Производство целлюлозы

Целлюлоза в природе (за исключением хлопка, волоски се­мян которого содержат 97-98% целлюлозы) не встречается в чистом виде, хотя является главной составной частью расти­тельных клеток и вместе с сопровождающими ее веществами (ннкрустами) составляет твердый остов (каркас) растений. Целлюлоза относится к классу высокомолекулярных углеводов. Выделение целлюлозы связано с большими трудностями, так как она очень прочно соединена с некоторыми веществами, на­ходящимися в древесине. Поэтому в технической целлюлозе, получаемой на заводах, всегда присутствуют в небольшом ко­личестве и примеси.

Производство целлюлозы из древесины основано на ее вы­сокой стойкости к определенным химическим соединениям, ко­торые в то же время в известных условиях переводят в раствор менее стойкие вещества, сопровождающие целлюлозу: лигнин, гемицеллюлозы и пр.

В зависимости от применяемых соединений способы получе­ния целлюлозы можно разделить на три основные группы: кис­лотные, щелочные и комбинированные. В настоящее время раз­работаны следующие способы: сульфитный, сульфатный, суль­фатный с предварительным кислотным или водным гидролизом древесины, сульфитно-щелочной, хлорно-щелочной, азотно-щелочной, гидротропный и др. До последних лет в СССР большее распространение имел сульфитный способ, особенно при получении целлюлозы для химической переработки. Суть этого процесса состоит в обработке древесины раствором слабой сер­нистой кислоты H₂SO₃ в присутствии бисульфита кальция Ca(HSО₃)₂. Замена кальциевого основания (СаО) в варочной кислоте магниевым, натриевым и аммонийным основаниями позволяет улучшить выход, цвет и механические свойства цел­люлозы.

Основными стадиями технологического процесса любого производства целлюлозы являются: 1) подготовка древесины; 2) приготовление нарочных растворов; 3) варка древесины в ва­рочных котлах и 4) обработка полученной целлюлозы.

Хотя целлюлозу можно получать из любой породы дерева, до сих пор ее вырабатывают преимущественно из древесины малосмолистых пород - ели, пихты, бука,-которые можно пе­рерабатывать любым из применяющихся в промышленности способов варки. Смолистые породы (лиственницу, сосну) пере­рабатывают обычно щелочными методами.

Для производства целлюлозы употребляют щепу, получен­ную из древесных стволов, тщательно очищенных от коры и сучков. Щепа через циклон, сортировку и бункер поступает в котел, где варится с раствором бисульфита кальция, магния, натрия или аммония (сульфитный способ), содержащим избы­ток сернистой кислоты (раствор содержит 3-6% свободного S0₂ и около 2% S0₂, связанного в виде бисульфита). Варка идет в герметически закрытых металлических котлах (объемом 200 -320 кубометров и более), футерованных кислотоупорным материалом, при температуре 135 -150° С и давлении 5-7 атм. Крупную щепу после сортировки направляют на дополнитель­ное измельчение в дезинтегратор. На рис. 21 показана схема подготовки щепы и варки целлюлозы, а на рис. 22 -варочный котел.

Задача варки заключается в возможно полном извлече­нии из сырья целлюлозы в неповрежденном виде. Скорость варки и качество получаемой целлюлозы зависят от концентра­ции варочного раствора, давления, времени, температуры варки, степени провара целлюлозы и других факторов. Общее время варки составляет 6-12 часов.

Продолжительность варки, выход и качество получаемой целлюлозы, удельный расход пара и серы зависят от качества исходного сырья, скорости подъема температуры в котле, давле­ния и состава варочного раствора. Быстрое нагревание, высо­кая конечная температура, использование раствора с повышен­ным содержанием S0₂ могут значительно сократить время варки.

Для равномерного нагрева и лучшей пропитки щепы приме­няют принудительную циркуляцию кислоты в котле во время варки. С этой целью варочная кислота засасывается из котла кислотоупорным насосом, проходит через подогреватель и за­тем снова нагнетается в котел.

