способ получения целлюлозы (варианты)

Формула изобретения

1. Способ получения целлюлозы путем одновременного рыхления и очистки целлюлозосодержащего материала, варки в щелочном растворе, промывки, отбелки, промывки, сушки, отличающийся тем, что после одновременного рыхления и очистки ведут измельчение, замочку в растворе NaOH и очистку, варку ведут в растворе щелочи в течение 1,5-3 ч при гидромодуле 1:(5-20), содержащем дополнительно ПАВ, отбелку ведут в растворе H₂O ₂, а перед сушкой проводят отжим.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что после отбелки осуществляют кисловку в растворе кислоты.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что перед сушкой проводят измельчение.

4. Способ получения целлюлозы путем одновременного рыхления и очистки целлюлозосодержащего материала, варки в щелочном растворе, промывки, отбелки, промывки, сушки, отличающийся тем, что варку ведут в щелочном растворе, дополнительно содержащем ПАВ, в течение 1,5-3 ч при гидромодуле 1:(5-20), отбелку ведут в растворе H₂O ₂ в течение 1-2 ч при гидромодуле 1: (5-20), а перед сушкой проводят отжим.

5. Способ по п.4 отличающийся тем, что после отбелки осуществляют кисловку раствором кислоты.

6. Способ по п.4 или 5, отличающийся тем, что перед сушкой материал измельчают.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к целлюлозной промышленности, а именно к производству целлюлозы из растительного целлюлозосодержащего материала, и может быть использовано для производства целлюлозы из льняного сырья, предназначенной для химпереработки, производства ваты, в бумажной промышленности и т.д.

Известен способ получения целлюлозы из злаковых растений, заключающийся в том, что растительное целлюлозосодержащее сырье разрезают на кусочки длиной 3-4 см. Сечку равномерно обрызгивают 15-40%-ым раствором NaOH или КОН при гидромодуле 2:5 и тщательно перемешивают. Массу загружают в закрытую емкость и обрабатывают сжатым воздухом. Промывают водой, сушат. Выход целлюлозы составляет 46,2% (JP №52-6362, кл. 39 А 4, 1977 г.).

Однако известным способом невозможно получить качественную целлюлозу из льняного сырья с высоким выходом целевого продукта.

Известен также способ получения целлюлозы путем рыхления растительного сырья, щелочной варки с использованием NaOH, поверхностно-активного вещества (ПАВ), Т=120-130°С в течение 1 часа, промывки 1-5 кратным количеством осветленной воды, гидроциклонной очистки осветленной водой, измельчения, тонкой гидроциклонной очистки осветленной водой, 2-кратной отбелки NaOCl при рН 9-11,5, Т=90°С в течение 1 часа, промывки 2-кратной умягченной водой, кисловки раствором H₂SO₄ при 15-40°С в течение 1 часа, промывки умягченной водой, отжима, сушки воздухом (Постоянный технологический регламент №4-2 «Производство простых и сложных эфиров целлюлозы», утвержден 18 января 1995 г. ген. директором Энгельского АООТ «Химволокно»).

Недостатками известного способа являются: проведение процесса щелочной варки в жестких условиях - при температуре Т=120-130°С, давлении 2-3,5 атм, использование для отбелки канцерогенного гипохлорита натрия и дефицитность хлопкового сырья.

Наиболее близким аналогом является способ получения целлюлозы, включающий механическую обработку целлюлозосодержащего материала 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, кл. D04H 1/02, опубл. 1997).

В основу предлагаемого изобретения положена задача создания эффективного экономичного способа получения целлюлозы, пригодной для химпереработки, за счет применения безавтоклавной низкотемпературной щелочной варки и снижения экологического ущерба в результате отказа от хлорсодержащих отбеливающих реагентов.

Техническим результатом является упрощение процесса и повышение его экологической безопасности.

Данный технический результат достигается тем, что в способе получения целлюлозы путем одновременного рыхления и очистки целлюлозосодержащего материала, варки в щелочном растворе, промывки, отбелки, промывки, сушки, согласно изобретению, после одновременного рыхления и очистки ведут измельчение, замочку в растворе NaOH и очистку, варку ведут в растворе щелочи в течение 1,5-3 часа при гидромодуле 1:(5-20), содержащем дополнительно ПАВ, отбелку ведут в растворе H₂O ₂, а перед сушкой проводят отжим. После отбелки осуществляют кисловку в растворе кислоты. Перед сушкой проводят измельчение.

