Способ получения сульфатной целлюлозы из смеси щепы разных пород древесины
Изобретение относится к технологиям получения целлюлозы по сульфатному способу варки и может быть использовано в целлюлозно-бумажной промышленности. Способ получения сульфатной целлюлозы из смеси щепы разных пород древесины включает использование трех последовательно связанных между собой по жидким фазам варочных котлов периодического действия, их загрузку смесью щепы из разных пород древесины, включающих древесину лиственницы, сосны, ели, березы, осины, предварительную двухступенчатую обработку смеси экстракцией водой на первой ступени и черным щелоком на второй, выведение экстракта из котла, подачу в котел варочного раствора, переработку экстракта с получением арабиногалактана. Обе обработки экстракцией проводят в трех связанных между собой по жидким фазам котлах путем их последовательного заполнения каждой из жидких фаз с выводом водного экстракта путем его вытеснения из котлов черным щелоком и выводом черного щелока путем его вытеснения варочным раствором. Обеспечивается выравнивание характеристик щепы всех пород древесины и повышение концентрации арабиногалактана в водном экстракте. 3 з.п. ф-лы, 1 табл., 3 пр.
Изобретение относится к технологиям получения целлюлозы по сульфатному способу варки и может быть использовано в целлюлозно-бумажной промышленности.
Известно, что оптимальные режимы варок щепы из разных пород древесины при получении целлюлозы, например, с одинаковым значением числа Каппа значительно различаются по длительности и/или температуре варки и/или расходу варочных химикатов, а также по степени влияния на указанный параметр целлюлозы технологии предварительной обработки щепы, например, пропариванием, удалением из щепы некоторых веществ экстракцией водой или иным экстрагентом, пропиткой черным щелоком и т.п. Поэтому при варке смеси щепы из разных пород древесины следует подобрать такую технологию предварительной обработки смеси, которая в максимальной степени усреднила бы характеристики всей щепы. Это особенно важно при наличии в смеси древесины лиственницы. В этом случае следует учесть, что эта древесина содержит арабиногалактан (АГ), который, с одной стороны, затрудняет варку содержащей его щепы, а с другой - является весьма ценным продуктом. Соответственно, в технологии предварительной обработки следует предусмотреть получение АГ с приемлемыми издержками.
Известен способ получения сульфатной целлюлозы в котле периодического действия, включающий его загрузку щепой, ее предварительную обработку черным щелоком при температуре 130-145°C в течение 10-30 мин, варку целлюлозы (SU, №1838487, D21C 3/02, опубл. 30.08.1993 г.). Щелок для обработки щепы отбирают из другого котла после завершения в нем варки путем вытеснения промывочным щелоком. Цель использования такой схемы предварительной обработки - интенсификация варочного процесса, упрощение оборудования для регенерации тепла горячего черного щелока, сокращение расхода пара на варку. В примерах породный состав щепы не указывается, но очевидно, что при наличии щепы лиственницы в составе смеси щепы разных пород получить АГ по этому способу практически невозможно.
Наиболее близким аналогом к предлагаемому способу является способ получения сульфатной целлюлозы из щепы лиственницы (SU, №1595977, МПК D21C 3/02, 1/02, опубл. 30.09.1990 г.). Этот способ с использованием котла периодического действия включает его загрузку щепой из древесины лиственницы, водную обработку щепы при температуре 100-120°C, выведение отработанного раствора из котла, его переработку с получением арабиногалактана, подачу в котел варочного раствора, варку щепы, выведение из котла продуктов варки.
По существу, водную среду, направляемую на обработку щепы, можно назвать экстрагентом, операцию обработки - экстракцией щепы, а водную среду после обработки - экстрактом.
Этот способ предназначен для получения из щепы лиственницы целлюлозы различного назначения, а также экстрагированных из щепы АГ и флавоноидов.