В ходе процесса варки производят несколько сдувок образо­вавшихся газов и паров. Сернистый ангидрид SО₂, не израсхо­дованный на варку, улавливают для укрепления варочной кис­лоты, а тепло, уносимое продуктами сдувок, используют для подогрева кислоты. Для этого сдувочные газы и пары из котла направляют на регенерацию SO₂ и тепла. Варка целлюлозы сложный процесс. И качество и выход продукта во многом зави­сят не только от принятой технологии и применяемой аппара­туры, но и от опыта и традиций обслуживающего персонала.

После окончания варки давление в котле снижают (сдувкой парогазовой смеси и выпуском образовавшегося раствора, на­зываемого щелоком) до 2-3 ати и содержимое котла удаляют по выдувному трубопроводу большого диаметра в сцежу. На некоторых заводах массу из котла в сцежу вымывают водой.

Сцежа - большой резервуар (объем ее в 1,5-2 раза боль­ше объема котла) из железобетона, облицованный деревянными брусьями, с ложным фильтрующим дном в виде решетки. В сцеже щелок отделяется от целлюлозы, и последняя тща­тельно промывается сначала слабым щелоком, а затем теплой водой. Потери волокна при этом не превышают 0,5%.

Промытую целлюлозу разбавляют водой до концентрации 1 -1,2% и перекачивают в очистный цех, где волокно, про­ходя через сучкоуловитель, песочницу и сортировку, освобож­дается от сучков, непроварившейся щепы и минеральных за­грязнений. Если варка целлюлозы идет в котлах периодического действия, то в очистном цехе вся аппаратура непрерывного действия.

Для отделения от массы сучков применяются плоские виб­рирующие и барабанные сучкоуловители. При вращении сет­чатого барабана (диаметр отверстий 8-11 миллиметров) со скоростью 20-30 оборотов в минуту волокна целлюлозы с во­дой проходят через сетку, а сучки и непроварившаяся щепа про­ходят в заднюю коническую часть барабана, откуда и выво­дятся. Наиболее распространенный вибрирующий сучкоулови­тель имеет сито с отверстиями 6 миллиметров, на которое по желобу поступает масса, разбавленная до концентрации 1%. Под воздействием интенсивных и частых колебаний (1450 в ми­нуту) волокна быстро проходят в железобетонную ванну через отверстия, а сучки и непроверенные куски, двигаясь по ситу вверх, переваливаются в сборный ящик.

Песочницы изготовляются из дерева или железобетона в виде длинных широких желобов (длина 25-30 м, ширина 1,5 л) с большим количеством поперечных перегородок, накло­ненных по ходу движения массы. Если волокно, разбавленное водой до концентрации 0,30-0,35%, движется спокойно, без завихрений, со скоростью 15-18 метров в минуту, то оно не оседает, а оседают более тяжелые минеральные примеси, за­держиваемые перегородками на дне песочницы.

Вместо песочниц применяют вихревые ловушки, в которых для очистки массы используется центробежная сила.

Действие сортировок основано на том, что гибкие целлюлоз­ные волокна, сильно разбавленные водой (до 0,3-0,4%), под воздействием гидравлического напора, вакуума или центробеж­ной силы проходят через небольшие круглые или щелевые от­верстия сит сортировки, а непроверенная щепа, пучки волокон и другие отходы задерживаются.

Для химической переработки и производства белой бумаги целлюлозу подвергают отбелке и облагораживанию.

Основная цель облагораживания - повысить химическую чистоту и однородность целлюлозы. Для этого из нее удаляют остатки лигнина, гемицеллюлоз, золы, смол и улучшают колло-иднохимические и физические свойства этого полуфабриката.

