Ремонт принтеров, сканнеров, факсов и остальной офисной техники


назад Оглавление вперед




[0]

УДК 634.0.813.4

КОМПЛЕКСНАЯ ПЕРЕРАБОТКА ДРЕВЕСНЫХ ОТХОДОВ

С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДА ВЗРЫВНОГО АВТОГИДРОЛИЗА

© А.А. Ефремов, И.В. Кротова

Красноярский государственный торгово-экономический институт, Красноярск (Россия) E-mail: f nps@chat.ru

Приводятся собственные экспериментальные данные по поведению основных компонентов древесины осины, сосны и ели в условиях взрывного автогидролиза с анализом жидких и твердых продуктов. Отмечаются основные закономерности расщепления лигноуглеводного комплекса древесного сырья и обсуждаются возможные пути использования отдельных компонентов автогидролизованной древесины в химические продукты.

Введение

В начале 80-х годов, как отмечается в [1], возобновился интерес исследователей к процессу автогидролиза древесины при высоких температурах [2-4]. Данный процесс включает кратковременную обработку древесной щепы или опилок насыщенным водяным паром в интервале температур 180-250°С с последующим резким сбросом давления - "выстрелом" обработанного материала в приёмник. Вследствие этого процесс получил название взрывной автогидролиз или парокре-кинг-взрыв.

Преимуществами такого процесса по сравнению с традиционными технологиями целлюлозно-бумажных производств являются быстрота процесса (протекает в течение нескольких секунд или минут), отсутствие химических реагентов в процессе, что обеспечивает экологическую чистоту процесса.

"Взрывной" автогидролиз был впервые осуществлен в 30-х годах в США Мейсоном (процесс Мезонита) [5-6]. Такой способ использовался для производства древесно-волокнистых плит и древесных пластиков. Учитывая то, что возможности метода взрывного автогидролиза не ограничиваются получением древесных пластиков и данный

процесс представляет собой один из методов комплексной переработки древесной биомассы с получением разнообразных химических продуктов, этому методу в настоящее время уделяется достаточно пристальное внимание химиков и технологов. Исследованием процесса взрывного автогидролиза или созданием отдельных технологий для его применения кроме научных учреждений США заняты в настоящее время лаборатории и фирмы Канады, Франции, Японии, Австралии, Швеции, Новой Зеландии и др. [2-4, 7-9].

При автогидролизе древесная биомасса подвергается обработке насыщенным водяным паром без введения катализаторов. Так как полисахариды гемицеллюлоз древесины частично ацетилиро-ваны, то при повышенной температуре протекают реакции деацетилирования с образованием уксусной кислоты, а при распаде сахаров (в условиях повышенных температур в присутствии водяного пара) генерируется муравьиная кислота. В этих условиях происходит гидролиз и деполимеризация лигноуглеводного комплекса древесной биомассы, причем по мере увеличения количества кислот, образующихся в ходе процесса, ускоряется общий гидролиз углеводов.


Физическую сущность метода выражает схема реализации цикла в координатах время-давление, представленная на рисунке 1.

Технически процесс реализуется следующим образом. В предварительно нагретый до заданной температуры реактор загружается щепа или опилки и из генератора подают нагретый водяной пар (момент времени t1). В течение времени (t2-t1) достигаются нужные температура и давление, которые выдерживаются все время в течение автогидролиза (t3-t2). Время подъёма температуры и давления (t2-t1) составляет обычно 5-30 с. Время автогидролиза (t3-t2) - от нескольких секунд до нескольких минут. Чем выше температура и давление, тем короче интервал (t3-t2). На последнем этапе процесса (t4-t3) происходит декомпрессия системы, по сути быстрое адиабатическое расширение ("выстрел"). Продолжительность декомпрессии - доли секунды.

Взрывной автогидролиз может быть реализован двумя способами: как периодический процесс и как непрерывный. При реализации периодического процесса как в лабораторных, так и в производственных условиях технологическая схема одинакова: генератор пара - реактор - циклон с устройством получения конденсата (летучих продуктов).

Такую схему используют фирмы "Masonite" (США) "Iotech" (Канада), "Forintek" (Канада), "Xerox" (Швеция) [4, 7, 8], пример которой изображен на рисунке 2.

