Способ производства торфяного красителя на основе гуминовых кислот

 

Назначение: производство торфяного красителя на основе гуминовых кислот, используемого для окрашивания древесины. Сущность изобретения: способ производства торфяного красителя включает экстракцию торфа жидким аммиаком при давлении выше атмосферного, отделение экстракта и его концентрирование с отгонкой паров экстрагента повышением температуры и/или снижением давления. Способ позволяет повысить качество красителя за счет сокращения содержания в нем водорастворимых сопутствующих балластных веществ и упростить технологию за счет использования экстрагента с меньшей удельной теплоемкостью. 5 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к технологии производства красителей из торфа, используемых для окрашивания древесины.

Известен способ получения гуминовых красителя для древесины путем экстракции торфа водным раствором щелочи в присутствии солей поливалентных металлов (заявка ФРГ N 3623464, кл. С 09 Д 15/00, 1988).

Также известны способы получения гумата аммония путем обработки бурового угля 1%-ным водным раствором аммиака при 80^oC в течение 2 ч (Александров И. В. Канделаки Г.И. Зафирова Т.Н. и др. "Биологически активные вещества бурых углей", "Химия твердого топлива", 1992, N 2, с. 28-34) или водным раствором аммиака с концентрацией 24% в присутствии спирта при температуре 80^oC (патент Румынии N 86483, кл. С 09 В 67/22, 1985).

Недостатками этих способов являются низкая концентрация гуминовых красящих веществ, достигающая содержания в красителе до 9,5% по массе, и большое количество бесцветных сопутствующих веществ.

Наиболее близким к предлагаемому является способ производства торфяного красителя на основе гуминовых кислот путем экстракции торфа водным раствором щелочи, отделения экстракта и его концентрирования с отгонкой паров экстрагента (Кальнин М.М. "Технология получения гумата натрия из торфа", в сб. тр. Днепропетровского сельскохозяйственного института "Гуминовые удобрения. Теория и практика их применения", К. Госсельхозиздат УССР, ч. 2, 1962, с. 527-531).

Этот способ позволяет увеличить концентрацию гуминовых кислот в красителе, но сохраняет в его составе большое количество сопутствующих веществ и обладает высокой энергоемкостью.

Задачей изобретения является снижение энергоемкости способа и сокращение количества сопутствующих веществ в получаемом красителе.

В предлагаемом способе производства торфяного красителя на основе гуминовых кислот путем экстракции торфа щелочным экстрагентом, отделения экстракта и его концентрирования с отгонкой паров экстрагента, согласно изобретению, в качестве щелочного экстрагента используют жидкий аммиак, экстракцию ведут при давлении выше атмосферного, а концентрирование при повышении температуры и/или понижении давления. Это позволяет извлечь красящие вещества с наименьшим количеством сопутствующих балластных веществ, растворимых в воде, но нерастворимых в аммиаке, и снизить энергоемкость концентрирования за счет использования экстрагента с меньшей удельной теплоемкостью и удельной теплоемкостью фазового перехода.

В предпочтительном варианте экстракцию ведут при непрерывном потоке жидкого аммиака. Это позволяет увеличить скорость обновления поверхности массообмена и снизить концентрацию экстрактивных веществ на поверхности контакта фаз, что интенсифицирует процесс экстракции.

В этом случае для снижения расхода экстрагента его пары со стадии концентрирования экстракта конденсируют с последующим возвратом на стадию экстракции. При этом желательно осуществлять конденсацию по меньшей мере части паров жидкого аммиака непосредственно в экстракционной смеси при барботировании в нее. Это позволяет перемешивать сырье и экстрагент пузырьками паров последнего, ускоряя обновление поверхности контакта фаз, а также генерировать ударные волны акустических частот, во фронте которых при схлопывании пузырьков газовой фазы экстрагента в жидкой фазе происходит кавитационное изменение давления, разрушающее остатки клеточной структуры обрабатываемого торфа, нарушение целостность его клеточных оболочек и измельчение агломератов его частиц, что увеличивает поверхность контакта фаз и снижает диффузионное сопротивление сырья, в результате которых интенсифицируются массообменные процессы.

В последнем случае желательно перед барботированием подвергать пары экстрагента адиабатному расширению. Это позволяет снизить потенциальную энергию паров экстрагента, увеличив кинетическую, что увеличивает в свою очередь путь проскока пузырьков паров аммиака до конденсации и усиливает перемешивание экстракционной смеси, и снизить энергоемкость их конденсации, за счет чего увеличить расход барботируемых в экстракционную смесь паров экстрагента и энергоемкость генерируемых акустических колебаний, в результате чего дополнительно снижается энергоемкость и повышается интенсивность экстракции.

