CC BY
67
Д. Ф. Зиатдинова, Р. Г.Сафин, М. А. Мазохин,
Р. Р. Зиатдинов, Д. А. Ахметова
УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМЫ ГАЗООЧИСТКИ В ПРОИЗВОДСТВЕ
ЦЕЛЛЮЛОЗЫ И ПОБОЧНЫХ ПРОДУКТОВ В ВИДЕ СПИРТОВ, ДРОЖЖЕЙ,
ФУРФУРОЛА ПРИ БЕЗРЕАКТИВНОМ РАСЩЕПЛЕНИИ
ОТХОДОВ ДЕРЕВООБРАБОТКИ
Ключевые слова: газоочистка, целлюлоза, расщепление, безотходная технология, древесина, отходы, ресурсы, вредные вещества, установка, химическая переработка.
Проведено усовершенствование системы газоочистки и разработана технология получения целлюлозного волокна и побочных продуктов в виде спиртов, дрожжей и фурфурола из отходов деревообработки и низкокачественной древесины.
Key words: gas cleaning, cellulose, razscheplenie, waste technology, wood waste.
A gas cleaning system improvements and developed a technology for producing cellulose fibers loznogo and byproducts in the form of alcohol, yeast and furfural from waste wood products and low-quality wood.
Влияние лесопромышленного комплекса на окружающую среду проявляется в непосредственном воздействии лесозаготовительных, деревообрабатывающих, целлюлозно-бумажных и лесохимических предприятий на окружающую среду в виде сброса загрязнений сточных вод, пылегазовых выбросов в атмосферу, образования неиспользуемых отходов. Негативное влияние целлюлозно-бумажной промышленности на окружающую среду в значительной степени определяется низким техническим уровнем основных технологических процессов и оборудования.
Рациональное использование лесных ресурсов является важнейшей задачей лесоперерабатывающей промышленности. Ее решение предусматривает совершенствование структуры потребления древесного сырья путем увеличения доли древесины, направляемой на химическую переработку, и расширение объемов переработки лиственной и низкокачественной древесины, такой например как осина, которую необходимо регулярно вырубать, чтобы поддерживался рост лесных ресурсов. При непрерывной вырубке этой древесины происходит накопление неиспользованного древесного сырья. Внедрение предлагаемой технологии позволит ликвидировать данную проблему.
Технология получения целлюлозы и побочных продуктов в виде спиртов, дрожжей и фурфурола из низкокачественного древесного сырья и отходов деревообрабатывающих производств заключается в интенсивной термообработке с последующим сбросом давления. Основным отличием от традиционных технологий получения целлюлозы, в которых используются токсичные реагенты и затрачиваются огромные количества тепло- и электроэнергии, является: быстрота проведения процесса, малый расход химических реагентов (дополнительных катализаторов), полное отсутствие выбросов вредных веществ. Обо-
рудование для осуществления процесса высокотемпературной обработки низкокачественной древесины является простым в эксплуатации и компактным, что позволит использовать данную технологию в условиях небольших деревообрабатывающих предприятий. Эти преимущества обуславливают сокращение энергозатрат, сокращение материальных затрат, экологическую чистоту процесса, что на сегодня является наиболее важным и актуальным в любом производстве.
Химическая переработка древесины требует жестких условий, обеспечивающих ее структурные изменения, либо предварительную активацию. Взрывной автогидролиз предлагается использовать в качестве перспективного метода активации [1-3], при котором в древесине происходят структурные и химические превращения, сопровождающиеся деструкцией основных компонентов, в первую очередь, гемицеллюлоз как легкогидролизуемых полисахаридов (ЛГП). При протекании глубоких гидролитических процессов гемицеллюлозы гидролизуются до низкомолекулярных продуктов, растворимых в воде. Степень гидролитической деструкции гемицеллюлоз определяется условиями гидротермической обработки древесины, а это значит, что с помощью взрывного автогидролиза (ВАГ) можно получать продукт, свободный от гемицеллюлоз [4].
В предложенной технологии получение целлюлозного волокна производится за счет быстрого, кратковременного, динамичного разложения древесного материала путем высокотемпературной обработки и "разрыва" частиц сбросом давления с последующей переработкой полученной "взрывной" массы путем экстракции из нее лигнина и водорастворимых веществ. Такая целлюлоза пригодна для производства картона, а при дополнительной стадии облагораживания - для производства бумаги. Также необработанная древесноволокнистая масса может использоваться для производства древесноволокнистых плит и древесных пластиков. Разрабатываемая технология может быть совмещена со спиртодрожжевым производством.
