Основные технологии получения целлюлозы

Общая схема производства целлюлозы из древесины по натронному или сульфатному способам на современных предприятиях складывается из следующих производственных операций:

1) подготовки древесины,  методы которой ничем не отличаются  от применяемых в сульфитцеллюлозном  производстве;

2) варки щепы с белым  щелоком, содержащим в качестве  активного реагента едкий натр (натронный способ) или смесь едкого  натра и сульфида натрия (сульфатный  способ) в периодически или непрерывно  действующих котлах под давлением  0,8—1,2 МПа и при температуре  170— 180°С;

3) отделения от сваренной  целлюлозы отработанного черного  щелока, или, иначе говоря, промывки  целлюлозы;

4) очистки, обезвоживания  и сушки целлюлозы, методы которых  также ничем не отличаются  от применяемых в сульфитцеллюлозном  производстве;

5) отбелки и облагораживания  целлюлозы, которые имеют небольшие  отличия.

Кроме того, неотъемлемой составной  частью натронного или сульфатного  завода является отдел регенерации  щелочи из отработанных черных щелоков. Процесс регенерации щелочи слагается  из трех операций:

1) выпарки черного щелока  до концьлтрации 45—60% сухого вещества;

2) сжигания сгущенного  щелока с получением минерального  остатка в виде плава (с утилизацией  тепла в паровых котлах);

3) каустизации раствора  плава (зеленого щелока) известью  с целью перевода карбоната  натрия в едкий натр.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Сульфитная варка целлюлозы
1. Порядок операций

Варка сульфитной целлюлозы  осуществляется периодическим способом в вертикальных стационарных котлах клепаной или сварной конструкции, стальной корпус которых изнутри  защищен кислотоупорной футеровкой или изготовлен из биметалла с  плакировкой из кислотоупорной стали.

Котел загружают щепой  из бункера, заливают варочной кислотой и герметически закрывают. Затем  содержимое котла нагревают паром  до температуры 105—110° С (заварка) и  выдерживают при этой температуре (≪стоянка≫) для завершения пропитки щепы кислотой. Далее нагрев продолжают до конечной температуры варки — до 128—155° С.

В зависимости от условий  продолжительность варки колеблется в широких пределах — примерно от 5 до 12 ч. В процессе варки из котла  периодически или непрерывно производят ≪сдувки≫, т. е. удаляют из верхней части котла водяной пар и сернистый газ в систему регенерации, где они смешиваются с сырой кислотой, образуя варочную кислоту.

По окончании варки  котел опоражнивают в сцежу или  приемный резервуар способом выдувки  или вымывки. При выдувке давление в котле снижают до 0,15—0,25 МПа, открывают шибер на выдувном трубопроводе и целлюлозная масса остаточным давлением выдувается из котла вместе со щелоком в закрытую сцежу или  выдувной резервуар. Продолжительность  выдувки 10—20 мин. При вымывке давление в котле снижают до 0,25—0,35 МПа  и предварительно отбирают из котла  сульфитный щелок, направляемый на использование. В котел, заполняя его доверху, подают воду или слабый оборотный щелок  и еще некоторое время продолжают отбор крепкого щелока под гидравлическим давлением, затем выпускают массу с оставшимся слабым щелоком из котла в открытую сцежу или вымывной резервуар. Продолжительность всех операций при вымывке составляет 1,5—2ч.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Проблема непрерывной сульфитной варки

В сульфитцеллюлозном производстве в настоящее время процесс  варки целлюлозы еще сохраняет  периодический характер. Трудность  практического осуществления непрерывной  сульфитной варки связана, во-первых, с необходимостью иметь в варочном аппарате парогазовое пространство, в котором должно поддерживаться во время варки высокое парциальное  давление сернистого газа, а, во-вторых, с наличием в механизме сульфитной делигнификации двух стадий— сульфонирования  и растворения лигнина, которые  требуют различных температур. Это  ограничивает возможность использования  высокотемпературной непрерывной  варки и варки без заварки, т. е. непрерывной варки, начинающейся сразу с максимальной температуры. Иметь же различные температуры  одновременно в одном и том  же варочном аппарате возможно только, если он находится под избыточным гидравлическим давлением, препятствующим парообразованию, и если сдувки из него практически не производятся.

