Контрольная работа по "Химической технологии древесины"

В обычных наших древесных породах содержание экстрактивных веществ невелико, в среднем 2—4%. Исключением является дуб, древесина которого содержит значительное количество дубильных веществ. Однако, несмотря на небольшое содержание, экстрактивных веществ, роль их в древесине очень велика. Они придают древесине цвет, запах, вкус, иногда токсичность. От присутствия экстрактивных веществ зависит сопротивление древесины нападению насекомых, поражению грибами, гниению.

Природа экстрактивных веществ  очень разносортна. Они включают в себя почти все классы органических соединений. Иногда экстрактивные вещества в промышленности химической переработки древесины оказываются вредными (смоляные затруднения в целлюлозно-бумажномпроизводстве), но чаще они находят применение и, дают ценные продукты. Наиболее большое значение имеют древесные смолы (смоляные кислоты), танниды (дубители) и эфирные масла (терпены, их производные). Кроме того, к экстрактивным веществам относятся красители, камеди (водорастворимые соединения углеводного характера), трополоны, жиры и жирные кислоты, фитостерины, алифатические углеводороды, циклические спирты, алкалоиды, белки, соли органических кислот и др.

Ни одна из пород древесины  не содержит весь комплекс экстрактивных веществ, но, как правило, экстрактивные вещества родственных древесных пород обычно подобны по составу. Следует также заметить, что распределение экстрактивных веществ существенно колеблется внутри самого дерева. Сахара и резервные питательные вещества, как и крахмал и жиры, находятся в заболонной древесине, а фенольные вещества обычно концентрируются в ядровой части. Различное содержание этих веществ наблюдается как по высоте ствола дерева, так и в древесине ствола и ветвей. Определенное различие в составе экстрактивных веществ имеется и в микроскопической структуре древесины. Жиры находятся в паренхимных клетках, особенно в клетках лучевой паренхимы, а смоляные кислоты накапливаются в смоляных ходах. Некоторые части дерева иногда имеют повышенное содержание экстрактивных веществ, например кора многих древесных пород, корни и др.

Для экстрактивных веществ древесины вследствие их разнообразия и сложности строения некоторых из них практически невозможно предложить единую классификацию. При подразделении их на отдельные группы обычно используют особенности химического строения и некоторые физические свойства. Поскольку состав экстрактивных веществ чрезвычайно разнообразен и количественное выделение отдельных компонентов связано с большими трудностями, в анализе древесины принято определять общее количество экстрактивных, веществ, растворимых в органических растворителях, и общее количество веществ, растворимых в воде. При специальном изучении экстрактивных веществ проводят более детальное исследование с разделением их на фракции и выделением отдельных компонентов.

Состав извлекаемых  из древесины веществ зависит  от применяемого растворителя и условий экстракции. Поэтому экстрактивные вещества принято классифицировать по группам на основании последовательности их удаления. Очень часто при анализе экстрактивных веществ используют следующую классификацию: 1) летучие с паром, 2) растворимые в органических растворителях, 3) растворимые в воде.

Наиболее часто экстракцию древесины проводят холодной или горячей водой и такими органическими растворителями, как эфир, спирт, спиртобензольная смесь. При обработке водой извлекаются крахмал, пектины, неорганические соли, некоторые полисахариды, циклические спирты, красители, танниды и т. п. Органическими растворителями извлекаются жиры, смоляные и жирные кислоты, эфиры этих кислот, смолы, фитостерины, воски и т. п.

     7 Что представляет собой гидролизат, какие основные химические соединения входят в его состав

Гидролиз– наиболее перспективный метод химической переработки древесины, так как в сочетании с биотехнологическими процессами позволяет получать кормовые и пищевые продукты, биологически активные и лекарственные препараты, мономеры и синтетические смолы топливо для двигателей внутреннего сгорания и разнообразные продукты для технических целей. Промышленное производство микробной белковой биомассы организовано на основе переработки углеводного и углеводородного сырья. Кормовые дрожжи вырабатываются с использованием следующих видов углеводного сырья: гидролизатов древесины и растительных отходов сельскохозяйственного производства и обесспиртованной барды гидролизно-спиртового производства, сульфитных щелоков и предгидролизатов сульфатно-целлюлозного производства.

