Крафт-процесс

редактировать
International Paper : фабрика по производству крафт-бумаги Щепа для производства бумаги

крафт процесс (также известный как крафт-варка или сульфатный процесс ) - это процесс преобразования древесины в древесную массу, который состоит из почти чистых волокон целлюлозы, основного компонента бумаги. Крафт-процесс включает обработку древесной щепы горячей смесью воды, гидроксида натрия (NaOH) и сульфида натрия (Na 2 S), известной как белый щелок, который разрывает связи, связывающие лигнин, гемицеллюлозу и целлюлозу. Технология включает в себя несколько этапов, как механических, так и химических. Это основной метод производства бумаги. В некоторых ситуациях этот процесс вызывает споры, потому что крафт-заводы могут выделять пахучие продукты, а в некоторых ситуациях производить значительное количество жидких отходов.

Содержание

  • 1 История
  • 2 Процесс
    • 2.1 Пропитка
    • 2.2 Варка
    • 2.3 Процесс восстановления
    • 2.4 Выдувание
    • 2.5 Просеивание
    • 2.6 Промывка
    • 2.7 Отбеливание
    • 2.8 Технологические химикаты
  • 3 Сравнение с другими процессами варки целлюлозы
  • 4 Побочные продукты и выбросы
  • 5 См. Также
  • 6 Ссылки
  • 7 Дополнительная литература
  • 8 Внешние ссылки

История

Предшественник процесса Крафт использовался во время наполеоновских войн в Англии. Крафт-процесс (названный так из-за превосходной прочности получаемой бумаги от немецкого слова Kraft для «прочности») был изобретен в 1879 году в Данциге, Пруссии., Германия. США Патент 296 935 был выдан в 1884 году, и целлюлозный завод, использующий эту технологию, был открыт в Швеции в 1890 году. Изобретение котла-утилизатора Дж. Х. Томлинсоном в начале 1930-х гг. веха в развитии крафт-процесса. Это позволило извлекать и повторно использовать неорганические химикаты для варки целлюлозы, так что крафт-фабрика представляет собой процесс почти с замкнутым циклом в отношении неорганических химикатов, помимо тех, которые используются в процессе отбеливания. По этой причине в 1940-х годах крафт-процесс вытеснил сульфитный в качестве доминирующего метода производства древесной массы.

Процесс

Производство крафт-целлюлозы непрерывного действия

Пропитка

Обычная древесная щепа, используемая в производстве целлюлозы, имеет длину 12-25 миллиметров (0,47-0,98 дюйма) и толщину 2-10 миллиметров (0,079-0,394 дюйма). Обычно стружка сначала поступает на предварительную обработку паром, где она смачивается и предварительно нагревается паром. Полости внутри свежей древесной щепы частично заполнены жидкостью, а частично - воздухом. Обработка паром заставляет воздух расширяться и около 25% воздуха удаляется из стружки. Следующим шагом является пропитывание чипсов черным и белым щелоком. Воздух, оставшийся в стружке в начале пропитки щелоком, задерживается внутри стружки. Пропитку можно проводить до или после того, как щепа поступает в варочный котел, и обычно ее проводят при температуре ниже 100 ° C (212 ° F). Варочные щелоки состоят из смеси белого щелока, воды в стружках, конденсированного пара и слабого черного щелока. При пропитке варочный раствор проникает в капиллярную структуру щепы, и начинаются низкотемпературные химические реакции с древесиной. Хорошая пропитка важна для однородного приготовления и низкого уровня брака. Около 40–60% всего потребления щелочи в непрерывном процессе приходится на зону пропитки.