Установка для автогидролиза (рис.1) работает следующим образом. Сырье в виде измельченной щепы осины загружают в загрузочное устройство 1, откуда оно переходит во входной шнек 2, вращающийся от электродвигателя 30 через редуктор 33. На входе в реактор 6 сырье образует герметизирующую пробку. Попадая в пространство центрального шнека 3, щепа пропитывается водяным паром и подвергается воздействию температуры. Пар подается от парогенератора 5 или паропровода через полость перфорированного вала 4, соединенного с электродвигателем 31 через редуктор 34. Количество поданного пара регулируется вентилем 22. Образующийся конденсат стекает по рубашке 36 через перфорированную часть реактора и удаляется через шлюзовую камеру 37 с вентилями 23 и 24. За счет сужающейся конструкции реактора 6 на выходе образуется пробка, которая сохраняет герметичность реактора. Обработанная древесная масса по выходному шнеку 7, соединенному с валом центрального шнека, доходит до клапана сброса давления 8, в результате открытия которого древесная масса выстреливается в виде волокнистого материала в сборник продукта - резервуар 9. В резервуар 9 из емкости 13 через систему орошения 14 подают растворитель этанол-вода. Подача растворителя регулируется вентилем 25. Отработанный раствор по линии отвода 20 через накопитель 15 и вентиль 26 направляется в приемник отработанных растворов 21. Часть растворителя возвращается на орошение с помощью центробежного насоса 28. Частично проэкстрагированная древесная масса по шнеку 12, работающему от электродвигателя 32 через редуктор 35, направляется в следующий резервуар 10, где происходит окончательное экстрагирование раствором диок-сан-вода. В резервуаре 11 проводят промывку волокнистой массы водой.
Пары, образовавшиеся в реакторах 9, 10, 11, отсасываются в конденсаторы 42 водо-
струйным эжекционным насосом 43. Наличие эжектора 43 необходимо для отвода некон-денсирующихся газов и воздуха из зоны конденсации, особенно в начальный период [6]. Взаимодействие отводимой смеси неконденсирующихся газов и воздуха с водой в эжекторе 43 и фильтр-барботере 45 позволяет, кроме того, очистить отводимый в атмосферу воздух от прочих загрязнений и неприятных запахов. Для более глубокой очистки и исключения каплеуноса отводимую паровоздушную смесь пропускают через рукавный полипропиленовый фильтр 46. Отработанная жидкость из фильтр-барботера 45, через штуцер 44 направляется в емкость 13 для промывки полученной целлюлозы.
Далее готовый продукт направляется в пневматическую сушильную камеру 16, куда вентилятором 18 подается воздух, нагреваемый в калорифере 17. Для равномерной
сушки целлюлозы используется механической размешивающее устройство 38, работающее от электродвигателя 40 через редуктор 39. Высушенная целлюлоза попадает по линии отвода готового продукта 41 в приемник готового продукта 29. Волокна целлюлозы, унесенные воздушным потоком, улавливаются циклоном 19, и, осаждаясь, также попадают в приемник готового продукта 29. Подача воздуха регулируется шиберной заслонкой 27.
Древесное сырье под действием температуры распадается на следующие составляющие:
1.Жидкие продукты (появляются при температуре 220 градусов): моно - и олигосахариды, низкомолекулярный лигнин, уксусная кислота, фурфурол, примеси метанола, изопропанола, пропионовой кислоты, гидроксиметилфурфурол. Суммарное количество жидких веществ 15-17%, при температуре 220 градусов. С понижением температуры выход водорастворимых веществ понижается, с увеличением температуры увеличивается.
Моносахара (31-50% от выхода жидких продуктов) состоят из: арабинозы (0,02-
0,4%), ксилозы (1,84-2,82%), глюкозы (1,65-3,45%), маннозы (0,18-0,87%). Разрыв глико-
зидных связей в молекулах легкорастворимых гемицеллюлоз происходит по схеме: из пен-тозанов получается арабиноза и ксилоза, из гексозанов - глюкоза, манноза.
Катализатором процесса автогидролиза является уксусная кислота, которая образуется в результате отщепления ацетильных групп от макромолекул ксиланов и маннанов.
