СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ Российский патент 2003 года по МПК D21C3/00 D21C3/02 D21C1/06 

Изобретение относится к области производства целлюлозы и может быть использовано в целлюлозно-бумажной промышленности.

Известны многочисленные способы получения целлюлозы путем обработки древесного сырья при повышенной температуре жидкостью, содержащей активные компоненты для растворения лигнина: гидроксид натрия, сульфид и полисульфиды натрия, боргидрид натрия, гидразин, оксим ацетона, антрахинон и т.п. /Непенин Ю. Н., Технология целлюлозы, т.2, М., Лесная промышленность, 1990, с.7, 211-229/.

Все эти способы предусматривают однократную обработку древесного сырья при повышенной температуре жидкостью, содержащей активные компоненты для растворения лигнина. Практически котел, загруженный древесным сырьем, заливают жидкостью с избыточным содержанием активных компонентов, поднимают температуру и выдерживают содержимое котла до получения заданной степени провара сырья /Непенин Ю.Н., см. выше, с.96-103/.

Во время варки концентрация активных компонентов в жидкости непрерывно снижается. Вследствие этого скорость варки от начала процесса до его окончания также непрерывно снижается.

Недостатки этих способов получения целлюлозы:
1. Повышенный расход химикатов - активных компонентов, т.к. для достижения оптимальных результатов варки необходимо задавать их избыток. Использовать второй фактор для снижения начальной концентрации химикатов - увеличение гидромодуля не представляется возможным, т.к. он является постоянным в этих способах варки /Непенин Ю.Н., см.выше, с.52-61, 210-211/.

2. Увеличенный расход, в частности сульфида натрия, ведет к повышенному выбросу дурнопахнущих метилсернистых соединений /Непенин Ю.Н., см.выше, с. 59/.

3. Полученная целлюлозная масса имеет повышенную загрязненность, т.к. перед выгрузкой контактирует с черным щелоком, и требует усиленной промывки.

4. Высокий расход тепловой энергии. Для поддержания высокой скорости варки необходимо поддерживать высокую температуру на выдержке, что требует повышенного расхода тепла. Кроме того, большие потери тепла возникают при выгрузке и промывке полученной целлюлозной массы.

Последний недостаток частично устраняется так называемым теплоэкономичным методом периодической варки /Непенин Ю.Н., см. выше, с.436-139/. Однако этот способ имеет свой недостаток: требует установки теплообменников и дополнительных сборников, работающих при повышенных температуре и давлении, т.е. усложняется технологическая схема.

В качестве наиболее близкого аналога заявляемому изобретению можно принять сульфатную варку с предварительным гидролизом /Непенин Ю.Н., см.выше. с.229-236/.

Этот способ предусматривает предварительную обработку древесного сырья при повышенной температуре увлажненным паром, или водой, или слабой кислотой, а затем известную сульфатную варку. Данный способ используют для получения кордной или вискозной целлюлозы. Наряду с вышеперечисленными он имеет дополнительный недостаток - увеличенную продолжительность варки.

Заявляемое изобретение устраняет все названные недостатки. Технический результат достигается тем, что в способе получения целлюлозы из древесного сырья посредством обработки его при повышенной температуре жидкостью, содержащей активные компоненты для растворения лигнина, согласно изобретению сырье обрабатывают жидкостью с последовательным увеличением концентрации в ней активных компонентов.

Для предгидролиза используют жидкость с минимальной концентрацией активных компонентов, нейтрализованную серной кислотой.

