Д.х.н., профессор Надиров К.С., к.т.н., доцент Бимбетова Г.Ж., к.т.н., доцент Жантасов М.К., к.х.н., Орынбасаров А.К., магистр Жантасова Д.М., магистр Ерменов, магистр Шегенова Г.К., магистр Зият А.Ж.

Южно-Казахстанский государственный университет им.М.Ауэзова, Республика Казахстан

Экстракция жирных кислот из смеси компонентов госсиполовой смолы в роторно-пульсационном аппарате

Целью исследования являлась интенсификация процесса выделения ЖК, которые в дальнейшем послужат для синтеза на их основе неионогенного деэмульгатора, из смеси компонентов ГС с целью их очистки от примесей. Ранее нами было показано, что омылением ГС раствором щелочи можно получить омыляемую фракцию солей ЖК и госсипола, которые затем при обработке серной кислотой выделяются в свободном виде [1,2]. В процессе работы использована ГС АО «Шымкентмай». В первоначальных поисковых опытах оксиэтилированию для получения ПАВ подвергали полученную смесь ЖК и госсипола (жировая смесь компонентов ГС), полученный при этом состав при испытаниях проявил свойства достаточно эффективного деэмульгатора [3]. Однако к современным деэмульгаторам предъявляются более жесткие требования: они должны обладать максимально высокой деэмульгирующей активностью, быть биологически легко разлагаемы, нетоксичными, дешевыми, доступными; не должны обладать бактерицидной активностью (от которой зависит эффективность биологической очистки сточных вод) и не должны корродировать металлы. Поэтому возникла потребность исследовать, как влияет на процесс оксиэтилирования чистота исходного сырья, разработать оптимальный метод выделения ЖК из смеси компонентов ГС, подобрать оптимальные условия процесса выделения ЖК и выбрать метод подготовки свободных ЖК к оксиэтилированию. В качестве критерия оптимизации выбрано качество конечного продукта – оксиэтилированного продукта на основе сырья, выделенного и очищенного разными методами. В рамках поставленной задачи нами выполнен комплекс исследований по экстракции ЖК из полученной смеси компонентов ГС в РПА с целью отделения ЖК от технического госсипола, его соединений и других примесей, т.к. на процесс оксиэтилирования любые примеси оказывают неоднозначный эффект.

В настоящее время разработка ресурсосберегающих технологий с применением более эффективных экстрагентов и экстракционного оборудования является актуальной. Одним из возможных и перспективных вариантов экстракций может явиться способ, основанный на бензиновой обработке влажной смеси компонентов госсиполовой смолы в РПА. РПА относятся к аппаратам, реализующим метод многофакторного воздействия на химико-технологические процессы, низкая энергоемкость которого обусловлена тем, что обрабатываемая среда является одновременно и источником и объектом гидромеханических колебаний, благодаря чему к.п.д. аппарата возрастает [4]. Экстрагирование с помощью РПА основано на циркуляции обрабатываемой среды при различной кратности твердой и жидкой фаз. При использовании РПА происходит совмещение операций экстрагирования и диспергирования. Таким образом, РПА дает возможность интенсифицировать процесс экстрагирования сырья. Были использованы схемы установок, представленные на рисунках 1 и 2. Полупромышленная установка снабжена измерительными приборами для определения технологических характеристик РПА. На начальном этапе работы было установлено влияние ширины прорезей ротора на эффективность процесса экстракции, ширина прорезей ротора исследована в четырех значениях – 4, 6, 8 и 10 мм; ширина прорезей статора была зафиксирована на уровне 10 мм; зазор между ротором и статором составлял 2 мм. Предварительные исследования процесса экстракции проводили при следующих параметрах: отношение смесь:бензин–1:8, продолжительность экстракции – 5 мин. Известно, что процесс экстрагирования в РПА заключается в воздействии на рабочую смесь ряда гидромеханических факторов, причём их влияние будет определяться особенностью конструктивных элементов ротора и статора в зависимости от требуемого технологического результата [5].

1 - электродвигатель, 2 -муфта, 3 - чугунный кожух (рабочая часть РПА), 4 - фланец, 5 - тройник. 6 - система гибких шлангов, 7 - рабочая емкость, 8 - реакционная смесь, 9 - регулятор уровня, 10 - резервная емкость.

