Химия - Сульфатный процесс - Общая характеристика сульфатного процесса

28 февраля 2011


Оглавление:
1. Сульфатный процесс
2. Термины и определения сульфатного процесса
3. История
4. Общая характеристика сульфатного процесса
5. Химия сульфатной варки целлюлозы
6. Технология сульфатной варки целлюлозы

Свойства и особенности сульфатной целлюлозы

Свойства сульфатной целлюлозы определяются физико-химическими процессами сульфатной варки, а также условиями и длительностью её проведения.

По сравнению с сульфитной целлюлозой, сульфатная целлюлоза содержит меньшее количество легкогидролизуемых гемицеллюлоз и значительное количество пентозанов. В ней меньше смолистых и минеральных веществ, жиров; она имеет более низкую кислотность. С другой стороны, из-за своего коричневого цвета, сульфатная целлюлоза требует более сложной отбелки, кроме того её выход при равной степени провара на 3—4 % меньше.

У сульфатной целлюлозы более высокие бумагообразующие свойства: её волокна более гибки, она обладает лучшими механическими показателями. Бумага из неё более плотная, термостойкая, менее подвержена деформации. В то же время, именно эти свойства затрудняют набухание и размол сульфатного волокна при переработке.

Продукция, изготовленная из сульфатной целлюлозы, обладает лучшими диэлектрическими свойствами, что используется для производства электроизоляционных видов бумаг.

Сульфатная целлюлозы выпускается, обычно, в следующих видах:

• целлюлоза сульфатная хвойная небелёная — предназначена для производства высокопрочных тарных и упаковочных видов бумаги и картона, электротехнической бумаги, картонов технического назначения;
• целлюлоза сульфатная небелёная из смешанных пород древесины — используется по аналогии с хвойной целлюлозой;
• целлюлоза сульфатная хвойная белёная — предназначена для производства высококачественной бумаги для печати, письма и рисования; этикеточной бумаги, пергамина, бумаги-основы санитарно-гигиенического назначения, топлайнера, полиграфических бумаг и картонов;
• целлюлоза сульфатная белёная из лиственной древесины — предназначена для производства бумаги-основы для фотобумаги, фильтровальной бумаги, декоративной бумаги-основы для облицовочных материалов, в композициях писчей и печатной бумаги, бумаги-основы санитарно-гигиенического назначения, полиграфических бумаг и картонов;
• целлюлоза сульфатная пергидролизная — предназначена для производства вискозных кордных и технических нитей и высокомодульных волокон.

Сравнительные показатели сульфатного процесса

Доминирующее положение сульфатного процесса по сравнению с другими способами варки, помимо высоких прочностных характеристик сульфатной целлюлозы, объясняется следующими преимуществами:

• более низкие требования к породному составу и качеству древесного сырья; использование лиственной и хвойной древесины, а также, отчасти, древесных отходов;
• малое время варки;
• отработанные процессы регенерации тепла и варочного раствора, минимизация отходов, а также производство ценных побочных продуктов.

В качестве недостатков отмечаются:

• образование характерных дурнопахнующих газовых выбросов;
• невысокий выход целлюлозы;
• тёмный цвет небелёной целлюлозы и трудности её последующей отбелки;
• высокие первоначальные капитальные затраты на новое производство.

Сравнительная характеристика различных процессов варки целлюлозы приведена в таблице:

Метод	pH процесса	Активный катион	Активный анион	Температура варки, °C	Время варки, часов	Выход, %
Кислаясульфитная варка	1—2	H, Ca, Mg, Na, NH4	HSO3	125—145	3—7	45—55
Бисульфитная варка	3—5	H, Mg, Na, NH4	HSO3	150—170	1—3	50—65
Двухстадийная сульфитная варка    стадия 1    стадия 2	6—8 1—2	Na Na, H	HSO3, SO3 HSO3	135—145 125—140	2—6 2—4	50—60
Трёхстадийная сульфитная варка    стадия 1    стадия 2    стадия 3	6—8 1—2 6—10	Na Na, H Na	HSO3, SO3 HSO3 OH	120—140 135—145 160—180	2—3 3—5 2—3	35—45
Нейтрально-сульфитная варка	5—7	Na, NH4	HSO3, SO3	160—180	0,25—3	75—90
Щёлочно-сульфитная варка	9—13	Na	OH, SO3	160—180	3—5	45—60
Натронная варка	13—14	Na	OH	155—175	2—5	50—70
Сульфатная варка	13—14	Na	OH, SH	155—175	1—3	45—55

Сравнение сульфитного и сульфатного процесса по выходу целлюлозной массы для хвойной и лиственной древесины представлена ниже:

Компонент массы	Сульфитный процесс		Сульфатный процесс
	Хвойная целлюлоза	Лиственная целлюлоза	Хвойная целлюлоза	Лиственная целлюлоза
Общий выход    в том числе:	52 %	49 %	47 %	53 %
Целлюлоза	41 %	40 %	35 %	34 %
Глюкоманнан	5 %	1 %	4 %	1 %
Ксилан	4 %	5 %	5 %	16 %
Лигнин	2 %	2 %	3 %	2 %
Экстрактивные вещества	0,5 %	1 %	0,5 %	0,5 %

Общая схема производства целлюлозы сульфатным способом

Общая структурная схема производства целлюлозы сульфатным способом представлена на рисунке:

На первой стадии древесина проходит процесс подготовки, включающий в себя следующие операции:

• распиловка;
• окорка;
• рубка в щепу и последующая её сортировка.

