способ получения волокнистого полуфабриката высокого выхода

Формула изобретения

Способ получения волокнистого полуфабриката высокого выхода, включающий химическую обработку и термическую обработку древесной щепы из лиственной древесины в шнековом аппарате, последующий многократный размол и сортирование, при этом термическую обработку проводят в две ступени при температуре на первой ступени 100-120°С, а на второй ступени при температуре 150-160°С, отличающийся тем, что химическую обработку осуществляют в одну ступень после первой ступени термической обработки при расходе раствора гидроксида натрия 3,5-4,0% в ед. Na₂О, а сортирование массы осуществляют в две ступени с отделением кондиционного волокна на первой ступени в количестве 55-65% от количества поступающей массы и отходов сортирования с их размолом до 30-40°ШР и с последующим отделением кондиционного волокна на второй ступени сортирования в количестве 70-80% от количества поступающей массы и отходов сортирования, после чего кондиционные волокна от первой и второй ступеней сортирования смешивают и смесь сгущают и размалывают до степени помола 48-52°ШР, а отходы сортирования от второй ступени направляют на многократный размол.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к целлюлозно-бумажной промышленности и может быть использовано при производстве волокнистых полуфабрикатов высокого выхода, а также при производстве химико-термомеханической массы из лиственной древесины, предназначенной для составления композиций бумаги и картона, преимущественно гофрированного картона.

В зависимости от способа получения и свойств исходного сырья химико-термомеханическая масса (ХТММ) сильно отличается друг от друга по величине выхода целевого продукта и показателям качества.

При решении первой задачи для повышения выхода целевого продукта необходимо термомеханическую обработку древесной щепы осуществить таким образом, чтобы ослабить межволоконную связь без значительного растворения основных компонентов древесины. Ослабление связей между волокнами происходит за счет растворения межклеточного вещества, состоящего в основном из лигнина и, следовательно, с уменьшением выхода, или же связь между волокнами древесной щепы происходит за счет пластификации межклеточного вещества, когда лигнин переходит в вязкотекучее состояние и, следовательно, без существенного снижения выхода целевого продукта. При последующем размоле волокна претерпевают значительные изменения своих физических и химических свойств и непластифицированные волокна обладают повышенной восприимчивостью к измельчению в процессе размола.

При решении второй задачи - повышения или сохранения показателей качества полуфабриката - обращают внимание на фракционный состав волокна. Коротковолокнистая фракция представляет собой обрывки волокон, фрагменты межклеточной пластинки и части сосудов при получении ХТММ из лиственной древесины. Данная фракция обладает повышенной степенью помола, низкими бумагообразующими свойствами и служит в качестве наполнителя при производстве бумаги и картона. Длинноволокнистая фракция, по существу определяющая качество полуфабриката, состоит в основном из хорошо фибриллированных длинных волокон и частично из пучков волокон.

Наличие коротковолокнистой фракции в ХТММ обуславливает не только повышение степени помола и ухудшение обезвоживающей способности на сетке картоноделательной и бумагоделательной машины, но и препятствует правильному подбору режима обработки волокнистой суспензии в процессе размола с целью повышения его бумагообразующих свойств. Кроме того, волокна коротковолокнистой фракции не обладают необходимой способностью к межмолекулярному химическому взаимодействию при формировании листа бумаги или картона и тем самым механическая прочность сухого листа бумаги или картона снижается.

Совместный размол длинно- и коротковолокнистой фракции ХТММ приводит к дальнейшему измельчению коротких волокон и неудовлетворительному фибриллированию длинных волокон. Использование таким образом изготовленной ХТММ в композиции бумаги и картона вызывает пониженную способность к обезвоживанию и механическую прочность готового продукта.

Повышение бумагообразующих свойств достигается за счет разделения волокнистой суспензии на коротко- и длинноволокнистую фракции и размолу подвергают только длинноволокнистую фракцию, состоящую в основном из пучков волокон, а затем смешивают с коротковолокнистой, либо используют каждую фракцию по своему назначению.

Для разделения волокнистой суспензии ХТММ на фракции используют сортировки с ситами с круглыми отверстиями или щелевыми прорезями.

