ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНАЯ УСТАНОВКА ОКСИДАЦИИ РАСТИТЕЛЬНОГО МАСЛА

Полезная модель относится к аппаратурному оформлению получения окисленных полувысыхающих растительных масел, которые используются в качестве пленкообразующего в лакокрасочной, полиграфической, строительной, легкой и других отраслях промышленности.
Окисление (оксидация) масла происходит в аппарате, называемом оксидатором, (Дринберг А.Я. Технология пленкообразующих веществ. - М-Л., Госиздательство химической литературы, 1948, стр. 235-237), который состоит из корпуса высотой 5, 6 м, диаметром 2 м, емкостью 10 т. Внутри корпуса находится змеевик, в котором подогревается сырое масло. Регулирование температуры производят путем охлаждения оксидируемого масла водой, подведенной в рубашку, или холодным маслом, пропускаемым из напорного бака в подогреватель-змеевик, установленный в оксидаторе. Скорость поступления масла регулируют при помощи крана на маслопроводе. За весь процесс оксидации через змеевик проходят Ют масла с температурой от 90 до 145°С. Правильное регулирование охладительной системы обеспечивает выход качественной продукции.
Описанная конструкция оксидатора наряду с рядом достоинств имеет некоторые недостатки. Например, подогреватель-змеевик, установленный в оксидаторе, снаружи постепенно покрывается слоем уплотненного окисленного масла, его толщина достигает значительной величины, что сильно снижает теплопередачу между оксидатом внутри колонны и подогреваемым маслом внутри змеевика. По этой причине приходится останавливать процесс оксидации, охлаждать аппарат, открывать люки, вентилировать колонну, и рабочим изнутри вручную очищать змеевик, что довольно сложно из-за его формы. Кроме этого, при ручной чистке механическим способом можно случайно повредить змеевик.
Известно авторское свидетельство SU 27984, 31.10.1932 г., «Установка для варки олифы», авт. А.В. Васильев, в котором описана схема установки для варки олифы. Изобретение предлагает конструкцию непрерывно действующей установки для варки олифы, где сырое масло предварительно подогревается в маслоподогревателе отходящей из варочных котлов олифой, таким образом, одновременно с этим происходит охлаждение самой олифы.
Установка сложная по конструкции и по эксплуатации, ее трудно очищать от наростов и наслоений окисленного масла.
Известен способ окисления растительных масел (Патент СССР №1819282), в соответствии с которым обводненное растительное масло подвергают окислению в интервале температур до 120°С воздухом с регулируемым расходом на разных этапах окислительного процесса. При этом расход воздуха был в диапазоне 2,5-10 м /мин.т.
Недостатком вышеупомянутого способа является то, что в полном объеме поддержание и регулировка температуры по ходу легко реализуется лишь в лабораторных и таких условиях, когда исходные загрузки на окисление исчисляются килограммами или десятками килограммов, тогда основным путем регулирования температуры остается нестационарный подвод охлаждающей жидкости. При промышленной загрузке масла (3-5 т) основным фактором становится выделяемое в процессе жидкофазного окисления реакционное тепло, отвод тепла становится главным препятствием на пути реализации любого, кроме прогрессирующего нарастания температурного режима, а, следовательно, и связанных с ним других характеристик процесса и качества получаемого продукта. Такое положение предопределено тем, что сам процесс рассматриваемого окисления не допускает размещения дополнительных теплосъемных поверхностей ни внутри колонны (внутренний теплообменник), ни вне ее (выносной теплообменник), поскольку подобные решения (большие металлические поверхности в контакте с реакционной смесью, а также прерывание контакта с воздухом реакционной массы при прохождении ею выносного теплообменника) приводят к существенному уменьшению концентраций пероксидов в окисляющемся масле и, как следствие, к снижению скорости реакции окисления и значительному ухудшению характеристик процесса в целом. Поэтому реальной теплообменной поверхностью колонны является ее цилиндрическая поверхность по всей высоте, которая довольно мала, и не в состоянии выполнить необходимый, и к тому же, нестационарный теплоотвод. Так, например, при загрузке подсолнечного масла 4,5 т в колонну высотой 6,5 м в развившемся процессе окисления с постоянным расходом и интенсивностью его барботажа, в течение 10-15 мин температура реакционной смеси повышается со 11,0-115°С до 150-170°С и далее до 200°С и выше, ничего не остается делать, как резко снижать, вплоть до полного прекращения, расход воздуха и завершать процесс в крайне неблагоприятных для процесса окисления температурных условиях. А это и рост длительности процесса до 20 час и более, и в несколько раз возрастающие непроизводительные потери растительного масла и повышение загрязнения окружающей среды, и темный цвет получаемого оксидата за счет накопившихся в нем смол и т.д. Несмотря на отмеченные негативные последствия, именно указанные решения доминируют в современной промышленной практике.
Известно изобретение по патенту РФ №2213758, C09F 7/02, 2002 г., в котором предложен способ окисления растительного масла в оксидационной колонне кислородом воздуха в режиме барботажа, а реакционное тепло отводится умягченной водой или конденсатом, находящимися в рубашке охлаждения окислительной колонны в кипящем состоянии, имеющими свободный выход в атмосферу через холодильник-конденсатор.
