция с непрерывным орошением осмольной щепы флег­мой (чистый растворитель) при температуре кипения.

В процессе экстракции растворитель разделяется на две фракции: высококипящую (выше 100°) и низкокипящую (80—100°). Первую фракцию используют для экстракции свежей щепы с удалением из нее влаги (головная часть батареи), а вто­рую— в хвостовых экстракторах, что облегчает последующую отдувку растворителя из щепы.

Растворитель подают в батарею экстракторов через ороси­тельные кольца, имеющиеся в верхней части каждого экстрак­тора. При этом на свежую щепу растворителя подается меньше, а в хвостовую часть батареи — больше. Количество отгоняемого бензина из экстракторов возрастает от хвостового к головному для повышения концентрации канифоли в мисцелле. Общая схе­ма экстракционной установки по батарейно-дефлегмационному способу приведена на рис. 61.

На заводе «Вахтан» намечается применение поверхностно активных веществ (препарат ОП-7 и ОП-Ю) для смачивания щепы, чтобы улучшить извлечение смолистых веществ.