Известен способ получения волокнистой массы для производства газетной бумаги высокого качества (WO, 00/31335 A1, опубл. 02.06.2000 г.). Сущность способа состоит в том, что волокнистый полуфабрикат получают из еловой щепы термомеханическим методом, то есть щепу предварительно пропаривают и размалывают на дисковых рафинерах в две ступени до степени помола 90 мл. Затем массу дополнительно размалывают с использованием конической мельницы при концентрации 2-5% до степени помола 65 мл. Данная операция сокращает в среднем длину волокна на 10-25%, после чего массу подвергают первичному сортированию с выделением кондиционной массы и первичных отходов сортирования в количестве не менее 55%. Отходы сортирования сгущают до концентрации 20-40% и размалывают с использованием дискового рафинера с удельным расходом энергии на размол 900 кВт·ч/т. Размолотые до степени помола 40 мл отходы подвергают вторичному сортированию и массу, прошедшую через сито с шириной шлица 0,05-0,15 мм, смешивают с сортированной массой от первой сортировки, а отходы соединяют с отходами от первой сортировки, сгущают и направляют на размол при высокой концентрации. Такая очередность выполнения операций позволяет получить полуфабрикаты, пригодные для выпуска газетной бумаги повышенного качества.

Однако данный способ имеет свои недостатки, связанные с тем, что термомеханическую массу (ТММ) получают только из хвойной древесины, в частности из еловой, а это более дорогая древесина по сравнению с лиственной - осиной или березой. Технология получения ТММ усложняется из-за сгущения сортированных отходов со степенью помола 70 мл (77°ШР), которые имеют плохую обезвоживающую способность. Использование для размола сгущенных отходов рафинера большой единичной мощности также усложняет процесс. Полученная готовая ТММ со степенью помола 30 мл (87°ШР) при приготовлении газетной бумаги имеет значительные потери волокна на сетке бумагоделательной машины.

Ближайшим аналогом настоящего изобретения является способ получения полуфабриката высокого выхода, включающий химическую обработку, термическую обработку щепы в шнековом аппарате, последующий многократный размол и сортирование, при этом термическую обработку проводят в две ступени при температуре на первой ступени 100-120°С, а на второй ступени - при температуре 150-160°С.

Сущность данного способа состоит в том, что термическую и химическую обработку древесной щепы ведут одновременно в две стадии. На первой стадии щепу обрабатывают гидроксидом натрия с расходом его 2,5-4,0% в ед. Na₂О при температуре 100-120°С, а на второй расход гидроксида натрия составляет 4,5-5,5% в ед. Na₂ O при температуре 150-160°С и соответствующем давлении. Обработанную в жестких условиях древесную щепу подвергают многократному размолу с последующим сортированием полученной массы (см. RU 2233927 С1, опубл. 10.08.2004).

Недостатки способа связаны с тем, что щепу подвергают термохимической обработке по режиму, близкому к получению натронной целлюлозы как по расходу гидроксида натрия (от 7,0 до 9,5% в ед. Na₂О). Данное обстоятельство обусловливает значительное сокращение выхода целевого продукта, а сортирование массы без разделения ее на фракции не способствует развитию механических свойств готовой массы.

Новым техническим результатом от использования изобретения является повышение выхода целевого продукта и улучшение его качественных показателей.

Достигается указанный технический результат тем, что в способе получения волокнистого полуфабриката высокого выхода, включающем химическую обработку и термическую обработку древесной щепы из лиственной древесины в шнековом аппарате, последующий многократный размол и сортирование, при этом термическую обработку проводят в две ступени при температуре на первой ступени 100-120°С, а на второй ступени - при температуре 150-160°С, согласно изобретению химическую обработку щепы осуществляют в одну ступень после первой ступени термической обработки при расходе раствора гидроксида натрия 3,5-4,0% в ед. Na₂O, а сортирование массы осуществляют в две ступени с отделением кондиционного волокна на первой ступени в количестве 55-65% и отходов сортирования с их размолом до 30-40°ШР и с последующим отделением кондиционного волокна на второй ступени сортирования в количестве 70-80% (все от количества поступающей массы) и отходов сортирования, после чего кондиционные волокна от первой и второй ступени сортирования смешивают и смесь сгущают и размалывают до степени помола 48-52°ШР, а отходы сортирования от второй ступени направляют на многократный размол.

В сравнении с прототипом в предложенном способе на первой ступени термическую обработку древесной щепы проводят без применения химикатов, в частности гидроксида натрия. Присутствие гидроксида натрия при термической обработке щепы не столько способствует улучшению условий пропитки, сколько препятствует нормальному ходу дальнейшей химической обработки. При попадании щепы в зону термической обработки из среды с нормальной температурой ˜15°С щепа не сразу приобретает температуру, заданную в трубе - 100-120°С и, тем более, по всей своей толщине. По мере продвижения щепы в трубе со шнеком щепа прогревается и при выходе из трубы по истечении 5-8 минут она приобретает заданную температуру.

