способ отбелки высококонсистентной лигноцеллюлозной массы и беленая высококонсистентная лигноцеллюлозная масса, полученная этим способом

Формула изобретения

1. Способ отбелки высококонсистентной лигноцеллюлозной массы, обладающий повышенной избирательностью, от первой степени белизны GE до второй, более высокой степени белизны GE, включающий рыхление высококонсистентной массы с первой степенью белизны GE и контакт разрыхленной массы с газообразным отбеливателем с образованием беленой массы, обладающей второй, более высокой степенью белизны GE, отличающийся тем, что рыхление высококонсистентной массы с первой степенью белизны GE осуществляют до получения площади удельной поверхности по меньшей мере около 90 м²/кг без значительного изменения степени помола массы.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что консистенция лигноцеллюлозной массы составляет приблизительно 20 - 65%.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что консистенция лигноцеллюлозной массы составляет приблизительно 28 - 55%.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что многоцеллюлозная масса является целлюлозой.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что лигноцеллюлозную массу готовят из древесины хвойных пород.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что лигноцеллюлозную массу готовят из сосны.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что лигноцеллюлозную массу готовят из древесины лиственных пород.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанная площадь удельной поверхности массы составляет по меньшей мере около 100 м²/кг.

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что указанная площадь удельной поверхности составляет по меньшей мере около 120 м²/кг.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что указанная площадь удельной поверхности составляет по меньшей мере около 180 м²/кг.

11. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанная площадь удельной поверхности составляет приблизительно 100 - 1000 м²/кг

12. Способ пр п. 11, отличающийся тем, что указанная площадь удельной поверхности составляет приблизительно 120 - 500 м²/кг.

13. Способ по п.12, отличающийся тем, что указанная площадь удельной поверхности составляет приблизительно 180 - 350 м²/кг.

14. Способ по п.1, отличающийся тем, что газообразным отбеливателем является озон.

15. Способ по п.1, отличающийся тем, что степень помола массы рыхленной массы изменяется менее чем на 15%.

16. Беленая высококонсистентная лигноцеллюлозная масса, полученная способом отбелки лигноцеллюлозной массы от первой степени белизны GE до второй, более высокой степени белизны GE, обладающим повышенной избирательностью, причем способ включает ступени рыхления высококонсистентной массы с первой степенью белизны GE и контакт разрыхленной массы с газообразным отбеливателем с образованием беленой массы, обладающей второй, более высокой степенью белизны GE, отличающаяся тем6 что рыхление высококонсистентной массы с первой степенью белизны GE осуществляют до получения площади удельной поверхности по меньшей мере около 90 м²/кг без значительного изменения степени помола массы.

17. Масса по п.16, отличающаяся тем, что консистенция лигноцеллюлозной массы составляет приблизительно 20 - 65%.

18. Масса по п.17, отличающаяся тем, что консистенция лигноцеллюлозной массы составляет приблизительно 28 - 55%.

19. Масса по п.16, отличающаяся тем, что лигноцеллюлозная масса является целлюлозой.

20. Масса по п.16, отличающаяся тем, что лигноцеллюлозная масса в ступени рыхления приготовлена из древесины хвойных пород.

21. Масса по п.20, отличающаяся тем, что лигноцеллюлозная масса в ступени рыхления приготовлена из сосны.

22. Масса по п.16, отличающаяся тем, что лигноцеллюлозная масса в ступени рыхления приготовлена из древесины лиственных пород.

23. Масса по п.16, отличающаяся тем, что указанная площадь удельной поверхности массы составляет по меньшей мере около 100 м²/кг.

24. Масса по п.23, отличающаяся тем, что указанная площадь удельной поверхности массы составляет по меньшей мере около 120 м²/кг.

25. Масса по п. 24, отличающаяся тем, что указанная площадь удельной поверхности массы составляет по меньшей мере около 180 м²/кг.

26. Масса по п. 16, отличающаяся тем, что указанная площадь удельной поверхности массы составляет приблизительно 100 - 1000 м²/кг.

27. Масса по п. 26, отличающаяся тем, что указанная площадь удельной поверхности массы составляет приблизительно 120 - 500 м²/кг

28. Масса по п. 27, отличающаяся тем, что указанная площадь удельной поверхности массы составляет приблизительно 180 - 350 м²/кг.

29. Масса по п. 16, отличающаяся тем, что газообразным отбеливателем является озон.

30. Масса по п.16, отличающаяся тем, что степень помола массы рыхленной массы изменяется менее чем на 15%.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к беленой высококонсистентной лигноцеллюлозной массе и способам отбелки лигноцеллюлозной массы, обладающей высокой консистентностью. Более конкретно настоящее изобретение относится к способам отбелки лигноцеллюлозной массы газообразным отбеливателем, для которых требуется меньший расход отбеливателя при получении массы с более высокой вязкостью, более высокой механической прочностью и с более высокой степенью белизны GE. Способ предусматривает рыхление высококонсистентной лигноцеллюлозной массы с получением площади удельной поверхности по меньшей мере около 90 м²/кг перед тем, как приступить к взаимодействию массы с газообразным отбеливателем. Изобретение относится также к беленым высококонсистентным лигноцеллюлозным массам, приготовленным способом по изобретению.

