冷却乙酰化木材件的制作方法

冷却乙酰化木材件
发明领域
1.本发明涉及用于生产乙酰化木材件(wood elements)的方法，所述方法包括冷却步骤。在所述冷却步骤中，木材件优选地从120℃至180℃的温度冷却至优选地低于60℃。
2.发明背景
3.木材的乙酰化一直被认为是改善其他非耐久软木物质的耐久性的方法。乙酰化可以用于改善木材性质，例如硬度和尺寸稳定性。这些方法的背景参考文献包括wo 2013/117641和wo 2013/139937。使木材乙酰化通常涉及在加热时使木材件与包含乙酸酐和/或乙酸的乙酰化流体接触。所述乙酰化流体通常是再循环的。
4.木材的乙酰化提供热的乙酰化木材件，其温度通常为至少120℃或至少150℃，通常为160℃至180℃。因此，乙酰化木材件对于存储和进一步处理太热。具有这种温度的乙酰化木材件的存储涉及阴燃(无焰燃烧)的风险，即使在木材件缓慢地冷却至环境温度时也是如此。因此，乙酰化木材件的冷却是必要的，特别是如果乙酰化木材件不立即进一步处理的话。
5.然而，目前的冷却方法对于(乙酰化)木材件是不令人满意的。木材件的低传热系数使冷却具有挑战性。特别是对于气体冷却和间接热交换的冷却，低传热系数会引起问题。通过使冷却气体流过乙酰化木材件进行冷却是不够有效的，并且需要非常高的气体流量和木材件的较长停留时间。鉴于从冷却设备至木材件的非常差的热传递，间接冷却不能提供均匀且快速的冷却。将乙酰化木材件浸没在冷却浴中的另外的方法并不具有吸引力，因为这会导致湿的乙酰化木材件。冷却的木材件甚至可能滴液。此外，存在残余的乙酰化流体从乙酰化木材件浸出进入冷却液中的风险。
6.因此，特别是对于乙酰化木材件需要更好的冷却方法，并且需要结合这些方法的过程。理想地，这些方法快速且有效，并且不涉及现有技术方法的上述缺点。
7.jp h06-198610描述了一种方法，其中通过锯碎木材获得的木纤维在液相中乙酰化，然后该乙酰化木纤维累积并形成一体。
8.发明概述
9.为了更好地处理一个或多个上述期望，本发明在一方面提供了生产乙酰化木材件的方法，其包括使木材件乙酰化和使所述乙酰化木材件冷却，其中所述冷却包括将液态水供应至所述乙酰化木材件以提供润湿的木材件并将所述润湿的木材件暴露于气流。
10.在另一方面，本发明涉及冷却系统，其包括喷水室、所述喷水室下游的蒸发段以及气体再循环回路，其中所述喷水室包括木材件的入口、喷洒水的液体分配器和木材件的出口，并且其中所述蒸发段包括木材件的入口和出口、用于将木材件从所述入口连续运输至所述出口的输送机、以及用于将气体引入所述蒸发段的具有至少一个开口的入口导管和用于将气体从所述蒸发段内排出的具有至少一个开口的出口导管，其中所述导管连接至所述气体再循环回路，并且其中所述导管的所述开口不同于木材件的所述入口和出口。
11.本发明还涉及木材乙酰化设备。
12.附图简述
13.图1示出了使根据本发明的木材件冷却的方法的非限制的示例性实施方案的工艺方案。
14.详述
15.本发明通常涉及乙酰化木材件的生产和乙酰化木材件的冷却。本发明在一个方面基于这样明智的见解，即用液体使热乙酰化木材件润湿和使所述液体从所述润湿的木材件蒸发的结合对乙酰化木材件提供了有效的冷却。因此，所述方法包括将液体、优选水供应至乙酰化木材件以提供润湿的木材件并将所述润湿的木材件暴露于气流。所述暴露于气流引起与所述木材件接触的含水液体的蒸发，导致木材件的温度降低。在本发明中，润湿和暴露用于提供热的乙酰化木材件的蒸发冷却。这可以与例如使用蒸发冷却来冷却空气的空气调节方法形成对比。
