ЛАБОРАТОРНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ СТЕНД ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ПРОЦЕССОВ ДЕГИДРАТАЦИИ УГЛЕВОДОВ

Полезная модель относится к области химических технологий, в частности к конструкциям установок реакторного типа с системой автоматизированного управления синтезом, и предназначена для исследования процессов смешения, диспергирования, гомогенизации и моделирования химических процессов непрерывным и полупериодическим способами в реакторе небольшого объема.
С экономической точки зрения, использование таких ценных материалов, как биомасса, а в особенности продуктов дегидратации углеводов, обладает большим потенциалом. Одним из наиболее важных полупродуктов дегидратации биомассы является 5-гидроксиметилфурфурол (5-ГМФ), продукты окисления /восстановления, которого используются при производстве полимеров, лекарственных средств и топлив. Для исследования процессов дегидратации углеводного сырья и производства 5-гидроксиметилфурфурола (5-ГМФ) требуется специальное оборудование, учитывающее особенности производственной технологии.
Известны различные реакторы, предназначенные для проведения процесса синтеза химических веществ в многофазных средах (патенты RU №111026, 2132726, 2136359 и др.).
Анализ данных конструкций позволил выявить ряд недостатков, а именно: нестабильность протекающих процессов; неудовлетворительное диспергирование жидкой фазы, низкое качество перемешивания и значительные потери реагентов, отсутствие возможности возврата не прореагировавших компонентов в зону реакции, а также неполный отвод тепла при экзотермической реакции.
Для производственной технологии немаловажным аспектом является возможность проведения синтеза в непрерывном режиме с возвращением водной фазы, содержащей не прореагировавший углевод и катализатор в процессе (рециклинг).
В патенте США (US 20140371473 А1) описана установка, реализующая способ получения 5-гидроксиметил фурфурол а (5-ГМФ), в которой предусмотрена возможность рециклинга, что повышает эффективность и экономичность процесса. Рассматриваемая установка включает реактор со встроенным перемешивающим устройством и патрубками для подачи жидких и твердых реагентов, конденсатор газовой фазы, испаритель и газосепаратор, из которого не прореагировавшие компоненты возвращаются в реактор, а газовая составляющая подается в конденсатор и затем в сборник дистиллята (готовой продукции).
Однако данная установка обладает следующими недостатками. Не предусмотрено устройство ввода сыпучих реагентов в реактор. Конечный продукт выделяют из реакционной массы путем дистилляции, что снижает выход 5-ГМФ в результате реакции конденсации с образованием смолообразных веществ, при этом не предусмотрено устройство регенерации реакционной массы с целью удаления накопившихся смол.
Наиболее близким по технической сути является реактор (патент RU №131994), выбранный в качестве прототипа и предназначенный для проведения процесса синтеза и разделения химических веществ в многофазных средах, в том числе отпариванием (дегазацией) с дополнительным нагревом реакционной массы. Реактор содержит цилиндрический корпус с теплообменной змеевиковой рубашкой, верхнее и нижнее днище, перемешивающие устройства: закрепленные на валу лопастные мешалки и статическое перемешивающее устройство, представляющее собой стальные ножи, жестко закрепленные на стенке корпуса, а также штуцеры входа основного компонента и выхода готового продукта.
К недостаткам конструкции следует отнести высокую интенсивность процесса гомогенизации, которая не позволяет выделять и отводить из реактора органический растворитель. Кроме того все рассмотренные выше конструкции не включают полный комплекс оборудования, необходимого для реализации технологического цикла непрерывным и полупериодическим способами, что не позволяет оптимизировать и автоматизировать весь процесс.
В настоящее время для повышения эффективности и оптимизации технологического процесса синтеза материалов в химической, нефтехимической и пищевой технологиях требуются установки, включающие весь комплекс работ с применения автоматизированных систем контроля и управления технологическим процессом при минимальном привлечении обслуживающего персонала.
Установка должна быть разработана с учетом оптимальных условий дегидратации углеводного сырья до 5-гидроксиметилфурфурола и включать весь комплекс оборудования и элементов автоматики в соответствии с технологией производства: реактор синтеза со встроенным перемешивающим устройством и системой нагрева и поддержания заданной температуры, а также обратный холодильником для улавливания паров растворителей; дозаторы реагентов, экстрагентов и сыпучих материалов; систему термостатирования реактора, адсорбер кислот и систему автоматизированного управления синтезом.
Таким образом, задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение состоит в разработке конструкции лабораторно-исследовательского стенда с реактором небольшого объема для исследования и моделирования химических процессов дегидратации углеводов непрерывным и полупериодическим способами, позволяющего повысить эффективность синтеза 5-ГМФ за счет оптимизации и автоматизации управления технологическим процессом.