Варка

Затем древесную щепу варят в емкостях под давлением, называемых варочными котлами. Некоторые варочные котлы работают в периодическом режиме, а некоторые - в непрерывном процессе. Существует несколько вариантов процессов варки как для варочных котлов периодического действия, так и для варочных котлов непрерывного действия. Варочные котлы, производящие 1000 и более тонн целлюлозы в день, являются обычным явлением, причем самые большие производят более 3500 тонн в день. В варочный котел непрерывного действия материалы подают со скоростью, позволяющей завершить реакцию варки целлюлозы к моменту выхода материалов из реактора. Обычно для делигнификации требуется несколько часов (1,5 часа) при температуре от 170 до 176 ° C (от 338 до 349 ° F). В этих условиях лигнин и гемицеллюлоза разлагаются с образованием фрагментов, растворимых в сильноосновной жидкости. Твердая пульпа (около 50% от веса сухой древесной щепы) собирается и промывается. На этом этапе мякоть из-за ее цвета называется коричневым бульоном. Комбинированные жидкости, известные как черный щелок (из-за его цвета), содержат фрагменты лигнина, углеводы, полученные при расщеплении гемицеллюлозы, карбонат натрия, сульфат натрия и другие неорганические соли.

чистая реакция деполимеризации лигнина с помощью SH (Ar = арил, R = алкил группы).

Одной из основных химических реакций, лежащих в основе крафт-процесса, является разрыв эфирных связей ионами нуклеофильного сульфида (S) или бисульфида (HS).

Процесс восстановления

Избыток черного щелока содержит около 15% твердых веществ и концентрируется в многоэффективном испарителе . После первой стадии черный щелок содержит около 20-30% твердых веществ. При этой концентрации мыло канифоль поднимается на поверхность и снимается. Собранное мыло дополнительно обрабатывают до таллового масла. Удаление мыла улучшает процесс испарения последующих эффектов.

Слабый черный щелок далее выпаривается до 65% или даже 80% твердых веществ («тяжелый черный щелок») и сжигается в котле-утилизаторе для извлечения неорганических химикатов для повторного использования в варке процесс. Более высокое содержание твердых частиц в концентрированном черном щелоке увеличивает энергетическую и химическую эффективность цикла регенерации, но также дает более высокую вязкость и осаждение твердых частиц (закупорка и засорение оборудования). Во время горения сульфат натрия восстанавливается до сульфида натрия органическим углеродом в смеси:

1. Na 2SO4+ 2 C → Na 2 S + 2 CO 2

Эта реакция аналогична термохимическому восстановлению сульфата в геохимии.

Расплавленные соли («расплав») из котла-утилизатора растворяются в технологической воде, известной как «слабая промывка». Эта технологическая вода, также известная как «слабый белый щелок», состоит из всех щелоков, используемых для промывки известкового шлама, и осажденного зеленого щелока. Полученный раствор карбоната натрия и сульфида натрия известен как «зеленый щелок», хотя точно неизвестно, что вызывает зеленый цвет щелока. Эта жидкость смешивается с оксидом кальция, который превращается в гидроксид кальция в растворе, для регенерации белого щелока, используемого в процессе варки целлюлозы, посредством равновесной реакции (Na 2 S показан, поскольку он является частью зеленого щелока, но не участвует в реакции):

2. Na 2CO3+ Ca (OH) 2 ← → 2 NaOH + CaCO 3

Карбонат кальция выпадает в осадок из белого щелока, его выделяют и нагревают в печи для обжига извести где он превращается в оксид кальция (известь).

3. CaCO 3 → CaO + CO 2

Оксид кальция (известь) реагирует с водой для регенерации гидроксида кальция, используемого в реакции 2:

4. CaO + H 2 O → Ca (OH) 2

Комбинация реакций с 1 по 4 образуют замкнутый цикл относительно натрия, серы и кальция и является основной концепцией так называемого процесса каустизации. где карбонат натрия реагирует с регенерацией гидроксида натрия.