Данный технический результат достигается также тем, что в способе получения целлюлозы путем одновременного рыхления и очистки целлюлозосодержащего материала, варки в щелочном растворе, промывки, отбелки, промывки и сушки, согласно изобретению, варку ведут в щелочном растворе, дополнительно содержащем ПАВ, в течение 1,5-3 часа при гидромодуле 1:(5-20), отбелку ведут в растворе H₂O₂ в течение 1-2 часа при гидромодуле 1:(5-20), а перед сушкой проводят отжим. После отбелки осуществляют кисловку раствором кислоты. Перед сушкой материал измельчают.

В качестве целлюлозосодержащего материала используют льняное сырье: лен трепаный по ГОСТ 10330-76, или волокно льняное короткое по ГОСТ 9394-76.

Процесс по п.1 формулы изобретения осуществляют с использованием описанных ниже аппаратов и химреагентов следующим образом.

Рыхление и очистку льняного сырья проводят одновременно с помощью кипорыхлителей типов СРЦК, ВРП для удаления механических примесей, сорняков, огрубевших стеблей, цветков, семян и аэроциклона для удаления пыли.

Измельчение грубое проводят с помощью многодисковой мельницы типа ММДР-379 до размера волокна 5-9 мм.

Проводят замочку измельченного сырья в растворе, содержащем NaOH с концентрацией 0,3-1,0 г/л в оборотной воде, в течение 0,25-2,0 часов при температуре 20-80°С. Гидравлический модуль равен 1:(5÷20).

Тонкую гидроциклонную очистку 0,5-2,0% суспензии сырья в растворе NaOH с концентрацией 0,3-1,0 г/л и с использованием оборотной воды осуществляют на гидроциклонах типа ГЦ-70 и ГЦ-100. Давление суспензии на входе в гидроциклоны 4,0±0,2 кг/см ². Такая очистка способствует отделению костры от массы волокна.

Варку в щелочном растворе проводят путем выдерживания очищенного и измельченного сырья в растворе, содержащем 10-30 г/л NaOH и 0,5-2,0 г/л ПАВ, при температуре 95-105°С в течение 1,5-3,0 часов. Гидравлический модуль при данной операции 1:(5÷20).

В качестве ПАВ используют синтанол - АЛМ-10 - моноалкиловый эфир полиэтиленгликоля на основе высших синтетических жирных спиртов по ТУ 6-14-864-88.

Отработанный щелочной раствор вместе с растворенными в нем нецеллюлозными компонентами льняного сырья отделяют от льняной целлюлозы сцеживанием для возможного повторного использования.

Целлюлозную массу подвергают промывке в умягченной воде с целью удаления остатков щелочи из целлюлозы. Операцию проводят в 2 ступени путем выдерживания в емкостях с водой при температуре 80-90°С в течение 0,3-0,5 часов на первой ступени и 40-50°С в течение 0,3-0,5 часов на второй ступени. Гидравлический модуль при промывке составляет 1:(5÷20) на каждой ступени.

Отбелку льняной целлюлозы проводят в растворе перекиси водорода с концентрацией 2-10 г/л при температуре 75-95°С в течение 1-2 часов. Гидравлический модуль - 1:(5÷20).

Промывку от отбельного раствора проводят умягченной водой так же, как и при промывке после операции щелочной варки.

Операцию отжима осуществляют на центрифугах типа АГ или АОГ.

Сушку целлюлозы проводят путем подачи льняной целлюлозы с влажностью 60-80% вместе с сушильным агентом в двух- или трехрюмочную аэрофонтанную сушилку.

Подсохшую целлюлозу подают в циклон для отделения ее от воздуха и затем на упаковку.

По п.1 ф.и. после отбелки целлюлозы при необходимости уменьшения массовой доли золы проводят операцию кисловки в растворе кислоты с концентрацией 1-7 г/л при температуре 75-95°С в течение 1-2 часов и подают на промывку умягченной водой в 2 ступени, как описано выше. В качестве кислоты используют серную или азотную кислоты.

По п.2 ф.и. промытую влажную целлюлозу при необходимости дополнительно измельчают в многодисковой мельнице до требуемого размера волокна и подают на аэрофонтанную сушилку.

Процесс по п.4 формулы изобретения осуществляют с использованием описанных ниже аппаратов и химреагентов следующим образом.

Рыхление и очистку измельченного льняного сырья с длиной волокна 2-4 мм проводят одновременно с помощью кипорыхлителей типов СРЦК, ВРП для удаления механических примесей и аэроциклона для удаления пыли.

Варку в щелочном растворе проводят путем выдерживания очищенного и измельченного сырья в растворе, содержащем 10-20 г/л NaOH и 0,5-2,0 г/л ПАВ, при температуре 95-105°С в течение 1,5-3,0 часов. Гидравлический модуль при данной операции составляет 1:(5÷20).