16.所述方法包括使木材件乙酰化。使木材件乙酰化的步骤通常涉及使木材件与包含乙酸酐和/或乙酸的乙酰化流体接触。在接触期间，木材件的温度升高至120℃至180℃范围的温度，更优选地升高至150℃至180℃的最终温度。
17.所述乙酰化步骤优选地为连续加工步骤。该加工可以为分批或连续加工，或者包括分批和连续加工步骤的组合。优选地，所述冷却步骤为连续加工步骤。更优选地，所述暴露步骤为连续加工步骤。
18.优选地，所述乙酰化包括从所述乙酰化木材件中除去过量的乙酰化液体，例如在减压下。优选地，所述方法包括在乙酰化与冷却步骤之间的精加工步骤。所述精加工步骤通常具有降低木材件中的未反应的乙酸酐和形成的乙酸的含量的目的。精加工步骤优选地包括将乙酰化木材件暴露于减压和/或高温，例如约130℃或更高。通常，从精加工步骤获得的木材件具有高于120℃的温度，例如高于150℃。
19.优选地，乙酰化的和任选地精加工的木材件具有120℃或更高的温度，例如150℃或更高，以及优选地高于15wt.％或高于17wt.％或高于20wt.％或高于21wt.％的乙酰基含量；优选地在其几何中心处。优选地，以干基计，例如通过精加工步骤获得的乙酰化木材件还具有小于1wt.％、或小于0.9wt.％或小于0.5wt.％的残余酸含量。优选地，冷却的木材件具有这样的乙酰基含量和/或残余酸含量。
20.木材的乙酰基含量可以如下确定。将样品研磨成木材颗粒。从这些样品中，通过用水洗涤并且随后在103
±
2℃下干燥14小时至24小时来除去残余的痕量乙酸和/或乙酸酐。在称量这些干燥的样品之后，通过在高温(通常为90℃)下用氢氧化钠溶液皂化，乙酰基团以乙酸根离子的形式从木材中释放。该皂化反应进行4小时，每15分钟搅拌一次。在用标准乙酸盐溶液校准hplc并使用丁酸钠作为内部标准物之后，乙酸根离子通过高压液相色谱(hplc)定量。
21.残余的乙酸(ra)含量是木材中含有的残余的、未结合的乙酸的量度(包括通过残余的、未结合的乙酸酐水解形成的乙酸)。乙酸也可以源自木材本身，因此ra测量原始乙酸和从乙酰化反应留下的乙酸。为了确定残余酸含量(ra)，将明确定义量的3g至5g样品材料在去矿质水中摇动1小时。在该提取步骤之后，通过过滤将样品与水馏分分离。随后，使用酚酞作为指示剂，用已知的氢氧化钠(naoh)溶液滴定该水馏分，由此可以计算样品的残余酸浓度。
22.所述方法包括使所述乙酰化木材件冷却。优选地，将木材件冷却至低于100℃或低
于80℃的温度，更优选地低于60℃或低于40℃的温度，例如冷却至环境温度，通常高于5℃。优选地，在所述冷却期间，更特别地在暴露于气流期间，木材件的温度降低至少30℃或至少50℃，更优选地至少80℃。优选地，在蒸发段出口处的木材件具有低于100℃或低于80℃，更优选地低于60℃或低于40℃的温度，例如环境温度。如果在蒸发段中保持与环境不同的气氛，例如惰性气氛，则蒸发段的出口任选地以将木材件转移至环境气氛和/或与气流不同的气氛为特征。优选地，该冷却在小于30分钟或小于15分钟内实现。
23.冷却的木材件可以例如具有小于35wt.％的水含量，例如1wt.％至8wt.％或5wt.％至10wt.％，特别是在蒸发段的出口处。
24.本发明通常涉及生产乙酰化木材件。鉴于较低的比表面积(m2表面积/kg木材)，与例如木质纤维相比，特别是冷却木屑、木质束和颗粒具有挑战性。
