Результат интеллектуальной деятельности: Способ получения целлюлозы

Изобретение относится к области целлюлозно-бумажного производства и может быть использовано при получении целлюлозы из недревесного однолетнего растительного сырья.

Известен способ получения целлюлозы, включающий механическую обработку целлюлозосодержащего материала (ЦСМ) путем одновременного его рыхления и очистки, варку в щелочном растворе при температуре 130-140°С под давлением 3-4 атм. в течение 180-210 мин, промывку, отбелку в кислом растворе гипохлоритом натрия, отжим, рыхление и сушку (RU 2078163, D04H 1/02, 1997).

Недостатками способа являются проведение процесса щелочной варки в жестких условиях и использование для отбелки канцерогенного гипохлорита натрия.

Известен способ получения целлюлозы путем одновременного рыхления и очистки ЦСМ, измельчения, замочки в растворе NaOH и очистки, щелочной варки в течение 1,5-3 часов при гидромодуле 1:(5-20), содержащем дополнительно ПАВ, промывки, отбелки в растворе H₂O₂, промывки, отжима и сушки (RU 2304647, D21C 5/00, D21C 1/06, D21C 3/02, D01C 1/02, 2007).

Недостатком известного способа является невозможность получения целлюлозы из ЦСМ с высокой степенью закостренности и большим содержанием лигнина в полупродукте.

Наиболее близким, выбранным в качестве прототипа, является способ получения целлюлозы из льняного сырья, включающий рыхление и очистку ЦСМ, дополнительную промывку и резку, замочку (варку) измельченного сырья в щелочном растворе в течение 15-60 минут, термомеханохимическую активацию (ТМХА) подготовленной пульпы в течение 15-30 минут, промывку, отбелку, промывку, отжим и сушку. При необходимости после ТМХА добавляется стадия дозревания (дополнительной варки) в течение 30-60 минут (RU 2343241, D21C 5/00, D21C 1/06, D21C 9/12, D21B 1/16, D01C 1/02, 10.01.2009).

Недостатком способа является длительность операции замочки (варки) ЦСМ.

Технической проблемой является уменьшение времени щелочной варки ЦСМ при одновременном сохранении качества получаемой целлюлозы.

Техническая проблема решается способом, включающим дробление и очистку целлюлозосодержащего материала, варку в щелочном растворе, термомеханохимическую активацию (ТМХА) целлюлозосодержащего материала, промывку, отбелку, промывку и сушку, при этом щелочную варку целлюлозосодержащего материала совмещают с термомеханохимической активацией, которую осуществляют вне емкости варки непрерывно в возвратном потоке с использованием устройства механической обработки.

В качестве устройства механической обработки используют вальцовую плющилку или ножевую, или молотковую или дисковую дробилку.

Объем раствора ЦСМ, перемещаемого из емкости варки, за время операции щелочной варки может превышать объем материала, находящегося в емкости варки.

Термомеханохимическая активация может быть выполнена с использованием одного или нескольких устройств механической обработки, установленных последовательно.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является уменьшение времени щелочной варки ЦСМ при сохранении качества получаемой целлюлозы.

Операция варки ЦСМ состоит из нескольких стадий: диффузии варочного раствора к поверхности ЦСМ, проникновении внутрь, реакции гидролиза и диффузии продуктов реакции в раствор. В процессе варки важнейшим химическим процессом является гидролиз макромолекул лигнина, что приводит к его переходу в растворимую форму и выделению. Под воздействием активных реагентов и температуры связанный лигнин расщепляется и накапливается в варочном растворе.

Скорость реакции может быть увеличена с помощью активации ЦСМ, в результате которой происходит разупорядочение и разрушение клеточного строения ЦСМ. Это может достигаться воздействием, связанным со сжатием, деформацией и дезинтеграцией сечки ЦСМ в варочном растворе, многими известными механическими приемами, например, с помощью вальцовой плющилки, в дробилках ножевых, молотковых или дисковых.

В отличие от прототипа в предлагаемом способе ТМХА проводят непосредственно в процессе варки в обогреваемом наружном контуре непрерывно в возвратном потоке. При этом ЦСМ после активации опять подается в варочную емкость со щелочным раствором. В этом случае диффузия раствора в ЦСМ и извлечение из него лигнина и других спутников происходит быстрее, что приводит к сокращению времени варки.

Изобретение поясняется чертежом, на котором изображена общая схема установки для получения целлюлозы заявляемым способом, где 1 - емкость для варки, 2 - перемешивающее устройство, 3 - масса-насос, 4 - трубопровод, 5 - приемный бункер устройства механической обработки, 6 - устройство механической обработки, 7 - выгружной бункер устройства механической обработки.

В качестве сырья возможно использовать любой ЦСМ из однолетних растений независимо от его природы (лен, конопля, рапс, люцерна, амарант, солома пшеницы, ржи и др.).

Процесс осуществляют следующим образом.

Предварительно подготовленную сечку однолетнего растительного сырья, измельченную до 10-15 мм, загружают в емкость 1 со щелочным раствором, где ее разогревают при перемешивании. Варку ЦСМ проводят в растворе щелочи с концентрацией 0,7 масс. % с гидромодулем 1:15, с добавлением перекиси водорода с концентрацией 0,25 масс. % и ПАВ с концентрацией 0,1 масс. %. Температура варочного раствора - 100°С, время варки не более 60 минут.

