Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к переработке целлюлозной массы и, в частности, к улучшенным способу и системе переработки отходов холоднощелочной экстракции в химическом способе получения крафт-целлюлозы.
Уровень техники
Целлюлозная масса из древесины и растительных материалов имеет множество коммерческих применений. Хотя одной из самых обычных областей применения является производство бумаги, целлюлозная масса также может применяться для получения многих других продуктов, включая вискозу и другие синтетические материалы, так же как ацетат целлюлозы и эфиры целлюлозы, которые используются, например, в изготовлении фильтров, ткани, упаковочной пленки и взрывчатых веществ.
Существует много химических и механических способов переработки древесины и растительных материалов для производства целлюлозной массы и бумаги. Основные стадии переработки включают подготовку сырья (например, корообдирку и измельчение), выделение древесного волокна механическим или химическим путем (например, размол, рафинирование или варка), для отделения лигнина и экстрагируемых веществ из целлюлозы древесного волокна, удаление красящих веществ отбеливанием и формированием из полученной переработанной целлюлозной массы бумаги или других продуктов. Кроме того, при производстве целлюлозной массы и бумаги на целлюлозно-бумажных комбинатах обычно также имеется оборудование для получения и регенерации химических реагентов, сбора и переработки побочных продуктов для производства энергии и удаления и переработки отходов, чтобы минимизировать воздействие на окружающую среду.
"Варка целлюлозы" в общем смысле относится к процессу, в результате которого достигается выделение волокна. Древесина и другие растительные материалы включают целлюлозу, гемицеллюлозу, лигнин и другие второстепенные компоненты. Лигнин является сетью полимеров, вкрапленной между отдельными волокнами, и функционирует как межклеточный адгезив для связывания отдельных древесных волокон вместе. В ходе варки целлюлозы макромолекулы лигнина разрываются, освобождая таким образом отдельные целлюлозные волокна и растворяя примеси, которые могут вызвать обесцвечивание и последующее разложение бумаги или другого конечного продукта.
Сульфатная варка целлюлозы является обычно используемым способом варки целлюлозы. Бумага, полученная сульфатной варкой целлюлозы, может использоваться, например, для производства отбеленного тарного картона и облицовочного картона, используемых в упаковочной промышленности. В обычной сульфатной варке целлюлозы древесина обрабатывается водной смесью гидроксида натрия и сульфида натрия, известной как "белый щелок". Обработка разрушает связь между лигнином и целлюлозой и разрушает большую часть лигнина и часть макромолекул гемицеллюлозы на фрагменты, которые растворимы в сильнощелочных растворах. Этот процесс удаления лигнина из окружения целлюлозы известен как делигнификация. Растворимую часть после этого отделяют от целлюлозной массы.
Фиг.1 представляет блок-схему обычного процесса 100 сульфатной варки целлюлозы. Процесс 100 включает подачу древесной щепы (или другого органического целлюлозосодержащего сырья) 118 и щелочных растворов в реакционный сосуд высокого давления, называемый автоклавом, для осуществления делигнификации, что обозначается как стадия "варки" 121. Древесную щепу объединяют с белым щелоком 111, который может быть произведен на последующих стадиях процесса или получен из отдельного источника. Делигнификация может занять несколько часов, и степень делигнификации выражается безразмерным "Н фактором", который обычно определяется так, что варка в течение одного часа при 100°С эквивалентна Н фактору, равному 1. Из-за высокой температуры реакционный сосуд часто герметизируют введением пара. В конце стадии варки давление в реакционном сосуде снижают до атмосферного, удаляя таким образом пар и летучие продукты.
Белый щелок, используемый при варке, может быть, например, щелочным раствором, содержащим гидроксид натрия (NaOH) и сульфид натрия (Na2S). Характеристика белого щелока часто выражается в единицах эффективной щелочи (ЕА) и сульфидности. ЕА вычисляется как вес гидроксида натрия плюс половина веса сульфида натрия и представляет эквивалентный вес оксида натрия по отношению к весу сухой древесины. Эффективная щелочь в виде гидроксида натрия представляет эквивалентный вес гидрооксида натрия по отношению с сухой древесине. Сульфидность представляет собой отношение половины веса сульфида натрия к сумме веса гидроксида натрия и половины веса сульфида натрия, выраженное в процентах.
После варки коричневая твердая целлюлозная масса, также известная как "небеленая сульфатная целлюлоза", удаляется из автоклава, используемого на стадии варки 121, и затем фильтруется и промывается в процессе 122. Фильтрацией целлюлозная масса отделяется от костры (пучки древесных волокон), узлов (непроваренная щепа), грязи и других остатков. Материалы, отделенные от целлюлозной массы, иногда упоминаются как "отходы" и целлюлозная масса как "продукт". Часто используются многостадийные каскадные процессы для снижения количества целлюлозных волокон в отходящем потоке, поддерживая высокую чистоту в потоке продукта. Дополнительное извлечение волокна может быть достигнуто в рафинере, расположенном далее по технологической схеме, или повторной переработкой сит и узлов в автоклаве.
Затем небеленая сульфатная целлюлоза может быть промыта нескольким последовательными стадиями для отделения отработанной варочной жидкости и растворенных материалов от волокон целлюлозы. Отработанная варочная жидкость 112 из автоклава, используемого на стадии варки 121, и жидкость 113, собранная в процессе промывки и фильтрации 122, обычно обе называются "черный щелок" из-за их окраски. Черный щелок обычно содержит фрагменты лигнина, углеводы из разрушенной гемицеллюлозы и неорганические вещества. Черный щелок может использоваться в дополнение к белому щелоку на стадии варки, как показано, например, на фиг.1 стрелкой, представляющей черный щелок 113, полученный при промывке и фильтрации 122 и передаваемый на стадию варки 121. Черный щелок 135 из сборного резервуара (не показан на фиг.1) также может подаваться в автоклав как часть стадии варки 121, если нужно достигнуть соответствующей концентрации щелочи, или в других подобных целях.
Очищенная небеленая сульфатная целлюлоза 131 после промывки и фильтрации 122 затем может быть смешана с белым щелоком 114 и подаваться в реакционный сосуд для дополнительного отделения растворенных материалов, таких как гемицеллюлоза и низкомолекулярная целлюлоза, от более длинных волокон целлюлозы. Типичным способом отделения является так называемая холоднощелочная экстракция ("ССЕ"), которая представлена стадией реакции ССЕ 123 на фиг.1. Температура, при которой производят экстракцию, может меняться, но обычный диапазон составляет менее 60°С.
Затем очищенную целлюлозную массу 132 из реактора, используемого на стадии реакции ССЕ 123, отделяют от отработанного холодного щелочного раствора и растворенной гемицеллюлозы и несколько раз промывают и фильтруют во второй сепарационной установке на стадии промывки ССЕ 124. Получающаяся очищенная небеленая сульфатная целлюлоза 133 с относительно высоким содержанием альфа-целлюлозы, все еще содержащая некоторое количество лигнина, подается в последующую установку отбеливания для дальнейшей делигнификации. В некоторых способах производства целлюлозной массы отбеливание выполняют до стадии реакции ССЕ 123 и стадии промывки ССЕ 124.
Для многих применений, таких как изготовление синтетических материалов или фармацевтических продуктов, желательно иметь целлюлозную массу очень высокой чистоты или качества. Качество целлюлозной массы может быть оценено несколькими параметрами. Например, процентное содержание альфа-целлюлозы отражает относительную чистоту переработанной целлюлозной массы. Содержание альфа-целлюлозы может быть оценено и вычислено на основе растворимости целлюлозной массы (например, факторы S10 и S18, описанные ниже). Степени делигнификации и разрушения целлюлозы измеряются числом Каппа ("KN") и вязкостью целлюлозной массы соответственно. Более высокая вязкость целлюлозной массы указывает на большую длину цепи целлюлозы и меньшее разрушение. Стандарт 236 om-99 Технической ассоциации целлюлозно-бумажной промышленности (TAPPI) определяет стандартный метод определения числа Каппа целлюлозной массы. Число Каппа определяет содержание лигнина или белимость целлюлозной массы. Растворимость целлюлозной массы в 18% масс. водном растворе гидроксида натрия ("S18") дает оценку количества остаточной гемицеллюлозы. Растворимость целлюлозной массы в 10% масс. водном растворе гидроксида натрия ("S10") определяет общее количество растворимых веществ в щелочных растворах, которые включают сумму гемицеллюлозы и продуктов разложения целлюлозы. Наконец, разница между S10 и S18 определяет количество растворимой в щелочи разрушенной целлюлозы.
Обычными способами может быть достигнуто содержание альфа-целлюлозы в очищенной целлюлозной массе 92-96 процентов, хотя исторически было весьма трудно достигнуть чистоты верхней границы этого диапазона, особенно сохраняя другие необходимые свойства целлюлозной массы, такие как высокая вязкость (то есть ограниченное разложение целлюлозы при варке целлюлозы).
В обычном способе фильтрат 116, также называемый щелочным фильтратом ССЕ стадии промывки и стадии разделения ССЕ 124, включает как отработанный холодный щелочной раствор, так и отработанную промывочную жидкость стадии разделения и промывки 124. Этот фильтрат 116 часто содержит существенное количество высокомолекулярной гемицеллюлозы. Когда фильтрат с высоким содержанием гемицеллюлозы возвращают в цикл для использования в качестве части варочной жидкости в автоклаве стадии варки 121, гемицеллюлоза может выпадать из раствора и осаждаться на целлюлозных волокнах. Это может препятствовать получению высококачественной целлюлозной массы. С другой стороны, в определенных применениях, таких как высококачественная пряжа или синтетические ткани, материалы для жидкокристаллических дисплеев, продукты, выполненные из ацетатных производных, продукты из вискозы (такие как корд шин и специальные волокна), сегменты фильтров, используемые в сигаретах, и некоторых пищевых и фармацевтических применениях, требуется целлюлозная масса с высоким содержанием альфа-целлюлозы, содержащая минимальное количество повторно осажденных гемицеллюлоз.
Как показано на фиг.1, часть щелочного фильтрата ССЕ 116 необходимо отводить в зону регенерации 134 для регулирования повторного осаждения гемицеллюлоз на стадии варки 121. Отводимый щелочной фильтрат ССЕ 116, подаваемый в зону регенерации 134, может быть объединен с избытком черного щелока, сконцентрирован и сожжен в содорегенерационном котле для удаления органических веществ и извлечения неорганических солей. Новый источник щелочи затем может понадобиться для замены фильтрата ССЕ и черного щелока, подаваемых в зону регенерации 134 для поддержания надлежащего щелочного баланса на стадии варки 121.
Обычный процесс не обеспечивает эффективного или рентабельного производства целлюлозы с подходящим содержанием альфа-целлюлозы, которая может быть необходима для многих промышленных, фармацевтических и практических применений, включая вышеуказанные.
Существует потребность в способе и системе переработки целлюлозной массы, дающих растворимую целлюлозу с очень высоким содержанием альфа-целлюлозы. Кроме того, существует потребность в способе и системе переработки целлюлозной массы, обеспечивающих эффективное и рентабельное производство растворимой целлюлозы с высоким содержанием альфа-целлюлозы, путем предотвращения повторного осаждения гемицеллюлоз.
Раскрытие изобретения
В одном аспекте, улучшенный способ и система производства целлюлозной массы включают, серди прочего, обогащение одного или более из черного щелока и щелочного фильтрата холоднощелочной экстракции (ССЕ), используемого на стадии варки с белым щелоком.
