способ отбелки целлюлозы, реакторный аппарат и реактор для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ отбелки целлюлозы, заключающийся в вводе частиц целлюлозы, имеющей высокую консистентность, превышающую 20%, в зону реакции, вводе озоносодержащего газообразного отбеливателя в зону реакции и перемещении частиц целлюлозы через зону реакции в пробковом режиме в течение времени, достаточном для достижения отбелки целлюлозы, отличающийся тем, что частицы целлюлозы имеют размер, достаточный для облегчения по существу полного пронизывания озоносодержащим газообразным отбеливателем при воздействии его на частицы целлюлозы, последние поднимаются, перемещаются и отбрасываются в радиальном направлении при прохождении их через зону реакции для диспергирования частиц целлюлозы в озоносодержащий газообразный отбеливатель и подвергания частиц целлюлозы воздействию озоносодержащего газообразного отбеливателя, и диспергированные частицы целлюлозы перемещаются через зону реакции при показателе дисперсии менее 8 для образования по существу равномерно беленой целлюлозы, имеющей повышенную степень белизны, измеренную прибором "Дженерал Электрик".

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что во время поднимания, перемещения и отбрасывания частиц целлюлозы в радиальном направлении дополнительно включает в себя уменьшение аксиального движения и максимизацию радиального перемещения частиц целлюлозы для максимизации смешивания и контактирования частиц целлюлозы и озоносодержащего газообразного отбеливателя.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно включает в себя регулирование уровня заполнения и времени нахождения частиц целлюлозы в зоне реакции, причем также регулируется скорость потока и время нахождения озоносодержащего газообразного отбеливателя в зоне реакции для повышения степени отбелки целлюлозы озоном.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что регулируют скорость потока и время нахождения озоносодержащего газообразного отбеливателя для получения степени конверсии озоносодержащего газообразного отбеливателя по меньшей мере примерно 69%.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что озоносодержащий газообразный отбеливатель вводят в противотоке движению частиц целлюлозы.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что обеспечивают показатель дисперсии не более 4,8, а консистентность частиц целлюлозы по меньшей мере 25%.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что обеспечивают поддержание уровня заполнения частиц целлюлозы между примерно 10 - 50% в зоне реакции.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно обеспечивают измельчение частиц высококонсистентной целлюлозы для уменьшения объемной массы частиц целлюлозы перед вводом их в зону реакции.

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что перемещают частицы целлюлозы при первой скорости через зону реакции непосредственно после ввода их и последующее движение частиц целлюлозы при второй скорости в зоне реакции для поддержания в ней заданного уровня заполнения частиц целлюлозы в реакторе.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что обеспечивают состояние, когда первая скорость движения частиц целлюлозы больше, чем их вторая скорость, а озоносодержащий газообразный отбеливатель содержит от примерно 1 до 8 мас.% озона.

11. Реакторный аппарат для отбелки озоном высококонсистентной целлюлозы, имеющей консистентность свыше 20%, содержащий корпус, имеющий вход и выход для частиц целлюлозы, средство для ввода высококонсистентной целлюлозы в корпус, средство для ввода потока озоносодержащего газообразного отбеливателя в корпус и средство для обеспечения перемещения частиц целлюлозы через корпус, отличающийся тем, что средство для обеспечения перемещения содержит средство подъема, перемещения и отбрасывания частиц целлюлозы в радиальном направлении при прохождении их через корпус для диспергирования целлюлозы в озоносодержащий газообразный отбеливатель для подвергания по существу всех поверхностей большей части частиц целлюлозы воздействию озоносодержащего газообразного отбеливателя и для перемещения целлюлозы в реакторе с течением в пробковом режиме при показателе дисперсии менее 8 для образования по существу равномерно беленой целлюлозы, имеющей повышенную степень белизны, измеренную прибором "Дженерал Электрик".

12. Аппарат по п.11, отличающийся тем, что реактор дополнительно включает в себя средство для извлечения остаточного газообразного отбеливателя и средство для извлечения беленой целлюлозы.

13. Аппарат по п.11, отличающийся тем, что дополнительно включает в себя вал, проходящий сквозь корпус вдоль его продольной оси и имеющий первый конец, примыкающий к входу для целлюлозы, и второй конец, примыкающий к выходу для целлюлозы, причем вал соединен со средством диспергирования и перемещения.

14. Аппарат по п.13, отличающийся тем, что средство диспергирования и перемещения включает в себя множество лопастей, отходящих в радиальном направлении от вала, которые установлены и ориентированы в заданной конфигурации, определяя шаг диспергирующего и перемещающего средства.

15. Аппарат по п.14, отличающийся тем, что по меньшей мере уровень заполнения или время нахождения частиц целлюлозы в реакторе выбраны, исходя из конкретной конструкции лопасти, расстояния, шага, формы или площади поверхности в комбинации со скоростью вращения вала.

16. Аппарат по п.14, отличающийся тем, что дополнительно включает в себя по крайней мере один параметр: конструкцию лопаток, расстояние, шаг, форму, площадь поверхности, для уменьшения эффективности передачи и вращения вала с большей скоростью вращения, для компенсирования такой уменьшенной эффективноси передачи, с достижением таким образом эффективного контакта целлюлозы с озоносодержащим газообразным отбеливателем, увеличения конверсии озоносодержащего газообразного отбеливателя или по существу постоянного уровня заполнения частиц целлюлозы в корпусе.

17. Аппарат по п.14, отличающийся тем, что содержит средства для измельчения целлюлозы на частицы, имеющие относительно низкую объемную массу, до ввода частиц целлюлозы в реактор.

18. Аппарат по п. 17, отличающийся тем, что содержит диспергирующее средство и средство продвижения, включающие первую секцию для начального перемещения частиц целлюлозы со сравнительно низким объемным весом при первой скорости для увеличения объемной массы, и перемещение частиц с повышенной объемной массой при второй скорости, которая ниже первой скорости.

19. Аппарат по п. 14, отличающийся тем, что диспергирующее средство и средство продвижения обеспечивают уровень заполнения по крайней мере 10% и показатель дисперсии 4,8 или менее.

20. Аппарат по п.13, отличающийся тем, что средство перемещения и диспергирования включает в себя непрерывный шнековый скребок, имеющий множество частей, которые вырезаны из скребка для образования в нем отверстий, причем вырезанные части согнуты под углом относительно вала.

21. Аппарат по п.13, отличающийся тем, что средство перемещения и диспергирования включает в себя непрерывный шнековый скребок, имеющий один или несколько подъемных элементов, прикрепленных к нему.

22. Аппарат по п.13, отличающийся тем, что средство перемещения и диспергирования включает в себя ленточную лопасть.

23. Аппарат по п.13, отличающийся тем, что средство перемещения и диспергирования включает в себя наклонную ленту, имеющую бесконечный шаг.

24. Аппарат по п.13, отличающийся тем, что средство перемещения и диспергирования включает в себя ряд клинообразных скребков, установленных на валу.

25. Аппарат по п.13, отличающийся тем, что средство перемещения и диспергирования включает в себя ряд углообразных подъемных элементов, установленных на валу.

26. Аппарат по п.11, отличающийся тем, что содержит средства для ввода озоносодержащего газообразного отбеливателя в противотоке с движением частиц целлюлозы.

27. Реактор для отбелки озоном частиц высококонсистентной целлюлозы, имеющей консистентность свыше 20%, первую степень белизны, измеренную прибором "Дженерал Электрик", и достаточный размер частиц для упрощения по существу полного пронизывания большей части частиц целлюлозы озоносодержащим газообразным отбеливателем, когда их подвергают обработке до второй, более высокой степени белизны, измеренной прибором "Дженерал Электрик", содержащий корпус, имеющий вход и выход для целлюлозы, средство для ввода высококонсистентной целлюлозы в корпус, средство для ввода потока озоносодержащего газообразного отбеливателя в корпус и средство для обеспечения перемещения целлюлозы через корпус, отличающийся тем, что средство для обеспечения перемещения включает в себя средство подъема, перемещения и отбрасывания целлюлозы, когда она проходит через корпус для диспергирования целлюлозы в озоносодержащий газообразный отбеливатель для подвергания по существу всех поверхностей большей части целлюлозы воздействию озоносодержащего газообразного отбеливателя и для перемещения целлюлозы в реакторе и при показателе дисперсии 8 или менее для образования по существу равномерно беленой целлюлозы, имеющей повышенную степень белизны, измеренную прибором "Дженерал Электрик".

28. Реактор по п.27, отличающийся тем, что дополнительно включает в себя средство для извлечения остаточного озоносодержащего газообразного отбеливателя и средство для извлечения беленой целлюлозы.

29. Реактор по п.28, отличающийся тем, что дополнительно включает в себя средство для получения высоких уровней заполнения и увеличения времени нахождения целлюлозы в устройстве за счет уменьшения шага при данной скорости вращения вала для достижения повышенной конверсии озоносодержащего газообразного отбеливателя.

30. Реактор по п.28, отличающийся тем, что дополнительно включает в себя средство для увеличения уровня заполнения посредством уменьшения скорости вращения вала без изменения шага средства для диспергирования и перемещения частиц целлюлозы для достижения повышенной конверсии газообразного отбеливателя или для регулирования времени нахождения целлюлозы.

31. Реактор по п.28, отличающийся тем, что шаг лопаток на первом конце вала больше, чем шаг лопаток на втором конце вала, для обеспечения повышенной скорости передачи там, где входят частицы целлюлозы, таким образом образуются средства для увеличения уровня заполнения частиц целлюлозы в корпусе.

32. Реактор по п.28, отличающийся тем, что лопатки разнесены в осевом направлении вдоль вала на достаточное расстояние, чтобы минимизировать или предотвратить образование забивания или заклинивания частиц целлюлозы между ними.

33. Реактор по п.28, отличающийся тем, что средство для извлечения беленой целлюлозы представляет собой разбавительный бак, а в разбавительный бак добавлена вода для уменьшения консистентности от беленой целлюлозы и для выполнения функции уплотнения озоносодержащего газообразного отбеливателя.

34. Реактор по п.28, отличающийся тем, что дополнительно содержит средство для измельчения частиц целлюлозы, соединенное со средством ввода частиц целлюлозы в корпус.

35. Реактор по п.28, отличающийся тем, что корпус включает в себя первую зону обеспечения уровня заполнения частиц целлюлозы и вторую зону реакции частиц целлюлозы отбеливателя, а средство перемещения включает в себя первую секцию, расположенную в первой зоне, и вторую секцию, расположенную во второй зоне, каждая из секций включает в себя вал, проходящий через корпус вдоль его продольной оси, а заданный уровень заполнения частиц целлюлозы в корпусе поддерживается путем обеспечения в первой секции скорости передачи больше скорости передачи во второй секции.

36. Реактор по п.35, отличающийся тем, что первая и вторая секции обеспечивают время нахождения частиц целлюлозы в реакторе по крайней мере примерно 40 с, а средство ввода газообразного отбеливателя обеспечивает время нахождения озоносодержащего газообразного отбеливателя в реакторе по крайней мере 67% от времени нахождения частиц целлюлозы.

37. Реактор по п.35, отличающийся тем, что первая и вторая секции конвейера обеспечивают уровень заполнения реактора между примерно 15 - 50% и показатель дисперсии менее примерно 4,8.

