Пиролиз это в химии. Пиролиз это в химии.

Существует два основных направления исследований пиролиза: каталитический пиролиз и пиролиз с добавлением различных веществ (инициаторов разложения или ингибиторов побочных процессов).

Пиролиз от А до Я (часть 1)

Пиролиз — это хорошо изученная и эффективно применяемая в ряде стран технология преобразования нефтяного сырья в газообразные и жидкие продукты сгорания. Впервые он был использован в конце 19 века для получения горючего газа из парафиновой фракции нефти. Так, патент на пиролиз нефти был выдан еще в 1877 году. Его автором был Александр Александрович Летний, химик и технолог из Санкт-Петербурга, который исследовал воздействие высоких температур на нефтепродукты.

В настоящее время пиролиз используется для переработки твердых органических отходов, нефтешламов и отходов бурения. В его основе лежит процесс расщепления органического сырья на низкомолекулярные компоненты при высоких температурах. Процесс может происходить как при отсутствии воздуха, так и при ограниченном его наличии.

Совершенствование технологии является неотъемлемой частью существования пиролиза. Наиболее важные изменения в процессе связаны с повышением эффективности пиролизных котлов, уменьшением количества образующихся вредных остатков и снижением стоимости технологии. Это может быть сделано путем изменения конструкции установки, введения/удаления различных химических компонентов и корректировки условий процесса.

Условия протекания пиролиза и его особенности

Независимо от особенностей процесса пиролиза, необходимым условием для его проведения является высокая температура, которая должна составлять от 450 до 1050 °C. Это может быть достигнуто различными методами. Это может быть достигнуто различными методами в зависимости от стадии процесса, модификации процесса, сырья и желаемых продуктов разложения.

Различают температуры процесса:

• низкотемпературный пиролиз – 450-550 °C
• среднетемпературный пиролиз – 550-800 °C
• высокотемпературный пиролиз – 900-1050 °C

Для обеспечения пиролиза не требуется специальных условий давления. Для применения пиролиза нет особых требований к давлению. Время реакции составляет 0,1-0,5 секунды.

В зависимости от типа реакции различают окислительный и сухой пиролиз. В зависимости от сырья в современной химической промышленности различают пиролиз нефтепродуктов, древесины, резины, пластмасс и отходов.

Пиролиз как химический процесс

Пиролиз — это серия элементарных реакций по разложению (разрушению) органического материала на продукты с более низкой молекулярной массой. Реакции протекают как последовательно, так и параллельно и неразрывно связаны между собой. Однако обычно проводится различие между первичной и вторичной стадией процесса:

1. На первой стадии в области высоких температур осуществляется первичное расщепление вещества.
2. На второй – образовавшиеся вещества подвергаются реакции дегидрирования для возможности последующего расщепления. Разделение полученных фракций происходит за счет конденсации паров или их изомеризации, полимеризации.

Пиролиз — это первая стадия сжигания древесины. Привычное пламя от горящего дерева, горящих веток, возникает не из углерода самой древесины, а из газов — летучих продуктов пиролиза. При пиролизе древесины (450-500 °C) образуется множество различных веществ. Наиболее высокими концентрациями газообразных продуктов пиролиза являются: Метиловый спирт (поэтому метанол называют древесным спиртом), уксусная кислота, ацетон, бензол, фуран и другие. Нелетучими продуктами неполного пиролиза являются жидкие и вязкие смолы (см. смолы). Конечным продуктом полного пиролиза древесины является почти чистый углерод (который содержит некоторые оксиды калия, натрия, кальция, магния и железа в виде примесей) — древесный уголь.

Этот процесс используется в сплит-котлах. Газификация (пиролиз) древесины происходит в верхней камере котла (камере сгорания) при высокой температуре и ограниченном доступе воздуха. Газы от этого процесса проходят через высокотемпературную зону, достигают выпускного короба и смешиваются там с вторичным воздухом.

См. основную статью: Курение

Копчение различных продуктов основано на процессе пиролиза древесины (обычно ольховой щепы). Правильнее называть этот процесс частичным окислением или окислительным пиролизом, так как он происходит при ограниченном доступе воздуха. Известно, что окислительное крекирование не является безвредным для человеческого организма, так как образуются опасные канцерогены, такие как 3,4-бензпирен, которые попадают в пищевую цепь.