Основным недостатком изобретения является то, что выход готовой продукции ограничивается объемом окислительной колонны, а увеличение размеров колонны ухудшает условия отвода реакционного тепла, из-за чего ухудшается качество готовой продукции.
По литературным данным (проф. Иванов A.M., Курский государственный технический университет), за время окисления одной тонны растительного масла, выделяется столько реакционного тепла, сколько его достаточно для нагрева 19,7 тонн масла от 15°С до 105°С. В настоящее время это тепло безвозвратно теряется при охлаждении реакционной массы в окислительной колонне.
Поэтому задачей предполагаемого изобретения является исключение безвозвратных потерь реакционного тепла, использование реакционного тепла с пользой, например, для нагрева масла, вступающего в реакцию.
Известен патент №175088 от 21.11.2016 г. в котором установка, содержащая окислительную колонну, оборудованную рубашкой охлаждения, дополнительно содержит емкость с маслом, насос-дозатор для перекачки масла из емкости в окислительную колонну, емкость для сиккатива, насос-дозатор для подачи сиккатива в смеситель, смеситель для смешения сиккатива с маслом, насос-дозатор для откачки окисленного масла из окислительной колонны в емкость с маслом и холодильник-конденсатор.
Установка позволяет экономить значительное количество энергоресурсов за счет нагрева масла, поступающего на окисление в колонну, теплом экзотермической реакции окисления.
Недостатком данной установки является то, что не все тепло удается утилизировать в процессе окисления, часть реакционного тепла приходится отводить с помощью воды в рубашке охлаждения окислительной колонны в качестве хладоагента, при этом вода доводится до кипения в рубашке, а затем водяной пар пропускают через холодильник-конденсатор, где пар конденсируется до состояния воды, охлаждается и возвращается в рубашку охлаждения окислительной колонны, замыкая цикл охлаждения. Как видим, часть реакционного тепла безвозвратно теряется в холодильнике-конденсаторе.
Известен патент РФ №2632438 от 21.11.16 г. «Способ окисления растительного масла» и устройство для его реализации, состоящий в том, что для начала процесса окисления колонна заполняется маслом, предварительно нагретым до температуры 115-120°С и включается барботаж воздуха, инициирующий процесс окисления, отличающийся тем, что после того, как начнется процесс окисления в колонне и температура масла внутри колонны поднимется до 145-150°С, в нижнюю часть колонны из дополнительной емкости подают масло, в которое перед подачей его в колонну добавляется определенное количество катализатора-сиккатива, инициирующего окисление масла, масло, нагреваясь реакционным теплом, окисляется, а из верхней части колонны отбирается часть окисленного масла и возвращается обратно в емкость, циркулируя до тех пор, пока вязкость окисляемого масла не достигнет заданного значения. В дополнительной емкости может находиться и принимать участие в процессе окисления объем масла, в 6-7 раз больше объема окислительной колонны. Этот способ позволяет утилизировать значительное количество реакционного тепла, которое раньше просто терялось.
Этот способ и устройство для его реализации взято нами за прототип.
В указанном прототипе имеется один недостаток, который проявляется не сразу, а по истечению некоторого времени, как правило, в конце окислительного процесса.
Процесс окисления растительного масла является нестационарным процессом, выделение реакционного тепла нестабильно во времени, процесс окисления длится много часов, наступает момент, когда накопившегося тепла столько, что температура окисляемого масла в окислительной колонне и дополнительной емкости становятся практически одинаковыми, перепад температур между ними практически отсутствует, дальнейшего отвода тепла не происходит, может наступить аварийная ситуация в виде возгорания реакционной массы. Остановить процесс окисления нельзя, потому что реакционная масса еще не достигла требуемых кондиций, необходимо продолжать процесс для получения качественной продукции, а выделяемое тепло может привести к аварии в виде возгорания реакционной массы. Чтобы устранить возможную аварийную ситуацию, необходимо предусмотреть дополнительный отвод выделяющегося тепла.
Задача предлагаемого решения полезной модели заключается в том, чтобы в условиях нестабильного по величине и во времени большого выделения реакционного тепла обеспечить возможность низкотемпературного окисления промышленных загрузок растительного масла, получения качественной конечной продукции в виде оксидата заданной вязкости.
Техническим решением предполагаемой полезной модели является создание устройства, в котором можно будет использовать окислительную колонну небольшого размера и объема (диаметр колонны равен 0,7 м, а объем 1,1 т), производить окисление масел большего объема, чем может разместиться в окислительной колонне, в три-четыре раза. Достоинством этого предложения является тот факт, что для обеспечения начала окислительного процесса необходимо будет нагревать сравнительно небольшое количество масла, то, которое заполняет объем колонны, а последующие поступления масла в зону окисления будут нагреваться реакционным теплом, что приводит к значительной экономии энергоресурсов. Этого можно достичь, установив дополнительно с колонной емкость с маслом, количество которого может в три-четыре раза превышать емкость колонны, оттуда забирать масло и подавать в нижнюю часть окислительной колонны. Из верхней части колонны отбирать окисленное масло и возвращать обратно в емкость. Чтобы поддерживать реакцию окисления масла в колонне на необходимом, уровне, необходимо подавать в трубопровод подачи масла катализатор-сиккатив, через смеситель. Контроль реакции окисления в окислительной колонне осуществляется по температуре масла и его вязкости. Для предотвращения аварийной ситуации в виде возгорания реакционной массы за счет перегрева предусматривается дополнительный отвод избыточного тепла путем установки дополнительной емкости с маслом и дополнительного насоса-дозатора. Задача будет считаться выполненной, если вязкость окисленного масла во всей системе достигнет заданного значения.
