способ получения целлюлозы

Формула изобретения

1. Способ получения целлюлозы, включающий загрузку варочного котла периодического действия целлюлозосодержащим материалом и варочным раствором, варку и вытеснение горячего отработанного раствора путем закачивания в варочный котел жидкости под давлением при сохранении столба целлюлозной массы в котле, отличающийся тем, что дальнейшие делигнификацию и отбелку полученной целлюлозной массы осуществляют в варочном котле путем прокачивания через столб целлюлозной массы отбеливающего реагента, не содержащего хлор, при сохранении столба целлюлозной массы.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед прокачиванием отбеливающего реагента в варочный котел закачивают отработанный отбеливающий реагент.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве отбеливающего реагента, не содержащего хлор, используют соединение, выбранное из группы, содержащей пероксид водорода, кислород, полисульфид натрия, сульфит натрия, бороводород натрия, гидросульфит натрия, озон и надуксусную кислоту.

4. Способ по пп.1 и 3, отличающийся тем, что прокачивание отбеливающего реагента через столб целлюлозной массы осуществляют в несколько стадий, причем на каждой стадии используют иной отбеливающий реагент.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что перед каждой стадией прокачивания отбеливающего реагента в варочный котел закачивают аналогичный отработанный отбеливающий реагент.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области процессов химической варки и, в частности, к способу варки целлюлозы (например, для изготовления бумажных изделий), при котором волокнистый материал варят при повышенных температуре и давлении в присутствии химических реагентов, а затем подвергают обработке в варочном котле для отделения волокон от связующих веществ, присутствующих в материале, и для осветления целлюлозной пульпы.

При типичных операциях по химической варке целлюлозы древесные волокна отделяют от лигнина варкой древесной щепы при повышенных температурах и давлениях в присутствии химических реагентов. В варочных емкостях, известных под названием варочных котлов, достигается определенный уровень делигнификации; получаемая в них целлюлозная масса направляется затем из котлов на последующие стадии обработки. Последующие операции часто включают в себя различные этапы промывки для удаления остатков химических реагентов и других составляющих массы, а также различные стадии отбелки, при которой массу подвергают дальнейшей химической обработке с целью боле тщательного удаления лигнина и повышения степени осветления получаемой при этом целлюлозы. Операции по отбелке производят в отдельных отбеливательных емкостях, вслед за этими операциями производят промывку в несколько стадий для удаления из целлюлозы отбеливающих химреагентов. Промывку часто осуществляют в промывных аппаратах барабанного типа, в которых суспензия наматывается на барабан непрерывным образом. Для отбеливательного оборудования и соответствующих промывочных операций требуются обширные площади земельных угодий для установки оборудования и значительные капиталовложения.

В результате возросшего внимания к проблемам окружающей среды пристальное внимание было обращено и на целлюлозно-бумажную промышленность, поскольку различные операции варки, промывки и отбеливания могут быть сопряжены с выбросом стоков отработанных водных растворов, потенциально опасных для окружающей среды. Для типичных операций отбелки характерным было использование хлора, поэтому в стоках со стадий отбелки мог содержаться остаточный хлор, вредный для окружающей среды. Улавливание хлора затруднено тем, что стоки в этом случае вызывают коррозию обычных металлов, поэтому для улавливания хлора требуется дорогостоящее оборудование. Кроме того, технология улавливания крайне сложна и сопряжена с большими затратами, не давая прибыли на вложенный капитал.

При проведении типичных периодических процессов варки по ее завершении открывается продувочный клапан варочного котла, находящаяся при высокой температуре и под большим давлением жидкость в варочном котле быстро испаряется, и происходит опорожнение варочного котла. Широкое распространение приобрела технология нагрева и варки способом вытеснения, при которой до или после завершения варки прибегают к вытеснению варочной жидкости для сбережения энергии и химреагентов.

