установка для получения технической целлюлозы взрывным методом

Формула изобретения

Установка для получения технической целлюлозы взрывным методом, включающая последовательно соединенные загрузочное устройство с мешалкой, реактор высокого давления с параллельно установленным парогенератором, сбросной клапан, разгрузочный трубопровод, приемный резервуар, отличающаяся тем, что реактор в нижней части снабжен фильтрующей насадкой и штуцером для слива воды, во внутренней полости реактора установлена цилиндрическая емкость с перфорированной боковой поверхностью; во внутренней полости разгрузочного трубопровода последовательно установлены два стационарных измельчителя, выполненные в виде насадок переменного проходного сечения; между разгрузочным трубопроводом и приемным резервуаром установлен циклон, отводящий паропровод которого сообщен с загрузочным устройством; циклон снабжен абразивной рубашкой, установленной на внутренней боковой поверхности, и дополнительным тангенциально расположенным выше уровня входа циклона штуцером для подачи экстрагента, установленным в режиме противотока; приемный резервуар снабжен мешалкой, штуцерами для подачи экстрагентов, фильтрующей насадкой, сливным штуцером, сообщающимся через центробежный насос со штуцером циклона для подачи экстрагента.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к конструкции устройства для проведения паровзрывного автогидролиза древесины с целью получения технической целлюлозы и может быть использовано в целлюлозно-бумажной и химической промышленности. Преимущественно данное изобретение предназначено для переработки древесных отходов в техническую целлюлозу.

Известна установка для получения целлюлозно-волокнистой массы из щепы взрывным методом, состоящая из загрузочного устройства, камеры предварительной пропитки, камеры высокого давления, узла сброса давления, приемного резервуара и конденсатора (см. патент Всемирной организации интеллектуальной собственности № WO 8701402, IPC⁸ D21B 1/36, D21C 3/06, 1987).

Недостатком данного изобретения является выделение вредных веществ из конденсатора в атмосферу.

Известна также установка для дефибрирования материалов, используемых для изготовления бумаги, состоящая из бункера загрузки, шнекового питателя, реактора высокого давления, узла разгрузки, приемного резервуара (см. патент США № US 5262003, IPC⁸ D21B 1/32; D21B 1/36; D21B 1/00, 1991).

Недостатками данного изобретения являются высокие энергетические затраты и низкое качество получаемого продукта.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению (прототипом) является установка для получения технической целлюлозы взрывным методом, состоящая из последовательно соединенных загрузочного устройства с мешалкой, реактора высокого давления с параллельно установленным парогенератором, сбросного клапана, разгрузочного трубопровода, приемного резервуара (см. патент КНР № CN 2512804, IPC⁸ D21B 1/36, D21B 1/00, 2002).

Недостатками известного технического решения являются большое количество образующегося при сбросе давления из реактора водяного пара высокой температуры, выбрасываемого в атмосферу, и низкое качество получаемого продукта, характеризующегося малой степенью разделения на волокна и высоким содержанием остаточного лигнина, как нежелательной примеси.

Указанные недостатки обусловлены простотой конструкции отводящего паропровода приемного резервуара, не выполняющего функцию конденсации и рекуперации тепла, а также отсутствием системы облагораживания получаемой технической целлюлозы. В результате теряется энергия тепла водяного пара, повышаются энергетические затраты, снижается качество получаемого продукта, ограничиваются области применения получаемого продукта.

Технической задачей изобретения является снижение энергозатрат на процесс получения технической целлюлозы взрывным методом и получение продукта высокого качества, имеющего более широкую область применения.

Техническая задача решается тем, что в установке для получения технической целлюлозы взрывным методом, включающей последовательно соединенные загрузочное устройство с мешалкой, реактор высокого давления с параллельно установленным парогенератором, сбросной клапан, разгрузочный трубопровод, приемный резервуар, согласно изобретению реактор в нижней части снабжен фильтрующей насадкой и штуцером для слива воды, во внутренней полости реактора установлена цилиндрическая емкость с перфорированной боковой поверхностью; во внутренней полости разгрузочного трубопровода последовательно установлены два стационарных измельчителя, выполненные в виде насадок переменного проходного сечения; между разгрузочным трубопроводом и приемным резервуаром установлен циклон, отводящий паропровод которого сообщен с загрузочным устройством; циклон снабжен абразивной рубашкой, установленной на внутренней боковой поверхности и дополнительным тангенциально расположенным выше уровня входа циклона штуцером для подачи экстрагента, установленным в режиме противотока; приемный резервуар снабжен мешалкой, штуцерами для подачи экстрагентов, фильтрующей насадкой, сливным штуцером, сообщающимся через центробежный насос со штуцером циклона для подачи экстрагента.

Технический результат заключается в снижении энергозатрат на процесс получения технической целлюлозы взрывным методом и получении продукта высокого качества, имеющего более широкую область применения.

Изобретение иллюстрируется следующими чертежами:

- на фиг.1 показана принципиальная схема установки для получения технической целлюлозы взрывным методом;

- на фиг.2 показана конструкция измельчающих насадок;

- на фиг.3 показана схема расположения штуцеров для входа экстрагента и входа древесной массы с паром.