Древесина состоит из двух основных компонентов - волокнистого углеводородного или голоцеллюлозного компонента и неволокнистого компонента, который называется лигнином. Голоцеллюлоза включает приблизительно 70% нерастворимой в щелочах альфа-целлюлозы и 30% растворимой в щелочах гемицеллюлозы. Неволокнистый лигнин является трехмерным полимерным материалом, состоящим главным образом из звеньев фенилпропана.

Для использования в процессах производства бумаги древесину необходимо превратить в целлюлозную массу. В процессе химической варки целлюлозы целлюлозные волокна отделяют одно от другого таким образом, чтобы сохранить присущую волокнам прочность и удалить при этом как можно больше лигнина. В процессе химической варки целлюлозы древесину варят в химических растворах с целью растворения и удаления части лигнина. Примерами процедур химической варки являются натронный, сульфитный и сульфатный процессы.

Основной и модифицированный сульфатные процессы являются основными химическими процессами, которые применяют при производстве бумаги, поскольку эти процессы не вызывают значительного ухудшения целлюлозного компонента древесины. Основной сульфатный процесс предусматривает варку древесной щепы в водном растворе гидроокиси натрия и сульфата натрия с получением высокопрочной массы. Основной сульфатный процесс подробно описан в Handbook for Pulp&Paper Technologists, Chapter 7, Kraft Pulping (TAPPI, U.S.A.).

Модифицированные сульфатные процессы оказывают меньше воздействия на целлюлозный компонент, чем базовый сульфатный процесс, и позволяют получить даже более прочную массу. Модифицированные сульфатные процессы, известные также как процессы варки целлюлозы "с продленной делигнификацией", предусматривают добавление варочных химикатов в определенной последовательности, добавление варочных химикатов в различных местах варочной машины, добавление варочных химикатов в различные периоды времени или удаление и повторную инжекцию жидкостей в заданной последовательности для удаления лигнина и уменьшения воздействия на целлюлозные волокна. Сульфатный-AQ процесс предусматривает добавление в варочный раствор небольших количеств антрахинона для ускорения делигнификации и ограничения воздействия на целлюлозные волокна. В этой области техники известно множество разных методов продленной делигнификации, к которым относятся непрерывная модифицированная варка Камир (МСС), описанная V.A.Kortelainen и E.A. Backlund в TAPPI, vol.68 (II), 70, (1985); нагрев с быстрым смещением Белуа (RDH), описанный R.S.Grant в TAPPI, vol.66 (30), 120 (1983); и варке с холодной продувкой Сандс, описанная в B.Petersson и B.Ernerfeldt в Pulpand Paper, vol. 59(II), 90 (1985).

Целлюлозная масса, полученная в результате варки древесины, является обычно суспензией из целлюлозных волокон темного цвета, известной как "небеленая масса". Темный цвет небеленой массы вызывается хромофорными группами в лигнине, остающемся в массе, полученной в процессе варки. Эта темная лигноцеллюлозная масса может быть использована непосредственно для производства бумаги, если цвет бумаги не имеет значения, и может быть подвергнута отбелке, если белизна соответствует предполагаемому назначению бумаги. Перед отбелкой массу обычно помещают в продувочный бак, чтобы ослабить давление и разделить целлюлозный материал как волокнистую массу. Затем волокнистую массу промывают для удаления остаточных химикатов и растворимых материалов, таких как продукты разложения лигнина.

Для осветления промежуточной массы и для того, чтобы сделать ее пригодной для печати, письма или для использования в иных целях, для которых нужна белая бумага, необходимо химическим способом удалить лигнин, оставшийся в массе, или превратить его в бесцветные соединения путем отбелки и обесцвечивания. Отбелка целлюлозной массы обычно является многоступенчатым процессом, в котором применяются хлорсодержащие соединения, такие как гипохлорит кальция, гипохлорит натрия, элементарный хлор или двуокись хлора. Отбелка лигноцеллюлозной массы с использованием хлоросодержащих соединений хорошо известна в этой области техники и подробно рассматривается в патенте США N 1957937, выданном Кэмпбеллу и др.; в патенте США N 2975169, выданном Крэнфорду и др. ; в патенте США N 3462344, выданном Киндрону и др.; и в Handbook for Pulp and Paper Technologists, Chapter II: Bleaching (II. 3) (TAPPI, USA).

Для описания химических реагентов и стадий процесса, применяемых при производстве бумаги, будут использоваться следующие буквенные обозначения:

С = хлорирование - реакция с элементарным хлором в кислой среде;

E = экстрагирование - растворение продуктов реакции в NaOH, щелочью;

E₀= окислительное - растворение продуктов реакции NaOH и экстрагирование кислородом, щелочью;

D = двуокись хлора - реакция с ClO в кислой среде;

P = перекись - реакция с перекисями в щелочной среде;

O = кислород - реакция с элементарным кислородом в щелочной среде;

O_m = модифицированный кислород - равномерная щелочная обработка массы с низкой и средней консистентностью с последующей реакцией высококонсистентной массы с кислородом;

Z = озон - реакция с озоном;

Z_m = модифицированный - равномерная реакция с озоном озон;

C/D = - добавка хлора и двуокиси хлора;

H = гипохлорид - реакция с гипохлоридом в щелочном растворе.

