способ переработки целлюлозной массы холоднощелочной экстракцией с повторным использованием щелочного фильтрата и система для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ производства целлюлозной массы с использованием холоднощелочной экстракции для получения растворимой целлюлозной массы, включающий:

делигнификацию органических материалов в автоклаве и обработку полученной небеленой целлюлозы для получения полуочищенной целлюлозной массы для использования в производстве растворимой целлюлозной массы;

экстракцию полуочищенной целлюлозной массы щелочным раствором в ходе процесса холоднощелочной экстракции для получения очищенной целлюлозной массы и раствора, содержащего гемицеллюлозу;

промывку очищенной целлюлозной массы и сбор получаемой при этом отработанной промывочной жидкости, отделяя при этом раствор, содержащий гемицеллюлозу, от очищенной целлюлозной массы;

объединение отработанной промывочной жидкости и раствора, содержащего гемицеллюлозу, с получением щелочного фильтрата;

концентрирование щелочного фильтрата для получения сконцентрированного щелочного фильтрата без проведения очистки раствора, содержащего гемицеллюлозу, или щелочного фильтрата для существенного удаления из него гемицеллюлозы; и

использование, по меньшей мере, части сконцентрированного щелочного фильтрата в указанном автоклаве в связи с получением растворимой целлюлозной массы.

2. Способ по п.1, в котором концентрирование щелочного фильтрата осуществляют процессом выпарки.

3. Способ по п.2, в котором процесс выпарки осуществляют на нескольких последовательно соединенных ступенях.

4. Способ по п.2, в котором указанный процесс выпарки осуществляют при температуре примерно от 50 до 60°C.

5. Способ по п.2, в котором процесс выпарки проводят при давлении -0,5 бар и -0,84 бар.

6. Способ по п.2, в котором процесс выпарки проводят до достижения концентрации эффективной щелочи в указанном сконцентрированном щелочном фильтрате примерно от 95 до 125 граммов NaOH на литр.

7. Способ по п.2, в котором процесс выпарки проводят до достижения концентрации эффективной щелочи в указанном сконцентрированном щелочном фильтрате примерно от 100 до 110 граммов NaOH на литр.

8. Способ по п.1, дополнительно включающий добавление белого щелока к сконцентрированному щелочному фильтрату, используемому в указанном автоклаве.

9. Способ по п.8, в котором отношение белого щелока к сконцентрированному щелочному фильтрату составляет примерно от 1:1,5 до 1:2,5.

10. Способ по п.1, в котором указанный щелочной раствор содержит NaOH и Na₂S.

11. Способ получения целлюлозной массы в крафт-процессе с использованием холоднощелочной экстракции, включающий:

варку первой партии органических материалов в автоклаве для получения небеленой целлюлозы;

промывку и сортировку небеленой целлюлозы для получения полуочищенной целлюлозной массы;

экстракцию полуочищенной целлюлозной массы с использованием холоднощелочной экстракции для получения очищенной целлюлозной массы и раствора, содержащего гемицеллюлозу;

промывку очищенной целлюлозной массы и сбор получаемой при этом отработанной промывочной жидкости, отделяя при этом раствор, содержащий гемицеллюлозу, от очищенной целлюлозной массы, полученной холоднощелочной экстракцией;

объединение отработанной промывочной жидкости и раствора, содержащего гемицеллюлозу, для получения щелочного фильтрата;

выпарку щелочного фильтрата в регулируемой среде для получения сконцентрированного щелочного раствора без проведения очистки раствора, содержащего гемицеллюлозу, или щелочного фильтрата для существенного удаления из него гемицеллюлозы; и

использование, по меньшей мере, части сконцентрированного щелочного раствора в качестве, по меньшей мере, одной варочной жидкости для варки второй партии органических материалов в связи с получением растворимой целлюлозной массы.

12. Способ по п.11, дополнительно включающий использование второй части сконцентрированного щелочного фильтрата на другой технологической линии производства целлюлозной массы.

13. Способ по п.11, в котором процесс выпарки проводят на нескольких последовательно соединенных ступенях.

14. Способ по п.11, в котором указанный процесс выпарки проводят при температуре примерно от 50 до 60°C.

15. Способ по п.11, в котором процесс выпарки проводят при давлении -0,5 бар и -0,84 бар.

16. Способ по п.11, в котором процесс выпарки проводят до достижения концентрации эффективной щелочи в указанном сконцентрированном щелочном фильтрате примерно от 95 до 125 граммов NaOH на литр.

17. Способ по п.11, в котором процесс выпарки проводят до достижения концентрации эффективной щелочи в указанном сконцентрированном щелочном фильтрате примерно от 100 до 110 граммов NaOH на литр.

18. Способ по п.11, дополнительно включающий добавление белого щелока к сконцентрированному щелочному фильтрату, используемому в указанном автоклаве.

19. Способ по п.18, в котором отношение белого щелока к сконцентрированному щелочному фильтрату составляет примерно от 1:1,5 до 1:2,5.