Установка состоит из загрузочного устройства 1, оснащенного в верхней части электродвигателем 2 и редуктором 3, приводящими в движение мешалку 4. Загрузочное устройство последовательно соединено через загрузочный клапан 5 с реактором высокого давления 6, во внутренней полости которого установлена цилиндрическая емкость 7 с перфорированной боковой поверхностью. Реактор в верхней части оборудован манометром 8 и термопарой 9, а в нижней части - фильтрующей насадкой 10, установленной перед штуцером 11 для слива воды. Реактор через сбросной клапан 12 соединяется с разгрузочным трубопроводом 13, во внутренней полости которого установлены два стационарных измельчителя, выполненные в виде насадок 14 и 15 переменного проходного сечения. Разгрузочный трубопровод тангенциально входит в циклон 16, сообщая его с реактором. Отводящий паропровод 17 циклона сообщен с загрузочным устройством. Циклон снабжен абразивной рубашкой 18, установленной на внутренней боковой поверхности и дополнительным тангенциально расположенным выше уровня входа циклона штуцером 19 для подачи экстрагента, установленным в режиме противотока. Через выходной трубопровод 20 циклон сообщается с приемным резервуаром 21, в верхней части которого установлен электродвигатель 22 и редуктор 23, приводящие в движение мешалку 24. Также приемный резервуар оснащен штуцером 25 для подачи экстрагента (этанол-вода) с вентилем 26, штуцером 27 для подачи экстрагента (водный раствор гидроксида натрия) с вентилем 28. В нижней части приемного резервуара расположен клапан выгрузки 29, фильтрующая насадка 30, установленная перед сливным штуцером 31, штуцер 32 слива отработанного экстрагента с вентилем 33. Сливной штуцер приемного резервуара сообщен со штуцером циклона для подачи экстрагента через вентиль 34 и центробежный насос 35 трубопроводом 36. Реактор высокого давления в средней части соединен линией паропровода 37 через вентиль 38 с парогенератором 39.

Установка работает следующим образом.

Загрузочное устройство 1 заполняется суспензией воды и щепы, которая перемешивается мешалкой 4, работающей от электродвигателя 2 через редуктор 3. Использование обрабатываемого материала в виде суспензии с водой позволяет провести быструю загрузку реактора 6 высокого давления через малый проходной диаметр загрузочного клапана 5. В отличие от прототипа, пар, поступающий с очередной стадии паровзрывного автогидролиза из циклона 16 по паропроводу 17, сообщенному с загрузочным устройством, барботирует в суспензию и мгновенно конденсируется, нагревая щепу. Равномерный прогрев и пропитка щепы в загрузочном устройстве отработанным паром достигаются перемешиванием мешалкой, что позволяет предварительно подготовить сырье к высокотемпературному автогидролизу, а также сократить продолжительность обработки материала.

Путем открытия загрузочного клапана 5 при закрытом клапане 12 щепа заливается в цилиндрическую емкость 7 с перфорированной боковой поверхностью, установленной во внутренней полости реактора. Перфорированная боковая поверхность обеспечивает равномерный прогрев щепы паром во время протекания высокотемпературной обработки. Вода от суспензии удаляется через штуцер 11 для слива воды, установленный в нижней части реактора. Для предотвращения попадания щепы в штуцер для слива воды перед ним установлена фильтрующая насадка 10.

После слива воды из реактора закрываются клапана 5 и 11, и путем открытия вентиля 38 перегретый пар с температурой 220°С и давлением 22 атм из парогенератора 39 по паропроводу 37 подается в среднюю часть реактора, в результате чего происходит тепловая обработка древесного материала в течение 3-5 минут. Время выдержки в реакторе зависит от среднего геометрического размера частицы древесины. Величина избыточного давления в реакторе фиксируется манометром 8, а температура - термопарой 9.

По истечении выдержки древесного сырья в реакторе закрывается вентиль 38 и резко открывается сбросной клапан 12. Образующийся при сбросе давления градиент давления вызывает измельчение автогидролизованного материала посредством разделения на волокна и его перемещение с большой скоростью по разгрузочному трубопроводу 13 в циклон 16, работающий при атмосферном давлении. Резкое открытие сбросного клапана позволяет достичь максимального градиента давления, что положительно сказывается на степени разделения на волокна частиц автогидролизованной древесины. Выгружаемая древесная масса, по сравнению с прототипом, дополнительно доизмельчается, проходя через две стационарные последовательно установленные после сбросного клапана измельчающие насадки 14 и 15 переменного проходного сечения. Установка подобных элементов во внутренней полости разгрузочного трубопровода на пути выхода древесной массы позволяет использовать динамическую энергию движения древесной массы, что приводит к сокращению энергозатрат на дополнительное механическое измельчение получаемого волокна. Измельчающие насадки выполнены в виде тупых ножей, установленных внутри кольца перпендикулярно друг другу. Важным свойством технической целлюлозы, характеризующим ее качество, является длина волокна, поэтому затупленные лезвия ножей позволяют разделить древесные частицы на волокна за счет силы удара, избегая поперечного разрезания волокон и, следовательно, не влияя на их разрывную длину. Площадь проходного сечения ячейки насадки 15 вдвое меньше площади проходного сечения ячейки насадки 14, что обуславливается увеличением степени разделения на волокна древесных частиц, проходящих через насадку 14.