Хотя хлор и хлорсодержащие вещества являются эффективными отбеливателями, хлор труден в обращении и вреден для персонала и оборудования. Кроме того, сточные воды процессов отбелки хлором содержат большое количество хлоридных побочных продуктов, которые вызывают сильную коррозию бумагоделательного оборудования, и хлорных соединений, которые могут вызвать проблемы с охраной окружающей среды. Накопление ионов хлорида мешает утилизации фильтрата в скруббере при замкнутом цикле работы, если не принять дорогостоящие меры по их извлечению.

В результате хлорсодержащие отбеливатели заменены отбеливателями, не содержащими хлора, такими как кислород и перекись водорода. Использование кислорода позволяет утилизировать сточные воды и способствует значительному сокращению расхода элементарного хлора. Предложено большое количество процессов отбелки и делигнификации целлюлозной массы, таких как описанные в патенте США N 1860432, выданном Рихтеру, патентах США NN 2926114 и 3024158, выданных Грангаарду и др., патенте США N 3274049, выданном Гашке и др., патенте США N 3384533, выданном Мейлану и др., патенте США N 3251730, выданном Ватанабе и др., патенте США N 3432282, выданном Реролле и др., патенте США N 3661699, выданном Фарли, патенте США N 4691733, выданном Куй; и П.Кристенсеном в "Bleaching of Sulphate Pulps with Hudrogen Peroxide; Norsk Skogindustri, 268-271 (1973). Предварительная обработка щелочью перед делигнификацией кислородом описана в патенте США N 4806203, выданном Элтону, и в патенте США N 5085734, выданном Григгсу. Способ использования кислорода в качестве отбеливателя первой ступени для придания растворимости большей части лигнина и хлора в качестве отбеливателя второй ступени для удаления оставшегося лигнина описан П. Кристенсеном в "Bleaching of Sulphate Pulps with Hudrogen Peroxide", Norsk Skogindustri, 268-271 (1973).

Использование кислорода в качестве отбеливателя не является, однако, вполне удовлетворительным. Например, кислород не обладает такой избирательностью в качестве отбеливателя, как элементарный хлор, и возможно осуществление лишь ограниченного количества реакций делигнификации кислородом до того момента, когда начнется его воздействие на волокна целлюлозы. Кроме того, лигнин, оставшийся после делигнификации кислородом, обычно удаляют путем отбелки хлором для получения полностью отбеленной массы, для чего используют небольшое количество хлора. Однако даже при пониженной концентрации хлора концентрация агрессивных хлоридных побочных продуктов достигает неприемлемого уровня при работе в замкнутом цикле.

В качестве отбеливателя целлюлозной массы используют также озон. Однако исключительная окислительная способность озона и его относительно высокая стоимость ограничивают возможности разработки удовлетворительных процессов отбелки озоном. Озон легко снижает содержание лигнина в целлюлозной массе, но при этом агрессивно воздействует на целлюлозные волокна, уменьшая прочность массы. Реакционная способность и стабильность озона также чрезвычайно чувствительны к условиям реакции, таким как изменения значения pH.

В патенте США N 2466633, выданном Брабендеру и др., описан процесс отбелки, при котором озон пропускают через целлюлозную массу, влажностью от 25% до 55% и с pH в диапазоне от 4 до 7. Н.Либерготт в работе "Paprizone Treatment, A New Technique for Brightening a Strengthening Machanical Pulps"" описывает одностадийный процесс отбелки, в котором объединяют перекись и озон в синергическом сочетании для отбелки и упрочнения древесной массы. В патенте США N 4196043, выданном Сингху, описан многостадийный процесс отбелки, отличающийся наличием от одной до трех операций отбелки озоном и заключительной обработкой щелочной перекисью водорода, причем каждая операция сопровождается экстрагированием щелочью. В патенте США N 4372812, выданном Филипсу и др. , описан многостадийный процесс отбелки, включающий операцию отбелки кислородом, операцию отбелки перекисью и операцию отбелки озоном. В патенте США N 4468286, выданном Йонсену, описан способ отбелки целлюлозной массы озоном в многомаршрутной системе.

В заявке на EP N 0308314, поданной Косте и др., описан способ обработки лигноцеллюлозного материала озоном, включающий измельчение древесной массы до степени разделения, достаточной для создания максимальной площади взаимодействия массы и озона.

В патенте США N 4278496, выданном Фрицуолду, описан процесс отбеливания, предусматривающий обработку мелкоизмельченной массы озоном первоначально при низком значении pH и затем при более высоком значении pH. Предпочтительна переработка массы перед обработкой озоном до "легкой и рыхлой консистенции".

