Чем обрабатывается древесина при сульфитной варке

СОДЕРЖАНИЕ

История

Магний был стандартным противоионом, пока кальций не заменил его в 1950-х годах.

Приготовление варочного щелока

Варочный раствор для большинства сульфитных заводов обрабатывает различные основания (гидроксиды щелочных или щелочноземельных металлов) диоксидом серы:

Аналогичные реакции осуществляются с двухвалентными катионами (Mg2 +, Ca2 +) и с использованием карбонатов вместо гидроксида.

Отношение сульфита к бисульфиту зависит от pH, выше pH = 7 преобладает сульфит.

Эта суспензия гидроксида магния затем используется в другом скруббере для поглощения диоксида серы из дымовых газов с получением раствора бисульфита магния, который очищается, фильтруется и используется в качестве варочного раствора.

Mg (OH) ₂ + 2 SO ₂ → Mg (HSO ₃ ) ₂ На основе натрия

Процессы сульфитной варки целлюлозы

Процесс проводится в больших сосудах высокого давления, называемых варочными котлами. Варка сульфитной целлюлозы осуществляется при pH от 1,5 до 5. Целлюлоза находится в контакте с химикатами для варки целлюлозы от 4 до 14 часов и при температурах от 130 до 160 ° C (от 266 до 320 ° F ), опять же в зависимости от используемых химикатов.

Химическое восстановление

Приложения

Товар

Растворяющаяся пульпа

Ацетат целлюлозы использовался для изготовления гибких пленок для фотографических целей, компьютерных лент и т. Д., А также для изготовления волокон.

Побочные продукты

Варка сульфитной целлюлозы обычно менее разрушительна, чем варка крафт-целлюлозы, поэтому имеется больше используемых побочных продуктов.

Лигносульфонаты

Другие побочные продукты

Источник

Чем обрабатывается древесина при сульфитной варке

Условия варки зависят от состава варочного щелока и определяются назначением вырабатываемой технической целлюлозы: получение бумаги и картона или искусственных полимеров (химическая переработка целлюлозы). Натронный варочный щелок содержит активную щелочь в виде гидроксида натрия и карбоната натрия. Сульфатный варочный щелок (белый щелок) в качестве активных компонентов содержит гидроксид натрия и сульфид натрия, а также примеси карбоната, тиосульфата, сульфата и полисульфидов натрия, наличие которых связано с реакциями, протекающими в процессе регенерации варочных химикатов.

Варочный щелок характеризуется следующими основными показателями, выраженными в процентах и рассчитанными, как правило, в единицах Na₂O [ед. Na₂O (%) = 31×m (%) эквивалентная масса].

Эффективная щелочь = NaOH + ½ Na₂S

Активная щелочь = NaOH + Na₂S

Щелочь при варке расходуется на реакции с лигнином, углеводами, экстрактивными веществами, а также на нейтрализацию различных органических кислот присутствующих в древесине. При сульфидности белого щелока 30 % поглощается, в пересчете на а.с.д., около 14 % активной щелочи или 11,6 % эффективной щелочи в единицах Na₂O. Из этого количества щелочи на нейтрализацию продуктов растворения лигнина расходуется около 3,1 %. Остальные 8,5 % тратятся на гидролиз ацетильных групп (1,15 %) и нейтрализацию продуктов деструкции углеводов (7,35 %). Таким образом, при сульфатной варке на растворение лигнина расходуется около 25 % содержащейся в щелоке активной щелочи. В результате реакций варочных реагентов с компонентами древесины к концу варки в щелоке остается 65–80 % сульфида натрия и только небольшая часть активной щелочи [17, 48].

Выход и свойства волокнистого материала, получаемого после варки зависят от расхода и концентрации щелочи, сульфидности щелока, температуры и продолжительности процесса, пропитки щепы, породы и свойств древесины.