Эта задача решается посредством предлагаемой конструкции лабораторно-исследовательского стенда для изучения процессов дегидратации углеводов, включающей реактор синтеза со встроенным перемешивающим устройством, системой термостатирования, шнековый дозатор сыпучих материалов и два перистальтических дозирующих насоса для подачи экстрагента и отвода экстракта, сепаратор для разделения двух жидких фаз, закрепленный на корпусе реактора и связанный с ним через боковой отвод по принципу сообщающихся сосудов, при этом реактор снабжен обратным холодильником, охлаждение в котором происходит за счет подаваемого экстрагента, и связанным с ним адсорбером кислот, а также автоматизированную систему управления, включающую датчики, измерительные приборы и панель управления.
Проектируемая установка предназначена для синтеза 5-гидроксиметилфурфурола (5-ГМФ) и является мини-заводской лабораторной реакторной системой, спроектированной для моделирования и оптимизации химических реакционных процессов непрерывным и полупериодическим способами, а также процессов смешения, диспергирования и гомогенизации в небольшом масштабе, с объемом реактора 4 л.
Существенным и новым в предложенной конструкции является то, что лабораторно-исследовательский стенд для изучения процессов дегидратации углеводов непрерывным и полупериодическим способами, включает весь комплекс оборудования, необходимого для реализации полного технологического цикла. Предлагаемая конструкция предусматривает дозирование и ввод реагентов в реактор в твердом (сыпучем) и жидком состояниях и снабжена шнековым дозатором сыпучих материалов и двумя перистальтическими дозирующими насосами для подачи экстрагента и отвода экстракта. Особенностью данной конструкции является наличие обратного холодильника, охлаждение в котором происходит за счет подаваемого экстрагента. Контроль и управление технологическими процессами полностью автоматизированы.
Технический результат предлагаемой конструкции заключается в повышении эффективности синтеза 5-ГМФ за счет оптимизации на основе высокой достоверности, оперативности получения результатов исследования и адекватности получаемых моделей технологического процесса непрерывным и полупериодическим способами при использовании полного комплекса оборудования и автоматизированной системы контроля и управления.
Предложенная конструкция лабораторно-исследовательского стенда для изучения процессов дегидратации поясняется чертежами:
|
Фиг. 1 - Общий вид лабораторно-исследовательского стенда; Фиг. 2 - Принципиальная схема лабораторно-исследовательского стенда, где 1 - реактор синтеза; 2 - перемешивающее устройство; 3 - система термостатирования; 4 - шнековый дозатор сыпучих материалов; 5 - перистальтический дозирующий насос; 6 - сепаратор для разделения двух жидких фаз; 7 - обратный холодильник; 8 - адсорбер кислот; 9 - датчики; 10- измерительные приборы; 11 - панель управления.
Конструкция лабораторно-исследовательского стенда включает ос-новные элементы. Реактор синтеза 1 выполнен в форме цилиндра и имеет плоскую крышку и днище, изготовлен из химически стойкой нержавеющей стали, так как в реакционной среде содержатся гидросульфат натрия, свободная серная кислота, а так же образующаяся в процессе синтеза 5-ГМФ муравьиная кислота, обладающие сильной коррозионной активностью. Кроме того в зависимости от типа используемого уплотнения среда в реакционном сосуде может быть нагрета до 200°С. Перемешивающее устройство 2, вмонтированное в крышку реактора при помощи стойки, позволяет предотвратить передачу тепла от крышки реактора к корпусу мешалки. Данное перемешивающее устройство состоит из электродвигателя с регулируемой частотой вращения, вала передающего вращательный момент мешалке, и самой мешалки пропеллерного типа. Система термостатирования реактора 3 оеализована с помощью электронагревательных элементов. Для предотвращения рассеивания тепла в окружающую среду и контакта оператора с нагретой поверхностью реактор снабжен теплоизоляцией и защитным кожухом. Для дозирования реагентов и экстрагентов в твердом (сыпучем) и жидком состояниях используют шнековый дозатор сыпучих материалов 4 и два перистальтических дозирующих насоса 5. Для дозирования сыпучего сырья наиболее подходящим является шнековый дозатор, обладающий рядом преимуществ: высокой точностью, простотой обслуживания, универсальностью, удобной настройкой микродозатора. Регулировка скорости подачи осуществляется путем изменения скорости вращения шнека. Использование перистальтических насосов в данном случае является наилучшим вариантом. Конструкция их такова, что жидкость контактирует только с внутренней поверхностью трубки, чем достигается высокая степень герметичности и благодаря чему перистальтические насосы способны перекачивать ядовитые, агрессивные и взрывоопасные среды. Кроме того реактор снабжен боковым отводом (коллектором) и сепаратором 6 для осуществления разделения двух жидких фаз путем забора их из зоны перемешивания. За счет отсутствия в коллекторе перемешивания обеспечиваются условия для разделения двух жидких фаз. Коллектор оснащен прозрачной частью, выполненной из стекла, для фиксации уровня жидкости. Реактор снабжен обратным холодильником 7 для улавливания паров растворителей, в котором охлаждение происходит за счет подаваемого экстрагента и адсорбером 8. В процессе синтеза 5-ГМФ часть свободной серной кислоты уносится экстрагентом, кроме того среди побочных продуктов синтеза есть муравьиная и левулиновая кислоты, которые при упаривании раствора способствуют конденсации 5-ГМФ, что приводит к снижению выхода целевого продукта, налипанию нерастворимых гуминов на поверхность аппарата упаривания и ухудшает процесс передачи тепла от теплоносителя к раствору. Для непрерывного удаления кислот используется адсорбер 8, заполненный смесью карбоната кальция и гидрокарбоната натрия. Автоматизированная система управления включает датчики 9, измерительные приборы 10 и панель управления 11, и предназначена для оптимизации технологического процесса в соответствии с заданными критериями эффективности и сводится к поддержанию оптимального соотношения его параметров. Для автоматизированного регулирования дозирующих устройств регулируют время работы и пауз дозирующих элементов, для этого используют реле времени с аналоговым управлением. Температура реактора регулируется и поддерживается при помощи пропорционально-интегрально-дифференцирующего (ПИД) регулятора, который позволяет плавно регулировать установку температуры, скорость нагрева и более точно поддерживать заданную температуру. На блоке управления размещены регуляторы скоростей подачи экстрагента, отбора экстракта и подачи сырья.
