Informe Final Destilacion Seca de La Madera

UNIVERSIDAD NACIONAL DE UCAYALI FACULTAD DE CIENCIAS FORESTALES Y AMBIENTALES ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA AMBIENTAL

DESTILACION SECA DE LA MADERA

EQUIPO DE TRABAJO: AZPUR PACAYA ANYI STEFANY BARRERA QUEVEDO KAREN DANESSA TORREJON SIMON JUAN CARRIL FLORES ALANA DEL ROSARIO BLANCA OLGA ARIAS PILCOMAMANI ELVIRA DIAZ CHOTA DIEGO

DOCENTE: DR. PANDURO CARBAJAL CARLOS

CURSO: OPERACIONES Y PROCESOS UNITARIOS

PUCALLPA – PERÚ 2017

I.

INTRODUCCIÓN

La madera está compuesta de forma general por tres grupos de sustancias, las que conforman la pared celular, donde se encuentran las principales macromoléculas: celulosa, poliosas (hemicelulosas) y ligninas; que están presentes en todas las maderas. El otro grupo lo conforman las sustancias de baja masa molar conocidas también como sustancias extraíbles que se encuentran en menor cantidad, y las sustancias minerales. La proporción de estos componentes varía con la especie entre la madera de árboles de la misma especie y en diferentes partes del propio árbol. El proceso de pirolisis consiste en la descomposición de la materia orgánica por la acción del calor y en ausencia de oxígeno. La descomposición térmica de estos materiales biomásicos se produce a través de una serie compleja de reacciones químicas, además de procesos de transferencia de masa y calor, lo que hace difícil predecir el transcurso de la pirolisis, puesto que influyen una serie de variables como son las condiciones de operación o el tipo de biomasa empleada. La industria de la destilación seca de madera surgió con el nombre de destilación de madera, en sus comienzos, y se la utilizaba principalmente para producir compuestos químicos, tales como: metanol, ácido acético, acetona, terpenos, fenoles y alquitranes de madera. El estudio de laboratorio se efectuó aplicando la metodología utilizada para destilación seca de la madera, que es similar a la carbonización pero con la diferencia que en la destilación hay recuperación de los gases condensables (licor piroleñoso).Las condiciones controladas de la carbonización implica un control de las entradas de aire en la zona de descomposición térmica.


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II.

OBJETIVOS

2.1. OBJETIVO GENERAL 

Obtener carbón vegetal, a través del proceso de destilación seca de la madera, recuperando los gases condensables (licor piroleñoso).

2.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS 

Reconocer la destilación como técnica de separación de componentes.



Observar y reconocer el tipo de líquido que obtenemos a partir de la destilación.



Desarrollar una ruta de procesamiento de los ácidos piroleñosos con el objetivo de obtener un producto que pueda ser utilizado como biocombustible.

III.



Determinar el rendimiento del carbón vegetal.



Determinar el contenido de humedad de la madera en estudio.

REVISION BIBLIOGRAFICA 3.1.

LA MADERA

La madera es la parte leñosa de los vegetales es un tejido endurecido y que sirve, casi exclusivamente, para el sostén de las partes vitales de los mismos. Sólo madera entre los combustibles renovables es significante como una materia prima química. La madera es una compleja estructura física y química. Su composición elemental global por masa es aproximadamente 49% carbono, 6% hidrógeno, y 0.2% nitrógeno; los elementos restantes y sus cantidades y formas varían considerablemente de una especie de árbol a otra. Los cationes más comunes encontrados en la madera son calcio, potasio, y magnesio; los aniones comunes incluyen carbonato, sulfato, DESTILACION SECA DE LA MADERA

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fosfato, y silicato. Éstos constituyen la parte no combustible de la madera, la ceniza.

La madera es una materia prima importante para la industria química. Cada año se reducen a pasta enormes cantidades de madera, que se reconstituye de forma mecánica para hacer papel. Otras industrias se encargan de extraer algunos componentes químicos de la madera, como taninos, pigmentos, gomas, resinas y aceites, y de modificar estos constituyentes.

Es la parte sólida de los árboles que se encuentra debajo de la corteza. Sus aplicaciones más importantes son: - Como combustible. - Como materia prima en la fabricación de enseres domésticos (mesas, armarios). - Como material de trabajo artístico. - Como material de construcción. - Como materia prima para la obtención de productos derivados (papel celulosa)

3.2.