Согласно одному или большему числу осуществлений, способ и система производства целлюлозной массы, используемые в сульфатной варке (крафт-процессе), включают стадию варки, со стадиями подачи древесной щепы или других органических материалов, содержащих целлюлозу, в автоклав или подобный реакционный сосуд, выполнение последовательных фаз процесса: предварительный гидролиз, нейтрализация щепы белым щелоком и щелочным фильтратом ССЕ, при необходимости обогащенным белым щелоком, заполнение автоклава горячим черным щелоком и/или щелочным фильтратом ССЕ (любой из двух или оба вместе обогащенные белым щелоком), и варка в течение времени, достаточного для делигнификации. После этих стадий могут проводиться холодное замещение и выгрузка целлюлозной массы.
После стадии варки дальнейшие стадии могут включать обработку получаемой небеленой массы для получения полуочищенной целлюлозной массы, экстракцию полуочищенной целлюлозной массы щелочным раствором для получения очищенной целлюлозной массы и раствора, содержащего гемицеллюлозы, отделение раствора, содержащего гемицеллюлозу, от очищенной целлюлозной массы, промывку очищенной целлюлозной массы и сбор образующегося при этом щелочного фильтрата, использование существенной части щелочного фильтрата (при необходимости концентрированного упариванием или другим путем) в автоклаве. Полный процесс может помочь предотвратить осаждение гемицеллюлоз, улучшить чистоту растворимой целлюлозы с высоким содержанием альфа-целлюлозы и увеличить эффективность системы производства целлюлозной массы в целом.
Дальнейшие осуществления, альтернативы и варианты также представлены в описании или в прилагаемых фигурах.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 представляет технологическую схему обычного процесса сульфатной варки с предварительным гидролизом, используемого для производства целлюлозной массы, известного уровня техники.
Фиг.2 представляет схему обычной системы и соответствующего процесса промывки и очистки целлюлозной массы в процессе холоднощелочной экстракции.
Фиг.3 представляет схему обычной системы и соответствующего процесса варки, которые могут быть использованы в процессе сульфатной варки с предварительным гидролизом.
Фиг.4 представляет технологическую схему системы и соответствующего процесса производства целлюлозной массы в соответствии с одним осуществлением, раскрытым в описании.
Фиг.5 представляет схему системы и соответствующего процесса стадии варки, используемых для производства целлюлозной массы в соответствии с одним осуществлением, раскрытым в описании.
Фиг.6А и 6В представляют поперечное сечение автоклава, показывающее, среди прочего, типичные уровни жидкости и материалов, используемые в обычном процессе на стадии нейтрализации.
Фиг.7А, 7В и 7С представляют поперечные сечения автоклава, показывающие, среди прочего, уровни жидкости и смесей материалов на стадии нейтрализации в соответствии с одним осуществлением, раскрытым в описании.
Фиг.8 и 9 представляют поперечные сечения автоклава, показывающие, среди прочего, уровни жидкости и смесей материалов при заполнении горячим черным щелоком и конечного замещения в соответствии с одним осуществлением, раскрытым в описании.
Фиг.10 представляет технологическую схему предпочтительного процесса варки, который может быть использован в процессе холоднощелочной экстракции производства целлюлозной массы, в соответствии с одним или большим числом осуществлений, раскрытых в описании.
Фиг.11 представляет схему, показывающую бланк данных, используемых для расчета и регистрации объемов жидкости на "входе" и "выходе" в лабораторном автоклаве и условий процесса в общей технологической схеме фиг.10.
Фиг.12 является графиком, представляющим рН и концентрации эффективной щелочи выхода нейтрализатов различных образцов процесса фиг.11.
Фиг.13А и 13В являются графиками, суммирующими различные условия процесса и результаты согласно различным примерам процессов.
Фиг.14 является графиком зависимости S18 от числа Каппа процесса в соответствии с одним осуществлением, раскрытым в описании.
Осуществление изобретения
Согласно одному или большему числу осуществлений, способ и система обработки целлюлозной массы, используемые в сульфатной варке (крафт-процессе), включают объединение первого щелочного раствора, такого как белый щелок, с некоторым количеством древесины или другого органического материала, содержащего целлюлозу, в соответствующем резервуаре или реакционном сосуде (т.е. автоклаве) для варки при подходящей температуре, например 140-180°С, для получения небеленой сульфатной целлюлозы. Сортировка и промывка небеленой сульфатной целлюлозы приводят к получению полуочищенной целлюлозной массы, а также побочных продуктов (таких как черный щелок), которые возвращают в автоклав. Полуочищенная целлюлозная масса может быть экстрагирована другим щелочным раствором (который также может быть белым щелоком) при подходящей температуре, например ниже 50°С, для получения очищенной целлюлозной массы. Раствор, содержащий гемицеллюлозу, может быть отделен от очищенной целлюлозной массы дополнительной промывкой, приводящей к получению другого щелочного раствора в форме щелочного фильтрата холоднощелочной экстракции (ССЕ), который может быть отдельно собран и сохранен. Этот щелочной фильтрат ССЕ может быть сконцентрирован, например, упариванием или другим путем и использоваться отдельно или в комбинации с первым щелочным раствором в автоклаве для обработки органических материалов и возобновления цикла. В других осуществлениях существенную часть щелочного фильтрата ССЕ возвращают в автоклав, но без концентрирования.
Согласно особенности одного или большего числа осуществлений, древесная щепа или другие содержащие целлюлозу органические материалы реагируют с щелочным раствором в реакционном сосуде, в качестве части стадии варки. Стадия варки предпочтительно включает подачу древесной щепы или других органических материалов, содержащих целлюлозу, в автоклав или подобный реакционный сосуд, выполнение предварительного гидролиза, нейтрализацию смеси белым щелоком и щелочным фильтратом ССЕ, при необходимости обогащенным белым щелоком, заполнение автоклава горячим черным щелоком и щелочным фильтратом ССЕ (любой или оба предпочтительно обогащены белым щелоком) и варку в течение времени, достаточного для проведения делигнификации. За этими стадиями могут следовать холодное замещение и выгрузка целлюлозной массы.
Выгруженная смесь целлюлозной массы обычно содержит выделенные целлюлозные волокна. Эти волокна могут быть дополнительно экстрагированы другим щелочным раствором для растворения гемицеллюлозы. Отработанный щелочной раствор вместе с растворенной гемицеллюлозой может быть отделен от экстрагированной целлюлозной массы, и целлюлозная масса дополнительно промывается для удаления остаточного щелочного раствора и гемицеллюлозы. Промывочные жидкости и отработанный щелочной раствор, содержащие гемицеллюлозу, объединяются и при необходимости концентрируются для получения концентрированного фильтрата ССЕ. Концентрированный или неконцентрированный фильтрат ССЕ, в зависимости от обстоятельств, может затем использоваться отдельно или в комбинации с другим щелочным раствором для обработки древесины в реакционном сосуде.
Таким образом, потенциально все количество щелочного фильтрата, полученного на стадии промывки и очистки, может быть возвращено и использовано в качестве источника щелочи для процесса варки с использованием крафт-процесса с предварительным гидролизом (РНК), помогая таким образом предотвратить осаждение гемицеллюлозы и улучшить чистоту растворимой целлюлозы с высоким содержанием альфа-целлюлозы. Все вышеуказанные стадии могут быть выполнены на традиционном оборудовании.
Для сравнения фиг.2 и 3 представляют некоторые соответствующие особенности существующего процесса в соответствии с общей технологией производства целлюлозной массы, представленной на фиг.1. Показанные на фиг.2 существующие система и соответствующий процесс промывки и очистки целлюлозной массы и показанные на фиг.3 существующие система и соответствующий процесс варки все могут быть использованы в крафт-процессе с предварительным гидролизом. Согласно фиг.2, система 200 и соответствующий процесс промывки и очистки целлюлозной массы включают транспортировку очищенной целлюлозной массы 232 после сортировки и промывки небеленой сульфатной целлюлозы (т.е. стадия 122 на фиг.1) подходящим транспортным средством в реактор ССЕ 210 (т.е. стадия 123 на фиг.1), наряду со смесью охлажденного белого щелока 215, щелочного фильтрата ССЕ 226 или, возможно, других жидкостей или растворов, которые могут временно храниться в одном или большем числе баков-смесителей 271, 272. Из реактора ССЕ 210 смесь целлюлозной массы 233 может подаваться в группу двухвалковых прессов 251-254, которые используются как часть промывки и очистки целлюлозной массы. После обработки с использованием двухвалковых прессов 251-254 обработанную целлюлозную массу 260 затем можно дополнительно обработать или смешать с серной кислотой (H2SO4) 261 и/или другой жидкостью и направить далее по технологической схеме на отбеливание. В процессе промывки щелочной фильтрат ССЕ 216, получаемый из двухвалковых прессов 251-254, может быть собран и использован в различных целях, включая возврат и использование на предыдущей стадии варки.
Как ранее отмечено, часть щелочного фильтрата ССЕ 216, обычно намного менее половины, обычно отбирают на участок регенерации или удаляют иначе.
Фиг.3 представляет систему 300 и соответствующий процесс варки известного уровня техники, в которых при необходимости может быть использован щелочной фильтрат ССЕ. На фиг.3 в один или более автоклавов 310a, 310b подается древесная щепа или другой органический материал, содержащий целлюлозу, и они являются основными реакционными сосудами, используемыми в процессе варки. Система 300 также включает резервуар 320 для белого щелока, резервуар 330 для замещающей жидкости и один или более накопительных резервуаров 340а, 340b для горячего черного щелока. Белый щелок 319 из внешнего источника может быть закачан в резервуар 320 для белого щелока, из которого он может быть взят и использован как жидкость для нейтрализации 322 в автоклавах 310a, 310b.
Резервуар 330 для замещающей жидкости содержит раствор, который может содержать разбавленный черный щелок или смесь, содержащую черный щелок, которая может быть получена, например, в качестве побочного продукта на стадии промывки небеленой сульфатной целлюлозы, как указано входящей стрелкой 325.
Белый щелок 319 или фильтрат ССЕ 316 может быть закачан через несколько теплообменников со стороны всасывания насоса, связанного с резервуаром белого щелока 320. Другой насос подает белый щелок или фильтрат ССЕ на стадию нейтрализации к нагнетающей стороне насоса, связанного с резервуаром фильтрата 330. При загрузке горячего черного щелока жидкость из резервуара-накопителя горячего черного щелока 340а закачивают через теплообменник 353 и в конечном счете в автоклавы 310а, 310b по линии варочной жидкости 324. После загрузки горячего черного щелока загружается белый щелок (или фильтрат ССЕ) тем же насосом и по той же линии, по которым загружается черный щелок. После завершения варки в автоклавы 310а, 310b подается замещающая жидкость 327а, 327b и используется до окончания стадии варки. Самую горячую часть замещающей жидкости подают в первый резервуар-накопитель горячего черного щелока 340а, чтобы использовать при следующей варке, и более холодную часть подают во второй резервуар-накопитель горячего черного щелока 340b. Из второго резервуара-накопителя горячего черного щелока 340b жидкость подают в выпарную установку через теплообменники и фильтр жидкости и оттуда в содорегенерационный котел, где органические вещества сжигают для производства пара, а неорганические вещества регенерируются.
Обычно, когда не производится целлюлозная масса высокой чистоты, стадия холоднощелочной экстракции не требуется и белый щелок подается непосредственно в автоклавы 310a, 310b. Когда применяется холоднощелочная экстракция, обычно фильтрат ССЕ закачивают назад в автоклавы 310a, 310b.
