СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СУЛЬФАТНОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ ИЗ ДРЕВЕСИНЫ ЛИСТВЕННИЦЫ Российский патент 2013 года по МПК D21C1/06 D21C3/02 

Изобретение относится к целлюлозно-бумажной промышленности и может быть использовано в производстве целлюлозы различного назначения, например для получения вискозной целлюлозы, для производства бумаги и картона.

Известно, что при варке целлюлозы из щепы лиственницы с удаленными из нее в максимально возможной степени арабиногалактаном и флавоноидами качество волокнистого полуфабриката по ряду показателей заметно повышается, а процесс варки облегчается. Важно также, что арабиногалактан и флавоноиды являются ценными природными продуктами и поэтому их извлечение из щепы водной экстракцией с последующим выделением из экстракта в виде товарной продукции следует считать актуальной задачей.

Оптимальным решением общей задачи является получение из древесины лиственницы как целлюлозы высшего качества, так и определенной технологически и экономически обоснованной доли арабиногалактана и флавоноидов, а также удаление экстракцией из древесины в одном и том же процессе еще какой-то части этих веществ, но без их выделения, требующего неоправданно высоких затрат.

Известен способ переработки древесины лиственницы, включающий ее измельчение, экстракцию материала водой одновременно с ударно-акустическим воздействием в течение 0,5-1,0 мин, отделение экстракта, его упаривание и осаждение арабиногалактана в органическом растворителе (пат. RU 2273646, МПК С08В 37/00, опубл. 10.04.2006 г.). Однако способ не предусматривает получение из древесного остатка волокнистых полуфабрикатов.

Наиболее близким по технической сущности и назначению к предлагаемому изобретению является способ получения сульфатной целлюлозы из древесины лиственницы в котле периодического действия, включающий ступень водной экстракции щепы, отделение от нее экстракта, подачу в щепу раствора варочных химикатов, последующую варку (а.с. 1595977, МПК D21C 3/02, D21C 1/02, опубл. 30.09.1990 г.).

Отрицательной чертой способа являются низкая концентрация арабиногалактана в экстракте, недостаточно высокие механические показатели целлюлозы. В описании способа на основании результатов одного из примеров его выполнения авторы указывают о возможности получения по этому способу целлюлозы, пригодной для производства из нее вискозной целлюлозы. Однако следует отметить, что в целлюлозе по примерам число Каппа недостаточно низкое для этой цели.

Новыми положительными результатами от применения предлагаемого способа являются повышение механических показателей целлюлозы, повышение содержания в ней α-целлюлозы, снижения числа Каппа, а также сокращение длительности экстракции при повышении концентрации арабиногалактана в водном экстракте.

Указанные результаты достигаются тем, что в способе получения сульфатной целлюлозы из древесины лиственницы в котле периодического действия, включающем загрузку котла щепой и заполнение жидкой фазой, ступень водной экстракции щепы с заданной ее длительностью, выведение экстракта из котла, подачу в котел варочного раствора, последующую варку, согласно изобретению экстракцию щепы проводят в две ступени в трех последовательно связанных между собой по жидким фазам котлах, в качестве экстрагента на второй ступени экстракции используют черный щелок, при этом водный экстракт выводят из котлов путем его вытеснения черным щелоком, а черный щелок выводят путем его вытеснения варочным раствором. Длительность заполнения котла жидкой фазой и, соответственно, равная ей длительность замены в котле одной жидкой фазы вытеснением другой фазой, равны длительности эффективной экстракции. В качестве черного щелока используют щелок непосредственно после варки или разбавленный щелок, например, от промывки целлюлозы с добавлением белого щелока. Экстракт водной ступени направляют на утилизацию. Экстракт второй ступени направляют в систему регенерации варочных химикатов.

Способ осуществляют следующим образом. Сначала в лабораторных условиях проводят экстракцию щепы, подлежащей переработке в системе из 3-х котлов, с известным содержанием в ней арабиногалактана, водой при 90°С с измерением содержания арабиногалактана в экстракте и определением его зависимости от длительности экстракции. По этим данным определяют длительность эффективной экстракции. Экстракцию считают эффективной до того момента, после которого при увеличении ее длительности вдвое дополнительное количество экстрагированного арабиногалактана не превышает 10% его содержания в экстракте в этот момент. Это первая контрольная точка τ₁.

В таких же условиях проводят экстракцию водой второй порции щепы до первой контрольной точки, затем водный экстракт сливают и экстракцию этой порции продолжают черным щелоком с измерением содержания добавляемых при экстракции веществ. По зависимости этого параметра от длительности экстракции определяют вторую контрольную точку τ₂, соответствующую пределу эффективной экстракции черным щелоком.

Большее из этих двух контрольных значений длительности экстракции считают оптимальной, или эффективной, длительностью экстракции для обеих ее ступеней в 3-котловой системе в промышленных условиях (τ_эф). За это время степень извлечения из щепы арабиногалактана в результате 2-х ступеней экстракции должна быть достаточно высокой.

