СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА И РЕАКЦИОННОЙ СПОСОБНОСТИ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ Российский патент 2017 года по МПК C08B1/00 C08B1/02 

Изобретение относится к получению целлюлоз, обладающих повышенной реакционной способностью и качеством, и может быть использовано при их химической переработке, в том числе готовых партий, для получения нитроцеллюлозы и других продуктов.

Целлюлоза обладает структурой, которая состоит из кристаллических и аморфных частей. Вследствие этого отсутствие предварительной обработки целлюлозы, замещение гидроксильных групп, находящихся в кристаллических частях, является затруднительным. Таким образом необходимость в дополнительной активации целлюлозы, в том числе готовых партий, связана с достаточно низким содержанием их показателей и, в частности, по содержанию α-целлюлозы для древесной, льняной целлюлоз составляет 93-95%, в то же время содержание лигнина в готовых партиях целлюлоз достигает 2,5-4,5%. Содержание α-целлюлозы в хлопковой целлюлозе из линта достигает 98%.

Качество целлюлозы определяется свойствами исходного сырья и технологией переработки целлюлозосодержащего сырья в целлюлозу. Колебания технологических параметров процессов варки, отбелки, промывки и аппаратурное оформление процессов влияет на выходные характеристики партий целлюлозы, изготовляемых на заводах. Улучшение выходных параметров целлюлозы важно не только для повышения их качества, но и изготовляемых на ее основе нитратов целлюлозы и соответственно порохов, лаков и эмалей и других материалов.

С учетом этого были предложены способы активации (повышения реакционноспособности) целлюлозы с помощью активирующих агентов. Цель этих способов состояла в разрушении части кристаллических областей, чтобы сделать их аморфными и доступными для замещающих соединений.

Активирующие агенты обычно используются одновременно с замещающими соединениями и представляют собой растворы гидроксидов, таких как гидроксиды металлов (например, гидроксид натрия), аммиака, аминов, диметилформамидов, диметилсульфоксидов, уксусной кислоты. В качестве активирующего агента наиболее часто используют гидроксид натрия.

Для получения существенной активации используют значительное количество активирующего агента. Поэтому при этих способах необходимо предусматривать стадии удаления производных целлюлозы, что удорожает эти способы.

Одним из методов активации целлюлозы, предназначенной для различных видов переработки, является способ активации целлюлозы (авт. свид. №335954 МПК C08B 1/00 с приоритетом от 21.07.1969), основанный на обработке целлюлозы водой с последующим вытеснением вытесняющим реагентом, например уксусной кислотой, причем, вытеснение воды проводят в вакууме парами вытесняющего реагента. Активация целлюлозы при этом достигается путем заполнения агентом, вызывающим набухание целлюлозы, ультрамикроскопических пространств между кристаллическими участками целлюлозы и последующим вытеснением этого агента органическим растворителем или его парами. В результате такой обработки не происходит уплотнение цепей целлюлозы, т.е. увеличивается активная поверхность целлюлозы и ее доступность при последующей химической переработке.

Основным недостатком этого способа является высокий расход вытесняющего реагента. Так, при вытеснении воды из набухшей целлюлозы уксусной кислотой требуется по меньшей мере стократное количество ледяной уксусной кислоты от веса целлюлозы.

Известен также способ активации целлюлозы (авт. свид. №952852, МПК C08B 1/02, с приоритетом от 19.02.81) обработкой газообразным аммиаком при комнатной температуре под давлением 0,5-0,7 МПа 1-2 ч, при котором, с целью повышения эффективности процесса и реакционной способности целлюлозы, целлюлозу дополнительно обрабатывают газообразным ангидридом угольной, серной или уксусной кислот под давлением 0,15-0,8 МПа 3-15 мин.

Недостатком этого способа также является достаточно высокий расход вытесняющего реагента, что приводит к удорожанию процесса. Кроме того, обработка целлюлозы ангидридом угольной, серной или уксусной кислот при повышенном давлении может создать взрывопожароопасную ситуацию.