Для увеличения интенсивности процесса варочный раствор подвергают ТМХА, прокачивая его масса-насосом 3 из варочной емкости 1 по наружному обогреваемому контуру 4 в приемный бункер 5 устройства механической обработки 6 (где происходит процесс ТМХА) и возвращают его через выгружной бункер 7 в емкость варки 1. Объем раствора, проходящего через наружный контур, регулируется производительностью масса-насоса.

По окончании процесса варки выполняют стандартные операции дезинтеграции целлюлозного полуфабриката до необходимых размеров, промывки, отбелки, промывки и сушки.

Все вышесказанное подтверждается следующими примерами, в которых в качестве ЦСМ использовали коноплю и люцерну.

Пример 1.

Подготовленную сечку однолетнего растительного сырья загружают в емкость со щелочным раствором, где полученную массу разогревают до 100°С при перемешивании. Через 10 мин после начала щелочной варки раствор ЦСМ начинают перекачивать масса-насосом AE.H-ZD (производительность 3,4 м³/ч) по обогреваемому наружному контуру (диаметр трубопровода 25 мм) в приемный бункер вальцовой плющилки Murska 220SM (производительность 1500-4000 кг/ч, мощность 4 кВт/ч). ЦСМ в потоке щелочного раствора проходит вальцовую плющилку, где происходит термомеханохимическая активация. И через выгружной бункер снова попадает в емкость варки. Перекачиваемый объем в течение времени операции варки равен объему емкости варки. Общее время варки 35 минут.

Затем выполняют стандартные операции дезинтеграции целлюлозного полуфабриката до необходимых размеров, промывку, отбелку, промывку и сушку. Показатели полученной целлюлозы представлены в таблице (опыты 1, 2).

Пример 2 (аналогичен примеру 1).

Варочный раствор при движении по наружному контуру подвергается ТМХА в двух последовательно расположенных вальцовых плющилках при одном проходе варочного раствора ЦСМ по наружному контуру. Показатели полученной целлюлозы представлены в таблице (опыт 3).

Пример 3(аналогичен примеру 1).

Варочный раствор во время варки перекачивают по наружному контуру через одну вальцовую плющилку, но перекачиваемый объем в течение времени операции варки в два раза больше объема материала в емкости варки, то есть варочный раствор через вальцовую плющилку пропускают 2 раза. Показатели полученной целлюлозы представлены в таблице (опыт 4).

Пример 4.

Условия указаны в примере 1. Варочный раствор во время операции варки при перекачке по наружному контуру проходит через ножевую дробилку БНД-5 (производительность 4 м³/ч, мощность 30 кВт/ч). Объем перекачиваемого ЦСМ по наружному контуру равен объему емкости варки. Показатели полученной целлюлозы представлены в таблице (опыты 5, 6).

Пример 5 (аналогичен примеру 4).

Варочный раствор во время варки перекачивают по наружному контуру через одну ножевую дробилку, но перекачиваемый объем в течение времени операции варки как минимум в два раза больше объема материала в емкости варки. Показатели полученной целлюлозы представлены в таблице (опыт 7).

Пример 6.

Условия указаны в примере 1. Варочный раствор во время операции варки при перекачке по наружному контуру проходит через молотковую дробилку МПС-150 (производительность 4000 кг/ч, мощность 2,2 кВт/ч). Объем перекачиваемого ЦСМ по наружному контуру равен объему емкости варки. Показатели полученной целлюлозы представлены в таблице (опыты 8, 9).

Пример 7 (аналогичен примеру 6).

Варочный раствор при движении по наружному контуру подвергается механическому воздействию посредством двух молотковых дробилок, расположенных последовательно. Объем подачи варочного раствора равен объему варочной емкости. Показатели полученной целлюлозы представлены в таблице (опыт 10).

Пример 8 (аналогичен примеру 6).

Варочный раствор ЦСМ за время варки перекачивают по наружному контуру через одну молотковую дробилку, но перекачиваемый объем, как минимум, в два раза больше объема материала в емкости варки. Показатели полученной целлюлозы представлены в таблице (опыт 11).

Пример 9.

Условия указаны в примере 1. Варочный раствор во время операции варки перекачивается через наружный контур, в котором последовательно установлены два устройства механической обработки: вальцовая плющилка и ножевая дробилка. Объем перекачиваемого материала по наружному контуру равен объему материала варки. Показатели полученной целлюлозы представлены в таблице (опыт 12, 13).

Пример 10.

Условия указаны в примере 1. Варочный раствор во время операции варки при перекачке по наружному контуру проходит через дисковую мельницу РМ 300 (производительность 4000 кг/ч, мощность 20 кВт/ч). Объем перекачиваемого ЦСМ по наружному контуру равен объему емкости варки. Показатели полученной целлюлозы представлены в таблице (опыты 14, 15).

Анализ табличных данных показывает, что предложенный способ позволяет получить целлюлозу из соломы однолетнего растительного сырья при меньшем времени варки ЦСМ, но при этом сохранить качество, соответствующее прототипу. Это достигается тем, что операцию варки совмещают с термомеханохимической активацией, которая осуществляется непосредственно во время щелочной варки ЦСМ непрерывно. Показатели α-целлюлозы остаются на уровне прототипа при значительном уменьшении общего времени процесса варки. При этом данный метод позволяет получать целлюлозу из обедненного сырья. Сочетания того или иного механического воздействия, количество этих воздействий, порядок их осуществления не меняют общую картину полученного результата.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет получить целлюлозу из недревесного однолетнего растительного сырья с показателями качества сравнимыми с прототипом, но при значительном уменьшении времени щелочной варки, а, следовательно, и всего процесса в целом.