Д.х.н., профессор Надиров К.С., к.т.н., доцент Жантасов М.К., к.т.н., доцент Бимбетова Г.Ж., к.т.н., доцент Аширбаев Х.А., к.х.н., Орынбасаров А.К., магистр Калменов М.У.,

магистр Зият А.Ж., магистр Шуханова Ж.К.

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

Экстракция жирных кислот из смеси компонентов госсиполовой смолы в вибромагнитном экстракторе

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 ВМЭ с целью отделения ЖК от технического госсипола, его соединений и других примесей, т.к. на процесс оксиэтилирования любые примеси оказывают неоднозначный эффект. Современные способы интенсификации процесса экстрагирования, как и других процессов в гетерогенных средах, в основном базируются на методах дискретно-импульсного ввода энергии. В той или иной мере принцип дискретно-импульсного ввода энергии реализуют методы экстрагирования с применением ультразвуковой обработки, вибраций, пульсаций и высоковольтных разрядов в жидкости. Как было установлено ранее, при проведении процесса в смесительно-отстойном экстракторе периодического действия удается извлечь за четыре ступени экстракции (в течение 800 с) 93% относительно чистых ЖК из жировой смеси ГС. Для интенсификации процесса экстракции необходимо увеличить поверхность контакта фаз, при этом уменьшение размера капель обеспечит улучшение условий массоотдачи от поверхности капель к экстрагенту. Важно не просто увеличить относительную скорость движения фаз, сколько обеспечить участие в процессе всей поверхности частиц. Одним из способов интенсификации массопереноса в гетерогенных системах жидкость - жидкость является проведение процесса в режиме гидродинамической неустойчивости межфазной поверхности, что при определенных условиях приводит к образованию поверхностных вихревых структур. Вследствие интенсивной мелкомасштабной конвекции вблизи межфазной границы происходит ускорение массопереноса как раз в области, которая обычно лимитирует процесс переноса вещества. Одним из возможных и перспективных вариантов экстракций может явиться использование ВМЭ [4-6]. В работе использовали ВМЭ, собранный по методике [4], принципиальная схема которого представлена на рисунке 1. В рабочем цикле подвижные элементы 4 виброактиваторов совершают вынужденные колебания. В перерабатываемой гетерогенной смеси органического сырья и жидкой среды происходит формирование малых объемных порций. Объем смеси, находящийся в зазоре 14 между элементами 4 и стенкой реактора 1, подвергается интенсивному механическому и магнитному воздействию, действию знакопеременного давления, что приводит к разрушению агломератов с образованием тонкодисперсной суспензии. Целевой продукт выгружается через выходной патрубок 7. Реактор имеет дозатор сырья 2 с загрузочным люком и дозатор жидкости 3, совместная работа которых служит для задания влагосодержания смеси и для управления реологическими свойствами смеси. Электромагнит 8 каждого магнитного активатора вынесен за стенку рабочей емкости и не влияет на температурный режим переработки, пластина-якорь расположена вблизи стенки рабочей емкости, а зазор 14 между рабочим элементом 4 и стенкой рабочей емкости 1 выполнен регулируемым. Экстрактор состоит из реактора, в который загружается влажная жировая смесь из ГС и экстрагент, магнитной катушки и вибрирующей пластины. В зоне активации создаются следующие параметры: скорость затопленных струй до 25 м/с; сдвиговая скорость до 17·10³ с^-1; перепад давления в зоне активации до 2-3 атм; частота основного воздействия 50 Гц; частота модуляции основного воздействия до 15 Гц; магнитная индукция в зоне активации до 2,1 Тл.

1 – реактор, 2,3 – дозаторы, 4 – подвижные рабочие элементы активатора, 5 – регулировочный блок зазора, 6 – датчик температуры, 7 – выходной патрубок, 8 – электромагнит, 9 – блок питания электромагнита, 10 – нагреватель, 11 – блок терморегулирования, 12 – крышка реактора, 13 – регулировочный винт, 14 – рабочий зазор активатора.

Рисунок 1 – Схема вибромагнитного экстрактора

Нами было исследовано влияние некоторых параметров, характеризующих работу ВМЭ, на выход ЖК из жировой смеси ГС (система жидкость – жидкость), т.к. до этого работа экстрактора была опробована только для определения рабочих условий (время вибромагнитного воздействия, соотношение смесь–вода) и оценки эффективности извлечения ЖК из сапропелей, т.е. для систем «твердое тело-жидкость» [5,6]. В таблице 1 показано влияние времени вибромагнитного воздействия и соотношения «жировая смесь:бензин» на выход ЖК и содержание примесей в них. Из полученных данных видно, что применение вибрамагнитного воздействия с указанными характеристиками позволяет значительно интенсифицировать процесс экстракции: по сравнению со смесительно-отстойным экстрактором лучшие характеристики можно получить за один цикл (150с) вместо четырех ступеней (800с), что сокращает время проведения процесса в 5,33 раза, сокращает расход реагентов и трудозатраты в 4 раза; также можно снизить соотношение «жировая смесь : бензин» от 1:8 до 1:6, что ведет к дополнительной экономии экстрагента и снижению расходов на его регенерацию в 1,33 раза.

