Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ И УСТАНОВКА ДЛЯ ЩЕЛОЧНОЙ ВАРКИ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ ИЗ ДРЕВЕСИНЫ ТВЕРДЫХ ПОРОД

Перекрестная ссылка на родственные заявки

Настоящая заявка основана и имеет приоритет предварительной заявки на патент США №60/791431, поданной 13 апреля 2006 г., содержание которой полностью включено в настоящее описание путем ссылки.

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к химической обработке измельченного целлюлозного волокнистого материала. В особенно предпочтительных вариантах настоящее изобретение относится к способу и устройству для щелочной варки целлюлозы из измельченной древесины твердых пород.

Уровень техники и сущность изобретения

В результате химической варки древесины твёрдых пород обычно образуется больше отходов целлюлозной массы, чем при варке древесины мягких пород. В этом отношении было установлено, что срединные тонкие слои древесины твердых пород на клеточном уровне содержат значительно большее количество сиреневого лигнина (с-лигнина) по сравнению с количеством гваякового лигнина (г-лигнина). А именно с-лигнин присутствует в клетках срединных слоев древесины твердых пород в количестве, которое обычно в 2 - 4 раза больше, чем количество г-лигнина. С другой стороны, клетки срединных слоев древесины мягких пород обычно по существу полностью состоят из г-лигнина.

Поскольку с-лигнин, преимущественно присутствующий в древесине твердых пород, легче растворяется в процессе варки, условия варки для получения целлюлозной массы из древесины твердых пород по сравнению с условиями варки для получения целлюлозной массы из древесины мягких пород менее жесткие. Следовательно, желательно варить древесину твердых пород до получения более высокого числа Каппа, однако практически это не реализуется из-за того, что количество отходов целлюлозной массы возрастает до экономически нецелесообразной величины. Для сравнения следует отметить, что мягкие породы древесины можно варить при относительно жестких условиях до получения числа Каппа около 30 (например, благодаря присутствию в срединных слоях по существу только г-лигнина), так что приемлемое количество отходов целлюлозной массы составляет менее чем около 0,5%, тогда как при варке древесины твердых пород до получения числа Каппа около 30 образуется примерно 30% и более отходов целлюлозной массы. Таким образом, для древесины твердых пород обычные условия варки для получения числа Каппа менее чем около 20 и обычно менее чем около 18 такие, чтобы получить приемлемо низкое количество отходов целлюлозной массы.

Было обнаружено, что количество отходов целлюлозной массы древесины твердых пород можно уменьшить путем создания в конце варки целлюлозной массы древесины твердых пород особых условий. Следовательно, в соответствии с настоящим изобретением обеспечиваются способ и устройство щелочной варки целлюлозы, особенно применимые для древесины твердых пород, целью которых является увеличение числа Каппа, полученного после варки, выше обычного, но при этом с образованием намного меньшего, чем обычно, количества отходов. Для снижения числа Каппа ниже обычного настоящее изобретение благодаря тому, что в целлюлозной массе присутствует мало гексенуроновой кислоты (НехА), может быть использовано совместно со стадией эффективной кислородной делигнификации. Следовательно, настоящее изобретение обеспечивает достижение преимуществ в отношении общего выхода целлюлозной массы и загрязнения сточных вод.

Было обнаружено, что с-лигнин активнее, чем г-лигнин вступает в реакцию, и что по окончании варки древесины твердых пород доля г-лигнина выше, чем в ее начале. То есть при варке древесины твердых пород относительно более жесткие условия в конце варки (например, более высокая температура) способствуют снижению содержания г-лигнина, что, в свою очередь, ведет к уменьшению количества отходов целлюлозной массы при заданном числе Каппа.

В соответствии с определенными вариантами настоящего изобретения обеспечиваются способ и установка для непрерывного химического производства целлюлозы из суспензии из измельченной древесиной твердых пород, посредством ее обработки на первой стадии варки при условиях, достаточных для снижения содержания в древесине твердых пород сиреневого лигнина (с-лигнина) по сравнению с содержанием в ней гваякового лигнина (г-лигнина), и последующей обработки суспензии измельченной древесины твердых пород на второй стадии варки при условиях, достаточных для снижения содержания оставшегося после первой стадии варки г-лигнина.