К.А.Линдхольм, Paper ja Puu (68)4, 1986, 283-290, рассматривает равномерную отбелку и находит, что "необходима открытая, хорошо взрыхленная масса, чтобы озон входил в контакт со слоями воды, окружающими отдельные волокна". К. А.Линдхольм, Proc. Int. Pulp Bleaching Conf., vol.2, Stockholm, 1991; 1-17, рассматривает консистентность при отбелке озоном и указывает, что целлюлозная масса должна быть "разрыхлена, чтобы открывать поверхность отдельных волокон воздействию озоносодержащего газа".

А. Р.Проктор в Pulp Paper Magazine Canada, 75(6), 1974; Т 210-214 утверждает, что "опыты показали, что рыхление массы не оказывает значительного влияния на свойства листа".

Сравнение отбелки озоном массы средней консистентности и массы высокой консистентности показывает, что масса со средней консистентностью обладает благодаря деформации волокон меньшей прочностью на растяжение и более высокой прочностью на разрыв. Для высококонсистентной отбелки часть массы рыхлили в рафинере, Э.Олтман и др., Heft 7 341-350, 343 (1992).

Известен способ отбелки высококонсистентной лигноцеллюлозной массы, обладающий повышенной избирательностью, от первой степени белизны GE до второй, более высокой степени белизны GE, включающий рыхление высококонсистентной массы с первой степенью белизны GE и контакт разрыхленной массы с газообразным отбеливателем с образованием беленой массы, обладающей второй, более высокой степенью белизны (патент США 4279694).

Известна также беленая высококонсистентная лигноцеллюлозная масса, полученная способом отбелки лигноцеллюлозной массы от первой степени белизны GE до второй, более высокой степени белизны GE, обладающим повышенной избирательностью, причем способ включает ступени рыхления высококонсистентной массы с первой степенью белизны GE и контакт разрыхленной массы с газообразным отбеливателем с образованием беленой массы, обладающей второй, более высокой степенью белизны GE (EP 0492040).

Несмотря на прилагаемые в данной области усилия, не предложено ни одного удовлетворительного промышленного высококонсистентного процесса для производства отбеленной озоном лигноцеллюлозной массы из хвойной древесины и соответствующей целлюлозной массы, в особенности из древесины южных хвойных пород. В соответствии с этим возникает необходимость в способах отбелки лигноцеллюлозной массы, которые требуют меньшего расхода отбеливателей и позволяют получить массу с более высокой вязкостью, более высокой прочностью и более высокой белизной GE. Настоящее изобретение предлагает новый способ отбелки без недостатков, характерных для известных до сих пор способов.

На фиг.1 приведен график, демонстрирующий эффект, который оказывает рыхление на отбелку озоном крафт/AQ-O целлюлозы с номинальной консистенцией 42%. Показана зависимость белизны в процентах по МОС от расхода озона.

На фиг.2 приведен график, демонстрирующий эффект, который оказывает рыхление на отбелку озоном крафт/AQ-O целлюлозы с номинальной консистенцией 42%. Показана зависимость белизны от характеристической вязкости.

На фиг.3 и 4 приведены графики, демонстрирующие эффект, который оказывает рыхление на отбелку озоном крафт/AQ-O целлюлозы с номинальной консистенцией 42%. На фиг.3 показана зависимость площади аэродинамической удельной поверхности от характеристической вязкости. На фиг.4 показана зависимость площади аэродинамической удельной поверхности от расхода озона.

На фиг.5 приведен график, демонстрирующий эффект, который оказывает рыхление на отбелку озоном крафт/AQ-O целлюлозы с номинальной консистенцией 42%. Показана зависимость индекса растяжения от индекса разрыва.

Изобретение относится к способу отбелки высококонсистентной лигноцеллюлозной массы, обладающей повышенной избирательностью, от первой степени белизны GE до второй, более высокой степени белизны GE, включающем рыхление высококонсистентной массы с первой степенью белизны GE и контакт разрыхленной массы с газообразным отбеливателем с образованием беленой массы, обладающей второй, более высокой степенью белизны GE, причем рыхление высококонсистентной массы с первой степенью белизны осуществляют до получения площади удельной поверхности по меньшей мере около 90 м²/кг без значительного изменения степени помола массы.

Другим объектом изобретения является беленая высококонсистентная лигноцеллюлозная масса, полученная способом отбелки лигноцеллюлозной массы от первой степени белизны GE до второй, более высокой степени белизны GE, обладающим повышенной избирательностью, причем способ включает ступени рыхления высококонсистентной массы с первой степенью белизны GE и контакт разрыхленной массы с газообразным отбеливателем с образованием беленой массы, обладающей второй, более высокой степенью белизны GE, причем рыхление высококонсистентной массы с первой степенью белизны GE осуществляют до получения площади удельной поверхности по меньшей мере около 90 м²/кг без значительного изменения степени помола массы.