Отработанный щелочной раствор вместе с растворенными в нем нецеллюлозными компонентами льняного сырья отделяют от льняной целлюлозы сцеживанием для возможного повторного использования.

Целлюлозную массу подвергают промывке в умягченной воде с целью удаления остатков щелочи из целлюлозы. Операцию проводят в 2 ступени путем выдерживания в емкостях с водой при температуре 80-90°С в течение 0,3-0,5 часов на первой ступени и 40-50°С в течение 0,3-0,5 часов на второй ступени. Гидравлический модуль при промывке составляет 1:(5÷20) на каждой ступени.

Отбелку льняной целлюлозы проводят в растворе перекиси водорода с концентрацией 2-10 г/л при температуре 75-95°С в течение 1-2 часов. Гидравлический модуль - 1:(5÷20).

Промывку от отбельного раствора проводят умягченной водой так же, как и при промывке после операции щелочной варки.

Операцию отжима осуществляют на центрифугах типа АГ или АОГ.

Сушку целлюлозы проводят путем подачи льняной целлюлозы с влажностью 60-80% вместе с сушильным агентом в двух- или трехрюмочную аэрофонтанную сушилку.

Подсохшую целлюлозу подают в циклон для отделения ее от воздуха и затем на упаковку.

По п.5 после отбелки целлюлозы при необходимости уменьшения массовой доли золы проводят операцию кисловки в растворе кислоты с концентрацией 1-7 г/л при температуре 75-95°С в течение 1-2 часов и подают на промывку умягченной водой в 2 ступени, как описано выше. В качестве кислоты используют серную или азотную кислоту.

По п.6 промытую влажную целлюлозу при необходимости дополнительно измельчают в многодисковой мельнице до требуемого размера волокна и подают на аэрофонтанную сушилку.

Для доказательства соответствия заявленного способа критерию «промышленная применимость» приводим конкретные примеры осуществления способа.

Пример 1.

500 кг распакованного льняного сырья со степенью закостренности до 30% пластами подают в рыхлительную машину барабанного типа мощностью 22 кВт и производительностью 800 кг/ч, где подвергают растрепыванию и удалению случайных механических включений, сора, семян, земли, удаление пыли осуществляют с помощью аэроциклона.

Очищенное льняное сырье подают на многодисковую мельницу ММДР-379 (мощность 10 кВт, производительность 25 т/сут.) для измельчения волокна до 5-9 мм.

Затем измельченное льняное сырье замачивают в вертикальной цилиндрической емкости объемом 10 м ³ в растворе NaOH с концентрацией 0,5 г/л в оборотной воде при температуре 20-30°С в течение 1 часа. Гидравлический модуль составляет 1:10.

Далее массу подают в смесительную емкость объемом 10 м³ для создания суспензии с концентрацией 4-6 г/л путем разбавления оборотной водой.

Суспензию измельченного сырья массонасосом (производительность - 470 м³/ч) подают на тонкую гидроциклонную очистку, осуществляемую по трехступенчатой схеме. На первой ступени очистку проводят в гидроциклоне ГЦ-70 (производительность - 140 л/мин). Давление суспензии на входе в гидроциклон составляет 4±0,2 кгс/см².

Концентрация суспензии сырья на выходе из гидроциклона ГЦ-70 составляет 4-6 г/л, концентрация суспензии отходов 15-20 г/л. Суспензию очищенного сырья после первой ступени очистки подают в смесительную емкость, а затем при концентрации 4-6 г/л - массонасосом в гидроциклон второй ступени очистки ГЦ-100 (производительность - 100 л/мин). Давление составляет 1,2-1,8 кгс/см². Концентрация суспензии на выходе из гидроциклона второй ступени очистки - 4-6 г/л, концентрация суспензии отходов - 20±5 г/л.

Очищенную суспензию сырья со второй ступени очистки возвращают в смесительную емкость и затем при концентрации 4-6 г/л подают массонасосом в гидроциклон третьей ступени ГЦ-100. Давление суспензии на входе в гидроциклон третьей ступени очистки - 1,7±0,2 кгс/см². Концентрация суспензии на выходе 3-й ступени очистки - 2,5-3,5 г/л.

Очищенное льняное сырье массонасосом подают в варочную емкость объемом 10 м ³ и подвергают щелочной варке в растворе, содержащем 15 г/л NaOH и 1 г/л синтанола АЛМ-10, при температуре 100°С в течение 2 часов. Гидромодуль процесса варки равен 1:20.