20. Способ по п.11, в котором щелочной раствор, используемый для холоднощелочной экстракции, содержит NaOH и Na₂S.

21. Способ по п.11, дополнительно включающий стадии:

получения второй небеленой целлюлозы варкой второй партии органических материалов в автоклаве;

промывки и сортировки второй небеленой целлюлозы для получения полуочищенной целлюлозной массы; и

использования холоднощелочной экстракции для экстракции полуочищенной целлюлозной массы, полученной из второй небеленой целлюлозы, для получения второй очищенной целлюлозной массы и второго раствора, содержащего гемицеллюлозу.

22. Способ по п.21, в котором S18 растворимость второй небеленой целлюлозы составляет не более 3,0% до холоднощелочной экстракции.

23. Способ по п.22, в котором число Каппа второй небеленой целлюлозы составляет менее 10,0 до холоднощелочной экстракции.

24. Способ по п.22, в котором вязкость второй небеленой целлюлозы составляет около 1000 миллилитров на грамм до холоднощелочной экстракции.

25. Способ по п.22, в котором отношение вязкости к числу Каппа второй небеленой целлюлозы составляет 100 или выше до холоднощелочной экстракции.

26. Усовершенствованный способ производства целлюлозной массы в крафт-процессе с использованием холоднощелочной экстракции для получения растворимой целлюлозной массы, включающий варку органических материалов в автоклаве для получения небеленой целлюлозы, промывку и сортировку небеленой целлюлозы для получения целлюлозной массы и экстракцию сырой целлюлозной массы с использованием холоднощелочной экстракции для получения очищенной целлюлозной массы и раствора, содержащего гемицеллюлозу, при этом усовершенствование включает:

промывку очищенной целлюлозной массы и сбор получаемой при этом отработанной промывочной жидкости, отделяя при этом раствор, содержащий гемицеллюлозу, от очищенной целлюлозной массы, полученной холоднощелочной экстракцией;

объединение отработанной промывочной жидкости и раствора, содержащего гемицеллюлозу, для получения щелочного фильтрата;

концентрирование щелочного фильтрата для получения сконцентрированного щелочного фильтрата без проведения очистки раствора, содержащего гемицеллюлозу, или щелочного фильтрата для существенного удаления из него гемицеллюлозы; и

использование, по меньшей мере, части сконцентрированного щелочного фильтрата в автоклаве для нейтрализации или варки дополнительных органических материалов в связи с получением растворимой целлюлозной массы.

27. Способ производства целлюлозной массы в крафт-процессе с использованием холоднощелочной экстракции для получения растворимой целлюлозной массы, включающий:

варку органических материалов в серии автоклавов периодического действия с использованием, по меньшей мере, части сконцентрированного щелочного раствора, полученного на расположенной ниже по ходу потока стадии холоднощелочной экстракции, и получение тем самым небеленой целлюлозы;

промывку и сортировку небеленой целлюлозы для получения полуочищенной целлюлозной массы;

экстракцию полуочищенной целлюлозной массы с использованием холоднощелочной экстракции для получения очищенной целлюлозной массы и раствора, содержащего гемицеллюлозу;

промывку очищенной целлюлозной массы и сбор получаемой при этом отработанной промывочной жидкости, отделяя при этом раствор, содержащий гемицеллюлозу, от очищенной целлюлозной массы, полученной холоднощелочной экстракцией;

объединение отработанной промывочной жидкости и раствора, содержащего гемицеллюлозу, для получения щелочного фильтрата;

выпарку щелочного фильтрата в регулируемой среде для получения сконцентрированного щелочного раствора без проведения очистки раствора, содержащего гемицеллюлозу, или щелочного фильтрата для существенного удаления из него гемицеллюлозы; и

возвращение, по меньшей мере, части сконцентрированного щелочного раствора в по меньшей мере один из автоклавов периодического действия в качестве, по меньшей мере, одной варочной жидкости в связи с получением растворимой целлюлозной массы.

28. Способ по п.3, в котором процесс выпарки проводят при давлении примерно - 0,84 бар в первой ступени, и при давлении примерно - 0,5 бар во второй ступени, расположенной ниже по ходу потока от указанной первой ступени.

29. Способ по п.14, в котором процесс выпарки проводят при давлении примерно - 0,84 бар в первой ступени, и при давлении примерно - 0,5 бар во второй ступени, расположенной ниже по ходу потока от указанной первой ступени.