    Гидролизное производство основано на способности древесных полисахоридов расщеплятся под действием миниральных кислот с присоединением воды и образованием сахаров. Образующиеся в процес се гидролиза сахара когут бать переработаны по разным схемам с получением разнообразной продукции. Гидролиз древесины можно осуществить с использованием концентрированных или разбавленныхминеральных кислот.

Гидролизаты, получаемые при перколяционном гидролизе растительных тканей, представляют собой разбавленные растворы смеси моносахаридов, содержащие ряд примесей различного происхождения:

• продукты неполного гидролиза углеводов (целлодекстрины, ксилодекстрины, олигосахариды, целлобиозы);
• продукты распада Сахаров (фурфурол, оксиметилфурфурол, муравьиная кислота, гуминовые вещества);
• неуглеводные компоненты растительной ткани (уксусная кислота, метиловый спирт, скипидар, формальдегид, низкомолекулярные фракции лигнина);
• катализатор (серная кислота и продукты ее взаимодействия с зольными элементами сырья).

        Содержание примесей в гидролизатах отрицательно сказывается на жизнедеятельности дрожжей при выращивании их на этих средах. Поэтому гидролизаты перед химической переработкой подвергают очистке. Для характеристики пригодности гидролизатов применяют показатель биологической доброкачественности гидролизатов, под которым понимают отношение содержания в гидролизате основного продукта к общему содержанию сухих веществ. Следовательно, снижение содержания примесей в гидролизатах повышает их биологическую доброкачественность.

Снижение содержания декстринов (целло- и ксилодекстринов, олигосахаридов и целлобиоз) в гидролизате достигается в процессе инверсии после выдачи из гидролизаппарата. Проведение этого процесса преследует две цели: снижение содержания примесей и повышение содержания моносахаридов, в которые превращаются декстрины. Одновременно снижается также содержание оксиметилфурфурола, лигногуминовых веществ и других примесей.

Основной характеристикой  гидролизатов является содержание в  них редуцирующих веществ (РВ), под  которыми понимают всю сумму органических соединений, обладающих восстанавливающей способностью: моносахариды и некоторые примеси, фурфурол, оксиметилфурфурол, формальдегид и лигногуминовые вещества. В связи с тем, что величина РВ примерно соответствует содержанию моносахаридов в гидролизатах, она является основным показателем химико-технологического контроля производственной деятельности гидролизного завода. Концентрация РВ в гидролизатах зависит от вида сырья и режима его гидролиза и находится в пределах 2,5-3,5 %.

Состав моносахаридов  гидролизатов зависит от вида растительного  сырья и в основном соответствует  составу содержания в них полисахаридов.

Глюкоза, галактоза и  манноза относятся к сбраживаемым сахарам, из которых при спиртовом  брожении продуцируется этиловый спирт. В гидролизатах хвойных пород древесины содержится 75-90 % сбраживаемых Сахаров, а в гидролизатах сырья богатого пентозанами 45-60 %.

8 Компоненты, входящие в состав парогазов пиролиза, их использование и утилизация

           В результате пиролиза древесины образуются следующие первичные продукты: нелетучий остаток - древесный уголь и парогазовая смесь, которая после охлаждения в конденсационной системе делится на водный конденсат, называемый жижкой, и некондеисируемые в этих условиях газы.  
          Газы пиролиза древесины содержат диоксид и оксид углерода, метан, непредельные углеводороды и водород. Состав газов, выделяющихся в ходе пиролиза, сильно меняется. В начальный период выделяются газы с преимущественным содержанием диоксида (до 75 %) и оксида углерода.

          По мере повышения температуры содержание диоксида углерода падает и увеличивается содержание горючих компонентов — вначале оксида углерода, а затем метана, непредельных углеводородов и водорода; теплота сгорания газа повышается. Неконденсируемые газы используются исключительно в виде дополнительного топлива для сушки и пиролиза древесины. 

Пиролиз древесины также  называется сухой перегонкой или  «варением угля». Основной целью  этой процедуры является получение  древесного угля в виде твердого сухого остатка, а также попутных продуктов в виде пиролизной жидкости (жижки) и парогазов. Выделяющийся при реакции газ прекрасно горит и может быть использован для получения тепловой энергии.

В результате переугливания  березовой древесины на выходе получается в абсолютных цифрах около 25 процентов древесного угля, 50 процентов – жидкие продукты и еще 20-25 процентов газообразные вещества, в том числе неконденсируемые газы. В зависимости от породы и влажности исходного сырья эти данные могут незначительно отличаться.