38. Реактор по п.28, отличающийся тем, что озоносодержащий газообразный отбеливатель вводят в направлении противотока к движению частиц целлюлозы.

39. Реактор по п.28, отличающийся тем, что средство диспергирования и перемещения содержит средство для уменьшения эффективности передачи частиц, а реактор дополнительно включает в себя средство увеличения скорости передачи частиц для обеспечения заданного уровня заполнения по крайней мере 10% частиц целлюлозы в корпусе.

40. Реактор по п.39, отличающийся тем, что средство уменьшения эффективности передачи включает в себя средство изменения по крайней мере одного из параметров: размеров, формы, конфигурации и ориентации лопаток относительно вала, а средство увеличения скорости передачи содержит средство увеличения скорости вращения вала для компенсирования изменения лопаток и получения пробкового режима потока.

41. Реактор по п.28, отличающийся тем, что вал установлен с возможностью вращения со скоростью, а лопатки имеют шаг, расстояние, угол, размеры и форму, обеспечивающие заданный уровень заполнения частиц целлюлозы в реакторе и увеличивающие радиальное диспергирование и уменьшающие аксиальное диспергирование при перемещении частиц целлюлозы через корпус для достижения конверсии озона по меньшей мере 70%.

42. Реактор по п.28, отличающийся тем, что выполнен так, что обеспечивается время нахождения частиц целлюлозы в корпусе меньше 2 мин.

43. Реактор по п.28, отличающийся тем, что дополнительно содержит средство для регулирования потока озоносодержащего газообразного отбеливателя для обеспечения заданного времени нахождения озоносодержащего газообразного отбеливателя в корпусе, а регулирующее средство регулирует для установления времени нахождения по меньшей мере 50% от времени нахождения частиц целлюлозы.

44. Реактор по п.28, отличающийся тем, что лопасти включают в себя лопасти, имеющие размер меньше, чем размер согласно стандарту СЕМА, установленные в неперекрывающейся конфигурации.

45. Реактор по п.44, отличающийся тем, что лопасти установлены на расстоянии примерно 240^o в спиральной конфигурации с шагом в одну четверть вдоль по крайней мере части вала.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способу отбелки целлюлозы озоносодержащим газообразным отбеливателем и к реакторному аппарату и реактору для осуществления данного способа.

Озон для отбелки целлюлозы пытались применять, чтобы исключить использование хлора в качестве отбеливателя для целлюлозы или других лигноцеллюлозных материалов. Хотя сначала может показаться, что озон является идеальным материалом для отбелки лигноцеллюлозных материалов, однако исключительные окислительные свойства озона и его сравнительно высокая стоимость ограничивали создание удовлетворительных способов отбелки озоном лигноцеллюлозных материалов, особенно древесины южных пород.

Озон легко вступает в реакцию с лигнином, эффективно уменьшая содержание лигнина в целлюлозе, но он также при различных условиях агрессивно атаковывает углерод, который содержит целлюлозные волокна древесины, следовательно значительно снижается прочность полученной целлюлозы. Также озон очень чувствителен к рабочим условиям, например, к значению pH относительно его окислительной и химической стабильности. Изменение этих технологических параметров может значительно изменять реакционную способность озона по отношению к лигноцеллюлозным материалам.

Поскольку была признана способность озона к делигнификации, то стали проводить обширные изыскания по созданию приемлемого для промышленных целей способа отбелки озоном лингноцеллюлозных материалов. Опубликовано множество статей и патентов в этой области, в которых сообщалось о попытках проводить отбелку целлюлозы озоном не на промышленной основе, а на лабораторной основе. Например, в патенте США N 2466633 на имя Брабендера и др. описан способ отбелки, при котором озон пропускают через волокнистую массу, имеющую содержание влаги (отрегулировано до абсолютно сухой консистентности) между 25 и 55% и pH, отрегулированное до предела 4 - 7.

Другие способы отбелки без применения хлора описаны С.Ротенбергом (Робинсон Д. Джонсобаух Д. Отбелка оксицеллюлозы озоном. Тарри, 182-185 (1975) - Z,Z,E,Z,ZPuZpa (Ранадуксусная кислота); Сотелэнд Н. Отбелка целлюлозы кислородом и озоном. Палп энд пейпер Мэгэзин ов Канада, Т 153-58) 1974) - OZEP, OP и ZP). Также в патенте США N 4196043 (Сингх) раскрыт многостадийный способ отбелки с применением озона и перекиси для исключения применения соединений хлора, причем этот способ включает в себя рецикл сточных вод.

Известны различные устройства для отбелки, применяющие центральный вал с прикрепленными к нему лопастями (например, патенты США, NN 1591070 на имя Вулфа, 1642978 и 1643566 на имя Торна, 2431478 на имя Хилла и 4298426 на имя Торрегросса и др.) Также в патенте США N 3630828 (Лиеберготт и др.) и в патенте США N 3725193 (де Монтигни и др.) раскрыты устройства для отбелки целлюлозы консистентности свыше 15%, которые включают в себя вращающийся вал с разнесенными лопастями разбивного ролла для измельчения волокнистой массы. В патенте США N 4093506 (Ричтер) раскрыты способ и устройство для непрерывного распределения и смешения высококонсистентной волокнистой массы с применением обрабатывающей жидкости, например хлора или двуокиси хлора. Устройство состоит из концентрично расположенного корпуса, имеющего цилиндрическую часть, обычно сходящуюся открытую коническую часть, проходящую наружу от одного конца цилиндрической части, и закрытую стенку, проходящую внутрь от другого конца цилиндрической части. Вал ротора, установленный внутри корпуса, включает в себя втулку, к которой прикреплено множество лопастей. Каждая из этих лопастей прикреплена к передающей лопатке или крылу. Вращение вала позволяет обрабатывающей жидкости распределяться и смешиваться по возможности равномерно с целлюлозой.

В патенте США N 4278496 (Фрицволд) раскрыто вертикальное устройство для обработки озоном высококонсистентной целлюлозы (т.е. 35 - 50%). Как кислород/газ-озон, так и волокнистая масса (при pH 5) передаются в верхнюю часть реактора для распределения по всему поперечному сечению, таким образом газ вступает в тесный контакт с частицами волокнистой массы. Смесь волокнистой массы и газа распределяется слоями на опорном средстве в ряде расположенных ниже камер. Опорное средство имеет отверстия или щели такой формы, что волокнистая масса образует мостики поперек их, при этом газ проходит через весь реактор в тесном контакте с волокнистой массой.

Перемещение волокнистой массы через реактор происходит за счет повторяемой, но контролируемой разбивки массы на опорном средстве благодаря вращению разбивных средств, прикрепленных к центральному валу и вращающихся вместе с ним. Это позволяет волокнистой массе проходить через отверстия в расположенные ниже камеры. В патенте США N 4123317 (Фрицволд и др.), в частности, раскрыт реактор, описанный в упомянутом патенте N 496. Этот реактор также применяют для обработки волокнистой массы смесью кислорода и газа озона.

В патентах США NN 4468286 и 4426256 (Джонсон) раскрыты способ и устройство для непрерывной обработки бумажной волокнистой массы озоном. Волокнистую массу и озон попускают по различным путям вместе или отдельно.

в патенте США N 4363697 раскрыто несколько шнековых конвейеров, которые модифицировали, включив в них лопасти, нарезанные и отогнутые скребки либо их комбинации для применения в отбелке кислородом малоконсистентной волокнистой массы. В Европейской заявке N 0308314 раскрыт реакторный аппарат для отбелки целлюлозы озоном, применяющий закрытый шнековый конвейер, в котором газ-озон накачивают через центральный вал для распределения по всему реактору. Целлюлоза имеет консистентность 20 - 50%, а концентрация обрабатывающего газа находится между 4 и 10%, таким образом достигается 2 - 8% использования озона на абсолютно сухом волокне.

Наиболее близким аналогом данного изобретения является способ отбелки целлюлозы, заключающийся в вводе части целлюлозы, имеющей высокую консистентность, превышающую 20%, в зону реакции, вводе озоносодержащего газообразного отбеливателя в зону реакции и перемещении частиц целлюлозы через зону реакции в пробковом режиме в течение времени, достаточном для достижения отбелки целлюлозы, описанном в Европейском патенте N 0397308.

Наиболее близким аналогом данного изобретения является реакторный аппарат для отбелки озоном, описанный в Европейской заявке N 0308314, причем консистентность целлюлозы свыше 20%, содержащий корпус, имеющий вход и выход для частиц целлюлозы, средство для вода высококонсистентной целлюлозы в корпус, средство для ввода потока озоносодержащего газообразного отбеливателя в корпус и средство для обеспечения перемещения частиц целлюлозы через корпус.

Наиболее близким аналогом данного изобретения является реактор для отбелки озоном частиц высококонсистентной целлюлозы, имеющей консистентность свыше 20%, описанный в Европейской заявке N 0030158, имеющей первую степень белизны, измеренную прибором "Дженерал Электрик", и достаточный размер частиц для упрощения по существу полного пронизывания большей части частиц целлюлозы озоносодержащим газообразным отбеливателем, когда их подвергают обработке до второй, более высокой степени белизны, измеренной прибором, "Дженерал Электрик", содержащим корпус, имеющий вход и выход для целлюлозы, средство для ввода высококонсистентной целлюлозы в корпус, средство для ввода потока озоносодержащего газообразного отбеливателя в корпус и средство для обеспечения перемещения целлюлозы через корпус.

Несмотря на все исследования, проводимые в этой области, до сих пор не разработан способ на промышленной основе для получения отбеленной озоном лигноцеллюлозы из древесины мягких пород дерева и соответствующей волокнистой массы, особенно из мягкой древесины южных пород дерева, причем было сообщено о многочисленных неудачах.

Предлагаемое изобретение предлагает новое устройство и способ отбелки целлюлозы, устраняющие проблемы, с которыми сталкивались раньше, и который обеспечивает получение высокосортной отбеленной целлюлозы на промышленной основе.

Способ отбелки целлюлозы заключается в вводе частиц целлюлозы, имеющей высокую консистентность, превышающую 20%, в зону реакции ввода озоносодержащего газообразного отбеливателя, в зону реакции и перемещения частиц целлюлозы через зону реакции в пробковом режиме в течение времени, достаточном для достижения отбелки целлюлозы. Частицы целлюлозы имеют размер, достаточный для облегчения по существу полного пронизывания озоносодержащим газообразным отбеливателем при воздействии его на частицы целлюлозы. Последние поднимаются, перемещаются и отбрасываются в радиальном направлении при прохождении их через зону реакции для диспергирования частиц целлюлозы в озоносодержащий газообразный отбеливатель. При этом подвергают частицы целлюлозы воздействию озоносодержащего газообразного отбеливателя. Диспергированные частицы целлюлозы перемещаются через зону реакции при показателе дисперсии менее 8 для образования по существу равномерно отбеленной целлюлозы, имеющей повышенную степень белизны, измеренную прибором "Дженерал Электрик". Во время поднимания, перемешивания и отбрасывания частиц целлюлозы в радиальном направлении дополнительно включает в себя уменьшение аксиального движения и максимизацию радиального перемещения частиц целлюлозы для максимизации смешивания и контактирования частиц целлюлозы и озоносодержащего газообразного отбеливателя. Способ дополнительно включает в себя регулирование уровня заполнения и времени нахождения частиц целлюлозы в зоне реакции. Также регулируется скорость потока и время нахождения озоносодержащего газообразного отбеливателя в зоне реакции для повышения степени отбелки целлюлозы озоном.