Перед открытием сбросного клапана 12 в циклон 16 подается экстрагент этанол-вода, в соотношении 9:1 и температурой 90°С, поступающий из приемного резервуара 21 по трубопроводу 36 при открытом вентиле 34 и работающем центробежном насосе 35. Экстрагент подается в циклон через дополнительный тангенциально расположенный выше уровня входа циклона штуцер 19 для подачи экстрагента, установленный в режиме противотока и сообщенный со сливным штуцером 31 приемного резервуара через центробежный насос. В приемный резервуар экстрагент предварительно заливается через штуцер 25 для подачи экстрагента этанол-вода путем открытия вентиля 26. Количество заливаемого экстрагента берется из расчета 0,66 л на 100 г обрабатываемого материала.

В отличие от прототипа, после открытия сбросного клапана древесная масса с паром тангенциально поступает с большой скоростью в циклон 16, в котором за счет подаваемого экстрагента этанол-вода с установленными режимными параметрами происходит конденсация водяного пара. Параллельно с процессом конденсации производится частичная экстракция растворов сахаров из жидких продуктов древесной биомассы, образованных в результате автогидролиза. Волокнистые частицы древесной массы подвергаются трению об абразивную рубашку 18, расположенную на внутренней боковой поверхности циклона, повышающую степень разделения частиц на волокна. Удаление твердых частиц древесной массы из циклона в приемный резервуар осуществляется за счет принудительной циркуляции экстрагента. Тангенциальная подача экстрагента в режиме противотока в циклон выше уровня входа древесной массы и пара позволяет максимально сконденсировать пар и интенсифицировать экстракцию растворов сахаров из жидких продуктов древесной биомассы, образованных в результате автогидролиза.

Несконденсировавшийся пар идет по паропроводу 17 в загрузочное устройство для предварительного прогрева очередной партии необработанного древесного материала, где окончательно конденсируется. Автогидролизованная древесная масса через выходной трубопровод 20 циклона полностью переходит в приемный резервуар 21, где, в отличие от прототипа, подвергается очистке от нежелательных примесей путем экстракции. Происходит окончательная обработка древесной массы экстрагентом этанол-вода, в результате чего извлекаются растворы сахаров. Интенсивность экстракции обеспечивается мешалкой 24, работающей от электродвигателя 22 через редуктор 23. Для предотвращения попадания древесной массы в циркулирующий экстрагент на выходе из приемного резервуара перед сливным штуцером 31 установлена фильтрующая насадка 30.

После первой ступени экстракции закрывается вентиль 34 и отработанный раствор из приемного резервуара отводится через штуцер 32 слива отработанного экстрагента путем открытия вентиля 33. Древесная масса сепарируется от отработанного экстрагента фильтрующей насадкой 30. Вентиль 33 закрывается и в приемный резервуар подается экстрагент водный раствор гидроксида натрия с массовой долей гидроксида натрия 2% и температурой 25°С. Экстрагент заливается через штуцер 27 путем открытия вентиля 28. Количество заливаемого экстрагента равно количеству экстрагента этанол-вода, используемого для извлечения растворов сахаров. В результате экстракции происходит освобождение лигноуглеводного комплекса древесины от лигнина, как от нежелательной примеси. По истечении времени экстракции прекращается работа мешалки и масса в виде реакционноспособного продукта с высоким содержанием целлюлозы (техническая целлюлоза) с отработанным раствором отводится из приемного резервуара через клапан выгрузки 29 на промывку и дальнейшую химическую переработку с возможным получением ценных химических продуктов.

Время цикла двухэтапной экстракции совпадает с суммарным временем на прогрев, загрузку и обработку щепы в реакторе. Таким образом, во время первой ступени экстракции происходит обработка материала в загрузочном устройстве, а во время второй ступени экстракции происходит загрузка и обработка материала в реакторе. Такая организация работы установки и ее конструкция позволяют достичь полунепрерывности процесса и, следовательно, высокой производительности установки.

Предлагаемая установка для получения технической целлюлозы взрывным методом позволяет сократить продолжительность обработки материала, увеличить степень разделения на волокна частиц автогидролизованной древесины, провести максимальную рекуперацию тепла водяного пара, достичь высокой производительности за счет организации полунепрерывного процесса. Главным преимуществом изобретения является организация двухэтапной очистки автогидролизованной древесины в циклоне и приемном резервуаре от растворов сахаров и лигнина, как нежелательных примесей. Это позволяет получить реакционноспособный продукт с высоким содержанием целлюлозы (техническую целлюлозу), дальнейшая переработка которого может привести к получению целого ряда ценных химических продуктов.

Изобретение обеспечивает снижение энергозатрат на процесс получения технической целлюлозы взрывным методом и получение продукта высокого качества, имеющего более широкую область применения.