Сульфитная варка при  высоких температурах неизбежно  ведет к ухудшению провара, снижению выхода и падению механической прочности  целлюлозы и вязкости ее растворов  и поэтому не может быть рекомендована  для непрерывного процесса. Основным средством ускорения процесса должно быть не повышение температуры, а  увеличение крепости кислоты: применение кислоты с 12% всего SO2 при конечной температуре 140° С дает возможность  сократить общую продолжительность  варки до 3—3,5 ч. Завершение сульфонирования  при 100—110° С совершенно" необходимо. Вести варку без заварки можно  только в случае предварительного введения в щепу достаточного количества основания  в виде раствора едкого натра или  аммиака.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Первая установка непрерывного действия для сульфитной варки

Шведской фирме Камюр, имеющей значительный опыт в конструировании  непрерывных установок для сульфатной варки, удалось найти удачное  решение, использовав для сульфитной варки свою конструкцию непрерывного котла с пристроенным к нему наклонным  загрузочным шнеком, который позволяет  осуществлять предварительную пропитку щепы бисульфитом или моносульфитом. По этому типу сооружена и работает первая промышленная установка для  непрерывной сульфитной варки вискозной  целлюлозы с кислотой на магниевом  основании на заводе фирмы Вальдгоф в Мангейме (ФРГ). Для варки используется буковая щепа.

Как видно из рис. 1, щепа из бункера через дозатор и ротационный  питатель низкого давления непрерывно поступает в пропарочную цистерну, снабженную шнеком, где в течение 3—5 мин производится пропарка паром  при давлении 0,15 МПа (1,5 кгс/см2). Воздух из пропарочной камеры вместе с остатками  пара отводится в конденсатор. Пропаренная  щепа попадает в питательную камеру, снабженную регулятором уровня, куда поступает раствор бисульфита магния с рН 3,8—4. Смесь щепы с бисульфитной кислотой непрерывно через ротационный  питатель высокого давления подается циркуляционным насосом к наклонному пропиточному шнеку, пристроенному  к верхней горловине варочного  котла. Пропитка в шнеке происходит при полном рабочем давлении 1,4—1,5 МПа (14—15 кгс/см2), но при температуре  не выше 120° С и в течение  короткого времени (10—12 мин). Для  нагрева применяется пар высокого давления, который подводится в верхнюю  часть пропиточного шнека, где оставлено  свободное парогазовое пространство. Избыток раствора бисульфита оттягивается через круговое сито в средней  части шнека и возвращается к  циркуляционному насосу пита теля высокого давления. Щепа, пропитанная бисульфитом, поступает в верхнюю часть  котла, куда подается в необходимом  количестве жидкая двуокись серы и  вода для создания нужного гидромодуля (3÷3,5:1). Верхняя часть котла оборудована  циркуляционной системой для непрямого  обогрева и подъема температуры до 145—150° С. Варка при составе кислоты 7—8% всего SO₂ и 0,8% связанного SO₂ продолжается в течение 2,5—3,5 ч, пока спускающаяся вниз по котлу масса не достигнет зоны отбора щелока. Сдувок из верхней части котла не производят и весь оборотный сернистый газ в систему регенерации отбирают из испарителя, через который пропускается выпускаемый из котла сульфитный щелок. Расход SO₂ на варку в виде бисульфита составляет 7—9% к абсолютно сухой древесине.

Нижняя часть варочного  котла, имеющая несколько больший  диаметр, чем верхняя, используется для двухступенчатой противоточной  промывки массы; в результате извлекается  около 90% растворенных в щелоке веществ  в виде крепкого щелока, направляемого  на выпарку. Из нижней горловины котла, куда подается вода для промывки, целлюлозная  масса при температуре 70—80° С  непрерывно выдувается через регулятор  в выдувной резервуар.

 

 

 

 

 

4. Область применения различных способов варки и технико-экономические показатели

В табл. 1 кратко показаны производственные возможности различных сульфитных способов получения целлюлозы и  полуцеллюлозы. В отношении получения  целлюлозы любой степени провара  наиболее широкие возможности сохраняют  обычный сульфитный и бисульфитный способы. Однако по бисульфптному способу  затруднено получение мягких целлюлоз глубокой степени провара и, в  особенности, целлюлоз для химической переработки, а по сульфитному способу  трудно получить полуцеллюлозу с  выходом более 65%. В отношении  применимости для варки любых  древесных пород на первое место  надлежит поставить бисульфитно-сульфитный способ, на второе — моносульфитно-сульфитный и, возможно, наравне с ним одноступенчатый  бисульфитный.

Сопоставление различных  модификаций сульфитных способов варки  по технико-экономическим показателям  весьма затруднительно прежде всего  потому, что они в большей степени  зависят от условий проведения процесса, чем от типа процесса.

К числу важнейших технико-экономических  показателей относятся удельные расходы древесины, серы, основания  и пара на 1 т целлюлозы. Расход серы и основания (кг/т в. с. целюлозы) для  случая одноступенчатой бисульфитной или моносульфитной варки рассчитать довольно просто:

где V и V ₁ — объемы залитого варочного и оттянутого из котла щелоков соответственно, м³/т абсолютно сухой древесины; с и с₁ — концентрация серы (основания) в этих щелоках, г/л; N₁ — количество серы, уходящей из котла со сдувками (только для бисульфитной варки), кг/т абсолютно сухой древесины; b — выход целлюлозы из древесины, %.

В случае двух- или трехступенчатой  варки в это выражение нужно  внести дополнительные члены, учитывающие  расход серы и основания на вторую и третью ступени и возможный  возврат химикалий в систему  регенерации варочного отдела.

Очевидно, что проведение двух- и трехступенчатых варок  связано с большим расходом химикатов; в особенности большой расход основания требуют сульфитно-щелочные варки. Регенерация серы и основания из отработанных щелоков является совершенно обязательной при осуществлении всех современных модификаций сульфитных способов варки.

Что касается расхода пара, то для двух- и трехступенчатых  способов он, разумеется, больше, чем  для одноступенчатых, так как  дополнительные тепловые затраты вызывают нагрев растворов второй ступени, а  иногда и конечная температура варки  во второй ступени бывает более высокой, чем в первой. Но вместе с тем  возможны случаи, когда применение варки при невысоком жидкостном модуле, использование тепла оттяжек  щелока и другие мероприятия могут  существенно сократить расход тепла  и сделать двухступенчатый процесс  сопоставимым по этому показателю с  одноступенчатым.

Для примера в табл. 2 сопоставлены расчетные технике экономические  показатели при получении из еловой древесины белимой целлюлозы  для бумажного производства при  варке на магниевом основании  четырьмя способами в котлах периодического действия 

Таблица 1. Различные способы варки целлюлозы сульфитным методом

Способ варки	Вид основания	Выход полуфабриката из древесины, %	Используемые древесные породы	Вид и назначение полуфабриката	Основные преимущества	Основные недостатки
Сульфитный	Ca, Mg, Na, NH4	44-65	Ель, пихта, лиственные	Полуцеллюлоза, целлюлоза всех степеней провара для бумаг, мягкая целлюлоза  для химической переработки	Светлый цвет полуфабриката	Невозможность варки сосны и  лиственницы
Бисульфитный	Mg, Na	50-70	Практически все	Полуцеллюлоза, целлюлоза высокого выхода, жесткая и среднежесткая  целлюлоза для бумаг	Разделение на волокна без размола  при высоком выходе	Низкий выход РВ в отработанном щелоке
Моносульфитный	Na, NH4	60-80	Лиственные	Полуцеллюлоза для картона, целлюлоза  высокого выхода для отбелки	Высокая прочность на плоскостное  сжатие	Невозможность использования хвойных  пород
Бисульфитно-сульфитный	Na, Mg	45-60	Все без исключения	Целлюлоза высокого выхода, целлюлоза  всех степеней провара для бумаг, целлюлоза для химической переработки	Возможность успешной варки сосны  и лиственницы	Усложнение технологии
Моносульфитно-сульфитный	Na, NH4	50-60	Практически все	Целлюлоза высокого выхода, целлюлоза  всех степеней провара для бумаг	То же	То же
Бисульфитно-моносульфитый	Mg, Na	50-60	Практически все	Целлюлоза высокого выхода, жесткая  и среднежесткая целлюлоза для  бумаг.	Повышенный выход	Низкий выход РВ в щелоке, повышенный расход основания
Моносульфитно-бисульфитный	Na, NH4	65-80	Практически все	Полуцеллюлоза, целлюлоза высокого выхода	Повышенный выход	Повышенный расход основания
Сульфитно-сульфитный	Na, NH4	30-40	Ель, лиственные	Целлюлоза для химической переработки	Высокий выход РВ в щелоке	Низкий выход целлюлозы
Сульфито-содовый	Na	35-45	Хвойные (принципиально все породы)	Облагороженная целлюлоза для  химической переработки	Высокое содержание α-целлюлозы	Сложность регенерации щелоков, невозможность  использовать РВ в щелоке
Бисульфитно-сульфито-содовый	Na	35-40	Сосна (принципиально все породы)	То же	То же	То же
Бисульфитно-содовый	Na	40-50	Хвойные	Целлюлоза среднежесткая и мягкая для бумаг и для химической переработки	Повышенный выход	»
Сульфитно-сульфатный	Na	35-40	Хвойные	Облагороженная целлюлоза для  химической переработки	Регенерация щелоков по обычному сульфатному  методу	Высокий расход основания