Регулируют скорость потока и время нахождения озоносодержащего газообразного отбеливателя для получения степени конверсии озоносодержащего газообразного отбеливателя по меньшей мере примерно 60%.

Озоносодержащий газообразный отбеливатель вводят в противотоке движения частиц целлюлозы. При этом обеспечивают показатель дисперсии менее 4,8, а консистентность частиц целлюлозы по меньшей мере 25%. Обеспечивают поддержание уровня заполнения частиц целлюлозы между примерно 10 и 50% в зоне реакции. Дополнительно обеспечивают измельчение частиц высококонсистентной целлюлозы для уменьшения объемного веса частиц целлюлозы перед вводом их в зону реакции. Перемещают частицы целлюлозы при первой скорости через зону реакции непосредственно после ввода их и последующее движение частиц целлюлозы при второй скорости в зоне реакции для поддержания в ней заданного уровня заполнения частиц целлюлозы в реакторе. Обеспечивают состояние, когда первая скорость движения частиц целлюлозы больше, чем их вторая скорость. Озоносодержащий газообразный отбеливатель содержит от примерно 1 до 8 мас.% озона.

Реакторный аппарат для отбелки озоном высококнсистентной целлюлозы, имеющей консистентность свыше 20%, содержит корпус с входом и выходом для частиц целлюлозы, средства для ввода высококнсистентной целлюлозы и потока озоносодержащего газообразного отбеливателя в корпус и средство для обеспечения перемещения частиц целлюлозы через корпус. Средство для обеспечения движения содержит средство подъема, перемещения и отбрасывания частиц целлюлозы в радиальном направлении. При прохождении их через корпус для диспергирования целлюлозы в озоносодержащий газообразный отбеливатель для подвергания по существу всех поверхностей большей части частиц целлюлозы воздействию озоносодержащего газообразного отбеливателя. Для перемещения целлюлозы в реакторе с течением в пробковом режиме при показателе дисперсии менее 8 для образование равномерно по существу беленой целлюлозы, имеющей повышенную степень белизны, измеренную прибором "Дженерал Электрик". Реактор дополнительно включает в себя средство для извлечения остаточного газообразного отбеливателя и средство для извлечения беленой целлюлозы. Он дополнительно включает в себя вал, проходящий сквозь корпус вдоль его продольной оси и имеющий первый конец, примыкающий к входу для целлюлозы, и второй конец, примыкающий к выходу для целлюлозы. Вал соединен со средством для диспергирования и перемещения. Средство для диспергирования и перемещения включает в себя множество лопастей, отходящих в радиальном направлении от вала. Лопасти установлены и ориентированы в заданной конфигурации, определяя шаг диспергирующего и перемещающего средства. По меньшей мере уровень заполнения или время нахождения частиц целлюлозы в реакторе выбраны, исходя из конкретной конструкции лопасти, расстояния шага, формы или площади поверхности в комбинации со скоростью вращения вала. Он дополнительно включает в себя по крайней мере один параметр: конструкцию лопаток, расстояние, шаг, форму, площадь поверхности для уменьшения эффективности передачи и вращения вала с большей скоростью вращения, для компенсирования такой уменьшенной эффективности передачи с достижением таким образом эффективного контакта целлюлозы с озносодержающим газообразным отбеливателем, увеличения конверсии озоносодержащего газообразного отбеливателя или по существу постоянного уровня заполнения частиц целлюлозы в корпусе. Он содержит средства для измельчения целлюлозы на частицы, имеющие относительно низкую объемную массу, до ввода частиц целлюлозы в реактор. Он содержит диспергирующее средство и средство продвижения, включающие первую секцию для начального перемещения частиц целлюлозы со сравнительно низкой объемной массой при первой скорости для увеличения объемной массы, и перемещение частиц с повышенной объемной массой при второй скорости, которая ниже первой скорости. Диспергирующее средство и средство продвижения обеспечивает уровень заполнения по крайней мере 10% и показатель дисперсии менее 4, 8. Средство перемещения и диспергирования включает в себя непрерывный шнековый скребок, имеющий множество частей. Эти части вырезаны из скребка для образования в нем отверстий. Вырезанные части согнуты под углом относительно вала. Средство перемещения и диспергирования включает в себя непрерывный шнековый скребок, имеющий один или несколько подъемных элементов, прикрепленных к нему.

Средство перемещения и диспергирования включает в себя ленточную лопасть. Средство перемещения и диспергирования включает в себя наклонную ленту, имеющую бесконечный шаг. Средство перемещения и диспергирования включает в себя ряд клинообразных скребков, установленных на валу. Средство перемещения и диспергирования включает в себя ряд углообразных подъемных элементов, установленных на валу. Он содержит средства для ввода озоносодержащего газообразного отбеливателя в противотоке движению частиц целлюлозы.

Реактор для отбелки озоном частиц высококонсистентной целлюлозы, имеющей консистентность свыше 20%, первую степень белизны, измеренную прибором "Дженерал Электрик", и достаточный размер частиц для упрощения по существу полного пронизывания большей части частиц целлюлозы озоносодержащим газообразным отбеливателем, когда их подвергают обработке до второй, более высокой степени белизны, измеренной прибором "Дженерал Электрик", содержащий корпус с входом и выходом для целлюлозы, средства для ввода высококонсистентной целлюлозы и потока озоносодержащего газообразного отбеливателя в корпус, средство для обеспечения перемещения целлюлозы через корпус, средство для обеспечения движения включает в себя средство подъема, перемешивания и отбрасывания целлюлозы, когда она проходит через корпус для диспергирования целлюлозы в озоносодержащий газообразный отбеливатель для подвергания по существу всех поверхностей большей части целлюлозы воздействию озоносодержащего газообразного отбеливателя и для перемещения целлюлозы в реактор и при показателе дисперсии менее 8 для образования по существу равномерно беленой целлюлозы, имеющей повышенную степень белизны, измеренную прибором "Дженерал Электрик".

Реактор дополнительно включает в себя средство для извлечения остаточного озоносодержащего газообразного отбеливателя и средство для извлечения беленой целлюлозы. Он дополнительно включает в себя средство для получения высоких уровней заполнения и увеличения времени нахождения целлюлозы в устройстве за счет уменьшения шага при данной скорости вращения вала для достижения повышенной конверсии озоносодержащего газообразного отбеливателя.

Реактор дополнительно включает в себя средство для увеличения уровня заполнения посредством уменьшения скорости вращения вала без изменения шага, средства для диспергирования и перемещения частиц целлюлозы для достижения повышенной конверсии газообразного отбеливателя или для регулирования времени нахождения целлюлозы. Шаг лопаток на первом конце вала больше, чем шаг лопаток на втором конце вала для обеспечения повышенной скорости передачи там, где входят частицы целлюлозы, таким образом образуются средства для увеличения уровня заполнения частиц целлюлозы в корпусе.

Лопатки разнесены в осевом направлении вдоль вала на достаточное расстояние, чтобы минимизировать или предотвратить образование забивания или заклинивание частиц целлюлозы между ними.

Средство для извлечения беленой целлюлозы представляет собой разбавительный бак, в который добавлена вода для уменьшения консистентности беленой целлюлозы и для выполнения функции уплотнения озоносодержащего газообразного отбеливателя. Реактор дополнительно содержит средство для измельчения частиц целлюлозы, соединенное со средством ввода частиц целлюлозы в корпус.

Корпус включает в себя первую зону обеспечения уровня заполнения частиц целлюлозы и вторую зону реакции частиц целлюлозы отбеливателя, а средство перемещения включает в себя первую секцию, расположенную в первой зоне, и вторую секцию, расположенную во второй зоне, каждая из секций включает в себя вал, проходящий через корпус вдоль его продольной оси, заданный уровень заполнения частиц целлюлозы в корпусе поддерживается посредством обеспечения в первой секции скорости передачи больше скорости передачи во второй секции. Первая и вторая секции обеспечивают время нахождения частиц целлюлозы в реакторе по крайней мере примерно 40 с, средство ввода газообразного отбеливателя обеспечивает время нахождения озоносодержащего газообразного отбеливателя в реакторе по крайней мере 67% от времени нахождения частиц целлюлозы.

Первая и вторая секции конвейера обеспечивают уровень заполнения реактора между примерно 15 и 50% и показатель дисперсии менее примерно 8.

Озоносодержащий газообразный отбеливатель вводят в направлении противотока к движению частиц целлюлозы.

Средство диспергирования и перемещения содержит средство для уменьшения эффективности передачи частиц. Реактор дополнительно включает в себя средство увеличения скорости передачи частиц для обеспечения заданного уровня заполнения по крайней мере 10% частиц целлюлозы в корпусе.

Средство уменьшения эффективности передачи включает в себя средство изменения по крайней мере одного параметра: размеров, формы, конфигурации и ориентации лопаток относительно вала. Средство увеличения скорости передачи содержит средство увеличения скорости вращения вала для компенсирования изменения лопаток и получения пробкового режима потока.

Вал установлен с возможностью вращения со скоростью. Лопатки имеют шаг, расстояние, угол, размеры и форму, обеспечивающие заданный уровень заполнения частиц целлюлозы в реакторе и увеличивающие радиальное диспергирование и уменьшающие аксиальное диспергирование при перемещении частиц целлюлозы через корпус для достижения конверсии озона по меньшей мере 70%. Реактор выполнен таким образом, что обеспечивается время нахождения частиц целлюлозы в корпусе меньше 2 мин.

Реактор дополнительно содержит средство для регулирования потока озоносодержащего газообразного отбеливателя для обеспечения заданного времени нахождения озоносодержащего газообразного отбеливателя в корпусе. Регулирующее средство регулирует для установки времени нахождения по меньшей мере 50% от времени нахождения частиц целлюлозы.

Лопасти включают в себя лопасти, имеющие размер меньше, чем размер согласно стандарту СЕМА, установленные в неперекрывающей конфигурации. Лопасти установлены на расстоянии примерно 240^o в спиральной конфигурации с шагом в одну четверть вдоль по крайне мере части вала.