В обычных процессах варки автоклавы 310a, 310b заполняют древесной щепой или подобными органическими материалами и затем проводится предварительный гидролиз. После предварительного гидролиза жидкость нейтрализации 322 подают в автоклавы 310a, 310b, которую затем последовательно замещают соответствующей варочной жидкостью. Затем температуру автоклавов 310а, 310b повышают до температуры варки, при которой они выдерживаются достаточное время для прохождения делигнификации. По завершении варки открывают сдувочный клапан каждого автоклава 310а, 310b и затем делигнифицированную целлюлозную массу из автоклава выгружают в выдувной резервуар (не показан). К концу цикла варки автоклав поддерживают под давлением, при этом вводится замещающая жидкость для замены горячих черного щелока или отработанных жидкостей, которые удаляются из автоклава 310а, 310b все еще примерно с температурой, используемой при варке. В обычном процессе замещающую жидкость составляет фильтрат, полученный при промывке небеленой сульфатной целлюлозной массы. Замещенный горячий черный щелок собирают в одном или большем числе высокотемпературных регенерационных цистерн 340а, 340b для последующего повторного использования. После процесса замещения замещающая жидкость и оставшийся отработанный черный щелок, у которых более низкая температура, чем обычная температура варки, также при необходимости могут хранится в низкотемпературных регенерационных цистернах и быть поданы в зону регенерации. Автоклавы 310a, 310b в конечном счете откачиваются для удаления делигнифицированной целлюлозной массы.
Фиг.4 представляет технологическую схему процесса 400 производства целлюлозной массы в соответствии с одним осуществлением, раскрытым в описании, в котором процесс варки изменен и улучшен по сравнению с известным уровнем техники. Процесс 400 фиг.4 начинается со стадии варки 421, в основном подобной обычной сульфатной варке целлюлозы, в которой древесная щепа или другие органические материалы, содержащие целлюлозу, 418 подаются в автоклав, работающий при высоком давлении. Автоклав может быть любого подходящего объема, такого как, например, около 360 кубических метров. Конкретный выбор типа древесины или другого растительного или органического материала может зависеть от желаемых конечных продуктов. Например, мягкая древесина, такая как сосна, ель и канадская ель, может использоваться для некоторых способов получения производных для производства продуктов с высокой вязкостью, подобных эфирам целлюлозы (которые могут быть использованы, например, как добавки в пищевые продукты, краску, буровые жидкости или шлам, бумагу, косметику, фармацевтические препараты, адгезивы, полиграфию, сельском хозяйстве, керамике, текстиле, моющих средствах и строительных материалах). Древесина лиственных пород, таких как эвкалипт и акация, может быть предпочтительной в тех применениях, которые не требуют целлюлозной массы с очень высокой вязкостью.
В одном осуществлении и как детально описано ниже, автоклав нагревают во время предварительного гидролиза, который является частью стадии варки 421, до первой заданной температуры паром или другим соответствующим образом. Эта заданная температура может составлять, например, 110-130°С и, более определенно, может составлять около 120°С. Нагревание в этом отдельном примере производится в течение времени 15-60 минут (например, 30 минут), хотя другое время нагрева может использоваться в зависимости от специфического оборудования и природы нагреваемых органических материалов.
Затем автоклав предпочтительно дополнительно нагревают паром или другим путем до второй температуры, более высокой, чем первая заданная температура стадии предварительного гидролиза. Эта вторая температура предварительного гидролиза предпочтительно около 165°С, хотя опять же точная температура может зависеть от многих переменных, включая оборудование и органические материалы. Нагревание для предварительного гидролиза может проводиться в течение 30-120 минут (например, 60 минут), хотя опять время при необходимости может быть изменено. Как только достигается температура предварительного гидролиза, автоклав выдерживается при этой температуре подходящий промежуток времени, например 35-45 минут или любое другое время, достаточное для завершения предварительного гидролиза.
В предпочтительном осуществлении раствор нейтрализации добавляют в автоклав как часть стадии варки 421. Раствор нейтрализации может состоять из белого щелока 411, щелочного фильтрата 417 или их смеси. Белый щелок может быть, например, смесью гидрооксида натрия и сульфида натрия. В предпочтительном осуществлении белый щелок содержит 85-150 грамм на литр эффективной щелочи в пересчете на гидроксид натрия (NaOH), более предпочтительно 95-125 грамм NaOH на литр и наиболее предпочтительно 100-110 грамм NaOH на литр. Сульфидность белого щелока может составлять 10-40%, предпочтительно 15-35% и наиболее предпочтительно 20-30%.
Концентрация эффективного NaOH в черном щелоке 435, используемом для заполнения горячей жидкостью до обогащения белым щелоком, может составлять 15-35 грамм на литр и предпочтительно составляет 20-30 грамм на литр, или в щелочном фильтрате 417 после обогащения белым щелоком может составлять 35-75 грамм на литр и предпочтительно 40-50 грамм на литр, хотя она может меняться в определенных процессах.
Раствор нейтрализации может быть добавлен в автоклав одной порцией или несколькими порциями. В одном осуществлении раствор нейтрализации, содержащий и белый щелок и щелочной фильтрат, добавляют двумя порциями, при этом сначала белый щелок подают в автоклав в качестве буферного слоя белого щелока 461 с последующим добавлением щелочного фильтрата ССЕ 417. В одном осуществлении раствор нейтрализации добавляют при температуре 120-160°С и более предпочтительно 140-150°С. Белый щелок может содержать 20-40% общей эффективной щелочи на стадии нейтрализации и более предпочтительно может содержать 25-30% общей эффективной щелочи при нейтрализации.
Варочная жидкость затем может заместить жидкость нейтрализации в автоклаве и использоваться для варки древесины в автоклаве. Варочная жидкость может быть добавлена в автоклав несколькими порциями. В одном осуществлении варочный раствор включает и горячий черный щелок и белый щелок или щелочной фильтрат ССЕ, добавленный двумя порциями. Диапазон и предпочтительный диапазон содержания гидроксида натрия и сульфида натрия в черном щелоке, белом щелоке и фильтратах ССЕ могут быть теми же, что и для фазы нейтрализации.
В одном или большем числе осуществлений варочный раствор включает один или оба следующих элемента: (i) черный щелок 435 с концентрацией эффективной щелочи 15-35 грамм на литр в пересчете на NaOH, при необходимости улучшенный добавлением белого щелока 462 с концентрацией эффективной щелочи 95-125 грамм на литр в пересчете на NaOH для достижения концентрации эффективной щелочи 40-50 грамм на литр в пересчете на NaOH или улучшенный добавлением рециркулируемого фильтрата ССЕ 417 (при необходимости сконцентрированного для увеличения содержания щелочи или обогащенного белым щелоком); и (ii) щелочной фильтрат ССЕ 417, получаемый холоднощелочной экстракцией далее по технологической схеме на стадии промывки 424 с концентрацией эффективной щелочи 55-75 грамм на литр в пересчете на NaOH, после обогащения или улучшения добавлением белого щелока 463, и при необходимости сконцентрированный упариванием или другими подобными средствами.
Автоклав может быть нагрет до температуры варки паром или другим путем. Температура варки может быть в диапазоне 140-180°С и предпочтительно в диапазоне 145-160°С. Нагревание может быть в течение 10-30 минут или другого подходящего периода времени. Затем автоклав выдерживают при температуре варки в течение подходящего периода для процесса варки, например 15-120 минут. Диапазон температуры и время варки выбираются для заданного Н фактора, который предпочтительно находится в диапазоне 130-250.
В результате стадии варки 421 получается небеленая сульфатная целлюлоза 412. Небеленая сульфатная целлюлоза 412 промывается и сортируется способом 422, подобным обычному способу крафт-процесса, вследствие чего небеленая сульфатная целлюлоза 412 подвергается сортировке с помощью различных типов сит или решет или центробежной очистке. Небеленая сульфатная целлюлоза 412 затем промывается в моечной машине в процессе сортировки и промывки 422. Моечная машина может быть любого коммерческого типа, включая горизонтальные конвейерные моечные машины, ротационные барабанные моечные машины, вакуумные фильтры, пресс-фильтры, фильтры с уплотняющей перегородкой, распылители при атмосферном и повышенном давлении. Моечная установка может использовать противоток между стадиями так, чтобы целлюлозная масса перемещалась в противоположном направлении по отношению к движению промывных вод. В одном осуществлении используется вода под давлением для промывки небеленой сульфатной целлюлозы 412. В другом осуществлении используется разбавленный щелочной раствор для промывки небеленой сульфатной целлюлозы 412. Концентрация эффективной щелочи в разбавленном щелочном растворе может быть, например, менее 5 грамм NaOH на литр, более предпочтительно менее 1 грамма NaOH на литр. Отработанный промывной раствор собирают и используют в качестве черного щелока 413 в другом месте процесса 400. В одном осуществлении черный щелок 413 используется как часть жидкости замещения, подаваемой в автоклав в конце стадии варки 421.
Затем полуочищенную целлюлозную массу процесса сортировки и промывки 422 закачивают в виде шлама в реактор, который используется на стадии холоднощелочной экстракции ("ССЕ") 423, также подобной обычному способу, в котором полуочищенную целлюлозную массу смешивают со вторым щелочным раствором 414 (который может быть тем же или отличным от первого щелочного раствора 411) для проведения дальнейшего отделения гемицеллюлозы от искомых целлюлозных волокон. Холоднощелочная экстракция является процессом, известным в современном уровне техники. Примеры процессов и систем холоднощелочной обработки детально описаны, например, в Ali и др., US 2004/0020854, и Svenson и др., US 2005/0203291, которые обе включены ссылкой, как если бы были полностью изложены в описании.
Щелочной раствор 414, используемый в способах смешивания и экстракции процесса экстракции ССЕ 423, может включать свежеприготовленные растворы гидроксида натрия, регенерированные из процессов, следующих далее по технологической схеме, или побочные продукты производства целлюлозной массы или бумажного производства, например концентрированный фильтрат ССЕ, белый щелок и т.п. Также могут использоваться другие основные растворы, такие как гидроксид аммония и гидроксид калия. Холоднощелочная экстракция может выполняться с дополнительными химикатами, такими как пероксид водорода, гипохлорит натрия, борогидрид натрия и поверхностно-активные вещества.
После заданного времени выдержки целлюлозную массу отделяют от отработанного холодного щелочного раствора в последующем процессе промывки 424. Отработанный холодный щелочной раствор содержит извлеченную гемицеллюлозу. Целлюлозную массу промывают в моечном аппарате ССЕ. Примеры моечных машин включают горизонтальные конвейерные моечные машины, ротационные барабанные моечные машины, вакуумные фильтры, пресс-фильтры, фильтры с уплотняющей перегородкой, распылители при атмосферном и повышенном давлением. Промывная жидкость может содержать, например, чистую воду или разбавленный щелочной раствор с концентрацией эффективной щелочи, например, ниже 1 грамма NaOH на литр. Отработанный промывной раствор собирают обычным образом, и он может быть объединен с отработанным холодным щелочным раствором для получения другого щелочного раствора 416, который, в одном аспекте, включает щелочной фильтрат, получаемый в процессе промывки 424. Извлеченная и промытая целлюлозная масса 433 при этом подается на следующую стадию отбеливания.
Щелочной фильтрат ССЕ 416 может подаваться полностью или частично на концентрирование и может, например, подаваться в выпарную систему для концентрирования, хотя в других осуществлениях щелочной фильтрат ССЕ 416 не подвергается процессу концентрирования. Обычная выпарная система может включать несколько установок или ступеней испарителя, установленных последовательно. Жидкость перемещается через каждую ступень испарителя и становится более концентрированной на выходе из ступени. Для облегчения упаривания и концентрирования растворов может быть использован вакуум. В процессе концентрирования слабый черный щелок также может быть сконцентрирован до крепкого черного щелока, например, упариванием с использованием одной или большего числа ступеней испарителя, установленных последовательно, постепенно увеличивая концентрацию слабого черного щелока во время процесса. Крепкий черный щелок может храниться в резервуаре-накопителе и использоваться в содорегенерационном котле, производящем пар и энергию, увеличивая таким образом эффективность повторным использованием или рециклом побочных продуктов производства.