Пиролизная жидкость содержит более 350 полезных химических компонентов, которые могут быть выделены путем различных преобразований. Это, в первую очередь, различные  кислоты: уксусная, муравьиная, валерьяновая и т.д. Спиртовая группа представлена метанолом. Также присутствуют формальдегид, ацетон, вещества эфирной группы. По массе жижка содержит 60-80 процентов воды, 5-15 процентов древесных смол, до 10 процентов веществ кислотной группы, около 5 процентов метанола и примерно 5 процентов соединений остальных групп.

При соблюдении технологии производства уголь из всех пород  имеет практически одинаковый состав органической массы, но разную плотность  – это порядка 80-85 процентов углерод, а также водород и кислород 4-5 и 5-15 процентов соответственно. При этом содержание углерода можно повысить практически до 99 процентов за счет прокаливания древесного угля при более высоких температурах, однако при этом существенно уменьшается его выход. Зольность древесного угля регулируется ГОСТом и не должна превышать 3 процентов для углей марок А, Б, и 4 процентов для марки В. В состав золы входят минеральные примеси, состоящие главным образом из карбонатов и оксидов натрия, калия, кальция, железа, алюминия и т.д.

Процесс пиролиза древесины  позволяет выделить несколько стадий, характеризующихся прохождением определенных физических и химических реакций. К первой стадии относится подсушивание древесины. На этой фазе необходим подвод теплоносителя, обеспечивающий равномерный прогрев всей массы сырья, с эффективным удалением воды. Процесс протекает при температурах 130-150 градусов и имеет важное влияние на результирующее качество древесного угля.

Термический распад древесины  начинается после сушки и происходит в температурном режиме 150-275 градусов. Эта стадия пиролиза протекает также с внешним подводом тепла и сопровождается выделением из древесины наименее стойких компонентов. Выделяется углекислый газ, уксусная кислота и другие вещества. При температуре 275-290 градусов начинается экзотермический период, сопровождающийся энергичными реакциями и активным выделением тепла. Температуры на этой стадии возрастают до 350 градусов. Происходит распад основных элементов древесины, выходит большое количество газов, углеводородов, эфирных соединений, кислот, метанола. Стадия прокаливания древесного остатка начинается от 350 градусов. Ее окончание обычно не превышает 450-550 градусов, в зависимости от технологического процесса. Поднимать температуру выше имеет значение только для получения угля с более высоким содержанием углерода, однако при этом существенно снизится его выход. На этой стадии из угля удаляются тяжелые смолы, а также неконденсируемые газы.

9 Живица основные группы химических соединений, входящих в её состав. Как заготавливают живицу

Вытекающая из смоляных ходов при ранениях дерева сосновая живица представляет собой (раствор) прозрачную слоистую жидкость с приятно сосновым запахом. Летучими или эфирными, маслами называют содержащиеся в древесине вещества, которые имеют температуру кипения выше 100°С, но летучи при комнатной температуре и способны перегоняться с паром- это скипидар.

Из-за испарения скипидара  и кристаллизации смоляных кислот живица густеет, становится мутной, непрозрачной и вязкой. Она всегда содержит примеси  – сор, воду.

Переработка живицы включает две стадии процесса: на первой происходит удаление из живицы сора и воды, получаемая при этом очищенная и расплавленная живица называется терпентином; на второй производят отгонку летучей части (скипидара) от нелетучих смоляных кислот. При этом происходит сплавление смоляных кислот с другими твердыми не летучими компонентами живицы. Получаемый продукт называется живичной канифолью.

Основным сырьем для химической переработки канифольно-терпентинных предприятий является живица сосны. В химическом отношении живица представляет собой раствор твердых изомерных смоляных кислот общей формулой С₂₀Н₃₀О₂ и неомыляемых веществ в смеси терпеновых углеводородов общей формулой C₁₀H₁₆. Доля в живице терпеновых углеводородов, находящихся в смоляных каналах в момент вытекания, доходит до 36%, и смоляные кислоты полностью в них растворены. Только что вытекшая из смоляных ходов живица представляет собой легкоподвижную светлую, прозрачную жидкость. На воздухе, особенно в жаркую влажную погоду, легколетучие компоненты живицы быстро улетучиваются из образовавшегося пересыщенного раствора, смоляные кислоты выкристаллизовываются, живица становится густой. При длительном пребывании на воздухе живица затвердевает и превращается в 6appac.