Примеси изопропанола и пропионовой кислоты имеют низкое содержание из-за того, что часть пропильных групп древесины входит в состав лигнина, который является более термостабильным. Количество жидких веществ при повышении температуры до 240 градусов увеличивается до 21,4%.
2. Твердый продукт - целлюлоза. Содержание целлюлозы не изменяется, так как она является представителем трудногидролизируемых полисахаридов и в меньшей степени подвергается деструкции при данных параметрах процесса. Содержание целлюлозы с увеличением температуры несколько увеличивается, чему способствует расщепление гемицеллюлоз. Увеличение составляет от 43-47% до 48-49%. В данных условиях закономерными являются процессы деструкции, приводящие к тому, что определенная часть низкомолекулярного лигнина становится растворимой даже в воде.
Все эти превращения происходят в реакторе на протяжении всего времени выдержки. Далее прогидролизованная древесина по выходному шнеку 7 снова уплотняется, что обеспечивает герметичность реактора. Режимные параметры доводятся до максимальных: температура до 240-250 градусов, давление 30-40 атм. Выдержка этих параметров производится в течение 2-3 минут. Затем с помощью клапана 8 происходит сброс давления до атмосферного в течение 7-10 секунд. При выходе прогидролизованного материала из затвора в приемный резервуар 9, работающий при атмосферном давлении, происходит вскипание влаги, содержащейся в измельченном материале. Данный процесс сопровождается значительным увеличением количества образующейся паровой фазы, в результате чего в толще материала наблюдается быстрый подъем избыточного давления. Давление пара внутри материала на выходе из реактора превышает внешнее давление, это приводит к возникновению фильтрационного потока, направленного к поверхности частиц, и вызывает растяжение и, как следствие, разрыв и измельчение частиц. Таким образом, в результате декомпрессионного парового взрыва образуется волокнистая масса, которая освобождается от лигнина в резервуарах 9,10.
Продолжительность экстракции составляет 40-50 минут. В результате из массы выделяется лигнин и образуются растворы сахаров, которые смешиваются с растворами, полученными при распаде гемицеллюлоз в реакторе. Эти растворы сахаров отделяются от практически очищенной гидролизатмассы путем слива через дно в приемную емкость 21 и направляются в секцию переработки растворов сахаров для получения спиртов и других продуктов.
Разработка безотходной технологии и усовершенствованием системы газоочистки являются на сегодняшний день актуальными задачами лесоперерабатывающей промышленности.
Литература
1. Гравитис, Я.А. Теоретические и прикладные аспекты метода взрывного автогидролиза растительной биомассы / Я.А.Гравитис // Химия древесины. - 1987. - № 5 - С.10-16.
2. Ефремов, А.А. Состав растительных полимеров древесного происхождения, получаемых в условиях взрывного автогидролиза / А. А.Ефремов // Химия растительного сырья. - 2003. - №2 -С.54-58.
3. Калейне, Д.А. Высокотемпературный автогидролиз древесины. Автогидролиз березовой древесины / Д.А.Калейне // Химия древесины. - 1990. - № 3. - С. 101-107.
4. Калейне, Д.А. Высокотемпературный автогидролиз древесины. Сопоставление поведения древесины основных пород ЛатвССР / Д.А.Калейне // Химия древесины. - 1990. - № 3. - С. 89-95.
5. Дудкин, М.С. Гемицеллюлозы / М.С.Дудкин - Рига: Зинатне,1991. - 488 с.
6. Зиатдинова Д.Ф. Совершенствование технологии извлечения жирных кислот из соапстока / Д.Ф.Зиатдинова, Н.Ф.Тимербаев, Р.Г.Сафин, А.Н.Смирнова // Известия высших учебных заведений. Химия и химическая технология - 2009 - том 52 - №5 - С. 109-111.
7. Сафин Р.Г. Совершенствование технологических процессов, сопровождающихся выбросами токсичных веществ / Р.Г. Сафин, Д.Ф.Зиатдинова, Н.Ф.Тимербаев, В.Н.Башкиров, А.Ш.Беляев // Вестник КГТУ -2002. - С.68-72.
© Д. Ф. Зиатдинова - канд. техн. наук, доц. каф. переработки древесных материалов КГТУ, ziatdinova@rambler.ru; Р. Г. Сафин - д-р техн. наук, проф. каф. переработки древесных материалов КГТУ; М. А. Мазохин - асп. той же кафедры; Р. Р. Зиатдинов - асп. той же кафедры; Д. А. Ахметова - канд. техн. наук, доцент той же кафедры.