По прототипу в щепу на начальный момент подается раствор гидроксида натрия, который по мере повышения температуры реагирует с поверхностным слоем древесины и закупоривает поры щепы. Поскольку процесс вывода продуктов реакции гидроксида натрия и древесины - диффузионный, то роль последующей химической обработки щепы снижается. В предлагаемом способе термическую обработку проводят без химикатов и по мере прохождения щепы по трубе она нагревается до температуры 100-120°С, и в этот момент на горячую щепу подается холодный (t=15-20°С) раствор гидроксида натрия. Мгновенное снижение температуры щепы способствует конденсации паров в капиллярах щепы, и по этим пустым капиллярам внутрь щепы поступает раствор гидроксида натрия, обеспечивая таким образом равномерную и быструю пропитку щепы.

После этого щепа попадает в зону второй ступени термической обработки при температуре 150-160°С, в которой происходит пластификация межклеточного вещества и ослабление связей между волокнами. При этом достигается более значительный эффект по величине выхода без снижения механической прочности целевого продукта.

Предлагаемый способ получения волокнистого полуфабриката высокого выхода осуществляют следующим образом.

Древесную щепу из осины или березы или их смесь промывают для удаления опилок и минеральных включений и подают в загрузочную воронку дозатора низкого давления, с помощью которого щепу загружают в пропарочную трубу шнекового аппарата непрерывного действия. Одновременно со щепой в пропарочную трубу подают острый пар с температурой 125-130°С, обеспечивающий нагрев щепы до температуры 100-120°С на выходе из трубы. По окончании пропарки на щепу подают раствор гидроксида натрия с температурой 15-20°С в количестве 3,5-4,0% в ед. Na₂O от массы щепы и с помощью дозатора высокого давления пропитанную химикатами щепу загружают в трубу, температуру в которой поддерживают на уровне 150-160°С. Химическую обработку щепы осуществляют последовательно в четырех трубах, снабженных шнеками для транспортировки щепы.

По окончании химической обработки щепу через разгрузочное устройство подают на установку горячего размола (I-я ступень), где щепу превращают в грубую волокнистую массу с одновременным отделением паров вскипания и снижением давления до атмосферного.

Затем грубую волокнистую массу пропускают через дисковый рафинер, работающий при атмосферном давлении, при концентрации массы 4-7% с целью легкого разволокнения грубого волокна в виде спичек (II-я ступень размола).

После чего размолотую массу со степенью помола 9-13°ШР сгущают до концентрации 15-20% и размалывают до степени помола 23-27°ШР (III-я ступень размола) и выдерживают в бассейне при температуре 60-80°С в течение 40-60 минут при концентрации массы 3,2-3,8% для устранения латентных свойств. После устранения латентных свойств волокнистую массу направляют на сортирование, которое осуществляют в две стадии.

На первой стадии сортированию подвергают всю волокнистую массу со степенью помола 23-27°ШР с отделением кондиционного волокна концентрацией 1,4-1,7% и степенью помола 34-37°ШР в количестве 55-65% и отходов сортирования в количестве 35-45% концентрацией 2,4-2,7% и степенью помола 15-19°ШР. Отходы сортирования аккумулируют и размалывают на дисковом рафинере до степени помола 30-40°ШР, после этого размолотые отходы направляют на другую стадию сортирования с отделением кондиционного волокна в количестве 70-80%, с концентрацией 1,4-1,7% и степенью помола 41-45°ШР и отходов сортирования концентрацией 2,4-2,6% со степенью помола 18-21°ШР в количестве 20-30% от поступающей на вторую сортировку массы и направляют их на многократный размол после II-й ступени размола.

Сортированную массу после I-й и II-й стадий сортирования объединяют и при концентрации 1,4-1,7% подают на сгущение на фильтре, после чего с концентрацией 5,0-7,0% массу окончательно размалывают до степени помола 48-52°ШР. Полученный волокнистый полуфабрикат высокого выхода анализируют и используют для получения бумаги и картона.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Способ получения волокнистого полуфабриката высокого выхода осуществляют следующим образом.