В качестве отбеливающих реагентов применяют: хлор или хлорную воду, растворы гипохлорита кальция Са (ОС1)₂ или натрия NaCIO, растворы хлоритов NaClOj и NaClOj • ЗНО, двуокиси хлора ClOj, перекиси водорода Н₂0₂ и натрия Ха₂0₂.

Облагораживание целлюлозы проводится растворами едкого натра при обычной или высокой температуре. В нервом случае используется 4-10%-ный раствор NaOH при 20°С в течение 30 минут, а во втором - 1 %-ный раствор NaOH в течение 3 часов при 100° С. При этом в раствор переходит большая часть оставшегося лигнина, золы, гемицеллюлоз, смолистых ве­ществ и продуктов распада целлюлозы, и тем самым повы­шается содержание основного полезного вещества, называе­мого альфа-целлюлозой, до 95-98%. Одновременно целлюлоза приобретает такие важные для ее химической переработки ка­чества, как повышенную реакционную способность, необходи­мую степень полимеризации и более равномерную вязкость.

Далее целлюлоза проходит завершающее сортирование, тщательно промывается водой для удаления хлора и кислых продуктов и поступает в размалывающий аппарат, где частицам целлюлозы сообщается способность сцепляться друг с другом. Затем целлюлозу обезвоживают, снова разбавляют водой, после чего она поступает на пресспат, где отливается в бесконечное полотно, подвергаемое прессованию и сушке до содержания влаги 8-12%. Далее полотно целлюлозы разре­зают на листы (600x800 мм) и упаковывают. Если целлюлозу транспортируют на другие предприятия, то ее размолу не под­вергают.

На качество готовой целлюлозы оказывает влияние не только метод производства, но и порода дерева, его возраст, плотность и влажность древесины, наличие в ней гнили, сучков и других пороков.

Применение новой технологии получения целлюлозы, т. е. варки на растворимых (аммонийном и натриевом) и полурастворимых (магниевом) основаниях, позволяет на 10-15% уве­личить производительность завода, повысить выход волокни­стых полуфабрикатов и их прочность. Применение растворимых оснований позволяет вести варку в кислой, нейтральной и ще­лочной средах в несколько ступеней и из различного сырья по­лучать разнообразные марки целлюлоз.

Сульфитная целлюлоза, содержащая небольшое количество лигнина и гемнцеллюлоз, легко отбеливается и облагоражи­вается, широко применяется для химической переработки и в бумажном производстве для изготовления высококачествен­ных видов бумаги и картона. В то же время сульфитный спо­соб производства имеет и ряд недостатков, из которых следует отметить длительное время варки и необходимость кислото­упорной футеровки котлов и кислотостойких трубопроводов.

Сульфатный способ производства заключается в вар­ке щепы со щелочным раствором, в состав которого входят едкий натр NaOH и сернистый натрий Na₂S, потерн этих хими­катов восполняются сульфатом натрия Na2S0₄. Варка идет в нефутерованных котлах меньшего объема (до 160 кубометров) при максимальной температуре 165-175° С и давлении 8- 10 атм. В результате химического взаимодействия едкого натра и сульфида натрия лигнин вместе с частью гемицеллюлоз пе­реходит в раствор, образуя так называемый черный щелок. Длительность варки при этом методе значительно меньше и со­ставляет 3,5-8 часов. Дальнейшая обработка полученной после варки целлюлозы (очистка, отбелка) примерно такая же, как и при производстве сульфитной целлюлозы.

Сульфатный способ производства способствовал расшире­нию сырьевой базы промышленности, так как этим способом можно перерабатывать любую древесину, в том числе отходы лесопиления и деревообработки. Хорошо разработанная си­стема регенерации щелока с последующим возвращением его в производство позволила свести до минимума сброс загряз­ненных вод в водоемы, который сравнительно велик при произ­водстве сульфитной целлюлозы. Кроме того, сульфатная цел­люлоза может быть отбелена до высокой степени белизны при одновременном сохранении механической прочности. Бумага из сульфатной целлюлозы является одной из самых прочных.