В промышленных условиях три варочных котла периодического действия объединяют трубопроводами с соответствующим набором запорной арматуры в систему связанных между собой последовательно по жидким фазам котлов. Котлы в равной мере загружают щепой в количестве, обеспечивающим заданное значение гидромодуля при варке.

Для обеспечения возможности работы системы котлов в оптимальном и автоматически управляемом режиме эффективной экстракции на обеих ее ступенях необходимо, чтобы длительность заполнения первого котла жидкой фазой и, соответственно, равная ей длительность замены в котлах одной жидкой фазы вытеснением другой фазой были равны длительности эффективной экстракции, то есть τ_опт.

Вообще говоря, длительность заполнения первого котла или замены одной жидкой фазы другой (отметим ее символом τ₃) может быть и больше, и меньше длительности эффективной экстракции. Необходимо лишь, чтобы при любой скорости заполнения котла или котлов нижний слой щепы в первом котле подвергся экстракции, например, водной, в течение времени, не меньшем эффективной длительности τ_эф (это τ₁ или τ₂) еще до выхода этого же экстрагента из третьего котла. При τ₃<τ_эф, то есть при более высокой скорости, чем при τ₃=τ_эф, движения жидких фаз в котлах, увеличиваются объемы экстрактов в одном цикле экстракция-варка и, соответственно, снижается концентрация растворенных веществ в водном экстракте, предназначенном для переработки. При τ₃>τ_эф, то есть при медленном движении жидких фаз в котлах, увеличивается относительная доля водного экстракта, загрязняемая черным щелоком при вытеснении им из котлов, начиная с первого котла, водного экстракта. Загрязненную часть водного экстракта переработать с целью получения арабиногалактана сложно, ее следует направить либо в канализацию, либо использовать в других целях.

В выбранных условиях при τ₃=τ_эф в первый котел подают воду с температурой 90°С. При его заполнении до заданного уровня нижний слой щепы в котле подвергся экстракции в течение τ_эф. Подачу воды прекращают и в этот котел подают черный щелок, который вытесняет водный экстракт во второй котел. При заполнении первого котла черным щелоком вся щепа в нем подверглась экстракции водой в течение τ_эф, а нижний слой подвергся экстракции черным щелоком также в течение τ_эф. Подачу черного щелока прекращают и подают в первый котел варочный раствор, который вытесняет черный щелок во второй котел, а этот экстрагент, в свою очередь, вытесняет из второго котла в третий водный экстракт. При заполнении варочным раствором первого котла, черным щелоком - второго котла, водным экстрагентом - третьего котла, щепа в первом котле прошла экстракционную обработку в 2 ступени, во втором котле - обработку только водным экстрагентом. При заполнении варочным раствором всех трех котлов щепа в них прошла полную экстракционную обработку в две ступени, то есть водным экстрагентом и черным щелоком.

В течение всего процесса температура в котлах поддерживается на уровне 90°С.

Водный экстракт и черный щелок выводятся раздельными потоками. Водный экстракт направляют на переработку, второй экстракт - в систему регенерации черного щелока.

Поскольку растворимость арабиногалактана в воде очень высока, наличие его в экстрагентах на обеих ступенях экстракции не влияет на скорость его выщелачивания из щепы. Соответственно, при одинаковых условиях варки целлюлозу получают во всех трех котлах с одинаковыми характеристиками.

При необходимости более глубокого удаления арабиногалактана из щепы можно увеличить длительность только второй ступени экстракции, то есть экстракцией черным щелоком, например, вдвое, заполняя им при том же значении τ₃ два котла и уже затем подавать в первый котел варочный раствор.

Следующий пример иллюстрирует эффективность предлагаемого способа.

Навеску щепы, предназначенной для варки в системе из трех котлов, подвергают двухступенчатой экстракции с использованием лабораторной установки. Температура экстрагентов 90°С, гидромодуль при экстракции 4:1, содержание арабиногалактана в абсолютно сухой щепе 9,8%. На первой ступени экстракцию проводят в течение 60 минут. Рассчитывают зависимость содержания арабиногалактана в экстракте от длительности экстракции и определяют длительность эффективной экстракции (τ₁) для этой ступени. По результатам трех одинаковых испытаний τ₁=28 мин. За это время в раствор экстрагировалось 42,4% арабиногалактана от его исходного содержания.

Далее водный экстракт сливают, щепу заливают черным щелоком с известным содержанием в нем сухих веществ. Экстракцию проводят с измерением количеств добавляемых в экстракт веществ в течение 60 минут и определяют длительность эффективной экстракции (τ₂) для второй ступени обработки щепы. Она оказалась равной 24 мин. За это время из щепы было удалено еще 43,2% арабиногалактана в расчете на его исходное содержание. Остаточное его содержание в щепе - 1,4%.

Эту щепу подвергают варке с варьированием ее условий с целью определения их влияния на выход целлюлозы, содержания в ней лигнина (число Каппа) и α-целлюлозы. Эти данные приведены в таблице 1 для 7 вариантов варки.