Концентрированный щелочной фильтрат 417 может быть повторно использован, полностью или частично на стадии варки 421 в качестве либо части жидкости нейтрализации и/или как часть варочной жидкости. Как отмечено ранее, щелочной фильтрат ССЕ 416 может быть объединен с белым щелоком 463 для использования в качестве части варочной жидкости. В определенных осуществлениях концентрированный щелочной фильтрат ССЕ 417 может использоваться без обогащения белым щелоком.
Концентрированный щелочной фильтрат 417, который не используется повторно на стадии варки 421, может быть использован в других целях. Например, он может при необходимости быть направлен на другие цели, такие как использование в смежном технологическом потоке (как белый щелок). Концентрированный щелочной фильтрат 417 также может позволить использование более концентрированных жидкостей на стадии варки 421, предотвращая таким образом повторное осаждение гемицеллюлоз на волокнах.
Фиг.5 является схемой системы 500 и соответствующего процесса стадии варки, используемой в процессе производства целлюлозной массы, в соответствии с одним осуществлением, раскрытым в описании. На фиг.5 один или большее число автоклавов 510 (в этом примере восемь автоклавов) подобны автоклавам обычного процесса, загружаемым древесной щепой или другим органическим материалом, содержащим целлюлозу, и служат основными реакционными сосудами, используемыми в процессе варки. Система 500 также включает, среди прочих, бак-накопитель белого щелока/ССЕ фильтрата 520, резервуар замещающей жидкости 530, один или большее число резервуаров-накопителей горячего черного щелока 540а, 540b и один или большее число выдувных резервуаров 560. Белый щелок 519 из подходящего источника может быть нагрет нагревателями жидкости 551, 552 и закачан в бак-накопитель белого щелока/ССЕ фильтрата 520, где он может рециркулировать и храниться для дальнейшего использования и из которого он может быть выгружен и использоваться в качестве жидкости нейтрализации 522 в автоклавах 510. Фильтрат ССЕ 516 аналогично может быть нагрет и закачан в бак-накопитель белого щелока/ССЕ фильтрата 520 для дальнейшего использования. Резервуар замещающей жидкости 530 содержит раствор, который может включать разбавленный черный щелок или смесь, содержащую черный щелок, который может быть, например, побочным продуктом стадии промывки 424, как обозначено входящей стрелкой 525.
В конце процесса варки холодную жидкость (75-85°С) из резервуара замещающей жидкости 530 подают в автоклав 510 для завершения реакции варки. Первая часть жидкости, удаляемой из автоклава 510, относительно горячая (140-160°С) и ее подают в первый сборный резервуар горячего черного щелока 540а для использования в следующей варке. Холодная жидкость, удаляемая затем из автоклава 510, является более холодной (около 120-140°С) и подается во второй сборный резервуар горячего черного щелока 540b. Из второго сборного резервуара горячего черного щелока 540b горячий черный щелок 536 закачивают через теплообменники на фильтр жидкости 570. Черный щелок охлаждается, при этом его тепло используется для нагрева белого щелока или фильтрата ССЕ, проходящих через теплообменники 551, 552. Оттуда отфильтрованный черный щелок подают в выпарную установку для дальнейшей переработки.
В предпочтительном процессе варки, представленном на фиг.5, автоклавы 510 заполнены древесной щепой или подобным органическим материалом. Предварительный гидролиз выполняют паром, после которого белый щелок нейтрализации 517 в форме "буферного слоя" белого щелока подают в автоклавы 510 с последующим введением щелочного фильтрата ССЕ 516 как части жидкости нейтрализации 522. Затем жидкость нейтрализации замещается соответствующей варочной жидкостью. Варочная жидкость может включать (i) фильтрат ССЕ 524 из бака-накопителя белого щелока/ССЕ фильтрата 520, специально подготовленный к варке; (ii) черный щелок 535 из сборного резервуара черного щелока 540а, при необходимости улучшенный добавлением белого щелока (или фильтрата ССЕ) 562 и, в этом примере, проходящий через нагреватель жидкости 553 для регулирования его температуры; и/или (iii) щелочной фильтрат ССЕ 516, полученный далее по технологической схеме холоднощелочной экстракцией на стадии промывки 424 (см. фиг.4), каждый сконцентрированный или нет выпариванием или другим путем и при необходимости улучшенный или обогащенный добавлением белого щелока 519, для получения обогащенного белым щелоком концентрированного щелочного фильтрата ССЕ. Щелочной фильтрат ССЕ 516 закачивают в бак-накопитель белого щелока 520 через теплообменники 551, 552, чтобы использовать на стадии нейтрализации в качестве жидкости нейтрализации 522 или на стадии варки в качестве варочного фильтрата ССЕ 524. Предпочтительные концентрации различных варочных жидкостей представлены в описании.
После введения варочной жидкости(ей) в автоклавы 510 температуру автоклавов 510 повышают до температуры варки, при которой автоклавы выдерживают период времени, достаточный для прохождения делигнификации. По завершении варки сдувочный клапан в каждом автоклаве 510 открывают и затем делигнифицированную целлюлозную массу из автоклава 510 выгружают в один из выдувных резервуаров 560. К концу цикла варки автоклав поддерживают под давлением, при этом вводится замещающая жидкость для замены горячего черного щелока или отработанных жидкостей, которые удаляются из автоклава 310а, 310b все еще примерно с температурой, используемой при варке. К концу цикла варки автоклав поддерживают под давлением, при этом вводится замещающая жидкость из резервуара замещающей жидкости 530 для замены горячего черного щелока или отработанных жидкостей, которые удаляются из автоклавов 510, при этом все еще примерно с температурой, используемой при варке. Замещающая жидкость, как отмечено, обычно включает черный щелок или подобный фильтрат, полученный при промывке целлюлозной массы или делигнифицированных волокон при производстве целлюлозной массы предшествующих партий. Замещенный горячий черный щелок собирают в одном или большем числе высокотемпературных накопителей 540 для последующего повторного использования.
Автоклавы 510 в конечном счете сливаются для удаления делигнифицированной целлюлозной массы. Горячий черный щелок, предварительно удаленный из автоклава 510, может быть снова использован (и смешан с другими растворами или фильтратами, такими как горячий белый щелок).
Различные аспекты общего процесса варки могут быть объяснены дальнейшей ссылкой на фиг.6-9. Фиг.6А и 6В представляют собой поперечное сечение автоклава (например, любого из автоклавов 510, представленных на фиг.5), показывающее среди прочего обычный уровень жидкости и материала, используемый в процессе известного уровня техники на стадии нейтрализации. Фиг.7А-7С, 8 и 9 также являются поперечным сечением автоклава, показывающим смеси жидкости и материала при нейтрализации до варки в соответствии с одним или большим числом осуществлений, раскрытых в описании. Сначала, как показано на фиг.6А, автоклав 610 на стадии нейтрализации процесса варки известного уровня техники может быть заполнен после предварительного гидролиза существенным количеством фильтрата (жидкости) ССЕ 616, составляющим существенный процент (например, 60%) общего объема автоклава 610. Например, для автоклава емкостью 360 кубических метров и загрузкой 72 тонны древесины (сухой вес) и 11 тонн растворенных твердых веществ, около 214 кубических метров фильтрата ССЕ 616 может использоваться как часть фазы нейтрализации. На этой стадии концентрация фильтрата ССЕ может быть около 51,3 грамма NaOH на литр, с загрузкой эффективной щелочи (ЕА) по древесине 13,2% в виде NaOH. После предварительного гидролиза автоклав 610 может быть при около 165°С с относительным давлением 7 бар (т.е. давлением относительно местного атмосферного давления). В этот момент древесная щепа или другой органический материал, содержащий целлюлозу, должны быть почти свободны от воздуха, с паром в пустотах щепы или подобного органического материала. Почти вся вода щепы находится в жидкой форме.
Когда жидкость нейтрализации закачивается в автоклав 610 при обычной температуре 130°С, пар в щепе или другом органическом материале конденсируется и жидкость всасывается в щепу или другой органический материал, за счет снижения давления, создаваемого конденсацией. Во время этого процесса определенное количество жидкости добавляется из пара и также теряется от дегазации. Например, с вышеописанными количествами около 11,9 кубических метров воды из пара могут быть добавлены и около 1,6 кубического метра воды утрачены от дегазации 625. В целом около 224 кубических метра жидкости, в пересчете на свободную жидкость (жидкость нейтрализации и вода пара), могут быть добавлены во время этой части процесса варки. После предварительного гидролиза и нейтрализации автоклав 610 обычно может содержать около 203 кубических метров свободной жидкости, около 109 кубических метров жидкости, все еще связанной с предварительно гидролизованной щепой, что соответствует 1,31 м3/BDt (кубические метры жидкости на метрическую тонну абсолютно сухой щепы) или 3,15 м3/ADt (кубические метры жидкости на метрическую тонну воздушно сухой щепы). Таким образом, общее количество 312 кубических метров жидкости может присутствовать или в виде свободной жидкости, или связанной в щепе. В этот момент автоклав 610 может содержать 72 метрических тонны древесины, 36 метрических тонн воды, поглощенной щепой, и 11 метрических тонн растворенных твердых веществ различного вида. Плотность жидкости после нейтрализации в этом примере могла бы составлять около 1,13 т/м3 (то есть тонны на кубический метр).
Как показано на фиг.6В, добавленная жидкость нейтрализации заполняет пустоты в щепе (поглощенная вода щепы) и пустое пространство между щепой. Таким образом, в текущем примере 214 кубических метров добавленной жидкости нейтрализации были бы распределены примерно как 56,8 кубических метров, заполняющих пустоты в щепе (8,3 кубических метров в конусе 607 автоклава 610 и 48,5 кубических метров в цилиндрической части 608 автоклава 610), и 157,2 кубических метров, заполняющих пустое пространство между щепой (22,8 кубических метра в конусе 607 автоклава 610 и 134,4 кубических метра в цилиндрической части 608 автоклава 610). Это предполагает объем конуса 607 в 40 кубических метров и высоту цилиндрической части 608 9,6 метров. В этом случае количество щепы в конусе автоклава 607 может быть около 9,3 BDt (метрические тонны абсолютно сухой древесины) с объемом связанной жидкости 12,3 кубических метров, объемом связанной воды 4 кубических метра, свободной жидкости между щепой 22,8 кубических метров и общего объема, полученного для конуса 607 в 31,1 кубических метров (т.е. 22,8+12,3-4,0 кубических метра). Небольшая полоса конденсата 613 около 0,6-0,7 метра высотой собирается или формируется на поверхности жидкой смеси, где контактируют пар и жидкость.
"Буферный слой" белого щелока или стадия обогащения в процессе варки может использоваться для замены части щелочного фильтрата ССЕ, используемого в начале стадии нейтрализации, чтобы уменьшить или избежать повторного осаждения гемицеллюлоз на древесных волокнах. Таким образом, после предварительного гидролиза как первой части фазы нейтрализации добавляют белый щелок предпочтительно в количестве, достаточном для заполнения пустот в древесной щепе или другом органическом материале, содержащем целлюлозу, с последующим введением фильтрата ССЕ. Предпочтительно на каждую метрическую тонну древесной щепы, около 0,35-0,55 кубического метра и более предпочтительно 0,40-0,44 кубического метра, добавляют белый щелок после предварительного гидролиза для заполнения пустот в древесной щепе и улучшения конечного содержания альфа-целлюлозы в производимой целлюлозной массе. Остаток жидкости, добавленной для нейтрализации, становится щелочным фильтратом ССЕ, согласно обычному процессу, или при необходимости может включать использование концентрированного щелочного фильтрата ССЕ. Хотя эти стадии повышают содержание щелочи в автоклаве, изобретателями было установлено, что повторное осаждение гемицеллюлоз ингибируется и достижимо более высокое содержание альфа-целлюлозы при сохранении других характеристик процесса, таких как вязкость, число Каппа и/или расход эффективной щелочи, в пределах приемлемых диапазонов.