25.例如，所述木材件包含选自木材片、木材束和木材颗粒中的一种或多种或由其组成。本发明的方法和系统例如用于耐久和非耐久硬木以及耐久和非耐久的软木的乙酰化。木材件优选地属于非耐久木材物质，例如非耐久硬木或软木，例如针叶树，典型地为云杉、松树或冷杉。优选的木材类型是云杉、西加云杉、海岸松、欧洲赤松、辐射松、桉树、红桤木、欧洲桤木、山毛榉和桦树。
26.一些类型的木材件的典型尺寸给出在下表1中。优选的是表1中定义的木材片、束和颗粒以及任选地长条。优选地，木材件由表1中定义的木材件类型中的一种组成，以实现更均匀的冷却。在一些实施方案中，木材颗粒的宽度和/或厚度为1.0mm至5.0mm。优选地，木材件具有至少两个至少0.15mm的尺寸(在正交方向)。
27.表1：各种类型木材件的典型尺寸
[0028][0029]
所述冷却包括将液态水供应至木材件以提供润湿的木材件。水任选地作为包含其他组分的液体流或作为基本上由水组成(例如大于99wt.％)的液体流提供。
[0030]
优选地，将液态水提供在木材件的表面上，并且优选地使木材件与液态水接触。优选地，所述方法包括将木材件引入润湿室，并将液态水引入该润湿室。在一些实施方案中，所述润湿不涉及润湿室中的冷凝。在一些任选的实施方案中，所述方法例如不包括将蒸气引入润湿室中与木材件接触。优选地，供应至木材件的液态水的量为10g至500g水、更优选地50g至400g水、或100g至500g水、甚至更优选地100g至250g水，例如对于每1kg干燥的木材件为100g至150g水。优选地，木材件以每1kg干燥的木材件与10g至500g水接触，更优选地
50g至400g水，甚至更优选地100g至250g水，例如对于每1kg干燥的木材件为100g至150g水。这提供了更好的冷却。优选地，在润湿室出口处包含木材件的流以每kg干燥木材包含这种量的水，并且在蒸发段的入口处仍包含这样的量。优选地，使气流与包含具有这种量的水的木材件的流接触。
[0031]
引入润湿室的液态水的温度例如为5℃至95℃，例如为10℃至50℃。润湿优选地在环境压力下进行，例如在1巴至5巴。优选地，润湿的乙酰化木材件具有100℃或更大、或120℃或更大的温度，例如150℃或更大。
[0032]
优选地，从乙酰化步骤至润湿室的入口，润湿的乙酰化木材件保持在低氧条件下，例如在惰性气体和/或真空下。此处，低氧条件包括例如小于5kpa或小于2kpa的氧分压。这有利于防止木材件的炭化。因此，从乙酰化步骤至润湿室入口以及在润湿室的入口处，润湿的乙酰化木材件是热的，例如，120℃或更大，例如150℃或更大。
[0033]
可以输送热的乙酰化木材件通过润湿室，例如经由重力流或使用输送机。
[0034]
优选地，通过喷洒将部分或全部水供应至木材件，优选地以提供均匀润湿的木材件。在木材件的润湿期间，喷洒还提供有限的显热交换。优选地，木材件在包括至少一个用于喷洒水的液体分配器的室中润湿。优选地，通过喷嘴将水喷洒。任选地，将水喷洒成体积平均直径为至少100μm、或至少250μm的液滴，例如250μm至550μm。在优选的方法中，喷洒用于在热的乙酰化木材件的表面上和热的乙酰化木材件之间的空隙中分配和提供液态水，而不是促进液滴的蒸发。喷洒可以包括例如用移动头喷淋水。任选地，小于10wt.％的引入的液态水在润湿室中蒸发，任选地不与乙酰化木材件接触。
[0035]
所述冷却进一步包括蒸发步骤，所述蒸发步骤包括将润湿的木材件通常在蒸发段暴露于气态介质，特别是气流。优选地，在这种暴露于气流开始时和/或在这种蒸发段的入口处的乙酰化润湿木材件具有120℃或更大的温度，例如150℃或更大。由于该暴露，水从木材件蒸发，并且汽化所需的热从木材件中排出，从而降低木材件的温度。优选地，在暴露于气流期间，温度至少降低。
