Основные технологии получения целлюлозы

Введение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3

 

1. Техническая целлюлоза и способы ее получения
1. Понятие о технической целлюлозе и сырье для ее производства . . . . . . . . . .4
2. Классификация технических целлюлоз по выходу  степени провара . . . . . . .6
3. Свойства технической целлюлозы и показатели ее качества . . . . . . . . . . . . .7
4. Классификация способов получения целлюлозы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9
5. Схема целлюлозного производства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

 

2. Сульфитная варка целлюлозы
1. Порядок операций. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2. Проблема непрерывной сульфитной варки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3. Первая установка непрерывного действия сульфитной варки . . . . . . . . . . . 15
4. Область применения различных способов варки и технико-экономические показатели . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

 

3. Сульфатная варка целлюлозы
1. Порядок операций . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20
2. Влияние основных факторов на скорость процесса, выход и качество целлюлозы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3. Характеристика свойств сульфатной целлюлозы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
4. Устройство непрерывных варочных котлов установок типа Камюр . . . . . . 27
5. Технология непрерывной варки сульфатной целлюлозы в установках типа Камюр . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
6. Технико-экономические и производственно-технические показатели работы непрерывных варочных установок типа Камюр . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .34

 

4. Современные тенденции развития технологии целлюозы
1. Совершенствование существующих способов варки . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
1. Улучшение пропитки щепы варочным щелоком. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .36
2. Инжекционный метод варки и углубления делигнификации. . . . . . . . . 36
3. Двухтемпературная варка. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38
4. Варка с осаждением гемицеллюлоз. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  38
5. Варка с высоким расходом активной щелочи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38
2. Экологические проблемы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3. Обзор новых технологических процессов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41
4. Novacell - современный способ производства целлюлозы . . . . . . . . . . . . . . .42

Список использованной литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

 

 

 

 

 

Введение

Одним из наиболее важных факторов, определяющих развитие большинства отраслей промышленности, является устойчивая сырьевая база, и  в частности углерод содержащее сырье. К такому сырью относится  древесина, чаще всего ее используют в качестве топлива, однако ценность леса как природного богатства и  широко применяемого сырья определяется производством бумаги и картона.

Древесина представляет собой уникальный постоянно возобновляемый полимерный композиционный материал, компоненты которого являются высокомолекулярными  соединениями. Химической переработкой древесины получают более 20 тысяч  наименований различных материалов, продуктов и изделий. Целлюлозные  материалы занимают видное место  в удовлетворении потребностей человека: природные целлюлозные волокна (прежне всего хлопок, лен и другие лубяные  волокна) и сегодня являются существенной частью в балансе сырья для  текстильной промышленности. Древесная  и хлопковая целлюлоза широко применяются для изготовления бумаги и картона, искусственных волокон, некоторых пластмасс и лаков, эмульгаторов и загустителей для  нефтяной, текстильной, пищевой, фармацевтической и других отраслей промышленности.

Одной из важнейших отраслей химической переработки древесины является производство технической целлюлозы  и других волокнистых полуфабрикатов. Технической целлюлозой называют целлюлозу, выделенную из природного растительного сырья, древесного и не древесного, удалением нецеллюлозных компонентов. Таким образом, свойства технической целлюлозы изменяются в широких пределах в зависимости от того, насколько полно в процессе химической обработки были отделены сопутствующие вещества. С помощью химических реакций из технической целлюлозы получают различные производные целлюлозы - искусственные полимеры, главным образом, различные сложные и простые эфиры целлюлозы.

Технические целлюлозы можно подразделить по методам варки. К группе кислотных  способов получения целлюлозы из числа применяемых в промышленности относится сульфитная целлюлоза. К группе щелочных способов получения целлюлозы относится сульфатный способ варки. По всем показателям механической прочности сульфатная целлюлоза превосходит сульфитную, той же степени провара, но в то же время выход сульфатной целлюлозы на 3-4% ниже, чем сульфитной. Хотя первая обладает гораздо лучшими бумагообразующими свойствами.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Техническая целлюлоза и способы ее получения
1. Понятие о технической целлюлозе и сырье для ее производства

