close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Разработка новой технологии получения термодревесины..pdf

код для вставкиСкачать
ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ
УДК 674.04
Р. Р. Сафин, Е. А. Белякова, Е. Ю. Разумов
РАЗРАБОТКА НОВОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕРМОДРЕВЕСИНЫ
Ключевые слова: энергосберегающие технологии, низкосортная древесина,
термомодифицирование.
В статье описана энерго- и ресурсосберегающая технология
термомодифицирования древесины, представлены технологические режимы
получения термодерева и химический анализ состава древесины при разных
температурных режимах обработки
Keywords: power saving up technologies, low-grade wood, thermomodifying.
In article it is described power- and resource-saving technology of
thermomodifying of wood, technological modes of reception of a thermotree and the
chemical analysis of structure of wood are presented at different temperature modes
of processing
Современные деревообрабатывающие предприятия, будучи энергоемкими и
материалоемкими, нацелены на повышение коэффициента использования древесины
местных и импортных пород и энергетической эффективности производственного
процесса, что требует разработки энергосберегающих технологий переработки древесины,
позволяющих пересмотреть вопросы использования древесины, в том числе и
низкосортной. Такой инновационной энергосберегающей технологией на сегодняшний
день может стать термомодифицирование, в результате которого древесина не только
сохраняет ценные качества традиционного материала, но и приобретает новые свойства,
расширяющие возможности ее применения.
Одной из первых технологий термической обработки древесины в промышленных
масштабах можно обозначить обработку древесины в паровоздушной среде при
температуре 200–240 °C в течение 24 ч, освоенную в Финляндии в середине 90-х годов ХХ
века и применяемую на сегодняшний день в России [1]. Также известна французская
технология
Retification
(технологией
паростабилизации),
при
которой
термомодифицирование ведется при температуре 220–250 ºС в среде перегретого водяного
пара, длительность обработки составляет 12 ч. В основе немецкой технологии лежит
сушка древесины в жидких органических веществах, где в качестве защитной среды
используются различные растительные масла, термообработка ведется при четырех
температурных режимах, в течение 18–20 ч.
При этом важным негативным фактором современных технологий термообработки
древесины, сдерживающим их распространение в России, является применение
перегретого водяного пара или жидкой среды для подвода тепловой энергии и защиты
материала от кислорода, что приводит к высоким энергозатратам и быстрому износу
дорогостоящего оборудования вследствие воздействия высокотемпературной агрессивной
157
среды.
Для решения данной задачи нами предложено использовать вакуумнокондуктивные
сушильные
камеры,
возможность
применения
которых
для
трмомодифицирования древесины до сих пор не была исследована. При этом
использование вакуума позволит избежать воспламенения древесины и существенно
снизить энергозатраты вследствие предотвращения тепловых потерь в окружающую среду,
а применение контактного метода подвода теплоты позволит значительно
интенсифицировать процесс [2].
Для проведения вакуумно-кондуктивной сушки и термомодифицирования древесных
пиломатериалов разработана пресс-вакуумная установка (рис. 1), работающая следующим
образом: штабель в камере сушки формируется по принципу чередования нагревательных плит
и высушиваемых образцов древесины, заданных форм и размеров, затем производится
герметизация вакуумной камеры и начинается вакуумно-кондуктивная сушка с периодическим
подводом тепла при влажности древесины более 8-10 % или непосредственно
термомодифицирование древесины при начальной влажности древесины менее 8 %.
При вакуумно-кондуктивной сушке с периодическим подводом тепла процесс
протекает в две стадии – прогрева пиломатериала и вакуумирования. Прогрев материала
происходит от перфорированных металлических нагревательных плит (см. рис. 1, б).
