Основні положення переробки живиці
Технологічні схеми переробки живиці всіх видів для одержання каніфолі і скипидару однотипні, але відрізняються деякими параметрами процесу. Ці відмінності обумовлені відмінностями у в'язкості, щільності та температурі кипіння речовин, що входять до складу живиці.
Соснова живиця в момент виділення з дерева містить до 35% терпенових вуглеводнів (скипидару), а при вивантаженні її з приймачів - 15-20%. При подальшій втраті скипидару живиця засихає і перетворюється на баррас. Через тривале перебування на повітрі баррас містить мало скипидару і велику частку окислених смоляних кислот. Це ускладнює переробку барраса і знижує якість продуктів, що одержуються з нього. Тому найчастіше баррас переробляють разом із живицею, додаючи його близько 10%.
Живиця завжди містить домішки - сміття і воду, причому у воді розчинені таніди, барвники та слизу. Якщо ці речовини не видалити, то в процесі уварювання каніфолі за високої температури вони дадуть темнозабарвлені сполуки, що призведе до потемніння каніфолі. Сміття є не просто баластом. Його присутність у живиці впливає на якість одержуваної каніфолі, і чим більше сміття в живиці, тим нижче буде якість каніфолі.
Переробка живиці включає дві стадії. На першій стадії живиці видаляють воду і всі механічні домішки; очищена та розплавлена живиця називається терпентином. На другій стадії терпентин поділяють на терпенові вуглеводні та смоляні кислоти. Це досягається відгоном летючої частини (скипидару) від нелетких смоляних кислот. При цьому відбувається сплавлення смоляних кислот з іншими нелетучими твердими компонентами живиці. Аморфний склоподібний продукт називається живичною каніфоллю, а операція носить назву «уварювання каніфолі».
Очищення живицівід домішок.Вода, що міститься в живиці, зазвичай емульгована в ній. Через близькі значення щільності живиці і води повного відшаровування води, як правило, не відбувається.
Тверді сторонні домішки, або сміття, поділяються на органічні та мінеральні. Органічні домішки знаходяться в живиці зазвичай у вигляді порівняно великих і легших, ніж вода, частинок і включень - хвої, шматків кори, стружки деревини, залишків комах і деяких дрібних частинок, наприклад пилу, що утворюється з кори. Мінеральні домішки зі-
Мал. 9.1. В'язкість каніфолі та її розчинів у скипидарі (за даними Ф. А. Чеснокова):
/ - 50%-ного;2 -62,5%-ного;3- 75%-ного;4- 82,5%-ного
Коштують із дрібних частинок пилу та піску, важчих за воду.
Дрібне сміття становить головну частину домішок, що у зваженому стані в розплавленої живиці. При поганому її очищенні ці домішки (переважно пил від кори) потрапляють у готову каніфоль. Така каніфоль містить дрібні порошинки («перець»), помітні при розгляді тонкого шару каніфолі в світлі, що проходить.
Відокремити домішки від в'язкої, густої живиці за нормальної температури неможливо. Тому живицю розплавляють, у своїй в'язкість її зменшується (рис. 9.1). Механічні домішки можуть бути відокремлені від розплавленої живиці простим фільтруванням, а вода відстоюванням. Зазвичай відділення домішок застосовують послідовно обидві ці операції. При цьому в одних випадках прагнуть відфільтрувати все сміття, а відстоюванням відокремити тільки воду, а в інших - відфільтрувати тільки велике сміття, а при відстоюванні відокремити воду і дрібне сміття. Вода та важке сміття опускаються на дно відстійника, а залишки легкої сміття спливають догори.
Швидкість відстоювання залежить як відв'язкості, так і різниці в значеннях щільності часток, що відстоюються, і середовища. Щільність живиці дуже великою мірою залежить від вмісту скипидару. Це зумовлено тим, що щільність каніфолі при нормальній температурі більша за щільність води і становить 1080—1090 кг/м3, тоді як щільність скипидару набагато нижча за щільність води і дорівнює 860—870 кг/м3 (табл. 9.1).
Як очевидно з табл. 9.1 зі зростанням температури щільність живиці зменшується швидше, ніж щільність води. Живиця
9.1. Щільність води та живиці (терпентина) в залежності від температури та вмісту скипидару
Щільність води, кг/м3
Щільність живиці (терпентина) при вмісті скипидару, ?
Проте слід зазначити, що з 25—30 °/о-ном вмісті скипидару різниця у значеннях щільності терпентина і води дуже невелика, що зумовлює дуже повільне відстоювання води у умовах.
У живиці, що надходить на заводи, в середньому близько 18% скипидару, тому практично неможливо видалити воду відстоюванням.