DESTILACIÓN DESTRUCTIVA

Descripción: Cuando se calienta una sustancia a una temperatura elevada, descomponiéndose en varios productos valiosos, y esos productos se separan por fraccionamiento en la misma operación, el proceso se llama destilación destructiva. La destilación destructiva o seca se utiliza para convertir materiales en bruto, por ejemplo, derivados de la madera, en productos químicos útiles. Los procesos típicos de destilación, como la desalinización, sólo llevan a cabo la separación física de los componentes. En cambio, la destilación destructiva


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es una transformación química; los productos finales (metanol, carbón de leña) no pueden ser reconvertidos en madera. Aplicaciones: Las aplicaciones más importantes de este proceso son la destilación destructiva del carbón para el coque, el alquitrán, el gas y el amoníaco, y la destilación destructiva de la madera para el carbón de leña, el ácido etanoico, la propanona y el metanol. Este último proceso ha sido ampliamente desplazado por procedimientos sintéticos para fabricar distintos subproductos. El craqueo del petróleo es similar a la destilación destructiva.

3.3.

DESTILACIÓN DE LA MADERA

El carbón vegetal es un útil subproducto de la madera, y se obtiene por el proceso de carbonización. Tratando la madera de diferentes formas pueden obtenerse también otros subproductos útiles. La destilación destructiva conocida también como pirólisis o destilación de la madera - es parecida a la carbonización, salvo que la madera se calienta en un recipiente cerrado y se recogen los gases y líquidos producidos. Algunos de esos gases pueden después condensarse para obtener una serie de productos químicos, y los que no se condensan pueden utilizarse como combustible gaseoso para el proceso mismo de destilación, o para cualquier otro fin.

Una tonelada de madera seca tratada da 300 kg de carbón vegetal, 140 m3 de gas combustible, 14 litros de alcohol metílico, 53 l. de ácido acético, 8 l. de ésteres, 3 l. de acetona, 76 l. de aceite de madera y de alquitrán ligero, 12 l. de aceite de creosota y 30 kg de brea. Muchos de esos productos pueden utilizarse directamente, mientras que otros son materias primas químicas para la industria.

La destilación de la madera es en realidad otro procedimiento para hacer carbón vegetal. Se necesita un equipo más complicado que para la DESTILACION SECA DE LA MADERA

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producción convencional, pero el proceso es más rentable desde el punto de vista energético. La producción de carbón vegetal en una retorta, condensando los gases afluentes, puede aumentar considerablemente la energía que se obtiene; los países que emplean este método ganan mucho simplemente con la energía extra obtenida. Además, los subproductos pueden utilizarse de manera sencilla y rentable; por ejemplo, los gases producidos se utilizan para secar la leña destinada a los sistemas de calefacción, y los líquidos como agentes de conservación de la madera.

3.4.

PIROLISIS DE LA MADERA (DESTILACIÓN SECA DE LA

MADERA) La pirolisis de la madera es la descomposición de la madera por el calentamiento de hasta 450ºC sin acceso del aire con la formación de los productos gaseosos y líquidos (incluso alquitrán de árbol), así como del residuo sólido, que es carbón vegetal. La destilación seca de la madera es uno de los primeros procesos de la tecnología química. A partir del siglo XII la usaban ampliamente en Rusia para la fabricación del alquitrán de pino (sirve para alquitranar las naves de madera y impregnar los cables); este oficio llevaba el nombre “la extracción del alquitrán”. Con el desarrollo de la metalurgia ha surgido otro oficio también fundado en la destilación seca de la madera, el carboneo con la recepción del carbón vegetal. El comienzo de la aplicación industrial de la pirólisis de la madera se refiere al siglo XIX, de las materias primas servía solamente la madera de las variedades foliáceas, el producto principal fue el ácido acético. Para realizar el proceso en la actualidad aplican habitualmente la madera de las variedades foliáceas (p. ej., abedul), raramente (principalmente durante la elaboración compleja de las materias primas) la madera de las variedades coníferas DESTILACION SECA DE LA MADERA

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Los productos de carbonización están comprendidos por 3 partes: a) Productos de la fase sólida: Comercialmente el más importante es el carbón vegetal. Sin embargo, también se considera en esta fase a la carbonilla o cisco que es el carbón menudo (tamaño menor a 1 cm) y la brea solidificada (tar ).

b) Productos de fase gaseosa: durante la carbonización se forman gases producto de las reacciones pirolíticas en la madera. En un método comercial de carbonización estos gases se liberan al exterior. En esta fase se encuentran dos fracciones: 

Fracción de gases no condensables, a las condiciones ambientales del entorno

de la carbonización, conformada por gases no

combustibles (CO2) y combustibles (CO, CH4, C2H6). 