Пиролиз мусора и отходов

Существуют проекты пиролиза для уничтожения бытовых отходов. Трудности с пиролизом шин, пластика и других органических отходов не связаны с самой технологией пиролиза, которая ничем не отличается от термической обработки других твердых отходов. Проблема заключается в том, что большинство отходов содержат фосфор, хлор и серу. Сера и фосфор в окисленной форме летучи и вредны для окружающей среды. Хлор активно реагирует с органическими продуктами пиролиза и образует высокотоксичные соединения (например, диоксины). Удаление этих соединений из табака — дорогостоящий и сложный процесс. Проблема утилизации использованных автомобильных шин и отслуживших свой срок резинотехнических изделий имеет большое экологическое и экономическое значение для всех развитых стран. А поскольку нефтяное сырье невозобновляемо, переработанные ресурсы должны использоваться как можно эффективнее, а это значит, что вместо гор отходов можно создать новую отрасль для нашего региона — коммерческую переработку отходов.

Шины и полимеры являются ценным сырьем, которое перерабатывается пиролизом при низкой температуре (до 500 °C) и дает жидкие углеводородные фракции (синтетическое масло), углеродные остатки (сажу), стальной корд и топливный газ. В то же время, при сжигании 1 тонны шин в атмосферу выбрасывается 270 кг сажи и 450 кг токсичных газов.

Литература

• Мухина Т. Н. Пиролиз углеводородного сырья Текст / Т. Н. Мухина, Н. Л. Барабанов, С. Е. Бабаш — М.: Химия, 1987. — 240 с.
• Nakamura D.N. Global ethylene capacity increases slightly in 06 Ежегодный отчет / D.N. Nakamura // Oil and Gas Journal. — 2007. — v.105. — № 27.
• Кластер, зубы, хвосты / О.Ашпина, П.Степаненко // The Chemical Journal. — 2011. — май. — с.26-33.

Фонд Викимедиа. 2010 .

Сухой крекинг — один из самых сложных процессов в промышленности. Он используется для производства топлива, различных химических соединений и для обеззараживания перерабатываемых материалов. Газообразные, жидкие и твердые продукты сгорания образуются при различных температурах пиролиза.

Нагрев котла до максимальной температуры 5500 ºC считается низкотемпературным режимом. При таких температурах газ практически не выделяется. Компания специализируется на производстве полукокса (используется в качестве топлива в промышленности) и смол, которые, в свою очередь, используются для производства синтетического каучука.

Процесс пиролиза при температуре от 550 до 9000 ºC считается низкотемпературным процессом, но с точки зрения технических возможностей он относится к среднетемпературному диапазону. Его использование имеет смысл, когда необходимо получить делящийся газ и твердые осадки. В этом случае сырье может содержать фракции неорганического происхождения.

Течение пиролиза при температуре выше 9000 ºC считается высокотемпературной реакцией. Работа котла при максимальной температуре 9000 ºC позволяет утилизировать твердые вещества (кокс, древесный уголь и другие) с низкой долей выделяющихся газов.

Для получения преимущественно газообразных веществ требуется дистилляция при более высоких температурах. Практическое преимущество высокотемпературного процесса заключается в том, что образующиеся газы могут быть использованы в качестве топлива.

«При высокотемпературном пиролизе содержание перерабатываемого сырья не требуется. При низкотемпературной обработке необходимо соблюдать все подготовительные этапы, включая сушку и сортировку.

Пиролиз ТБО

Экологически чистая переработка отходов является одним из основных применений пиролиза. Эти установки позволяют многократно снизить негативное воздействие антропогенного фактора на окружающую среду.

В процессе пиролиза биоактивные вещества разлагаются, и ни один тяжелый металл не плавится. После термического разложения в пиролизных котлах практически не остается неочищенных отходов, что позволяет значительно сократить место для их дальнейшего хранения.

Сжигание 1 тонны шин, например, загрязняет атмосферу 300 кг сажи. Кроме того, в воздух выбрасывается около 500 кг токсичных веществ. Переработка того же материала в пиролизных установках позволяет использовать каучук для получения энергии, восстанавливая перерабатываемые материалы для дальнейшего производства и значительно сокращая выбросы загрязняющих веществ.

