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蒸汽爆破技術基础

蒸汽爆破技术基础 1.2.1固体多组分物料结构 蒸汽爆破技术多用于固体多组分物料的预处理。一般含有纤维素、木质素和半纤维素三大组分,。对于秸杆 图1-1 纤维素分子链结构式 在细胞壁结构中,纤维素分子链有规则地排列聚集成原细纤维,由原细纤维进一步组成微细纤维,微细纤维组成细小纤维,原细纤维之间填充着半纤维素,微细纤维周围包裹着木质素和半纤维素,且木质素和半纤维素间存在化学连接。这样在细胞壁中纤维素以微细纤维形式构成纤维素骨架,木质素和半纤维素以共价键方式交联在一起,形成三维框架结构,把微纤维束镶嵌在里面。细胞壁的外边,即两个细胞之间的胞间层,主要由木质素组成,少量为果胶,把两个细胞粘接在一起。这样,纤维素、半纤维素和木质素相互交织而形成复杂的难以降解的细胞壁结构。 1.2.2汽相蒸煮物理化学变化 木质纤维素原料的主要成分为纤维素、半纤维素及木质素。而蒸汽爆破主要是利用高温高压水蒸气处理纤维原料,在高温高压水蒸汽的物理化学作用下,半纤维素部分水解,木素软化、易降解,从而使木材横向联结强度下降,细胞孔隙中充满高压蒸汽,变得柔软可塑。当骤然减压时,孔隙中的气体急剧膨胀,产生爆炸,将木材放裂成细小的纤维束状,从而实现原料的组分分离和结构变化,这是由蒸汽温度和弱酸(由半纤维素降解所产生的醋酸)共同作用的结果。可以认为,在蒸汽爆破过程中存在以下几个方面作用。 (1)类酸性水解作用及热降解作用。蒸汽爆破过程中,高压热蒸汽进入纤维原料中,并渗入纤维内部的空隙。由于水蒸气和热的联合作用产生纤维原料的类酸性降解以及热降解,低分子物质溶出,纤维聚合度下降。 (2)类机械断裂作用。在高压蒸汽释放时,已渗入纤维内部的热蒸汽分子以气流的方式从较封闭的空隙中高速瞬间释放出来,纤维内部及周围热蒸汽的高速瞬间流动,使纤维发生一定程度上的机械断裂。这种断裂不仅表现为纤维素大分子中的键断裂,还原端基增加,纤维素内部氢键的碎坏,还表现为无定形区的碎坏和部分结晶区的碎坏。 (3)氢键碎坏作用。在蒸汽爆破过程中,水蒸气渗入纤维各孔隙中并与纤维素分子链上的部分羟基形成氢键。同时高温、高压、含水条件又会加剧对纤维素内部氢键的碎坏,游离出新的羟基,增加了纤维素分子内的氢键。分子内氢键断裂的同时,纤维素被急速冷却至室温,使得纤维素超分子结构被“冻结”,只有少部分的氢键重组。这样使溶剂分子容易进入片层间,而渗入的溶剂进一步与纤维素大分子链进行溶剂化,并引起残留分子内氢键的碎坏,加速了葡萄糖环基的运动,最后导致其它晶区的完全碎坏,直至完全溶解。 (4)结构重排作用。在高温、高压下,纤维素分子内氢键受到一定程度的碎坏,纤维素链的可动性增加,有利于纤维素向有序结构变化。同时,纤维素分子链的断裂,使纤维素链更容易再排列。 一般认为汽爆破过程中,半纤维素发生部分自水解作用转化成单糖和低聚物,而木质素则降解成糖类和酚类低聚物。高温条件下,半纤维素链上水解下来的乙酰基生成乙酸又加剧了半纤维素的糖苷键和木质素上β-酯键的水解。因此,在一定范围内处理强度越大,则半纤维素的水解以及木质素的降解的程度越大,组分分离的效果越明显。 1.2.3蒸汽爆破过程 具有细胞结构的植物原料在高压(0.8—3.4MPa)、高温(180—240 oC)介质下汽相蒸煮,半纤维素和木质素产生一些酸性物质,使半纤维素降解成可溶性糖,同时复合胞间层的木质素软化和部分降解,从而消弱了纤维间的粘结。然后,突然减压,介质和物料共同作用完成物理的能量释放过程。物料内的汽相介质喷出瞬间急速膨胀,同时物料内的高温液态水迅速暴沸形成闪蒸,对外作功,使物料从胞间层解离成单个纤维细胞。汽爆可分成两个阶段,首先是汽相蒸煮,高压蒸汽渗透到物料内的空隙,使半纤维素降解成可溶性糖,同时木质素软化和部分降解,降解纤维连结强度,为爆破过程提供选择性的机械分离。其次是爆破过程,利用汽相饱和蒸汽和高温液态水两种介质共同作用于物料,瞬间完成的绝热膨胀过程,对外作功。在爆破过程中,膨胀的气体以冲击波的形式作用于物料,使之物料在软化条件下产生剪切力变形运动。由于物料变形速度较冲击波速度小得多,使之多次产生剪切,使纤维有目的分离。二者相辅相成,汽相蒸煮条件的选择决定着汽爆目的性。汽相蒸煮的温度和蒸煮时间之间存在交互作用,根据Arrhenius定律,温度每升高10℃,热化学反应的速率加倍,温度的升高从而可缩短蒸煮时间,但爆破机械作用只有在汽相蒸煮临界点以上才能发挥出来。 1.2.4蒸汽爆破能耗 1.2.4.1 耗汽量 爆破过程的蒸汽消耗在下列几个方面:一为将设备预热到爆破温度。为保证在第一次爆破时能够达到预定的爆破压力和温度,设备必须先进行预热。由于加热从室温开始,所以耗汽量很大,而预热后再次爆破耗汽就大大减少;二为原料及水份的升温,水的比热大,含水率越高耗汽越多;三

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