Обращаясь к предыдущему примеру, например, белый щелок объемом 30 кубических метров может быть добавлен в автоклав 610, содержащий 72 тонны древесной щепы после предварительного гидролиза, как показано на фиг.7А. Как показано на нем, буферный слой белого щелока 715 вместе с нижней частью древесной щепы или подобного органического материала заполняет конус 607 автоклава 610. Затем может быть добавлен фильтрат ССЕ (или обогащенный или концентрированный щелочной фильтрат ССЕ) объемом 82,9 кубических метров в автоклав 610 для замещения буферного слоя белого щелока, так что в результате фактически весь белый щелок расходуется на заполнение пустот в древесной щепе. После этого вводится дополнительный фильтрат ССЕ объемом 130,6 кубических метров (предпочтительно концентрированный щелочной фильтрат ССЕ) в автоклав 610 для завершения процесса нейтрализации. Фиг.7В представляет содержимое автоклава 610 после введения 30 кубических метров буферного слоя белого щелока и 82,9 кубических метра фильтрата ССЕ 716. Как показано, комбинация буферного слоя белого щелока и начального фильтрата ССЕ покрывает около 41% (около 33,9 метрических тонн абсолютно сухой древесины) древесной массы в автоклаве 610, что показано на фиг.7В нижней частью 718 древесной щепы в автоклаве 610. Остающаяся часть древесной щепы, показанная верхней частью 719 щепы в автоклаве 610, будет покрыта дополнительными 130,6 кубическими метрами фильтрата ССЕ 717, который заполнит пустоты и в щепе и вокруг щепы, как показано на фиг.7С. Как и ранее, небольшая полоса конденсата 713 около 0,6-0,7 метров высоты образуется на поверхности жидкой смеси.
Концентрация эффективной щелочи (ЕА) буферного слоя белого щелока, добавленного в автоклав 610, может быть 95-125 грамм NaOH на литр и, более предпочтительно концентрация эффективной щелочи 105-115 грамм NaOH на литр и, наиболее предпочтительно около 110 грамм NaOH на литр. Эквивалентная загрузка щелочи по отношению к древесине в таком случае может составить около 4%. После добавления 30 кубических метров буферного слоя белого щелока и 82,9 кубических метров фильтрата ССЕ 716, но до остающегося фильтрата ССЕ 717, связанной жидкости в конусе 607 автоклава 610 около 8,3 кубических метров и свободной жидкости в конусе около 23 кубических метра. Связанной жидкости в цилиндрической части 608 автоклава 610 около 21,7 кубического метра.
Буферный слой белого щелока предпочтительно обеспечивает, по меньшей мере, 10% общей загрузки эффективной щелочи, применяемой в фазе нейтрализации, более предпочтительно обеспечивает 13-25% общей загрузки эффективной щелочи, применяемой в фазе нейтрализации, и наиболее предпочтительно обеспечивает 20-25% общей загрузки эффективной щелочи, применяемой в фазе нейтрализации. В вышеуказанном примере загрузка эффективной щелочи по отношению к древесине, обеспечиваемая буферным слоем белого щелока, составляет 4%, при этом загрузка эффективной щелочи по отношению к древесине остальной части щелока нейтрализации составляет 13,2% за счет фильтрата ССЕ, от общей загрузки эффективной щелочи 17,2%. Таким образом, в этом примере буферный слой белого щелока обеспечивает 23% общей загрузки эффективной щелочи по отношению к древесине.
В одном аспекте использование буферного слоя белого щелока в соответствии с описанием может устранить или уменьшить скачок рН на стадии нейтрализации, поскольку когда фильтрат ССЕ, богатый гемицеллюлозами, приходит в контакт с древесной щепой или другим подобным материалом в процессе, показанном на фиг.7В и 7С, щепа или другой материал уже будут нейтрализованы белым щелоком. Буферный слой белого щелока 715 обычно увеличивает рН древесной щепы или другого подобного органического материала, когда он поглощается пустотами щепы. При добавлении фильтрата ССЕ остающийся белый щелок, который не был поглощен, замещается, и поскольку он поднимается в автоклаве 610, то он продолжает нейтрализовать дополнительную древесную щепу и органический материал прежде, чем фильтрат ССЕ сможет достигнуть этой щепы или органического материала. Так как введение фильтрата ССЕ следует за добавлением буферного слоя белого щелока 715, фильтрат ССЕ, обогащенный гемицеллюлозами, контактирует первый раз с той щепой или органическими материалами, которые уже нейтрализованы, что исключает или минимизирует скачок рН, с возможным исключением для небольшого количества щепы или органического материла в самом верху автоклава 610. Гемицеллюлозы из фильтрата ССЕ останутся в растворе, а не осаждаются или адсорбируются повторно на древесной щепе или органических материалах. Это в свою очередь увеличивает чистоту небеленой сульфатной целлюлозной массы и в конечном счете приводит к конечному продукту более высокой чистоты.
Фиг.8 и 9 представляют смеси жидкостей и материалов и уровни на последующих стадиях заполнения горячего черного щелока и заключительного замещения жидкости в соответствии с одним осуществлением, раскрытым в описании. Как показано на фиг.8, представляющей введение варочных растворов и замещение присутствующих жидкостей, горячий черный щелок 815 объемом 210 кубических метров может быть добавлен в автоклав 610 после завершения фазы нейтрализации. Затем может быть добавлен фильтрат ССЕ (или обогащенный фильтрат ССЕ, или концентрированный щелочной фильтрат ССЕ) 817 объемом 144 кубических метров в автоклав 610 с последующим добавлением горячего черного щелока 821 объемом 20 кубических метров, замещая таким образом растворы нейтрализации, которые с этого момента насыщаются остатками и примесями и, следовательно, становятся черным щелоком 840. В этом примере 351 кубический метр черного щелока 840 удаляется из автоклава 610 и подается в сборный резервуар черного щелока ("АС2"), например сборный резервуар 540b на фиг.5.
Загрузка щелочи, добавленная в процесс с фильтратом ССЕ в автоклав 610, представленный на фиг.8, составляет 7-12%, выраженная как эффективная щелочь относительно сухой древесины, и более предпочтительно около 8,9%, выраженная содержанием NaOH относительно сухой древесины. Общая загрузка щелочи, необходимая для фазы варки, дополняется щелочью, добавляемой вместе с обогащенным горячим черным щелоком. После добавления комбинации черного щелока 815, 821 и фильтрата ССЕ 716 общий объем жидкости в автоклаве 610 составляет около 312 кубических метров, общая масса жидкости в автоклаве 610 составляет около 353 тонны, и плотность щелока в автоклаве 610 составляет около 1,13.
Фиг.9 представляет введение замещающего раствора в конце процесса варки, приводящее к замещению отработанных варочных растворов. Как показано на фиг.9, может быть добавлен замещающий раствор 930 объемом 475 кубических метров в автоклав 610 в конце фазы варки. Варочные растворы, которые с этого момента насыщаются остатками целлюлозной массы и примесями, могут быть выгружены в виде первого объема в 220 кубических метров относительно крепкого и горячего черного щелока 942, который хранится в первом сборном резервуаре щелока ("АС1", например, резервуар 540а на фиг.5) для хранения черного щелока этого типа, и второго объема в 255 кубических метров относительно более слабого черного щелока 941, который хранится во втором сборном резервуаре щелока ("АС2", например, резервуар 540b на фиг.5) для хранения более слабого черного щелока. Некоторое количество варочного раствора остается связанным с древесной щепой или другим органическим материалом, содержащим целлюлозу, после варки. Выход процесса составляет около 31,1 тонны абсолютно сухой полученной целлюлозной массы, около 41,1 тонны твердых веществ, растворенных при варке и в соответствующих процессах.
Фиг.10 представляет технологическую схему процесса варки 1000, как он может использоваться в процессе холоднощелочной экстракции производства целлюлозной массы, в соответствии с одним или большим числом осуществлений, раскрытых в описании. Процесс 1000 на фиг.10 начинается со стадии загрузки 1005 древесной щепы, на которой древесная щепа или другие органические материалы, содержащие целлюлозу, вместе с паром подаются в автоклав, работающий под давлением. Как указано ранее, конкретный выбор типа древесины или других растительных или органических материалов может зависеть от требуемых конечных продуктов. Пар вводится для улучшения набивки щепы в автоклаве. Затем автоклав может быть нагрет за одну или большее число стадий; в этом примере автоклав нагревают до заданной температуры (например, 110-130°С и, более определенно, около 120°С) паром или иначе на начальной стадии нагрева 1018, с последующим нагревом до температуры предварительного гидролиза (например, около 165°С) на следующей стадии 1020, хотя эти две стадии, в некоторых осуществлениях, потенциально могут быть объединены. Время нагрева может зависеть до некоторой степени от особенности оборудования, объема автоклава, объема древесной щепы и природы нагреваемых органических материалов.
По достижении температуры предварительного гидролиза автоклав выдерживается при этой температуре подходящее время, например 35-45 минут или любое другое время, достаточное для завершения стадии 1025 предварительного гидролиза. Затем выполняется стадия нейтрализации 1030. В предпочтительном осуществлении раствор нейтрализации, включающий белый щелок 1015, сначала добавляют в автоклав, с последующим введением фильтрата ССЕ 1016. Белый щелок 1015 может быть, например, смесью гидроксида натрия и сульфида натрия, с содержанием эффективной щелочи в соответствии с любым из осуществлений, раскрытых в описании. Например, эффективная щелочь белого щелока 1015 может составлять 80-150 грамм на литр гидроксида натрия (NaOH) и предпочтительно 100-110 грамм на литр гидроксида натрия. Сульфидность белого щелока 1015 предпочтительно составляет 20-30%, но, в некоторых осуществлениях, может меняться. Фильтрат ССЕ 1016 может содержать регенерированный щелочной фильтрат ССЕ, который получен далее по технологической схеме в процесс промывки ССЕ, и при необходимости сконцентрирован упариванием или другим путем. Концентрация эффективного NaOH в фильтрате ССЕ 1016 может быть, например, 50-75 грамм на литр, хотя она может меняться в соответствии с особенностями процесса.
Предпочтительно белый щелок 1015 вводится сначала как буферный слой в соответствии с процессом, описанным на фиг.7А-7С, с последующим введением фильтрата ССЕ 1016. Затем на стадии 1035 вторая часть горячего черного щелока 1017 вводится в автоклав, как описано на фиг.8.
На следующей стадии 1040 второй белый щелок 1019 добавляется в автоклав для варки. Как альтернатива, белый щелок 1019 может быть заменен регенерированным щелочным фильтратом ССЕ, который получен далее по технологической схеме в процесс промывки ССЕ, и при необходимости сконцентрирован упариванием или другим путем. Во время этой фазы, на что указывает стадия 1045, содержимое автоклава нагревают паром или другим путем до соответствующей температуры варки; эту температуру выдерживают на стадии варки 1050 в течение периода, подходящего для достижения делигнификации древесной массы в автоклаве. Температура варки может быть в диапазоне 140-180°С и находится предпочтительно в диапазоне 150-160°С, хотя может быть любая подходящая температура. Нагревание может быть в течение 10-30 минут или другой подходящий период. Автоклав выдерживают при температуре варки в течение подходящего периода для процесса варки, например 15-120 минут. Диапазон температуры и время варки обычно выбирают для заданного Н фактора, как описано ранее.
