Способ обработки волокнистой массы химическим реагентом и установка для его осуществления

 

Сущность изобретения: способ обработки волокнистой массы химическим реагентом включает подачу в камеру смешения волокнистой массы высокой концентрации и газообразного транспортного агента, подачу полученной смеси и химического реагента в проточный трубчатый реактор с последующим аккумулированием ее в камере аккумулирования обработанного волокнистого материала. Полученную смесь волокнистой массы и газообразного транспортного агента подают в проточный трубчатый реактор, выполненный в виде спирали> навитой на камеру аккумулирования обработанной волокнистой массы, при соотношении диаметра трубы проточного трубчатого реактора к диаметру его витка, равном 1:18-1:60. Химический реагент подают непосредственно в проточный трубчатый реактор через сопла, расположенные по длине проточного трубчатого реактора. Обработку полученной реакционной массы проводят в последнем в турбулентном режиме движения со скоростью потока 1 - 50 м/с. Установка для обработки волокнистой массы химическим реагентом содержит камеру для загрузки волокнистой массы высокой концентрации, камеру смешения волокнистой массы с газообразным транспортным агентом, снабженную средством для ввода газообразного транспортного агента, проточный трубчатый реактор, соединенный на входе с камерой смещения, а на своем выходе с камерой аккумулирования обработанной волокнистой массы, средство для ввода химического реагента. Проточный трубчатый реактор выполнен в виде спирали, навитой на камеру аккумулирования обработанной волокнистой массы, при соотношении диаметра трубы реактора к диаметру его витка, равном 1:18 - 1:60. 2 с. и 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к способу обработки волокнистой массы химическим реагентом и к установке для его осуществления и может быть использовано в целлюлозно-бумажной промышленности для обработки целлюлозы отбеливающим реагентом.

В настоящее время обработку волокнистой массы, в частности целлюлозной волокнистой массы, химическими реагентами проводят различными способами. Известны процессы обработки целлюлозной волокнистой массы газообразным хлором во взвешенном состоянии [1, 2]. Известен процесс хлорирования целлюлозной или подобной массы в колонне-адсорбере [3]. Известны процессы отбелки волокнистой массы газообразными реагентами, в том числе озоном, кислородом, хлором, в реакторах башенного типа [4]. Известны способы обработки волосистой целлюлозной массы газообразными реагентами с использованием устройств, снабженных бесконечной транспортирующей лентой для поддерживания слоя массы [5].

Однако все перечисленные способы характеризуются недостаточным массообменом в реакционной зоне, низким коэффициентом использования реагента, недостаточным качеством обработанного продукта. Используемые в этих процессах не позволяют проводить высококонцентрированной волокнистой массы и характеризуются высокой металлоемкостью и сложностью обслуживания.

Наиболее близким к предложенному способу является известный способ обработки волокнистого материала газообразным реагентом в струйном реакторе, который в известной мере преодолевает указанные выше недостатки [6]. Известный способ может быть использован в процессе отбелки целлюлозы газообразным реагентом. Способ предусматривает подачу волокнистого материала с концентрацией от 15% и выше по абсолютно сухому веществу через камеру для загрузки в камеру смешения с газообразным реагентом с последующей подачей полученной реакционной смеси в струйный реактор, соединенный на выходе с камерой аккумулирования обработанного волокнистого материала. Основной недостаток известного способа заключается в том, что он не обеспечивает достаточно интенсивного массообмена в реакционной зоне и равномерного распределения реагента по всему объему слоя массы. Следствием этого является низкий коэффициент использования реагента и невысокое качество обработанной целлюлозной массы (степень белизны не превышает 55%).

Изобретение направлено на создание высокоэффективного способа обработки волокнистой массы химическим реагентом, обеспечивающего равномерную обработку материала по всему объему слоя реакционной массы, снижение расхода реагента, высокое качество обработанной волокнистой массы (в частности, повышение степени белизны целлюлозной массы), возможность обработки волокнистой массы высокой концентрации с использованием различных химических реагентов, как в газообразном, так и в жидком состоянии.

Поставленная задача решается путем предварительного смешения волокнистой массы высокой концентрации с газообразным транспортным агентом в камере смещения с последующей подачей полученной смеси в проточный трубчатый реактор, выполненный в виде спирали, навитой на камеру для аккумулирования обработанной волокнистой массы, при соотношении диаметра трубы проточного трубчатого реактора к диаметру его витка, равном 1:18 - 1:60 при этом химический реагент подают непосредственно в реактор через сопла, расположенные по длине проточного трубчатого реактора, и обработку проводят в турбулентном режиме движения со скоростью потока реакционной смеси в реакторе 1 - 50 м/с.