На фиг. 1 представлен график зависимости скорости вращения вала от силы уплотнения целлюлозы на конвейерах различного диаметра; на фиг. 2 - график зависимости уплотнения целлюлозы от критического расстояния лопастей для целлюлозы из южных мягких пород дерева, имеющей консистентность 42%; на фиг. 3 - график зависимости концентрации лития в целлюлозе, выходящей из реактора, от времени после добавления на входе в реактор целлюлозы, обработанной литием в качестве индикатора для определения времени нахождения целлюлозы в реакторе для лопастных определенных конвейеров; на фиг. 4 - график сравнительно широких и узких распределений времени нахождения целлюлозы для лопастных конвейеров; на фиг. 5 - график зависимости уровня заполнения реактора от скорости вала для различных лопастных конвейеров; на фиг. 6 - график зависимости времени нахождения целлюлозы от скорости вала для различных лопастных конвейеров; на фиг. 7 - вид сбоку реактора для озона в соответствии с изобретением; на фиг. 8 - вид сбоку в увеличенном масштабе реактора, показанного на фиг. 7; на фиг. 9 и 10 - вид лопастных конвейеров для реактора на фиг. 7; на фиг. 11 - вид в разрезе реактора на фиг. 8, в плоскости 10-10; на фиг. 12 и 13 - вид в перспективе и сбоку типичной лопасти для применения на конвейере на фиг. 9 и 10; на фиг. 14 - график концентрации лития в целлюлозе, выходящей из реактора, от времени после добавления целлюлозы, обработанной литием, на входе в реактор для лопастного конвейера из примера 5; на фиг. 15 - 17 снимки реактора изнутри вдоль линии, проходящей параллельно с валом, показывающие дисперсию целлюлозы в функции различных скоростей вала; на фиг. 18 - 21 - вид различных конвейерных элементов для применения в соответствии с изобретением.

В реакторе в соответствии с предлагаемым изобретением используют озоносодержащий газообразный отбеливатель, например озон, для уменьшения степени атаки на целлюлозную часть древесины, в результате образуется продукт, имеющий приемлемые прочностные характеристики для изготовления бумаги и различных бумажных изделий. Прежде чем описать детали устройства реактора, полезно иметь представление о процессе делигнификации и отбелки, в котором применяют это устройство.

Газ-озон, который применяют в процессе отбелки, можно использовать в качестве смеси озона с кислородом и/или инертным газом либо смеси озона с воздухом. Количество озона, которое можно удовлетворительно включать в обрабатывающие газы, ограничено стабильностью озона в газовой смеси. Смеси газа и озона, которые обычно, но необязательно содержат примерно 1 - 8 мас.% смеси озона/кислорода или 1 - 4 мас.% смеси озона и воздуха, являются пригодными для применения согласно предлагаемому изобретению. Предпочтительной смесью является 6% озона, остальное в основном кислород. Более высокая концентрация озона в смеси озон/кислород позволяет применять сравнительно небольшие реакторы и непродолжительное время реакции для обработки эквивалентного количества целлюлозы, тем самым сокращаются капитальные затраты на оборудование.

Дополнительным регулирующим фактором для отбелки целлюлозы является сравнительная масса озона, применяемого для отбелки данной массы целлюлозы. Это количество определяется по крайней мере частично по количеству лигнина, которое следует удалять во время процесса отбелки озоном, сопоставленному с относительной степенью целлюлозы, которую можно допустить во время отбелки озоном. Предпочтительно применяют такое количество озона, которое будет вступать в реакцию с примерно 50 - 70% лигнина, присутствующим в целлюлозе.

Существует много способов измерения степени делигнификации, но в большинстве случаев - это варианты испытания перманганатом. Обычное испытание перманганатом образует перманганат или "число К", которое представляет количество кубических сантиметров децинормального раствора марганцовокислого калия, расходуемого на 1 г сухой целлюлозы при определенных условиях. Это определено испытанием T - 214 в соответствии с стандартом TAPPI.

Все количество лигнина, определенное по конечному "числу K", должно быть таким, чтобы озон не реагировал слишком с целлюлозой для уменьшения по существу степени полимеризации целлюлозы. Предпочтительно количество озона, добавленного на основе массы сухой целлюлозы, составляет обычно примерно 0,2 - 2% для достижения требуемого уровня лигнина. Возможно потребуется более высокое количество, если в системе присутствует значительное количество растворенных твердых частиц. Поскольку озон является сравнительно дорогостоящим, то целесообразно и эффективно применять наименьшее количество, необходимое для достижения требуемой отбелки.

Продолжительность реакции, применяемой во время стадии отбелки озоном, определяют по требуемой степени завершения реакции отбелки озоном, как это можно увидеть из полного или по существу полного использования озона. Это время будет изменяться в зависимости от концентрации озона в смеси газа и озона, причем сравнительно более концентрированные озоновые смеси реагируют быстрее и по относительному количеству лигнина, который требуется удалить. Предпочтительное время нахождения целлюлозы и газа указано более подробно дальше.

Важным признаком изобретения является то, что целлюлоза отбеливается равномерно. Этот признак достигается частично за счет измельчения целлюлозы до обработки озоном на дискретные частицы достаточного размера и с достаточной низкой объемной массой, таким образом смесь озона и газа будет полностью проникать в большую часть волокнистых частиц.

Еще одним важным отличительным признаком изобретения является то, что во время процесса отбелки озоном отбеливаемые частицы должны подвергаться действию смеси отбеливающего озона посредством смешения, чтобы смесь озона и газа имела примерно одинаковый доступ ко всем частицам. Смешение целлюлозы в смеси озона и газа обеспечивает превосходные результаты по однородности в сравнении с результатами, достигаемыми с неподвижным или подвижным слоем целлюлозы, когда часть целлюлозы изолирована от газа-озона по отношению к другой части целлюлозы из-за различий в высоте слоя и объемной массе в различных положениях внутри слоя. Это вызывает неравномерный поток озоносодержащего газа через слой волокон, что в свою очередь приводит к неравномерному контакту между газом и волокнистой массой, и как результат этого - неравномерная отбелка. Устройство в соответствии с предлагаемым изобретением более способно уменьшить перепад давления и оно также является гибким в том, что может легко работать с озоновым газом, перемещаемым параллельно или в противотоке с целлюлозой, в сравнении с реактором со слоем, в котором применяют только параллельный поток.

Чтобы понять уникальные отличительные признаки реактора в соответствии с предлагаемым изобретением, необходимо знать условия и принципы передачи твердых частиц по шнековым конвейерам. Общее представление о шаге таких конвейеров хорошо известно (например, Колин, Х., Механические конвейеры для массы твердых частиц, Elsevier, Нью-Йорк, 1985). Например, для закрытого шнекового конвейера скребкового типа шаг представляет собой расстояние, измеренное о любой точки скребка до соответствующей точки на смежном скребке шнека, причем оно измеряется параллельно оси вала. (Соответствующую точку можно найти, следуя кромке скребка под углом 360^o вокруг вала). Для шнека с полным шагом измеренное расстояние между этими точками равно диаметру скребка шнека.

Вариантом закрытого шнекового скребкового конвейера является тот конвейер, в котором применяют дискретные лопасти, расположенные в разнесенной связи вдоль линии спирали, по которой следует шнек. Таким образом в лопастном конвейере лопасти заменяются скребками шнека и шагом является расстояние от любой точки на лопасти до соответствующей точки на сложной лопасти, измеренное параллельно оси. Однако для определенных конфигураций лопастей часть лопастей удаляют и в этом случае соответствующей точкой является точка, где будет находиться лопасть после поворота на 360^o, когда она следует по пути вдоль и между кромками лопастей.

Терминология для обозначения разнесения лопастей включает в себя угловую связь и расстояние, определенное по шагу. Например, конфигурация с полным шагом в 60^o для конвейера диаметром 18"" (457 мм) имеет первые шесть лопастей, разнесенные на 3 дюйма (76,2 мм) вдоль оси вала, причем каждая последующая лопасть размещается на 60^o вокруг периферии вала от предшествующей лопасти. Затем конфигурация лопасти повторяется через следующие 18 дюймов (457 мм). Конфигурация лопасти с полным шагом в 180^o для такого же конвейера диаметром 18"" (457 мм) имеет первые три лопасти, разнесенные на 6 дюйма (152 мм) вдоль оси вала, с каждой последующей лопастью, разнесенной на 120^o по периферии вала. Затем конфигурация лопастей повторяется через следующие 18 дюймов (457 мм). Конфигурация лопастей с шагом в половину 120^o для такого же конвейера диаметром 18"" (457 мм) будет иметь лопасти, разнесенные на 3 дюйма (76,2 мм) вдоль оси вала с каждой последующей лопастью, разнесенной на 120^o по периферии вала. Снова конфигурация лопастей повторяется на первых 18 дюймах (457 мм) осевой длины лопасти. Конфигурация лопастей с шагом в 240^o требует дополнительного обсуждения. В качестве примера конфигурация лопастей с шагом в четверть 240^o для конвейера диаметром 18"" (457 мм) также имеет шесть лопастей, разнесенных на три дюйма (76,2 мм) вдоль оси вала, но теперь каждая последующая лопасть размещена под углом 240^o по периферии вала. Для последующей длины в 18 дюймов (457 мм) эта конфигурация будет повторяться. Путем нанесения спирального пути вдоль кромок лопастей можно обнаружить, что через каждые 18 дюймов (457 мм) шесть лопастей образуют четыре повторяющихся спирали вдоль вала, таким образом подтверждается устройство с шагом в одну четверть, но только первая, четвертая и седьмая лопасти расположены в положении 12 по часовой стрелке (или на 0^o) через 18 дюймов (457 мм) длины вала.

Имеется множество других параметров, которые можно регулировать в лопастных конвейерах. Угол лопасти является ориентацией отдельной лопасти, измеренной по линии, выступающей до вала от поверхности лопасти относительно линии, параллельной к оси вала. Угол 45^o лопасти создает наибольшие осевые усилия (т.е. в направлении оси вала), передаваемые транспортируемому материалу. Когда этот угол уменьшается в сторону нуля или увеличивается в сторону 90^o, то осевые усилия уменьшаются. При 0^o и 90^o осевые усилия отсутствуют.

Отличительным преимуществом применения лопастной конфигурации в противоположность другим альтернативным конфигурациям, например, ленточный смеситель и непрерывный шнек с изогнутыми скребками, имеющими отверстия, является то, что с лопастями можно обеспечить уникальную и определенную ориентацию лопасти относительно оси вращения. Это значит, что лопасти можно прикрепить к валу в определенных точках вдоль оси вращения. Также угол, определенный выше, может быть расположен таким образом, чтобы лопасти были ориентированы для обеспечения движения вперед или назад обрабатываемого материала через реактор. Это имеет преимущество в том, что лопасти можно ориентировать так, как это требуется для обеспечения данной степени реакции в данной части реактора - либо задержать или продвинуть вперед обрабатываемый материал. Другим преимуществом лопастей является то, что отдельные лопасти можно легко регулировать для обеспечения изменений в рабочих условиях между различными типами древесины в противоположность непрерывному шнеку и т.п., который может потребовать замены всего устройства.

Дополнительными параметрами являются размер и форма лопастей. Физические размеры конкретных плоских лопастей для применения в различных лопастных конвейерах были стандартизованы (Ассоциацией "Конвейер Инквипмент Мэнуфкчурез Ассосиэйшн ("СЕМА") в их бюллетене ANSI/СЕМА 300, 1981, Стандарты по размерам шнекового конвейера). Из этого бюллетеня можно получить информацию в отношении конкретных размеров и альтернативных конфигураций конвейерных элементов, Также можно применять другие формы лопастей, например чашеобразные, изогнутые или углообразные в зависимости от требуемых результатов отбелки.

