Просвирников Дмитрий Богданович. Переработка лигноцеллюлозной биомассы, активированной методом паровзрывной обработки

brief description

Просвирников Дмитрий Богданович. Переработка лигноцеллюлозной биомассы, активированной методом паровзрывной обработки: диссертация ... доктора Технических наук: 05.21.03 / Просвирников Дмитрий Богданович;[Место защиты: ФГБОУ ВО «Казанский национальный исследовательский технологический университет»], 2020

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«Казанский национальный исследовательский технологический
университет»
На правах рукописи

ПРОСВИРНИКОВ ДМИТРИЙ БОГДАНОВИЧ
ПЕРЕРАБОТКА ЛИГНОЦЕЛЛЮЛОЗНОЙ БИОМАССЫ,
АКТИВИРОВАННОЙ МЕТОДОМ ПАРОВЗРЫВНОЙ ОБРАБОТКИ
05.21.3 - Технология и оборудование химической переработки биомассы дерева; химия древесины
Диссертация на соискание учёной степени
доктора технических наук
Научный консультант - доктор технических наук, профессор, заслуженный изобретатель РФ
САФИН Р.Г.
Казань - 2019
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 7
I СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ НАУКИ И ТЕХНИКИ В 18
ОБЛАСТИ ХИМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ЛИГНО- ЦЕЛЛЮЛОЗНОЙ БИОМАССЫ
1.1 Лигноцеллюлозная биомасса и ее характеристики 18
1.2 Способы химической переработки лигноцеллюлозной 24
биомассы
1.2.1 Традиционные способы переработки 24
1.2.2 Способы активации лигноцеллюлозной биомассы 47
1.3 Теоретические аспекты процесса паровзрывной активации 59
лигноцеллюлозной биомассы
1.4 Аппаратурное оформление процесса активации 69
лигноцеллюлозной биомассы методом паровзрывной обработки Постановка задач исследований 75
II РАЗРАБОТКА ОБОБЩЕННОЙ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ 77
МОДЕЛИ ХИМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ
ЛИГНОЦЕЛЛЮЛОЗНОЙ БИОМАССЫ, АКТИВИ¬
РОВАННОЙ МЕТОДОМ ПАРОВЗРЫВНОЙ ОБРАБОТКИ
2.1 Физическая картина процессов и явлений, происходящих при 77
химической переработке лигноцеллюлозной биомассы,
активированной методом паровзрывной обработки
2.2 Формализация процессов и явлений, происходящих при 86
химической переработке лигноцеллюлозной биомассы,
активированной методом паровзрывной обработки
2.3 Математическая модель паровзрывной обработки 88 лигноцеллюлозной биомассы
2.4 Математическая модель процесса делигнификации 98 лигноцеллюлозной биомассы, активированной методом паровзрывной обработки
2.5 Математическая модель процесса получения МКЦ из 105
лигноцеллюлозной биомассы, активированной методом паровзрывной обработки
2.6. Обобщенная математическая модель химической переработки 109 лигноцеллюлозной биомассы, активированной методом паровзрывной обработки и алгоритм ее расчета
III РАЗРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОБОРУ- 117
ДОВАНИЯ И МЕТОДИК ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ХИМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ
ЛИГНОЦЕЛЛЮЛОЗНОЙ БИОМАССЫ, АКТИВИ¬РОВАННОЙ МЕТОДОМ ПАРОВЗРЫВНОЙ ОБРАБОТКИ
3.1 Экспериментальное оборудование для исследования процессов 117 химической переработки лигноцеллюлозной биомассы, активированной методом паровзрывной обработки
3.1.1 Экспериментальные стенды для исследования процесса 117
паровзрывной обработки лигноцеллюлозной биомассы
3.1.2 Экспериментальный стенд для исследования процесса 127
делигнификации лигноцеллюлозной биомассы, активированной методом паровзрывной обработки
3.1.3 Экспериментальный стенд для исследования процесса 132
получения МКЦ из лигноцеллюлозной биомассы, активированной методом паровзрывной обработки
3.1.4 Стандартное оборудование для исследования 135
3.2 Методики исследования процессов химической переработки 142
лигноцеллюлозной биомассы, активированной методом паровзрывной обработки
3.2.1 Методика исследования процесса паровзрывной обработки 142 лигноцеллюлозной биомассы