Недостаток способа заключается в том, что при обработке смеси щепы, включающей лиственничную, эффективность водной обработки, в плане выравнивания характеристик щепы древесины всех пород в смеси перед ее варкой, незначительна. Кроме этого, концентрация АГ в экстракте мала и извлекать его из экстракта экономически невыгодно.
Новые технические результаты от использования предлагаемого изобретения заключаются в повышении однородности и качества целлюлозы благодаря выравниванию характеристик щепы из разных пород древесины в процессе предварительной обработки смеси, а также в упрощении и удешевлении процесса переработки экстракта с получением АГ благодаря повышению его концентрации в экстракте.
Указанные результаты достигаются тем, что в способе получения сульфатной целлюлозы из смеси щепы разных пород древесины, включающем использование котла периодического действия, его загрузку щепой древесины из ряда пород, содержащего лиственницу, ступень экстракции щепы путем ее обработки водной средой при повышенной температуре в течение заданного времени с получением экстракта, выведение его и переработку с получением арабиногалактана, подачу в котел варочного раствора, варку щепы, выведение из котла продуктов варки, согласно изобретению, ряд пород дополнительно включает древесину сосны, ели, березы, осины, смесь щепы после обработки водной средой дополнительно обрабатывают горячим черным щелоком, при этом обе обработки проводят в трех связанных между собой по жидким фазам котлах путем их последовательного заполнения каждой из жидких фаз с выводом водного экстракта его вытеснением из котлов черным щелоком и выводом черного щелока вытеснением варочным раствором. Доля щепы древесины лиственницы в общей массе щепы составляет 20-80%. Щепу обрабатывают водой и черным щелоком при их температуре 95-98°C. Экстракт используют для обработки свежей щепы.
Предлагаемый способ может быть реализован следующим образом. Готовят смесь щепы из разных пород древесины, включая лиственницу. Определяют содержание АГ в лиственничной щепе. В лабораторных условиях проводят водную обработку этой щепы при температуре 95-98°C и по зависимости концентрации АГ в экстракте от длительности экстрагирования определяют длительность эффективной экстракции АГ (τэф.), а также степень его извлечения за этот промежуток времени. τэф принимают равной 25 мин, степень извлечения АГ - 40%. Оценивают остаточное содержание АГ в щепе.
Далее эту же порцию щепы обрабатывают черным щелоком при температуре 95-98°C в течение τэф. Определяют степень извлечения АГ этим экстрагентом, оценивают конечное содержание АГ в щепе после обеих обработок и степень «очистки» щепы от АГ. Степень извлечения АГ черным щелоком составляет 47%, в расчете на его содержание в щепе после водной экстракции. Суммарная степень «очистки» составляет 70-72%.
В промышленном процессе получения целлюлозы смесь щепы с известной долей в ней лиственничной щепы загружают с уплотнением и смачиванием спрыском в три варочных котла периодического действия, связанные между собой по жидким фазам. В первый котел подают воду со скоростью, обеспечивающей заполнение котла со щепой за 25 мин и в количестве, обеспечивающем значение гидромодуля не более 1:3, в расчете на сухую щепу. После полного заполнения водой первого котла ее продолжают подавать в течение еще трех минут. После этого в первый котел с такой же скоростью начинают подавать черный щелок. Добавленный за 3 мин слой воды (это ~ 12% объема жидкой фазы в котле) служит буфером между черным щелоком и экстрактом и исключает его загрязнение щелоком.
При заполнении первого котла щелоком подачу его прекращают и начинают подавать варочный раствор, который вытесняет щелок из первого котла во второй. При этом щелок вытесняет из второго котла экстракт и буферный слой воды в третий котел. При последовательном заполнении котлов варочным раствором на выходе третьего котла последовательно отбирают сначала водный экстракт, который направляют в бак-аккумулятор, затем буферный слой, который можно использовать, например, для промывки сваренной целлюлозы и, наконец, черный щелок, который направляют в систему регенерации варочных химикатов.