Наконец лопастные конвейеры имеют определенное направление, что в сочетании с направлением вращения вала определяют осевое направление потока транспортируемого материала. Лопасти с конфигурацией левой руки на валу, который вращается в направлении по часовой стрелке, если смотреть с торца вала, передают материалы в сторону от наблюдателя, тогда как лопасти с конфигурацией правой руки, вращающиеся по часовой стрелке, передают материал в сторону наблюдателя. Для вращения против часовой стрелки материал передается противоположно, при этом направление потока изменяется путем изменения направления вращения.

Хотя в предпочтительном режиме работы устройства в соответствии с изобретением применяют уровень заполнения емкости примерно 10 - 50, а лучше примерно 15 - 40%, однако метод анализа по изображению показал, что большинство волокон целлюлозы в реакторе согласно предлагаемому изобретению взвешены в газовой фазе. Это противоположно волокнам, перемещаемым по днищу передающей трубы, как это обычно происходит, когда применяют закрытый непрерывный шнековый скребковый конвейер.

Уровень заполнения, как он применяется эдесь, означает количество целлюлозы в открытых пространствах реактора по объему. Например, уровень заполнения на 25% означает заполнение на 25% открытого пространства реактора целлюлозой на основе объемной массы целлюлозы, когда она находится в состоянии покоя, количество целлюлозы в реакторе и объем реактора. Для любой конкретной конструкции конвейера, подачи целлюлозы и числа оборотов в минуту вала достигается конкретный уровень заполнения. Посредством изменения числа оборотов в минуту при постоянной скорости подачи целлюлозы можно изменять уровень заполнения. Если число оборотов вала в минуту увеличивается, то уровень заполнения соответственно уменьшается. Для предлагаемого изобретения уровень заполнения доложен быть достаточным, чтобы могла диспергироваться значительная часть целлюлозы. Это требует уровня заполнения свыше 10%. Аналогично уровень заполнения предпочтительно меньше, чем примерно 50%, так чтобы обеспечить достаточно открытое пространство, в которое может диспергировать целлюлоза. Преимущественные уровни заполнения составляют от примерно 15 до 40%. Можно применять также высокие уровни, как например примерно 75%, но при уменьшенной эффективности контакта между газом и целлюлозой.

Реактор в соответствии с предлагаемым изобретением выполнен таким образом, чтобы уменьшить осевую дисперсию волокон, когда они передаются вперед. В известных технических решениях не применяют лопастной конвейер, содержащий лопасти размером меньше, чем размер по стандарту СЕМА, установленные в неперекрывающей связи. Известные технические решения предсказывали наличие больших неохваченных или мертвых зон в реакторе, результатом которых является широкое распределение времени нахождения целлюлозы и соответственно неравномерно беленая целлюлоза. Также в известных технических решениях указано, что суспендирование волокон будет заставлять часть волокон падать на центральный вал конвейера, и в этом случае волокна не будут передаваться эффективно вперед, снова вызывая широкую осевую дисперсию волокон. Предпочтительная конструкция лопастей обеспечивает взвешивание волокон посредством сообщения им достаточного количества движения для передачи их вперед и чтобы вызвать радиальное движение для взвешивания волокон в газовой фазе. Это явление также заставляет волокна в мертвых зонах двигаться вперед с таким же успехом. При этом конечным результатом будет только небольшая степень осевой дисперсии волокон во время их перемещения вперед. Эта небольшая степень дисперсии эквивалентна узкому распределению времени нахождения волокон, результатом которого является равномерная отбелка. Эти отличительные признаки позволяют по существу равномерно делигнифицировать и отбеливать частицы целлюлозы до требуемого уровня содержания лигнина, вязкости и белизны.

Предпочтительным конвейером является тот, который имеет лопасти, расположенные с разнесением под углом 240^o в спиральной конфигурации с шагом в одну четверть вдоль длины вала, причем каждая лопасть установлена примерно под углом 45^o к оси вала. В реакторе с конвейером диаметром 19 дюймов (482 мм) с высокой консистентностью входящей целлюлозы, как было описано, длина конвейера такова, что время нахождения целлюлозы составляет примерно 60 с, при скорости вращения вала примерно 75 об/мин, тогда как время нахождения газа примерно 50 с.

Можно применять различные шаги для лопастей, нарезанных и изогнутых скребков и других типов конвейеров. Было обнаружено, что для реактора в соответствии с предлагаемым изобретением предпочтительным является шаг в одну четверть, хотя можно применять другие величины шага для конкретных применений.

В упомянутом стандарте СЕМА указаны определенные размеры лопастей для данных диаметров. В этом изобретении эти размеры будут указаны как "Стандартный размер", Для достижения высокого контакта между целлюлозой и газом можно применять большие лопасти, имеющие площадь, превышающую в два раза стандартный размер. Однако такие большие лопасти также увеличивают значительно скорость передачи. Для достижения повышенных эффектов смешения можно применять небольшие лопасти, имеющие площадь, составляющую примерно половину площади стандартной лопасти.

Можно также изменять угол лопасти, когда это требуется. Хотя угол 45^o является предпочтительным для максимального осевого движения, однако можно применять другие углы для увеличения времени нахождения целлюлозы в реакторе.

Расстояние между лопастями важно для исключения заклинивания целлюлозы, когда она перемещается через реактор, поскольку забивание препятствует равномерной отбелке целлюлозы. Забивание (т.е. движение целлюлозы вперед большими кусками или массами, которые заклинивались между последующими лопастями) вызывается силами уплотнения и отверждения, действующими на целлюлозу, которые увеличивают плотность целлюлозы и способность целлюлозы сцепляться.

Для любой конкретной конструкции конвейера можно вычислить оцененные силы уплотнения или напряжения на целлюлозе по рабочим характеристикам конвейера, использующего силу инерции от центробежного движения лопастей и статического напора массы целлюлозы. Давление уплотнения для стандартных лопастных конвейеров различного диаметра, когда они работают при уровне заполнения примерно 25% и при различных оборотах в минуту, указано на фиг.1. Например, реактор с лопастным конвейером диаметром (0,610 м), работающим при скорости 60 об/мин, будет создавать давление уплотнения примерно 35 фунт/дюйм².

Для конкретной отбеливаемой целлюлозы можно измерить прочность целлюлозы в зависимости от давления уплотнения и затем определить, на каком расстоянии должны быть лопасти, чтобы исключить заклинивание целлюлозы (т.е. длину, выше которой целлюлоза не может нести свою массу и будет разрушаться на мелкие кусочки). Фиг. 2 дает представление в форме графика вычисленное критическое расстояние (минимальное) между лопастями в зависимости от давления затвердевания для целлюлозы из мягких южных пород дерева, имеющей 42% консистентности. Для конкретного примера сила уплотнения величиной 35 фунт/кв.дюйм требует минимальное расстояние между лопастями примерно 6 дюймов (152 мм).

Расстояние между лопастями определяют путем измерения расстояния по прямо линии между двумя самыми близким точками кромок смежных лопастей. Для лопастного конвейера а шагом в четверть 240^o двумя самыми близкими точками являются задняя кромка первой лопасти и передняя кромка четвертой лопасти. Для других конфигураций, например, с полным шагом 60^o двумя ближайшими точками будут задняя кромка первой лопасти и передняя кромка второй лопасти. Для любой конкретной конфигурации лопасти это расстояние должно быть больше, чем критический размер образования сводов целлюлозы для исключения заклинивания целлюлозы.

Газ-озон можно вводить в любой точке через наружную стенку корпуса реактора. Лопасти могут также способствовать потоку газа-озона в радиальном направлении для улучшения передачи массы.

При низких оборотах в минуту лопасти перемещают целлюлозу таким образом, что она катится или поднимается и опускается через реактор. При более высоких оборотах целлюлоза диспергируется в газовой фазе в реакторе, при этом частицы целлюлозы равномерно разделяются и распределяются через газ, таким образом обеспечивается равномерная отбелка целлюлозы. Таким образом, предпочтительный лопастной конвейер обеспечивает достижение целей предлагаемого способа отбелки 1. Можно передавать через реактор высокий объем целлюлозы без значительного уплотнения, заклинивания или забивания целлюлозы, при этом целлюлоза перемещается почти в роторном потоке при достаточно высоких уровнях заполнения, обеспечивая приемлемый контакт между целлюлозой и газом 2. По существу все частицы целлюлозы отбеливаются равномерно к тому времени, когда они оставят реактор 3. Расходуется высокое количество (свыше 75% и предпочтительно свыше, чем 90%) озона к тому времени, когда он ставит реактор.

Другим фактором, который важен для реактора, отбеливающего целлюлозу озоном, является достижение равномерной отбелки частиц целлюлозы газообразным отбеливающим агентом за счет контроля распределения времени нахождения целлюлозы в реакторе. Распределение времени нахождения целлюлозы в реакторе должно быть по возможности узким, т.е. целлюлоза должна идеально перемещаться через реактор подобно течению в пробковом режиме. Если некоторые частицы целлюлозы движутся слишком быстро через реактор, то они будут недостаточно отбеливаться, тогда как те частицы, которые движутся слишком медленно, будут чрезмерно отбеливаться.

Как было указано, лопастной конвейер позволяет целлюлозе эффективно контактировать и смешиваться с газом. Неожиданно было обнаружено, что увеличение оборотов в минуту этих сравнительно неэффективных конвейеров позволяет диспергированной целлюлозе двигаться через реактор с потоком, подобным находящемуся в роторной мешалке. Такое движение взвешенной целлюлозы позволяет ей достичь требуемого узкого распределения времени нахождения целлюлозы в реакторе.

Для определения времени нахождения целлюлозы для конкретного конвейера разработан метод, в котором в качестве индикатора применяют соли лития. Поскольку обычно литий не присутствует в частично делигнифицированной целлюлозе, которая должна отбеливаться озоном в реакторе согласно изобретению, то этот метод включает в себя добавку соли лития, например, сульфата или хлорида лития в качестве индикатора в целлюлозе, входящей в реактор в определенный отрезок времени, взятие пробы целлюлозы, выходящей из реактора, через определенные интервалы времени после добавки соли лития, измерение содержания лития в каждом образце и графическое представление концентрации лития в зависимости от времени.

Фиг.3 показывает распределение времени нахождения для пяти различных лопастных конвейера в корпусе реактора с внутренним диаметром 19,5"", когда на входе в реактор добавляют небольшое количество целлюлозы, обработанной литием, а на выходе из реактора берут образец целлюлозы через определенные интервалы времени. Реактор работал при 20% - уровне заполнения для каждой конфигурации конвейера и при скорости подачи 20 т/день. Кривые показывают, что конвейеры, которые являются менее эффективными, требуя работы при более высоких оборотах в минуту для поддержания требуемого уровня заполнения, обеспечивают более узкое распределение времени нахождения целлюлозы в реакторе, которое приближается близко к истинному течению в пробковом режиме. Этот контроль распределения времени нахождения целлюлозы в реакторе вносит свой вклад в равномерность отбелки целлюлозы.

Для определения различных конфигураций лопастей применяют сокращенные обозначения: первая цифра - это угловое расстояние между лопастями; за этой цифрой следуют буквы F, H или Q, которые обозначают расположение лопастей с полным шагом, с половиной шага или четвертью шага соответственно. Затем две буквы обозначают размер лопасти: S, D - стандартный размер (т.е. в соответствии с стандартом СЕМА для конвейеров с полным шагом); LG - большой размер (2-х стандартных); SM - малый размер (1/2 стандартного). Последняя цифра обозначает число оборотов в минуту вала, причем угол каждой лопасти по отношению к валу равен 45^o, если это не указано особо. Таким образом, например, 240Q-SM - 90RPM обозначает лопасти малого размера с шагом в одну четверть 240, установленные на валу, вращающемуся при 90 об/мин.