3.2.2 Методика исследования процесса делигнификации 149
лигноцеллюлозной биомассы, активированной методом
паровзрывной обработки
3.2.3 Методика исследования процесса получения МКЦ из 154
лигноцеллюлозной биомассы, активированной методом
паровзрывной обработки
IV МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ, ПРОТЕКАЮЩИХ 160
ПРИ ХИМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКЕ ЛИГНО-ЦЕЛЛЮЛОЗНОЙ БИОМАССЫ, АКТИВИРОВАННОЙ МЕТОДОМ ПАРОВЗРЫВНОЙ ОБРАБОТКИ
4.1 Анализ результатов математического моделирования и 160
экспериментальных исследований процесса паровзрывной
обработки лигноцеллюлозной биомассы
4.2 Анализ результатов математического моделирования и 191
экспериментальных исследований процесса делигнификации лигноцеллюлозной биомассы, активированной методом
паровзрывной обработки
4.3 Анализ результатов математического моделирования и 204
экспериментальных исследований процесса получения МКЦ из лигноцеллюлозной биомассы, активированной методом
паровзрывной обработки
V ПРОМЫШЛЕННАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ 215
ИССЛЕДОВАНИЙ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЙ И АППАРАТУРНОГО ОФОРМЛЕНИЯ ПРОЦЕССОВ ХИМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ЛИГНОЦЕЛЛЮ-
ЛОЗНОЙ БИОМАССЫ, АКТИВИРОВАННОЙ МЕТО¬ДОМ ПАРОВЗРЫВНОЙ ОБРАБОТКИ
5.1 Оценка научного потенциала метода паровзрывной обработки и 215
значимости полученных результатов 
219
219
226
232
243
243
248
253
262
262
289
Промышленная реализация метода паровзрывной обработки в технологическом процессе делигнификации лигноцеллюлозной биомассы, активированной методом паровзрывной обработки Технология и опытно-промышленная установка для делигнификации лигноцеллюлозной биомассы, активированной методом паровзрывной обработки
Инженерная методика расчета опытно-промышленного оборудования для делигнификации лигноцеллюлозной биомассы, активированной методом паровзрывной обработки Результаты опытно-промышленной реализации и
экономическое обоснование процесса
Промышленная реализация метода паровзрывной обработки в технологическом процессе получения МКЦ из лигноцеллюлозной биомассы, активированной методом паровзрывной обработки
Технология и опытно-промышленная установка для получения фильтрующего материала на основе микрокристаллической целлюлозы
Разработка способа и аппаратурного оформления для непрерывного получения порошковой целлюлозы Результаты опытно-промышленной реализации и
экономическое обоснование процесса
Перспективные направления практического применения метода паровзрывной обработки лигноцеллюлозной биомассы Получение кормовых компонентов на основе древесной зелени и лигноцеллюлозной биомассы, активированной методом паровзрывной обработки
Получение плитных и теплоизоляционных материалов с новыми свойствами на основе активированной 
лигноцеллюлозной биомассы
5.4.3 Ферментативный гидролиз активированной лигноцеллюлозной 292 биомассы с получением биогаза
5.4.4 Получение химических волокон из сырья, активированного 295 паровзрывной обработкой
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение А. Статистическая обработка расчетных и 347 экспериментальных данных
Приложение Б. Преобразования дифференциальных уравнений 372 математической модели в конечно-разностный вид Приложение В. Программа расчета процессов химической 374 переработки лигноцеллюлозной биомассы, активированной методом паровзрывной обработки
Приложение Г. Инженерная методика расчета опытно- 384 промышленной установки для получения кормовых компонентов на основе древесной зелени и лигноцеллюлозной биомассы, активированной методом паровзрывной обработки Приложение Д. Техническая документация 394
Приложение Е. Акты внедрения 414
Приложение Ж. Дипломы, сертификаты 427