После достижения в центре материала определенной температуры, регистрируемой с
помощью установленных в древесине трех термопар, нагревательные плиты отключаются,
и осуществляется стадия вакуумирования. Выдержка под вакуумом производится до
снижения температуры в центре пиломатериала до заданного значения. После окончания
стадии вакуумирования в камеру нагнетается атмосферный воздух и начинается стадия
прогрева пиломатериала. Создание воздушной среды в камере в процессе прогрева
древесины осуществляется с целью снижения испарения влаги с поверхности материала и,
как следствие, возможности повышения температуры древесины до более высоких
значений. Таким образом осуществляется чередование стадий прогрева высушиваемой
древесины и вакуумирования до достижения влажности древесины 8–10 %. После чего
начинается процесс вакуумно-кондуктивного термомодифицирования древесины. Для
этого температуру нагревательных плит повышают до 180–240 С в зависимости от
требуемой степени обработки по следующему логарифмическому закону:
ln(T/) = 1,58 - 2,004ln(s/2) + 35096,5/2,
где s – толщина образца, мм;  – базисная плотность древесины, кг/м3; ∆Т/∆τ – изменение
температуры в единицу времени, К/сек.
После достижения средней температуры обрабатываемой древесины заданного
значения происходит выдержка материала в вакууме при работающих нагревательных
плитах – осуществляется непосредственно термическое модифицирование древесины,
продолжительность которого определяется установленным качеством конечного продукта.
После окончания процесса термомодифицирования выключаются нагревательные
элементы и водокольцевой вакуумный насос, и осуществляется подача водяного пара из
парогенератора в камеру – начинается процесс охлаждения и конечная термовлажностная
обработка материала. Завершается процесс разгерметизацией камеры и извлечением
материала с последующим его кондиционированием в условиях рабочего помещения.
Для неавтоматизированного управления процессами вакуумно-кондуктивной сушки
пиломатериалов были разработаны технологические режимы в зависимости от толщины и
влажности материала, представленные в таблице 1.
158
а
б
Рис. 1 - Установка вакуумно-кондуктивной сушки и термомодифицирования
пиломатериалов: а - внешний вид, б - расположение нагревательного кабеля и
термопары
В натуральной древесине, подвергнутой тепловой обработке без доступа кислорода
воздуха протекают различные химические изменения, для их изучения были проведены
исследования полученных образцов термодревесины на ИК-Фурье-спектрометре Avatar360 фирмы ThermoNicolet (CША) в диапазоне частот от 400 до 4000 см-1 c программным
обеспечением OMNIC. ИК-спектральный анализ показал, что воздействие температур в
диапазоне до 160 С, продолжительностью до 8 ч практически не вызывает химических
превращений в древесине: ИК-спектры натуральной древесины, высушенной по
нормальным режимам, и термодревесины, подвергнутой тепловой обработке при 160 С,
идентичны.
159
Таблица 1 - Режимы вакуумно-кондуктивной
периодическим подводом тепловой энергии
Влажность
пиломатериалов, %
сушки
пиломатериалов
с
Параметры процесса (t, Сº; P, кПа) при толщине
пиломатериала
дуб до 32 мм
береза 40 – 60 мм
прогрев
дуб 32 – 50 мм
береза 60 – 75 мм
вакуум
прогрев
вакуум
Ратм
tcp
Рост
, ч
Ратм
tcp
Рост
, ч
>60
100
92
10
2,5
100
91
10
4,8
<60
100
89
10
2,9
100
88
10
5,5
<40
100
85
10
3,4
100
84
10
6,4
<25
100
80
65-20
3,9
100
79
80-30
7,4
<20
100
80
65-20
4,5
100
75
75-20
8,5
<15
100
80
65-20
5,2
100
75
75-20
9,6
Заметные изменения в полосе инфракрасного поглощения начинают происходить
при воздействии на древесину сосны температуры 200 С более одного часа.
Представленные ИК-спектры образцов, подвергнутых тепловому воздействию в 200 С на
протяжении 1, 2, 3 и 4 часов, различаются в области 2940-2835 см-1 и 1730-1590 см-1.
Сопоставительный анализ ИК-спектров образцов сосны, полученных при различных
температурах обработки выявил, что полоса поглощения в области 2800 – 3000 см-1,
соответствующая валентным колебаниям СН-групп, видоизменяется при повышении
температуры более 200 С (рис. 2, а). Это объясняется разложением гемицеллюлоз,
температура деструкции которых варьируется в интервале от 200 до 260 С в зависимости
от условий процесса [3,4].
