Литература.

1. Федотьев И.П. и др. Прикладная электрохимия. – Л.: Химия, 1967, с.75 – 81, 181 – 188.

2. Мухленов И.П. и др. Практикум по общей химической технологии. – М.: Высшая школа, 1973, с.266 – 274.

Лабораторная работа № 3 Сухая перегонка древесины

1. Цель работы

Ознакомление с процессом пиролиза древесины, составление материального баланса процесса, расчет выхода продуктов пиролиза.

2. Теоретические сведения

Сухая перегонка (или пиролиз) древесины – это процесс разложения древесины при нагревании без доступа воздуха.

Как и другие процессы пиролиза, сухая перегонка древесины представляет собой сложный гетерогенный высокотемпературный процесс.

В результате перегонки получаются обогащенный углеродом твердый продукт (древесный уголь), жидкие продукты (смолы, вода, метиловый спирт, уксусная кислота, ацетон и др.) и газы (оксид и диоксид углерода, метан, водород и др.). Характер и свойства выделяющихся в ходе пиролиза продуктов определяются температурой нагрева древесины.

При температуре 100 – 170^оС наблюдается слабое разложение древесины и выделяются водяные пары.

В интервале 170 – 270^оС происходит ускорение процесса, наблюдается заметное разложение древесины с выделением небольшого количества уксусной кислоты и газа, состоящего на одну треть из оксида углерода и на две трети из диоксида углерода.

При температурах до 270^оС процесс разложения древесины идет с поглощением тепла. При температурах выше 270^оС начинают протекать экзотермические процессы, приводящие к быстрому обугливанию древесины

В интервале 280 – 380^оС происходит обильное выделение паров уксусной кислоты, метилового спирта, ацетона, а также легкой смолы и углеводородов. При температурах 380 – 500^оС выделяются газообразные продукты и образуется небольшое количество тяжелой смолы. В газообразных продуктах уменьшается содержание оксида и диоксида углерода и возрастает содержание углеводородов (метан, этан, этилен и др.).

В интервале 500 – 700^оС происходит разложение летучих продуктов с образованием водорода (раскаленный уголь катализирует этот процесс).

На практике обычно ограничиваются нагреванием древесины до 400 – 450^оС. Парогазовая смесь при охлаждении разделяется на конденсат и неконденсирующиеся газы. Конденсат при отстаивании образует два слоя: смолу и водный конденсат. Лиственные породы дают смолу более тяжелую, чем водный конденсат, который в связи с этим называется надсмольной водой. Хвойные породы, наоборот, дают более легкую смолу и соответственно надсмольную воду.

Основные компоненты конденсата: вода, растворенная смола, уксусная кислота, ацетон, метиловый и аллиловый спирты, альдегиды, метилацетон. Наибольший практический интерес представляют метиловый спирт и уксусная кислота. В конденсате лиственных пород содержится около 3% метилового спирта и до 10% уксусной кислоты. В конденсате хвойных пород содержится до 1,5% метилового спирта и до 4% уксусной кислоты (от массы древесины).

Смола представляет собой жидкость от желтого до черного цвета. Она содержит алифатические углеводороды, фенолы, терпены и т.п. Смола хвойных пород содержит скипидар и продукты перегонки канифоли, отсутствующие в смоле лиственных пород. Из смолы получают ценные продукты: креозот, гваякол, терпены и др.

Выход продуктов сухой перегонки зависит от скорости подъема температуры, т.е. от продолжительности процесса. При медленном нагреве возрастает количество вторичных реакций, что уменьшает выход смолы и увеличивает выход угля.

Твердая фаза (древесный уголь) состоит из углерода, неорганических веществ (зола) и остаточного количества летучих. Состав угля мало зависит от породы древесины. Древесный уголь используется для получения активных углей, широко использующихся в качестве адсорбентов, а также как топливо и восстановитель.

