Измельчение – это процесс, при котором связи в структуре древесины разрушаются либо механически, либо химически. Химическая целлюлоза может быть получена либо щелочным (т.е. сульфатным или сульфатным), либо кислотным (т.е. сульфитным) способами. Наибольшая доля целлюлозы производится сульфатным способом, затем следуют механический (в том числе полухимический, термомеханический и механический) и сульфитный способы (рис. 1). Процессы варки целлюлозы различаются выходом и качеством продукта, а химические методы — используемыми химическими веществами и долей, которую можно восстановить для повторного использования.

Рисунок 1. Производственные мощности по производству целлюлозы по всему миру в разбивке по типам целлюлозы

Механическое измельчение

Механическая пульпа производится путем измельчения древесины о камень или между металлическими пластинами, в результате чего древесина разделяется на отдельные волокна. Действие сдвига разрушает волокна целлюлозы, так что полученная целлюлоза слабее, чем целлюлоза, разделенная химическим путем. Лигнин, связывающий целлюлозу с гемицеллюлозой, не растворяется; он просто размягчается, позволяя волокнам отделяться от древесной матрицы. Выход (доля исходной древесины в целлюлозе) обычно превышает 85%. В некоторых методах механического производства целлюлозы также используются химические вещества (например, химико-механическая целлюлоза); их выход ниже, поскольку они удаляют больше нецеллюлозных материалов.

При варке древесной массы (SGW), старейшем и исторически наиболее распространенном механическом методе, волокна удаляются из коротких бревен путем прижимания их к вращающемуся абразивному цилиндру. При механической обработке целлюлозы на рафинере (RMP, рис. 2), которая приобрела популярность после того, как стала коммерчески жизнеспособной в 1960-х годах, древесная щепа или опилки подаются через центр дискового рафинера, где они измельчаются на более мелкие кусочки по мере того, как они выталкиваются наружу. постепенно сужающиеся стержни и канавки. (На рис. 2 рафинеры заключены в центре рисунка, а их большие двигатели слева. Стружка подается по трубам большого диаметра, а пульпа выходит из труб меньшего диаметра.) Модификацией RMP является термомеханическая обработка целлюлозы (TMP ), в котором щепа пропаривается до и во время рафинирования, обычно под давлением.

Рисунок 2. Механическая варка целлюлозы на рафинере

Библиотека Канфора

Один из самых ранних методов производства химико-механической целлюлозы включал предварительное пропаривание бревен перед кипячением их в растворах для химической варки, а затем их измельчение в каменных мельницах для получения целлюлозы «химико-молотая древесина». В современном химико-механическом производстве целлюлозы используются дисковые рафинеры с химической обработкой (например, бисульфитом натрия, гидроксидом натрия) до, во время или после рафинирования. Целлюлоза, полученная таким образом, называется либо химико-механической целлюлозой (ХМЦ), либо химико-термомеханической целлюлозой (ХТММ), в зависимости от того, проводилась ли рафинация при атмосферном или повышенном давлении. Ряд организаций разработали и запатентовали специализированные варианты ХТММ.

Химическая варка и восстановление

Химическая целлюлоза производится путем химического растворения лигнина между древесными волокнами, что позволяет волокнам разделяться относительно неповрежденными. Поскольку в этих процессах удаляется большая часть неволокнистых компонентов древесины, выход обычно составляет порядка 40–55%.

При производстве химической целлюлозы стружка и химикаты в водном растворе варятся вместе в автоклаве (варочном котле, рис. 3), который может работать в периодическом или непрерывном режиме. При периодическом приготовлении варочный котел заполняется стружкой через верхнее отверстие, добавляются химические вещества для пищеварения, и содержимое готовится при повышенной температуре и давлении. После завершения варки давление сбрасывается, «выдувая» делигнифицированную пульпу из варочного котла в сборный резервуар. Затем последовательность повторяется. При непрерывном варке предварительно пропаренная щепа подается в варочный котел с постоянной скоростью. Стружка и химикаты смешиваются в зоне пропитки в верхней части варочного котла, а затем проходят через верхнюю зону варки, нижнюю зону варки и зону промывки, после чего попадают в продувочный резервуар.

Рис. 3. Варочный котел непрерывного действия со строящимся конвейером для стружки.

Библиотека Канфора

В настоящее время химические вещества, используемые для пищеварения, извлекаются в большинстве операций по производству химической целлюлозы. Основными задачами являются извлечение и восстановление химических веществ для пищеварения из отработанного варочного щелока, а также получение тепловой энергии путем сжигания растворенного органического материала из древесины. Полученный пар и электричество обеспечивают некоторые, если не все потребности завода в энергии.

Сульфатная варка и извлечение

Сульфатный процесс дает более прочную и темную целлюлозу, чем другие методы, и требует химического восстановления, чтобы конкурировать с экономической точки зрения. Этот метод произошел от содовой варки (при которой для пищеварения используется только гидроксид натрия) и начал приобретать известность в промышленности с 1930-х по 1950-е годы с развитием процессов отбеливания диоксидом хлора и химического восстановления, которые также производили пар и электроэнергию для мельницы. Свою роль также сыграла разработка коррозионно-стойких металлов, таких как нержавеющая сталь, для работы в кислых и щелочных средах на целлюлозных заводах.