В качестве прототипа выбран способ получения реакционноспособной целлюлозы (патент №2202558 (п. 5), МПК C08B 1/00, C08B 1/02, C08B 1/06, с приоритетом от 09.04.98). Способ включает следующие этапы: активацию целлюлозы обработкой активирующим агентом, частичное удаление активирующего агента до достижения его остаточного массового содержания ниже 10 мас. %, введение полученной выше активированной целлюлозы в реакцию с органическим соединением или сероуглеродом, возможное удаление остатка активирующего агента и побочных продуктов реакции замещения. Недостатком этого способа получения реакционноспособной целлюлозы является использование дополнительных химических реагентов, требующих последующего удаления, и увеличение длительности процесса за счет очистки, а также ухудшение качества целлюлозы за счет неполного удаления используемых органических соединений.

Целью заявляемого изобретения является улучшение качественных показателей изготовляемой целлюлозы, в том числе характеризующих ее реакционноспособность, с одновременным ускорением процесса активизации.

Поставленная цель достигается тем, что в способе повышения реакционной способности целлюлозы путем ее активации согласно изобретению активация целлюлозы включает следующие этапы воздействия на целлюлозу: пропитку и гидролиз целлюлозы в среде гидролизного раствора, фильтрацию целлюлозы от гидролизного раствора, ее промывку, отжим и сушку, причем этапы пропитки и гидролиза целлюлозы в среде гидролизного раствора, фильтрации от гидролизного раствора, промывки, отжима и сушки осуществляют с одновременным термовакуум-импульсным воздействием циклами, каждый из которых включает нагрев целлюлозы до температуры не более 115°C, скоростное импульсное воздействие вакуума в пределах давления не более 100 мм рт. ст. за время менее 10 сек, с последующей выдержкой целлюлозы под вакуумом и сбросом вакуума.

В качестве гидролизного раствора могут быть использованы:

- раствор кислот азотной или серной с концентрацией не более 15%, при соотношении целлюлозосодержащего сырья к гидролизному раствору не более 1:15.

- щелочной раствор с концентрацией раствора 30 г/л при соотношении целлюлозосодержащего сырья к гидролизному раствору не более 1:15.

- раствор отработанных кислот нитроцеллюлозного производства.

Для промывки целлюлозы на всех этапах ее активации используют «обессоленную воду» или водяные растворы со смягчителями, например с цемесолом СМ-КМ, с концентрацией его в воде меньше 0,2% сырья, при соотношении целлюлозосодержащего сырья к промывочному раствору не более 1:15.

Активацию целлюлозного материала, поставляемого с целлюлозного завода, производят после освобождения его от оберточного материала, с последующим разволокнением в гидролизном растворе в процессе пропитки и гидролиза.

При необходимости перед пропиткой и гидролизом целлюлозы в среде гидролизного раствора производят предварительно сушку целлюлозы до влажности не более 12%. Скоростное импульсное воздействие вакуума может быть произведено от ресивера с быстродействующим клапаном. Ресивер, в свою очередь, должен быть подключен к источнику вакуума (вакуумному насосу).

Достигается поставленная цель благодаря тому, что этапы активизации целлюлозы (пропитку, гидролиз, фильтрацию, промывку, отжим, сушку) осуществляют с применением термовакуум-импульсных воздействий в указанных режимах. При импульсном вакуумировании нагретой целлюлозы с поверхности целлюлозы и ее капилляров удаляются сорбированные газы и при пропитке целлюлозы гидролизирующим раствором смачиваемость целлюлозы возрастает и увеличивается степень ее пропитки по объему целлюлозы. Это делает возможным также пропитку готовой целлюлозы при поступлении ее на завод после ее освобождения от оберточного материала. Кроме того, с помощью термовакуум-импульсного воздействия достигается влажность материала менее 12% и капилляры целлюлозы не захлопываются.

Таким образом, достигается такое состояние материала, в котором имеется и общее ослабление межмолекулярного взаимодействия и большая внутренняя поверхность с наличием тончайших капилляров, способствующие большей доступности для последующего технологического процесса.

Соответственно гидролизным раствором при интенсивном кипении в вакууме достигается более полное растворение лигнина, пектина, смол и других соединений, содержащихся в целлюлозе, в которой повышается содержание α-целлюлозы, что освобождает ультрамикроскопические пространства между кристаллическими участками и повышает ее реакционную способность.

Кроме того, исключение процессов очистки целлюлозы от дополнительных органических соединений и вакуум-импульсное воздействие ускоряют проведение процесса активации.

Предложенный способ активации целлюлозы может быть реализован либо на заводе-изготовителе целлюлозы в конце технологического процесса, либо перед последующим использованием готовой целлюлозы.