Заявители открыли и усовершенствовали способ отбелки высококонсистентной лигноцеллюлозной массы. Путем рыхления лигноцеллюлозной массы до получения площади удельной поверхности, равной по меньшей мере около 90 м²/кг, перед отбеливанием массы заявители обнаружили, что можно уменьшить расход отбеливателя в течение операции отбелки. Масса, отбеленная согласно способу, являющемуся предметом настоящего изобретения, обладает более высокой вязкостью, более высокой прочностью более высокой белизной GE по сравнению с массами, отбеленными обычными способами. Способ отбелки, являющийся предметом настоящего изобретения, может быть применен для отбелки целлюлозы или древесной массы и за ним могут следовать другие операции отбелки. Уменьшаются также потребности в химикатах для последующих операций отбелки массы. Заявители полагают, что рыхление высококонсистентной лигноцеллюлозной массы до площади удельной поверхности по меньшей мере около 90 м²/кг увеличивает площадь поверхности массы, улучшая контакт с отбеливателем, и увеличивает за счет этого интенсивность, равномерность и эффективность реакции отбелки. Улучшение равномерности реакции отбелки ведет к уменьшению потребления отбеливателя и повышению избирательности реакции отбеливателя с лигнином при меньшем разрушении целлюлозных волокон. Массы, отбеленные согласно избирательному способу, являющемуся предметом настоящего изобретения, обладают более высокой вязкостью при данной белизне и более высокой белизной при данном расходе озона.

Настоящий способ рыхления высококонсистентной лигноцеллюлозной массы перед отбелкой может быть осуществлен в рыхлителе типа рафинера или в рыхлителе другого типа, чтобы открыть отдельные волокна, находящиеся внутри хлопьев, воздействию газообразного отбеливателя при сохранении нетронутыми клеточных оболочек. Процесс рыхления (или процесс рыхления в рафинере) является низкоэнергетическим процессом, при котором в рыхлителе используются большие зазоры для физического разделения, но не разрыва или механических изменений отдельных волокон. Как показано ниже, поскольку отдельные волокна не претерпели физических изменений, рыхление может привести к увеличению площади поверхности массы без значительного изменения степени помола массы (способности массы к пропусканию воды) (см. табл.1).

Настоящий способ рыхления высококонсистентной лигноцеллюлозной массы перед ее отбелкой отличается от процесса размола, который обычно применяется после отбелки и перед приготовлением бумаги. Процесс размола требует больших затрат энергии и предусматривает применение небольшого зазора для физического или механического изменения отдельных волокон путем удаления первичной клеточной оболочки, образования трещин на оставшихся первичных или вторичных клеточных оболочках, придание волокну волокнистой структуры и других неровностей, Г.А.Смук. Handbook for Paper & Paper Technologist, TAPPI (1982), р. 183. Фибриллы и другие неровности служат для увеличения количества мест химического и физического сцепления между волокнами в процессе формования при получении листа бумаги. Размол древесной массы также ведет к механическим изменениям волокон; механическая варка целлюлозы вызывает разрез и разрыв волокон, в то время как термомеханическая варка вызывает разрушение и разрыв клеточных оболочек, Г.А.Смук, Handbook for Paper & Paper Technologist, TAPPI (1982), р. 55-56. Из-за изменения отдельных волокон и образования мелочи размол уменьшает степень помола массы, Г.А. Смук, Handbook for Paper & Paper Technologist, TAPPI (1982), р. 189. В то время как размол способствует выполнению этапа изготовления бумаги, размол открывает внутренние поверхности волокна, создавая возможность химического воздействия на них, такого как кислотный гидролиз, ведущего к появлению ослабленных волокон, Хартлер и др., Svensk Papperst., 63, 263-271 (1960), Баух и др., Svensk Papperst, 63, 279-285 (1960). Стоун и др., Pulp Paper Mag.Can., 59(6), 165-173 (1958), Стоун и др., Pulp Paper Mag. Can., 62(6), 317-326, (1961). Настоящий способ рыхления высококонсистентной лигноцеллюлозной массы не ведет к физическим или механическим изменениям отдельных волокон, поскольку размол перед отбелкой массы может привести к появлению ослабленных волокон.

В соответствии с настоящим изобретением способ повышения избирательности при отбелке высококонсистентной лигноцеллюлозной массы включает рыхление высококонсистентной массы без заметного изменения степени помола массы. Отсутствие значительного изменения степени помола массы означает, что операция рыхления осуществляется с минимальным механическим воздействием на волокна массы так, чтобы не вызвать ухудшения качества целлюлозной массы после последующей операции отбелки. В предпочтительном варианте реализации степень помола массы в разрыхленной массе меняется менее чем на 15%, более предпочтительно менее чем на 10% и наиболее предпочтительно менее чем на 5%.

В настоящем описании будут использоваться следующие определения. Определения основываются на приведенных в работе Ридхолма, Pulping Processes, Intersciences Publishers, 1965, р.р. 862-863 и в монографии TAPPI N 27, The Bleaching of Pulp, Papson, Ed., The Technical Assotiation of Pulp and Paper Industry, 1963, p.186-187.

Термин "консистенция", применяемый здесь, означает концентрацию целлюлозной массы и относится к количеству волокон массы в суспензии, выраженному в процентной доле веса волокна, просушенного в печи от суммарного веса волокна и воды. Консистенция целлюлозной массы будет зависеть от типа применяемого обезвоживающего оборудования.

