Современные технологии сепарации неоднородных смесей при переработке древесных материалов

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 
Казанский национальный исследовательский 
технологический университет 
Р. Г. Сафин, Т. О. Степанова 
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 
СЕПАРАЦИИ НЕОДНОРОДНЫХ 
СМЕСЕЙ ПРИ ПЕРЕРАБОТКЕ 
ДРЕВЕСНЫХ МАТЕРИАЛОВ 
Учебное пособие 
Казань 
Издательство КНИТУ 
2022 

УДК 674.8:621.928(075) 
ББК 37.1я7 
С21 
Печатается по решению редакционно-издательского совета  
Казанского национального исследовательского технологического университета 
Рецензенты: 
канд. техн. наук, доц. Е. К. Воронин 
канд. техн. наук, доц. В. А. Салдаев 
С21 
Сафин Р. Г. 
Современные технологии сепарации неоднородных смесей при переработке древесных материалов : учебное пособие / Р. Г. Сафин, 
Т. О. Степанова; Минобрнауки России, Казан. нац. исслед. технол. 
ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2022. – 80 с. 
ISBN 978-5-7882-3208-9 
На основе анализа теоретических сведений по технологическим процессам и оборудованию деревоперерабатывающих производств рассмотрены современные технологии сепарации неоднородных смесей при переработке древесных материалов.  
Предназначено для бакалавров и магистров очной формы обучения 
направлений подготовки 35. 03.02, 35.04.02 «Технология лесозаготовительных 
и деревообрабатывающих производств», 15.04.02 «Технологические машины 
и оборудование», изучающих проектирование ресурсо- и энергосберегающих 
технологий, а также для научных работников и специалистов лесной промышленности, интересующихся проблемами проектирования технологий лесотехнического и энергетического направления.  
Подготовлено на кафедре переработки древесных материалов. 
УДК 674.8:621.928(075) 
ББК 37.1я7 
ISBN 978-5-7882-3208-9 
© Сафин Р. Г., Степанова Т. О., 2022 
© Казанский национальный исследовательский 
технологический университет, 2022 
2

С О Д Е Р Ж А Н И Е
Введение ...................................................................................................... 5 
1. НЕОДНОРОДНЫЕ СМЕСИ В ПРОЦЕССАХ
ДЕРЕВОПЕРЕРАБОТКИ 
........................................................................... 6 
1.1. Дистиляционные процессы при переработке древесных 
материалов............................................................................................... 6 
1.2. Реальные смеси. Фазовые диаграммы ........................................... 8 
2. ДИСТИЛЛЯЦИЯ .................................................................................. 10 
2.1. Простая перегонка ......................................................................... 10 
2.2. Ректификация 
................................................................................. 13 
Контрольные вопросы 
.......................................................................... 18 
3. ЭКСТРАКЦИЯ 
...................................................................................... 19 
3.1. Аппаратурное оформление процесса экстракции ...................... 20 
3.2. Экстракционные процессы на предприятиях ЛПК .................... 22 
3.2.1. Экстрагирование живицы ...................................................... 22 
3.2.2. Делигнификация технологической щепы ............................ 23 
3.2.3. Гидролиз древесины 
............................................................... 24 
Контрольные вопросы 
.......................................................................... 25 
4. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ 
........................................................................... 26 
4.1. Способ кристаллизации ................................................................ 28 
4.2. Аппаратурное оформление процесса кристаллизации .............. 30 
Контрольные вопросы 
.......................................................................... 33 
5. ХОЛОДИЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ .......................................................... 34 
5.1. Методы искусственного охлаждения .......................................... 35 
5.2. Аппаратурное оформление холодильных процессов 
................. 37 
5.2.1. Компрессорные холодильные машины ................................ 37 
5.2.2. Абсорбционные холодильные машины 
................................ 40 
5.2.3. Пароэжекторные холодильные машины .............................. 41 
3 

Контрольные вопросы 
.......................................................................... 43 
6. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ
ПЕРЕРАБОТКИ ДРЕВЕСНЫХ МАТЕРИАЛОВ .................................. 44 
6.1. Основы химической кинетики ..................................................... 45 
6.2. Механизм термического разложения древесины ....................... 48 
6.3. Термомодификация ....................................................................... 50 
6.4. Газификация 
................................................................................... 57 
6.5. Пирогенетическое разложение древесины 
.................................. 64 
Контрольные вопросы 
.......................................................................... 70 
Библиографический список ..................................................................... 74 
4 

В В Е Д Е Н И Е
Без закрепления знаний по теоретическим основам технологических процессов и оборудованию деревоперерабатывающих производств невозможно воспринять современные технологии сепарации неоднородных смесей при переработке древесных материалов и выбрать 
рациональные направления разработки перспективного оборудования. 
При переработке древесных материалов, особенно при химической переработке, возникают неоднородные смеси: генераторный газ, 
бионефть, воздух, водные вещества целлюлозы, экстракты и т. д. Для 
выработки из них конечных продуктов необходимо проводить сепарацию фаз, компонентов. Эти процессы изучаются в курсе «Современное 
состояние техники и технологии переработки древесных материалов».  
Курс «Современные технологии сепарации неоднородных смесей при переработке древесных материалов», будучи продолжением 
и развитием курса «Технологические процессы и оборудование деревоперерабатывающих производств», является инженерной дисциплиной, представляющей собой важный раздел подготовки инженернотехнологических работников для лесопромышленного комплекса. 
Он знакомит студентов с современным оборудованием для переработки растительных материалов, а также с научными разработками, 
проводимыми на кафедрах лесотехнического профиля Казанского 
национального исследовательского технологического университета. 
Предлагаемое учебное пособие позволит закрепить знания, полученные студентами на других лекционных курсах, ознакомиться с современными технологиями переработки древесных материалов и приступить самим к разработке новых технологий и аппаратурному оформлению к ним. Углубленные знания теоретических основ технологических 
процессов и соответствующего аппаратурного оформления позволит 
молодым специалистам легко адаптироваться к современным реалиям 
и быть успешными в любой отрасли деятельности. 
5

.  Н Е О Д Н О Р О Д Н Ы Е  С М Е С И  В  П Р О Ц Е С С А Х  
Д Е Р Е В О П Е Р Е Р А Б О Т К И  
К неоднородным смесям относятся: 
– суспензии (твердые вещества в жидкостях); 
– эмульсия (смесь двух жидкостей); 
– растворы (твердые вещества, растворенные в растворителях); 
– взаиморастворимые смеси (идеальные и реальные смеси); 
– ограниченно растворимые смеси. 
Сепарирование неоднородных смесей возможно за счет разности: 
– размеров частиц, молекул (фильтрацией, применением мембранных процессов); 
– плотностей компонентов (отстаиванием); 
– температур кипения компонентов (дистилляцией); 
– растворимости компонентов (экстракцией). 
В процессе переработки древесных материалов имеем дело с различными неоднородными жидкостями, такими как: лаки, суспензионная 
краска, эмульсионная краска, всевозможные растворители, экстракты, 
бионефть (жидкий продукт пиролиза древесины), растворы солей, кислот, 
щелочей, флавоноиды, живица и т. д. Для сепарации неоднородных смесей в зависимости от их свойств могут использоваться различные процессы: выпаривание, сушка, адсорбция, экстракция, фильтрация, мембранные процессы, отстаивание, дистилляция, кристаллизация. 
Фильтрацией могут сепарироваться суспензии (смесь твердых 
частиц и жидкости). Для сепарации экстрактов растворов солей используются мембранные процессы, выпаривание, кристаллизация. Для удаления растворителей из лаков, красок целесообразно применять сушку 
с лучистым теплообменом. 
Извлечение целевых компонентов из древесных материалов из 
бионефти возможно дистилляцией и экстракцией. 
1 . 1 .  Д и с т и л я ц и о н н ы е  п р о ц е с с ы  
п р и  п е р е р а б о т к е  д р е в е с н ы х  м а т е р и а л о в  
Дистилляция – это процесс разделения неоднородных жидких 
смесей, происходящий за счет разной летучести компонентов. 
6 

Коэффициент летучести определяется отношением давления 
насыщения более летучего компонента к давлению насыщения менее летучего компонента, поэтому коэффициент летучести больше единицы: 
1

=
НА
Р
Р

.   
  (1.1) 
НВ
При одной и той же температуре в паровом пространстве летучего компонента, имеющего более низкую температуру кипения, всегда будет больше. Если из парового пространства пар удалять конденсацией, то в дистилляте будет больше низкокипящего компонента.  
Идеальные смеси подчиняются закону Рауля: 
А
НА
А
х
Р
Р

=
. 
  (1.2) 
Рис. 1.1. Фазовые диаграммы идеальных (а) и реальных растворов 
с отрицательным (б) и положительным (в) отклонением  
от закона Рауля 
7 

Нормальные, или реальные смеси отклоняются от закона Рауля. 
Степень отклонения определяется коэффициентом активности: 
РА = 𝛾⋅РА ⋅хА.
 (1.3) 
Активность молекул в растворе зависит от степени химического 
взаимодействия (диссоциации, гидратации и т. д.). 
На рис. 1.1 приведены фазовые диаграммы взаиморастворимых 
идеальных и реальных смесей. 
1 . 2 .  Р е а л ь н ы е  с м е с и .  Ф а з о в ы е  д и а г р а м м ы
В зависимости от взаимной растворимости компонентов реально существующие бинарные смеси можно разделить на три группы: 
– с неограниченной взаимной растворимостью;
– взаимонерастворимые;
– ограниченно растворимые друг в друге.
В идеальных растворах состав паровой фазы во всем диапазоне
концентраций отличается от состава жидкой фазы. В реальных растворах имеется азеотропная точка М, в которой состав паровой фазы равен 
составу жидкой фазы. В этой точке разделение смеси перегонкой невозможно. Для этанола эта точка соответствует 96 % спирта. 
Смеси взаимонерастворимых смесей образуют в состоянии покоя два слоя, поэтому сепарируются отстаиванием. 
При смешении взаимонерастворимых смесей полное давление 
равно сумме давлений насыщения компонентов: 
Р = РНА + РНВ.
  (1.4) 
На рис. 1.2 приведены кривые насыщения взаимонерастворимых компонентов (воды, толуола) и полное давление их смеси. 
Анализ представленных кривых показывает, что температура 
кипения смеси взаимонерастворимых жидкостей остается ниже температуры кипения отдельных компонентов. 
8