После варки, на что указывает стадия 1055, разбавленный черный щелок 1034 обычно со стадии промывки небеленой массы, вводят в автоклав и целлюлозную массу выгружают для последующей обработки. Затем автоклав выгружают, и он может быть промыт и очищен, на что указывает стадия 1060, и следующая партия древесной щепы может быть обработана тем же способом, на что указывает стадия 1070.
Примеры
Осуществления настоящего изобретения представлены в следующих примерах. Аналитические результаты, описанные в примерах, получены с использованием общего процесса, представленного на фиг.11, которая перечисляет ряд стадий, выполненных в общем соответствии с технологической схемой 1000 фиг.10 и описанных на примере автоклава лабораторного масштаба объемом около 20 литров для моделирования промышленного процесса. Различия между процедурой, представленной на фиг.11, и определенными примерами объясняются более подробно далее.
Как указано на фиг.11, процесс обычно начинается с предварительной пропарки автоклава в течение 30 минут для достижения начальной температуры и влажности в автоклаве, вместе с добавлением древесной щепы (в данном случае эвкалипта) в автоклав; хотя в случае лабораторного масштаба набивка паром может не быть необходимой. Затем автоклав нагревают далее подачей пара в автоклав, в течение около 60 минут для доведения температуры до 165°С. Затем проводят стадию предварительного гидролиза, например, около 40 минут при температуре 165°С. Затем в некоторых примерах щелочной фильтрат ССЕ или первый буферный слой белого щелока добавляют как часть процесса нейтрализации. Этот процесс занимает около 15 минут и выполняется при температуре около 150°С. Затем добавляют первый горячий черный щелок для заполнения остающегося объема автоклава. Введение первого горячего черного щелока занимает около 15 минут и выполняется при температуре 140°С. Затем добавляют второй горячий черный щелок в автоклав на стадии замещения, который выполняют в течение 23 минут при температуре около 146°С. Эти стадии с двумя горячими черными щелоками вместе представляют заполнение горячим щелоком, как выполнялось бы в промышленном масштабе. Затем добавляют белый щелок или щелочной фильтрат ССЕ для завершения процесса замещения, начиная фазу варки. В случае необходимости, некоторое количество горячего черного щелока также может подаваться в автоклав. Это смешивание белого щелока (или щелочного фильтрата ССЕ) и горячего черного щелока может выполняться, например, 12 минут при температуре около 152°С и давлении 10,0 бар. На стадии варки щелок циркулирует по автоклаву со скоростью около 3 литра в минуту в течение 3 минут при немного уменьшенном давлении 9,1 бар. Затем содержимое автоклава нагревают, например, до около 160°С в течение 14 минут и затем выдерживают при этой температуре подходящее для варки время, например около 23 минут. Затем разбавленный щелок вводят в качестве раствора замещения и содержимое автоклава выгружают для дальнейшей переработки. Разбавленный щелок продолжают вводить со скоростью один литр в минуту, и он циркулирует в автоклаве в течение достаточного периода времени. Затем автоклав разгружают, и он может быть промыт и очищен для подготовки к новой партии.
Фиг.13А и 13В представляют собой таблицы, суммирующие различные условия процесса и результаты примеров 2-9, описанных ниже. В частности, фиг.13А представляет условия процесса и параметры для различных примеров, и фиг.13В представляет соответствующие результаты в форме таблицы.
Пример 1
Крафт-процесс с использованием комбинации белого щелока и горячего черного щелока на стадии нейтрализации и варки
Согласно первому примеру, 20-литровый автоклав лабораторного масштаба предварительно нагревают паром до 120°С в течение 30 минут. 4700 грамм органического материала, содержащего целлюлозу, высушенного в печи, например эвкалипта или другой древесной щепы, добавляют в автоклав. Последовательность лабораторных операций представлена на фиг.11. Автоклав нагревают до 165°С в течение 60 минут и выдерживают при 165°С в течение дополнительных 40 минут для завершения стадии предварительного гидролиза. 4,51 литра первого белого щелока ("WL1") с эффективной щелочью 124,7 г/л NaOH добавляют в автоклав в течение более пятнадцати минут при температуре 150°С. Расчет фактора Н начинается с этого момента. Затем 10,8 литров первого горячего черного щелока ("HBL1") с эффективной щелочью 25,3 г/л NaOH добавляют в течение более 15 минут при температуре 140°С для завершения стадии нейтрализации. Затем 10,0 литров второго горячего черного щелока ("HBL2") с эффективной щелочью 25,3 г/л NaOH добавляют в автоклав для замещения отработанных HLB1 и WL1 в течение 23 минут при температуре 146°С с последующим добавлением варочного раствора, состоящего из смеси 1 литра HBL2 и 4,16 литров второго белого щелока ("WL2") с концентрацией эффективной щелочи 124,7 г/л NaOH, добавляют в течение 12 минут при 10 бар и 152°С. Одним значащим параметром процесса во время этого ряда операций является общая загрузка эффективной щелочи, которая обычно выражается процентным содержанием щелочи по отношению к весу древесной щепы (на сухой вес), которое вычисляется с учетом всего объема всех добавленных растворов и их соответствующих концентраций. Для этого примера общая загрузка эффективной щелочи относительно древесины составляет 12% ЕА в пересчете на NaOH для фазы нейтрализации и 11% ЕА в пересчете на NaOH для фазы варки. Образцы замещенных WL1 и HBL1 после стадии нейтрализации ("нейтрализаты") собирают для анализа и контроля поведения рН, обычно с начала операции замещения до конца этой операции. Замещенный раствор собирают для дальнейшей регенерации.
Варочный раствор, включающий HBL2 и WL2, циркулирует со скоростью 3 литра в минуту в течение 3 минут под давлением 9,1 бар. Затем автоклав нагревают до 160°С в течение 14 минут и выдерживают при 160°С в течение еще 23 минут. Отбирают аликвоту реакционной смеси для измерения концентрации NaOH в конце реакции ("ЕоС"). ЕоС составляет около 23,3 г/л NaOH.
Автоклав затем охлаждают и реакционную смесь дважды промывают разбавленным щелочным раствором. На каждую промывку используют 15 литров водного раствора, содержащего около 0,2 г/л NaOH или разбавленного раствора щелока ("DL"). Отработанный щелок после первой промывки содержит около 21,9 г/л NaOH и может быть использован для приготовления следующей партии горячего черного щелока. Отработанный щелок после второй промывки содержит около 13,0 г/л NaOH и объединяется с нейтрализатом. ЕА объединенного щелока составляет 6,4 г/л NaOH (эквивалентная 3,88% NaOH). На комбинате эта смесь может быть упарена для получения более концентрированного щелочного раствора для сжигания в содорегенерационном котле.
Лабораторный автоклав очищают первым DL (разбавленный щелок) циркулирующим через автоклав со скоростью 1 литр в минуту в течение 10 минут и затем промывают дважды сначала 33 литрами чистой воды и затем 45 литрами чистой воды. Отработанный моющий раствор первой промывки содержит около 0,9 г/л NaOH и может быть использован для приготовления следующей партии DL.
Число Каппа получающейся небеленой сульфатной целлюлозы составляет 11,9, вязкость 1117 мл/г, растворимость S10 равна 3,54% и растворимость S18 равна 2,7%. Выход реакции составляет 39,8%. При сортировке процент брака смеси составляет 0,4%, приводящий к выходу сортировки 39,4%. Н фактор реакции составляет 333.
Фиг.12 является графиком, представляющим рН и концентрации эффективной щелочи нейтрализата из различных образцов, указывающим на выравнивание содержания щелочи, говорящее о завершении в целом стадии варки.
Пример 2
Крафт-процесс с использованием белого щелока на стадии нейтрализации и варки
Согласно второму примеру повторяют тот же способ варки целлюлозы, как описано в примере 1, используя белый щелок в фазах нейтрализации и варки. рН нейтрализата составляет 10,2 и ЕоС конечного варочного раствора составляет 26,7 г/л NaOH. Фактор Р предварительного гидролиза равен 310 и фактор Н реакции варки равен 394. Для этого примера общая загрузка эквивалентной эффективной щелочи относительно древесины составляет соответственно: 12% ЕА в пересчете на NaOH для фазы нейтрализации и 11% ЕА в пересчете на NaOH для фазы варки.
Число Каппа получающейся небеленой сульфатной целлюлозы составляет 10,3, вязкость 988 мл/г, растворимость S10 равна 3,6% и растворимость S18 равна 2,7%. Выход реакции 39,3%. При сортировке процент брака смеси составляет 0,13%, приводящий к выходу сортировки 39,1%.
Пример 3
Крафт-процесс с использованием ССЕ 54 на стадии нейтрализации и белого щелока на стадии варки соответственно
Согласно третьему примеру повторяют тот же способ варки целлюлозы, как описано в примере 1, за исключением того, что белый щелок для нейтрализации заменен фильтратом стадии ССЕ с ЕА, равным 54 г/л NaOH ("ССЕ54"). рН нейтрализата составляет 8,6 и ЕоС варочной смеси составляет 23,5 г/л NaOH. Фактор Р предварительного гидролиза равен 300 и фактор Н реакции варки равен 364. Для этого примера общая загрузка эквивалентной эффективной щелочи относительно древесины составляет соответственно: 12% ЕА в пересчете на NaOH для фазы нейтрализации и 11% ЕА в пересчете на NaOH для фазы варки.
Число Каппа получающейся небеленой сульфатной целлюлозы составляет 11,0, вязкость 1059 мл/г, растворимость S10 равна 4,0% и растворимость S18 равна 3,1%. Выход реакции 40,3%. При сортировке процент брака смеси составляет 0,16%, приводящий к выходу сортировки 40,2%.
Пример 4
Крафт-процесс с использованием ССЕ 54 на стадиях нейтрализации и варки
Согласно четвертому примеру повторяют тот же способ варки целлюлозы, как описано в примере 1, за исключением того, что ССЕ54 заменяет белый щелок на стадиях и нейтрализации и варки. рН нейтрализата составляет 11,0 и ЕоС варочной смеси составляет 18,5 г/л NaOH. Фактор Р предварительного гидролиза равен 297 и фактор Н реакции варки равен 419. Для этого примера общая загрузка эквивалентной эффективной щелочи относительно древесины составляет соответственно: 12% ЕА в пересчете на NaOH для фазы нейтрализации и 11% ЕА в пересчете на NaOH для фазы варки.
Число Каппа получающейся небеленой сульфатной целлюлозы составляет 10,8, вязкость 1118 мл/г, растворимость S10 равна 4,5% и растворимость S18 равна 3,6%. Выход реакции 40,4%. При сортировке процент брака смеси составляет 0,09%, приводящий к выходу сортировки 40,3%.
Пример 5
Крафт-процесс с использованием "слабого" белого щелока на стадиях нейтрализации и варки
Согласно пятому примеру повторяют тот же способ варки целлюлозы, как описано в примере 1, за исключением того, что белый щелок с ЕА, равным 54 г/л NaOH ("WL54"), используют на стадиях и нейтрализации, и варки. рН нейтрализата составляет 11,3 и ЕоС варочной смеси составляет 18,8 г/л NaOH. Фактор Р предварительного гидролиза равен 300 и фактор Н реакции варки равен 429. Для этого примера общая загрузка эквивалентной эффективной щелочи относительно древесины составляет соответственно: 12% ЕА в пересчете на NaOH для фазы нейтрализации и 11% ЕА в пересчете на NaOH для фазы варки.