В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения суспензию измельченной древесины твердых пород обрабатывают посредством воздействия температуры от около 130°С до около 170°С и загрузке эффективной щелочи (NaOH) в количестве от около 2 до около 10% количества древесины и/или таким образом, чтобы число Каппа обработанной древесины твердых пород после первой стадии варки составляло от около 30 до около 100.

В соответствии с другими предпочтительными вариантами осуществления настоящего изобретения в зоне первой стадии варки поддерживается низкая сульфидность менее чем около 20%. Такие условия по сульфидности в зоне первой стадии варки достигаются наиболее предпочтительно посредством введения достаточного количества антрахинона и/или полисульфида.

В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения в зоне второй стадии варки суспензия древесины твердых пород обрабатывается посредством воздействия температуры от около 100°С до около 180°С и загрузке эффективной щелочи (NaOH) в количестве от около 2 до около 10% количества древесины и/или таким образом, чтобы число Каппа обработанной древесины твердых пород после второй стадии варки составляло от около 15 до около 30.

В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения является предпочтительным создание в зоне второй стадии варки условий высокой сульфидности более чем около 20%.

По выбору, измельченная древесина твердых пород подвергается предварительной обработке. В этом случае предварительная обработка осуществляется перед первой стадией варки при загрузке эффективной щелочи (NaOH) в количестве от около 40 до около 60% количества древесины и температуре от около 80°С до около 120°С.

Эти и другие особенности и преимущества станут более очевидными после тщательного изучения приведенного ниже подробного описания предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения.

Краткое описание чертежей

Далее будут сделаны ссылки на сопроводительные чертежи, на которых одинаковые ссылочные номера на различных фигурах обозначают одинаковые конструктивные элементы, и на которых:

Фиг.1 представляет собой схему типичного устройства для реализации способа согласно настоящему изобретению, включающего типичную установку согласно настоящему изобретению;

Фиг.2 представляет собой график содержания оставшегося лигнина, измеренного в точках пробоотбора на различных стадиях цикла варки древесины твердых пород, в процентах от первоначального содержания в срединных слоях древесины;

Фиг.3 представляет собой график процентного соотношения количества с-лигнина и г-лигнина на различных стадиях цикла варки древесины твердых пород.

Подробное описание изобретения

На фиг.1 показан предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения. В этом отношении на фиг.1 показана схема установки 10 для обработки измельченного целлюлозного волокнистого материала, состоящей, по существу, из варочного котла 11 непрерывного действия, снабженного устройством 12 непрерывного питания. Устройство 12 непрерывного питания может представлять собой устройства LO-LEVEL® или TURBOFEED®, поставляемые компанией Andritz, Inc., однако может быть использовано любое из традиционных устройств питания, осуществляющих ввод, пропаривание и суспендирование измельченного целлюлозного волокнистого материала; также могут быть использованы один или более пропиточных котлов; также могут быть использованы нетрадиционные устройства, такие как устройства, включающие соответствующее оборудование и бункер для опилок, используемые на складе лесопилки и снабженные насосом для подачи в варочный котел. В некоторых вариантах также может быть использован целый ряд пропиточных котлов, при этом суспензия подается насосом из одного из них после пропитки и введения варочных добавок (либо варочные добавки вводятся во время подачи).