В качестве оптимальной длительности процесса экстракции (τ_эф) в промышленном процессе выбирают τ₁=28 мин.

Котлы загружают щепой из расчета, чтобы значение гидромодуля было равным 4:1.

В первый котел подают воду с температурой 90°С со скоростью, обеспечивающей его заполнение за 28 минут. После истечения этого времени подачу воды прекращают и в первый котел с такой же скоростью подают черный щелок. При заполнении 1-го котла черным щелоком его подачу прекращают и в 1-й котел подают варочный раствор. При заполнении этим раствором 1-го котла 2-й котел заполнен черным щелоком, вытесненным из первого котла варочным раствором, 3-й котел заполнен водным экстрактом, вытесненным из 2-го котла черным щелоком. Температура в котлах на всех этапах поддерживают на уровне 90°С.

Подачу варочного раствора продолжают до полного заполнения всех трех котлов, при этом сначала отбирают водный экстракт и затем черный щелок. Водный экстракт направляют на переработку, второй - в систему регенерации варочных химикатов.

При заполнении котлов варочным раствором начинают варку целлюлозы по заданному режиму: подъем температуры с 90°С до 140°С - 40 минут, выдержка при 140°С - 40 минут, подъем до 170°С - 40 минут, продолжительность варки при 170°С - 90 минут. Расход белого щелока, в расчете на абсолютно сухую древесину (а.с.д.), 22,0%.

В таблице 2 приводятся характеристики целлюлозы, полученной в примере промышленного использования способа. Показатели механической прочности полученных из целлюлозы отливок измеряют при помоле 60°ШР и массе отливок 75 г/м². Для сравнения приводятся показатели, взятые из описания способа по прототипу.

На основании приведенных в таблицах 1 и 2 характеристик следует заключить, что из такой целлюлозы можно производить бумагу высшего качества, а также использовать ее в качестве материала для получения вискозной целлюлозы.

Таблица 1 Влияние условий варки полученной в лабораторных условиях щепы на характеристики целлюлозы. Параметры варки Характеристики целлюлозы t, °С Время, мин Расход белого щелока, % к а.с.д. Выход целлюлозы, % к а.с.д. Число Каппа, ед. Содержание α-целлюлозы, % по массе целлюлозы 170 130 19,0 34,3 23,5 94,26 170 160 19,0 33,0 21,4 94,30 170 100 22,0 33,5 21,0 94,05 170 130 22,0 32,2 17,4 94,05 170 70 25,0 33,1 16,1 94,72 170 70 25,0 33,0 19,4 95,21 170 100 25,0 32,2 15,3 94,51

Таблица 2 Характеристики целлюлозы, сваренной в промышленных условиях по примеру. Показатели Новый способ По прототипу Выход целлюлозы, % 33,5 34,3 Число Каппа 21,0 27,0 Содержание α-целлюлозы, % 94,3 94,5 Разрывная длина, м 10200 9100 Число двойных перегибов 5680 5450 Сопротивление продавливанию, кПа 630 550 Сопротивление раздиранию, мН 270 210

Изобретение относится к целлюлозно-бумажной промышленности и может быть использовано в производстве целлюлозы различного назначения, например для получения вискозной целлюлозы, для производства бумаги и картона. Способ осуществляется с использованием трех котлов периодического действия, последовательно связанных между собой по жидким фазам, и двух ступеней экстракции - водой и затем черным щелоком, при этом водный экстракт выводят из котлов путем его вытеснения черным щелоком, а черный щелок выводят путем его вытеснения варочным раствором. Длительность полного заполнения котла жидкой фазой и, соответственно, равная ей длительность полной замены в котле одной жидкой фазы вытеснением ее другой фазой, равны определяемой экспериментально длительности эффективной экстракции. Изобретение позволяет повысить механические показатели целлюлозы, снизить число Каппа, а также сократить длительность экстракции при повышении концентрации арабиногалактана в водном экстракте. 4 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Способ получения сульфатной целлюлозы из древесины лиственницы в котле периодического действия, включающий загрузку котла щепой, заполнение его жидкой фазой, ступень водной экстракции щепы с заданной ее длительностью, выведение экстракта из котла, подачу в котел варочного раствора, последующую варку, отличающийся тем, что экстракцию щепы проводят в две ступени в трех последовательно связанных между собой по жидким фазам котлах, в качестве экстрагента на второй ступени экстракции используют черный щелок, при этом водный экстракт выводят из котлов путем его вытеснения черным щелоком, а черный щелок выводят путем его вытеснения варочным раствором.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что длительность заполнения котла жидкой фазой и соответственно равная ей длительность замены в котле одной жидкой фазы вытеснением ее другой фазой равны длительности эффективной экстракции.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве черного щелока используют разбавленный щелок от промывки целлюлозы с добавлением белого щелока.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что экстракт водной суспензии направляют на утилизацию.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что экстракт второй ступени направляют в систему регенерации варочных химикатов.