Другим предпочтительным вариантом предусмотрено осуществление в процессе экстракции по меньшей мере однократного полного слива экстрагента, сброса давления в обрабатываемом сырье до атмосферного и возврата экстрагента с повышением давления выше атмосферного. Это позволяет при вскипании аммиака в результате сброса давления разрушить остатки клеточной структуры торфа, нарушить сплошность клеточных оболочек и распушить торф, что развивает поверхность контакта фаз и ускоряет диффузию экстрагента в сырье, в результате интенсифицируя экстракцию.

Способ реализуется следующим образом. Торф загружают в экстрактор и обрабатывают жидким аммиаком при давлении выше атмосферного и температуре, позволяющей сохранить его жидкое фазовое состояние в условиях заданного давления, предпочтительно в интервале от 8 до 45^oС, путем заливки и настаивания или в непрерывном потоке жидкого аммиака.

При обработке торфа в непрерывном потоке жидкого аммиака происходит непрерывное обновление поверхности контакта фаз, поддерживается постоянно невысокая концентрация экстрактивных веществ в экстракте, что интенсифицирует процесс экстракции. Постоянно отводимый из экстрактора поток экстракта поступает на концентрирование, где из него повышением температуры и/или понижением давления отгоняют паровую фазу аммиака. Для снижения расхода экстрагента образующиеся пары конденсируют и возвращают на стадию экстракции, осуществляя рециркуляцию аммиака. По меньшей мере часть паров аммиака в зависимости от режима экстракции и концентрация барботируют в экстракционную смесь и конденсируют в жидкой фазе аммиака. Проскок пузырьков газовой фазы до конденсации через смесь обрабатываемого торфа с аммиаком приводит к перемешиванию с обновлением поверхности контакта фаз, что интенсифицирует экстракцию. Схлопывание пузырьков паровой фазы в жидкой фазе приводит к образованию регулярных ударных волн с кавитационным изменением давления, результатом которого является разрушение остатков клеточной структуры и агломератов торфа и нарушение целостности клеточных оболочек остатков входящих в его состав растений, что развивает поверхность контакта фаз, снижает диффузионное сопротивление торфа и интенсифицирует процесс экстракции. Кроме того, обработка экстракционной смеси механическими колебаниями акустических частот приводит к ускорению процесса диффузии.

Если перед барботированием пары аммиака подвергать адиабатному расширению, то часть потенциальной энергии газовой фазы аммиака используется на выполнение работы по увеличению объема и на увеличение кинетической энергии барботируемых пузырьков. Это приводит к увеличению пути проскока пузырьков до конденсации, усилению перемешивающего эффекта и ускорению обновления поверхности контакта фаз, что интенсифицирует процесс экстракции. Снижение потенциальной энергии паров аммиака уменьшает энергозатраты на их конденсацию, а увеличение кинетической энергии интенсифицирует теплообмен между парами и жидкой фазы аммиака, что позволяет увеличить расход барботируемой в экстракционную смесь паровой фазы экстрагента и энергоемкость генерируемых колебаний давления, в результате интенсифицируется процесс экстракции.

При обработке торфа заливкой и настаиванием в жидком аммиаке целесообразно по меньшей мере однократно произвести слив аммиака из экстрактора, сбросить давление в сырье до атмосферного, например разгерметизацией экстрактора, когда вскипание впитанного торфом аммиака с резким увеличением объема приводит к распушению торфа, разрушению остатков его клеточной структуры и нарушению сплошности клеточных оболочек остатков входящих в его состав растений, что увеличивает поверхность контакта фаз и снижает диффузионное сопротивление при возврате экстрагента после повторной герметизации экстрактора с одновременным повышением давления до первоначального значения.

После завершения обработки торфа настаиванием в одном экстракторе или в диффузионной батарее экстракт сливают и концентрируют повышение температуры и/или снижением давления, удаляя паровую фазу экстрагента. Концентрат экстракта, содержащий гуминовые кислоты и гуматы аммония, при попадании в условия атмосферного давления полностью освобождается от остатков аммиака за счет его перехода в газовую фазу. За счет ограниченного влажностью торфа содержания воды в экстракционной смеси полученный гуминовый краситель содержит минимальное количество водорастворимых сопутствующих балластных веществ.

