Способ получения целлюлозного полуфабриката

Способ касается получения целлюлозы из древесины и может быть использован в целлюлозно-бумажной промышленности при производстве различных видов бумаги и картона. Способ включает пропитку древесной щепы водным раствором гидроксида натрия или гидроксида калия с концентрацией 80…180 г/л в ед. Na₂O, содержащим гидразин в количестве 20...25% к массе сухой древесины, при температуре 20…40°С в течение 6…24 ч. Отбирают стекающую жидкую фазу. Добавляют в массу изобутиловый спирт, повышают температуру до 120…150°С и осуществляют варку при этой температуре в течение 1…4 ч. Обеспечивается повышение выхода целлюлозы, снижение расхода гидразина, щелочи, энергетических затрат и упрощение технологии. 1 табл.

 

Изобретение относится к области производства целлюлозы из растительного сырья, в частности к способам получения целлюлозного полуфабриката с применением щелочей и спиртов, предназначенного для изготовления бумаги и картона различного назначения, и может найти применение в целлюлозно-бумажной промышленности.

Известен способ получения целлюлозы из целлюлозосодержащего материала варкой смесью этанол-щелочь при повышенных температурах и давлении (Marton R., Crenzow S. Ethanol alkaline pulping. TAPPI Journal, 1981, 65, №6, р.103-106). Процесс делигнификации по этому способу происходит более быстро и эффективно, чем по натронному способу, и сравним с сульфатной варкой. Получаемая по этому способу целлюлоза имеет более высокий по сравнению с натронной варкой выход, но более низкие показатели механической прочности, особенно разрывной длины.

Известен также варочный раствор для получения целлюлозы, который состоит из гидроксида натрия, метанола, гидразина и воды (Кирюшина М.Ф., Зарубин М.Я., Опарин В.Н., Троицкий В.В., Чиркин Г.С. АС SU 1060729 А,15.12.83, БИ №46). С помощью этого раствора можно получить целлюлозу более высокого выхода с меньшим содержанием лигнина по сравнению с варкой в растворе, содержащем гидроксид натрия, метанол и воду. Однако применение чрезвычайно ядовитого и летучего реагента - метанола - в составе варочного раствора потребует повышенных мер по технике безопасности, а для достижения дополнительного ускорения процесса делигнификации и повышения выхода целлюлозы необходим высокий расход гидразина на варку.

Наиболее близким по технической сущности и назначению к предлагаемому изобретению является способ получения целлюлозы варкой древесной щепы водным раствором, содержащим гидроксид натрия, гидразин и этиловый спирт при содержании последнего в растворе 30…50 об.% (Пазухина Г.А., Дао Ши Шань. Авт. Свид. СССР №1542983 15.02.90 БИ №6). Щепу древесины сосны загружают в автоклав, заливают водный раствор, содержащий заданное количество этилового спирта, гидразин и гидроксид натрия, расход последних равен соответственно 15 и 17% от массы древесной щепы. Температуру поднимают до 170°С за 2 ч и проводят варку при этой температуре в течение 55 и 75 мин. Выход целлюлозы по данному способу составляет 52…54%.

Недостатками указанного способа являются высокие энергетические затраты на процесс варки и регенерацию этилового спирта (ректификацию), высокий расход гидразина и щелочи и низкий выход разделяющегося на волокна целлюлозного полуфабриката.

Новыми положительными результатами предлагаемого способа являются снижение энергетических затрат на процесс варки и регенерацию спирта, уменьшение расхода гидразина и щелочи, расширение диапазона выходов целевого продукта в сторону его увеличения.

Указанные результаты достигаются тем, что в предлагаемом способе древесную щепу пропитывают водным раствором гидроксида натрия или гидроксида калия, содержащим гидразин, сливают оставшийся после пропитки раствор, частично заменяют его на изобутиловый спирт и проводят варку. Согласно изобретению в качестве пропиточного раствора используют водный раствор гидроксида натрия или гидроксида калия концентрацией 80…180 г/л в ед. Na₂O, содержащий гидразин в количестве 20…25% к массе сухой древесины. Щепу выдерживают в пропиточном растворе при естественной пропитке при температуре 20…40°С в течение 6…24 ч, а при принудительной пропитке - 30…60 мин. По окончании пропитки и отбора жидкой фазы добавляют изобутанол в количестве до 40% от объема отобранной жидкой фазы, температуру массы быстро повышают до 120…150°С и проводят варку на этой температуре в течение 1…4 ч в зависимости от желаемой степени делигнификации целлюлозы. Отобранный после пропитки раствор используют повторно. Изобутиловый спирт ограниченно смешивается с водой, не растворяет гидразин и щелочи, расход его практически отсутствует, так как он легко отслаивается от водных растворов и используется повторно. Повышение выхода целлюлозного полуфабриката происходит как за счет смещения точки разделения древесной щепы на волокна в сторону высокого содержания лигнина, так и в результате лучшей сохранности углеводных компонентов.