Порядок обработки древесного сырья по изобретению для обычной варки целлюлозы:
- в котел, загруженный древесным сырьем, например щепой, заливают черный щелок, который образовался из смеси белого и получерного щелоков в результате ее часовой выдержки во втором котле и часовой варки в третьем котле,
- заварка /подъем температуры до рабочей/, т.к. часть тепла черного щелока, имеющего рабочую температуру варки, при заливке котла расходуется на нагрев сырья. После заварки черный щелок, дополнительно насыщенный органикой из свежезагруженного древесного сырья, направляют при рабочей температуре варки на регенерацию /выпарку/,
- проточная варка в течение часа варочным щелоком, который представляет собой смесь белого и получерного щелоков, после часовой выдержки в третьем котле,
- проточная варка в течение получаса смеси белого и получерного щелоков, поступающей при рабочей температуре варки из третьего котла,
- варка путем выдержки сырья в течение часа в смеси белого и получерного щелоков.

- проточная варка в течение часа загружаемой свежей смеси белого и получерного щелоков,
- вытеснение смеси белого и получерного щелоков во второй котел промывочным получерным щелоком,
- выгрузка сваренной целлюлозной массы в выдувной резервуар с последующей водной промывкой, образующей получерный щелок.

Порядок обработки древесного сырья по изобретению для варки предгидролизной целлюлозы в основном тот же, только при заливке в котел черного щелока его нейтрализуют серной кислотой, вместо заварки проводят предгидролиз, после которого нейтрализованный черный щелок, донасыщениый продуктами распада гемицеллюлоз, направляют на регенерацию.

В цикле получения целлюлозы по изобретению участвуют одновременно три котла. Оборот каждого котла составляет 7,5 часов, что в сравнении с известной варкой с предгидролизом ниже на 1,5 часа.

В каждом котле в течение одной варки 4 раза заменяют жидкость, при этом котел каждый раз заполняют жидкостью "под крышку", т.е. на треть больше, чем при известной варке. В результате гидромодуль варки по изобретению в 5,32 раза выше, чем известной. Соответственно следует снижать начальную концентрацию активных компонентов. Поскольку концентрация активных компонентов по ходу варки по изобретению возрастает, соответственно возрастает скорость делигнификации и нет необходимости задавать большой избыток активных компонентов, как это рекомендуют для ускорения варки известными методами. Таким образом устраняются первые два недостатка известных способов получения целлюлозы.

В известных способах получения целлюлозы сваренная целлюлозная масса находится в контакте с черным щелоком, имеющим максимальную концентрацию растворенного лигнина и других органических веществ, загрязняющих целлюлозу. В способе по изобретению сваренная целлюлозная масса находится в контакте с получерным щелоком, имеющим минимальную концентрацию растворенного лигнина и практически при отсутствии экстрактивных веществ, которые уходят с насыщенным черным щелоком в начальный период варки. В связи с этим расход воды на промывку снижается по крайней мере в 2 раза, поэтому нет избытка промывочного щелока и на выпарку уходит только насыщенный черный щелок с максимальным содержанием растворенного лигнина и другой органики, что способствует снижению затрат тепловой энергии на выпарке. К тому же, упрощается сама водная промывка целлюлозы. Например, отсутствие в сваренной целлюлозной массе смоляных и жирных мыл, которые образуются в первый период варки и уходят с черным щелоком, практически исключает вспенивание промывочной жидкости.

Продолжительность варки в способе по изобретению менять нежелательно, т. к. в связке работают три котла. Средняя скорость варки при одинаковой рабочей температуре в способе по изобретению в 2-4 раза выше, т.к. она увеличивается по ходу варки, а в известных способах - снижается. Поэтому для достижения равной степени провара за одинаковое время рабочая температура варки по изобретению должна быть снижена на 10-20^oC. Снижение температуры варки влечет дополнительное снижение расхода тепловой энергии на получение целлюлозы.

Основной существенный отличительный признак способа получения целлюлозы по заявляемому изобретению: сырье обрабатывают жидкостью с последовательным увеличением в ней концентрации активных компонентов.

Дополнительный существенный отличительный признак: для предгидролиза используют жидкость с минимальной концентрацией активных компонентов, нейтрализованную серной кислотой.