bibliography

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Настоящая работа направлена на решение научной проблемы в области разработки высокоэффективных технологий глубокой химической переработки древесных отходов и растительной биомассы методом паровзрывной модификации в ценное сырье для химической, лесной, сельскохозяйственной и энергетической промышленности. Цель работы состоит в существенном повышении эффективности производственных процессов переработки лигноцеллюлозной биомассы, в частности процессов делигнификации и гидролиза, путем предварительной активации лигноцеллюлозной биомассы методом паровзрывной обработки.
По работе были сделаны основные выводы и рекомендации:
1. Идентификация физико-химической картины процессов и явлений, происходящих при переработке лигноцеллюлозной биомассы, активированной методом паровзрывной обработки, позволила разработать обобщенную математическую модель процессов переработки лигноцеллюлозной биомассы, активированной методом паровзрывной обработки, в целлюлозу и микрокристаллическую целлюлозу.
2. Разработанный обобщенный алгоритм расчета математической модели переработки лигноцеллюлозной биомассы, активированной методом паровзрывной обработки, с возможностью выбора дальнейшего направления применения модифицированного сырья, позволяет рассчитать режимные параметры и оборудование для процессов получения активированного лигноцеллюлозного материала, его делигнификации и гидролиза.
3. Создание экспериментальных стендов для исследования процессов и явлений, протекающих при переработке лигноцеллюлозной биомассы, активированной методом паровзрывной обработки, на которых был проведен комплекс экспериментальных исследований, позволило:
- получить научные знания о деструкции лигноуглеводного комплекса, изменении аморфно-кристаллической структуры растительного волокна, изменении теплофизических и прочностных свойств лигноцеллюлозной биомассы в условиях паровзрывной обработки;
- установить влияние режимов паровзрывной обработки (температура, давление, время обработки) и свойств активированного лигноцеллюлозного материала (компонентный состав, удельная поверхность) на характер протекания процессов делигнификации и гидролиза (выход целлюлозы, расход реагентов, продолжительность, константы скорости реакций), а также на свойства конечных продуктов (степень полимеризации, число Каппа, морфологическое строение), полученных в результате химической переработки активированного лигноцеллюлозного материала;
- доказать целесообразность использования активированного
лигноцеллюлозного материала, полученного после паровзрывной обработки древесины, в качестве сырья для получения целлюлозы и
микрокристаллической целлюлозы так как: делигнификация древесины, активированной паровзрывной обработкой, производится в 1,5-2 раза быстрее по сравнению с варкой щепы, при этом расход активных реагентов снижается на 15-20 %; гидролиз целлюлозы из активированной
лигноцеллюлозной массы, полученной методом паровзрывной обработки древесины, производится в 1,1-1,3 раза быстрее при равных условиях по сравнению с гидролизом сульфатной целлюлозы;
- разработать рекомендации по предварительной паровзрывной
обработке лигноцеллюлозной биомассы с целью интенсификации
технологических процессов делигнификации с получением целлюлозы и гидролиза с получением микрокристаллической целлюлозы:
• делигнификация: фракционный состав сырья - опилки, стружка; температура паровзрывной обработки - от 190 до 210 °С, время выдержки при заданной температуре - 2-5 минут, давление - от 1,3 до 1,9 МПа;
• гидролиз: температура пара - от 200 до 220 °С, давление - от 1,6 до 2,4 МПа, время выдержки при заданной температуре - от 3 до 5 минут.
4. Создание инженерных методик расчета технологического оборудования для проведения процессов переработки лигноцеллюлозной биомассы, активированной методом паровзрывной обработки, позволила осуществить промышленную реализацию результатов теоретических и экспериментальных исследований и конструкторских разработок, на основе которой были разработаны усовершенствованные ресурсо- и энергосберегающие технологии и высокоэффективные конструкции оборудования для реализации процессов паровзрывной обработки, получения сульфатной целлюлозы, получения микрокристаллической целлюлозы, получения кормовых продуктов.