Анализ ИК-спектров образцов, подвергнутых тепловой обработке при температуре
220 С показал, что продолжительность обработки оказывает влияние на полосу
поглощения в области 1730-1590 см-1, что соответствует валентным колебаниям
диссоциированных и недиссоциированных карбоксильных групп (см. рис. 2, б).
Данное явление может носить несколько объяснений, главные из которых –
образование растворимых сахаров и изменение концентрации гидроксильной группы,
входящей в состав карбоксильных групп, что свидетельствуют о разложении
гемицеллюлозы.
Таким образом, изменения химического состава древесины в результате
термомодифицирования положительно влияют на показатели равновесной влажности,
твердости древесины при незначительном уменьшении прочности, существенно снижается
объем материала, чувствительного к грибку, что приводит к повышению показателей
биостойкости. С разложением гемицеллюлозы также снижается концентрация
водопоглощающих гидроксильных групп, что приводит к улучшению показателей
формоустойчивости обработанной древесины.
160
а
б
Рис. 2 - Видоизменение полосы поглощения: а - в области 2800–3000 см-1 при
воздействии повышенных температур: 1 – 200 С, 3 ч; 2 – 200 С, 4 ч; 3 – 220 С, 2 ч; 4
– 240 С, 1 ч; 5 – 260 С, 1 ч; б - в области 1730–590 см-1 при воздействии повышенных
температур: 1 – 220 С, 1 ч; 2 – 220 С, 2 ч; 3 – 220 С
Исследования в области технологий и оборудования термообработки, позволяющей
значительно улучшить качественные характеристики древесины без применения
химических средств, в настоящее время ведутся многими ведущими в деревообработке
странами. Применение технологии вакуумно-кондуктивной сушки и термомодифицирования древесины, на сегодняшний день является принципиально новым направлением,
представляющим собой наиболее перспективное решение в области термообработки
древесины, за счет существенного сокращения продолжительности процесса по сравнению
с традиционной конвективной технологией и повышения качественных показателей
161
получаемого термодерева за счет равномерного и симметричного распределения
влажности по толщине материала.
Термомодифицирование древесины позволяет повысить ее биологическую
стойкость, уменьшить равновесную влажность и коэффициент разбухания древесины при
увлажнении, существенно понизить возможность проникновения воды в материал,
улучшить декоративные свойства. Технико-экономический анализ в свою очередь показал,
что вакуумно-кондуктивная технология термомодифицирования позволяет сократить
энергозатраты на проведение процесса более чем на 30 % за счет отсутствия
необходимости использования перегретого пара и практически полного отсутствия потерь
тепловой энергии в окружающую среду.
Литература
1. Шубин, Г.С. Сушка и тепловая обработка древесины / Г.С. Шубин. – М.: Лесн. пром-сть, 1990. –
336 с.
2. Сафин, Р.Р. Исследование совмещенной сушки-пропитки массивных капиллярно-пористых
коллоидных материалов / Р.Р. Сафин, Р.Г. Сафин, Н.Р. Галяветдинов, Р.М. Иманаев // Вест. казан.
гос. техн. ун-та. – 2006. - №6. – С.78-85.
3. Азаров, В.И. Химия древесины и синтетических полимеров: Учебник для вузов / В.И. Азаров,
А.В. Буров, А.В. Оболенская. - СПб.: СПбЛТА, 1999. - 628 с.
4. Кислицин, А.Н. Пиролиз древесины: химизм, кинетика, продукты, новые процессы /
А.Н. Кислицин. - М.: Лесная промышленность, 1990. - 311 с.
_______________________________________________
© Р. Р. Сафин - д-р техн. наук, проф., зав. каф. архитектуры и дизайна изделий из древесины
КГТУ; Е. А. Белякова – асс. той же кафедры; Е. Ю. Разумов – канд. техн. наук, доц. каф. каф.
архитектуры и дизайна изделий из древесины КГТУ, cfaby@mail.ru.
162
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
12
Размер файла
650 Кб
Теги
разработка, технология, pdf, термодревесина, получения, новое
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа