способ получения целлюлозы

Формула изобретения

Способ получения целлюлозы путем варки древесной щепы в смеси, содержащей 3,9-5,6 мас.% пероксида водорода, 25,2-26,7 мас.% уксусной кислоты в присутствии 2,0% от массы щепы сернокислотного катализатора, при продолжительности варки 2,5-3,5 ч и гидромодуле 5-10 с последующим выделением целевого продукта, отличающийся тем, что варку древесной щепы проводят при интенсивном перемешивании при температуре 90-98°C и атмосферном давлении 740-760 мм рт.ст.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к целлюлозно-бумажной промышленности и может быть использовано для получения целлюлозы из древесного сырья.

Известен способ получения целлюлозного полуфабриката путем предварительной обработки древесной щепы смесью 90%-ной уксусной кислоты и концентрированной серной кислоты при 95°С и последующей варки обработанной щепы смесью 90% уксусной кислоты и 30% перекиси водорода в присутствии катализатора - серной кислоты, при температуре 70-100°C в течение 2,0-2,5 ч [SU 821614, опубл. 15.04.81].

Недостатками данного способа являются: многостадийность процесса получения целлюлозы и низкий выход целевого продукта (45-60% мас.), а также использование концентрированной уксусной кислоты (90% мас.).

Известен способ получения целлюлозного полуфабриката из древесины лиственных пород путем варки щепы в автоклаве в смеси концентрированной уксусной кислоты и пероксида водорода, взятого в количестве 1,75-10% от массы щепы, при температуре 80-130°C, гидромодуле 1:1 в течение 2,0-4,0 ч. После варки уксусную кислоту отдувают водяным паром, проводят щелочную экстракцию 4%-ным раствором NaOH при температуре 120-150°C в течение 1,0-1,5 ч при гидромодуле 1:4 и промывают водой [RU 2019609, опубл. 15.09.1994].

Недостатком данного способа является его технологическая сложность, а именно: использование специфичного автоклавного оборудования, варка щепы при повышенных температурах 105-130°C, дополнительная стадия отдувки водяным паром концентрированной уксусной кислоты, последующая щелочная экстракция щепы при температуре 150°C, суммарная продолжительность процесса 4-5 ч. Качественные показатели целлюлозного полуфабриката (выход продукта, содержание в нем целлюлозы и лигнина) не указаны.

Наиболее близким по технологической сущности и назначению к предлагаемому способу является способ получения целлюлозного полуфабриката путем варки древесной щепы в смеси из 37%-ного раствора пероксида водорода, 30%-ного раствора уксусной кислоты и сернокислотного катализатора в количестве 1,5-2,5% от массы абсолютно сухой древесины. Гидромодуль процесса составлял 10, температура варьировалась от 120 до 150°C, продолжительность 2-5 ч. Варку осуществляли под давлением в автоклаве из нержавеющей стали [RU 2150538, опубл. 10.06.2000].

Недостатком данного способа является его технологическая сложность: использование специального автоклавного оборудования, высокая температура процесса, низкий выход (38,8-54,0% мас.), а также невысокое качество целевого продукта (содержание в нем целлюлозы 75,7-86,6% мас.).

Задачей настоящего изобретения является упрощение способа, повышение выхода целевого продукта и улучшение его качественных характеристик.

Технический результат изобретения:

- упрощение способа за счет проведения процесса при атмосферном давлении и при пониженной температуре;

- повышение выхода целевого продукта;

- улучшение качественных характеристик целевого продукта за счет повышения содержания в нем холоцеллюлозы и снижения содержания остаточного лигнина.

Технический результат изобретения достигается тем, что в способе получения целлюлозы путем варки древесной щепы в смеси, содержащей 3,9-5,6% мас. пероксида водорода, 25,2-26,7% мас. уксусной кислоты в присутствии сернокислотного катализатора 2,0% от массы щепы, при продолжительности варки 2,5-3,5 ч и гидромодуле 5-10, согласно изобретению, варку древесной щепы проводят при интенсивном перемешивании сырья и смеси реагентов при температуре 90-98°C, атмосферном давлении 740-760 мм рт.ст.

Сравнительный анализ признаков прототипа и предлагаемого изобретения показал, что общими признаками являются:

- состав варочной смеси (3,9-5,6% мас. пероксида водорода, 25,2-26,7% мас. уксусной кислоты и 2,0% от массы щепы сернокислотного катализатора);

- продолжительность варки - 2,5-3,5 ч

- гидромодуль процесса 5-10.

В отличие от прототипа в предлагаемом изобретении не используют автоклав, а варку щепы осуществляют при атмосферном давлении и интенсивном перемешивании при пониженной температуре - 90-98°C.

Сочетание мягких условий варки, а именно пониженной температуры, обычного атмосферного давления, интенсивного перемешивания и варочного раствора низкой концентрации (3,9-5,6% мае. пероксида водорода, 25,2-26,7% мас. уксусной кислоты) дало неожиданные результаты. В предлагаемом способе удалось уменьшить образование побочных веществ и удалить растворимый деполимеризованный низкомолекулярный лигнин, предотвратив его конденсацию при повышенных температурах и образование так называемого «псевдолигнина». В результате повысился выход целевого продукта с 47 до 66,8% мас. и улучшились его качественные характеристики. Так, повышено количество холоцеллюлозы до 95,7% мас. и снижено содержание остаточного лигнина до 0-0,9% мас.

Предлагаемый способ подтверждается конкретными примерами.

Пример 1. 10 г абсолютно сухой щепы осины с размером частиц 5-10 мм помещают в двугорлую колбу и заливают смесью, содержащей 26,7% мас. уксусной кислоты, 3,9% мас. пероксида водорода и 2% H₂SO₄ от массы абсолютно сухой древесины. Гидромодуль процесса составляет 5. Колбу устанавливают в термостат, подсоединяют к обратному холодильнику и вертикальной мешалке с интенсивным перемешиванием (25 оборотов/с), и осуществляют варку при 98°C в течение 3,5 ч. Полученный целевой продукт отделяют от варочного щелока, промывают теплой дистиллированной водой в вакуумном фильтре до нейтральной среды и сушат при температуре 103°C до постоянного веса. Выход целевого продукта составляет 66,8% мас., содержание холоцеллюлозы в продукте 89,0% мас., гемицеллюлоз - 3,8% мас., лигнина - 6,8% мас. (см.табл.). В полученном целевом продукте остается повышенное содержание лигнина и встречаются фрагменты «непровара».

Примеры 2. Варку щепы проводят при таком же перемешивании, той же температуре, продолжительности и составе реакционной смеси, что и в примере 1. Отличие в гидромодуле процесса - 7,5. Как следует из данных, представленных в таблице 1, наблюдается небольшое снижение выхода целевого продукта (до 59,0% мас.), но при этом существенно увеличивается содержание холоцеллюлозы (до 95,7% мас.), а остаточный лигнин в продукте обнаруживается в небольшом количестве (0,9% мас.).

Пример 3. Варку щепы осины выполняют так же, как и в примере 1, но при гидромодуле 10. В результате получен целевой продукт с выходом 59,0% мас., содержание холоцеллюлозы в продукте 93,5% мас., гемицеллюлоз - 5,3% мас., лигнина - 0,5% мас. (см.табл.).

Примеры 4-6. Варку щепы осины выполняют аналогично примерам 1-3, но реакционная смесь содержит 25,2% мас. уксусной кислоты, 5,6% мас. пероксида водорода и H₂SO₄ 2% от массы абсолютно сухой древесины. Гидромодуль процесса составляет 5, 7.5 и 10. Выход целевого продукта составляет 59,2-60,7% мас., содержание холоцеллюлозы в продукте варьируется в пределах 91,7-94,2% мас., гемицеллюлоз - 5,9-4,2% мас., лигнина - 0,2-1,3% мас. (см. табл.). При гидромодулях 7,5 и 10 получен целевой продукт, практически не содержащий остаточного лигнина.

Как следует из представленных примеров, высокий выход целевого продукта, высокое содержания в нем холоцеллюлозы при низком содержании остаточного лигнина наблюдается в условиях варки по примерам 2, 3 и 5, 6 (см. табл.). Поскольку расход пероксида водорода существенно влияет на стоимость целлюлозы, целесообразно использовать минимальную концентрацию пероксида в реакционном растворе. При условиях варки, приведенных в примере 2, можно получить из древесины осины качественный целевой продукт с высоким выходом, высоким содержанием холоцеллюлозы и низким содержанием лигнина (<1% мас.) при концентрации пероксида водорода около 4% мас.

Пример 7. Варку проводят при таком же перемешивании, гидромодуле, такой же температуре и составе реакционной смеси, что и в примере 2, но продолжительность процесса сокращена до 2,5 ч. В результате получен целевой продукт с выходом 64,0% мас., содержание холоцеллюлозы в нем 89,6% мас., гемицеллюлоз - 6,9% мас., лигнина - 3,2% мас. (см. табл.). Присутствие «непровара» в целлюлозном продукте свидетельствует о недостаточной продолжительности процесса варки.

Пример 8. Варку проводят при таком же перемешивании, гидромодуле, такой же продолжительности и составе реакционной смеси, что и в примере 2, но температура процесса снижена до 90°C. В результате получен целевой продукт с выходом 62,2% мас., содержание холоцеллюлозы в нем 89,2% мас., гемицеллюлоз - 8,7% мас., лигнина - 1,8% мас. (см. табл.).

Пример 9. Варку проводят при таком же тидромодуле, такой же температуре, продолжительности и составе реакционной смеси, что и в примере 2, но без перемешивания. В результате при высоком выходе целевого продукта - 65,7% мас., остается повышенным в нем содержание лигнина - 6,3% мас. и гемицеллюлоз - 10,4% мас.

Пример 10. Варку проводят при таком же гидромодуле, такой же продолжительности и составе реакционной смеси, что и в примере 2, но применяют слабое перемешивание (7 оборотов/с). В результате сохраняется высокий выход продукта - 63,8% мас., но остается повышенным в нем содержание лигнина - 4,7% мас., а содержание холоцеллюлозы составляет 87,5% мас.

Пример 11. Варку щепы осины выполняют так же, как и в примере 2, но применяют средней интенсивности (14 оборотов/с) перемешивание реакционной смеси и щепы. В результате получен приемлемого качества целевой продукт с выходом 63,3% мас., содержанием холоцеллюлозы в нем 92,1% мас., гемицеллюлоз - 4,6% мас., лигнина - 2,5% мас.

Таким образом, предложен простой и удобный способ получения целлюлозы с высоким выходом и улучшенными качественными характеристиками. В предлагаемом изобретении, по сравнению с прототипом, повышен выход целевого продукта с 47,0% мас. до 66,8% мае., а также снижено содержание остаточного лигнина до 0-0,9% мас.

Таблица
Влияние условий варки древесины осины при атмосферном давлении на выход целлюлозного продукта и содержание в нем основных компонентов (T=98°C, продолжительность 3,5 ч, катализатор H2 SO4 2% от массы а.с.д., интенсивность перемешивания 25 оборотов/с)
№ примеров	Концентрация реагентов вреакционной смеси, % мас.		ГМ	Выход целлюлозного продукта, % от массы а.с.д.	Содержание в продукте, % от массы целлюлозного продукта
	Н2О2	CH3 COOH			холоцеллюлоза	гемицеллюлозы	лигнин
1	3,9	26,7	5	66,8	89,0	3,8	6,8
2	3,9	26,7	7,5	59,0	95,7	3,5	0,9
3	3,9	26,7	10	59,0	93,5	5,3	0,5
4	5,6	25,2	5	60,7	94,2	4,2	1,3
5	5,6	25,2	7,5	59,2	93,8	5,8	0,2
6	5,6	25,2	10	59,2	91,7	5,9	0
7*1	3,9	26,7	7,5	64,0	89,6	6,9	3,2
8* 2	3,9	26,7	7,5	62,2	89,2	8,7	1,8
9*3	3,9	26,7	7,5	65,7	82,8	10,4	6,3
10*4	3,9	26,7	7,5	63,8	87,5	7,5	4,7
11*5	3,9	26,7	7,5	63,3	92,1	4,6	2,5
ГМ - гидромодуль
* 1 продолжительность 2,5 ч
*2 температура 90°C
*3 без перемешивания
*4 интенсивность перемешивания 7 оборотов/с
*5 интенсивность перемешивания 14 оборотов/с
а.с.д. - абсолютно сухая древесина