Рисунок 1 - Лабораторная установка РПА для экстракции ЖК

1 - экстрактор, 2 - лопастная мешалка, 3 - электродвигатели, 4 - система трубопроводов с кранами и тройником, 5 - резервная емкость, 6 - расходомер, 7 - манометр, 8 - рабочая часть РПА, 9 - муфта, 10 - оптический датчик, 11 - тахометр, 12 - вакуумметр, 13 - блок тиристорного преобразователя, 14 - ваттметр, 15 - штуцер отбора проб, 16 - сканирующее устройство, 17 - компьютер, 18 - отстойник. (ВС - верхний слой, СС - средний слой, НС - нижний слой).

Рисунок 2 - Схема полупромышленной установки для экстракции ЖК

Повышение эффективности процесса экстрагирования реологически сложных исследуемых систем являются сложной и трудоемкой задачей. Как следует из данных рисунка 3, при повышении ширины прорезей ротора наблюдается увеличение степени экстракции ЖК и посторонних примесей вплоть до значений ширины в 10 мм, при ширине прорезей ротора 12 мм для ЖК показатели не меняются, а количество экстрагируемых примесей увеличивается.

Условия: диаметр ротора 0,125 м, отношение смесь : бензин – 1 : 5, продолжительность экстракции – 5 мин, ширина прорезей статора – 10 мм; зазор между ротором и статором – 2 мм.

Рисунок 3 - Влияние ширины прорезей ротора на степень экстракции ЖК (1) и посторонних примесей (2)

Аналогичные зависимости получены при исследовании ширины прорезей статора, поэтому в основной серии опытов ширина прорезей статора и ротора составляла 10 мм. В таблице 1 представлены результаты исследования влияния соотношения «смесь компонентов – экстрагент» на степень экстракции и чистоту ЖК.

Таблица 1. Влияние соотношения «смесь компонентов – экстрагент» на степень экстракции и чистоту ЖК*

Компонент	Степень экстракции ЖК и посторонних примесей, %
	Соотношение реакционная смесь : бензин
	1:1	1:3	1:5	1:6	1:8	1:9	1:10	1:12
Жирные кислоты	45	88	96	97	97	97	98	98
Госсипол и его производные	следы	следы	2	5	7	9	9	9
Неидентифицированные примеси	следы	следы	2	2	4	5	7	8

*Условия: диаметр ротора 0,125 м, продолжительность экстракции – 5 мин, ширина прорезей ротора –10 мм; ширина прорезей статора – 10 мм; зазор между ротором и статором – 2 мм.

Полученные данные свидетельствуют о значительном влиянии используемого метода экстракции на конечный результат: происходит интенсификация процесса (по сравнению с смесительно-отстойным экстрактором), уже при соотношении «смесь компонентов – экстрагент», равном 1 : 5, степень экстракции и чистота ЖК максимальны, а при увеличении этого соотношения до 1 : 6 и выше в бензин начинают переходить госсипол, его производные и неидентифицированные примеси, загрязняя целевой продукт.

Поэтому в дальнейшем использовали соотношение «смесь компонентов – экстрагент», равное 1 : 5, что позволяет сократить расход экстрагента и, значит, впоследствии уменьшить расходы на его отгонку и регенерацию. Содержание примесей при этом достаточно высоко, поэтому необходимо исследовать и другие факторы, влияющие на процесс. Несмотря на большую значимость проведённых экспериментальных исследований с различными видами эмульсий и мелкодисперсных суспензий, описанных в литературе и позволивших конструировать различные типы РПА, использование опытных данных и подтвержденных закономерностей возможно только при решении частных задач и невозможно при работе РПА с ГС, так как отсутствует общая методика расчёта геометрических характеристик РПА, что затрудняет их применение в технологических целях. Поэтому в работе был использован эмпирический метод с реальными объектами. Результаты экспериментальных исследований, полученные при работе РПА с различными геометрическими параметрами ротора и статора, представлены на рисунке 4.

Из данных рисунка 4 видно, что с увеличением полезной мощности РПА степень экстракции ЖК и посторонних примесей увеличивается. Проведённые экспериментальные исследования в РПА с различными геометрическими параметрами ротора и статора позволяют утверждать об их влиянии на степень экстракции. Наблюдается резкое увеличение полезной мощности на конечной стадии экстрагирования, когда требуется достичь максимальной степени экстракции.

