ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ЛЕСОХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

Основные закономерности извлечения смолистых веществ из осмола

Под экстракцией обычно понимают выделение тех или иных веществ из их смеси с другими веществами при помощи рас­творителя (экстрагента), избирательно растворяющего одно или несколько веществ. Физическая сущность экстракции состоит в переходе извлекаемого (экстрагируемого) вещества из одной фазы (жидкой или твердой) в фазу жидкого экстрагента при их взаимном соприкосновении.

В дальнейшем полученный раствор (экстракт) выводится из процесса и направляется на регенерацию экстрагента.

Процесс извлечения смолистых веществ из древесины явля­ется сложным и включает в себя такие физические процессы, как пропитка материала растворителем, растворение смолистых веществ, диффузию и осмос. Все эти процессы в начальный пе­риод протекают совместно, что усложняет физическую картину процесса.

Процесс растворения определяет скорость удаления смоли­стых веществ, находящихся на поверхности твердой фазы, а процесс диффузии — скорость переноса вещества, находяще­гося в открытых порах и капиллярах. Извлечение вещества, находящегося в замкнутых порах древесины, осуществляется за счет сил осмотического давления.

Влияние этих трех факторов будет различным в зависимо­сти от размеров перерабатываемой щепы. При малом размере частиц действие сил осмотического давления будет невелико, так как основное количество смолистых веществ находится на поверхности материала и в открытых порах. Напротив, при увеличении размера щепы все большее количество смолистых веществ находится в замкнутых порах и влияние осмоса ста­новится определяющим фактором.

Процесс диффузии. Применительно к основной массе тех­нологической щепы, используемой в канифольно-экстракцион - ном производстве, определяющую роль имеет процесс диф­фузии.

Процессом диффузии называют самопроизвольный процесс переноса вещества и выравнивания его концентрации, обуслов­ленный тепловым движением молекул. Если диффузия молекул проходит через пористую перегородку, то процесс называют осмосом, а если диффузия протекает в порах и капиллярах,— внутренней (молекулярной) диффузией.

Процесс, протекающий вне пористой структуры материала, называют свободной диффузией. Скорость диффузии зависит от плотности среды, ее вязкости, температуры процесса, при­роды растворителя и диффундирующих частиц, воздействия внешних сил. С повышением температуры скорость диффузии всегда возрастает.

Скорость чисто диффузионного переноса вещества в жид­кой среде крайне мала, и для ее завершения в сосуде с линей­ным рамером 1 дм требуются дни и недели.

Количество вещества, переносимого в процессе диффузии, описывается первым уравнением Фика (знак минус в этом уравнении показывает, что перенос вещества идет в направле­нии уменьшения концентрации):

Dm = —D —-- Fdr,

Dx

Где dm — масса переместившегося вещества; F—площадь се­чения; dx — время; dcjdx — градиент концентрации в направле­нии переноса; D — коэффициент свободной диффузии, опреде­ляющий количество вещества, продиффундировавшего через 1 м2 поверхности в единицу времени при градиенте концентра­ции равном единице; коэффициент D имеет размерность м2/с.

При экстракции смолистых веществ из осмола бензин про­питывает щепу и растворяет смолистые вещества. При этом внутри щепы образуются растворы более высокой концентрации в сравнении с растворами, омывающими щепу.

Разность концентраций является основной движущей силой как процесса диффузии, так и осмоса. Эти процессы могут про­должаться, пока существует разность концентраций.

В процессе диффузионного массопереноса можно выделить три этапа: молекулярную диффузию вещества по смоляным ка­налам и трахеидам древесины, направленную к наружной по­верхности щепы; молекулярную диффузию через пограничный слой (диффузионный пограничный слой); конвективную диф­фузию смолистых веществ от пограничного слоя к раствори­телю, омывающему щепу.

Таким образом, извлечение смолистых веществ может про­ходить при наличии как молекулярной, так и конвективной диффузии. В пограничном слое имеют место оба вида переноса, однако молекулярная диффузия является здесь всегда преоб­ладающей. Если щепа находится в среде неподвижного рас­творителя, то перенос вещества осуществляется только за счет молекулярной диффузии. При этом весь наружный слой рас­творителя можно считать за пограничный слой большой тол­щины, которая может во много раз превышать размер щепы.