Применяемый здесь термин "низкая консистенция" относится к концентрации целлюлозной массы менее приблизительно 6% и предпочтительно менее приблизительно 5%. Низкоконсистентная масса является суспензией, которую можно перекачивать обычным центробежным насосом и которую производят с использованием папмашин и фильтров без применения нажимных валиков.

Применяемый здесь термин "средняя консистенция" относится к концентрации целлюлозной массы от 6% до 20%. При значении менее приблизительно 15% массу средней консистенции можно получить с помощью фильтров. Этот уровень консистентности является консистенцией целлюлозного расстила, выходящего из вакуумного барабанного фильтра в системе промывки небеленой массы и в системе отбелки. Консистенция суспензии из промывного аппарата, как аппарата для промывки небеленой массы, так и промывного аппарата стадии отбелки, составляет от 9% до 15%. При значении более чем 15% массу средней консистенции можно получить с помощью нажимных валиков. Ридхольм утверждает, что обычный диапазон значений для целлюлозной массы средней консистентности составляет от 10% до 18%, а Рэпсон указывает, что обычный диапазон значений для целлюлозной массы средней консистентности составляет от 9% до 15%. Целлюлозную массу средней консистентности перекачивают специальным оборудованием.

Применяемый здесь термин "высокая консистенция" относится к концентрации целлюлозной массы от 20% до 65%. Предпочтительно в способе консистенция лигноцеллюлозной массы составляет от 20% до 65%. Еще более предпочтительно, чтобы консистенция лигноцеллюлозной массы составляла от 28% до 55%. Ридхольм утверждает, что обычный диапазон значений для целлюлозной массы высокой консистентности составляет от 25% до 35%, а Рэпсон указывает, что обычный диапазон значений для целлюлозной массы высокой консистентности составляет от 20% до 35%. Такие высококонсистентные массы можно получить только с помощью прессов. Жидкая фаза большею частью поглощается волокнами, и массу можно перекачивать только на короткие расстояния.

Применяемый здесь термин "варка целлюлозы" используется в обычном смысле варки лигноцеллюлозного материала с целью получения небеленой целлюлозы. Способы варки целлюлозы включают, например, сульфатный процесс, крафт-AQ процесс и другие формы продленной делигнификации.

Предпочтительно в способе лигноцеллюлозная масса является целлюлозой.

Применяемый здесь термин "модифицированный сульфатный процесс" относится к процессам продленной делигнификации и всем другим модифицированным сульфатным процессам за исключением крафт-AQ процесса. Крафт-AQ процесс достиг особого статуса и признания в отрасли и известен отдельно под этим наименованием. Операция делигнификации кислородом, следующая за варкой целлюлозы, не относится к способу продленной делигнификации, но является скорее первой операцией делигнификации при отбелке или осветлении целлюлозы.

Существуют два основных вида измерений для определения полноты процессов варки и отбелки целлюлозы. Измерения упоминаются как "степень делигнификации" и "белизна" целлюлозы. Показатель степени делигнификации обычно применяется в связи с процессом варки и на ранних ступенях отбелки, поскольку он становится менее точным, когда в целлюлозе остается только небольшое количество лигнина, как на более поздних ступенях отбелки. Показатель белизны обычно используют в связи с процессом отбелки, поскольку он более точен, когда остаются лишь небольшие количества лигнина и целлюлозная масса слабо окрашена и обладает высокой отражательной способностью.

Существует много способов измерения степени делигнификации, но большинство из них являются вариантами перманганатного испытания. Обычное перманганатное испытание позволяет получить перманганатное число "K No ", которое является числом кубических сантиметров децинормального раствора марганцевокислого калия, поглощенных одним граммом высушенной в печи массы при определенных условиях. Перманганатное число определяют стандартным испытанием TAPPI T-214.

Существует также много способов измерения белизны целлюлозы. Белизна целлюлозы является показателем отражательной способности и ее значение выражается в процентах от абсолютного показателя. Стандартным способом определения белизны целлюлозы является определение белизны по прибору "Дженерал Электрик" (GEB), которую выражают в процентах от максимальной белизны GE. Белизну GE определяют официальным методом TAPPI T-452.

Вторым способом определения белизны целлюлозы является белизна JSO (JSO), которую выражают в процентах от максимальной белизны JSO. Белизну JSO определяют официальным методом TAPPI T-525.

Вязкость древесной массы является показателем степени полимеризации цепей целлюлозы, образующих отдельные древесные волокна. Стандартным способом определения вязкости является определение вязкости куприэтилендиамина ("CED"). Вязкость CED, которую будут называть просто вязкостью, выражается в сантипуазах (Сп). Вязкость определяют официальным методом TAPPI T-230.

Вторым способом определения вязкости целлюлозы является определение характеристической вязкости, которая выражается в дм³/кг. Характеристическую вязкость определяют официальным методом ASTM D-1795.