По окончании щелочной варки и отделения отработанного раствора льняную целлюлозу двукратно промывают в емкости объемом 10 м ³ умягченной водой в течение 30 минут при температуре 85±5°С и в течение 30 минут при температуре 35±5°С. Гидравлический модуль составляет 1:20.

Далее промытую льняную целлюлозу помещают в емкость объемом 10 м³ с раствором перекиси водорода концентрации 5 г/л для проведения отбелки при температуре 90°С в течение 1,5 часов. Гидравлический модуль при отбелке составляет 1:20.

Отбеленную целлюлозу промывают умягченной водой в емкости объемом 10 м³ сначала в течение 30 минут при температуре 85±5°С, затем в течение 30 минут при температуре 35±5°С. Гидравлический модуль на обеих стадиях этой операции промывки составляет 1:20.

Суспензию льняной целлюлозы массонасосом подают на горизонтальную центрифугу (производительность 900 кг/ч). Целлюлозу отжимают до влажности не более 80%.

Сушку целлюлозы проводят путем подачи льняной целлюлозы вместе с сушильным агентом в двух- или трехрюмочную аэрофонтанную сушилку. Температура сушильного агента, подаваемого в сушилку, составляет 250-400°С. Аэрофонтанная сушилка двухрюмочная работает под вакуумом 300-400 мм вод. ст. Диаметр каждой рюмки 3000 мм, высота - 4700 мм, температура в первой рюмке не выше 160°С, во второй - не выше 140°С. Подсохшую целлюлозу подают в циклон для отделения ее от воздуха и затем на упаковку. Получают целлюлозу с выходом 66%, с содержанием золы 1,2%.

Пример 2.

Условия те же, что и в примере 1. Отличие состоит в том, что для снижения массовой доли золы в целлюлозе вводят кисловку после операции отбелки. Операцию кисловки осуществляют в емкости объемом 10 м³ в растворе азотной кислоты с концентрацией 5 г/л при температуре 90°С в течение 1,5 часов. Гидравлический модуль составляет 1:20. После промывки умягченной водой в две ступени по условиям примера 1 получают целлюлозу с выходом 62% и содержанием золы 0,1%.

Пример 3.

Условия те же, что и в примере 2, но щелочную варку проводят с содержанием NaOH 30 г/л. При этом получают целлюлозу с выходом 62%, с массовой долей -целлюлозы - 96,2%, динамической вязкостью 17,47 мПа·с.

Пример 4.

Условия те же, что и в примере 2, но щелочную варку проводят в течение 4 часов. При этом получают целлюлозу с выходом 61%, с массовой долей -целлюлозы - 95,8%.

Пример 5.

Кисловку проводят в тех же условиях, что и в примере 2, только вместо азотной кислоты используют серную кислоту. Замена кислоты на серную позволяет получить целлюлозу с выходом 64%.

Пример 6.

Условия те же, что и в примере 1. Отличие состоит в том, что для снижения расхода воды и химреагентов гидравлический модуль на всех операциях равен 1:10. При этом получают целлюлозу с выходом 67%, массовой долей -целлюлозы - 96%, динамической вязкостью 200 мПа·с.

Пример 7.

Условия те же, что и в примерах 1-6. Отличие состоит в том, что перед сушкой полученную целлюлозу дополнительно измельчают на многодисковой мельнице ММДР-379 (мощность 10 кВт, производительность 25 т/сут.). Получают целлюлозу с выходом 61-63%, длиной волокна до 5 мм.

Технологические параметры получения льняной целлюлозы и показатели ее качества приведены в таблицах 1 и 2.

Таблица 1
Технологические параметры способа	Единицы измерения	Примеры и значения параметров
		1	2	3	4	5	6
1. Щелочная варка с использованием:
- едкого натра	г/л	15	15	30	15	15	15
- синтанола АЛМ-10	г/л	1	1	1	1	1	1
Температура	°С	100	100	100	100	100	100
Длительность	ч	2	2	2	4	2	2
Гидравлический модуль		1:20	1:20	1:20	1:20	1:20	1:10
2. Отбелка в растворе перекиси водорода	г/л	5	5	5	5	5	5
Температура	°С	90	90	90	90	90	90
Длительность	ч	1.5	1.5	1,5	1,5	1,5	1,5
Гидравлический модуль		1:20	1:20	1:20	1:20	1:20	1:10
3. Кислование с использованием:
- азотной кислоты	г/л	-	5	5	5	-	-
- серной кислоты	г/л	-	-	-	-	5	-
Температура	°С	-	90	90	90	90	-
Длительность	ч	-	1,5	1,5	1,5	1,5	-
Гидравлический модуль		-	1:20	1:20	1:20	1:20	-
Выход	%	66	62	62	61	64	67