Изобретение поясняется графическими материалами, в которых на фиг.1 изображена технологическая схема, а на фиг.2 - график совместной работы трех котлов.

На фиг.1:
1, 2, 3 - котлы для получения целлюлозы, 4, 5, 6 - насосы, 7, 8, 9 - подогреватели, 10 - 25 - задвижки /запорные устройства/. А - коллектор черного щелока, Б - кольцевой коллектор.

На фиг.2:
1, 2, 3 - номера котлов.

31 - осмотр, загрузка и уплотнение древесного сырья,
32 - заливка черного щелока,
33 - заварка или предгидролиз,
34 - подача варочного щелока /смеси белого и получерного щелоков после часовой выдержки в другом котле/ с вытеснением насыщенного черного щелока на регенерацию /выпарку/,
35 - подача смеси белого и получерного щелоков с вытеснением черного щелока на заливку соседнего котла,
36 - выдержка,
37 - закачка белого щелока с вытеснением варочного щелока в соседний котел,
38 - промывка путем закачки получерного щелока с вытеснением сначала варочного щелока, затем смеси белого и получерного щелоков в соседний котел,
39 - выгрузка сваренной целлюлозной массы.

ПРИМЕР 1. В работе используют штатные котлы емкостью 140 м³.

Исходное состояние технологической схемы /фиг.1/ по графику совместной работы трех котлов /фиг.2/.

Котел 1 - пустой после выгрузки 39 сваренной целлюлозной массы, насос 4 не работает, в подогреватель 7 пар не подается, задвижки 10 и 13 закрыты, задвижки 19, 22 открыты.

В котле 2 закончена выдержка 36 при рабочей температуре варки целлюлозы. Насос 5 остановлен, в подогреватель 8 пар не подается, задвижки 11 и 14 закрыты, задвижки 20, 23 открыты.

В котле 3 закончена заварка 33 и прекращена штатная терпентинная сдувка, котел разогрет до рабочей температуры варки, насос 6 остановлен, пар в подогреватель 9 закрыт, задвижки 12, 15, 25 закрыты, задвижки 21, 24 открыты.

Первый час работы.

Котел 1 осматривают, загружают и уплотняют щепу, закрывают крышку /31/.

Закрывают задвижки 16, 18, 20, 24, открывают пар в подогреватель 8, открывают задвижки 12, 14, 15, 17 и в течение 30 мин по штатной схеме /на фиг. 1 ив показана/ насосом 5 закачивают /37/ в верхнюю часть котла 2 белый щелок с содержанием активной щелочи 80-85 г/л Na₂O при 25% сульфидности в количестве: 30 м³, одновременно выпуская с низа котла 2 в коллектор Б варочный щелок с содержанием активной щелочи 20-22 г/л Na₂O, который через задвижки 23, 14, 17, 15, 21 поступает на варку в котел 3. С низа котла 3 выпускают /34/ в коллектор А насыщенный черный щелок с содержанием активной щелочи 0,3-0,5 г/л Na₂O через задвижку 12 и далее, открывая задвижку 25, на регенерацию /на фиг.1 не показана/.

В следующие 30 мин вместо белого щелока в котел 2 закачивают /38/ по штатной схеме со станции промывки /на фиг.1 не показана/ получерный щелок с содержанием активной щелочи 30-32 г/л Na₂O по вышеописанной схеме в количестве 60 м³.

Второй час работы.

Закрывают задвижку 25, прекращают подачу пара в подогреватель 8, Открывают задвижку 10 и в течение 30 мин в котел 1 подают 90 м³ черного щелока /32/ с содержанием активной щелочи 9-10 г/л Na₂O из котла 3 по коллектору А через задвижки 12 и 10, одновременно подавая /35/ в котел 3 смесь белого и получерного щелоков с содержанием активной щелочи 46,7-49,7 г/л Na₂O из котла 2 через задвижки 23, 14, 17, 15, 21 и закачивая в котел 2 получерный щелок с содержанием активной щелочи 30-32 г/л Na₂О на промывку 38.