На холоду воду не можна відокремити відстоюванням через дуже велику в'язкість живиці, а при нагріванні — через відсутність помітної різниці в щільності води та живиці. Таким чином, для відокремлення води потрібно не тільки нагріти живицю, а й збільшити різницю між її щільністю та щільністю води. Для цього застосовують два способи: або збільшують щільність води, розчиняючи в ній солі, наприклад кухонну сіль, або зменшують щільність живиці, додаючи до неї який-небудь розчинник з низькою щільністю, найкраще скипидар, або використовують той і інший прийом одночасно.
При очищенні живиці використовуються методи відстоювання та фільтрації. Основна відмінність між ними полягає у характері руху фаз. При фільтрації рухається суцільнафаза, при відстоюванні, як правило, дисперсна, причому швидкість її руху вища, ніж у суцільної.
У практиці роботи наших заводів метод фільтрації застосовується лише на стадії відокремлення великої сміття після плавлення живиці, а тонке очищення живиці здійснюється шляхом відстоювання під дією сили тяжіння. На частинку, що знаходиться в рідині, діють у протилежних напрямках три сили: сила тяжіння, архімедова та тертя. Під їх дією частка спочатку рухається прискорено, але дуже скоро ці сили врівноважуються так, що рух частинки стає рівномірним. Чим більша частка, тим швидше вона рухається. При певній швидкості за тильною стороною частинки рідини утворюються завихрення і режим обтікання переходить від ламінарного до турбулентного. У малов'язких середовищах межа цього переходу відповідає часткам, що мають діаметр близько 0,1 мм. У високов'язких середовищах, до яких належать живиця та терпентин, ламінарний режим обтікання характерний для частинок діаметром до 1 мм.
При ламінарному режимі швидкість осадження частинок і м/с описується рівнянням
Де - діаметр частинки, м; pi - щільність частки, кг/м3; р2 - щільність рідини, кг/м3; g-прискорення вільного падіння, м/с2; ц - динамічна в'язкість рідини, кг/(м-с).
Знаючи швидкість осадження, можна визначити час осадженняx= h/V(h- висота зони відстоювання, м).
Спочатку наростання маси дисперсної фази, що відстоялася, йде дуже швидко, що обумовлено великою швидкістю осадження найбільш великих частинок. Надалі процес осадження дедалі більше уповільнюється. При відстоюванні емульсій крапельки дисперсної фази можуть об'єднуватися та укрупнюватися, особливо в початковий період, коли в рідині присутні частки різного ступеня.дисперсності та їх концентрація висока. Працюючи безперервних відстійників дисперсна фаза переміщається від вхідного до вихідного отвору відстійника. У умовах частинки дисперсної фази мають також і лінійну швидкість руху, спрямовану горизонтально. Тому при визначенні розмірів безперервнодіючого відстійника потрібно врахувати низку вимог: горизонтальна складова швидкості руху частки повинна бути меншою за швидкість осадження; режим руху рідини повинен бути ламінарним, щоб виключити можливість захоплення та винесення осілої дисперсної фази; час перебування дисперсної фази у відстійнику має бути більше часу осадження, інакше частка не встигне осісти.
Щоб оцінити швидкість відстоювання необхідно знати розмір частинок дисперсної фази. Тверді частинки, що містяться в терпентині, мають порівняно більші розміри і не лімітують цей процес. В основному швидкість відстоювання визначається розмірами крапельок води, що виходять на стадії плавлення живиці гострим паром.
При низькій швидкості пари у отвори барботера формуються бульбашки, діаметр яких пропорційний поверхневому натягу рідини та діаметру отвору і не залежить від швидкості виходу пари. При великих швидкостях пари, як це спостерігається на практиці, об'єм пляшечки пропорційний швидкості парового потоку, діаметру отвору і не залежить від поверхневого натягу. Для кожного діаметра отвору
Існує певна швидкість пари, при якій частота утворення та відриву бульбашок має максимум. При збільшенні швидкості пари послідовні бульбашки зливаються та їх розмір збільшується. Можна прийняти, що мінімальний розрахунковий діаметр бульбашки пари відповідає діаметру бар - ботажного отвору. Тому при діаметрі барботажних отворів 3 мм.бульбашки пара будуть мати аналогічний діаметр. Конденсуючись, вони утворюють крапельки води діаметром 0,28 мм. Швидкість відстоювання цих крапель води при різному вмісті скипидару в терпентині та температурі процесу 90 °С дорівнює:
При 25% вмісту
При 40% вмісту
(0,00028)2-(966-927)-9,81 , , ,Л_, . „,
При 75% вмісту
(0,00028)2-(966-850)-9,81 „„ 1П. , про /
Швидкість відстоювання непрямим способом характеризує повноту виділення води у процесі відстоювання терпентину. Це зумовлено тим, що поряд з великими крапельками води (для яких виконані порівняльні розрахунки) у терпентині містяться і дрібніші крапельки, які виходять при гідравлічних ударах, що супроводжують процес конденсації бульбашок пари. Швидкість осадження крапельок води пропорційна квадрату діаметра крапельки, тому при зменшенні діаметра в 10 разів швидкість відстоювання зменшується в 100 разів. Тому терпентин, що відстоявся, завжди містить воду. Разом з цією водою в терпентині залишаються і розчинені в ній речовини (фосфорна кислота, деемульгатори, стимулятори смоловиділення та ін), які зрештою залишаються в каніфолі та погіршують її властивості. Для отримання високого ступеня очищення терпентину необхідно правильно визначати кількість скипидару, що додається живиці при її плавленні.