[0036]
优选地，将润湿的木材件暴露于气流，使得水蒸气从木材件被连续地除去。优选地，在润湿的木材件的温度下，木材件暴露于具有小于50％或小于20％或小于10％的相对湿度的气流。更具体地，基于在蒸发段的木材件入口处的木材件的温度计算的相对湿度，这是指在蒸发段的入口处的气流的水含量。入口处的气流通常具有比引入蒸发段的木材件低至少10℃或至少20℃或至少50℃或至少100℃的温度。
[0037]
所述蒸发段优选地在0.5巴至5.0巴的压力下操作，例如在1巴至2巴，优选地在环境压力下操作。
[0038]
优选地，输送润湿的木材件通过蒸发段，优选地以连续的方式输送。润湿的木材件在不移动时也可以暴露于气流。木材件在蒸发段中的停留时间例如小于30分钟或小于15分钟或小于10分钟，例如为5分钟至10分钟。
[0039]
优选地，气流具有比环境气氛低的氧浓度，以便不氧化热的润湿乙酰化木材件。热的润湿乙酰化木材件例如为120℃或更高，或150℃或更高。因此，通常，将气流(不考虑氧含量)与例如120℃或更高或者150℃或更高的热的润湿乙酰化木材件接触。优选地，在进入蒸发段的入口处，气流包含小于10体积％氧气，或小于5体积％或小于2体积％或小于1体积％氧气。更优选地，气流包含至少90体积％或至少99体积％惰性气体，例如氮气、二氧化碳和/
或烟道气。优选氮气。与环境相比，还可能是使用贫氧和/或富氮空气。鉴于这些优选的气流组成，气体优选地是再循环的。
[0040]
优选地，蒸发步骤包括在蒸发段中在木材件上提供气流，优选惰性气体，其中木材件以连续方式输送。输送方向限定了蒸发段的长度。因此，将具有流动方向的气流引入蒸发段中，特别是引入通过其输送木材件的空间中。气流进一步从蒸发段排放。气流通常具有与木材件的输送方向基本上并流、逆流或垂直(交叉流动)的方向。优选交叉流动。气流方向由蒸发段的气体的一个或多个入口和一个或多个出口限定，其可以与木材件的入口和出口分开。
[0041]
在一些实施方案中，木材件在蒸发段中水平输送。例如气流是水平地从蒸发段的一侧至另一侧，或从顶部至底部，或从底部至顶部(以及内部)。优选地，所述蒸发段包括，含有木材件的入口和出口的输送系统、输送机和壳体，其中壳体提供空间，木材件通过该空间被输送机(例如带、链或螺杆)输送。壳体被配置用于保持该空间中的气氛与环境不同。优选地，蒸发段包括用于气流进入该空间的入口和用于排放或排出包含来自该空间的水蒸气的气体的出口。优选地，这些气流的入口和出口的开口在尺寸上与木材件的入口和出口不同。优选地，它们位于木材件的入口与出口之间。任选地，这些开口被设置为穿过壳体。任选地，这些开口被设置在蒸发段中提供的气体导管中，并且通常在所述空间中延伸并连接至所述壳体中的开口，或者延伸至或穿过木材件的入口或出口。优选地，气体的开口具有比木材件的入口和出口更小的尺寸，并且优选地具有比木材件的尺寸更小的尺寸。优选地，入口气体导管包括歧管，其用于在蒸发段的至少部分长度上分配气流。优选地，木材件的开口以及入口和出口内布置成交叉流动。
[0042]
优选螺旋输送机，因为除运输外，这种方式可以对木材件提供均化。螺旋作用可以对木材件的温度提供增加的均匀性。这可以有利地允许减少停留时间。此外，螺旋运动可以允许木材件和水的混合，例如通过重排和/或翻转。螺旋运动还可以允许水在木材件上的重新分配，特别是从缓慢干燥的木材件到快速干燥的木材件。螺旋运动还可以对木材件表面暴露于干燥气氛提供优化。优选水平螺旋输送机。可以使用例如至少70％或至少80％体积填充的填充水平来产生均匀流动并防止气流通过低填充段走捷径。也可以使用带式输送机、管状带式输送机、斗式输送机和链式输送机。