Fracción de gases condensables, a las condiciones ambientales.

c) Productos de fase líquida: la recuperación de la fracción de gases condensables da lugar a la obtención del licor piroleñoso también denominado ácido piroleñoso por el pH bajo de esta fracción. Estos productos se obtienen cuando se incorpora un sistema de condensación de los gases que salen de la carbonización. El proceso de carbonización que incluye además un sistema de recuperación de los gases condensables se denomina destilación seca de la madera.

3.5.

LICOR PIROLEÑOSO

También denominado ácido piroleñoso; según FAO (1983), es el nombre del condensado bruto de la destilación y se compone principalmente de agua y alquitranes, solubles en agua e insolubles, ácido acético, metanol, acetona, y en menor proporción acetato de metilo, acetaldehído, ácido fórmico, aldehído fórmico, etc. La composición y cantidades del licor piroleñoso varían en DESTILACION SECA DE LA MADERA

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función de la especie utilizada. De igual modo, los productos de destilación son afectados por 3 factores importantes (Pino, 1987): -

Tiempo

de

carbonización,

relacionado

con

la

velocidad

de

calentamiento que influye inversamente con el rendimiento de carbón pero directamente con la producción de alquitrán; -

Temperatura, que influye directamente sobre la producción de los destilados;

-

Presión, con valores mayores a la presión atmosférica, aumenta el rendimiento de carbón pero disminuye la cantidad de destilados Al variar especies para destilación seca, se ha observado relaciones directas entre la cantidad de licor piroleñoso y el contenido de polisacáridos (celulosa y hemicelulosas) en la madera.

El licor piroleñoso es un producto de pH ácido, corrosivo, nocivo y contaminante; estos efectos negativos se reducen en el medio ambiente cuando se recupera el licor para obtener subproductos o como combustible.

3.6.

ECUACIÓN DE LA CARBONIZACIÓN

El proceso de carbonización se puede resumir en la siguiente ecuación general de reacción durante la carbonización, propuesta por Klason, Novlin y Heidenstamm:

2 C42H60O28 ——3 C16H10O2 + C3H22O4 + [28 H2O + CH3OH + 2 CH3COOH] + 5 CO2+ 3 CO De la ecuación se deduce, por relación de masas moleculares, el rendimiento teórico de conversión de madera a carbón vegetal es 34,7% con un contenido de carbono fijo de82%.


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IV.

MATERIALES Y METODOS 4.1.

Materiales y equipos

-

Matraz Erlenmeyer de 250 ml.

-

Probetas(Cubos de madera)

-

Horno o Retorta para destilación seca con tanque y serpentín de condensación

-

Cartón de 8 milímetro

-

Silicona

-

Fosforo

-

Tijera

-

Pirómetro

-

Balanza con precisiones de 20g, 0.1g y 0.1 mg.

-

Estufa eléctrica a 100 °C

4.2.

Insumos

-

Leña seca

-

Agua

4.3.

Materia Prima Madera, seca al aire, con los datos siguientes:  Nombre común: Quinilla  Nombre científico: Manilkara bidentata  Familia: Sapotaceae  Procedencia: Huánuco, Loreto, Madre de Dios y San Martín  Densidad básica: 0.87 g/cm3


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V.

METODOLOGIA

5.1.

Procedimiento experimental

1.

Pesamos las muestras (Probetas) hasta llegar el peso en conjunto a 3 kg.

2.

Pesamos el Matraz Erlenmeyer de 250 ml.

3.

Medimos las dimensiones de una de las probetas y le colocamos una señal que lo caracterizara para realizar la medición final.

4.

Cortamos el cartón de 8 milímetros a medida de la tapa del horno, teniendo en cuenta el círculo interno más pequeño que bordea el tapón.

5.

Colocamos leña en la zona del fogón, bajo la retorta parcialmente durante el proceso insertamos nuevas porciones de leña.

6.

Conectamos el Matraz Erlenmeyer de 250 ml y el tanque con el serpentín de condensación a la retorta, en este recipiente se ira acumulando

el

ácido

piroleñoso

(Alquitrán)

del

proceso

de

condensación del vapor que emitirán las probetas. 7.

Colocamos las probetas (muestras) en la parte superior de retorta, en el espacio cilíndrico ubicamos de manera ordenada los cubos de madera.

8.

Bañamos de silicona en la capa del cartón recortado.

9.

Tapamos la parte superior del horno, colocando primero el cartón con silicona ya recortado y sellando con sus respectivos pernos al horno.

10.

Encendemos la leña, y esperamos que el horno se caliente a 100 °C.

11.

Al final, sacamos las probetas de la retorta y retiramos el Matraz Erlenmeyer.

12.

Teniendo en cuenta que se vuelve a pesar todos los materiales (Matraz y probetas de madera, para obtener las diferencias y realizar los diferentes análisis.


10

5.2.

Procedimiento en el laboratorio 5.2.1. Materia inicial Se dan las formas necesarias a la madera para su posicionamiento en la retorta de destilación, esta forma es conocida como la probeta que consta de un cubo de dimensiones de altura 5 cm, ancho 5 cm y largo 10 cm. Seguidamente se coge una probeta de las muestras iniciales para hacer el siguiente procesamiento. 5.2.2. Estufa eléctrica Una vez cogida la muestra se comienza a obtener de ella astillas o segmentos de madera muy pequeñas las cuales se colocan en crisoles, se debe repetir 3 veces el proceso, una vez puesta las astillas en los 3 crisoles se comienzas con las mediciones respectivas de su peso y seguidamente se coloca en estufa eléctrica para posteriormente obtener su contenido de humedad. 5.2.3. Retorta de destilación Una vez obtenida las probetas se las traslada a la retorta de destilación o mejor conocida como el horno y se comienza a colocarlas en forma ordenada dentro de la retorta. A continuación se coloca la tapa con un sellado especial, la cual es de un cartón contra fuego para posteriormente cerrarla con la tapa de fierro la cual cuenta con tuercas a presión para prevenir contactos super calientes. Luego se coloca la leña en la parte adyacente del horno y se enciende el horno por 4 horas aproximadamente. Teniendo como resultado final EL CARBON. 5.2.4. Mulfa En este procedimiento se trabaja con las microparticulas del carbón para convertirlas a ceniza. 5.2.5. Producto final El carbón, el licor piroleñoso y el alcohol metileno son los productos finales de la operación realizada.


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5.3.

Cálculos de rendimientos 5.3.1.

Carbón vegetal 5.3.1.1.

Determinación de la Humedad

𝒉% =

𝒎𝒉−𝒎𝒔 𝒎𝒉

𝒙 𝟏𝟎𝟎

Donde: mh: Muestra húmeda ms: Muestra seca h%: Porcentaje de humedad

5.3.1.2.

Rendimiento del carbón

𝒓𝒄% =

𝑷𝑺 𝒙 𝟏𝟎𝟎 𝑴𝑺

Donde:

𝒓𝒄% =

𝟐. 𝟑𝟔 𝒙 𝟏𝟎𝟎 𝟑

rc% = 78.7 % Rc%: Rendimiento del carbón MH: Madera húmeda o carga MS: Madera seca PH: Carbón Acondicionado PS: Carbón seco DESTILACION SECA DE LA MADERA

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5.3.2.

Licor piroleñoso 5.3.2.1. Determinar

el

peso

del

licor

piroleñoso

(PL)

descontando el peso del Matraz Erlenmeyer. Luego descuente el agua de la madera (Am).

Am = MH - MS 5.3.2.2. Calcule el nuevo peso del licor piroleñoso.

PL´p = PLp -AM 5.3.2.3. Calcule el rendimiento del licor piroleñoso.

𝒓𝒍𝒑% =

5.3.3.

𝑷𝑳´𝒑 𝑴𝑺

𝒙 𝟏𝟎𝟎

Cenizas

𝒄% =


𝒑𝒄𝒃 𝒙 𝟏𝟎𝟎 𝒑𝒉

13

VI.

RESULTADOS 6.1.

Resultados Cuantitativos

MATERIALES

PESO INICIAL

PESO FINAL

3 kg

1.2 kg

0.58 kg

1.42 kg

PROBETAS MATRAZ ERLENMEYER DE 250 ML.+ LICOR PIROLEÑOSO

MATERIAL

MEDIDA INICIAL

PROBETA SEÑALADA



MEDIDA FINAL

Largo

Ancho

Ato

Largo

Ancho

Alto

9.8 cm

5 cm

4.8 cm

9.5 cm

4 cm

4.5 cm

CRISOL CON

PESO

MUESTRA(gr)

ASTILLA

Astillas

MUESTRAS CRISOL(gr)

RESULTADOS

PESO ASTILLA

M1

22,618

23,180

0.562

23,121

0.503

M2

22,338

23,656

1.318

23,503

1.165

M3

21,573

22,557

0.984

22,446

0.873



Carbón Vegetal

MUESTRAS CRISOL(gr)

CRISOL CON

PESO

RESULTADOS

PESO

MUESTRA(gr)

CARBON

CARBON

VEGETAL

VEGETAL

M1

23,885

25,932

2.047

25,831

1.946

M2

24,295

26,287

1.392

26,190

1.195


14

M3

25,986 

27,974

1.988

27,873

1.887

RESULTADOS

PESO

Ceniza

MUESTRAS CRISOL(gr)

CRISOL CON

PESO

MUESTRA(gr)

CENIZA

CENIZA

M1

25,151

27,151

2

25,307

0.156

M2

24,165

26,165

2

24,335

0.170

M3

25,233

27,233

2

25,407

0.174



Contenido de humedad  MUESTRA 1

𝒉% =

𝟐. 𝟎𝟒𝟕 − 𝟏. 𝟗𝟒𝟔 𝐱 𝟏𝟎𝟎 𝟐. 𝟎𝟒𝟕

h% = 4.93  MUESTRA 2

𝒉% =

𝟏. 𝟑𝟗𝟐 − 𝟏. 𝟏𝟗𝟓 𝐱 𝟏𝟎𝟎 𝟏. 𝟑𝟗𝟐

h% = 14.15  MUESTRA 3

𝒉% =

𝟏. 𝟗𝟖𝟖 − 𝟏. 𝟖𝟖𝟕 𝐱 𝟏𝟎𝟎 𝟏. 𝟗𝟖𝟖

h% = 5.08 DESTILACION SECA DE LA MADERA

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6.2.

Resultados Cualitativos

CUANTIFICACION EN PESO DE LOS MATERIALES

MEDICION Y SEÑALIZACION DE LA PROBETA

CARBONIZACION

CONDENSACION

CUANTIFICACION DE RESULTADOS FINALES


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VII. 

CONCLUSIONES

En el presente trabajo se ha indicado la posibilidad y conveniencia de realizar la re- presentación del proceso de reacción de la pirolisis de la madera.



En nuestra destilación seca de la madera se obtuvo carbón vegetal, el licor piroleñoso y el alcohol metileno,

cumpliéndose de manera eficiente lo

determinado en el objetivo general. 

También se obtuvo las mediciones de humedad tanto al comienzo de la operación y en el producto final.



El proceso de la destilación seca de la madera en una forma fácil y menos trabajosa de obtener lo que es el carbón, reduciendo la contaminación por medio de emisiones las cuales son capturas por el horno para su próximo tratamiento.


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VIII.

ANEXOS

Pesando el Matraz Erlenmeyer de 250 ml.

Pesando las Probetas

Medimos las dimensiones de la probeta

Señalando la muestra medida

Cortando el cartón a medida de la tapa del horno

Colocando silicona al tapón del horno


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Colocando las probetas en el horno

Colocamos el cartón, como protector.

Colocamos la tapa y lo sellamos

Colocación de la leña


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IX.

BIBLIOGRAFIA

-

HAIPING, Y.; RONG, Y.; HANPING, C.; DONG, HO L.; CHUGUANG Z. 2007. Characteristics of hemicellulose, cellulose and lignin pyrolysis. Fuel 86:17811788.

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-

MÁRQUEZ F.; CORDERO T.; RODRÍGUEZ-MIRASOL J.; RODRÍGUEZ J. J.

-

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20

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Fidalgo Sánchez, J. A.; y otros. Tecnología Industrial 1. Ed. Everest, S. A. León. 2008.

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Almaraz Martín, A; y otros. Tecnología Industrial I. Ed. Donostiarra, S. A. San Sebastián. 2001.

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FUENTES DE INTERNET

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http://iqtma.uva.es/separacion/archivos/destextractiva.pdf

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http://materias.fi.uba.ar/7218/Destilacion%20filminas%202006.pdf

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http://iqtma.uva.es/separacion/archivos/arrastrevapor.pdf

-

http://www.diquima.upm.es/Investigacion/proyectos/chevic/catalogo/COLUMNAS/ Aplic1.htm


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Informe Final Destilacion Seca de La Madera

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