Многоступенчатая система утилизации позволяет снизить воздействие на окружающую среду. В процессе пиролиза отходы проходят четыре стадии переработки:

• первоначальную сушку;
• крекинг;
• дожигание остатков переработки в атмосфере;
• очистку полученных газообразных веществ в специальных поглотителях.

Пиролизные установки позволяют перерабатывать отходы:

• деревоперерабатывающих предприятий;
• фармацевтической отрасли;
• автопрома;
• электротехники.

Процесс пиролиза успешно перерабатывает полимеры, сточные воды и бытовые отходы. Он нейтрализует воздействие нефтепродуктов на окружающую среду. Он идеально подходит для утилизации органических отходов.

Единственным недостатком пиролизных установок является обработка сырья, содержащего хлор, серу, фосфор и другие токсичные химикаты. Продукты полураспада этих элементов могут соединяться с другими материалами и образовывать токсичные сплавы при воздействии температуры.

Пиролиз метана

Пиролиз метана — одна из самых сложных реакций, которая протекает при различных температурах. Пиролиз при высокой температуре позволяет получить ацетилен, который используется для изготовления резины. Но это экономически нецелесообразно.

Крекинг метана, с другой стороны, является отличным процессом для извлечения метана. Например, ацетилен может быть тримеризован путем добавления активированного угля и работы котла при низкой температуре.

Классификация

Существует 2 основные классификации метода пиролиза. Первый связан с продолжительностью процесса. Различают быстрый и медленный пиролиз. Первый можно сравнить с водой в горячем масле. В этом случае жидкость сразу закипает. Медленный пиролиз можно сравнить с нагреванием воды в кастрюле. Этот процесс происходит постепенно.

Быстрый пиролиз имеет много преимуществ перед медленным пиролизом:

• так как продукты не осмоляются, на выходе они чище;
• переработка отходов нуждается в наименьшем количестве энергии;
• реакции выделения тепла превышают поглощение, в результате чего образуется энергия;
• отсутствует необходимость в прерывании технологического процесса.

Переработка отходов методом анаэробного сбраживания различается по степени нагрева внутри установки. Различают низкотемпературный и высокотемпературный пиролиз. В первом случае достигается температура от 450 до 900 °C, во втором — выше 900 °C. Разница между низкотемпературным и высокотемпературным сбраживанием определяется степенью разделения между двумя типами сбраживания.

При низкотемпературном процессе выделяется лишь небольшое количество газов. Однако остается много твердых отходов. Высокотемпературный метод сопровождается синтезом богатого газа, при котором используется всего несколько смол. Характерной особенностью этого типа обработки является то, что твердый остаток равен нулю.

В химии различают окислительный и сухой пиролиз. Первый тип используется для захоронения отходов с пастообразной консистенцией, шламов, сырья в мазуте или золы. Более распространен сухой пиролиз отходов. Он используется для утилизации бытовых отходов.

Продукты переработки

Объем и тип продуктов пиролиза варьируется. Она зависит от материала, количества сырья, продолжительности и температуры процесса. Продукты пиролиза являются результатом сгорания:

• пиролитическое масло;
• электрическая и тепловая энергия;
• дизельное топливо;
• пирогаз;
• пикарбон — твердый остаток, по сути являющийся древесным углем.

Пиролизное масло используется в качестве топлива для печи. По сути, это то же самое, что и мазут. Пиролизное масло также используется в качестве сырья для вторичной переработки.

Теоретически все эти продукты должны быть возможны. На практике, однако, это не всегда возможно. Для производства дизельного топлива необходимо тщательно разделять отходы. Извлечение сырья из несортированных остатков практически невозможно.

Этапы обработки мусора

Перед сжиганием остатки необходимо подготовить: Их нужно измельчить и высушить. Сушка — это процесс, требующий наибольшего количества энергии. При переработке древесины 15 % древесины высушивается. Помимо удаления воды из древесины, также производится замена некоторых компонентов.

Только после этой подготовки начинается пиролиз отходов. В первую очередь разлагаются самые нестабильные части отходов. Разложение происходит при температуре до 300 °C. В это время выделяются уксусная кислота, углекислый газ и угарный газ.

При повышении температуры выше 300 °C большинство твердых бытовых отходов разлагается.