Задвижку 10 закрывают, включают насос 4. подают пар в подогреватель 7 и в течение 30 мин поднимают /33/ температуру в котле 1, одновременно осуществляя штатную терпентинную сдувку.

Закачку получерного щелока с содержанием активной щелочи 30-32 г/л Na₂O в котел 2 заканчивают, останавливают насос 5, закрывают задвижки 14, 17, открывают задвижку 20 и в течение 30 мин ведут выгрузку 39 содержимого котла 2 в штатный выдувной резервуар /на фиг.1 не показан/.

После выдачи черного щелока с содержанием активной щелочи 9-10 г/л Na₂O из котла 3 в котел 1 закрывают задвижки 12, 15, открывают задвижку 24 и ставят котел 3 на выдержку 36 при температуре варки в течение 30 мин, по необходимости включая насос 6 и подавая пар в подогреватель 9.

Третий час работы.

Через 30 мин в котле 1 заканчивают заварку 33 и закрывают терпентинную сдувку, завершают выгрузку котла 2 и приступают к его загрузке 31, заканчивают выдержку 36 котла 3.

В последующие 30 мин ведут штатную загрузку 31 котла 2.

Открывают задвижки 10, 15, 18, 13, закрывают задвижки 21, 22, подают пар в подогреватель 9 и насосом 6 закачивают /37/ в течение 30 мин белый щелок с содержанием активной щелочи 80-85 г/л Na₂O в количестве 30 м³ в верхнюю часть котла 3, одновременно перепуская /34/ варочный щелок с содержанием активной щелочи 20-22 г/л Na₂O через задвижки 24, 15, 18, 13, 19 в котел 1. Из котла 1 насыщенный черный щелок с содержанием активной щелочи 0,3-0,5 г/л Na₂O через задвижку 10 поступает в коллектор А, откуда его направляют на регенерацию, открывая задвижку 25.

Четвертый час работы.

Через 30 мин заканчивают загрузку 31 котла 2.

После закачки 37 белого щелока с содержанием активной щелочи 80-85 г/л Na₂O в котел 3 в течение 30 мин подают /38/ получерный щелок с содержанием активной щелочи 30-32 г/л Na₂O со станции промывки в количестве 60 м³. После этого закрывают подачу пара в подогреватель 9.

Закрывают задвижку 25, открывают задвижку 11 и в течение 30 мин в котел 2 заливают 90 м³ черного щелока с содержанием активной щелочи 9-10 г/л Na₂O /32/ из котла 1, одновременно подавая /35/ в котел 1 смесь белого и получерного щелоков с содержанием активной щелочи 46,7-49,7 г/л Na₂O из котла 3 через задвижки 24, 15, 18, 13, 19 и закачивая 90 м³ получерного щелока с содержанием активной щелочи 30-32 г/л Na₂O на промывку 38 в котел 3.

Пятый час работы.

Закрывают задвижки 10, 13, открывают задвижку 22 и ставят котел 1 на выдержку 36 в течение часа при рабочей температуре варки, по необходимости включая насос 4 и подавая пар в подогреватель 7.

Закрывают задвижку 11, включают насос 5, подают пар в подогреватель 8 и в течение часа в котле 2 производят заварку 33, одновременно осуществляя штатную терпентинную сдувку.

В течение часа выгружают /39/ содержимое котла 3.

Шестой час работы.

Закрывают задвижки 18, 19, 23, открывают пар в подогреватель 7, открывают задвижки 11, 13, 14, 16 и в течение 30 мин насосом 4 в верхнюю часть котла 1 закачивают /37/ белый щелок с содержанием активной щелочи 80-85 г/л Na₂O при 25% сульфидности в количестве 30 м³, одновременно выпуская с низа котла 1 в коллектор Б такое же количество варочного щелока с содержанием активной щелочи 20-22 г/л Na₂O, который через задвижки 22, 13, 16, 14, 20 поступает /34/ на варку в котел 2. С низа котла 2 выпускают насыщенный черный щелок с содержанием активной щелочи 0,3-0,5 г/л Na₂O через задвижку 11 в коллектор А и далее, открывая задвижку 25, на регенерацию.