В соответствии с настоящим изобретением лигноцеллюлозную массу разрыхляют перед заключительным процессом отбелки до получения площади удельной поверхности по меньшей мере около 90 м²/кг. Площадь удельной поверхности массы должна составлять по меньшей мере около 90 м²/кг для того, чтобы получить достаточную площадь поверхности, позволяющую обеспечить оптимальную реакцию с отбеливателем и ускорить ход реакции беления. В общем, чем больше площадь удельной поверхности лигноцеллюлозной массы, тем меньше расход отбеливателя в ходе процесса отбелки и тем больше вязкость массы, механическая прочность массы и белизна GE полученной целлюлозы.

В предпочтительном варианте реализации площадь удельной поверхности разрыхленной лигноцеллюлозной массы составляет по меньшей мере около 100 кв. м/кг, более предпочтительно по меньшей мере около 120 м²/кг и наиболее предпочтительно по меньшей мере около 180 м²/кг. В другом предпочтительном варианте реализации изобретения лигноцеллюлозную массу разрыхляют до получения площади удельной поверхность от приблизительно 100 кв.м/кг до приблизительно 1000 м²/кг, более предпочтительно от приблизительно 120 м²/кг до приблизительно 500 м²/кг и наиболее предпочтительно от приблизительно 180 м²/кг до приблизительно 350 м²/кг.

Предпочтительно лигноцеллюлозную массу готовят из древесины хвойных пород, еще более предпочтительно лигноцеллюлозную массу готовят из сосны. Целесообразно также лигноцеллюлозную массу готовить в ступени рыхления из древесины лиственных пород. Более предпочтительным является приготовление лигноцеллюлозной массы из сосны. Наиболее предпочтительным является приготовление лигноцеллюлозной массы из соснового исходного материала для крафт/AQ-O процесса.

В общем возможно применение любого рыхлителя, который может разрыхлить высококонсистентную массу до получения площади удельной поверхности по меньшей мере около 90 м²/кг. Примеры рыхлителей, которые могут быть применены, включают рыхлитель рафинерного типа и стержневой рыхлитель. В предпочтительном варианте реализации применяется рыхлитель рафинерного типа. Устройство, применяемое в соответствии с настоящим изобретением, представлено рыхлительными устройствами, хорошо известными в этой области техники, и поэтому выбор конкретного устройства будет для специалиста очевиден.

Лигноцеллюлозная масса в настоящем изобретении является массой с высокой консистентностью. В предпочтительном варианте реализации консистенция лигноцеллюлозной массы составляет от 20% до 65%, более предпочтительно консистенция лигноцеллюлозной массы составляет от 28% до 55% и наиболее предпочтительно от 35% до 48%.

Лигноцеллюлозная масса в настоящем изобретении является целлюлозой. Предпочтительно лигноцеллюлозная масса является целлюлозной массой. Способ отбелки, являющийся предметом настоящего изобретения, может быть также применен при добелке массы.

Примеры 1 - 8 демонстрируют улучшение высококонсистентной отбелки озоном в результате применения рыхленой массы с подходящей площадью удельной поверхности.

Сосновый исходный материал рыхлили рыхлителем рафинерного типа, двумя стержневыми рыхлителями, ударным рыхлителем и лабораторной молотковой дробилкой. Кроме того, использовали также грубоизмельченную, но не рыхленую массу. Массу отбеливали с различными приемами применения озона, а определенную озонированную массу экстрагировали и подвергали двум ступеням отбелки двуокисью хлора.

Применяли исходный сосновый материал крафт/AQ-O процесса с белизной GE 33,7%, вязкостью 15,9 Сп и перманганатным числом 7,7. Массу разбавили, подкислили и хелатировали, после чего подвергли прессованию. Высококонсистентную фильтрпрессную плиту направили на конвейер измельчителя и затем собрали для дальнейшего рыхления. Рафинарное рыхление осуществляли с использованием опытного рыхлителя рафинерного типа Sunds Defibrator 500 мм, оборудованного ножами типа 5120 при зазоре между ножами от 0,5 до 6,0 мм. Стержневое рыхление выполняли с использованием промышленного стержневого рыхлителя. Рыхление выполняли также с использованием лабораторного оборудования, включая модифицированную мешалку и лабораторный стержневой рыхлитель.

Степень рыхления каждой из этих масс измеряли с использованием метода аэродинамического сопротивления, описанного Р.Г.Гарнером и Р.Дж.Керекешем в Pulp Paper Canada Transactions, vol.79(9), Т 82 (1978), с использованием процедуры анализа данных, описанной А.А.Робертсоном и С.Г.Масоном в Pulp Paper Magazine Canada, vol.50 (12), 103 (1949). В таблице 2 приведены результаты, полученные для нескольких масс, испытанных в этом исследовании. Площади удельной поверхности составили от всего лишь 34 м²/кг для относительно не разрыхленной массы (измельчитель) до целых 226 м²/кг для хорошо разрыхленной массы (рафинер).