Пример 1. Торф-верховик Нижневартовского месторождения загружают в экстрактор объемом 1 м³ и экстрагируют жидким аммиаком в непрерывном потоке при расходе жидкого аммиака 1 кг/мин в течение 50 мин при температуре 30^oC и давлении 6,2 МПа. Концентрирование красителя осуществляют повышением температуры до 51^oC при отгонке паров аммиака. Полученный краситель имеет содержание сухих веществ 98 мас. в том числе 87% гуминовых кислот, удельные энергозатраты снижены на 50% Пример 2. То же сырье экстрагируют в том же экстракторе при температуре 16^oC и давлении 4,9 МПа в непрерывном потоке при расходе жидкого аммиака 1,2 кг/мин. Краситель концентрируют путем повышения температуры до 32^oC и снижением давления до 1,1 МПа с отгонкой паров аммиака, которые компремируют и ожижают с возвратом на стадию экстрагирования. Через 45 мин процесс экстрагирования завершают. Содержание сухих веществ в красителе 98 мас. в том числе гуминовых кислот 85,3% удельные энергозатраты снижены на 48,5% Пример 3. То же сырье экстрагируют в том же экстракторе жидким аммиаком в непрерывном потоке при подаче жидкой фазы с расходом 1,1 кг/мин при температуре 10^oC и давлении 7,2 МПа, краситель концентрируют повышением температуры до 45^oC при отгонке паров аммиака. Поток паров аммиака разделяют на две равные части, первую из которых конденсируют охлаждением до указанной выше температуры и возвращают на стадию экстрагирования в жидкой фазе, а вторую часть барботируют в экстрактор, обеспечивая ее конденсацию. Процесс завершается через 25 мин. Содержание сухих веществ в красителе 98,5 мас. в том числе гуминовых кислот 86,5% удельные энергозатраты снижены на 33,2% Пример 4. То же сырье экстрагируют в том же экстракторе при подаче аммиака в непрерывном потоке при параметрах расхода, температуры и давления, как и в примере 3. Концентрирование осуществляют при параметрах примера 3, но поток газовой фазы аммиака делят на две части, одну из которых, составляющую 24% конденсируют и возвращают в экстрактор в жидкой фазе, а вторую часть, составляющую 76% барботируют в экстрактор с адиабатным расширением в сверхзвуковых соплах и конденсируют непосредственно в экстракторе. Процесс завершается через 8,5 мин. Содержание сухих веществ в красителе 99,3% по массе, в том числе гуминовых кислот 85,9% удельные энергозатраты снижены на 64% Пример 5. То же сырье экстрагируют в том же экстракторе при заливке жидким аммиаком в соотношении по массе 1:2 при температуре 24^oC и давлении 10,2 МПа. В процессе экстрагирования на 3-й и 15-й минутах экстрагент сливают их экстрактора в ресиверную емкость, герметизируют ее, а экстрактор сообщают с атмосферой для мгновенного сброса давления, после чего экстрактор герметизируют и возвращают экстрагент. Процесс экстрагирования завершается через 20 мин, когда экстракт сливают и концентрируют снижением давления до атмосферного. Содержание сухих веществ в полученном красителе 98,6 мас. в том числе гуминовых кислот 87,4% удельные энергозатраты снижены на 70,1% Таким образом, предлагаемый способ позволяет повысить качество получаемого красителя за счет повышения концентрации в нем гуминовых кислот при снижении содержания балластных веществ и имеет сниженную энергоемкость, которая тем ниже, чем выше удельный расход экстрагента на единицу массы получаемого красителя.

Формула изобретения

1. Способ производства торфяного красителя на основе гуминовых кислот путем экстракции торфа щелочным экстрагентом, отделения экстракта и его концентрирования с отгонкой паров экстрагента, отличающийся тем, что в качестве щелочного экстрагента используют жидкий аммиак, экстракцию ведут при давлении выше атмосферного, а концентрирование при повышении температуры и/или понижении давления.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что экстракцию ведут при непрерывном потоке жидкого аммиака.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что пары жидкого аммиака конденсируют с последующим возвращением на стадию экстракции.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что по меньшей мере часть паров жидкого аммиака со стадии концентрирования конденсируют путем барботирования в экстракционную смесь.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что перед барботированием пары жидкого аммиака подвергают адиабатному расширению.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в процессе экстракции осуществляют по меньшей мере однократный слив жидкого аммиака, снижение давления до атмосферного и возвращение жидкого аммиака с повышением давления выше атмосферного.