Как известно из курса химии  древесины и целлюлозы, природная  целлюлоза, или клетчатка, представляет собой естественный высокомолекулярный полисахарид, состоящий из цепевидных макромолекул, в основе которых лежат  элементарные звенья ангидро-D-глюкопиранозы, соединенные между собой β-гликозидной связью. Целлюлоза относится к так называемым жесткоцепным полимерам, характеризуемым высокой степенью асимметрии макромолекул, высокой степенью ориентации и высокой интенсивностью межмолекулярного взаимодействия. Силы межмолекулярного взаимодействия и в первую очередь водородные связи удерживают параллельно расположенные цепевидные макромолекулы на строго определенных расстояниях друг от друга, что приводит к возникновению кристаллической структуры. Микрокристаллиты целлюлозы объединяются в микрофибриллы диаметром в различных растительных материалах от 7*10^-6 до 24*10^-6 мм, содержащие несколько сот макромолекул. В природных растительных волокнах микрофибриллы расположены слоями и ориентированы вдоль оси волокна, будучи окружены некоторым количеством неупорядоченной аморфной целлюлозы.

Природная целлюлоза, или  клетчатка, является основным веществом, из которого построены клеточные  стенки растительных клеток, и растительное сырье разных видов служит единственным источником промышленного производства целлюлозы. Процесс получения целлюлозы  сводится к освобождению ее от других сопровождающих ее в растительной ткани  веществ — лигнина, гемицеллюлоз, смол, жиров и т. д.— тем или  иным способом химической обработки. Поскольку  основным веществом, от которого стремятся  освободиться в результате такой  обработки, является лигнин, процесс  получения целлюлозы называют делигнификацией соответствующего растительного материала. Продукт делигнификации называется технической целлюлозой.

Естественно, что свойства технической целлюлозы изменяются в довольно широких пределах в  зависимости от того, насколько полно  в процессе химической обработки  были отделены сопутствующие вещества, в частности лигнин, и в какой  мере оказалась повреждена сама клетчатка. При соответствующем выборе сырья  и изменении методов и условий  обработки можно получить техническую  целлюлозу, более или менее полно  освобожденную от посторонних веществ  и обладающую требуемыми свойствами.

Целлюлоза содержится в каждом растении, однако далеко не каждое из них  пригодно для промышленного извлечения из него целлюлозы. Решающее значение при выборе сырья имеют: содержание в нем клетчатки; структурные  особенности составляющих его волокон; возможность применять к нему промышленные способы обработки; качество волокнистого продукта, получаемого  в результате этой обработки; распространенность растительного сырья; удобство и  стоимость его сбора, доставки, хранения и т. п. Промышленное значение в производстве целлюлозы приобрели растения лишь относительно немногих видов. Из хвойных  древесных пород наибольшее применение имеют ель, сосна, пихта, из лиственных — тополь разных видов, осина, береза, бук и некоторые другие. Из недревесного сырья используется солома культурных злаков — ржи, пшеницы, ячменя, риса, кукурузы и т. п. За рубежом распространена целлюлоза из эспарто — травы, произрастающей на севере Африки и в Испании, а в странах Юго-Восточной Азии и Южной Америки для получения целлюлозы широко используют бамбук и багассу — отжатые после экстракции стебли сахарного тростника.

К недревесному сырью относятся  также хлопок, лен, конопля, джут и  др., используемые преимущественно  в виде текстильных отходов (тряпья). Кроме того, сырьем для получения  целлюлозы могут служить и  многочисленные дикорастущие однолетние растения — тростник, кендырь, чий  и пр. Из хлопка благодаря высокому содержанию в нем клетчатки может  быть получена весьма несложными методами наиболее чистая целлюлоза, применяемая  главным образом для химической переработки. Тряпичную целлюлозу  вследствие ее дефицитности применяют  лишь в производстве высокосортной  бумаги. Наоборот, древесина и солома — самое дешевое и распространенное сырье, несмотря на то, что получение  из него целлюлозы требует более  сложного технологического процесса.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Классификация технических целлюлоз по выходу  степени провара

В соответствии с величиной  выхода технические целлюлозы делятся  на три основные категории: продукт  с выходом примерно от 80 до 60% от массы  исходного растительного сырья  называется полуцеллюлозой , с выходом от 60 до 50 % — целлюлозой высокого выхода – от 50 до 40% -целлюлозой нормального выхода .