Движение растворителя уменьшает толщину ламинарной пленки, коэффициент конвективной диффузии резко возрастает и общее сопротивление переносу вещества резко сокращается. При скоростях растворителя более 0,1 см/с можно считать, что скорость извлечения смолистых веществ в капиллярах древе­сины определяется молекулярной диффузией. Увеличить ско­рость диффузии в этих условиях для данного растворителя можно только повышением температуры процесса.

При температуре кипения жидкости наблюдается значи­тельное повышение скорости массопереноса. По-видимому, это связано с нарушением молекулярного механизма внутренней диффузии в результате возникающих кавитаций при образо­вании и «захлопывании» пузырьков пара применяемого раство­рителя.

С физической точки зрения различают два метода экстрак­ции — в слое жидкости и в орошающем токе жидкости. В пер­вом случае разность плотности растворов, находящихся внутри и снаружи материала, очень мала и сила тяжести не оказывает существенного влияния на процесс переноса вещества. При оро­сительном методе на процесс диффузионного переноса вещества накладывается также процесс гравитационного массопереноса, что для сравнимых условий процесса увеличивает скорость из­влечения вещества.

При оросительной экстракции толщина ламинарной пленки, окружающей частицу твердого вещества, зависит от поверх­ностного натяжения растворителя. По этой причине можно ин­тенсифицировать процесс оросительной экстракции, проводя его при температуре кипения растворителя.

Модификацией оросительного метода является дефлегма - дионный метод экстракции смолистых веществ. При этом ме­тоде на орошение щепы подают свежий бензин и его пары. Это позволяет достичь максимального градиента концентраций на всем протяжении процесса экстракции и в значительной мере устранить отрицательное влияние воды, содержащейся в осмоле. Наличие паров растворителя, имеющих низкую вяз­кость, большой коэффициент диффузии и высокое теплосодер­жание по сравнению с жидким растворителем обеспечивает быстрое их проникновение внутрь пор древесины и интенсив­ный подвод тепла в период сушки щепы.

Влияние отдельных факторов на процесс диффузии. Про­цесс диффузии смолистых веществ из осмола в растворитель зависит от ряда факторов: степени и способа измельчения ос­мола, его влажности, температуры процесса, количества и ка­чества растворителя и др.

Размер осмольной щепы является основным фактором, оп­ределяющим продолжительность процесса и глубину извлече­ния смолистых веществ из осмола.

При уменьшении размеров щепы сокращается путь диффу­зии смолистых веществ и увеличивается поверхность массооб­мена. То и другое ускоряет процесс диффузии. Кроме того, при более тонком измельчении изменяется внутренняя структура щепы — появляются многочисленные трещины, расколы, что создает более благоприятные условия для диффузии смолистых веществ.

Для осмольной щепы скорость процесса диффузии неоди­накова в различных направлениях. Экспериментально дока­зано, что с единицы торцовой поверхности извлекается в 7— 8 раз больше смолистых веществ, чем с боковой.

Для того чтобы максимальное количество пор древесины было открытым, длина осмольной щепы не должна превышать 7—10 мм.

Количество продиффундировавшего вещества прямо про­порционально поверхности F, т. е., иначе говоря, степени из­мельчения экстрагируемого материала. Теоретически при из­мельчении осмола до волокна диффузия должна протекать особенно быстро. Однако при этом возникают практические за­труднения вследствие слеживания волокна, плохой его смачи­ваемости растворителем, засорения аппаратов и коммуника­ций и др. Степень измельчения должна быть обоснована также экономически, так как измельчение является одним из наибо­лее дорогих процессов производства. Практически принято, что осмол для экстракции должен быть измельчен в щепу разме­ром не более 10 мм по длине волокна при любой ее толщине. Если же ширина и толщина щепы не превышают 2 мм, то раз­меры ее по длине волокна могут быть и выше 10 мм. На прак­тике длина щепы принимается не более 15 мм.