3
Техническим результатом от использования полезной модели является существенное снижение потребления энергоресурсов на нагрев исходного сырья,, возможность использования окислительных колонн небольшого объема (1,0-1,5 м) для выпуска больших партий оксидата, снижение себестоимости выпускаемой продукции, исключение аварийных ситуаций от перегрева реакционной массы в процессе окисления.
Предложение иллюстрируется графическими материалами:
фиг. - энергоэффективная установка оксидации растительного масла.
Устройство работает следующим образом: окислительная колонна 1, имеющая рубашку охлаждения, заполняется растительным маслом в количестве 1,1 т и расчетным количеством катализатора- сиккатива. Колонна диаметром 0,7 м должна иметь соотношение длина/диаметр равное 10-12, чтобы обеспечить эффективные тепломассообменные процессы. В колонну загружают масло, предварительно нагретое до температуры 115-120°С. После завершения загрузки включают воздуходувку 7 и начинают окислять масло.
По мере протекания окисления растет количество выделяющегося за счет экзотермической реакции тепла, что приводит к росту температуры реакционной смеси. Оптимальной температурой окисления масла считается температура 140-150°С. Через 4,0-4,5 часа от начала реакции окисления включают насос-дозатор 3, подающий масло из емкости 2 в нижнюю часть колонны 1 и насос-дозатор 8, отводящий масло из верхней части колонны 1 и возвращающий его обратно в емкость 2. Производительность насосов-дозаторов равна 100-120 литров в час. Объем емкости 2 равен трем-четырем объемам окислительной колонны 1. Поскольку температура масла в емкости 2 ~ 20°С, а в окислительной колонне 1 - 140-150°С, часть избыточного реакционного тепла внутри колонны затрачивается на нагрев поступившей партии масла и температура в окислительной колонне поддерживается оптимальной для окисления масла 140-150°С. Изменяя с помощью насосов-дозаторов 3 и 8 количество подаваемого в окислительную колонну 1 и отводимого из колонны 1 масла можно регулировать температуру реакционной массы внутри колонны. При этом вместе с отводимым маслом удаляется и часть катализатора-сиккатива. Чтобы поддерживать необходимую концентрацию катализатора-сиккатива в окислительной колонне, от которого зависит скорость окисления, необходимо добавлять в подаваемое масло определенное количество сиккатива с помощью насоса-дозатора 6 из емкости 5. Сиккатив смешивается с подаваемым маслом в смесителе 4. Насос 8 обеспечивает отвод части окисленного масла из колонны 1 в емкость 2, температура отводимого масла равна температуре внутри колонны, т.е. 140-150°С, а в емкости изначально температура ~ 20°С, а затем постепенно повышается и может достигать значения 100-120°С. Контроль за ходом окисления производится по температуре в окислительной колонне, значение которой задается технологическим режимом и определением вязкости рабочей массы.
0
Может наступить аварийная ситуация, когда температуры в окислительной колонне 1 и в емкости 2 могут достичь значений 140-150°С и расти дальше, а реакционная масса еще не достигла необходимых кондиций по заданной вязкости, процесс окисления необходимо продолжать, при этом рост температуры будет продолжаться, что может привести к возгоранию реакционной массы. Чтобы предотвратить возможную,, . аварийную ситуацию, дополнительно установлена емкость охлаждения 9 с охлаждающим маслом и насос-дозатор 10, которым охлаждающее масло подается в рубашку охлаждения окислительной колонны 1, которая является теплообменником окислительной колонны и необходима для дополнительного съема тепла в процессе окисления растительного масла.
Процесс считается завершенным, когда вязкость рабочей массы в окислительной колонне 1 и емкости 2 достигнет заданного технологического значения - 26-27 с по В3-4 (20°С).
Положительный эффект предложенной энергоэффективной установки оксидации растительного масла состоит в следующем:
исключается выброс в окружающую среду значительного количества реакционного тепла, образующегося в предлагаемой схеме установки оксидации растительного масла;
устройство позволяет экономить значительное количество тепловой энергии из-за того, что нагрев масла, поступающего в окислительную колонну, происходит за счет тепла экзотермической реакции окисления;
устройство позволяет предотвратить аварийную ситуацию за счет установки и приведения в действие дополнительной емкости с охлаждающим маслом и дополнительным насосом-дозатором, позволяющим в нужный момент произвести дополнительный съем реакционного тепла из окислительной колонны,
Таким образом, поставленная задача решена.