Крафт-процесс - Kraft process

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

Крафт - процесс (также известный как варки целлюлозы сульфатных или сульфата процесс ) представляет собой способ превращения древесины в древесную массу , которая состоит из почти чистых целлюлозных волокон, 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 , которая разрушает 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, поскольку крафт-заводы могут выделять пахучие продукты, а в некоторых случаях производить значительные жидкие отходы .

Название процесса происходит от немецкого слова Kraft , что в данном контексте означает «прочность», из-за прочности крафт-бумаги, произведенной с использованием этого процесса.

История

Рулон крафт-бумаги

Предшественник процесса Крафт использовался во время наполеоновских войн в Англии. Крафт-процесс (названный так из-за превосходной прочности получаемой бумаги от немецкого слова Kraft, означающего «прочность») был изобретен Карлом Ф. Далем в 1879 году в Данциге , Пруссия , Германия . Патент США 296 935 был выдан в 1884 году, а целлюлозный завод, использующий эту технологию, был открыт в Швеции в 1890 году. Изобретение GH Tomlinson в начале 1930-х годов котла-утилизатора стало важной вехой 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 процесс в качестве основного метода производства древесной массы.

Процесс

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. Следующий шаг - пропитать чипсы 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 расхода щелочи в непрерывном процессе приходится на зону пропитки.

приготовление еды

Затем древесную щепу готовят 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 или более тонн целлюлозы в день, являются обычным явлением, при этом самые крупные 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 сильно щелочной жидкости. Твердая пульпа (около 50% от веса сухой древесной щепы) собирается и промывается. На этом этапе мякоть известна как коричневый бульон из-за ее цвета. Объединенные жидкости, известные как черный щелок (из - за его цвета), содержат лигнин фрагментов, углеводы от распада гемицеллюлозы, карбоната натрия , сульфата натрия и других неорганических солей.

чистая реакция при деполимеризации лигнина SH - (Ar = арил , R = алкильные группы).

Одной из основных химических реакций, лежащих в основе крафт-процесса, является разрыв эфирных связей нуклеофильными сульфидными (S 2 - ) или бисульфидными (HS - ) ионами.

Процесс восстановления

Избыток черного щелока содержит около 15% твердых веществ и концентрируется в многоступенчатом испарителе . После первой стадии черный щелок содержит около 20–30% твердых веществ. При этой концентрации канифоль мыло поднимается на поверхность и обезжиренное прочь. Собранное мыло перерабатывается в талловое масло . Удаление мыла улучшает процесс испарения более поздних 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 процессе варки целлюлозы. 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 2 SO 4 + 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 осадков зеленого щелока . Полученный раствор карбоната натрия и сульфида натрия известен как «зеленый щелок». Одноименный зеленый цвет зеленого щелока возникает из-за присутствия коллоидного сульфида железа. Затем эта жидкость смешивается с оксидом кальция , который становится гидроксидом кальция в растворе, для регенерации белого щелока, используемого в процессе варки целлюлозы, посредством равновесной реакции ( показан Na 2 S, поскольку он является частью зеленого щелока, но не участвует в Реакция):

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

Карбонат кальция осаждается из белого щелока и восстанавливается и нагревается 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 формирует замкнутый цикл относительно натрия, серы и кальция и является основной концепцией так называемого процесса каустизации, в котором карбонат натрия реагирует для регенерации гидроксида натрия .

Котел-утилизатор также вырабатывает пар высокого давления, который подается в турбогенераторы, снижая давление пара для использования в 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 выработки пара.

Хотя котлы-утилизаторы, в которых используется изобретение Дж. Х. Томлинсона, широко используются с начала 1930-х годов, были предприняты попытки найти более эффективный способ восстановления химикатов для приготовления пищи. Weyerhaeuser работает Chemrec первого поколение черный щелок , увлеченный поток газификатора успешно на своем Нью - Берн заводе в Северной Каролине , в то время как второй завод поколения работает в пилотном масштабе на Smurfit Kappa в заводе в Питео , Швеция .

Дует

Готовая вареная древесная щепа выдувается в сборный резервуар, называемый продувочным резервуаром, который работает при атмосферном давлении. При этом выделяется много пара и летучих веществ. Летучие компоненты конденсируются и собираются; в случае северных хвойных пород это в основном скипидар-сырец .