При 6-часовой экстракции из щепы размером по длине во­локна 15 мм бензином извлекается лишь 68 % содержащейся в ней канифоли, тогда как из щепы размером 5 мм при этих же условиях извлекается 89%. Увеличение размера щепы при­водит к тому, что значительная часть смолистых веществ, кото­рая находится в замкнутых порах, извлекается не за счет диф­фузии, а за счет сил осмоса. Поэтому при переработке крупной щепы важно изменить ее внутреннюю структуру, создать вну­три щепы трещины и расколы.

При сжатии щепы с усилием, превышающим ее прочность, появляется множество трещин и каналов, вследствие чего ско­рость извлечения смолистых возрастает в несколько раз. Так, для фракции технологической щепы 10—15 мм за 7 ч был до­стигнут коэффициент извлечения 65%. Для той же щепы, под­вергнутой деформированию на гладковалковой дробилке, та же степень извлечения была достигнута за 15 мин.

Влажность осмола оказывает большое влияние на ход экс­тракционного процесса. Вода, заполняя полностью или ча­стично трахеиды и межклеточные поры древесины, затрудняет смачивание и пропитку щепы гидрофобным органическим рас­творителем (бензином) и, следовательно, мешает его проник­новению в трахеиды и смоляные каналы. В одинаковых усло­виях экстракции из сухого осмола бензином извлекается 88 % содержащейся в нем канифоли, а из сырого — только 72%.

С повышением температуры вязкость растворителя и смо­листых веществ уменьшается. Поскольку коэффициент диффу­зии обратно пропорционален вязкости среды, это приводит к по­вышению интенсивности диффузии и значительно ускоряет процесс экстракции в целом.

Большое значение имеет выбор подходящего растворителя для экстракции. Известно много органических растворителей (бензин, бутиловый и изопропиловый спирты, толуол, ксилол, дихлорэтан, трихлорэтилен), хорошо растворяющих смолистые вещества осмола, но не все они могут быть использованы в ка - нифольно-экстракционном производстве. Растворитель должен не только быть наиболее эффективным по технологическим свойствам, но одновременно и обладать минимальной огне - и взрывоопасностью и наименьшей токсичностью. Растворителей, полностью отвечающих этим требованиям, нет. Менее других токсичен бензин.

Бензин сравнительно хорошо растворяет смолистые веще­ства, почти не затрагивая других составных частей древесины; он может быть легко отделен от канифоли и скипидара пере­гонкой, практически не изменяется при многократном исполь­зовании и не растворяется в воде, дешев и сравнительно мало токсичен, обладает рядом положительных теплотехнических свойств (относительно высокой температурой кипения, неболь­шой скрытой теплотой парообразования и др.). Но бензин огне - и взрывоопасен, что необходимо учитывать.

Улучшить экстрагирующую способность бензина можно, до­бавляя небольшое количество ароматических соединений (на­пример, ксилола) или спиртов (например, бутанола). Такие добавки наряду с увеличением коэффициента извлечения смо­листых веществ заметно ускоряют процесс экстрагирования и в то же время в незначительной степени влияют на окраску канифоли. Добавка бутанола к бензину особенно полезна при экстракции влажного осмола и если в осмоле содержится боль­шое количество окисленных смоляных кислот.

На основании изложенного можно отметить следующие ос­новные положения: 1) скорость извлечения смолистых веществ увеличивается при повышении разницы концентраций раство­ров, омывающих щепу и находящихся внутри щепы; 2) диффу­зия идет быстрее при увеличении коэффициента диффузии D, Что достигается повышением температуры во время экстракции до некоторого предела, зависящего от свойств применяемого растворителя; 3) диффузия идет быстрее при снижении раз­мера щепы и увеличении поверхности F, что достигается соот­ветствующим измельчением осмола; 4) диффузия замедляется при наличии в осмоле влаги. Поэтому для экстракции следует применять сухой осмол или обеспечивать интенсивное удале­ние влаги в начальный период экстракции.