Известен способ варки целлюлозной массы, включающий загрузку варочного котла периодического действия целлюлозосодержащего материала и варочным раствором, варку и вытеснение горячего отработанного раствора путем закачивания в варочный котел жидкости под давлением при сохранении столба целлюлозной массы. (US патент, N 4578149, кл. D 21 C 11/00, 1986 г.). Горячие отработанные варочные растворы в автоклаве вытесняют стоками с последующих стадий промывки и используют для предварительного нагрева и предварительной обработки последующих партий щепы, предназначенной для загрузки в варочный котел. Такой способ варки позволяет уменьшить потребность в паре и более приемлем с точки зрения охраны окружающей среды. Он также дает целлюлозу повышенного качества и в большей мере, нежели обычные периодические процессы, сберегает энергию и химреагенты, используемые для проведения процесса. После вытеснения в конце варки сваренная масса выгружается из варочного котла путем создания давления в верхней его части, после чего целлюлозная масса направляется на последующие обычные стадии обработки, такие как дальнейшая промывка целлюлозы, отбелка, дополнительная промывка и т.п.

Таким образом, одной из основных технических задач изобретения является дальнейшее расширение объема технологических операций, осуществляемых в котле для варки целлюлозы, с тем чтобы свести к минимуму объем оборудования и пространства, необходимых для последующей обработки волокнистого материала после выхода его из варочного котла.

Другой задачей изобретения является создание способа варки целлюлозы, который можно было бы осуществлять в форме периодического процесса и который позволил бы завершать различные операции по промывке и отбелке, не прибегая к выгрузке массы из варочного котла периодического действия и подаче ее на другое оборудование для осуществления дальнейших технологических операций.

Если одной задачей изобретения является создание способа варки целлюлозы с минимальной потребностью в земельных площадях для установки оборудования и с более компактными установками для варки целлюлозы, дающими в то же время целлюлозу приемлемого качества.

Еще одной задачей изобретения является создание способа отбелки целлюлозы, не требующего применения хлора и более совершенного с точки зрения охраны окружающей среды по сравнению с известными способами, основанными на использовании хлора.

Еще одной задачей изобретения является создание способа варки целлюлозы, позволяющего уменьшить общую продолжительность процесса от его начала до его конца по сравнению с аналогичными известными процессами.

Указанные и другие задачи достигаются в изобретении путем использования периодического способа варки, при котором по завершении варки при повышенных давлениях и температурах используют технологию вытеснения для осуществления промывки щепы и удаления из нее остаточных растворов и для дальнейшего освобождения щепы от лигнина путем вытеснения жидкости из котла химическими реагентами, отбеливающими целлюлозу. В предпочтительном варианте изобретения отбелку осуществляют с использованием химических реагентов, не содержащих хлора, достигая при этом приемлемой степени осветления целлюлозы.

Изобретение предусматривает продолжение проведения технологических операций в варочном котле, в котором осуществляют вытеснение жидкости с помощью различных дополнительных химреагентов и/или отработанных растворов, дополнительно растворяющих лигнин и осветляющих целлюлозную массу. До сих пор эти технологические операции осуществлялись вне варочного котла, т.е. в дополнительном оборудовании, и менее эффективно. Для дальнейшей делигнификации и осветления предпочтительно выбирают химические реагенты, не содержащие хлора, такие как, например, перекись водорода, кислород, полисульфид натрия, сульфит натрия, бороводород натрия, гидросульфит натрия, озон и надуксусную кислоту. С той же целью можно использовать и другие реагенты, если они удовлетворяют общим критериям выбора. Подходящими отбеливающими агентами могут быть отбеливатели, растворяющие лигнин и осветляющие целлюлозу, совместимые с металлами технологического оборудования, отвечающие требованиям практического осуществления рекуперации химреагентов и материального балансира и предпочтительно имеющие побочные продукты, относительно безвредные для окружающей среды в случае их утечки.

Технологический процесс можно вести различными способами, при которых осуществляют вытеснение жидкости из варочного котла при осуществлении как варочных, так и отбеливающих операций, вместе с необходимой промывкой, с тем чтобы уменьшить потребность в последующей обработке с получением тех же результатов при дилигнификации, что и при использовании обычной технологии.

В нижеследующих примерах осуществления изобретения представлены результаты испытаний, проведенных на пилотной установке.

Пример 1. Южную желтую сосну варили традиционным сульфатным способом при нагреве с вытеснением в соответствии с технологией "быстрого нагрева с вытеснением" (БНВ), предлагаемого фирмой Белойт Корпорэйшн. Данный способ в основном соответствует описанному в патенте США N 4.578.149. Варка БНВ продолжалась до достижения заданного числа Каппа, равного 16, после чего осуществлялось обычное вытеснение в соответствии с процессом БНВ. Вслед за вытеснением вместо выгрузки целлюлозной массы, как это обычно делают при применении технологии БНВ, через столб щепы при температуре 80^oС прогоняли в течение 30 мин раствор перекиси водорода в концентрации 0,0032 г Н₂O₂ (100% )/л в количестве 1,4 мас. на целлюлозную массу. Получали заметно более белую целлюлозу с показателем 31,8% по ИСО против 30,3% по ИСО для обычной целлюлозы, полученной по технологии БНВ при числе Каппа, равном 16.