В то же время сульфатная небеленая целлюлоза более тем­ная и для ее отбелки, которая проводится в несколько ступе­ней, требуется гораздо больше белящих химических соедине­ний, чем для отбелки сульфитной целлюлозы.

В последние годы главным образом в производстве сульфат­ной целлюлозы все шире применяется непрерывная варка сырья. Применяемые для этой цели варочные аппараты с не­прерывной загрузкой исходного сырья и выгрузкой готовой целлюлозы рассчитаны на выпуск 100-400 тонн целлюлозы в сутки. Варочные аппараты по продолжительности пребыва­ния в них сырья могут быть подразделены на две группы: аппа­раты, в которых сырье находится до 4 часов, и аппараты для скорой варки (до 1 часа). На рис. 25 представлен многотруб­ный аппарат системы Пандия, имеющий от двух до восьми труб длиной 6-10 метров и диаметром от 300 до 1200 миллиметров и расположенных друг под другом. Конец каждой трубы со­единен с началом другой. Внутри каждой трубы вращается шнек, перемещающий сырье к выходу из трубы и имеющий строго регулируемое число оборотов.

Варочный щелок и пар при варке древесной щепы подается при выходе щепы из питателя. Пар поступает в первую и иногда во вторую варочную трубу. Условия варки: давление до 12 ати температура 170-190° С. Масса из варочного аппа­рата выводится с помощью разгрузочного устройства в вы­дувной резервуар.

В зависимости от условий варки при сульфатном методе производства можно получить целлюлозу разного выхода (в процентах по отношению к исходной древесине):

Растворимая................ 30-37 Высокого выхода....................... 55-62

Нормальная ............. 42-48 Полуцеллюлоза....................... 65-90

Повышенного выхода .... 53-55

Максимальная температура варки для каждого вида целлю­лозы устанавливается опытным путем.

Целлюлоза высокого выхода (на 12-14% больше, чем при варке обычной целлюлозы) производится при сокра­щенном времени варки и более низкой конечной температуре, при этом лигнин и гемицеллюлозы растворяются варочным раствором в меньшей мере, чем при обычной варке. Расход дре­весины сокращается примерно на 20%. Таким образом, для выработки 1 млн. тонн целлюлозы высокого выхода нужно почти на 2 млн. кубометров древесины меньше, чем для полу­чения такого же количества обычной целлюлозы.

Выход полуцеллюлозы на 20-40% больше выхода обычной сульфатной целлюлозы, так как только около поло­вины лигнина и одной трети гемицеллюлоз удаляются во время варки из древесины. Для производства полуцеллюлозы можно использовать и низкокачественную древесину. Количество расходуемой древесины уменьшается при этом почти на 40%. Прочность полуцеллюлозы примерно равна прочности хвойной сульфитной целлюлозы, которую она успешно заменяет в про­изводстве бумаги.

При сульфатном способе производства высококачественной целлюлозы, идущей на химическую переработку, древесину пе­ред варкой подвергают гидролизу (пропарке сырья паром, водной варке, варке со слабым раствором сильной кислоты). Во время такой обработки из древесины удаляется большая часть гемицеллюлоз, чем и облегчается последующий процесс обычной сульфатной варки.

Из щелочных способов можно отметить и натронный способ, при котором варочный щелок содержит NaOH, а по­тери щелочи возмещаются добавкой соды. Выход и прочность изготовляемой этим способом целлюлозы значительно ниже, чем сульфатной, но полуцеллюлозы из лиственных пород древе­сины, полученные холодно-натронным способом, обладают ря­дом ценных свойств.

Для получения полуцеллюлозы из лиственных пород и од­нолетних растений используют также среднюю соль сернистой кислоты (Na2SOa) в присутствии щелочи, называемой буфером (например, №₂СОз, NaHC0₃, NaOH). Этот способ варки носит название нейтрально-сульфитного. Щелочь при такой варке (в паровой фазе при 160 или 175°С с предварительной пропиткой при 100° С) растворяет преимущественно лигнин.

