способ производства торфяного красителя на основе гуминовых кислот

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.

Описание изобретения к патенту

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.