Условия: диаметр ротора 0,125 м, отношение смесь : бензин – 1 : 5, продолжительность экстракции – 1,4 - 3 мин; 2,5 – 5 мин, 3,6 – 6 мин; ширина прорезей ротора –10 мм; ширина прорезей статора – 10 мм; зазор между ротором и статором – 2 мм. 1,2,3 – ЖК, 4,5,6 – примеси.

Рисунок 4 - Зависимость степени экстракции ЖК и посторонних примесей от полезной мощности РПА

Видно также, что на характеристики процесса оказывает и продолжительность воздействия на рабочую смесь гидромеханических факторов, поэтому фактор «время» был исследован более тщательно (рисунок 5).

Условия: диаметр ротора 0,125 м, отношение смесь : бензин – 1 : 5, продолжительность экстракции – 5 мин, ширина прорезей статора – 10 мм; зазор между ротором и статором – 2 мм.

Рисунок 5 - Влияние продолжительности гидромеханического воздействия на степень экстракции ЖК (1) и посторонних примесей (2)

Полученные данные свидетельствуют о том, что оптимальное время экстракции составляет 5 минут, т.к. увеличение продолжительности гидромеханического воздействия практически не повышает выход ЖК, но ухудшает их чистоту за счет перехода примесей из жировой смеси в экстракт. Было исследовано также влияние некоторых конструктивных параметров рабочих элементов РПА на степень экстракции. На рисунке 6 представлены зависимости остаточного содержания ЖК в жировой смеси и степени экстракции примесей из неё от основных геометрических параметров ротора и статора аппарата.

Условия: диаметр ротора 0,125 м, температура – 20^оС, отношение смесь : бензин – 1 : 5, продолжительность экстракции – 5 мин, частота вращения ротора - 40 ; 1 - остаточное содержание ЖК в жировой смеси, 2 - степень экстракции примесей, 3 – допустимое содержание компонентов.

Рисунок 6 - Влияние длины зоны рифления на остаточное содержание ЖК в жировой смеси и степень экстракции примесей

Из данных рисунка 6 видно, что при увеличении длины зоны рифления происходит снижение остаточного содержание ЖК в жировой смеси и повышения степени экстракции примесей. Если установить минимально допустимое значение остаточного содержание ЖК в жировой смеси и степени экстракции примесей, равным 1%, то оптимальной длины зоны рифления будет являться величина от 0,015 до 0,02 м. Установлено, что увеличение угловой скорости вращения ротора более 50 с ^-1 нецелесообразно, так как это связано с большими затратами энергии. При частоте вращения ниже 30 с ^-1 для обеспечения требуемого режима диспергирования необходимо либо увеличить число выступов ротора и статора, количество которых ограниченно по аналогии с дисковыми мельницами, либо увеличить длину зоны рифления, которая определяется разницей между диаметром ротора и входным патрубком насоса, на базе которого изготовлен РПА. Установлено, что важным параметром, влияющим на степень отделения примесей от ЖК, является также температура проведения процесса экстракции. В отличие от метода экстракции в смесительно-отстойном экстракторе, где оптимальной температурой являлась величина в 60^оС, в данных условиях наилучшие показатели обеспечивает температура 30^оС (таблица 2), при этом степень экстракции достигает 98,9%, а количество примесей, переходящих из смеси компонентов госсиполовой смолы в экстрагент не превышает 1,0%, что в конечном итоге, после отгонки бензина, составляет 0,2 – 0,3% с составе сырых ЖК.

Таблица 2. Влияние температуры на степень экстракции и чистоту ЖК*

Компонент	Степень экстракции ЖК и посторонних примесей, %
	Температура, ^оС
	15	20	30	35	40	45	50	60
Жирные кислоты	97,1	98,5	98,9	99,2	99,2	99,3	99,2	99,4
Госсипол и его производные	0,5	0,9	0,9	1,2	2,5	3,6	4,8	7,6
Неидентифицированные примеси	0,1	0,2	0,2	0,3	0,9	1,5	3,8	6,3

* - условия: диаметр ротора 0,125 м, отношение смесь : бензин – 1 : 5, продолжительность экстракции – 5 мин, частота вращения ротора - 40 ; длина зоны рифления - 0,02 м.