240 - Q-SM - 90RPM 25^o обозначает ту же конструкцию за исключением, что угол лопастей равен 25^o, а не 45^o.

В идеальном реакторе с течением в пробковом режиме весь материал, проходящий через реактор, имеет одно время нахождения, т.е. он затрачивает одно количество времени в реакторе прежде, чем он оставит реактор с другого конца. В действительности этот результат не может достигаться точно. Вместо этого некоторый материал будет затрачивать больше времени в реакторе, чем другой материал, и будет чрезмерно отбеливаться по отношению к средней величине, тогда как другая целлюлоза с непродолжительным временем нахождения в реакторе будет недостаточно отбеливаться по отношению к средней величине.

Распределение времени нахождения целлюлозы (RTD) можно измерить, применяя описанный метод измерения литиевым индикатором, согласно которому небольшое количество целлюлозы обрабатывают индикатором на соли лития. Затем добавляют всю целлюлозы на входе в реактор при нулевом времени (t = 0). После этого на выходе из реактора измеряют концентрацию лития в целлюлозе путем взятия дискретных проб целлюлозы и измерения концентрации лития.

Для емкости с совершенным течением в пробковом режиме расхождение будет составлять нуль. Чем больше расхождение, тем шире распределение времени нахождения целлюлозы и следовательно отмечается большое осевое смешение. Также более широкое распределение времени нахождения приведет к менее равномерной отбелке, причем некоторые волокна будут чрезмерно отбеливаться, тогда как другие волокна недостаточно отбеливаются. Это может ухудшить качество беленой целлюлозы и привести к чрезмерному расходу отбеливающего вещества. Таким образом расхождение или дисперсию можно использовать в качестве мерила равномерности отбелки, причем предпочтительна небольшая величина.

Для сравнения равномерности отбелки межу экспериментами с различным средним временем нахождения необходимо нормализовать расхождение. Показатель дисперсии (DI) определяется следующим образом:



для непрерывно измеряемого распределения времени нахождения, который можно аппроксимировать как:



для дискретных распределений.

Показатель дисперсии пропорционален расхождению. Эту нормализованную дисперсию, которая измеряет отклонение от течения в пробковом режиме, будут использовать в качестве индикатора равномерности отбелки. Нулевая величина будет указывать на совершенное течение в пробковом режиме. Большие величины указывают на плохую равномерность отбелки.

Для иллюстрации этой идеи рассмотрим фиг.4, на которой представлено в виде графика определенное экспериментальным путем распределение времени нахождения целлюлозы в реакторе для двух различных конструкций лопасти: полный шаг 60^o с перекрывающимися лопастями и четверть шага 240^o с неперекрывающимися лопастями, В каждом случае производительность целлюлозы составлена примерно 20 т/день. Скорость вращения вала лопастей была примерно 25 и 90 об/мин соответственно. Особо следует отметить то, что хотя среднее время нахождения целлюлозы было примерно одинаковое (49 и 45 с соответственно), однако ширина распределения очень различалась.

В первом случае (конструкция с шагом лопасти 60^o) примерно 10% целлюлозы имела время нахождения меньше, чем 32 с, тогда другие 10% целлюлозы имели время нахождения свыше 71 с.

Для второго случая (конструкция с шагом 240^o) соответствующий интервал составил 36 с и 55 с. На более широкий интервал указывает более высокий показатель дисперсии 8,2 в сравнении с 2,6. Целлюлоза с самым коротким временем нахождения отбеливается чрезмерно в сравнении со средней величиной отбелки. Этот эффект будет больше для случая с более высоким показателем дисперсии.

Можно также привести сравнение со скребковыми шнековыми конвейерами закрытого типа. Закрытые скребковые шнеки, хотя они и обеспечивают почти точное течение в пробковом режиме при низких значениях показателя дисперсии, тем не менее не обеспечивают диспергирование целлюлозы в газе. Недостаточно получить течение в пробковом режиме, если только целлюлоза также недиспергирована, поскольку течение в пробковом режиме недиспергированной целлюлозы также приводит к неравномерной отбелке. Как было указано, целлюлозы на лопастном конвейере поднимается и опускается в реактор для максимизации скорости эффективности процесса отбелки благодаря увеличенной площади поверхности волокон целлюлозы, обрабатываемой озоном.

Было также обнаружено, что при применении конструкции с нарезанными или отбортованными скребками шнека получают результаты до некоторой степени подобные тем, которые получают при использовании лопастного конвейера. Типичная конструкция с нарезанными и отбортованными скребками шнекового конвейера показана в позиции 52 на фиг.18. Открытые части 52 скребка 56 позволяют газу направляться через них, тогда как отбортованные части 58 вызывают как радиальное распределение газа, так и соответствующий подъем, отбрасывание, перемещение и распределение целлюлозы в газе во время движения целлюлозы для достижения требуемой равномерной отбелки. Таким образом посредством точного определения длины реактора, шага, скорости вращения и конструкции шнека достигается сравнительно короткое время нахождения газа и целлюлозы с равномерным подверганием целлюлозы действию газа, в результате получают целлюлозу с высокой равномерностью отбелки.

Общая эффективность этого устройства для отбелки в основном регулируется путем разработки такой внутренней конструкции лопастей, которая действует противоположно известным конвейерам. Как было отмечено, обычная конструкция лопастей для транспортировки была разработана специально для повышения производительности, тогда как конструкция в соответствии с изобретением предназначена по существу для снижения пропускной способности конвейера. Однако такое снижение пропускной способности конвейера позволяет лучше регулировать время нахождения целлюлозы для контакта и использования энергии для достижения соответствующего смещения газа и целлюлозы. Более низкая пропускная способность конвейера позволяет лопастям вращаться со сравнительно высокой скоростью, тем самым улучшая распределение и взвешивание целлюлозы в газовой фазе, при этом поддерживая сравнительно продолжительное время нахождения целлюлозы в реакторе для контакта с озоном.

Фиг. 5 и 6 представлены для иллюстрации эффектов на уровень заполнения и время нахождения целлюлозы за счет изменения конструкции лопастей. Для этих конвейеров скорость подачи целлюлозы составляет 20 т высушенной целлюлозы в день (ОДТРД), при этом угол лопасти по отношению к валу равняется 45^o, если это не было указано особо, и применяли 6%-ную смесь озона/кислорода при скорости потока 35 станд.куб. футов/мин. Время нахождения в реакторе равнялось примерно 60 с. Целлюлоза имела консистентность примерно 42%, таким образом использовалось 1% озона на высушенную целлюлозу. Эти данные указывают на то, что уровни заполнения между примерно 20 и 40% при скорости вала 40-90 об/мин и времени нахождения целлюлозы в реакторе примерно 40-90 с являются предпочтительными, когда на высушенную целлюлозу расходуется 1% озона. Также эти графики показывают, как изменение в скорости вращения вала может влиять на уровень заполнения, время нахождения целлюлозы в реакторе и конверсию озона. Согласно настоящему изобретению предпочтительно время нахождения газа, составляющее по крайней мере примерно 50% или больше от времени нахождения целлюлозы, причем более предпочтительно по крайней мере примерно 67%.

На фиг. 5 и 6 процент конверсии озона обозначен числовым значением, связанным с определенными точками данных на графиках. Эти числовые значения также указаны в табл. 9 примера 10 вместе с соответствующей конструкцией лопастей и соответствующими рабочими условиями реактора. Эти данные указывают на то, что более высокие уровни заполнения могут достигаться за счет уменьшения шага конвейера, применения небольших лопастей или более плоского угла лопастей. В частности, значительное снижение эффективности передачи достигается просто путем изменения угла лопастей от 45 до 25^o. Для компенсирования этого необходима более высокая скорость вращения вала для поддержания уровней заполнения.

Конвейеры с более низким шагом и лопастями меньшего размера работают при более высоких скоростях вращения вала, при этом поддерживаются требуемые уровни заполнения 20 - 40% без заклинивания или забивания целлюлозы. Также достигается конверсия озона в интервале 90 - 99%, при этом эффективно расходуется озон и сокращаются расходы на его получение.

По этим данным можно выбрать оптимальную конструкцию лопастей для достижения требуемого времени нахождения и уровней заполнения, а также отрегулировать скорость вращения для регулирования уровней заполнения для любой данной скорости подачи целлюлозы. Например, уменьшение оборотов в минуту вала при постоянной подаче увеличивает время нахождения и уровни заполнения. Таким образом эта конструкция позволяет регулировать скорость конвейера в ответ на изменение характеристик подачи целлюлозы, производительности или других рабочих условий.

Хотя реактор в соответствии с изобретением можно применять для отбелки разнообразной целлюлозы, однако желательным интервалом начальных параметров целлюлозы, входящей в реактор для мягкой или твердой древесины, будет K N 10 или меньше, вязкость свыше примерно 13 сантипуаз и консистентность свыше 25%, но меньше 60%. До входа в реактор частицы целлюлозы можно довести до кондиции посредством подкисления и/или добавки веществ, образующих хелатные комплексы с железом, для улучшения эффективности использования озона целлюлозой. После отбелки целлюлозы описанным способом, целлюлоза, оставляющая реактор для обработки озоном, имеет степень белизны, определяемой на приборе "Дженерал Электрик", GE, по меньшей мере, примерно 45% и вообще примерно 45 - 70%, причем для целлюлозы мягкой древесины обычно свыше 45%, а твердой древесины свыше 45%. Целлюлоза (твердой или мягкой древесины) также имеет вязкость свыше примерно 10, а K N 5 или меньше и обычно между примерно 3 и 4.

Устройство в соответствии с настоящим изобретением схематически показано на фиг. 7. До входа в устройство целлюлозу направляют в смесительный бассейн, где ее доводят до кондиционного состояния путем обработки кислотой и хелатным агентом. Подкисленную и обработанную хелатным агентом целлюлозу низкой консистентности вводят в сгуститель для удаления лишней жидкости из целлюлозы, например, вводят в двухвалковый пресс, в котором консистентность целлюлозы увеличивают до заданного уровня. По крайней мере часть этой избыточной жидкости может рециркулировать в смесительный бассейн.

Затем полученную целлюлозу высокой консистентности направляют через шнековый питатель, который действует в качестве газового уплотнения для газа озона на одном конце реактора и после этого она направляется через измельчитель, например, в средство для измельчения, где целлюлоза измельчается на частицы волокнистой массы достаточного размера, примерно 10 мм или меньше. После этого измельченные частицы вводят в динамическую камеру для реакции с озоном, которая включает в себя конвейер и которая предназначена специально для смещения и транспортировки частиц целлюлозы так, чтобы вся поверхность частиц могла подвергаться действию смеси озона и газа во время движения целлюлозы. После отбелки озоном частицы волокон целлюлозы падают из реактора в разбавительный бак.