Измельченный целлюлозный волокнистый материал, например, в виде опилок 13 подается в устройство 12 питания, как описано в патентах США №5763075; 6106668; 6325890; 6551462; 6336993; 6841042 (содержание каждого из указанных патентов полностью включается в описание настоящего изобретения путем ссылки), причем устройство под торговой маркой TURBOFEED® поставляет компания Andritz, Inc.; либо в устройство питания, как описано в патентах США №5476572; 5700355; 5968314 (содержание каждого из указанных патентов полностью включается в описание настоящего изобретения путем ссылки), причем устройство под торговой маркой LO-LEVEL® поставляет компания Andritz, Inc. и которое может включать перемещение опилок на пропаривание в котел 14, который предпочтительно представляет собой пропарочный котел, описанный в патентах США №5500083; 5617975; 5628873; 4958741; 5700355 (содержание каждого из указанных патентов полностью включается в описание настоящего изобретения путем ссылки) и поставляемый компанией Andritz, Inc. под торговой маркой DIAMONDBACK®, однако возможно использование пропарочных котлов других типов. Из котла 14 опилки проходят через измерительное устройство, соединенное с трубопроводом, который предпочтительно представляет собой Chip Tube, поставляемый компанией Andritz, Inc. Суспензию, образованную из опилок и жидкости, подают в пропиточный котел (если таковой используется) или в варочный котел 11 посредством нагнетания под давлением.

Суспензия обычно находится под давлением от около 5 до около 15 бар и проталкивается по трубопроводу 21 в верхнюю часть варочного котла 11 непрерывного действия. Избыток щелока, содержащийся в суспензии, отделяют от нее на входе в варочный котел 11 при помощи сепаратора 22, обычно представляющего собой традиционный верхний сепаратор, а отделенный избыток жидкости возвращают в устройство 12 питания по трубопроводу 23. Во время обработки в котле 14 суспензия древесины твердых пород может быть подвергнута предварительной обработке при загрузке эффективной щелочи (NaOH) в количестве от около 40 до около 60% количества древесины и температуре от около 80°С до около 120°С, предпочтительно от около 100°С до около 110°С.

Устройство 12 питания также включает традиционные устройства, не показанные на фигуре, такие как встроенное в технологическую линию дренажное устройство, уравнительный резервуар, подпиточный насос для щелока. Варочный щелок, например крафт-целлюлозный белый щелок, обычно подают в уравнительный резервуар (не показан) общепринятым способом.

Предварительно обработанная древесина твердых пород (которая может, по выбору, быть обработана в пропиточном котле), подаваемая по линии 21, поступает на первую стадию варки в варочный котел 11. Однако в соответствии с настоящим изобретением, как указано выше, предварительная обработка древесины твердых пород не является безусловно необходимой, то есть древесина может быть сразу подана в варочный котел 11. Независимо от того, осуществляется ли предварительная обработка древесины твердых пород, первая стадия варки в варочном котле 11 осуществляется в условиях низкой сульфидности (то есть 0-20%), используя такие добавки, как антрахинон и/или полисульфид. Первая стадия варки в варочном котле 11 осуществляется при температуре от около 130°С до около 170°С, используя загрузку эффективной щелочи (NaOH) в количестве от около 2 до около 10% количества древесины. Число Каппа обработанной древесины твердых пород на выходе из варочного котла 11 по линии 30 составляет от около 30 до около 100 (предпочтительно от около 40 до около 60).

После первой стадии варки в варочном котле 11 отношение количества г-лигнина к количеству с-лигнина в древесине твердых пород выше, чем в начале первой стадии варки. Высокая концентрация с-лигнина в щелоке может отрицательно влиять на растворение г-лигнина, оставшегося в древесине твердых пород. Для снижения этого влияния может появиться необходимость в промывке древесины твердых пород после первой стадии варки в варочном котле 11. Так, по выбору, древесина твердых пород может быть подана в промывной резервуар 32 по линии 30 для промывки промывным щелоком, подаваемым по линии 34. Отработанный промывной щелок удаляется из промывного резервуара 32 по линии 36. Поскольку на стадии промывки в промывном резервуаре 32 содержание с-лигнина в щелоке снижается, любые варочные добавки, которые могут быть использованы позже, не будут тратиться на его растворение.