Предложенный способ отличается от известного тем, что химический реагент подают непосредственно в проточный трубчатый реактор через распределенные по его длине сопла и обработку проводят в турбулентном режиме движения со скоростью потока реакционной смеси в реакторе 1 - 50 м/с. При этом проточный трубчатый реактор выполнен в виде спирали, завитой на камеру аккумулирования обработанной волокнистой массы, при соотношении диаметра трубы проточного трубчатого реактора к диаметру его витка 1:18 - 1:60.

Проведение процесса обработки волокнистой массы высокой концентрации в турбулентном потоке реакционной смеси, движущейся в реакторе со скоростью потока 1 - 50 м/с, позволяет значительно интенсифицировать массообменные процессы в реакционной зоне. Турбулентный режим движения потока реакционной смеси в проточном трубчатом реакторе обеспечивается в заявленном интервале скоростей его движения и при заявленном соотношении диаметров трубы проточного трубчатого реактора и его витка. Подача химического реагента непосредственно в проточный трубчатый реактор через сопла, расположенные по длине проточного трубчатого реактора, способствует равномерной обработке волокнистого материала по всему объему слоя реакционной массы, а также дополнительному перемешиванию реакционной смеси. Волокнистая масса, частично диспергированная потоком газообразного транспортного агента в камере смешения, перемещаясь со скоростью потока 1 - 50 м/с в реакторе, выполненном в виде спирали при соотношении диаметра трубы реактора к диаметру его витка, равном 1: 18 - 1: 60, подвергается дальнейшему диспергированию под воздействием сил, действующих на поток со стороны стенок проточного трубчатого реактора. Такое дополнительное расслоение волокон способствует увеличению реакционной поверхности, что в свою очередь приводит к практически 100%-му использованию химического реагента. Анализ реакционной массы на выходе из проточного трубчатого реактора показывает отсутствие в ее составе химического реагента. Выполнение проточного трубчатого реактора в виде спирали, навитой на камеру аккумулирования, обеспечивает компактность установки и сокращение производственных площадей.

Необходимая степень перемешивания и диспергирования волокнистой массы высокой концентрации, и как следствие, высокая эффективность процесса обработки химическим реагентом, достигается в заявленных интервалах значений скорости движения реакционного потока в проточном трубчатом реакторе (1 - 50 м/с) и соотношения диаметров трубы проточного трубчатого реактора и его витка (1: 18-60). При движении потока реакционной массы со скоростью менее 1 м/с создаются нестабильные условия обработки, движение реакционной массы приобретает преимущественно пульсационный характер, вследствие этого снижаются все показатели процесса - степень белизны, коэффициент использования реагента и т. п. Повышение скорости более 50 м/с приводит к излишним энергетическим затратам. Уменьшение заявленного соотношения диаметра трубы проточного трубчатого реактора к диаметру его витка приводит к нестабильной работе проточного трубчатого реактора, при увеличении указанного соотношения резко падает качество обработанного продукта.

В предложенном способе волокнистую массу высокой концентрации предварительно смешивают с газообразным транспортным агентом.

При этом наиболее предпочтительно проводить смешение в массовом соотношении волокнистая масса : транспортный газообразный агент, равном 10-60:1. При увеличении указанного соотношения выше 60:1 возможна аварийная ситуация, вызванная забивкой проточного трубчатого реактора, а уменьшение соотношения ниже 10:1 экономически нецелесообразно.

Используемый в процессе химический реагент может представлять собой как газ, например кислород, озон или хлор, так и жидкость, например водный раствор двуокиси хлора или перекиси водорода.

Если химический реагент представляет собой газообразное вещество, то его целесообразно использовать и как газообразный транспортный агент. В таком случае часть газообразного химического реагента подают в камеру смешения в качестве транспортного газообразного агента и полученную смесь транспортируют в проточный трубчатый реактор. Остальную часть газообразного химического реагента подают непосредственно в проточный трубчатый реактор через специальные сопла, расположенные по его длине.

В качестве транспортного газообразного агента можно использовать воздух или перегретый пар. Чаще всего воздух используют как транспортный газообразный агент при обработке волокнистой массы водными растворами окислителя.