При перепуске жидкой фазы из котла в другой котел каждую жидкую фазу нагревают до 95-98°C.
При заполнении третьего котла варочным раствором его подачу прекращают. Котлы готовы к варке целлюлозы. В итоге щепа во всех котлах прошла одинаковую обработку в две ступени. В результате водной обработки тройного объема щепы получают экстракт с высокой концентрацией АГ. Его направляют в бак-аккумулятор. В котлах щепа залита одинаковым по составу варочным раствором. Целлюлозу варят в одинаковых режимах с раздельной рециркуляцией варочного раствора в каждом из котлов. После завершения варки котлы опорожняют. Часть черного щелока направляют в бак-хранилище. Остальную часть направляют в систему регенерации варочных химикатов. После опорожнения котлов приступают ко второму циклу котлооборота. Котлы вновь загружают щепой. В первый котел на водную обработку подают отфильтрованный экстракт из бака-аккумулятора (например, с добавкой воды). Использование этого приема позволяет увеличивать концентрацию АГ в экстракте или же поддерживать ее на высоком уровне с обеспечением максимальной степени извлечения АГ из щепы водой и возможности отбора части экстракта на переработку. Черный щелок на вторую ступень обработки щепы подают из бака-хранилища. Остальные операции процесса получения целлюлозы аналогичны описанным выше.
Одинаковы также все последующие циклы котлооборота.
Следующие примеры иллюстрируют возможности предлагаемого способа. При их выполнении используют лабораторную установку, включающую автоклав с системами рециркуляции жидких фаз, подогрева содержимого автоклава и жидких фаз до заданной температуры, выведения из автоклава каждой жидкой фазы вытеснением другой фазой, обеспечения заданных параметров режимов варок, а также баки-акккумуляторы для экстракта и черного щелока. Во всех примерах обработку щепы перед варкой ведут при гидромодуле 1:3, в расчете на сухую древесину, температуре экстрагентов 95-98°, длительности экстракции каждым из экстрагентов 25 мин, влажности (усредненной) загружаемой в автоклав щепы 50%. Образцы обработанной в две ступени щепы варят с рециркуляцией варочной жидкости. Каждый цикл обработки включает последовательную обработку трех одинаковых порций щепы (а, 6, в). Контрольные варки образцов обработанной щепы проводят в следующем режиме: подъем температуры с 95 до 140°C - 40 мин, выдержка при 140°С - 40 мин, подъем до 170°С - 40 мин, продолжительность варки при 170°С - 90 мин. Расход белого щелока в расчете на абсолютно сухую древесину, 22%, значение гидромодуля при варке - 1:4. В качестве параметров сравнения образцов сваренной целлюлозы используют ее выход, число Каппа и содержание в ней α-целлюлозы.
Пример 1. Для получения целлюлозы берут смесь щепы из древесины сосны, березы и лиственницы с массовой долей лиственничной щепы 20% и содержанием АГ в ней 19,8%. При последовательной экстракции по 25 мин в режиме рециклирования экстрагента трех порций щепы (это аналог процесса в установке из 3-х котлов) концентрация АГ в экстракте достигает 15,05 г/л. Остаточная концентрация АГ в щепе 9,8%. Эти же порции щепы последовательно обрабатывают черным щелоком. После этой обработки содержание АГ в лиственничной щепе ниже 5,0%. После замены черного щелока варочным раствором содержание щелока в щепе составляет ~ 10%. Все три порции (а, б, в) варят в одинаковых условиях. Результаты измерений параметров целлюлозы в образцах представлены в таблице.
Во втором цикле испытаний способа, также, как и в последующих, с использованием 3-х порций этой же щепы, на водную обработку первой порции подают экстракт от первого цикла или смесь экстрактов от предыдущих циклов. В остальном все операции аналогичны операциям в первом цикле. Концентрация АГ в экстракте после второго цикла - 29,3 5 г/л, после третьего - 42,93 г/л, после четвертого - 55,74 г/л, после пятого - 64,3 г/л. В шестом цикле на обработку щепы подают экстракт с добавкой свежей воды.