Щепу из осиновой древесины с отделением мелких древесных осколков и минеральных включений в виде песка подают в пропарочную трубу, где ее подвергают обработке острым насыщенным паром до температуры 120°С. По окончании термической обработки на щепу подают раствор гидроксида натрия в количестве 35 кг/т в расчете на Na₂O и одновременно щепу направляют в зону с более высокой температурой 160°С и выдерживают при этом в течение 20 мин. По истечении указанного времени щепу через разгрузочное устройство подают на устройство горячего размола. Грубую волокнистую массу подвергают дальнейшему разволокнению на дисковом рафинере Спроут-Вальдрон, достигая степени помола 11°ШР. Массу обезвоживают до концентрации 16% и размалывают на рафинере до степени помола 25°ШР. Массу выдерживают при перемешивании для устранения латентных свойств и направляют на сортирование. Сортирование осуществляют через сито с щелевыми прорезями, концентрация входящей массы 2,1%. Кондиционное волокно концентрацией 1,5% и степенью помола 37°ШР в количестве 55% от массы входящей отделяют, а отходы сортирования в количестве 45% концентрацией 2,5% со степенью помола 16°ШР аккумулируют и направляют на размол. Размол отходов сортирования ведут на дисковом рафинере до степени помола 30°ШР и снова сортируют на другой сортировке. Сортировка снабжена ситом с щелевыми прорезями и кондиционное волокно в количестве 70% от входящей массы отделяют со степенью помола 41°ШР и смешивают с отсортированным волокном на I-й ступени сортирования, а отходы сортирования от II-й ступени в количестве 30% от количества входящей массы подают на многократный размол.

Сортированную массу концентрацией 1,5% и степенью помола 39°ШР сгущают до концентрации 5,5% и подвергают окончательному размолу до степени помола массы 48°ШР. Отбирают пробу массы и анализируют.

Характеристика получаемой массы приведена в таблице.

Пример 2. Способ получения волокнистого полуфабриката высокого выхода осуществляют аналогично примеру 1. Отличия состоят в том, что пропарку щепы ведут до температуры 100°С, а химическую обработку щепы проводят гидроксидом натрия при расходе от 40 кг/т в ед. Na₂O₄ при температуре 150°С. Первичному сортированию подвергают массу со степенью помола 23°ШР, кондиционное волокно отбирают в количестве 65% со степенью помола 34°ШР, а отходы сортирования в количестве 35% и степенью помола 15°ШР направляют на размол. Отходы сортирования, размолотые до степени помола до 40°ШР, подвергают вторичному сортированию с отбором кондиционного волокна в количестве 75% и степенью помола 45°ШР. Кондиционное волокно после I-й и II-й сортировок объединяют и размалывают до степени помола 52°ШР. Отбирают пробу массы и анализируют.

Характеристика полученной массы приведена в таблице.

Пример 3. Способ получения волокнистого полуфабриката высокого выхода осуществляют аналогично примеру 1. Отличия состоят в том, что пропарку щепы ведут до температуры 115°С, а химическую обработку щепы проводят гидроксидом натрия при расходе его 37,5 кг/т в ед. Na ₂O при температуре 155°С. Первичному сортированию подвергают массу со степенью помола 27°ШР, кондиционное волокно отбирают в количестве 60% со степенью помола 37°ШР, а отходы сортирования в количестве 40% и степенью помола 19°ШР направляют на размол. Отходы сортирования, размолотые до степени помола 35°ШР, подвергают вторичному сортированию с отбором кондиционного волокна в количестве 80% и степенью помола 42°ШР. Кондиционное волокно после I-й и II-й сортировок объединяют и размалывают до степени помола 50°ШР. Отбирают пробу массы и анализируют.

Характеристика полученной массы приведена в таблице.

Пример 4 (прототип). Способ получения волокнистого полуфабриката высокого выхода осуществляют следующим образом:

Щепу из лиственной древесины (осины) промывают и направляют в шнековый аппарат на I-ю ступень термохимической обработки, которую проводят при температуре 115°С и расходе гидроксида натрия в количестве 25 кг/т в ед. Na₂O. По истечении 10 мин щепу направляют в зону с повышенной температурой 155°С и дополнительно расходуют на обработку щепы гидроксид натрия в количестве 50 кг/т. По завершению термической обработки щепу подвергают горячему размолу, затем волокнистую массу размалывают на дисковом рафинере и после сгущения размалывают при концентрации 16% на дисковом рафинере. После размола массу выдерживают для устранения латентных свойств и сортируют в одну ступень. Сортированную массу сгущают до концентрации 5,5% и размалывают, после чего отбирают пробу массы и анализируют.

Характеристика полученной массы приведена в таблице.

Анализ приведенных в таблице данных свидетельствует о том, что предлагаемый способ получения волокнистого полуфабриката высокого выхода имеет существенные преимущества перед прототипом как по выходу целевого продукта, так и по показателям качества готовой к переработке массы.