3. Схема экспериментальной установки

Экспериментальная установка для сухой перегонки древесины (рис.3.1.) состоит из электрической печи (1) со съемной крышкой (2), в которую помещается контейнер (3) с опилками. Нагрев печи осуществляется электрической спиралью (4). Подаваемое на спираль напряжение регулируется автотрансформатором (5). Температура в печи измеряется термопарой (6) с измерительным прибором (7). Газопаровая смесь, выходящая из печи, охлаждается в холодильнике (8). Жидкие продукты собираются в колбе-сборнике (9), установленном в сосуде с водой (10), несконденсировавшиеся газы собираются в газометре (11), снабженном манометром (12), вытесняя из него раствор через кран (13) в сливной сосуд (14).

4. Методика выполнения работы

Предварительно очищенный контейнер (3) взвешивается на техно-химических весах, заполняется опилками, снова взвешивается и устанавливается в печь (1). Печь закрывается крышкой (2) с помощью зажимов. Сборник жидких продуктов (9) также взвешивается и подсоединяется к холодильнику (8) и газометру (11), заполненному раствором хлорида натрия.

Рис. 3.1 Схема установки для сухой перегонки древесины

1 – электрическая печь, 2 – крышка, 3 – контейнер, 4 – электро- нагреватель, 5 – автотрансформатор, 6 – термопара, 7 – измерительный прибор, 8 – холодильник, 9 – сборник жидкости, 10 – сосуд с водой, 11 – газометр, 12 – манометр, 13 – кран, 14 – сливной сосуд.

Собранная установка проверяется на герметичность. Для этого открывается кран (13) и ведется наблюдение за показаниями манометра (12). Если вакуум, полученный при вытекании жидкости из газометра, устойчиво сохраняется после закрывания крана (13), установка считается герметичной.

Если установка герметична, включается электрообогрев печи и ведется наблюдение за изменением температуры, выделением газов и паров, при этом с помощью крана (13) регулируется сток жидкости из газометра таким образом, чтобы в нем поддерживался небольшой вакуум 3–5 мм водяного столба.

По достижении температуры 400^оС электрообогрев печи отключается, и печь охлаждается до температуры 100^оС, после чего крышка печи открывается, контейнер извлекается из печи, охлаждается до комнатной температуры и взвешивается.

Сборник жидкости отсоединяется от холодильника и газометра и взвешивается.

5. Методика обработки экспериментальных данных

Масса угля и жидких продуктов перегонки определяется по разности взвешиваний контейнера и колбы до и после эксперимента.

Объем газообразных продуктов перегонки определяется по объему жидкости, вытекшей из газометра в сливной сосуд (13), и приводится к нормальным условиям с учетом температуры и барометрического давления в помещении.

Масса газа () определяется по формуле:, (3.1)

где объем газообразных продуктов, приведенный к нормальным условиям (дм³),

плотность газообразных продуктов при нормальных условиях.

Плотность газообразных продуктов определяется с учетом их состава (2/3 объема – СО₂и 1/3 объема – СО), при этом1,977 г/дм³,1,250 г/дм³.

По полученным результатам составляется материальный баланс процесса:

, (3.2)

где масса загруженных опилок,

масса полученного твердого продукта (угля),

масса жидких продуктов,

масса выделившихся газов.

Выход отдельных продуктов рассчитывается по отношению к массе исходной древесины:

%. (3.3)

Результаты расчетов оформляются в виде таблицы материального баланса.

1. Техника безопасности

1. Установка должна располагаться в вытяжном шкафу или иметь местную вытяжку.

2. Корпус электрической печи должен иметь защитное заземление.

3. Нельзя прикасаться руками к деталям корпуса электрической печи, не имеющим тепловой изоляции.

7. Контрольные вопросы

1. Что такое сухая перегонка древесины?

2. Дать характеристику твердого продукта перегонки, назвать области применения древесного угля.

3. Жидкие продукты перегонки, их характеристика и использование.

4. Газообразные продукты перегонки, их состав.