Подготовленная щепа поступает на стадию варки. Варка сульфатной целлюлозы осуществляется непрерывным или периодическим способом в специальных варочных котлах большой ёмкости. В котёл вместе со щепой заливается варочный раствор, состоящий из белого щёлока и, частично, чёрного щелока от предыдущих варок. Начальная концентрация активной щёлочи составляет 50—60 г/дм³, конечная 5—10 г/дм³. Водородный показатель варки устанавливается не ниже 9—10. Гидромодуль варки: 4 и 2,5—3. Варка осуществляется при максимальной температуре 150—170 °C, давлении 0,25—0,80 МПа, в течение 1—3 часов в зависимости от характера исходного сырья и типа получаемой целлюлозы. В процессе варки осуществляются две сдувки: первая — терпентинная — идёт на получение скипидара; вторая — конечная — содержит, преимущественно, дурнопахнущие сернистые соединения. После отделения ценных органических продуктов, сдувочные пары направляют на установку утилизации тепла.

По окончании варки целлюлозная масса подаётся на стадию сортировки и промывки, при этом часть чёрного щелока отбирается сразу для подачи на выпарку. В процессе сортировки из целлюлозной массы отделяются твёрдые отходы. В ходе промывки отделяется разбавленный чёрный щелок, который частично поступает на стадию выпарки, а частично возвращается в варочный котёл для разбавления белого щелока. Сильно разбавленный чёрный щелок сбрасывается на очистные сооружения. Промытая целлюлозная масса в зависимости от назначения жидким потоком поступает на стадию сгущения для последующей отбелки, обезвоживания и прессования для получения товарной целлюлозы или дальнейшего отлива в бумагу или картон.

Перед стадией выпарки чёрный щелок направляется на фильтрацию для отделения волокна, а затем укрепляется уже упаренным щелоком до концентрации 22—24 % для уменьшения пенообразования при выпарке. После этого от чёрного щелока путём отстаивания отделяется сырое сульфатное мыло — тёмно-коричневая вязкая жидкость с характерным запахом. На 1 тонну целлюлозы его образуется примерно от 35—50 кг до 100—120 кг.

Выпарка щелоков происходит на многокорпусной вакуум-выпарной станции до концентрации сухого вещества 55—80 %. Упаренный щелок поступает на сжигание в содорегенерационный котлоагрегат.

Перед сжиганием к щелоку для возмещения потерь щелочи и серы в СРК добавляют свежий сульфат натрия. Под воздействием высокой температуры органические соединения сгорают, образуя углерод и углекислый газ. Углерод восстанавливает сульфат натрия до сульфида, а диоксид углерода реагирует со щелочью, образуя карбонат натрия:

При регенерации выделяется большое количество тепла и водяной пар.

Отметим, что в настоящее время существуют пилотные и лабораторные технологии, предполагающие в будущем совмещать регенерацию чёрного щелока с получением синтез-газа, который, в свою очередь, предполагается использовать для получения автомобильного биотоплива.

Твёрдый остаток после СРК растворяют в белом щелоке. Полученный раствор обладает грязно-зеленым цветом и называется зелёный щелок. В литературе не существует указаний на то, какие вещества в растворе обуславливают его зеленый цвет.

На следующем этапе зеленый щелок подвергают каустизации, добавляя известь:

Полученный белый щелок возвращают вновь на этап варки, а осадок карбоната кальция обжигают при 1100—1200 °C в известерегенерационных печах для получения извести:

Состав и характеристики варочного раствора

Основными компонентами варочного раствора перед началом варки являются гидроксид и сульфид натрия; также в значительно меньших количествах в состав раствора входят и другие натриевые соли: Na₂CO₃, Na₂SO₄, Na₂SO₃, Na₂S₂O₃, Na₂S_x, NaAlO₂, Na₂SiO₃.

В процессе варки состав варочного раствора существенно меняется — концентрация активной щёлочи снижается практически в 10 раз, а в растворе появляются многочисленные органические соединения и натриевые соли минеральных и органических кислот. Вместе с тем, кислотность среды почти не меняется, так как поддерживается за счёт частичного и полного гидролиза солей натрия:

В зависимости от степени делигнификации, на 1 тонну целлюлозы образуется 7—10 м³ чёрного щелока, при этом массовая доля сухих веществ перед выпариванием в нём составляет 10—15 %. Плотность чёрного щелока перед выпаркой составляет порядка 1,05—1,10 г/м³, температура кипения 101 °C, вязкость 1,52×10Па·с.

Органические компоненты щелока составляют не менее 65 %. Среди них основные — лигнин, продукты разрушения поли- и моносахаридов, фенолы, органические кислоты, сераорганические соединения.

Типичная композиция белого щелока:

Пример состава чёрного щёлока:

Соединение	Концентрация, г/литр
	в ед. NaOH	соединения
Гидроксид натрия	90,0	90,0
Сульфид натрия	40,0	39,0
Карбонат натрия	19,8	26,2
Сульфат натрия	4,5	8,0
Тиосульфат натрия	2,0	4,0
Сульфит натрия	0,6	0,9
Прочие компоненты	−	2,5
Вся щёлочь	156,9	170,6
Активная щёлочь	130,0	−
Эффективная щёлочь	110,0	−
Сульфидность	47,1	19,7

Компонент	Содержание, %
Органические соединения	78,0
Лигнин	37,5
Сахарные кислоты	22,6
Алифатические кислоты	14,4
Жиры и смоляные кислоты	0,5
Полисахариды	3,0
Неорганические соединения	22,0
Гидроксид натрия	2,4
Гидросульфид натрия	3,6
Карбонаты натрия и калия	9,2
Сульфат натрия	4,8
Прочие соли натрия	1,0
Прочие соединения	0,2

Просмотров: 8180

<<<