Основные технологии получения целлюлозы

 

Таблица 2. Основные показатели различных способов сульфитной варки целлюлозы

Наименование показателей	Способ варки
	сульфитный	бисульфитный	бисульфитно- сульфитный	бисульфитно- моносульфитный
Выход целлюлозы, % от древесины	48	54	54	55
Удельный расход балансов, м3 на 1 т воздушносухой целлюлозы. . . . . . . . . . . . . .	4,6	4,1	4,1	4,1
Расход варочной кислоты, м3/т абс. сухой древесины. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	3,5	3 5	3,5	3,5
Объем оттягиваемой кислоты, м3/т абс. сухой древесины. . . . . . . . . . . . . . . . . . .	1,0	1,0	1,0	1,0
Концентрация в варочной кислоте, %:       всего SO2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .                  MgO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	6,0 0,63	4,0 1,26	4,0 1,26	4,0 1,26
Концентрация в оттягиваемой жидкости, %:       всего SO2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .                 MgO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	3,0 0,5	3,0 0,9	3,0 0,9	3,0 0,9
Количество SO2, уходящего из котла со сдувками, кг/т абс. сухой древесины. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	90	15	70	10
Количество химикатов, вводимых на вторую ступень варки, кг/т абс. сух. древесины:        жидкая SO2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .        MgO (в  виде гидрата окиси) . . . . . . . . . . . . .	- -	- -	60 -	- 45
Удельный расход химикатов  по варке, кг/т воздушносухой целлюлозы:        серы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .        окиси магния. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	83 31	78 57	82 57	80 128
Расход пара, т/т целлюлозы. . . . . . . . . . . . . . . . .	1,6	1,6	1,4	1,8
Выход целлюлозы из 1 м3 котла, кг воздушносухой. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	98	110	110	112
Оборот котла ч. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	9	8	12	10,5
Производительность 1 м3 котла, кг/сутки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	262	330	220	256

 

 

 

 

 

 

 

3. Сульфатная варка целлюлозы

3.1 Порядок операций

Щелочная (натронная и  сульфатная) варка целлюлозы из древесины  различных пород на современных  предприятиях производится как в  периодически работающих варочных котлах, так и в варочных установках непрерывного действия.

Техника натронной и сульфатной варки целлюлозы в периодически действующих варочных котлах во многом схожа с техникой сульфитной варки. В котел из бункеров или с конвейера загружают щепу и закачивают из баков-мерников варочный, так называемый белый щелок, содержащий необходимую для варки активную щелочь. К белому щелоку, как правило, примешивают некоторое количество отработанного черного щелока с целью получить после варки щелок более высокой концентрации, для выпарки которого в процессе регенерации будет затрачиваться меньше пара. Содержимое котла нагревают до 165—175 °С либо острым паром, либо, чаще, непрямым способом, прогоняя щелок через обогреваемый паром подогреватель. Температуру поднимают более или менее равномерно сразу до конечного ее значения, не делая промежуточных стоянок при более низких температурах. В процессе подъема температуры производят так называемую терпентинную сдувку, с которой из котла уходят главным образом пары скипидара (отсюда ее название), небольшое количество водяных паров, воздух, оставшийся в котле после загрузки, и некоторые органические летучие продукты. В результате в момент достижения конечной температуры в паровом пространстве котла практически не остается посторонних газов, и показываемое манометром давление почти точно отвечает парциальному давлению водяного пара (0,75—0,85 МПа). На конечной температуре котел выдерживают положенное по режиму варки время, как правило, при непрерывной циркуляции щелока, но без подачи пара. Конец варки устанавливают по опыту, руководствуясь продолжительностью и температурой варки; никаких анализов щелока или массы из котла в течение варки, как правило, не делается. По истечении стоянки на конечной температуре открывают сдувку, снижаютдавление в котле до 0,4—0,5 МПа и выдувают массу со щелоком в выдувной резервуар, циклон или диффузор. Опоражнивание котлов по способу вымывки на сульфатцеллюлозных заводах до последнего времени не практиковалось.

При описанном режиме варка  заканчивается за сравнительно короткое время (3—5 ч), поэтому обороты котлов получаются небольшими, а суточная и годовая производительность 1 м³ объема котла на натронных и сульфатцеллюлозных заводах оказывается примерно в 2 раза выше, чем на сульфитцеллюлозных.

Техника варки в непрерывнодействующих варочных установках зависит от их типа. В наиболее распространенных установках типа Камюр щепа предварительно подвергается короткой пропарке в пропарочных цистернах, а затем питательным насосом вместе со щелоком подается в верхнюю часть вертикального варочного котла, имеющего значительную высоту (от 30 до 90 м). Щепа движется в котле сверху вниз, последовательно проходя зоны пропитки (температура 115—120°С), нагрева и варки (170—175 °С), а в некоторых конструкциях котлов также зону горячей диффузионной промывки в нижней части котла. Для того чтобы можно было в разных частях котла поддерживать различные температуры, внутри котла создается избыточное гидравлическое давление 1,1—1,3 МПа в верхней части, препятствующее парообразованию и возникновению парогазового пространства. Сдувки из котла во время варки практически не производятся.

Опоражниваются непрерывнодействующие  котлы типа Камюр так же, как  и периодические, только по способу  выдувки. При этом из котлов, снабженных зоной горячей промывки или горячей экстракции щелока, отработанный черный щелок полностью или частично отбирается, и температура массы перед выдувкой снижается до 100 °С и ниже. Общая продолжительность прохождения щепы через котел 3—6 ч.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.2. Влияние основных факторов  на скорость процесса, выход и  качество целлюлозы

1) Влияние температуры

Температура варки является основным фактором, влияющим на продолжительность  процесса. На рис. 1 изображены результаты натронных лабораторных варок Брэя, проведенных при температурах от 140 до 180 °С и начинавшихся непосредственно с максимальной температуры. Как можно видеть, для достижения одного и того же выхода целлюлозы при температуре 170 °С надо затратить примерно вдвое меньше времени, чем при температуре 160 °С, а при температуре 180 °С—вдвое меньше, чем при 170 °С. Таким образом, при повышении температуры на каждые 10° продолжительность варки до одинакового выхода сокращается вдвое. Это правило очень удобно для приблизительной оценки влияния температуры на продолжительность варки.

Рис.1 Влияние температуры на скорость варки

 

2) Влияние начальной концентрации и расхода щелочи

Концентрация активной щелочи в варочном щелоке наряду с температурой представляет собой важнейший фактор, определяющий скорость варки. В течение  варки концентрация щелочи в щелоке изменяется от начальной, более высокой, до конечной, относительно низкой, так  как щелочь расходуется на нейтрализацию  кислых органических веществ, образующихся при варке. Количество активной щелочи, связываемое кислыми продуктами варки, называется теоретическим расходом щелочи. Очевидно, при более глубокой степени провара теоретический расход щелочи будет возрастать.

На рис. 2 изображена зависимость  скорости натронной варки виргинской сосны от начальной концентрации щелока при постоянном расходе щелочи на варку равном 30% NaOH к массе абс. сухой древесины.

Рис.2 Влияние концентрации натронного щелока на скорость варки: 1 — 30г NaOH/дм3; 2 — 60 г NaOH/дм3; 3 — 90 г NaOH/дм3	Рис.3 Влияние расхода  активной щелочи на скорость варки: 1 -15% NaOH; 2 - 20% NaOH; 3 -25% NaOH; 4 - 30% NaOH; 5 -40% NaOH; 6 -60 % NaOH

 

При повышении концентрации на каждые 30г NaOH/дм3, т.е. от 30 до 60 и от 60 до 90г NaOH/дм³, продолжительность варки до одинакового выхода сокращалась примерно вдвое. При сульфатных варках дугласовой пихты, проведенных с постоянными расходами щелочи 30 и 60 % NaOH к массе абс. сухой древесины, было установлено, что продолжительность варки до получения одинакового выхода сокращается примерно вдвое при повышении начальной концентрации щелочи также в 2 раза. Это правило, удобное для практики, относительно лучше оправдывалось при меньшем расходе щелочи (30% NaOH). В той же работе была получена зависимость скорости сульфатной варки от расхода активной щелочи на варку (рис. 3) при постоянной начальной концентрации щелочи (с₀ = 60г NaOH/дм³). В области выходов целлюлозы 40—48% справедливо оказалось правило, по которому увеличение расхода щелочи вдвое сокращает продолжительность варки до одинакового выхода также в 2 раза.

 

 

 

3) Влияние сульфидности

При сульфатной варке, кроме  температуры, концентрации и расхода  щелочи, имеет большое значение сульфидность варочного щелока. Сульфидностью называется эквивалентное отношение , выраженное в процентах или относительных долях. В производственных условиях сульфидность щелока колеблется в пределах 15—35%.

Присутствие сульфида в варочном щелоке облегчает делигнификацию, ускоряя переход лигнина в раствор, в то время как скорость растворения углеводной части древесины практически не изменяется. В результате этого продолжительность варки целлюлозы до определенной степени провара сокращается, увеличивается выход, а свойства целлюлозы по сравнению с натронной улучшаются. Таким образом, сульфидность варочного щелока является положительным фактором варки, и остается решить вопрос, в каких пределах сказывается благоприятное влияние сульфидности.

4) Значение качества щепы

Несмотря на то, что пропитка при щелочной варке происходит относительно быстро и равномерно, все же качество щепы имеет большое значение и  в сильной степени влияет на выход  и провар целлюлозы. При варке  щепы, неравномерной по размерам, в  особенности по толщине, выход целлюлозы  понижается вследствие перевара опилок и мелкой щепы, а количество непровара  возрастает из-за неудовлетворительного  провара толстых кусков и отщепов. Щепа для варки должна быть равномерной  по толщине (3—5мм) и содержать не менее 90% щепы нормальной длины (15—25мм). Практически наиболееравномерной  получается щепа при рубке балансов на многоножевых рубительных машинах  и наименее равномерной — при  рубке лесопильных отходов. Разница  в выходе целлюлозы при варке  этих видов щепы в одинаковых условиях может достигать 4—5%.

 

5) Варка древесины различных  пород

Весьма важен вопрос о  влиянии породы древесины . Из древесины ели и сосны получается примерно равноценная по качеству натронная и сульфатная целлюлоза, но за счет меньшего содержания смолы выход целлюлозы из еловой древесины выше. Разница в выходе составляет 1,5%; сосновая целлюлоза несколько труднее размалывается и имеет более низкое сопротивление разрыву и изгибу.

Лиственница является основной лесообразующей породой в зоне Байкало-Амурской магистрали. При переходе от II к V классу бонитета выход сульфатной целлюлозы из древесины лиственницы снижается, но показатели ее механической прочности улучшаются. Относительно лучшими показателями прочности обладает целлюлоза из срединной и вершинной части ствола.

Древесина лиственных пород  при сульфатной варке дает целлюлозу, обладающую довольно высокими показателями механической прочности.

Выход целлюлозы из березы на 1—2 % больше, чем из ели, при меньшем  расходе щелочи.

6) Прочие факторы варки

Из прочих факторов варки, оказывающих более или менее  заметное влияние на ее результаты, следует упомянуть: содержание в  варочном щелоке, кроме сульфида и  сернистых соединений, других компонентов; применение на варку черного щелока; род щелочи; метод обогрева котла  и наличие принудительной циркуляции.

Из компонентов варочного  щелока заслуживает внимания карбонат , который всегда присутствует как в натронном, так и в сульфатном щелоке. При варке буковой древесины смесь сульфида и карбоната оказывает более сильное делигнифицирующее действие, чем один сульфид, причем разрушение углеводной части происходит в меньшей степени. В последние годы появился так называемый бессернистый метод варки со смесью гидроксида и карбоната натрия (в молярном соотношении 1:3 или 1:4), который успешно применяется для получения полуцеллюлозы из древесины лиственных пород.

Добавка в котел черного отработанного щелока широко практикуется в производственных условиях с целью повышения концентрации щелока после варки и экономии тепла на его выпарку. В исследованиях влияния добавок черного щелока в количестве до 50 % от общего объема щелоков, было установлено, что степень провара, выход и прочность целлюлозы при этом не изменяются, но замечается потемнение целлюлозы и небольшое увеличение количества непровара. Исследования влияния добавления черного щелока при жестких варках американских хвойных пород (бальзамической пихты и гемлока) в количестве до 80 %, причем при расчете расхода щелочи на варку учитывалась и остаточная щелочность черного щелока. Рис. 4 показывает, что увеличение добавки черного щелока до 60 % от общего объема щелоков ускоряет процесс варки: при этом улучшается степень провара целлюлозы, сокращается количество непровара и уменьшается общий выход; но при больших добавках наблюдается обратное явление.