Пример 2. Южную желтую сосну варили традиционным сульфатным способом БНВ по обычной процедуре до достижения заданного числа Каппа, равного 16. После обычного вытеснения по способу БНВ через столб щепы прогоняли окисленный зеленый щелок (полисульфид натрия с низкой щелочностью формулы Na₂S_x, где х 3-5 в концентрации 0,0090 г S/л в количестве 5% серы полисульфида на загрузку цепы) и затем производили еще два последовательных вытеснения и обработку умеренным количеством (2% к массе целлюлозы в каждом вытеснении) перекиси водорода. В результате была получена целлюлоза с числом Каппа 7,5 при степени осветления на выходе из варочного котла 55% по ИСО.

Пример 3. Производили варку, аналогичную описанной в примере 2, после чего проводили две раздельные операции обработки 2%-ной перекисью водорода. После обработки было получено число Каппа около 10 при степени осветления 40,7% по ИСО. Для конечной обработки через столб щепы в буферном растворе ацетате натрия в уксусной кислоте с рН 4 прогоняли водный раствор надуксусной кислоты в концентрации 0,006763 г CH₂CO₂Н (100%)/л в количестве 3,76 мас. на целлюлозную массу. После этой обработки получали целлюлозу с числом Каппа около 6 и со степенью осветления 50,8% по ИСО.

Кроме того, проводили сравнение результатов нескольких других способов отбелки, основанных на использовании перекиси (Р) и надуксусной кислоты (А) с результатами аналогичных способов, основанных на использовании двуокиси хлора (D) в количестве 1,5% (D₁ и 1,0% (D₂) на целлюлозную массу), действующей аналогично надуксусной кислоте, но содержащей нежелательные атомы хлора. Были получены результаты, представленные в таблице.

Как можно видеть, используя более благоприятные для окружающей среды последовательности операций, основанные на применении только перекиси водорода и надуксусной кислоты, можно получить приемлемую степень осветления целлюлозы, сравнимую с результатами аналогичной технологии, использующей двуокись хлора. При этом, однако, сохраняются все выгоды от внутрикотловой обработки, в том числе меньшие затраты на установленную мощность оборудования для отбелки и меньшее число технологических операций, а также устраняется нежелательное использование хлорсодержащих реагентов. И хотя расход химреагентов может оказаться более высоким из-за меньшего объема промывок между стадиями процесса, этот недостаток компенсируется тем, что все химреагенты возвращаются в цикл химической рекуперации. При желании можно прибегнуть к дополнительным промывкам вытеснением между различными технологическими стадиями, в том числе с использованием химреагентов для нейтрализации или подготовки иным способом содержимого варочного котла между последовательными химическими обработками, с тем чтобы сделать более эффективным применением реагентов, прогоняемых через столб щепы. Эффективным способом осуществления такой промывки или подготовки является применение перед вытеснением в процессе обработки обработанного реагента от какой-либо предыдущей аналогичной обработки, например, в другом варочном котле.

Внутрикотловое отбеливание вслед за варкой БНВ позволяет сократить продолжительность процесса в расчете на одну загрузку щепы. В то время как для традиционного процесса, начиная с загрузки щепы в варочный котел перед варкой и кончая моментом, когда отбеленная целлюлоза направляется в хранилище концентрированного продукта, требуется приблизительно 15 ч, при использовании данного процесса внутрикотлового отбеливания общее время можно сократить приблизительно до 9 ч. И хотя на одну загрузку котла требуется более продолжительное время, в пределах завода по производству целлюлозы можно предусмотреть дополнительные мощности варочных котлов при меньших затратах на установленную мощность, чем в случае обычных технологий отбелки и промывки. Благодаря эффективности, присущей процессам с вытеснением, они дают экономию времени по сравнению с традиционным процессом промывки и отбелки, при котором требуются многочисленные повторяющиеся операции сгущения, перемешивания, разбавления и реагирования.