Испытание предлагаемого способа на примере переработки щепы древесины сосны и березы проводили в лабораторных условиях с использованием автоклавов, обогреваемых в глицериновой бане с высокой скоростью подъема температуры. Во всех примерах осуществления способа берут по 30 г воздушно сухой щепы, загружают в автоклав объемом 400 мл, заливают 150 мл водного раствора гидроксида натрия или гидроксида калия заданной концентрации с содержанием гидразина 30 г/л, автоклав закрывают и выдерживают при комнатной температуре в течение 18 ч. По окончании пропитки из автоклава отбирают 100 мл пропиточного раствора и добавляют 75 мл изобутилового спирта. Автоклав герметично закрывают, помещают в глицериновую баню, нагревают до конечной температуры в течение 30 мин. Варку на конечной температуре ведут в течение 1…4 ч. В примерах меняют следующие параметры: вид щелочи и ее концентрацию в пропиточном растворе, конечную температуру и продолжительность варки на конечной температуре.

Измеряют выход продукта и содержание в нем лигнина и показатели механической прочности.

Пример 1. В автоклав загружают 30 г воздушно сухой древесины сосны, заливают 150 мл раствора гидроксида калия с концентрацией 140 г/л в ед. Na₂O, содержащего гидразин в количестве 30 г/л, автоклав закрывают крышкой и выдерживают при комнатной температуре в течение 18 ч. По окончании пропитки автоклав вскрывают, сливают 100 мл отработанного пропиточного раствора, заливают 75 мл изобутилового спирта, автоклав герметично закрывают, помещают в быстро нагреваемую глицериновую баню, в течение 30 мин температуру поднимают до 140°С и проводят варку на этой температуре в течение 2 ч. Выход целлюлозы 60,2%, содержание лигнина 12,8%.

Пример 2. Варку проводят так же, как в примере 1, но увеличивают конечную температуру до 145°С и выдерживают автоклав при этой температуре в течение 3 ч. Выход целлюлозы 52,5%, содержание лигнина 6,4%.

Пример 3. Варку проводят так же, как в примере 2, заменяя используемый на пропитку раствор гидраксида калия на гидроксид натрия равной концентрации. Выход целлюлозы 52,0%, содержание лигнина 6,9%.

Пример 4. Для варки используют древесину березы. Варку проводят так же, как в примере 1, с той лишь разницей, что для пропитки применяют раствор гидроксида калия с концентрацией 110 г/л в ед Na₂O, а варку на температуре 140°С продолжают 2 ч. Выход целлюлозы 49,0%, содержание лигнина 3,5%.

Пример 5. Варку проводят так же, как в примере 4, понижая только температуру варки до 130°С и увеличивая продолжительность варки на этой температуре до 3 ч. Выход целлюлозы 49,3, содержание лигнина 4,2%.

Пример 6. Варку проводят в тех же условиях, как в примере 5, но понижают концентрацию раствора гидроксида калия до 80 г/л в ед. Na₂O и увеличивают время варки на конечной температуре до 4 ч. Выход целлюлозы 53,8%, содержание лигнина 6,4%.

Пример 7 (по прототипу). 30 г щепы древесины сосны загружают в автоклав, заливают 134 мл водного раствора, содержащего 40 об.% этилового спирта и гидроксид натрия и гидразин, расход которых равен соответственно 17 и 15% от массы древесной щепы. Температуру поднимают до 170°С за 2 ч и проводят варку при этой температуре 75 мин. Выход целлюлозы 52,2%, содержание лигнина 6,2%.

Полученные данные по эффективности процесса сведены в таблицу.

Предлагаемый способ позволяет уменьшить температуру варки, понизить расход гидразина и щелочи, расширить диапазон выходов целлюлозы в сторону повышения, повторно использовать изобутиловый спирт без ректификации.

№ п/п	Условия процесса и показатели качества целлюлозы	Известный способ	Предлагаемый способ
1.	Температура варки, °С	170	120…150
2.	Продолжительность варки, ч	3	1,5…4,5
3.	Расход гидразина на варку, %	15	5…8
4.	Выход целлюлозы, %	52…54	47…64
5.	Содержание лигнина, %	3…5	1…14
6.	Разрывная длина, км	9…10	7…10
7.	Сопротивление продавливанию, кПа	450…500	300…500
8.	Сопротивление раздиранию, мН	800…850	500…900

Способ получения целлюлозного полуфабриката, включающий варку древесины водным раствором щелочи в присутствии гидразина и изобутилового спирта, отличающийся тем, что варку осуществляют в две ступени, при этом первую ступень - пропитку - проводят водным раствором щелочи с концентрацией 80…180 г/л в ед. Na₂O, содержащим гидразин в количестве 15…25% от массы абс. сух. древесины, при температуре 20…50°С в течение 6-24 ч, в массу после отбора стекающей жидкой фазы добавляют изобутиловый спирт, температуру массы повышают до 120…145°С и варку при этой температуре проводят в течение 1…4 часов.