Промытая целлюлозная масса из устанавливаемого по выбору промывного резервуара 32 по линии 38 направляется в варочный котел 40, где осуществляется вторая стадия варки, на которой происходит дальнейшее разложение г-лигнина и снижение его содержания в древесине твердых пород. Разложение г-лигнина может быть достигнуто посредством использования варочного щелока с высокой сульфидностью (то есть выше 20% и предпочтительно от около 25 до около 40%) за счет применения антрахинона и/или полисульфида (см., например, патент США №6576084, содержание которого полностью включается в описание настоящего изобретения путем ссылки). Также могут быть использованы другие варочные химикаты, соответствующие условиям варки, такие как сульфит, они используются как в отдельности, так и совместно с антрахиноном и/или полисульфидом, как было указано выше.

Вторая стадия варки в варочном котле 40 осуществляется при температуре от около 100°С до около 180°С, предпочтительно от около 130°С до около 180°С, с загрузкой эффективной щелочи (NaOH) в количестве от около 2 до около 10% количества древесины (начальной загрузки) и числом Каппа в начале второй стадии варки от около 30 до около 100 (предпочтительно от около 40 до около 60). На этой стадии может оказаться полезным (но не всегда необходимым) снизить температуру относительно величины, используемой на первой стадии варки.

Если достаточное количество щелочи не было подано в начале второй стадии варки, может оказаться необходимым добавить в варочный котел 40 белый щелок. Если такое добавление осуществляется, предпочтительно продолжить варку древесины твердых пород при температуре, по меньшей мере, около 130°С. В точке выхода целлюлозной массы из варочного котла 40 по линии 42 число Каппа предпочтительно будет составлять от 15 до 30, более предпочтительно от около 20 до около 30.

В настоящем изобретении важно то, что древесина твердых сортов проходит две отдельные стадии варки. Н-фактор, полученный в конце второй стадии варки, составляет лишь 50% от полученного в результате варки в целом. Или, иначе, Н-фактор, полученный после первой стадии варки, составляет менее чем 50% от полученного в результате варки в целом (то есть в конце второй стадии варки).

Также возможно осуществить все стадии варки и стадию промывки, если она предусмотрена, в одном варочном котле. В случае использования единичного котла каждая стадия осуществляется при тех же, описанных выше рабочих параметрах, а по окончании стадий нет необходимости в промежуточной передаче материала в различные резервуары.

Первую и вторую стадии варки, осуществляемые в варочных котлах 11 и 40 соответственно или в единичном котле, предпочтительно проводят в соответствии с одним или более способов, более полно описанных в патентах США № 5489363; 5536366; 5547012; 5575890; 5620562; 5662775 (содержание каждого из указанных патентов полностью включается в описание настоящего изобретения путем ссылки). Способы и устройства, описанные в этих патентах, выведены на рынок под торговой маркой LO-SOLIDS® Pulping компанией Andritz, Inc., Гленс Фоллз, Нью-Йорк.

При помощи способа и устройства, являющихся объектом настоящего изобретения, вследствие создания условий относительно высокой температуры и низкой щелочности, характерных для нового способа обработки и/или варки на второй ступени, получают целлюлозную массу с низким содержанием гексенуроновой кислоты. В целлюлозной массе с низким содержанием гексенуроновой кислоты создаются условия для кислородной делигнификации, что, в свою очередь, способствует получению целлюлозной массы с низким числом Каппа, направляемой на последующее отбеливание. В этом отношении можно обратиться к патентам США № 6776876 и 6475338, содержание которых полностью включается в описание настоящего изобретения путем ссылки. Следовательно, для отбеливания целлюлозной массы с низким числом Каппа нужно меньше химикатов, поэтому снижается уровень загрязнения сточных вод. Иначе говоря, из-за низкого содержания соединений гексенуроновой кислоты в целлюлозной массе в результате варки можно получить более высокое число Каппа с последующим отбеливанием с получением более низкого числа Каппа при снижении общего количества используемых химикатов.

Приведенный ниже пример дополнительно поясняет, но не ограничивает настоящее изобретение.