Осуществляя процесс по схеме "Suropulper", авторы использовали установку, изображенную на рисунке 3.

В отличие от "Iotech", "Forintek", "Masonite"-процессов, основанных на автогидролизе сырого материала при высоком давлении пара и температуре 230-250°С, этот процесс позволяет применять низкие температуры (до 200°С), а система находится под давлением неконденсирующихся газов (СО2 или N2) в пределах 3,45-13,8 МПа [10-11]. Кроме того, при "выстреле" древесную массу до-

полнительно разволокняют, пропуская через сопло специальной конструкции.

(P)t

tl t2t3 t4(t)

Рис. 1. Реализация цикла взрывного автогидролиза в координатах время - давление

5

Рис. 2. Принципиальная схема установки взрывного автогидролиза древесной биомассы фирмы "Iotech": 1 - бойлер; 2 - паронакопитель; 3 - реактор; 4 - циклон-приемник; 5 - выгрузка продукта; 6 - выход конденсата; 7 - подача древесной щепы или стружки; 8 - выход пара; 9, 10, 11, 12 - запорные клапана

Фирмой "Stake" (США) [12] был разработан непрерывный процесс, схема установки которого представлена на рисунке 4. В шнековый реактор непрерывно подаются обрабатываемая масса и пар, создаются пробки из самого материала, а затем осуществляется дискретный "выстрел". Особенностью данного процесса является применение более низких температур и давлений, что позволяет использовать полученную автогидролизован-


ную древесину в качестве корма для сельскохозяйственных животных.

Достоинством метода взрывного автогидролиза является то, что полученный продукт легко можно разделить на отдельные, условно чистые компоненты. Этот продукт представляет собой целлолигнин, содержащий в зависимости от глубины гидролиза большее или меньшее количество легкогидролизуемых полисахаридов и пропитанных раствором сахаров.

Схема разделения продуктов, разработанная фирмой "Iotech", представлена на рисунке 5 [13]. Древесная волокнистая масса после взрывного автогидролиза промывается водой с получением раствора сахаров, основную массу которых составляют продукты гидролиза гемицеллюлоз. При водной экстракции в раствор может переходить до 90% гемицеллюлоз [1 4], кроме того, в водный экстракт переходит часть прогидролизовавшихся при взрывном автогидролизе целлюлозы часть веществ ароматического характера (так называемый низкомолекулярный лигнин, как результат деполимеризации исходного древесного лигнина (обычно несколько процентов).

Следующий этап включает экстракцию дест-руктированного лигнина. Растворителями лигнина являются, по аналогии с нативным лигнином, диоксан-вода (9:1 ), этанол-вода (9:1 ), они удаляют до 90% лигнина [1 4]. Кроме того, в качестве растворителя используют растворы NaOH концентрацией от 0,4 до 2,0%.

Таким образом, после двухэтапной экстракции можно получить продукт, состоящий, в основном, из целлюлозы, который авторы работы [1 5] называют "технической" целлюлозой. Такая целлюлоза может служить исходным сырьем для получения глюкозы, левулиновой кислоты, высокочистой целлюлозы и других продуктов.

Несмотря на то, что процессу взрывного автогидролиза посвящено большое количество работ, в литературе отсутствуют систематические данные по поведению основных компонентов древе-

сины различных пород в условиях взрывного автогидролиза, отсутствует полный состав образующихся при этом продуктов и влияние технологических параметров на состав жидких и твердых продуктов автогидролиза.

Рис. 3. Принципиальная схема установки взрывного автогидролиза древесной биомассы фирмы "Suropulper": 1 - резервуар для газа; 2 -реактор; 3 - приемник; 4 - ввод пара; 5, 6, 7 - запорные клапана; 8 - разделительное сопло

Рис. 4. Принципиальная схема установки взрывного автогидролиза древесной биомассы фирмы "Stake": 1 - питание инжектора; 2 - осевой инжектор; 3 - конусное приспособление; 4 - реак-



[стр.Начало] [стр.1] [стр.2] [стр.3] [стр.4] [стр.5] [стр.6]