Варочная смесь (белый щелок) представляет собой гидроксид натрия (NaOH, «едкий») и сульфид натрия (Na₂С). Современное производство сульфатной целлюлозы обычно осуществляется в варочных котлах непрерывного действия, часто футерованных нержавеющей сталью (рис. 3). Температуру варочного котла медленно повышают приблизительно до 170°С и поддерживают на этом уровне в течение приблизительно 3-4 часов. Целлюлоза (называемая коричневой массой из-за ее цвета) просеивается для удаления сырой древесины, промывается для удаления отработанной варочной смеси (теперь это черный щелок) и отправляется либо на отбеливающий завод, либо в цех по производству целлюлозы. Необработанная древесина либо возвращается в варочный котел, либо отправляется на сжигание в энергетический котел.

Черный щелок, собранный из варочного котла и промывочных машин бурого сырья, содержит растворенные органические вещества, точный химический состав которых зависит от породы древесины, из которой производится варка, и условий варки. Щелок концентрируется в испарителях до содержания воды менее 40%, а затем распыляется в котел-утилизатор. Органический компонент расходуется в качестве топлива, выделяя тепло, которое утилизируется в верхней части топки в виде высокотемпературного пара. Несгоревший неорганический компонент собирается на дне котла в виде расплавленного расплава. Расплав вытекает из печи и растворяется в слабом растворе щелочи, образуя «зеленый щелок», содержащий в основном растворенный Na.₂S и карбонат натрия ( Na₂CO₃). Этот раствор перекачивают на завод повторного каустификации, где он осветляется, а затем вступает в реакцию с гашеной известью.
(Са(ОН)₂), образуя NaOH и карбонат кальция (CaCO₃). Белый щелок фильтруют и сохраняют для последующего использования. СаСО₃ направляется в печь для обжига извести, где нагревается для регенерации извести (CaO).

Сульфитная варка и извлечение

Производство сульфитной целлюлозы доминировало в промышленности с конца 1800-х до середины 1900-х годов, но метод, использовавшийся в то время, был ограничен типами древесины, из которых можно было производить целлюлозу, и загрязнением, создаваемым сбросом неочищенных отходов варочного раствора в водные пути. Новые методы позволили решить многие из этих проблем, но производство сульфитной целлюлозы в настоящее время составляет небольшой сегмент рынка целлюлозы. Хотя при сульфитной варке обычно используется кислотное выщелачивание, существуют как нейтральные, так и основные варианты.

Варочный раствор сернистой кислоты (H₂SO₃) и бисульфит-ион (HSO₃^–) готовится на месте. Элементарную серу сжигают с получением диоксида серы ( SO₂), который проходит через абсорбционную колонну, содержащую воду и одно из четырех щелочных оснований (CaCO₃, исходное сульфитное основание, Na₂CO₃, гидроксид магния (Mg(OH)₂) или гидроксид аммония (NH₄OH)) которые производят кислоту и ион и контролируют их пропорции. Сульфитную варку обычно проводят в варочных котлах периодического действия с кирпичной футеровкой. Чтобы избежать нежелательных реакций, варочный котел медленно нагревают до максимальной температуры 130–140°C и варят чипсы в течение длительного времени (от 6 до 8 часов). По мере увеличения давления в метантенке газообразный диоксид серы ( SO₂) стравливается и снова смешивается с сырой кулинарной кислотой. Когда остается от 1 до 1.5 часов времени приготовления, нагрев прекращают, а давление снижают путем выпуска газа и пара. Пульпа выдувается в сборный резервуар, затем промывается и просеивается.

Отработанная смесь сбраживания, называемая красным щелоком, может использоваться для регенерации тепла и химических веществ во всех операциях, кроме операций на основе бисульфита кальция. При варке сульфитной целлюлозы на основе аммиака сначала отгоняют разбавленный красный щелок для удаления остаточного SO.₂, затем сконцентрировали и сожгли. Дымовой газ, содержащий SO₂ охлаждается и проходит через абсорбционную колонну, где свежий аммиак соединяется с ним для регенерации варочного раствора. Наконец, ликер фильтруют, обогащают свежим SO.₂ и хранится. Аммиак не может быть рекуперирован, потому что он превращается в азот и воду в котле-утилизаторе.

При варке сульфитной целлюлозы на основе магния сжигание концентрированного варочного раствора дает оксид магния (MgO) и SO.₂, которые легко восстанавливаются. В этом процессе не образуется корюшка; скорее MgO собирают из дымовых газов и гасят водой для получения гидроксида магния (Mg(OH)₂). ТАК₂ охлаждают и объединяют с Mg(OH)₂ в абсорбционной башне для восстановления варочного раствора. Бисульфит магния (Mg(HSO₃)₂) затем обогащается свежим SO₂ и хранится. Возможна рекуперация от 80 до 90% химикатов для приготовления пищи.

Восстановление сульфитного варочного раствора на основе натрия является более сложным. Концентрированный отработанный щелок сжигают, и примерно 50% серы превращается в SO.₂. Остаток натрия и серы собирается на дне котла-утилизатора в виде расплава Na.₂С и На₂CO₃. Корюшку растворяют с получением зеленого щелока, который превращают в бисульфит натрия (NaHSO).₃) в несколько шагов. NaHSO₃ укрепляется и хранится. В процессе регенерации образуются восстановленные сернистые газы, в частности сероводород ( H₂S).

Назад