Этот процесс является экзотермическим, т.е. сопровождается сильным выделением тепла. Активно производятся метанол, углеводороды, аммиак и сложные эфиры.

На заключительном этапе пиролиза макулатуры и других древесных отходов оставшиеся вещества сжигаются на заводе. В этот момент температура достигает 500 °C и продолжает расти. Выделяется высокомолекулярная смола и летучие газы. Например, водород, диоксид углерода и монооксид углерода. В результате уголь остается.

Внедрение метода на бытовом уровне

Котлы, основанные на методе пиролиза, в настоящее время являются коммерчески доступными. Температура пиролиза древесного топлива позволяет вырабатывать достаточное количество энергии не только для автономных процессов, но и для нагрева воды. Топливо в этих системах используется без остатка, что приводит к экономии ресурсов.

Применение термического разложения возможно и в других областях. Внедряя пиролизную систему в кухонную плиту, производитель добивается инновационного метода очистки прибора.

Принцип действия этой очистки следующий:

• После запекания духовка закрывается и быстро греется до необходимой температуры.
• Термическое воздействие заставляет жировые и прочие остатки разложиться.
• Полученный в результате газ выводится через вентиляцию, а твердые остатки (зола), скопленные в поддоне, выбрасываются.

Результат — чистая духовка без запахов и нагара.

Пиролиз — это один из нескольких типов химических процессов разложения, происходящих при высоких температурах (выше температуры кипения воды или других растворителей). Он отличается от других процессов, таких как сжигание и гидролиз, тем, что обычно нет необходимости добавлять дополнительные реагенты, такие как кислород (O2, при сжигании) или вода (при гидролизе). При пиролизе образуются твердые вещества (уголь), конденсируемые жидкости (смола) и неконденсируемые/постоянные газы.

Типы пиролиза

При полном пиролизе органического материала обычно остается твердый остаток, состоящий в основном из элементарного углерода; этот процесс называется карбонизацией. К конкретным случаям пиролиза относятся:

• пиролиз метана в присутствии каталитических расплавленных металлов для прямого преобразования метана в экологически чистый водород топливо и отделяемый твердый углерод
• водный пиролиз в присутствии перегретой воды или водяного пара с образованием водорода, а также значительного количества атмосферного углекислого газа, также используемого в нефтепереработке
• сухой перегонки, как и в исходном производстве серной кислоты из сульфатов
• деструктивной перегонкой, как при производстве древесного угля, кокса и активированного угля
• карамелизация сахаров
• высокотемпературная кулинария, такие как жарка, жарка, поджаривание и гриль
• сжигание древесного угля, производство древесного угля
• производство гудрона пиролизом древесины в печах для обжига дегтя
• крекинг более тяжелых углеводородов на более легкие, как в нефтепереработка
• термическая деполимеризация, который расщепляет пластмассы и другие полимеры на мономеры и олигомеры
• керамизация с образованием керамики на основе полимера из прекерамических полимеров в инертной атмосфере
• катагенез, естественное преобразование захороненного органического вещества в ископаемое топливо и
• мгновенный вакуумный пиролиз, используется в органическом синтезе.

Общие процессы и механизмы

Процессы термического разложения органических веществ при атмосферном давлении.

Пиролиз обычно включает в себя нагревание материала выше температуры его разложения, что приводит к разрыву химических связей его молекул. Фрагменты обычно становятся более мелкими молекулами, но могут также объединяться, образуя остатки с более высоким молекулярным весом и даже аморфные ковалентные твердые вещества.

Во многих случаях может присутствовать кислород, вода или другие вещества, так что в дополнение к собственно пиролизу может происходить горение, гидролиз или другие химические процессы. Иногда эти химические вещества добавляются намеренно, как, например, при сжигании древесины, производстве традиционного древесного угля и паровом крекинге сырой нефти.

И наоборот, сырье можно нагревать в вакууме или инертной атмосфере, чтобы избежать неблагоприятных химических реакций. Вакуумный крекинг также снижает температуру кипения побочных продуктов, что улучшает извлечение.

Когда органический материал нагревается в открытых сосудах при высоких температурах, следующие процессы обычно происходят в последовательных или перекрывающихся фазах:

• Ниже примерно 100 ° C летучие вещества, включая некоторое количество воды, испаряются. Термочувствительные вещества, такие как витамин C и белки, могут частично изменяться или разлагаться уже на этой стадии.
• При температуре около 100 ° C или немного выше любые оставшаяся вода, которая просто абсорбируется материалом, удаляется. Вода, заключенная в кристаллической структуре гидратов, может отделяться при несколько более высоких температурах. Этот процесс потребляет много энергии, поэтому температура может перестать расти до завершения этой стадии.
• Некоторые твердые вещества, такие как жиры, воски и сахара могут плавиться и разделяться.
• Между 100 и 500 ° C многие обычные органические молекулы распадаются. Большинство сахаров начинают разлагаться при 160–180 ° C. Целлюлоза, главный компонент древесины, бумаги и хлопчатобумажных тканей, разлагается при температуре около 350 ° C. Лигнин, еще одно важное дерево компонент, начинает разлагаться примерно при 350 ° C, но продолжает выделять летучие продукты до 500 ° C. Продукты разложения обычно включают воду, моноксид углерода CO и / или диоксид углерода CO. 2, а также большое количество органических соединений. Газы и летучие продукты покидают образец, и некоторые из них могут снова конденсироваться в виде дыма. Как правило, этот процесс также поглощает энергию. Некоторые летучие вещества могут воспламениться и загореться, образуя видимое пламя. Нелетучие остатки обычно становятся богаче углеродом и образуют большие неупорядоченные молекулы с цветом от коричневого до черного. На этом этапе считается, что вещество «обуглено » или «карбонизировано».
• При 200–300 ° C, если не исключен кислород, углеродистый остаток может начать горят в результате сильно экзотермической реакции, часто при отсутствии или слабом видимом пламени. Как только начинается горение углерода, температура самопроизвольно повышается, превращая остаток в тлеющий уголь и выделяя диоксид и / или монооксид углерода. На этой стадии часть азота, все еще остающегося в остатке, может быть окислена до оксидов азота, таких как NO. 2 и N. 2O. 3. сера, и других элементов, таких как хлор и мышьяк могут окисляться и улетучиваться на этой стадии.
• После завершения сжигания углеродистого остатка образуется порошкообразный или твердый минеральный остаток (зола ) часто остается позади, состоящий из неорганических окисленных материалов с высокой температурой плавления. Часть золы могла остаться во время горения, увлеченная газами в виде летучей золы или выбросов твердых частиц. Металлы, присутствующие в исходном веществе, обычно остаются в золе в виде оксидов или карбонатов, таких как поташ. Фосфор из таких материалов, как кость, фосфолипиды и нуклеиновые кислоты, обычно остается в виде фосфатов.

Полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) могут образовываться при пиролизе различных фракций твердых отходов, таких как гемицеллюлоза, целлюлоза, лигнин, пектин, крахмал, полиэтилен (ПЭ), полистирол (ПС), поливинилхлорид (ПВХ) и полиэтилентерефталат (ПЭТ). ПС, ПВХ и лигнин образуют значительное количество ПАУ. Нафталин является наиболее распространенным ПАУ среди всех полициклических ароматических углеводородов.

При повышении температуры с 500 °C до 900 °C количество большинства ПАУ увеличивается. По мере повышения температуры доля легких ПАУ уменьшается, а доля тяжелых ПАУ увеличивается.

Термогравиметрический анализ

Термогравиметрический анализ (ТГА) является одним из наиболее распространенных методов изучения пиролиза без ограничения тепломассообмена. Результаты могут быть использованы для определения кинетической потери массы. Энергии активации могут быть рассчитаны с помощью метода наименьших квадратов или анализа пиков (PA-LSM).

ТГА может сочетаться с инфракрасной спектроскопией с преобразованием Фурье (FTIR) и масс-спектрометрией. При повышении температуры можно измерить количество летучих веществ, образующихся при пиролизе.

Macro-TGA

В ТГА образец сначала загружается до повышения температуры, а скорость нагрева низкая (менее 100 °C в минуту). Макро ТГА может использовать образцы в диапазоне граммов, что может быть использовано для исследований пиролиза с явлениями массо- и теплопереноса.

Пиролиз – газовая хроматография – масс-спектрометрия

Пиролизная масс-спектрометрия (Py-GC-MS) является важным лабораторным методом для определения структуры соединений.