Как показано на фиг. 7, целлюлоза 10 и высокой консистентностью направляется в измельчающее устройство, например в средство 12 для измельчения. Устройство 12 для измельчения измельчает входящую целлюлозу с высокой консистентностью в частицы 16 волокон целлюлозы, которые затем падают в камеру реактора. Газ 18 озон вводят в реактор 14 таким образом, что он проходит в противотоке с целлюлозой. Частицы 16 волокон целлюлозы отбеливаются озоном в реакторе 14 обычно для удаления значительной части, но не всего лигнина из них. Частицы 16 волокон целлюлозы тесно констактируют и смешиваются с озоном благодаря применению лопастного конвейера 20, который в предпочтительной конструкции включает в себя множество лопастей 22, установленных на валу 24, который вращается двигателем 26.

Конвейер 20 перемещает частицы 16 волокон целлюлозы, при этом они поднимаются, перемещаются и отбрасываются в радиальном направлении. Лопасти 22 побуждают газ озон двигать и окружать частицы волокон целлюлозы так, чтобы все поверхности частиц подвергались действию озона для по существу полного проникновения через них. Лопастной конвейер перемещает частицы волокон целлюлозы подобно течению в пробковом режиме при контролируемом времени нахождения целлюлозы в реакторе. Время нахождения газа озона в реакторе также контролируется. Эти признаки позволяют частицам волокон целлюлозы по существу равномерно освобождаться от лигнина и отбеливаться озоном.

В процессе с движением в противотоке особое внимание также уделяется конструкции секции ввода волокон целлюлозы и выхода газа для эффективного разделения потоков газа и волокон. В частности, скорость потока и газа в зоне разделения газа и целлюлозы поддерживают ниже критической скорости, при которой целлюлоза будет улавливаться выходящим потоком газа.

Фиг. 8 - вид реактора (фиг. 7) снаружи в увеличенном масштабе.

Фиг. 9 и 10 показывают секции лопастного конвейера 20, который расположен внутри реактора. Целлюлоза из измельчителя входит в ректор 14 через вход 34 для целлюлозы и падает на секцию А лопастного конвейера в верхней части 38 корпуса. Как будет описано, секция 20А конвейера имеет правостороннюю конструкцию лопастей. Вход 34 для целлюлозы включает в себя выпусное отверстие 82 для газообразного отбеливателя, которое позволяет выходить смеси озон-кислород после контакта с целлюлозой. Целлюлоза движется в направлении стрелки А до тех пор, пока она не достигнет верхней части 38 корпуса, когда она будет опускаться по трубопроводу в форме желоба 40 на секцию 20В конвейера в нижней части 44 корпуса. Конвейерная секция 20В имеет левостороннюю конструкцию лопастей, таким образом целлюлоза перемещается в направлении стрелки В. В конце нижней части 44 корпуса целлюлоза падает через выпускное отверстие 46 в разбавительный бак целлюлозы, как показано на фиг. 7. Верхняя часть разбавительного бака 30 принимает целлюлозу высокой консистентности, содержащую остаточное количество озона. Остаточный озон может продолжать реагировать с целлюлозой до тех пор, пока она не достигается нижней части бака, в которую добавляют воду 32 для разбавления, служащую в качестве уплотнения для газа озона на другом конце реактора, для уменьшения консистентности целлюлозы до низкого уровня для упрощения движения беленой целлюлозы 34 на последующие стадии обработки. Секции 20А и 20В лопастного конвейера приводятся в движение двигателем 48, который вращает вал секции 20В конвейера, который затем передает усилие вращения валу секции 20А конвейера через приводную муфту 50. Либо для каждого вала можно применять отдельные приводные двигатели.

Вал для секции 20А конвейера в верхней части 38 корпуса (фиг. 9) имеет три различные зоны: первая зона (А) для подачи целлюлозы, которая расположена под входом 34 для целлюлозы, вторая зона (В), которая служит в качестве зоны реакции газообразного отбеливателя, и третья зона (С) для выхода частиц целлюлозы, которая имеет вал без лопастей, установленный над желобом 40. В некоторых применениях зона А может иметь лопасти одной конфигурации, что и в зоне В.

Когда целлюлоза входит в верхнюю части корпуса 38, то она имеет самый низкий объемный вес после прохождения через средство 12 измельчения. Начальное уплотнение происходит, когда эта целлюлоза с низким объемным весом сталкивается с лопастями 22А в зоне подачи целлюлозы. Таким образом первая зона вала имеет конструкцию лопастей с более высокой скоростью передачи, чем во второй зоне для достижения требуемого уровня заполнения целлюлозы. Целлюлоза перемещается вдвое быстрее, чем в зоне (В) реакции с газообразным отбеливателем. Для этой цели в зоне (А) применяют лопасти 22А стандартного размера с шагом, составляющим половину 120^o, ориентированными под углом 45^o на валу, тогда как в зоне (В) применяют лопасти 22В меньшего размера (т.е. половина) с шагом, составляющим четверть 240^o, которые также ориентированы под углом 45^o относительно вала. Лопасти секций А и В прикреплены к валу конвейера 20А в правосторонней конфигурации для передачи целлюлозы в сторону зоны С выхода частиц целлюлозы посредством вращения по часовой стрелке вала (если смотреть с левой стороны фиг. 8).

После того, как частицы целлюлозы скатятся по желобу 40 в нижнюю часть 44 корпуса, они передаются по секции 20B конвейера в направлении, противоположному тому, которое образуется в результате вращения секции 20A конвейера. Такое движение создается потому, что лопасти 23C на секции 20B конвейера выполнены с левосторонним расположением в противоположность правосторонней конфигурации лопастей 22A и 22B на секции 20A конвейера. Лопасти 22C секции 20B конвейера также вращаются в направлении часовой стрелки, (если смотреть с левой стороны), подобно лопастям в верхней камере 38. На секции 20B конвейера целлюлоза сначала входит в зону D реакции с газообразным отбеливателем, где она контактирует с лопастями 22C. Лопасти 22C представляют собой лопасти малого размера (т.е. половина размера) с шагом в четверть 240^o, ориентированные под углом 45^o относительно вала. Такое расположение лопастей упрощает, как было указано, реакцию между целлюлозой и озонсодержащим газообразным обеливателем. Секция 20B конвейера в зоне E, расположенная прямо над выходом 46, не имеет лопастей на определенной длине, чтобы целлюлоза могла падать из реактора через выход 46 в разбавительный бак, установленный прямо внизу.

Как было указано, двигатель 48 и муфта 50 приводят синхронно каждый двигатель одновременно.

Фиг. 11 пока показывает конфигурацию лопастей в зонах реакции газообразного отбеливателя (т.е. в зонах B и D, соответственно в верхней камере 38 и в нижней камере 44. Как было описано, лопасти 22B и 22C имеют шаг, который составляет четверть 240^o, и они ориентированы под углом 45^o к валу.

Фиг. 12 и 13 показывают соединение всех лопастей 22 с валом 24. Ребро 22 лопасти приварено или иным способом прикреплено к гайке 23. Эта комбинация прикреплена к валу 24 посредством резьбовой шпильки 25, проходящей через гайки 23a в соединении с гайкой 23 для прочного удержания ребра 22 лопасти на валу 24 в требуемой ориентации. Для лопастей, показанных на фиг. 12 и 13, ребро 22 лопастей распложено под наиболее предпочтительным углом 45^o к продольной оси вала 24. Ребра 22 можно расположить под любым требуемым углом посредством ослабления гаек 23a вращения лопасти 22 и затем затягивания гаек 23a, таким образом лопасти конвейера можно модифицировать для конкретных применений. Вместо такого болтового соединения лопасти можно прямо приварить к валу для получения более устойчивой конструкции конвейера.

Лопасти включают в себя поверхность, имеющую достаточную ширину и длину для поднимания, перемещения и отбрасывания целлюлозы по всему радиусу реактора. Также поверхность имеет такую форму и расположение, чтобы частицы целлюлозы перемещались аксиально.

Хотя предпочтителен лопастной конвейер, однако можно применять конвейеры другой конструкции. Можно изготовить эффективный реактор, применяя шнековый скребковый конвейер, имеющий так называемые нарезанные и отбортованные скребки, как показано на фиг. 18. Для взвешивания целлюлозы в газообразном отбеливателе можно также применять ряд клинообразных скребков 60 (показаны в разрезе на фиг. 21) или углообразных подъемных элементов 62 (показаны сбоку и в разрезе на фиг. 20). Можно также применять ленточные смесители 64 (фиг. 19). Наклонный реактор, применяющий в общем плоский ленточный скребок, т.е. имеющий бесконечный шаг с углами вместо плоских лопастей, передает частицы волокон с подобным действием поднимания, перемещения и отбрасывания для достижения требуемого контактом между газом и целлюлозой и реакции. Наклонная ленточная конструкция обеспечивает поток, подобный течению в пробковом режиме, взвешенной целлюлозы с небольшим обратным смещением, однако эту конструкцию не так легко можно регулировать, как пластинчатый конвейер. Можно применять комбинацию лопастей и нарезанных и отбортованных скребков, если это требуется в соответствии с описанным. Обычно немодифицированные полностью шнековые скребковые конвейеры не приемлемы, поскольку они обычно толкают целлюлозу, а не поднимают, перемещают и отбрасывают ее, как это делает лопастной конвейер. Таким образом обычные скребковые шнековые конвейеры не обеспечивают достаточного смешения и контакта целлюлозы и озона для достижения равномерной отбелки целлюлозы, если только они не работают при очень низких уровнях заполнения (< 10%) и при сравнительно высоком времени нахождения целлюлозы в реакторе.

Как уже обсуждалось в этом описании, предпочтительным газообразным отбеливателем является озон. Однако принципы работы этого реактора можно использовать для отбелки целлюлозы другими газообразными отбеливателями, например, хлором, двуокисью хлора и т.п. Хотя хлорсодержащие отбеливатели не являются предпочтительными из-за образования выходящих продуктов, содержащих сравнительно большое количество хлоридов и возможных эффектов хлорированных органических соединений в таких выходящих продуктах на окружающую среду, тем не менее их можно успешно применять в качестве отбеливающих агентов в реакторе в соответствии с изобретением. Для исключения загрязнения окружающей среды предпочитают применять озон в качестве газообразного отбеливателя.

Реактор для отбелки озоном показан на фиг. 7 в виде горизонтального продолговатого корпуса. Однако, если это требуется, то корпус реактора может быть расположен слегка под углом относительно горизонтали для перемещения частиц целлюлозы под действием силы тяжести. Можно применять типичный угол для продвижения вперед до 25^o.

В реакторе, показанном на фиг. 7, целлюлозу обрабатывают озоном в противотоке со смесью озона и газа. Целлюлоза, входящая в реактор, имеет наивысшее содержание лигнина и сначала она контактирует с выходящей, почти истощенной озоновой смесью, таким образом обеспечивается оптимальная возможность для расхода практически всего озона. Это является эффективным способом удаления озона из смеси озон/кислород или озон-воздух. Однако часть целлюлозы, которая была отбелена до наименьшей степени, может сначала контактировать со свежей введенной смесью озона, содержащей максимальное количество озона, посредством направления озонсодержащего газа в направлении в противотоке с потоком целлюлозы.