Таблица 2
Наименование показателя качества льняной целлюлозы	Единицы измерения	Примеры и значения параметров
		1	2	3	4	5	6
1. Массовая доля -целлюлозы	%	96,5	97	96,2	95,8	95,5	96
2. Динамическая вязкость	мПа·с	270	23,83	17,47	16	106	200
3. Массовая доля золы	%	1,2	0,1	0,3	0,2	0,1	0,1
4. Белизна	%	75	72	72	72	73	70

Пример 8.

200 кг распакованного льняного сырья с длиной волокна 2-4 мм подают в рыхлительную машину барабанного типа мощностью 22 кВт и производительностью 800 кг/ч, где подвергают растрепыванию и удалению случайных механических включений, сора, семян, земли и пыли.

Очищенное льняное сырье подают в смесительную емкость объемом 10 м³ для создания суспензии с концентрацией 4-6 г/л путем разбавления оборотной водой.

Затем суспензию очищенного льняного сырья массонасосом подают в варочную емкость объемом 10 м³ и подвергают щелочной варке в растворе, содержащем 15 г/л NaOH и 1 г/л синтанола АЛМ-10, при температуре 100°С в течение 2 часов. Гидромодуль процесса варки 1:10.

По окончании щелочной варки и отделения отработанного раствора льняную целлюлозу двукратно промывают в емкости объемом 10 м³ умягченной водой в течение 30 минут при температуре 85±5°С и в течение 30 минут при температуре 35±5°С. Гидравлический модуль равен 1:10.

Далее промытую льняную целлюлозу помещают в емкость объемом 10 м³ с раствором перекиси водорода концентрации 5 г/л для проведения отбелки при температуре 90°С в течение 1,5 часов. Гидравлический модуль при отбелке равен 1:10.

Отбеленную целлюлозу промывают умягченной водой в емкости объемом 10 м³ сначала в течение 30 минут при температуре 85±5°С, затем в течение 30 минут при температуре 35±5°С. Гидравлический модуль на обеих стадиях этой операции промывки 1:10.

Суспензию льняной целлюлозы массонасосом подают на горизонтальную центрифугу (производительность 800 кг/ч). Целлюлозу отжимают до влажности не более 80%.

Сушку целлюлозы проводят путем подачи льняной целлюлозы вместе с сушильным агентом в двухрюмочную аэрофонтанную сушилку. Температура сушильного агента, подаваемого в сушилку, 250-400°С. Аэрофонтанная сушилка двухрюмочная работает под вакуумом 300-400 мм вод. ст. Диаметр каждой рюмки 3000 мм, высота - 4700 мм, температура в первой рюмке не выше 160°С, во второй - не выше 140°С. Подсохшую целлюлозу подают в циклон для отделения ее от воздуха и затем на упаковку.

В результате получают целлюлозу с выходом 78% и следующими физико-химическими показателями: массовая доля -целлюлозы - 97%, динамическая вязкость - 100 мПа·с, массовая доля золы - 0,3%.

Пример 9.

Условия те же, что и в примере 1. Отличие состоит в том, что для снижения содержания массовой доли золы в целлюлозе вводят кисловку после операции отбелки. Операцию кисловки осуществляют в емкости объемом 10 м³ в растворе азотной кислоты с концентрацией 5 г/л при температуре 90°С в течение 1,5 часов. Гидравлический модуль равен 1:10. После промывки умягченной водой в две ступени по условиям примера 1 получают целлюлозу с выходом 76% и массовой долей золы 0,1%.

Пример 10.

Условия те же, что и в примерах 1, 2. Отличие состоит в том, что перед сушкой полученную целлюлозу дополнительно измельчают на многодисковой мельнице ММДР-379 (мощность 10 кВт, производительность 25 т/сут.). В результате получают целлюлозу с выходом 75-76%, длиной волокна до 5 мм.

Анализ данных таблиц 1 и 2, а также примеров 8-10 показывает, что предложенный способ является эффективным, более простым и экономичным за счет применения безавтоклавной низкотемпературной щелочной варки и снижения экологического ущерба в результате отказа от хлорсодержащих отбеливающих реагентов и позволяет получить целлюлозу с достаточно высоким выходом целевого продукта, пригодного для химпереработки с целью дальнейшего получения эфиров целлюлозы, ваты, бумаги, картона, и основан на использовании доступного льняного сырья.