Наведені розрахунки показують, що з підвищенні вмісту скипидару від 25 до 40 % швидкість відстоювання збільшується в 30 разів, а за доведенні вмісту скипидару до 75 % ще 6 раз.
Тривалий час у вітчизняній практиці при плавленні живиці додавали кухонну сіль з розрахунку отримання 10% водного розчину. Щільність такого розчину дорівнює 1074 кг/м3, що дозволяло відстоюватитерпентин, що містить 30% скипидару. Однак застосування кухонної солі вело до утворення накипу в каніфолювальних апаратах, сприяло підвищенню зольності товарної каніфолі та забрудненості стічних вод.
Уварювання каніфолі. У цьому процесі потрібно забезпечити повне відділення летких продуктів (терпенових вуглеводнів) від нелетючих. Десорбцію скипидару з терпентину необхідно вести за відносно низьких температур, щоб уникнути ізомерних перетворень терпенових вуглеводнів та смоляних кислот. Крім того, у терпентині, незважаючи на його промивання, можуть залишатися органічні домішки, які починають розкладатися за температури 170-175 °С. При температурі вище 200 °С починають частково розкладатися речовини, що містяться в каніфолі. При цьому утворюються каніфольні олії, в результаті чого виходять забарвлений скипидар з різким запахом продуктів розкладання та темно-забарвлена липка каніфоль.
Початкова температура кипіння чистого скипидару 156 ° С (а-пінен), проте присутність у терпентині нелетких смоляних кислот призводить до підвищення температури кипіння. Чим менше залишається невідігнаного скипидару, тим вища температура кипіння. Тому при атмосферному тиску неможлива повна десорбція скипидару навіть за дуже високих температур. Вплив вмісту каніфолі на температуру кипіння живиці видно з наступних даних:
Зміст каніфолі, %. 20 30 40 50 60 70 85 Температура кипіння, °С. 160,7 162,3 165,1 168,0 172,1 179,0 195,0
Розведена живиця, очищена від води та сміття, починає кипіти приблизно за 179 °С. У міру відгону скипидару температура перегонки швидко підвищується і до кінця процесу перевищує 250 ° С, при цьому відбувається розкладання каніфолі, а відігнати скипидар повністю не вдається.
Таким чином, для запобігання каніфолі від розкладання необхідно знизити температуру відгону скипидару. Для цього на практиці відгін скипидару ведуть з водяною парою або ж уварюють каніфоль під розрідженням. З цих способів найбільш легко здійснити і прийнятий на всіх вітчизняних каніфольно-терпентинних заводах спосіб уварювання каніфолі з водяною парою. Він заснований на тому, що температура кипіння суміші взаємно нерозчинних і хімічно не реагуючих рідин (в даному випадку скипидару і води) завжди нижче, ніж температура кипіння кожної з цих рідин окремо.
ТЕХНОЛОГІЯ ТА ОБЛАДНАННЯ ЛІСОХІМІЧНИХ ВИРОБНИЦТВ
Знешкодження газових викидів
Гази, що відходять, від різних апаратів лісохімічних виробництв містять значну кількість парів летких речовин і підлягають очищенню з метою запобігання потраплянню їх в атмосферу та регенерації деяких з них. Газові викиди.
Очищення та знешкодження промислових стоків
Кількість промислових стоків і рівень їх забрудненості залежить від прийнятої схеми технологічних процесів і різних заводах коливаються у досить широких межах. Зокрема, при екстракції оцтової кислоти з ріжки.
ОЧИЩЕННЯ І ЗНЕШКОДЖЕННЯ ПРОМИСЛОВИХ СТОКІВ І ГАЗОВИХ ВИКИДІВ
У процесах виробництва лісохімічних продуктів утворюються різні стічні води - відкидні води ректифікаційних апаратів, промивні, підсмольні та підскипидарні води та ін. Всі вони об'єднуються загальною назвою промислових стоків.