Таблица 1. Влияние времени вибромагнитного воздействия и соотношения «жировая смесь : бензин» на выход ЖК и примесей*

Время, с	Выход жирных кислот/ примесей, в % от теоретического содержания в смеси
	Соотношение «жировая смесь: бензин»
	1:2	1:4	1:5	1:6	1:7
50	18/-	36/-	42/1	42/3	44/4
70	24/1	42/1	48/2	59/4	59/5
90	30/3	57/3	61/4	80/5	81/7
110	40/3	63/4	75/5	93/6	94/8
130	45/4	67/6	78/7	94/8	95/10
150	51/5	75/7	86/8	95/10	95/11

*Условия: температура – 25^оС, скорость затопленных струй - 15 м/с; сдвиговая скорость -1·10³ с^-1; частота модуляции основного воздействия - 6 Гц; магнитная индукция в зоне активации - 1 Тл.

Однако одновременно с интенсификацией процесса извлечения ЖК возросла и скорость извлечения примесей, их переход из экстрагируемой смеси в экстракт достигает 10 - 11%, что значительно загрязняет целевой продукт и усложнит впоследствии его очистку. Поэтому дополнительно была исследована возможность снижения скорости перехода примесей в экстракт за счет изменения характеристик вибрамагнитного воздействия. Эта возможность обусловлена различием в химическом строении ЖК и примесей и, следовательно, их разной реакцией на механическое, акустическое и магнитное воздействие. Была проведена серия опытов по исследованию влияния характера и параметров вибрамагнитного воздействия на поведение ЖК и примесей. Для этого с помощью регулировочного блока изменяли величину рабочего зазора между подвижными элементами и стенкой реактора и частоту питающего напряжения от блока питания. Полученные результаты представлены на рисунках 2 и 3. Полученные результаты свидетельствуют о том, что увеличение рабочего зазора снижает эффективность вибромагнитного воздействия, при величине зазора больше 5 мм выход ЖК уменьшается с 95-96% до 70-80%, а снижение выхода примесей отчетливо наблюдается уже с величины зазора, равной 3-4 мм. Поэтому можно выбрать оптимальную для нашей системы величину зазора - 4,8 мм, в этом случае скорость затопленных струй составляет 5-7 м/с, что обеспечивает выход ЖК в 95,6%, а переход примесей из экстрагируемой смеси в бензиновый экстракт не превышает 1,0 - 1,5%.

1 – ЖК, 2 – примеси, температура – 25^оС, частота модуляции основного воздействия - 6 Гц.

Рисунок 2 - Влияние величины рабочего зазора между подвижными элементами и стенкой реактора на выход ЖК и примесей

1 – ЖК, 2 – примеси. Условия: температура – 25^оС, величина зазора – 4,8 мм.

Рисунок 3 - Влияние частоты модуляции основного воздействия на выход ЖК и примесей

Изменение частоты модуляции основного воздействия также способствует разделению ЖК и примесей, при её увеличении повышается степень экстракции как ЖК, так и примесей, но закономерность их изменения различна. Оптимальной величиной частоты модуляции основного воздействия является 6-6,5 Гц, при этом выход ЖК составляет 97%, а выход примесей не превышает 1%.

Таким образом, подобраны условия проведения процесса экстракции ЖК из жировой смеси ГС в ВМЭ, которые обеспечивают выход ЖК в 97%, выход примесей - 1%. Эти параметры проведения процесса составляют: температура – 25^оС, величина зазора – 4,8 мм, скорость затопленных струй - 5-7 м/с, частота модуляции основного воздействия - 6-6,5 Гц, соотношение «жировая смесь : бензин» 1:6, время проведения процесса – 150с. Однако эти результаты были получены на лабораторной установке с рабочим объёмом 1л, при попытке масштабирования (10 - 20л) вышеприведенные результаты достигнуты не были. Причиной этого явилось отсутствие научно- обоснованных критериев масштабирования ВМЭ, что предопределяет многоступенчатость опытно-технологических работ, существенно замедляет внедрение полученных в полупроизводственных условиях технологических результатов и требует проведения дорогостоящих и длительных экспериментов непосредственно на крупномасштабном оборудовании. Сложность определения условий масштабного перехода, с одной стороны, и важность изучения этих условий — с другой, приводят к необходимости применения системного подхода, суть которого в данном случае состоит в том, что вся информация, получаемая на лабораторных, опытных и промышленных установках, последовательно накапливается и обогащается в процессе разработки полной математической модели ВМЭ. Построенная таким образом математическая модель позволит наиболее достоверно осуществлять масштабный переход и решать задачи оптимального проектирования ВМЭ [5]. Следует отдельно подчеркнуть особую теоретическую и практическую значимость исследований, проведенных на ВМЭ, т.к. они определили практически максимальные количественные характеристики процесса экстрагирования ЖК из жировой смеси ГС, которые необходимо будет достигнуть при использовании другого оборудования и других методов.

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. Патент РФ № 97363. Многофункциональное устройство для переработки природного органического сырья в жидкой среде / К. А. Дычко, Г.Л. Рыжова, В.А. Данекер, С.В. Рикконен, В.Н. Воронин, М.А. Тюнина; патентообл. Томский гос. ун-т. – № 2010105323/22; заявл. 15.02.2010; опубл. 10.09.2010, Бюл. № 25.

5. Тюнина М.А. Определение жирных кислот в сапропеле методом хромато-масс-спектроскопии с применением водной вибромагнитной экстракции. Автореферат…канд. хим. наук. - Томск – 2013.

6. Влияние вибромагнитного воздействия на выход и состав гидрофильных и липофильных биологически активных веществ из сапропеля / К.А. Дычко, М.А. Тюнина, Г.Л. Рыжова // Химия растительного сырья. – 2012. – № 2. – С. 155–163.