Для сравнения с первым циклом по степени выравнивания характеристик щепы в смеси все три порции щепы пятого цикла (а, б, в) варят в тех же условиях. Результаты анализов полученных образцов целлюлозы приведены в таблице.
Пример 2. Для получения целлюлозы берут смесь щепы из древесины ели, осины, а также лиственницы при массовой ее доле 50% и содержанием в ней АГ 13%. После первого цикла получают экстракт с содержанием АГ 24,7 г/л, после второго - 48,1 г/л, после третьего - 48 г/л. Соответственно в следующих циклах на первую ступень обработки щепы подают экстракт с добавкой воды.
Образцы щепы после первого и третьего цикла (а, б, в) варят по указанным выше режимам. Результаты анализа целлюлозы приведены в таблице.
Пример 3. Для получения целлюлозы берут щепу лиственницы с содержанием в ней АГ в количестве 6% с добавкой 20% березовой щепы. Экстракт после первого цикла содержит 18,24 г/л АГ. Расчетная концентрация АГ в воде внутри лиственничной щепки равна 24 г/л. В этом случае уже во втором цикле на обработку щепы подают смесь экстракта и воды в соотношении ~ 30:70. Все три порции обработанной в первом цикле щепы (а, б, в) варят, характеристики щепы измеряют.
Выводимый из процессов экстракт перерабатывают следующим образом. Сначала его очищают от смолистых веществ фильтрацией или напорной флотацией, затем концентрируют методом ультрафильтрации до содержания АГ в воде 25-26%. Затем высаживают АГ в ацетоне, осадок промывают ацетоном, высушивают и получают чистый АГ.
| Таблица | |||||||||||||||
| Характеристики целлюлозы | Пример 1 | Пример 2 | Пример 3 | ||||||||||||
| Цикл 1 | Цикл 5 | Цикл 1 | Цикл 2 | Цикл 1 | |||||||||||
| а | б | в | а | б | в | а | б | в | а | б | в | а | б | в | |
| Выход, % | 33,0 | 33,2 | 33,2 | 33,0 | 33,2 | 33,1 | 33,3 | 33,5 | 33,4 | 33,3 | 33,4 | 33,4 | 33,6 | 33,4 | 33,5 |
| Число Каппа, ед | 21,0 | 21,2 | 21,1 | 21,2 | 21,2 | 21,3 | 21,3 | 21,3 | 21,3 | 21,0 | 21,1 | 21,1 | 21,2 | 21,3 | 21,4 |
| Содержание α-целлюлозы, % | 94,03 | 94,00 | 94,01 | 94,01 | 94,04 | 95,92 | 93,84 | 93,85 | 93,7 | 94,01 | 94,01 | 93,9 | 94,65 | 94,3 | 94,6 |
1. Способ получения сульфатной целлюлозы из смеси щепы разных пород древесины, включающий использование котла периодического действия, его загрузку щепой древесины из ряда пород, содержащего лиственницу, ступень экстракции щепы путем ее обработки водной средой при повышенной температуре в течение заданного времени с получением экстракта, выведение его и переработку с получением арабиногалактана, подачу в котел варочного раствора, варку щепы, выведение из котла продуктов варки, отличающийся тем, что ряд пород дополнительно включают древесину сосны, ели, березы, осины, смесь щепы после обработки водной средой дополнительно обрабатывают черным щелоком, при этом обе обработки проводят в трех связанных между собой по жидким фазам котлах путем их последовательного заполнения каждой из жидких фаз с выводом водного экстракта его вытеснением из котлов черным щелоком и выводом черного щелока его вытеснением варочным раствором.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что доля щепы древесины лиственницы в общей массе щепы составляет 20-80%.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что щепу обрабатывают водой и черным щелоком при их температуре 95-98°C.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что экстракт используют для обработки свежей щепы.