Способ позволяет обрабатывать высококонцентрированную волокнистую массу с концентрацией абсолютно сухого вещества 35 - 90 мас.%.

На фиг. 1 представлена схема установки для обработки волокнистой массы химическим реагентом; на фиг. 2 изображены устройство для подачи волокнистой массы, камера смешения и средство для ввода транспортного газообразного реагента.

Установка содержит камеру смещения 1 волокнистой массы и транспортного газообразного агента, имеющую устройство 2 для загрузки волокнистой массы и средство 3 для ввода транспортного газообразного агента, которое может быть выполнено в виде подводящего трубопровода, соединенный на входе с камерой смешения проточный трубчатый реактор 4, выполненный в виде спирали, навитой на камеру для аккумулирования 5 обработанной волокнистой массы. Соотношение диаметра трубы проточного трубчатого реактора к диаметру его витка равно 1: 18 - 1:60. Проточный трубчатый реактор снабжен соплами 6 для подачи химического реагента, расположенными по его длине. Камера аккумулирования 5 соединена с выходом проточного трубчатого реактора и имеет устройство 7 для перекачивания обработанной массы и средство 8 для отвода отработанного газа.

Для загрузки волокнистой массы в камеру смешения 1 используют известное устройство, которое состоит из бункера 9, шнека 10, заключенного в кожух 11, который снабжен перфорацией 12 для вытеснения газа из волокнистой массы, и обратного клапана 13.

Конкретные размеры и материалы отдельных узлов установки определяются видом волокнистой массы и химического реагента, условиями обработки и скоростью протекания реакции.

Способ осуществляют следующим образом.

Волокнистую массу, пропитанную реакционной жидкостью (например, водным раствором щелочи) подают в бункер 9 устройства 2 для загрузки волокнистой массы откуда шнеком 10 волокнистая масса поступает на выход устройства, где она уплотняется в "массную пробку". В процессе образования "массной пробки" из нее вытесняется воздух, который через отверстия перфорации 12 выводится из устройства 2 для загрузки волокнистой массы. Образование "массной пробки" сопровождается возрастанием давления на обратный клапан 13. Как только это давление становится выше давления в камере смешения 1, обратный клапан 13 открывается и порция волокнистой массы попадает в камеру смещения 1. Газообразный транспортный агент, подаваемый в камеру смешения 1 через средство 3 для его ввода, разбивает волокнистую массу на волокна. Предпочтительно, газообразный транспортный агент подают в массовом соотношении волокнистая масса: газообразный транспортный агент, равном 10 - 60:1. Из камеры смещения 1 волокнистая масса, разбитая на отдельные волокна, транспортируется потоком газообразного транспортного агента в проточный трубчатый реактор 4, который выполнен в виде спирали, навитой на камеру аккумулирования 5, при соотношении диаметра трубы проточного трубчатого реактора к диаметру его витка, равном 1: 18 - 1:60. Химический реагент подают непосредственно в проточный трубчатый реактор через сопла 6 для подачи химического агента, расположенные по его длине. Скорость подачи в реактор смеси волокнистой массы с газообразным транспортным агентом и скорость подачи в проточный трубчатый реактор химического реагента регулируют таким образом, чтобы скорость движения потока полученной реакционной массы в реакторе составляла 1 - 50 м/с. Обработанная реакционная масса транспортируется в камеру аккумулирования 5. В случае проведения процесса отбелки целлюлозы камера аккумулирования представляет собой башню высокой концентрации, где обработанную массу аккумулируют и перекачивают с помощью устройства 7 для дальнейшей обработки и перекачки обработанной массы предусмотренной технологическим регламентом производства, а отработанный газ через средство 8 для отвода либо возвращают для повторного использования, либо выбрасывают в в атмосферу.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Целлюлозную массу, отжатую до содержания абсолютно сухого вещества 30 мас.% и пропитанную реакционной жидкостью (водным раствором щелочи), подвергают обработке отбеливающим реагентом. Содержание лигнина в исходном продукте в единицах Каппа составляет 30. Обработку проводят при следующих условиях. Отбеливающий реагент - кислород. В качестве транспортного газообразного агента используют смесь кислорода и воздуха. Массовое соотношение целлюлозная масса: транспортный газообразный агент составляет 20:1. Время обработки 3 мин. Скорость движения потока реакционной массы в проточном трубчатом реакторе 1,33 м/с. Соотношение диаметра трубы проточного трубчатого реактора к диаметру его витка 1:26. Давление в реакторе 1 кг/см². Температура реакционной среды 60^oC. Обработку проводят в соответствии с вышеописанным способом. После обработки содержание лигнина в целлюлозной массе в единицах Каппа составляет 15. Расход химического реагента 19,7 кг в расчете на тонну целлюлозной массы. Анализ обработанной целлюлозной массы на выходе из проточного трубчатого реактора показал практически полное отсутствие отбеливающего реагента в ее составе.