Влияние расхода щелочи и ее концентрации

В течение варки часть щелочи в щелоке расходуется на нейтрализацию кислых продуктов, образующихся при растворении древесины. Количество активной щелочи, связываемое кислыми продуктами варки, называется теоретическим расходом щелочи. Количество щелочи, связанной с продуктами распада растительного сырья, составляет в ед. Na₂O 25–31 масс. % от массы растворенных органических веществ. Теоретический расход щелочи возрастает при получении мягкой белимой целлюлозы и целлюлозы для химической переработки, т. к. это связано с более глубоким распадом углеводов и лигнина. Расход щелочи на варку в производственных условиях на 10–50 % выше теоретического. В промышленных условиях при варке сосны и ели расход щелочи на варку при выработке целлюлозы, предназначенной для производства бумаги и картона, находится в пределах 15–22 масс. % активной Na₂O от массы а.с.д. Для варки некоторых хвойных пород, расход щелочи возрастает до 20–24 % Nа₂O за счет большого содержания в ней водорастворимых. При варке лиственных пород древесины — осины и березы — расход активной щелочи на варку сокращается до 14–16 масс. % Na₂O от массы древесины ввиду более легкой ее делигнификации. Влияние расхода щелочи на выход и степень делигнификации целлюлозы из березы и сосны представлено в табл. 15.2.25.

Начальная концентрация активной щелочи связана с расходом щелочи на варку через жидкостный модуль варки в соответствии с формулой:

где А — относительный расход активной щелочи на варку, %; C₀ — начальная концентрация щелочи в варочном растворе, кг Na₂O/м 3 ; V — жидкостной модуль варки (м 3 щелока / 1 т а.с.д.) складывается из удельных объемов белого щелока (Vб.щ.), влаги в щепе (Wв.щ.), конденсата от пропарки (Wк.) и черного щелока (Vч.щ.):

Таблица 15.2.25

Влияние расхода щелочи на выход и степень делигнификации целлюлозы [49]

Примечание. Продолжительность: 1 ч при варке сосны и 1,5 ч при варке березы. Сульфидность белого щелока 25 %, температура 170 °С.

При получении целлюлозы одинакового выхода увеличение концентрации активной щелочи на 30 г/л при постоянном ее расходе сокращает время варки примерно в 2 раза. В производственных условиях концентрация активной щелочи в варочном щелоке находится в пределах 40–60 г/л. Для регулирования концентрации активной щелочи в варочном щелоке, поддержания необходимого гидромодуля и экономии химикатов в котел добавляется черный щелок.

Влияние сульфидности варочного щелока

Сульфидностью называется эквивалентное отношение концентрации сульфида натрия к концентрации активной щелочи.

В промышленных условиях сульфидность варочного щелока находится чаще всего в пределах 15–35 %.

В табл. 15.2.26 представлены данные о влиянии сульфидности на показатели качества целлюлозы, получаемой при варке древесины сосны.

Наряду с положительными сторонами повышения сульфидности необходимо отметить и некоторые отрицательные стороны: усиление корродирующего действия щелока на варочное Лабораторное оборудование; повышение количества вредных метилсернистых соединений и сероводорода.

Таблица 15.2.26

Влияние сульфидности варочного щелока на качество целлюлозы при варке древесины сосны

Влияние температуры и продолжительности варки [50]

Щелочные варки (натронные и сульфатные) условно можно разделить на три периода:

1) заварка — включает подъем температуры от начальной до максимальной температуры варки с возможными промежуточными стоянками для улучшения пропитки щепы;
2) собственно варка — стоянка при заданной конечной температуре;
3) выдувка (или вымывка) массы из котла — может производиться либо с полного давления в котле, либо со снижением давления, либо со снижением давления и температуры (холодная выгрузка массы из котла).

При сульфатном способе варки максимальная температура в варочном котле поддерживается в пределах 150–180 °С (Р 0,7–1,2 МПа) — в зависимости от вида получаемой целлюлозы и породы древесины. Для варки лиственных пород древесины температура варки не должна быть выше 170 °С из-за резкого понижения в противном случае выхода целлюлозы и ее прочности. Зависимость скорости реакции от температуры и продолжительности процесса описывается уравнением химической кинетики. Большинство исследователей аппроксимируют процесс делигнификации древесины уравнением реакции первого порядка:

Согласно Аррениусу, константа скорости реакции выражается формулой:

где k₀ — постоянный коэффициент, с –1 ; E — энергия активации, Дж/моль; R — универсальная газовая постоянная, Дж/моль∙К; T — абсолютная температура, К.

Поскольку значение коэффициента k₀ определить затруднительно, Врумом предложено ввести относительную константу скорости, не содержащую k₀:

,

где k (t, 373) — константа скорости при температуре 100 °C; .

Физический смысл k′ можно интерпретировать как относительную скорость реакции. Действительно, отношение фактической скорости реакции к условной скорости при 100 °С равно k:

Для процесса сульфатной варки хвойной древесины величина Е, рассчитанная по экспериментальным данным, равна 134 080 Дж/моль, тогда:

Интеграл относительной константы скорости k′ принято называть Н-фактором:

Таблица 15.2.27

Относительная скорость делигнификации при сульфатной варке [50]

H-фактор отражает суммарное влияние температуры и продолжительности варки на выход и степень провара целлюлозы. Для определения H-фактора в табл. 15.2.27 приводятся относительные скорости процесса делигнификации при сульфатной варке хвойной древесины.

Влияние пропитки щепы и породы древесины

Пропитка щепы как при сульфатной, так и при сульфитной варке положительно сказывается на равномерности провара, сокращении отходов сортирования, улучшении механической прочности волокнистого материала. При получении мягких белимых целлюлоз улучшение пропитки щепы приводит к снижению расхода химикатов на отбелку. Положительное влияние на качество пропитки и ее скорость оказывает влажность щепы и равномерность щепы по размерам.

Влияние вида сырья

Влияние породы древесины при щелочных варках целлюлозы значительно меньше, чем при сульфитных варках. Выход среднежесткой целлюлозы из хвойных пород древесины в зависимости от ее качественных показателей колеблется в пределах 42–50 масс. %, выход целлюлозы из лиственницы в зависимости от содержания в ней водорастворимых веществ (арабиногалактан и др.) значительно ниже и колеблется в пределах 34,5–44 %. Из древесины ели и сосны при натронной и сульфатной варках получается примерно равноценная целлюлоза, но за счет меньшего содержания смолы выход целлюлозы из ели выше, чем из сосны. В табл. 15.2.28 приводятся сравнительные данные по варке древесины ели и сосны сульфатным способом.

Лиственная древесина при сульфатной варке дает целлюлозу с довольно высокими показателями качества и большим, по сравнению с хвойной древесиной, выходом (50–55 масс. %). При этом варка лиственной древесины проводится при более низкой температуре и с меньшим расходом щелочи. В табл. 15.2.29 приводятся сравнительные данные результатов сульфатных варок сосны и березы.

Основные марки сульфатной целлюлозы

Методом сульфатной варки производят целлюлозу марок: НС-1, НС-2, НС-3.

Целлюлоза марки НС-1 применяется для высокопрочных технических и специальных упаковочных видов бумаг, бумаги для парафинирования марки ОДП-35 и для специальных видов бумаги.

Целлюлоза марки НС-2 применяется для оберточных, упаковочных, водонепроницаемых видов бумаг, шпагатной бумаги, основы для парафинирования, основы для клеевой ленты, влагопрочной основы для шлифовальных шкурок и основы абразивной; бумаги и картона для текстильных патронов и конусов, коробочного, обивочного, водостойкого, прокладочного, обувного и других видов картона.

Целлюлоза марки НС-3 предназначается для влагопрочной, текстурной видов бумаг, основы для внутреннего слоя бумажного слоистого пластика, картона для торцевых крышек фильтрующих элементов.

Характеристика сульфатной небеленой целлюлозы различных марок в соответствии с ГОСТ 11208–82 с учетом изменений № 4 от 1990 г. представлена в табл. 15.2.30.

Методом сульфатной варки также производится целлюлоза электроизоляционная для конденсаторной, кабельной и трансформаторной бумаги (ГОСТ 5186–88).

Таблица 15.2.28

Свойства сульфатной целлюлозы из древесины ели и сосны [49]

Таблица 15.2.29

Результаты сульфатных варок древесины сосны и березы [49]

Таблица 15.2.30

Характеристика сульфатной небеленой целлюлозы различных марок

Техника варки сульфатной целлюлозы

Для производства древесной щелочной целлюлозы применяются:

– периодическая варка — в стационарных варочных котлах с циркуляцией щелока и прямым нагревом или в стационарных котлах с циркуляцией и непрямым нагревом;

– непрерывная варка — в котлах непрерывного действия.

Современные варочные котлы снабжены системой принудительной циркуляции щелока с непрямым нагревом.