Скрининг

Просеивание мякоти после варки - это процесс, при котором мякоть отделяется от крупных костяшек , сучков , грязи и другого мусора. Принять это мякоть. Материал, отделенный от пульпы, называется браком .

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

Волокно, содержащее костры 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, в то время как содержание костры составляет около 0,1–1,0%.

Мойка

Небеленая масса после продувки поступает на стадии промывки, где использованные варочные растворы отделяются от целлюлозных волокон. Обычно на целлюлозном заводе имеется 3-5 ступеней промывки последовательно. Стадии промывки также размещаются после кислородной делигнификации и между стадиями отбеливания. В машинах для промывки целлюлозы между ступенями используется противоток, так что пульпа движется в направлении, противоположном потоку промывных вод. При этом задействовано несколько процессов: сгущение / разбавление , вытеснение и диффузия . Коэффициент разбавления - это мера количества воды, используемой при промывке, по сравнению с теоретическим количеством, необходимым 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 целлюлозу. Тщательная промывка пульпы снижает химическую потребность в кислороде ( ХПК ).

Используется несколько видов моечного оборудования:

  • Диффузоры давления
  • Атмосферные диффузоры
  • Вакуумные барабанные моечные машины
  • Барабанные вытеснители
  • Промывочные прессы

Отбеливание

Основная статья: Отбеливание древесной массы

На современном заводе небеленый материал (волокна целлюлозы, содержащие примерно 5% остаточного лигнина), полученный при варке целлюлозы, сначала промывают для удаления некоторого количества растворенного органического материала, а затем делигнифицируют с помощью различных стадий 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 высокой степени белизны. 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 пульпа , полученная с помощью других процессов варки целлюлозы, и поддерживает высокий эффективный коэффициент содержания серы (сульфидность), важный фактор, определяющий прочность бумаги. Кислотные сульфитные процессы разлагают целлюлозу больше, чем крафт-процесс, что приводит к более слабым волокнам. Крафт-обработка целлюлозы удаляет большую часть лигнина, изначально присутствующего в древесине, тогда как в процессе механической варки большая часть лигнина остается в волокнах. Гидрофобная природа лигнин препятствует формированию водородных связей между целлюлозой и гемицеллюлозами () в волокнах , необходимых для прочности бумаги (прочность относится к прочности на разрыв и прочность на разрыв).

Крафт-целлюлоза темнее других древесных масс, но ее можно отбелить, чтобы получить очень белую целлюлозу. Полностью беленая крафт-целлюлоза используется для производства высококачественной бумаги, для которой 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 процессе крафт- бумаги можно использовать все виды древесины, включая очень смолистые, такие как южная сосна , и недревесные породы, такие как бамбук и кенаф .

Побочные продукты и выбросы

Дополнительная информация: Воздействие бумаги на окружающую среду
Завод по переработке таллового масла Forchem в Рауме , Финляндия.

Основными побочными продуктами крафт-варки являются неочищенный сульфатный скипидар и талловое мыло. Их наличие сильно зависит от породы древесины, условий роста, времени хранения бревен и щепы и производственного процесса. Сосна - самая плодородная и богатая древесина. Неочищенный скипидар летуч и отгоняется из варочного котла, в то время как сырое мыло отделяется от отработанного черного щелока путем декантации мыльного слоя, образованного поверх резервуаров для хранения щелока. У 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, использующих крафт-процесс. В двуокиси серы выбросы крафт-целлюлозных заводах значительно ниже , чем те , из сульфитных мельниц. 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, выделяющийся из капель черного щелока, реагирует с диоксидом серы, тем самым эффективно удаляя его, образуя кристаллы сульфата натрия без запаха .

Целлюлозные заводы почти всегда располагаются вблизи крупных водоемов из-за значительного спроса на воду. Делигнификация целлюлозы приводит к выбросу значительных количеств органических веществ в окружающую среду, особенно в реки или озера. Сточные воды также могут быть основным источником загрязнения, содержащего лигнины деревьев, высокую биологическую потребность в кислороде (БПК) и растворенный органический углерод (DOC), а также спирты , хлораты , тяжелые металлы и хелатирующие агенты. Технологические стоки можно обрабатывать на установке биологической очистки сточных вод , что может существенно снизить их токсичность.

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

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

внешние ссылки