Число Каппа получающейся небеленой сульфатной целлюлозы составляет 11,2, вязкость 1158 мл/г, растворимость S10 равна 3,7% и растворимость S18 равна 3,1%. Выход реакции 40,2%. При сортировке процент брака смеси составляет 0,12%, приводящий к выходу сортировки 40,0%.
Сравнение растворимости S18 в примерах 2 и 5 указывает, что более высокая концентрация щелочи может помочь подавить повторное осаждение гемицеллюлозы на стадии варки. Сравнение результатов в примерах 3, 4 и 5 указывает, что использование фильтрата ССЕ оказывает негативное действие на содержание гемицеллюлозы в конечном продукте. Для дополнительного снижения содержания гемицеллюлозы при максимальном использовании фильтратов ССЕ выполнены следующие эксперименты.
Пример 6
Крафт-процесс с использованием ССЕ 60 на стадиях нейтрализации и варки
Согласно шестому примеру повторяют тот же способ варки целлюлозы, как описано в примере 1, за исключением того, что белый щелок для нейтрализации заменен фильтратом стадии ССЕ с ЕА, равным 60 г/л NaOH ("CCE60"). Температуру варки из-за более высокой загрузки щелочи в фазе варки снижают с 160 до 155°С, но время варки соответственно увеличивают. рН нейтрализата составляет 11,2 и ЕоС варочной смеси составляет 24,5 г/л NaOH. Фактор Р предварительного гидролиза равен 272 и фактор Н реакции варки равен 389. Для этого примера общая загрузка эквивалентной эффективной щелочи относительно древесины составляет соответственно: 12% ЕА в пересчете на NaOH для фазы нейтрализации и 12,5% ЕА в пересчете на NaOH для фазы варки.
Число Каппа получающейся небеленой сульфатной целлюлозы составляет 11,4, вязкость 1155 мл/г, растворимость S10 равна 4,6% и растворимость S18 равна 3,6%. Выход реакции 40,7%. При сортировке процент брака смеси составляет 0,07%, приводящий к выходу сортировки 40,6%. В то время как CCE60 позволяет снизить температуру варки на 5°С, время варки и загрузка щелочи увеличиваются и содержание гемицеллюлозы в небеленой сульфатной целлюлозе не снижается по сравнению с использованием ССЕ54.
Пример 7
Крафт-процесс с использованием ССЕ 60 на стадии нейтрализации и комбинации CCE60 и HBL40 на стадии варки соответственно
Согласно седьмому примеру повторяют тот же способ варки целлюлозы, как описано в примере 6, за исключением того, что на стадии варки используют более концентрированный горячий черный щелок с ЕА 40,0 г/л ("HBL40"). В этом примере общая загрузка щелочи на стадии варки увеличена до 13,0% из-за использования более концентрированного черного щелока (HBL40) в качестве части варочного раствора.
Кроме того, в то время как температура варки, так же как в примере 6, равна 155°С, время варки короче и сопоставимо со временем варки в примерах 2-5, в которых варку выполняют при 160°С. В результате фактор Н реакции варки снижается до 377. ЕоС нейтрализата составляет 3,1 г/л NaOH и ЕоС варочной смеси составляет 29,5 г/л NaOH. Фактор Р предварительного гидролиза равен 301. Для этого примера общая загрузка эквивалентной эффективной щелочи относительно древесины составляет соответственно: 12% ЕА в пересчете на NaOH для фазы нейтрализации и 13% ЕА в пересчете на NaOH для фазы варки.
Число Каппа получающейся небеленой сульфатной целлюлозы составляет 10,3, вязкость 1107 мл/г, растворимость S10 равна 4,1% и растворимость S18 равна 3,1%. Выход реакции 40,1%. При сортировке процент брака смеси составляет 0,09%, приводящий к выходу сортировки 40,0%. По сравнению с примером 6 наблюдается более низкое содержание гемицеллюлозы, что подтверждается растворимостью S18. Таким образом, использование более высокой концентрации щелочи и комбинация щелочных жидкостей на стадии варки, очевидно, приводят к снижению содержания гемицеллюлозы.
Пример 8
Крафт-процесс с использованием ССЕ 70 на стадиях нейтрализации и варки
Согласно восьмому примеру повторяют тот же способ варки целлюлозы, как описано в примере 7, за исключением того, что на стадии нейтрализации используют фильтрат ССЕ с ЕА 70 г/л NaOH ("CCE70") и комбинация ССЕ70 с HBL40 используется на стадии варки. Кроме того, загрузка эффективной щелочи на стадии варки составляет 15%.
рН нейтрализата составляет 11,6 и ЕоС варочной смеси составляет 36,1 г/л NaOH. Фактор Р предварительного гидролиза равен 304 и фактор Н реакции варки равен 301.
Число Каппа получающейся небеленой сульфатной целлюлозы составляет 11,0, вязкость 1119 мл/г, растворимость S10 равна 4,0% и растворимость S18 равна 2,9%. Выход реакции 40,0%. При сортировке процент брака смеси составляет 0,13%, приводящий к выходу сортировки 39,9%. По сравнению с примерами 6 и 7, также наблюдается более низкое содержание гемицеллюлозы, о чем свидетельствует растворимость S18. Это подтверждает, что использование щелочи более высокой концентрации и комбинация щелочных жидкостей на стадии варки, очевидно, приводят к снижению содержания гемицеллюлозы.
Пример 9
Крафт-процесс с использованием буферного слоя белого щелока
Согласно девятому примеру повторяют тот же способ варки целлюлозы, как описано в примере 7, за исключением того, что на стадии нейтрализации ССЕ60 заменен сначала объемом белого щелока с ЕА около 125 г/л NaOH в форме буферного слоя белого щелока, как ранее описано, с последующим использованием фильтрата ССЕ (ССЕ60). Загрузку эффективной щелочи на стадии нейтрализации увеличивают с 12% до 16% (4% за счет буферного слоя белого щелока). В результате загрузка эффективной щелочи в фазе варки снижается с 13% до 11%.
ЕА нейтрализата составляет 4,5 г/л NaOH и ЕоС варочной смеси составляет 31,7 г/л NaOH. Фактор Р предварительного гидролиза равен 303 и фактор Н реакции варки равен 367.
Число Каппа получающейся небеленой сульфатной целлюлозы составляет 9,7, вязкость 1103 мл/г, растворимость S10 равна 4,0% и растворимость S18 равна 3,0%. Выход реакции 49,9%. При сортировке процент брака смеси составляет 0,03%, приводящий к выходу сортировки 39,9%. Наблюдается более низкое содержание гемицеллюлозы, что подтверждается растворимостью S18. Степень делигнификации, определяемая числом Каппа (KN), ниже для того же уровня вязкости (около 1100 мл/г), что указывает на лучшую селективность процесса, что отражает отношение числа Каппа к вязкости.
Сравнение результатов в примерах 2-9 (суммированных в таблицах, представленных на фиг.13А-13В) дает возможность полагать, что повторное осаждение гемицеллюлоз может быть снижено использованием буферного слоя белого щелока на стадии нейтрализации и использованием комбинации фильтрата ССЕ с более концентрированным черным щелоком на стадии варки. Кроме того, использование более концентрированного горячего черного щелока приводит к более высокой загрузке эффективной щелочи, что часто желательно, поскольку приводит к лучшей селективности делигнификации (более низкое число Каппа для той же вязкости). Использование буферного слоя белого щелока и комбинация фильтрата ССЕ с более концентрированным горячим черным щелоком также могут привести к пониженной температуре варки без отрицательного влияния на время варки или качество целлюлозной массы. Дальнейшие эксперименты в промышленном масштабе проводятся для подтверждения положительного эффекта изобретения.
Пример 10
Крафт-процесс в промышленном масштабе с буферным слоем белого щелока и без буферного слоя белого щелока
Крафт-процесс варки в основном описан на фиг.4 и 5. Обычная стадия нейтрализации выполняется в соответствии с фиг.6А и 6В, и улучшенный процесс с использованием буферного слоя белого щелока выполняется в соответствии с фиг.7А-7С. В улучшенном процессе 40 кубических метров белого щелока с содержанием эффективной щелочи (ЕА) 110 г/л NaOH ("WL110") сначала закачивают в автоклав со скоростью 180 м3/ч в начале стадии нейтрализации (время заполнения 13 минут), с последующим введением 72,9 кубических метров фильтрата ССЕ с содержанием эффективной щелочи (ЕА) около 60 г/л NaOH. Концентрацию фильтрата ССЕ, полученного в процессе промывки ССЕ (например, процесс 424 на фиг.4), в этом случае корректируют от 53-55 г/л NaOH до 60 г/л NaOH добавлением концентрированного белого щелока, процесс, который может называться как обогащение белым щелоком. После стадии нейтрализации и после последовательности операции работы промышленного автоклава, описанной в ссылке на фиг.10, сначала объем горячего черного щелока с содержанием эффективной щелочи (ЕА) около 45 г/л NaOH ("HBL45") и затем объем щелочного фильтрата ССЕ с содержанием эффективной щелочи (ЕА) около 60 г/л NaOH на литр добавляют для замещения отработанного раствора нейтрализации. Затем древесную щепу подвергают варке при температуре около 150-153°С для достижения заданного Н фактора. Небольшие корректировки условий варки выполняются для достижения заданной вязкости.
Различные экспериментальные условия и качество получаемой целлюлозной массы представлены далее в таблице 1.
Вышеуказанные результаты показывают, что использование буферного слоя белого щелока перед добавлением фильтрата ССЕ на стадии нейтрализации приводит к снижению повторного осаждения гемицеллюлозы на волокнах, что подтверждается более низкой растворимостью S18 получаемой целлюлозной массы (при сравнении №№1-2 с №№3-10 таблицы 1). Без буферного слоя белого щелока растворимость S18 остается равной 3,6% или выше. Использование буферного слоя белого щелока, при необходимости с фильтратом ССЕ и черным щелоком, так же как обогащение белым щелоком во время нейтрализации и варки, позволяет одновременно достичь растворимость S18 около 3,0% или менее с числом Каппа около 10-11 (хотя значение числа Каппа может составлять около 8-12 в зависимости от параметров процесса) и в основном дает более высококачественную товарную целлюлозную массу по сравнению с обычными способами.
Фиг.14 является графиком зависимости S18 от числа Каппа для процесса согласно одному осуществлению, раскрытому в описании, на основе количеств, используемых в промышленном режиме (подобных количествам, описанным для процессов варки, представленных на фиг.6-9). Как показано на фиг.14, величина S18 (в процентах) и число Каппа для обычного процесса варки представлены линией 1405, тогда как величина S18 и число Каппа для процесса с использованием буферного слоя белого щелока, детализированного в описании, представлены линией 1410. Величины при использовании буферного слоя белого щелока выше. В частности, процесс на основе осуществлений, раскрытых в описании, может дать величину S18 в диапазоне 3,0, указывающую на низкое остаточное содержание гемицеллюлозы.
Значения числа Каппа и растворимости, указанные выше, представляют характеристики небеленой сульфатной целлюлозы после варки до последующей холоднощелочной экстракции и отбеливания. После проведения обычной холоднощелочной экстракции число Каппа в основном должно снижаться до около 7-9 и растворимость S18 может быть ниже 1,7% и может достичь диапазона 1,5%. Эти значения представляют высокоочищенную целлюлозную массу с содержанием альфа-целлюлозы около 97,5% перед отбеливанием и с подходящей вязкостью, достигаемыми эффективным и менее дорогостоящим способом, чем обычными способами производства высококачественной целлюлозной массы.