Пример 2. Целлюлозную массу с качественными показателями, как в примере 1, подвергают обработке отбеливающим реагентом. Обработку проводят при следующих условиях. Отбеливающий реагент - 1,5%-ный водный раствор перекиси водорода. В качестве транспортного газообразного агента используют воздух. Массовое соотношение целлюлозная масса: транспортный газообразный агент составляет 20:1. Время обработки 3 мин. Скорость движения потока реакционной массы в проточном трубчатом реакторе 1,33 м/с. Соотношение диаметра трубы проточного трубчатого реактора к диаметру его витка 1:26. Давление в проточном трубчатом реакторе 1 кг/см². Температура реакционной среды 60^oC. Обработку проводят в соответствии с вышеописанным способом. После обработки содержание лигнина в целлюлозной массе в единицах Каппа составило 12. Расход химического реагента 12 кг в расчете на тонну целлюлозной массы. Анализ обработанной целлюлозной массы на выходе из проточного трубчатого реактора показал практически полное отсутствие отбеливающего реагента в ее составе.

Для сравнения при отбелке аналогичной целлюлозной волокнистой массы известным способом [6] содержание лигнина в обработанной целлюлозной массе в единицах Каппа составляет 27. На выходе из реактора наблюдается проскок отбеливающего реагента. Степень использования реагента не превышает 15%.

Как видно из представленных данных, изобретение позволяет осуществить высокоэффективную обработку волокнистой массы высокой концентрации химическим реагентом, а именно - снизить расход химического реагента и повысить качество обработанного волокнистого материала за счет интенсифицирования массообменных процессов и равномерного распределения химического реагента по всему объему слоя реакционной массы. Способ и установка по изобретению разработанная для его осуществления, позволяют проводить обработку волокнистой массы высокой, концентрации с использованием химического реагента как в газообразном, так и в жидком состоянии, а разработанная конструкция проточного трубчатого реактора установки значительно сокращает ее металлоемкость и производственные площади.

Формула изобретения

1. Способ обработки волокнистой массы химическим реагентом, включающий подачу в камеру смешения волокнистой массы высокой концентрации и газообразного транспортного агента, подачу полученной смеси и химического реагента в проточный трубчатый реактор с последующим аккумулированием ее в камере аккумулирования обработанного волокнистого материала, отличающийся тем, что полученную смесь волокнистой массы и газообразного транспортного агента подают в проточный трубчатый реактор, выполненный в виде спирали, навитой на камеру аккумулирования обработанной волокнистой массы, при соотношении диаметра трубы проточного трубчатого реактора и диаметра его витка 1 18 1 60, а химический реагент подают непосредственно в проточный трубчатый реактор через сопла, расположенные по длине проточного трубчатого реактора, причем обработку полученной реакционной массы проводят в последнем в турбулентном режиме движения со скоростью потока 1 50 м/с.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что волокнистую массу смешивают с газообразным транспортным агентом в массовом соотношении 10 60 1.

3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что химический реагент представляет собой газообразный реагент, например озон, кислород или хлор.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что химический газообразный реагент одновременно используют как транспортный агент.

5. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что химический реагент представляет собой водный раствор, например, перекиси водорода или двуокиси хлора.

6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что газообразный транспортный агент представляет собой воздух или перегретый пар.

7. Установка для обработки волокнистой массы химическим реагентом, содержащая камеру для загрузки волокнистой массы высокой концентрации, камеру смешения волокнистой массы с газообразным транспортным агентом, снабженную средством для ввода газообразного транспортного агента, проточный трубчатый реактор, соединенный на входе с камерой смешения, а на своем выходе с камерой аккумулирования обработанной волокнистой массы, средство для ввода химического реагента, отличающаяся тем, что проточный трубчатый реактор выполнен в виде спирали, навитой на камеру аккумулирования обработанной волокнистой массы, при соотношении диаметра трубы проточного трубчатого реактора и диаметра его витка 1 18 1 60, а средство для ввода химического реагента выполнено в виде сопл, расположенных по длине проточного трубчатого реактора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2