Для выбора оптимальных условий проведения процесса выделения ЖК из смеси компонентов ГС была использована полупромышленная установка, схема которой приведена на рисунке 2. Для проведения процесса экстракции в экстрактор заливали 80 л бензина и включали мешалку, затем с помощью термостата осуществляли нагрев бензина до температуры 30^оС, открывали вентили (поз. 7 и 8) при работающем РПА и производили циркуляцию экстрагента по контуру. После установления температурного режима в экстрактор единовременно загружали влажную смесь в количестве 16,0 кг. Смесь обрабатывали в течение 5 минут, в процессе обработки производили отбор проб суспензии через каждые 30 секунд после загрузки смеси в аппарат. При обратном режиме загрузки степень экстракции ЖК при тех же параметрах снижается на 5-7%. Полученную суспензию отстаивали в течение 1-2 часов в отстойнике, после отстоя нижний водный слой с различными водорастворимыми примесями отправляли на очистку и затем в канализацию, верхний слой – раствор ЖК в бензине забирали на переработку (отгонку растворителя), средний слой, содержащий госсипол, его соединения и другие примеси, не перешедшие в водный слой и бензиновый слой, использовали для выделения технического госсипола. Отобранные пробы суспензии отстаивали в лабораторных условиях, промывали до нейтральной реакции среды и анализировали состав всех трех слоев. Путем многоступенчатости опытно-технологических работ удалось оптимизировать процесс экстракции и достичь результатов, которые позволяют рекомендовать для использования в промышленных условиях для отделения ЖК от сопутствующих примесей нижеследующий технологический режим: отношение смесь : бензин – 1 : 5; продолжительность экстракции – 5 мин; температура – 28 - 32^оС и роторно-пульсационный аппарат, который имеет следующие технические характеристики приведенные в таблице 3.

Таблица 3. Технические характеристики РПА

Основные параметры	Величина
Производительность циркуляции по экстрагенту, м^3/ч	0,96
Частота вращения ротора, оборот/с	40
Диаметр ротора, мм	125
Количество цилиндров ротора, шт	2
Количество цилиндров статора, шт	2
Радиальный зазор между вращающимися и неподвижными элементами, мм	2
Ширина прорезей ротора, мм	10
Ширина прорезей статора, мм	10
Длина зоны рифления, мм	20
Диаметр входного патрубка,  мм	32
Диаметр выходного патрубка, мм	22
Мощность электродвигателя,	1,5
Питающее напряжение, В	380
Габаритные размеры, мм	500х250х260
Масса,  кг	33

В этих условиях выход ЖК составляет в среднем 98,9 - 99,2% с содержанием посторонних примесей 0,2-0,3%. Данные исследования проводились благодаря финансированию Комитета науки Министерства образования и науки РК.

Литература

1. Надиров К.С., Надирова Ж.К., Жантасов М.К., Амантаева Д.Б., Оразбеков О.С. Исследование кинетики процесса омыления жирных кислот в составе госсиполовой смолы.// Вестник КазНТУ, - №4, - 2014. - С. 223-230.

2. Надиров К.С., Бимбетова Г.Ж., Сакыбаев Б..А., Жантасов М.К., Садырбаева А.С., Оразбеков О.С. Исследование влияния технологических факторов на процесс омыления госсиполовой смолы. //Вестник КазНТУ, - №4, - 2014.- С. 320-325.

3. Надиров К.С., Жантасов М.К., Надирова Ж.К., Джусенов А.У., Досмухамбет М.П. Получение сырья для синтеза деэмульгатора из побочных продуктов переработки масла хлопчатника. //Вестник КазНТУ, - №4, - 2014.- С. 98-104.

4. Кавецкий Г.Д. Процессы и аппараты пищевой технологии: 2-е изд., перераб. и доп. / Г.Д. Кавецкий, Б.В.Васильев. - М.: Колос. - 1999. - 551 с.

5. Анашенков С.Ю. Переработка древесной зелени в щелочных средах с использованием роторно-пульсационных аппаратов. – Автореферат…канд. техн. наук. - Санкт-Петербург – 2008.