Полуцеллюлоза представляет собой продукт, лишь в относительно небольшой степени освобожденный  от природных сопутствующих веществ  — прежде всего от лигнина. Например, в полученной из хвойной древесины  полуцеллюлозе может содержаться 15—20% лигнина. При этом лигнин срединной  пластинки не полностью растворяется, и волокна полуцеллюлозы сохраняют  между собой настолько сильную  связь, что они могут быть разделены  и превращены в целлюлозную массу  только с помощью механического  размола. Необходимость применения размола после химической обработки (варки) является характерным признаком  полуцеллюлоз.

Целлюлоза высокого выхода достигает ≪точки дефибрирования≫, т. е. может быть разделена на волокна без размола с помощью, например, простого размыва струей воды, но также содержит еще довольно значительные количества лигнина, гемицеллюлоз и других сопутствующих веществ.

Целлюлоза нормального выхода делигнифицирована в большей  степени и тем в большей, чем  меньше ее выход из исходного сырья, чем она, как говорят, глубже проварена. По степени провара, характеризующей остаточное содержание лигнина, целлюлозы нормального выхода могут быть разделены на несколько групп. В первом приближении различают целлюлозы жесткие, содержащие примерно от 3 до 8% лигнина, среднежесткие, содержащие от 1,5 до 3% лигнина, и мягкие, содержание остаточного лигнина в которых не превышает 1,5%.

При получении целлюлозы, служащей полуфабрикатом для производства бумаг и картонов, сохранение  гемицеллюлоз является желательным, и  с этой точки зрения ≪идеальным≫ процессом делигнификации мог бы быть признан такой, который ограничивается разрушением и удалением одного только лигнина. В реальных условиях соотношение количеств растворенного лигнина и перешедших в раствор углеводов (гемицеллюлоз и целлюлозы) характеризуют собой так называемую избирательность процесса делигнификации. Чем больше это отношение, тем ≪избирательнее≫ растворяется лигнин, не вызывая излишних потерь углеводов, тем выше выход технической целлюлозы.

 

 

 

 

 

 

 

3. Свойства технической целлюлозы и показатели ее качаества

Для характеристики разнообразных  свойств технической целлюлозы  применяют большое число различных  показателей. Остановимся на наиболее важных.

1. Содержание лигнина устанавливается или методами непосредственного анализа, или, чаще, косвенными методами определения степени провара. Содержание лигнина или отвечающая ему степень провара целлюлозы — один из основных показателей, определяющих пригодность небеленой целлюлозы для производства тех или иных видов бумаги. Если целлюлоза предназначена для химической переработки, то присутствие в ней лигнина во многих случаях недопустимо.
2. Содержание пентозанов в небеленой целлюлозе находится в более или менее прямой зависимости от степени провара. В сульфитных небеленых целлюлозах пентозанов содержится обычно от 4 до 7%. Содержание их в сульфатных целлюлозах той же степени провара значительно выше и достигает, например, в обычной крафт-целлюлозе 10—11%, что объясняется стойкостью их против воздействия щелочного реагента в условиях варки. Повышенное содержание пентозанов наблюдается и в целлюлозе из древесины лиственных пород и в соломенной целлюлозе, что обусловлено большим содержанием их в исходном сырье.

В целлюлозе, предназначенной  для химической переработки, пентозаны  — нежелательная примесь. Они  вызывают помутнение растворов эфиров целлюлозы, ломкость и пожелтение пленок и лаков, поэтому содержание их должно быть снижено до возможного минимума, в особенности в целлюлозах, предназначенных  для ацетилирования или производства медноаммиачного шелка.

3. Содержание смолы, определяемое экстрагированием целлюлозы различными органическими растворителями (эфиром, спиртом, ацетоном, дихлорэтаном и т. п.), в сульфитной хвойной целлюлозе довольно высокое, 1—1,5%, так как сульфитная кислота не растворяет смол. Наоборот, в целлюлозе щелочной варки благодаря растворяющему действию щелочи содержание смолы невелико и обычно не превышает 0,2—0,3%.