Способ активации готовой целлюлозы осуществляется следующим образом. Готовый целлюлозный материал после распаковки помещается в варочный аппарат (гидролизатор) и подвергается последовательно следующим технологическим процессам: сушке до влажности не более 12% (при необходимости), пропитке и гидролизу в среде гидролизного раствора, фильтрации целлюлозы от гидролизного раствора, промывке целлюлозы после гидролиза, последующему отжиму и сушке. Причем указанные технологические процессы пропитки и гидролиза целлюлозы в среде гидролизного раствора, фильтрации целлюлозы от гидролизного раствора, промывки после гидролиза, отжима и сушки осуществляют с одновременным применением термовакуум-импульсных воздействий циклами, включающими нагрев целлюлозы до температуры не более 115°C, скоростное импульсное вакуумирование варочного аппарата с загруженной в него целлюлозой, за время менее 10 сек до давления не более 100 мм рт. ст. с выдержкой и дегазацией целлюлозы под вакуумом в течение 1-3 мин, далее реализуется сброс вакуума в аппарате с целлюлозой воздушным теплоносителем, нагретым до 100-150°C. Скоростное импульсное воздействие вакуума осуществляют от источника вакуума - вакуумного ресивера через быстродействующий клапан. Обеспечивает вакуум в ресивере подсоединенный к нему вакуумный насос.

Примеры проверки качества и реакционной способности готовой целлюлозы после активации ее заявляемым способом.

Для улучшения качественных показателей готовых партий целлюлоз, изготовленных на соответствующих заводах, повышения их качества и реакционной способности с применением гидролизных растворов в режиме термовакуум-импульсных воздействия взяты целлюлозы с готовых партий целлюлоз: хлопковой (ХЦ), древесной (ДЦ) папковой целлюлозы марки ЦА и льняной папковой целлюлозы (ЛЦ). Технические показатели целлюлоз готовых партий до и после активации заявляемым способом приведены в таблице.

Из приведенных данных следует, что обработка готовых партий целлюлоз заявляемым способом существенно улучшает технические показатели целлюлоз.

Изобретение относится к технологии получения целлюлоз, обладающих улучшенными качествами и повышенной реакционной способностью, и может быть использовано при их химической переработке, в том числе готовых партий, для получения нитроцеллюлозы и других продуктов. Способ повышения реакционной способности целлюлозы путем активации целлюлозы, который включает следующие этапы воздействия на целлюлозу: пропитку и гидролиз целлюлозы в среде гидролизного раствора, фильтрацию целлюлозы от гидролизного раствора, ее промывку, отжим и сушку, причем этапы пропитки и гидролиза целлюлозы в среде гидролизного раствора, фильтрации от гидролизного раствора, промывки, отжима и сушки осуществляют с одновременным термовакуум-импульсным воздействием циклами, каждый из которых включает нагрев целлюлозы до температуры не более 115°C, скоростное импульсное воздействие вакуума в пределах давления не более 100 мм рт. ст. за время менее 10 сек, с последующей выдержкой целлюлозы под вакуумом и сбросом вакуума. Способ позволяет улучшить качественные показатели целлюлозы, в том числе ее реакционноспособность. 3 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ повышения реакционной способности целлюлозы путем ее активации, отличающийся тем, что активация целлюлозы включает следующие этапы воздействия на целлюлозу: пропитку и гидролиз целлюлозы в среде гидролизного раствора, фильтрацию целлюлозы от гидролизного раствора, ее промывку, отжим и сушку, причем этапы пропитки и гидролиза целлюлозы в среде гидролизного раствора, фильтрации от гидролизного раствора, промывки, отжима и сушки осуществляют с одновременным термовакуум-импульсным воздействием циклами, каждый из которых включает нагрев целлюлозы до температуры не более 115°C, скоростное импульсное воздействие вакуума в пределах давления не более 100 мм рт. ст. за время менее 10 сек, с последующей выдержкой целлюлозы под вакуумом и сбросом вакуума.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что пропитку целлюлозного материала, поставляемого с целлюлозного завода, проводят после освобождения его от оберточного материала, с последующим разволокнением в гидролизном растворе в процессе пропитки и гидролиза целлюлозы.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что перед пропиткой и гидролизом целлюлозы в среде гидролизного раствора производят предварительно ее сушку до влажности не более 12%.

4. Способ по п. 1, отличающийся, тем, что скоростное импульсное воздействие вакуума производят от ресивера с быстродействующим клапаном.