[0043]
所述方法优选地包括使包含惰性气体的气体(优选饱和或接近饱和的水蒸气)从蒸发段中排出。气体优选地使用连接至蒸发段的再循环回路进行再循环。在再循环回路中，气体优选地是冷却的，水蒸气从气体中冷凝，冷凝物优选地从再循环气体中除去，并且使用例如风扇将气体再循环回到所述段。净化气体可以排出和/或可以添加气体以控制压力和氧水平。通过再循环回路中水蒸气的冷凝和冷凝物的除去，至少部分地控制再循环气流的相对湿度和温度，并维持气流的干燥能力。冷凝物的量也表明汽化潜热从木材件中有效地排出。因此，优选地，基于木材件的重量，例如每分钟，基于每千克所形成的冷凝物以及优选地排出每千克干基木材(例如，通过蒸发段的出口的每千克木材件)，以木材件的重量计，至少3wt.％或至少5wt.％的水在再循环回路中冷凝。
[0044]
任选地，气流在经受冷凝之前多次通过蒸发段，例如通过串联布置在蒸发段中的单独区域。任选地，区域内的交叉流动与通过多个区域的总逆流流动相结合。
[0045]
再循环回路中的冷却优选地包括与冷却流体的间接热交换。任选地，例如通过与
待加热的流体流进行热交换，回收在冷凝期间释放的冷凝热。此外，冷凝物与气体分离并且任选地再循环至润湿步骤，或者例如进一步加工和处理。再循环回路优选地包括风扇，其用于将干燥气体作为气流重新引入蒸发段。优选地，再循环回路中气体的温度降低至少5℃或至少10℃。优选地，当气流从蒸发段排出时，重新引入的气流的水蒸气含量小于水蒸气含量的50％。
[0046]
任选地，所述方法进一步包括存储和/或处理冷却的木材件。所述冷却也可以用于冷却未乙酰化的木材件。
[0047]
本发明的又一方面涉及冷却系统(1)。图1中示出了非限制性实施方案。所述冷却系统(1)包括喷水室(2)、相对于所述喷水室(2)的木材件的下游的蒸发段(6)以及气体再循环回路(11)。所述喷水室(2)包括木材件(3)的入口(3)和出口(5)，以及优选地用于喷洒水的液体分配器(4)。下游蒸发段(6)包括木材件的入口(7)和出口(13)、壳体(9)、以及优选地用于穿过所述壳体(9)从所述入口(7)连续地向所述出口(13)运输木材件的输送机(8)。所述出口(5)连接至所述入口(7)。优选地，所述蒸发段(6)设置有开口(10)，其用于将气体引入蒸发段(6)并从蒸发段(6)中排出气体。例如，在流体连通中，这些开口连接至所述气体再循环回路(11)。开口(10)不同于木材件的入口(7)和出口(13)并且与它们间隔开。优选地，所述蒸发段包括气体的包含这种开口(10)的入口导管(10a)和出口导管(10b)。所述导管连接至气体再循环回路(11)。导管(10a，10b)优选地设置在所述壳体中，例如，至少部分地穿过所述壳体或在所述壳体的内壁处。入口导管(10a)允许将气体分配在由壳体(9)限定的至少一部分空间上和至少一部分空间内。出口导管(10b)允许收集气体，例如，在壳体长度上，以及将气体从壳体(9)排出进入再循环回路(11)中。两个导管优选地具有不同于壳体的壁，其中所述开口(10)设置在所述壁中。
[0048]
优选地，蒸发段(6)构建在螺旋输送机中，其中输送机(8)为至少一个螺杆。优选地，开口(10)布置在所述螺旋输送机中，用于气体以与所述螺杆的输送方向交叉流动的方式流动。
[0049]