За последние годы внедряются и комбинированные способы производства целлюлозы. Так, при кислотно-щелочном способе древесную щепу обрабатывают в котле последовательно раствором бисульфита натрия в течение 5-6 часов при 150° С и после удаления образовавшегося ще­лока- 1-2 часа раствором карбоната натрия при 166° С.

Применяется также хлорно-щелочной способ. В этом случае солому или стружку (осина - тополь) последовательно обрабатывают щелочью и газообразным хлором. Для удаления продуктов превращения лигнина и других веществ, сопровож­дающих целлюлозу, массу вновь обрабатывают разбавленным раствором щелочи. Выход целлюлозы по этому способу дости­гает 38-45%.

Могут быть применены также азотно-щелочной спо­соб и варка в присутствии гидротропных реагентов. По пер­вому способу растительное сырье нагревают в течение часа с азотной кислотой концентрацией 2-4% и после промывки горячей водой - щелочью примерно такой же концентрации. Выход целлюлозы 40-43%.

По второму способу варку ведут в присутствии концентри­рованных (40-50%-ных) водных растворов органических со­лей (натриевых солей салициловой кислоты, бензойной кислоты, толуолсульфокислоты или ксилолсульфокислоты), которые лег­ко переводят лигнин в раствор. Чем выше температура и концентрация соли, тем больше лигнина переходит в раствор. При разбавлении полученного раствора водой большая часть растворенного лигнина выпадает в осадок.

Сравнительная характеристика различных видов техниче­ской целлюлозы приведена в табл. 3.

Характеристика различных видов технической целлюлозы

Древесная масса - волокнистый полуфабрикат из дре­весины с максимально возможным выходом. Такая масса ус­пешно используется в производстве газетной бумаги и картона различных марок. Обычную белую древесную массу получают механическим истиранием хорошо очищенных бревен длиной 125 сантиметров (баланса) в машинах, называемых дефибре­рами, на вращающихся цилиндрических камнях с шероховатой поверхностью в присутствии воды. Для древесной массы ха­рактерны сравнительно низкая механическая прочность, не­прозрачность и пухлость.

Химическую древесную массу получают или из баланса, пропитанного химикатами, истиранием на дефибрерах или из пропитанной щепы путем ее размола на рафинерах раз­личного устройства. Выход массы составляет 85%. Прочность ее в 2-3 раза выше прочности обычной белой древесной массы. Для получения тонны химической древесной массы необходимо израсходовать всего 2,5-3,0 кубометра древесины (почти всех пород), т. е. в 2 раза меньше, чем при производстве целлюлозы (табл. 4).

Расход сырья, энергии и воды на тонну продукции

На Сухонском комбинате довели расход древесины на каж­дую тонну целлюлозы до 5 кубометров, а количество химика­тов-до 120 килограммов вместо прежних 520 килограммов. Анализ показывает, что если повысить выпуск целлюлозы с каждого кубометра котла хотя бы на 5-6 килограммов в смену, то это даст стране дополнительно более 100 тыс. тонн целлюлозы в год.

Прим. Внимание! Формулы могут быть искажены, - см. источник!.

источник: А. Авербух, "Что делает химия из древесины", Москва, издательство "Лесная промышленность", 1970 год

UP

Вход/Регистрация - Присоединяйтесь! Ваше имя: (или войдите через соц. сети ниже)

Комментарии и отзывы ( потяните за правый нижний край для увеличения окна ):

Введите код, который Вы видите на изображении выше (чувствителен к регистру). Для обновления изображения нажмите на него.

• Производство мебели на заказ - группа HOMAG
• Производство полированного листеля
• Как открыть мебельное производство
• Arcari (Аркари) - производство кухонной мебели
• Aldo - производство дверей-перегородок, шкафов-купе, различных межкомнатных дверей