Кроме того, использование буферного слоя белого щелока, раскрытого в описании, может устранить или уменьшить скачок рН на стадии нейтрализации, поскольку когда фильтрат ССЕ, богатый гемицеллюлозами, приходит в контакт с щепой, она уже будет нейтрализована белым щелоком. Буферный слой белого щелока обычно повышает рН древесной щепы или другого подобного органического материала, когда он адсорбируется пустотами щепы. Буферный слой белого щелока повышает рН щепы или другого подобного материала после стадии предварительного гидролиза, но до первого контакта фильтрата ССЕ, обогащенного гемицеллюлозами, со щепой. За счет этого эффекта скачок рН устраняется или минимизируется и гемицеллюлозы в рецикле фильтрата ССЕ останутся в растворе, а не осаждаются повторно на целлюлозной массе. Это в свою очередь увеличивает чистоту небеленой целлюлозной массы и в конечном счете приводит к конечному продукту более высокой чистоты.
Хотя предпочтительные осуществления изобретения представлены в описании, возможно много вариаций, которые не превышают объем притязаний изобретения. Такие вариации стали бы очевидными обычному специалисту в данной области техники после ознакомления с описанием и чертежами. Поэтому объем притязаний изобретения должен ограничиваться только прилагаемой формулой изобретения.
Изобретение относится к химической технологии производства целлюлозы и касается системы и способа производства растворимой целлюлозной массы с высоким содержанием альфа-целлюлозы. Способ переработки целлюлозной массы крафт-процессом с предварительным гидролизом (РНКР) включает добавление древесной щепы или подобного материала в реакционный сосуд, выполнение предварительного гидролиза и нейтрализации смеси первым количеством белого щелока с последующим добавлением другого раствора, такого как щелочной фильтрат холоднощелочной экстракции, при необходимости, обогащенного белым щелоком. Жидкости нейтрализации замещают варочной жидкостью, содержащей горячий черный щелок и щелочной фильтрат, при необходимости обогащенный белым щелоком. Концентрация эффективной щелочи в варочной жидкости может быть относительно высокой. Изобретение обеспечивает эффективное и рентабельное производство растворимой целлюлозы с высоким содержанием альфа-целлюлозы, путем предотвращения повторного осаждения гемицеллюлоз. 4 н. и 39 з.п. ф-лы, 18 ил., 1 табл., 10 пр.
1. Способ переработки органического материала, содержащего целлюлозу, подвергнутого предварительному гидролизу, включающему нагревание органического материала, содержащего целлюлозу, в реакционном сосуде, в качестве части крафт-процесса для получения растворимой целлюлозы, включающий:
добавление первого количества белого щелока в реакционный сосуд в качестве первой жидкости нейтрализации, чтобы только частично заполнить реакционный сосуд белым щелоком, при этом жидкость нейтрализации добавляется при температуре от 120 до 160°С;
после добавления первого количества белого щелока добавление щелочного раствора, содержащего щелочной фильтрат холоднощелочной экстракции, в реакционный сосуд для получения полной жидкости нейтрализации;
замещение жидкости нейтрализации варочной жидкостью, подходящей для осуществления варки в крафт-процессе;
варку органического материала, содержащего целлюлозу, в реакционном сосуде; и
выгрузку целлюлозной массы после варки из реакционного сосуда.
2. Способ по п.1, в котором содержание эффективной щелочи в белом щелоке составляет 100-130 грамм NaOH на литр.
3. Способ по п.1, в котором содержание эффективной щелочи в щелочном фильтрате холоднощелочной экстракции составляет 50-75 грамм NaOH на литр.
4. Способ по п.3, в котором содержание эффективной щелочи в щелочном фильтрате холоднощелочной экстракции составляет 60-68 грамм NaOH на литр.
5. Способ по п.3, в котором щелочной фильтрат холоднощелочной экстракции обогащен белым щелоком для увеличения в нем концентрации эффективной щелочи.
6. Способ по п.1, в котором варочная жидкость включает щелочной фильтрат холоднощелочной экстракции в качестве заместителя белого щелока.
7. Способ по п.6, в котором содержание эффективной щелочи в щелочном фильтрате холоднощелочной экстракции составляет 50-75 грамм NaOH на литр.
8. Способ по п.6, в котором содержание эффективной щелочи в щелочном фильтрате холоднощелочной экстракции составляет 60-68 грамм NaOH на литр.
9. Способ по п.6, в котором щелочной фильтрат холоднощелочной экстракции обогащен белым щелоком.
10. Способ по п.1, в котором на стадии варки горячий черный щелок используют в качестве одной из варочных жидкостей совместно с щелочным фильтратом холоднощелочной экстракции.
11. Способ по п.10, в котором содержание эффективной щелочи в горячем черном щелоке составляет 38-50 грамм NaOH на литр.
12. Способ по п.10, в котором содержание эффективной щелочи в горячем черном щелоке составляет 40-45 грамм NaOH на литр.
13. Способ по п.12, в котором горячий черный щелок обогащен белым щелоком для увеличения в нем концентрации эффективной щелочи.
14. Способ по п.1, дополнительно включающий стадию, на которой целлюлозную массу после варки подвергают холоднощелочной экстракции (ССЕ), после чего получают очищенную целлюлозную массу с содержанием альфа-целлюлозы более 98%.
15. Способ по п.14, в котором число Каппа очищенной целлюлозной массы составляет 7-9.
16. Способ по п.1, в котором первое количество белого щелока обеспечивает, по меньшей мере, 10% общей загрузки эффективной щелочи, применяемой в фазе нейтрализации.
17. Способ по п.1, в котором первое количество белого щелока обеспечивает 13-25% общей загрузки эффективной щелочи, применяемой в фазе нейтрализации.
18. Способ переработки целлюлозной массы, используемый в крафт-процессе для получения растворимой целлюлозы, включающий:
добавление органических материалов, содержащих целлюлозу, в автоклав;
проведение предварительного гидролиза органического материала, содержащего целлюлозу, путем нагрева автоклава;
добавление первого количества белого щелока в нижнюю часть автоклава в качестве жидкости нейтрализации, чтобы частично заполнить автоклав, с целью повышения уровня рН в автоклаве и уменьшения скачка рН дополнительных жидкостей нейтрализации;
после добавления первого количества белого щелока добавление раствора, содержащего первое количество щелочного фильтрата холоднощелочной экстракции, для заполнения автоклава от нижней части и постепенного замещения белого щелока с целью осуществления нейтрализации содержимого автоклава;
замещение жидкости нейтрализации варочной жидкостью, включающей, по меньшей мере, горячий черный щелок, обогащенный дополнительным количеством белого щелока, с последующим добавлением второго количества щелочного фильтрата холоднощелочной экстракции;
варку органического материала, содержащего целлюлозу, в автоклаве; и
выгрузку целлюлозной массы после варки из автоклава.
19. Способ по п.18, в котором содержание эффективной щелочи в белом щелоке составляет 100-130 грамм NaOH на литр.
20. Способ по п.19, в котором первое количество белого щелока обеспечивает, по меньшей мере, 10% общей загрузки эффективной щелочи, применяемой в ходе нейтрализации.
21. Способ по п.20, в котором первое количество белого щелока обеспечивает 13-25% общей загрузки эффективной щелочи, применяемой в ходе нейтрализации.
22. Способ по п.19, в котором содержание эффективной щелочи в первом количестве щелочного фильтрата холоднощелочной экстракции составляет 50-75 грамм NaOH на литр.
23. Способ по п.19, в котором содержание эффективной щелочи в первом количестве щелочного фильтрата холоднощелочной экстракции составляет 60-68 грамм NaOH на литр.
24. Способ по п.23, в котором первое количество щелочного фильтрата холоднощелочной экстракции обогащено белым щелоком.
25. Способ по п.18, в котором содержание эффективной щелочи во втором количестве щелочного фильтрата холоднощелочной экстракции составляет 50-75 грамм NaOH на литр.
26. Способ по п.25, в котором содержание эффективной щелочи во втором количестве щелочного фильтрата холоднощелочной экстракции составляет 60-68 грамм NaOH на литр.
27. Способ по п.26, в котором второе количество щелочного фильтрата холоднощелочной экстракции обогащено белым щелоком.
28. Способ по п.18, в котором горячий черный щелок составляет, по меньшей мере, половину всей варочной жидкости.
29. Способ по п.18, в котором содержание эффективной щелочи в горячем черном щелоке составляет 38-50 грамм NaOH на литр.
30. Способ по п.18, в котором содержание эффективной щелочи в горячем черном щелоке составляет 40-45 грамм NaOH на литр.
31. Способ по п.30, в котором горячий черный щелок обогащен белым щелоком или щелочным фильтратом холоднощелочной экстракции.
32. Способ по п.18, в котором после варки целлюлозная масса подвергается стадии холоднощелочной экстракции (ССЕ) с получением очищенной целлюлозной массы с содержанием альфа-целлюлозы более 97%.
33. Способ по п.32, в котором число Каппа целлюлозной массы после варки составляет 8-12.
34. Полуочищенная целлюлозная масса, полученная из растительного материала, имеющая остаточное содержание гемицеллюлоз менее 3,0 процентов, измеренное по растворимости S18, и числом Каппа более 8 после варки, без подвергания холоднощелочной экстракции.
35. Полуочищенная целлюлозная масса по п.34, в которой растительный материал является древесиной твердых пород.
36. Полуочищенная целлюлозная масса по п.34, в которой после холоднощелочной экстракции, но перед отбеливанием, остаточное содержание гемицеллюлоз не более 1,7 процента, измеренное по растворимости S18, и число Каппа не менее 9.
37. Способ, используемый в крафт-процессе для получения растворимой целлюлозной массы, включающий стадии:
помещения лигноцеллюлозного материала в реакционный сосуд и проведения предварительного гидролиза;
добавления жидкости нейтрализации в реакционный сосуд, причем жидкость нейтрализации содержит первое количество белого щелока в качестве буферного слоя, с содержанием эффективной щелочи 100-130 грамм NaOH на литр, чтобы частично заполнить реакционный сосуд от нижней части, с последующим добавлением первого количества другого раствора, включающего щелочной фильтрат с содержанием эффективной щелочи 60-68 грамм NaOH на литр, причем первое количество белого щелока составляет 10-30% общей загрузки эффективной щелочи при осуществлении нейтрализации;
замещения жидкости нейтрализации в реакционном сосуде варочной жидкостью, включающей горячий черный щелок с содержанием эффективной щелочи 30-50 грамм NaOH на литр и щелочной фильтрат холоднощелочной экстракции с содержанием эффективной щелочи 50-75 грамм NaOH на литр;
варки органического материала, содержащего целлюлозу, в реакционном сосуде; и
выгрузки целлюлозной массы после варки из реакционного сосуда с остаточным содержанием гемицеллюлоз 3,1% или менее, измеренным по растворимости S18.
38. Способ по п.37, в котором лигноцеллюлозный материал включает древесину твердых пород.
39. Способ по п.37, в котором температура реакционного сосуда во время варки составляет 150-153°С.
40. Способ по п.37, в котором число Каппа целлюлозной массы после варки составляет более 8,0.
41. Способ по п.37, в котором варочная жидкость обогащена белым щелоком.
42. Способ по п.37, в котором первое количество белого щелока обеспечивает 13-25% общей загрузки эффективной щелочи, применяемой в ходе нейтрализации.
43. Способ по п.42, в котором первое количество белого щелока обеспечивает 20-25% общей загрузки эффективной щелочи, применяемой в ходе нейтрализации.
| WO 9947733 A1, 23.09.1999 | |||
| WO 2007128026 A1, 15.11.2007 | |||
| US 5589033 A1, 31.12.1996; | |||
| ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ПОЛУЧЕНИЯ КРАФТ-ЦЕЛЛЮЛОЗЫ (ВАРИАНТЫ) | 1997 |
|
RU2128259C1 |
| СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ | 1991 |
|
RU2042002C1 |