Затем массы подвергли белению озоном при различном расходе озона. На фиг.1 графически показана зависимость белизны GE от расхода озона. Наилучшим образом разрыхленная в рафинере масса потребовала только 4,8 кг O/м.т. (метрическую тонну) для достижения белизны JSO 53%, в то время как масса из измельчителя с наихудшим рыхлением потребовала больше озона на 30% (около 6,5 кг О/м.т.). На фиг.2 графически показана зависимость белизны GE от характеристической вязкости. На фиг.2 показано, что масса из рафинера сохраняет наивысшую вязкость при данной белизне, в то время как вязкость массы из измельчителя находится среди самых низких.

Для каждой из масс была выполнена линейная регрессия данных фиг.1 и 2 с целью расчета расхода озона и вязкости массы для белизны JSO 53%. Полученные результаты графически изображены на фиг.3 и 4 как функция аэродинамической удельной поверхности, причем можно видеть, что увеличение удельной поверхности благоприятно влияет на уменьшение количества озона, требующегося для получения белизны JSO 53% и повышения вязкости полученной массы.

Примеры 9 - 12 демонстрируют далее зависимость между степенью рыхления массы и оптимальной, высококонсистентной отбелкой озоном.

Массу K/AQ-O рыхлили четырьмя различными путями с использованием способов, описанных выше. Масса имела первоначальную белизну 33,7% при перманганатном числе 8,0 и вязкости 16,2 Сп. После рыхления у каждой массы определяли удельную поверхность. Наибольшая удельная поверхность была у массы из рафинера, которая составила 166 м²/кг, а наименьшая удельная поверхность была у массы из измельчителя, 43 м²/кг. Разрыхленную массу отбеливали озоном до приблизительно одинаковой белизны GE. Полученные результаты показаны в табл. 3. Лучше всего разрыхленная масса (рафинер) обладает наибольшей белизной GE и наибольшей вязкостью после отбеливания и требует самого низкого расхода озона, в то время как хуже всего разрыхленная масса (измельчитель) имеет самую низкую белизну и самую низкую вязкость при самом высоком расходе озона.

Каждую из отбеленных озоном масс экстрагировали и отбеливали в две ступени отбелки двуокисью хлора. Полученные результаты показаны в таблице 3. Масса, которую рыхлили в рафинере перед отбелкой озоном и которая обладала наибольшей вязкостью после отбелки озоном, сохранила самую высокую вязкость после последующей отбелки до белизны GE около 89%, причем потребовала наименьшего расхода двуокиси хлора для достижения этого значения белизны. Для сравнения массы, которые не подверглись столь тщательному рыхлению, имеют меньшую вязкость и потребовали большего расхода двуокиси хлора для достижения такой же белизны.

Была выполнена оценка механической прочности этих четырех масс. Для этого использовали машину PFI, а листы приготовили согласно стандартным процедурам TAPPI T-205 и T-248. На фиг.4 графически показана зависимость индекса разрыва от индекса растяжения. Сравнение индекса разрыва при данном индексе растяжения показывает, что у массы, полученной в рафинере, он на 10-20% выше, чем у массы, полученной в измельчителе, и на 5-10% выше, чем у масс, подвергнутых рыхлению с использованием стержневого и ударного рыхлителей.

Эти результаты демонстрируют преимущества рыхления в рафинере по сравнению с другими типами рыхления в отношении уменьшения расхода озона, уменьшения расхода химикатов для добелки и улучшения вязкости и прочности массы. Было выполнено сравнение капитальных и эксплуатационных затрат при использовании рыхлителя типа рафинера, стержневого рыхлителя, ударного рыхлителя и измельчителя. Уменьшение расхода озона компенсирует более высокие капитальные затраты, связанные с рыхлением в рафинере, что ведет к практически одинаковым затратам во всех случаях. Рыхление в рафинере позволяет получить более прочную продукцию при одинаковых затратах.

Рыхлитель рафинарного типа обеспечивает наилучшее разделение волокна. Обнаружено, что площадь удельной поверхности оказывает значительное влияние на результаты отбелки озоном при рыхлении в рафинере, позволяющем снизить расход озона на 10-30% по сравнению с другими вариантами рыхления. Уменьшаются также потребности в химикатах для добелки. Улучшение рыхления способствует повышению вязкости массы после ступени отбелки озоном (на 1 Сп или 35 дм³/кг), а также добеленой массы. После добелки разрыхленная в рафинере масса обладает более высокой прочностью. Показатель разрыва разрыхленной рафинером массы приблизительно на 5-10% выше этого показателя, для массы, рыхленной ударным или стержневым рыхлителем, и на 10-20% выше, чем у массы, плохо рыхленной в измельчителе.

Более высокие капитальные затраты, связанные с улучшенным рыхлением, компенсируются снижением затрат на оборудование по выработке озона благодаря уменьшению расхода озона при улучшении рыхления. Результатом является то, что все четыре варианта рыхления, для которых был выполнен экономический анализ, требуют очень близких капитальных затрат.

Из приведенного описания изобретения должно быть ясно, что оно может варьироваться различными путями. Такие отклонения не должны рассматриваться как отклонение от существа, а также объема изобретения, и все такие изменения должны быть включены в объем прилагаемой формы изобретения.