Котел-утилизатор также вырабатывает пар высокого давления, который подается в турбогенераторы, снижая давление пара для использования на мельнице и вырабатывая электричество. Современный завод по производству крафт-целлюлозы более чем самодостаточен в своем производстве электроэнергии и обычно обеспечивает чистый поток энергии, который может использоваться связанной с ним бумажной фабрикой или продаваться соседним отраслям или общинам через местную электрическую сеть. Кроме того, остатки коры и древесины часто сжигаются в отдельном энергетическом котле для производства пара.

Хотя котлы-утилизаторы, использующие G.H. Изобретение Томлинсона широко используется с начала 1930-х годов. Были предприняты попытки найти более эффективный способ восстановления химикатов для приготовления пищи. Weyerhaeuser успешно эксплуатирует Chemrec первого поколения черный щелок газификатор с унесенным потоком на своем заводе в Нью-Берне в Северная Каролина, в то время как установка второго поколения работает в пилотном масштабе на заводе Smurfit Kappa в Питео, Швеция.

Блоуинг

Готовая вареная щепа выдувается в сборный резервуар, называемый продувочным резервуаром, который работает при атмосферном давлении. При этом выделяется много пара и летучих веществ. Летучие вещества конденсируются и собираются; в случае северных мягких пород древесины он состоит в основном из сырого скипидара.

Просеивание

Просеивание целлюлозы после варки - это процесс, посредством которого целлюлоза отделяется от крупных дрожь, сучки, грязь и другой мусор. Прием - это мякоть. Материал, отделенный от пульпы, называется браком.

Секция грохочения состоит из различных типов сит (сит) и центробежной очистки. Сита обычно устанавливаются в многоступенчатом каскадном режиме, потому что значительное количество хороших волокон может идти в поток отбракованных материалов при попытке достичь максимальной чистоты в потоке приема.

Волокно, содержащее косточки и сучки, отделяется от остального брака и перерабатывается либо в рафинере, либо отправляется обратно в варочный котел. Содержание сучков обычно составляет 0,5–3,0% от выхода варочного котла, а содержание костры примерно 0,1–1,0%.

Промывка

Небеленая масса после выдувания поступает на стадии промывки, где использованные варочные жидкости отделяются от целлюлозных волокон. Обычно целлюлозный завод имеет 3-5 ступеней промывки последовательно. Этапы промывки также размещаются после кислородной делигнификации и между этапами отбеливания. В промывателях целлюлозы между ступенями используется противоток, так что пульпа движется в направлении, противоположном потоку промывных вод. При этом задействовано несколько процессов: загустевание / разбавление, смещение и диффузия. Коэффициент разбавления - это мера количества воды, используемой при промывке, по сравнению с теоретическим количеством, требуемым для вытеснения щелока из загустевшей целлюлозы. Более низкий коэффициент разбавления снижает потребление энергии, в то время как более высокий коэффициент разбавления обычно дает более чистую пульпу. Тщательная промывка пульпы снижает химическую потребность в кислороде (ХПК ).

Используется несколько типов моечного оборудования:

  • Напорные диффузоры
  • Атмосферные диффузоры
  • Вакуумные барабанные мойки
  • Барабанные вытеснители
  • Промывочные прессы

Отбеливание

На современном заводе небеленый материал (волокна целлюлозы, содержащий примерно 5% остаточного лигнина), полученный путем варки целлюлозы, сначала промывается для удаления некоторого количества растворенного органического материала, а затем делигнифицируется с помощью стадии отбеливания.

В случае установки, предназначенной для производства целлюлозы для изготовления коричневой мешочной бумаги или картона для ящиков и упаковки, целлюлозу не всегда нужно отбеливать до высокая яркость. Отбеливание снижает массу получаемой пульпы примерно на 5%, снижает прочность волокон и увеличивает стоимость производства.