优选地，所述再循环回路(11)包括也可以彼此组合的冷却器(12)和冷凝容器(14)并且具有冷凝物(15)的出口。优选地，再循环回路进一步包括再循环风扇(16)，用于将气流重新引入蒸发段。再循环回路可以进一步包括气体(17)的入口和任选地气体净化出口(未示出)。气体再循环回路与所述蒸发段以流体连通方式连接，特别是与所述壳体内的空间连接，木材件通过所述空间输送。
[0050]
优选地，气体入口导管(10a)与气体出口导管(10b)径向相对地布置。此处，径向方向垂直于蒸发段的长度。任选地，气体导管平行于输送方向延伸至蒸发段长度的至少一部分(优选地大于一半)，其中气体导管设置有开口，优选地分布在其长度的至少一部分上，更优选地大于蒸发段长度的至少一半。
[0051]
例如，歧管可以用作气体入口导管。这有利地提供了在输送方向上引入具有良好分布的气体。任选地，楔形丝网用作气体出口导管。
[0052]
壳体(9)和/或出口(13)被优选地配置成用于维持蒸发段中与环境气氛不同的气氛，特别是用于维持较低的氧分压。所述冷却系统(1)的进一步优选与所述方法有关。在操作中，木材件在所述段(18)中乙酰化，并且通过在室(2)中将水喷洒在其上而被润湿。将润湿的木材件暴露于输送通过蒸发段(6)的气流，使得水蒸发。水蒸汽在冷凝容器(14)中冷
凝。在出口(13)处获得冷却的木材件，例如木材片。
[0053]
蒸发段任选地包括一个或多个蒸发单元，或任选地包括设置在单元或壳体中的一个或多个区域，所述单元或壳体还包括其他区域，例如润湿区域。蒸发段任选地包括一个或多个蒸发区域，其例如具有不同的气流温度、压力和/或组成。所述冷却系统可以用于生产所述的乙酰化木材件的方法中。所述冷却系统可以用于使乙酰化或未乙酰化的木材件冷却的方法中。
[0054]
在又一方面，本发明还涉及木材乙酰化设备，其包括木材乙酰化段(18)和在其下游的所述冷却系统(1)，其中所述木材乙酰化段的出口被连接以用于将木材件输送至所述喷水室的木材件的所述入口(3)。优选地，木材乙酰化设备被布置成在不将木材件暴露于环境空气和/或在可控气氛下的情况下，将木材件从所述乙酰化段输送至所述冷却系统。
[0055]
木材乙酰化段包括反应单元，例如室或容器或输送单元。优选地，所述木材乙酰化段进一步包括用于加热乙酰化流体的加热器。木材乙酰化段优选地进一步包括在所述反应室下游的部分，其配置用于除去乙酰化流体。优选地，设计所述反应室，以提供木材件从其入口至出口的连续输送。任选地，所述反应单元包括垂直布置的活塞流反应器。任选地，所述反应单元包括螺旋输送机，其优选地基本上水平布置(包括倾斜)，用于使木材件与乙酰化流体接触。所述设备可以包括在乙酰化段上游的浸渍单元，其被配置成用乙酰化流体真空浸渍木材件。
[0056]
出于清楚和简明描述的目的，在此将特征描述为相同或独立实施方案的一部分，然而，应当理解的是，本发明的范围可以包括具有所描述的所有或一些特征的组合的实施方案。技术人员清楚的是，本发明不限于本文所述的任何实施方案，并且可以进行修改。方法和装置以及系统的优选和示例性特征可以彼此组合。本发明所述的方法任选地包括木材乙酰化过程或方法。术语“包括”用于允许存在除所述之外的其他元素和/或步骤；并且包括优选实施方案，其中所涉及的项大体上或基本上由所述元素和/或步骤组成，或由所述元素和/或步骤组成。此外，词语“一个/一种(a)”和“一个/一种(an)”不应被解释为限于“仅一个/一种”，而是用于意指“至少一个/一种”，并且不排除多个。在不脱离本发明范围的情况下，可以在本发明的结构中另外包括未具体或明确描述或要求保护的特征。例如表述“优选地”的使用并不旨在限制本发明。