Когда озон 18 контактирует с целлюлозой в противотоке, то можно извлекать остаточный газ озона 28, как показано на фиг. 7. Остаточный газ озон 28 из выпускного отверстия 82 (фиг. 8) направляют на стадию 36 предварительной обработки газом-носителем, на который добавляют газ-носитель 37 из кислорода (или воздуха). Эту смесь 40 направляют в озоновый генератор 42, где образуется соответствующее количество озона для получения требуемой концентрации. Соответствующую смесь 18 из озона и газа, которая, как было указано, предпочтительно включает в себя примерно 6 мас.% озона, затем направляют в реактор 14 для делигнификации и отбелки целлюлозы.

Беленая целлюлоза после обработки озоном будет иметь уменьшенное количество лигнина и следовательно более низкое число K и приемлемую вязкость. Точные значения для числа K N 0 и вязкости, которые получают, зависят от конкретной обработки, которой подвергают целлюлозу. Полученная целлюлоза будет также значительно белее, чем исходная целлюлоза. Например, целлюлоза мягкой древесины южных пород деревьев будет иметь степень белизны (GE) примерно 45 - 70%.

Теперь сущность изобретения будет дополнительно описана в связи со следующими примерами, которые представлены только для иллюстрации, а не ограничения объема изобретения. Если это не указано особо, то все химические процентные отношения вычислены на основе массы высушенных волокон (ОД). Целевая величина белизны необязательно должны точно достигаться, поскольку приемлемы значения степени белизны (ЕВ)2% от целевого значения. Исходной целлюлозой в этих примерах является измельченная и отбеленная кислородом целлюлоза, имеющая K NO примерно 10 или меньше, вязкость свыше примерно 13 сантипауз, консистентность 42% и белизну обычно в интервале приблизительно 38-42% ЕВ. Эту целлюлозу подкисливают до значения pH примерно 2 до ее ввода в реактор в соответствии с изобретением.

В примерах 1 - 10 и 13, которые следуют дальше, реактор имел внутренний диаметр 19,5" (520,7 мм), корпус длиной 20 футов (6 м), имеющий интервалы для передачи, как было определено. Полный шаг для этого реактора составляет 19", а скорость подачи, если она не указана особо, то обычно примерно 20 т в день частично отбеленной целлюлозы мягкой древесины с консистентностью 42%. Если это не указано особо, то применяли газ озон в противотоке. Данные в примерах 11 и 12 были получены при применении конвейера размером 17" (431,8 мм).

Пример 1. Сравнили реактор, оснащенный шнековым конвейером с нарезанными и отбортованными скребками, и один вариант реактора с лопастным конвейером в соответствии с предлагаемым изобретением, применяющим аналогичные скорости подачи целлюлозы, скорости вращения и время нахождения озоносодержащего газа в реакторе. Как это видно из результатов, представленных в табл. 1, при применении лопастного конвейера конверсия озона составляет примерно на 18% выше, чем конверсия озона при применении обычного реактора с шнековым транспортером. Также реактор с лопастным конвейером демонстрирует улучшенный (т. е. низкий) показатель дисперсии, указывающий на движение целлюлозы, близкое к течению в пробковом режиме.

Пример 2. В сравнении между реактором с обычным шнековым конвейером и реактором с лопастным конвейером, конвейер лопастного типа был специально предназначен для достижения более низкой скорости передачи, чем на шнековом конвейере. Это позволило шнековому конвейеру работать со значительно более высокой скоростью вращения и при этом поддерживать уровень заполнения, эквивалентный шнековому конвейеру. Табл. 2 показывает, что более значительная скорость вращения лопастного конвейера увеличивает конверсию озона на 24%. Табл. 2 также показывает, что можно специально рассчитать конфигурацию лопасти конвейера для достижения исключительного контакта между газом и волокном в сравнении с обычной конструкцией конвейера.

Пример 3. Конструкцию лопастей на конвейере лопастного типа изменили, чтобы работать при более высоких оборотах в минуту и при этом поддерживать постоянный уровень заполнения 20% при скорости подачи примерно 18 - 20 т высушенной целлюлозы в день. Изменение конструкции лопастей позволило значительно увеличить конверсию озона, как это видно из табл. 3. Как показано в этом примере, изменение конструкции обычной лопасти конвейера с полным шагом в соответствии с предлагаемым изобретением улучшает контакт между газом и волокнами за счет работы при умеренном уровне заполнения и более высоких оборотах в минуту.

Пример 4. Распределение времени нахождения целлюлозы в реакторе считается основным индикатором равномерности отбелки. В одном примере исполнения изобретения конструкцию лопасти отрегулировали, получив реактор с улучшенным, т.е. более узким распределением времени нахождения целлюлозы. Результаты, представленные в табл. 4, демонстрируют, что применение лопасти с измененной конструкцией позволяет лучше смешивать при более высоких скоростях вращения конвейера, при постоянном уровне заполнения со значительным улучшением показателя дисперсии (Д1). Показатель дисперсии (Д1), равный нулю, представляет совершенное течение в пробковом режиме без дисперсии, тогда как более высокие значения показателя дисперсии указывают на то, что целлюлоза движется с меньшим течением в пробковом режиме.

Пример 5. Предпочтительной конструкцией лопасти является конструкция с шагом лопасти в одну четверть 240^o, в которой лопасти имеют размеры, составляющие одну половину стандартного размера согласно СЕМА, и установлены под углом 45^o к движению конвейера. Применение такой конфигурации лопасти обеспечивает высокую эффективность озона, как в лопастном конвейера, показанном в примере 2. Удивительно то, что применение этой конфигурации дает в поддержании постоянного распределения времени нахождения при широком диапазоне рабочих условий и времени нахождения волокон, таким образом обеспечивается равномерность отбелки. Это можно увидеть из данных индикатора содержания лития, представленных на фиг. 14.

Пример 6. Сравнение параллельного потока газа и потока газа в противотоке показало благоприятные результаты для обоих направлений потока газа. Как показано в табл. 5, повышение эффективности является результатом применения газа в противотоке.

Пример 7. Время нахождения газа внутри реактора отрегулировали, чтобы довести его до уровня, подобного уровню времени нахождения целлюлозы. Результаты, представленные в табл. 6, показывают почти законченную конверсию озона, при этом достигается исключительный уровень повышения белизны.

Пример 8. Посредством изменения скорости вращения лопастей любой конкретной конфигурации можно регулировать время нахождения целлюлозы для достижения требуемой цели для конверсии озона, как указано в табл. 7. Данные представлены для конвейера 240^oQ-STD 45^o.

Пример 9. Были проведены следующие испытания, чтобы показать эффекты изменения в конструкции лопастей для постоянной подачи и одинаковой скорости вращения вала. Данные показывают, что переход на меньшие лопасти по существу снижает эффективность конвейера, но увеличивает уровень заполнения и время нахождения целлюлозы в реакторе. Эти изменения приводят к достижению улучшенной характеристики отбелки, как это измерено по конверсии озона, и изменению степени белизны.

В примере 10 показаны дополнительные варианты. По этим данными в данной области техники можно лучше определить, как сконструировать и запустить в работу конкретный реактор с лопастным конвейером для достижения требуемой степени отбелки данной целлюлозы.

Пример 10. В следующей табл. 9 суммированы специальная конструкция лопастей и рабочие условия, которые применяли для получения результатов, представленных на фиг. 5 и 6. Применяли скорость подачи целлюлозы 20 т/день, а внутренний диаметр корпуса реактора равнялся 19,5" (496 мм) при полном уровне заполнения примерно 20% для первых пяти рядов, указанных в табл. 9. Снова применяли 6 мас.% озонового отбеливателя при скорости потока 35 ст. куб.фут/мин для нанесения примерно 1% озона на высушенную целлюлозу.

Данные в табл. 9 вместе с графическим представлением на фиг. 5 и 6 показывают результаты, которые можно получить при различных рабочих условиях для определения оптимального контакта между газом и целлюлозой и уровней конверсии озона. Данные также показывают, как изменить скорость вращения вала для регулирования уровня заполнения и времени нахождения целлюлозы.

Пример 11. Для того, чтобы проверить, что теоретические расчеты, указанные на фиг. 1 и 2, представляют действительную работу лопастного конвейера, провели серию испытаний для определения забивания целлюлозы на различных лопастных конвейерах, работающих при различных параметрах. Для проведения этих испытаний конвейер размером 17"" (432 мм) снабдили лопастным валом, имеющим пять различных расстояний для лопастей 3,5""; 4,7""; 5,9""; 7,2"" и 9"" (88,9, 140, 151, 178, 229 мм) и затем он работал, как показано в табл. 10. Были вычислены истинные усилия уплотнения целлюлозы (PCF) в фунтах/кв фут и по теоретическим данным определили минимальное расстояние между лопастями, которое сравнили с фактическими результатами.

Эти данные показывают согласование теоретических расчетов с реальными наблюдениями с точностью до 1 дюйма (25,4 мм) и что теоретические расчеты можно использовать для оценки минимального расстояния между лопастями.

Пример 12. Для определения относительной дисперсии целлюлозы в открытые пространства реактора при различных рабочих условиях провели следующие испытания. Лопастной конвейер размером 17"" (432 мм) с шагом в четверть 240^o и стандартным размером 45^o работал с различным числом оборотов в минуту и вращением против часовой стрелки. В каждом испытании реактор имел одинаковый уровень заполнения, т. е. примерно 25%. На одном конце вала установили камеру, которая делала снимки во время останова и работы, при этом вал вращался при различных оборотах в минуту, когда одна из лопастей была в позиции 12 по часовой стрелке. Анализ изобретения был сделан в контролируемой зоне в верхней части реактора и были проведены расчеты, чтобы определить, какое количество целлюлозы занимает эта зона, поскольку это представляет сравнительные характеристики дисперсии целлюлозы на конвейере, когда он работает при конкретной скорости вращения вала. Результаты представлены в табл. 11 и на фиг. 15 - 17.

Это показывает большую способность лопастного конвейера распространять целлюлозу, когда он работает при более высоких скоростях. Как было объяснено, уровень заполнения реактора уменьшается, когда применяют вал с более высоким количеством оборотов в минуту, но эти данные показывают преимущества дисперсии целлюлозы, которые могут достигаться при более высокой скорости вращения для одного уровня заполнения.

Пример 13. Лопастной конвейер может обеспечить достижение исключительных результатов в широких интервалах скорости подачи целлюлозы. Например, конверсия озона по крайней мере 90% и подобные уровни увеличения степени белизны достигались при скорости подачи 18 т сухой целлюлозы в день и 11 т сухой целлюлозы в день, когда при подаче 11 т целлюлозы в день скорость вращения лопасти уменьшали для поддержания примерно постоянного уровня заполнения реактора, как показано в табл. 12.

Хотя ясно, что раскрытое здесь изобретение пригодно для достижения поставленных целей, однако должно быть понятно, что возможны различные изменения и модификации. Например, помимо предпочтительных лопастных конвейеров можно применять другие конвейерные элементы, например, шнековые скребковые конвейеры, ленточные смесители, подъемные углообразные элементы и клинообразные скребковые элементы, как показано на фиг. 17 - 20. Все такие модификации и изменения находятся в объеме приложенной формулы изобретения.