Технологические химикаты

Технологические химикаты добавляются для улучшения производственного процесса:

Сравнение с другими процессами варки целлюлозы

Целлюлоза, полученная с помощью крафт-процесса прочнее, чем полученное другими процессами варки, и поддерживает высокое эффективное соотношение серы (сульфидность), что является важным фактором, определяющим прочность бумаги. Кислотные сульфитные процессы разлагают целлюлозу больше, чем крафт-процесс, что приводит к более слабым волокнам. Крафт-варка удаляет большую часть лигнина, изначально присутствующего в древесине, тогда как в процессе механической варки большая часть лигнина остается в волокнах. гидрофобная природа лигнина препятствует образованию водородных связей между целлюлозой (и гемицеллюлозой) в волокнах, необходимых для прочности бумаги (прочность относится к пределу прочности и сопротивление разрыву).

Крафт-целлюлоза темнее других древесных масс, но ее можно отбелить, чтобы получить очень белую целлюлозу. Полностью беленая крафт-целлюлоза используется для производства высококачественной бумаги, где важны прочность, белизна и устойчивость к пожелтению.

В крафт-процессе можно использовать более широкий спектр источников волокна, чем в большинстве других процессов варки целлюлозы. В крафт-процессе можно использовать все виды древесины, включая очень смолистые, такие как южная сосна, и недревесные породы, такие как бамбук и кенаф.

Побочные продукты и выбросы

Завод по переработке таллового масла Forchem в Раума, Финляндия.

Основными побочными продуктами крафт-варки являются неочищенный сульфат скипидар и мыло талловое. Их наличие сильно зависит от породы древесины, условий произрастания, времени хранения бревен и щепы, а также от производственного процесса. Сосны являются наиболее добывающей богатой древесиной. Неочищенный скипидар летуч и отгоняется из варочного котла, в то время как неочищенное мыло отделяется от отработанного черного щелока посредством декантации слой мыла, образованный поверх емкостей для хранения щелока. Из сосны средний выход скипидара составляет 5–10 кг / т целлюлозы, а сырого таллового масла - 30–50 кг / т целлюлозы.

Различные побочные продукты, содержащие сероводород, метилмеркаптан, диметилсульфид, диметилдисульфид и другие летучие соединения серы являются причиной выбросов в атмосферу с неприятным запахом, характерных для целлюлозных заводов . используя крафт-процесс. Выбросы диоксида серы на заводах по производству крафт-целлюлозы намного ниже, чем на сульфитных заводах. В окружающем воздухе за пределами типичного современного завода по производству крафт-целлюлозы запах диоксида серы ощущается только в аварийных ситуациях, например, когда завод останавливается на техническое обслуживание или когда происходит длительное отключение электроэнергии. Контроль запахов достигается за счет сбора и сжигания этих пахучих газов в котле-утилизаторе вместе с черным щелоком. На современных заводах, где в котле-утилизаторе сжигают хорошо высушенные твердые частицы, из котла практически не выходит диоксид серы. При высоких температурах котла натрий, высвобождающийся из капель черного щелока, реагирует с диоксидом серы, тем самым эффективно поглощая его, образуя кристаллы без запаха сульфата натрия.

Целлюлозно-бумажные комбинаты почти всегда располагаются вблизи крупных водоемов из-за значительной потребности в воде. Делигнификация целлюлозы приводит к выбросу значительных количеств органических материалов в окружающую среду, особенно в реки или озера. Сточные воды также могут быть основным источником загрязнения, содержащего лигнины деревьев, высокую биологическую потребность в кислороде (BOD) и растворенный органический углерод (DOC), а также спирты, хлораты, тяжелые металлы и хелатирующие вещества. Технологические стоки можно обрабатывать на биологической установке для очистки сточных вод, что может существенно снизить их токсичность.

См. Также

Ссылки

Дополнительная литература

  • Гулликсен, Йохан; Карл-Йохан Фогельхольм (2000). Бумажная наука и технология: 6. Химическая варка целлюлозы. Финляндия: Tappi Press. ISBN 952-5216-06-3.

Внешние ссылки

Викискладе есть носители, связанные с крафт-процессом.
Последняя правка сделана 2021-05-26 14:00:12
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте