Способ получения целлюлозы
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
Союз Сеаетскмк
Соцмалмстмческмк
Республмк
1Р «« „Г«М ) . / Ф..-(61) Дополнительное к авт. сеид-ву (22) Заявлено 23.07. 80 (21) 2962460/д912 с присоединением заявки М (23) Приоритет Опубликовано 15.02.83, Бюллетень HP 6 Дата опубликовання описания 15,02. 83 Р )М К з 0 21 С 3/16 Государственный коннтет СССР но делан изобретений н открытий (33) УД (676.1,022. .1(088.8) (72) Авторы изобретения В..И.Сорокин, Г.Г.Бакина, A Ô.Ëè÷óòèí, В.В.Попов и В.Д.Кошкин 1 - -" -.. -:-" М Всесоюзное научно-производственное объеди ение„ целлюлозно-бумажной промышленности (71) Заявитель (54 ) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ Изобретение относится к способам ,получения целлюлозы иэ растительного сырья и может найти применение в целлюлозно-бумажной промышленности при производстве целлюлозы. Традиционные способы получения целлюлозы с применением азотной кислоты заключаютоя в двухступенчатой обработке сырья растворами химикатов — азотной кислотой на первой ступени варки и щелочью на второй ступени. Однако это длительный процесс, требующий значительного расхода химикатов. Для сокращения продолжительности процесса варки разрабатываются различные способы. Известен способ получения целлюлозы, в котором для интенсификации процесса применяют виброперемешива-. ние смеси щепы и раствора при амплитуде механических колебаний 0,5-2,0 мм и частоте 50 Гц. Возникающие при виброперемешивании колеба-. ния передаются раствору и щепе и ускоряют проникновение в капилляры древесной щепы, что дает воэможйость согратить продолжительность пропитки с четырех часов до получаса и исключить повреждение щепы C1). Недостатком этого способа является незначительное воздействие виб роперемешивания на внутренние слои щепы, а также необходимость проведения второй ступени варки, вследствие чего он оказался неэффективным. Известен способ азотнокислой варки, для интенсификации процесса которого применяют раствор азотной кислоты 8-20%, а для уменьшения расхода едкого натра щепу после варки подвергают промывке при темпе ратуре не выше 90 С в течение 15120 мин C 2 ). Недостатком такого способа также является малая эффективность, так как процесс идет в две ступени и требует применения как кислоты, так и щелочи. Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ получения целлюлозы путем обработки исходного целлюлозосодержащего сырья раствором азотной кислоты при одновременном многократном механическом воздействии на сырье. Механическое воздействие заключается в циклическом прессовании сырья, осуществляемом на стадиях пропитки и вар996579 ки под давлением 1-10 МПа, причем в каждом цикле прессования давление повышают в течение 0,2-1 мин и выдерживают при конечном давлении 0,51,5 мин. При пропитке производят 4-х - 6-ти кратное циклическое прес» сование под давлением 5,0-10,0 МПа, а при варке - 2-х - 4-х кратное прессование под давлением 3,0-6,0 МПа в начальных циклах с постепенным снижением давления до 1-2 МПа в конечных циклах. После снятия давления повторение цикла наступает через ,1-7 мин. Пропитанное раствором азотной кислоты целлюлозосодержащее сырье после удаления избытка кислоты выдерживают при атмосферном давлении в течение 30-60 мин (3 3. Недостатками известного способа являются повреждение целлюлозных волокон в результате прессования .и большой расход химикатов и энергии на обработку. Щепа подвергается прессованию без предварительного ориентирования ее относительно сжимающих поверхностей; вследствие чего сжатие щепы происходит как поперек волокон, так и в наиболее опасном с точки зрении повреждения волокон продольном направлении. Повреждение цепы происходит также в результате того, что для обеспечения равномерной пропиткн щепы при сравнительно небольшом количестве циклов сжатия необходимо настолько высокое усилие .сжатия, что целлюлозные волокна разрушаются, а проведение процесса требует большого расхода энергии. Цель изобретенная — уменьшение деструкции целлюлозы, сокращение расхода химикатов и продолжительности процесса. Поставленная цель достигается тем, что согласно способу получения целлюлозы путем обработки исходного целлюлоэосодержащего сырья раствором азотной кислоты при одновременном многократном механическом воздействии на сырье, механическое воздействие осуществляют сжатием сырья при его кратности 120-150000 и частоте 10-50 колебаний в секунду. Обработку проводят при 60-100ОC и концентрации раствора азотной кислоты 12-223 в течение 0,2-5,0 мии. . Способ осуществляют следующим образом. Растительный материал и раствор азотной кислоты непрерывно подают в зазор между двумя металлическими поверхностями, одной иэ которых сообщают усилие, вынуждающее ее совершать колебательные движения с заданной частотой. Перемещаюцийся слой щепы подвергают многократному обжатию в растворе азотной кислоты. При частоте 10-15 механических колебаний в секунду эа время пребывания в зоне обработки 1 300 с материал подвергается обжатию 100-15000 раэ, в реэультате чего происходит быстрое и равномерное насыщение его азотной кислотой, инициирующее йнтенсивное химическое взаимодействие азотной кислоты с компонентами растительного материала. 3а счет зкзотермического характера г отекающих прн этом окислительных реакций происхбдит саморазогревание реакционной массы и связанное с ним дополнительное ускорение процесса. При таком способе обрабОтки не только ускоряется проникновение азотной кислоты в древесную щепу, но и само механическое обжатие щепы облегчается в результате того, что проникающая в древесину азотная кислота, являясь высокореакционным окислителем 20 лигнина, вызывает его деструкцию и ослабление межволоконных связей в ,древесине, повышение ее пластичности и, следовательно, облегчение ее механической обработки, т.е. эна35 чительное. сокращение расхода энер гии на обработку. Оказываемое на щепу усилие в этом случае минимальное и, несмотря на многократность повторения, не вызывает значительу0 ных повреждений целлюлозных волокон. При этом механическое воздействие на цепу, осуществляемое при 60 -100 C в 12-22%-ном растворе азотной кислоты служит не столько для равномерЗ5 ной пропитки внутренних и наружных слоев щепы, сколько для последовательного отделения (отслаивания ) делигнифицированных и механически ослабленных слоев древесины. Открыва40 ющиеся при этом более глубокие слои древесной щепы, в свою очередь, под-. вергаются воздействию раствора азот-. ной кислоты и процесс продолжается до полного превращения щепы в волокнистый материал. Совместное воздей45 стане многократно повторяемых механических усилий обжатия и химического воздействия азотной кислоты приводит к Тому, что содержащийся в растительном материале лигнин 50 окисляется и растворяется с большей скоростью, чем при обычной варке материала, равномерно пропитанно,го азотной кислотой. Происходящее при этом быстрое растворение межклеточного вещества и ослабление межволоконных связей в древесине приводит к разделению щепы на волокна без применения второй ступени варки — щелочной экст60 ракции, т.е. к проведению варки в одну ступень ° Пример 1. 0,5 кг осиновой щепы и 4 л азотной кислоты концентрацией 17,5% одновременно подают в 45 верхнюю часть полого корпуса, внут9965 79 10 (;цособ по примерам Показ атели Известный Предлагаемый ° а Порода древесины.Осина Берез а Береза Осина 30 28 едкого натра для щелочной экстракции 0 рн которого с кольцевым зазором в 10 ьеч установлен ротор, которому придают круговые колебательные движения с частотой 25 колебаний в секунду.. Под действием силы тяжести щепа и раствор перемещаются вниз в кольцевом зазоре между наружной и внутренней рабоче поверхности аппарата. Совершающий круговые колебательные гэижения ротор. переда- ет .усилие на щепу, которая подвергается многократному механическому обжатию полностью н равномерно пропитывается- азотной кислотой. В данном опыте время обработки цепы 1,0 мин и, следовательно, количество циклов сжатия 1500. Обработанную щепу отделяют от избытка раствора кислоты и для завершения варки выдерживают в течение 30 мин в термоизолировайном сосуде (,термосе ). . К концу выдержки температура массы достигает 86 С. Полученную целлюлозу отделяют от отработанной кислоты, которую после-укрепления свежей кислотой используют в следующем -огыте, затем целлклбэу проживают ;водой и подвергают сортированию на сцеже. Отбелку и сбртирование полученйой небеленой целлюлозы проводят путем .обработки ее- 55-ным раство,ром едкого-натра в течение 1 ч при комнатной температуре. Расход . химикатов, выход и-показатели цел- люлозы представлены в таблице. Пример -2. 0,1 кг березовой щепы и 0,2 л 125-ного раствораазотной кислоты, приготовленного иэ отработанной кислоты, получен-. .ной в примере 1, и свежей азотной кислоты загружают в закрытый сосуд, внутри которого помещен фтороплас.товый вкладыш;. Сосуд установлен на трясучке,,при работе-которой вкла» дыш за счет своей инерции перемещает .ся внутри сосуда с частотой 50 ко:лебаний в секунду, осуществляя много Расход от исходной абсолютно сухой дре-. весины, %: 1 азотной кислоты кратное обжатие щепы в растворе кислоты. Продолжительность обработки щепы в сосуде.5 ьын, общее количество циклов 15000,. а время допслнительной выдержки в тервГоизолированном сосуде 15 мин. После этого массу отделяют от избытка раствора и подвергают проьивке н сортированию., Отбелку и облагораживание целлюлозы проводят, как в примере 1, 5%-ным раствором едкого натра. Данные по расходу химикатов, выходу и показателям целлюлозы представлены в таблице. Пример 3. 0,7 кг осиновой щепы подвергают обработке, как в примере 1, в 22В-ном растворе азотной кислоты при частоте колебаний ротора 10 и продолжительности обработки 0,2 мин, mo соответствует 20 общему количеству циклов 120. После отделения избытка кислоты щепу обрабатывают, как -в примере 1. Результаты опыта помещены в таблице. 25 Пример 4. Для сравнения про» водят аэотнокислую варку березовой щепы иэвест иам способом. Для этого березовую щепу пропаривают острым паром в течение 15 мин и подвергают прессованию в 14%-ном .растворе азотной кислоты при 50 С. Повыиают давление прессования в течение 30 с до -8 ИПа, выдерживают в течение 1 мин," сбрасывают давление и выдерживают 1 мнн. Прессование повторяют 5 раэ при пропитые щепы и 3 раза при дав ленни 7,5 и. 3 ИПа в процессе варки щепы. Затем массу промывают водой и .подвергают щелочной экстракции 2В-ным раствором едкого натра при 46 90-95 С в течение 1 ч. После прсэнв. ки и сортирования массу подвергают облагораживанию 5%-ным раствором едкого натра при комнатной температуре в течение 1 ч., Полученные ре-.45 эультаты представлены е таблице. 996579 Продолжение таблицы Способ по примерам Показатели Предлагаемый Известный «« з едкого натра для облагораживания 20 20 Содержание альфа-целлюлозы, Ъ 92,6 93,3 93,8 91,7 Выход облагороженной целлюлозы, Ъ 40,.1 42,6 41,9 38,6 Содержание пентоэанов, Ъ 4,62 4,08 4,30 5,40 Суммарная продолжи тельность пропитки и варки, мин 30 20 Формула изобретения 1 ° Авторское 9 690101,.кл. D 2. Авторское 9 622909 кл. 0 3. Авторское 9 825745, кл. 0 (прототип). свидетельство СССР 21 С 3/16, 1975. свидетельство СССР 21 С 3/16, 1976. свидетельство СССР 21 С, 3/16, 1979 ВНИИПИ Заказ 879/44 Тираж 382 Подписное Филиал ППП "Патент", r.Óæãîðîä,óë.Ïðoåêòíàÿ,4 Как следует иэ таблицы, облагораженная целлюлоза, полученная с применением многократного механи- 3р ческого обжатия щепы в растворе азотной кислоты по сравнению с полученной по известному способу, отличается более высоким содержанием альфа-целлюлозы, меньшим содержанием пентозанов и получена с меньшим ,расходом варочных химикатов и времени. Таким образом, многократное механическое обжатие растительного материала в растворе азотной кислоты 4П rro предлагаемому режиму дает возможность обеспечить быструю и равномерную пропитку материала азотной кислотой, повысить реакционную способность лигнина, за счет чего ус- 45 корить процесс делигнификации и провести варку в одну ступень, исключить расход едкого натра при варке, упростить варочное оборудование и повысить его производительность. Исключение расхода едкого натра 50 на варку 1 т целлюлозы за вычетом стоимости повышенного расхода азотной кислоты при варке по предлагаемому способу при годовой производительности 15 тыс.т целлюлозы обеспечивает зкономический эффект более 400 тыс. руб. Способ получения целлюлозы путем обработки исходного целлюлоэо- содержащего сырья раствором азотной кислоты при одновременном многократном механическом воздействии на сырье, отличающийся тем, что, с целью уменьшения деструкции целлюлозы, сокращения расхода химикатов и продолжительности процесса, механическое воздействие осуществляют обжатием сырья при его кратности 120-15000 и частоте 10-50 колебаний в секунду. 2. Способ по п,1, о т л и ч а— ю шийся тем что обработку проводят при 60-100 С и концентрации 6 раствора азотной кислоты 12-22Ъ в течение 0,2-5 0 мин. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 