В следующие 30 мин вместо белого щелока в котел 1 закачивают /38/ со станции промывки 60 м³ получерного щелока с содержанием активной щелочи 30-32 г/л Na₂O по вышеописанной схеме.

Котел 3 осматривают, штатно загружают и уплотняют щепу, закрывают крышку /31/.

Последние 1,5 часа работы.

Закрывают задвижку 25, открывают задвижку 12 и в течение 30 мин в котел 3 заливают 90 м³ черного щелока с содержанием активной щелочи 9-10 г/л Na₂O /32/ из котла 2, одновременно подавая /35/ в котел 2 смесь белого и получерного щелоков с содержанием активной щелочи 46,7-49,7 г/л Na₂O из котла 1 через задвижки 22, 13, 16, 14, 20 и закачивая 90 м³ получерного щелока с содержанием активной щелочи 30-32 г/л Na₂O на промывку 38 в котел 1.

Закачку /38/ получерного щелока в котел 1 прекращают, закрывают задвижки 13, 16, открывают задвижку 19 и в течение часа ведут выгрузку 39 котла 1 в выдувной резервуар.

После выдачи /35/ черного щелока с содержанием активной щелочи 9-10 г/л Na₂O из котла 2 в котел 3 закрывают задвижки 11, 14, открывают задвижку 23 и ставят котел 2 на выдержку 36 при температуре варки в течение часа.

Закрывают задвижку 12, включают насос 6, подают пар в подогреватель 9 и в течение часа ведут заварку 33 в котле 3, одновременно осуществляя штатную терпентинную сдувку.

Затем цикл работы котлов 1, 2, 3 повторяют. Таким образом, сырье в каждом котле обрабатывают черным щелоком с содержанием активной щелочи 9-10 г/л Na₂O, варочным щелоком с содержанием активной щелочи 20-22 г/л Na₂O, смесью белого и получерного щелоков с содержанием активной щелочи 46,7-49,7 г/л Na₂O, белым щелоком с содержанием активной щелочи 80-85 г/л Na₂O при 25% сульфидности, т. е. с последовательным увеличением в жидкости концентрации активных компонентов. При этом за счет снижения количества белого щелока, задаваемого на варку, и начальной концентрации в нем активной щелочи расход химикатов сокращается практически в 2 раза.

ПРИМЕР 2. Во время заливки 32 в каждый котел черный щелок нейтрализуют серной кислотой. Далее, вместо заварки проводят предгидролиз 33 древесного сырья, а затем котлы работают, как описано в примере 1.

Способ касается получения целлюлозы из древесного сырья и может быть использован в целлюлозно-бумажной промышленности. Способ осуществляют путем заливки древесного сырья черным щелоком. Затем его обрабатывают жидкостью, содержащей активные компоненты для растворения лигнина, причем концентрацию активных компонентов в жидкости в процессе обработки последовательно увеличивают. При этом проводят предгидролиз сырья и при заливке черного щелока его нейтрализуют серной кислотой. Техническим результатом является сокращение расхода химикатов, улучшение экологии и снижение расхода энергии. 1 з.п. ф-лы., 2 ил.

1. Способ получения целлюлозы из древесного сырья путем заливки его черным щелоком и последующей обработки жидкостью, содержащей активные компоненты для растворения лигнина, отличающийся тем, что в процессе обработки концентрацию активных компонентов в жидкости последовательно увеличивают. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что проводят предгидролиз сырья и при заливке черного щелока его нейтрализуют серной кислотой.