Пример

Цикл варки древесины твердых пород был осуществлен с использованием общей загрузки 17,5% эффективной щелочи (NaOH), вводимой на стадии пропитки, первой (или верхней) стадии варки и второй (или нижней) стадии варки. На этих стадиях цикла были созданы следующие условия:

Пропитка:

50% общей загрузки, т.е. 8,75% эффективной щелочи

Температура пропитки 110°С

Время нагрева до температуры пропитки 15 мин

Время выдерживания при температуре пропитки 30 мин

1-я (верхняя) стадия варки:

В начале стадии добавлено 30% общей загрузки, т.е. 5,25%, эффективной щелочи

Температура варки 155°С

Время нагрева до температуры варки 15 мин

Время выдерживания при температуре варки 60 мин

2-я (нижняя) стадия варки:

В начале стадии добавлено 20% общей загрузки, т.е. 3,5%, эффективной щелочи

Температура варки 156°С

Время выдерживания при температуре варки 120 мин

Проба целлюлозного материала (древесных опилок) была отобрана после завершения пропитки и исследована в лаборатории на содержание с-лигнина и г-лигнина с использованием метода, описанного в работе Lin et al, “Methods in Lignin Chemistry”, Springer-Verlag, Berlin (1992) [Лин и др. Методы химии лигнинов, Спрингер-Верлаг, Берлин], содержание которой полностью включается в описание настоящего изобретения путем ссылки. Кроме того, пробы целлюлозного материала (древесных опилок) были отобраны в середине варки (т.е. примерно через 90 мин после начала пропитки) и в конце первой (верхней) стадии варки (т.е. примерно через 120 мин после начала пропитки). Каждую пробу также исследовали на содержание с-лигнина и г-лигнина. Наконец, была отобрана проба в середине второй (нижней) стадии варки (т.е. примерно через 180 мин после начала пропитки). Анализ на содержание с-лигнина и г-лигнина в конечной целлюлозной массе не проводили, поскольку, как правило, содержание лигнина настолько мало, что точный анализ на с-лигнин и г-лигнин затруднителен.

На фиг.2 показан график содержания оставшегося лигнина, измеренного в точках пробоотбора, в процентах от первоначального содержания в срединных слоях древесины. В начале пропитки содержание лигнина принимается за 100%, тогда к концу второй (нижней) стадии варки остается только около 3% лигнина. Обычно, до обработки в древесных опилках содержится около 24% лигнина, что в соответствии с графиком, приведенным на фиг. 2, означает, что остается только около 0,72% лигнина от общего количества опилок, то есть любой анализ на содержание с-лигнина и г-лигнина был бы неточным.

На фиг.3 показаны данные, отражающие изменение соотношения количества с-лигнина и г-лигнина по мере осуществления описанной выше варки. Первое значение, 2,74 - это начальное соотношение до добавления щелока и начала какой-либо обработки. Второе значение, 2,87 - это соотношение на стадии пропитки. Третье и четвертое значения, 2,64 и 2,54 соответственно - соотношения для первой стадии варки и конца первой стадии варки. Пятое, и последнее, значение, 2,47, соответствует середине второй стадии варки.

Данные, представленные на фиг.3, позволяют предположить, что с-лигнин разлагается или растворяется быстрее, чем г-лигнин. В результате, г-лигнин по-прежнему присутствует на клеточном уровне, т.е. для его разрушения или растворения требуются иные условия. Следовательно, для разрушения г-лигнина необходимо изменить рабочие условия в варочном котле на более поздних стадиях варки. А именно в соответствии с настоящим изобретением на более поздних стадиях варки требуется более высокая по сравнению с предыдущими стадиями температура, что гарантирует разрушение г-лигнина и способствует повышению выхода (в силу снижения количества отходов) и улучшению физических свойств целлюлозной массы.

Поскольку настоящее изобретение было описано в связи с наиболее практически важными и предпочтительными вариантами его осуществления на сегодняшний день, следует понимать, что настоящее изобретение не ограничивается описанным вариантом осуществления, а, напротив, подразумевает охват различных модификаций и эквивалентных устройств, входящих в сущность и объем прилагаемой формулы изобретения.