Отобранный из котла щелок проходит через теплообменник, где нагревается, и подается обратно в котел: 2/3 объема щелока направляется в верхнюю часть котла, где разбрызгивается через сопло, а 1/3 объема щелока поступает в нижнюю часть котла через нижнюю горловину котла. Производительность циркуляционного насоса в системах циркуляции создает кратность циркуляции в котле за час в пределах 9,5–14,5. Удельная поверхность нагрева подогревателя должна быть достаточно большой и находится в пределах 0,75–8,5 м 2 /1 м 3 объема котла.

Начиная со 120–130 °С, производят так называемую терпентинную сдувку, которая продолжается до достижения температуры варки 165–175 °С. Терпентинной сдувка называется потому, что в сдувочных газах находятся главным образом пары скипидара (терпентина). По завершению варки производится конечная сдувка. Давление в котле при этом снижается с 0,7–0,8 МПа до 0,4–0,5 МПа. На большинстве отечественных заводов с целью сокращения оборота котла вместо конечной сдувки производят выдувку массы с полного давления. Современные теплоэкономичные технологии периодической сульфатной варки предусматривают холодную выгрузку массы из котла и рекуперацию тепла черного щелока («модифицированные варки»). Это позволяет сократить расход пара на варку (на 50–60 %), уменьшить количество газовых выбросов (на 90 %), так как температура отбираемой из котла массы ниже температуры самоиспарения жидкости, и сократить оборот котла (на 30–40 %). К другим преимуществам модифицированных варок следует отнести: возможность использования щепы низкого качества; снижение расхода химикатов на варку (на 5–10 %); увеличение выхода полуфабриката (из хвойной древесины на 1,0–1,5 %, из лиственной — на 1,5–2 %); возможность получения полуфабриката в широком диапазоне чисел Каппа; повышение прочности целлюлозы (на 10–15 %); увеличение эффективности промывки целлюлозы за счет стадии промывки в котле; увеличение концентрации СВ в отработанном щелоке и, вследствие этого, сокращение расхода пара на выпарку; снижение расхода отбеливающих химикатов при отбелке (до 30 %). В табл. 15.2.32 приведены характеристики технологических процессов для новых способов периодической варки в сравнении с традиционной варкой.

В табл. 15.2.31 приводятся сравнительные данные состава газовых выбросов при обычной периодической сульфатной варке и при варке с холодной выгрузкой массы из котла.

Установки непрерывной варки. Наиболее широко распространенными установками для непрерывной сульфатной варки являются установки непрерывного действия фирмы «Камюр» [37]. АО «Петрозаводскмаш» изготавливает некоторые виды варочных установок непрерывного действия с вертикальным котлом, однососудные и двухсосудные, различной производительности. Их техническая характеристика приведена в табл. 15.2.33 [35, 49].

Таблица 15.2.31

Состав газовых выбросов воздушно-сухой целлюлозы (кг/т) [49]

Таблица 15.2.32

Технологические характеристики различных вариантов периодической варки [51–53]

Таблица 15.2.33

Техническая характеристика установок непрерывной варки целлюлозы с вертикальным котлом, выпускаемых АО «Петрозаводскмаш» [35, 49]

Таблица 15.2.34

Потребление энергии при варке в котлах Камюр и при выпарке [49]

В табл. 15.2.34 представлены данные по потреблению энергии в котлах Камюр при варке и выпарке.

Технология непрерывной варки в аппаратах системы Камюр и конструкция самих аппаратов постоянно совершенствуются с целью улучшения качества получаемой целлюлозы, повышения технико-экономических показателей процесса, снижения уровня загрязнения сточных вод и уменьшения газовых выбросов.

Разработаны методы модифицированной непрерывной варки (МНВ) и продленной модифицированной варки (ПМВ) по методу Камюр.

Следующим усовершенствованием в технологии непрерывной варки является разработанная фирмой «Квернер» изотермическая варка (ИТВ) при температуре 150 °С. Процесс изотермической варки позволяет варить хвойную и лиственную древесину до низких значений числа Каппа при сохранении механических свойств и вязкости целлюлозы.

Продолжением совершенствования непрерывной варки Камюр является разработка технологии Lo Solids (фирмы «Альстрем»). По сравнению с обычной и модифицированной варкой процесс дает увеличение прочности целлюлозы, улучшение белимости и способности к промывке, уменьшение расходов варочных растворов и отбельных химикатов.

Существуют также установки непрерывного действия типа Эско, многотрубные установки типа Пандия, применяемые для производства целлюлозы различного назначения, установки типа МД-Бауэр и Спроут-Вальдрон.

Источник