4
4
Практическая эксплуатация предложенной конструкции лабораторно-исследовательского стенда для изучения процессов дегидратации углеводов осуществляется следующим образом. Предварительно были разработаны технологические основы получения 5-ГМФ высокой степени чистоты из фруктозы. Определены оптимальные условия синтеза 5-ГМФ из фруктозы по периодической схеме в двухфазной системе водный раствор NaHSO - МИБК (метилизобутилкетон). Была проведена экспериментальная проверка выбранной технологии получения 5-ГМФ на разработанной автоматизированной лабораторной установке и проведена оптимизация параметров синтеза с целью выявления новых закономерностей для условий непрерывной работы. В реактор 1, нагретый до 85°С, загружают водный раствор NaHSO, включают приборы управления 10 дозирующими насосами 5 и устанавливают необходимые расходы экстрагента и экстракта. После наполнения реактора экстрагентом включают дозатор сыпучих материалов 4 и устанавливают необходимый расход фруктозы, которая порциями подается в реактор. В реакторе 1 в водном растворе протекает реакция дегидратации фруктозы с образованием 5-ГМФ, который экстрагируется и отводится с экстрактом в адсорбер кислот 8. После нейтрализации экстракт отправляется на упаривание.
При непрерывной работе (в течение 8 часов) подача реагентов и экстрагента в реактор осуществлялась автоматически о регулируемой скоростью. Было изучено влияние скорости подачи фруктозы (подача осуществлялась с помощью шнекового дозатора) на выход 5-ГМФ. Согласно полученным данным оптимальная скорость подачи фруктозы в реактор - 100 г/ч, при этом наблюдался наибольший выход 5-ГМФ. Установлено, что выход 5-ГМФ-сырца уменьшается при увеличении скорости подачи фруктозы, а производительность установки по 5-ГМФ-сырцу носит экстремальный характер. Это связано с тем, что при малых скоростях подачи (50-70 г/ч) концентрация фруктозы в реакционной среде не достигает оптимальной, а при высоких скоростях подачи, фруктоза не успевает конвертироваться и накапливается в реакторе, что приводит к увеличению скорости накопления нерастворимых гуминов в водной фазе. Также было исследовано влияние скорости подачи экстрагента (МИБК) в реактор. Оптимальная скорость подачи экстрагента - 1,0 л/ч, позволяет получить наибольший выход 5-ГМФ (48%) при оптимальных расходах экстрагента. Варьирование температуры синтеза, производимого в непрерывном режиме на разработанной лабораторной установке показало, что закономерности влияния температуры на конверсию фруктозы, селективность процесса и выход 5-ГМФ, установленные для периодического процесса, в целом соблюдаются. Наибольшие выходы 5-ГМФ также получены при температурах 85-87°С.
На основании проведенных экспериментов с фруктозой в качестве сырья было установлено, что для достижения максимальной производительности необходимы следующие условия: - скорость подачи фруктозы в ректор равна 100 г/ч; - скорость подачи и отвода МИБК в, реактор равна 1 л/ч; - температура синтеза не должна превышать 85°С. Максимальная производительность 5-ГМФ сырца установки составляет 34 г/ч, что при 8 часовом рабочем дне и 22 рабочих днях в месяце позволит наработать более 5,5 кг 5-ГМФ сырца в месяц. Разработанная установка пригодна как для научных целей изучения процесса синтеза 5-ГМФ в непрерывных условиях, так и для производства отдельных партий 5-ГМФ.