30. Способ получения целлюлозной массы в крафт-процессе для получения растворимой целлюлозной массы, включающий:

нейтрализацию первой партии органических материалов с использованием раствора нейтрализации, содержащего часть белого щелока и следующую за ней вторую щелочную жидкость, отличную от нее;

варку первой партии органических материалов в автоклаве для получения небеленой целлюлозы;

промывку и сортировку небеленой целлюлозы для получения полуочищенной целлюлозной массы;

экстракцию полуочищенной целлюлозной массы с использованием холоднощелочной экстракции для получения очищенной целлюлозной массы и раствора, содержащего гемицеллюлозу;

промывку очищенной целлюлозной массы и сбор получаемой при этом отработанной промывочной жидкости, отделяя при этом раствор, содержащий гемицеллюлозу, от очищенной целлюлозной массы, полученной холоднощелочной экстракцией;

объединение отработанной промывочной жидкости и раствора, содержащего гемицеллюлозу, для получения щелочного фильтрата без существенного удаления из него компонентов гемицеллюлозы;

выпарку щелочного фильтрата в регулируемой среде для получения сконцентрированного щелочного раствора без проведения очистки раствора, содержащего гемицеллюлозу, или щелочного фильтрата для существенного удаления из него гемицеллюлозы; и

использование, по меньшей мере, части сконцентрированного щелочного раствора в качестве, по меньшей мере, одного раствора нейтрализации или варочной жидкости для обработки второй партии органических материалов в связи с получением растворимой целлюлозной массы.

31.Способ по п.30, в котором раствор нейтрализации для второй партии органических материалов содержит вторую часть белого щелока и следующий за ней сконцентрированный щелочной раствор.

32. Способ по п.30, в котором процесс выпарки осуществляют на нескольких последовательно соединенных ступенях.

33.Способ по п.32, в котором указанный процесс выпарки осуществляют при температуре примерно от 50 до 60°C.

34. Способ по п.33, в котором процесс выпарки проводят при давлении примерно -0,84 бар в первой ступени, и при более низком давлении во второй ступени, расположенной ниже по ходу потока от указанной первой ступени.

35. Способ по п.34, в котором процесс выпарки проводят до достижения концентрации эффективной щелочи в указанном сконцентрированном щелочном фильтрате примерно от 100 до 110 граммов NaOH на литр.

36. Способ по п.30, дополнительно включающий добавление белого щелока к сконцентрированному щелочному фильтрату, используемому для варки указанной второй партии органических материалов.

37.Способ по п.36, в котором сконцентрированный щелочной фильтрат составляет от 60 до 75% от комбинации сконцентрированного щелочного фильтрата и белого щелока.

38.Способ по п.30, дополнительно включающий стадии:

получения второй небеленой целлюлозы варкой второй партии органических материалов в автоклаве;

промывки и сортировки второй небеленой целлюлозы для получения полуочищенной целлюлозной массы; и

использования холоднощелочной экстракции полуочищенной целлюлозной массы, полученной из второй небеленой целлюлозы, для получения второй очищенной целлюлозной массы и второго раствора, содержащего гемицеллюлозу.

39. Способ по п.30, в котором указанная вторая щелочная жидкость, используемая при нейтрализации первой партии органических материалов, содержит черный щелок.

40. Способ по п.30, в котором белый щелок имеет концентрацию эффективной щелочи от 95 до 125 грамм на литр, а указанная вторая щелочная жидкость имеет концентрацию эффективной щелочи от 30 до 35 грамм на литр.

Описание изобретения к патенту

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение, в целом, относится к переработке целлюлозной массы и, в частности, к улучшенным способу и системе переработки потока, выходящего из холоднощелочной экстракции в химическом способе получения крафт-целлюлозы

Известный уровень техники

Целлюлозная масса из древесины и растительных материалов имеет большое число коммерческих применений. Хотя одним из самых распространенных использований является производство бумаги, целлюлозная масса также может применяться для получения многих других продуктов, включая вискозу и другие синтетические материалы, так же, как ацетат целлюлозы и эфиры целлюлозы, которые используются, например, в изготовлении фильтрующих жгутов, ткани, упаковочной пленки и взрывчатых веществ.

Существует много химических и механических способов переработки древесины и растительных материалов для производства целлюлозной массы и бумаги. Основные стадии переработки включают подготовку сырья (например, корообдирку и измельчение), выделение древесного волокна механическим или химическим путем (например, размол, рафинирование или варка), для отделения лигнина и экстрагируемых веществ из целлюлозы древесного волокна, удаление красящих веществ отбеливанием, и формирование из полученной переработанной целлюлозной массы бумаги или других продуктов. Кроме того, при производстве целлюлозной массы и бумаги на целлюлозно-бумажных комбинатах обычно также имеется оборудование для получения и регенерации химических реагентов, сбора и переработки побочных продуктов для производства энергии и удаления и переработки отходов, чтобы минимизировать воздействие на окружающую среду.

"Варка целлюлозы" обычно относится к процессу для достижения выделения волокна. Древесина и другие растительные материалы включают целлюлозу, гемицеллюлозу, лигнин и другие второстепенные компоненты. Лигнин является сетью полимеров, вкрапленной между отдельными волокнами, и функционирует как межклеточный адгезив для связывания отдельных древесных волокон вместе. В ходе варки целлюлозы макромолекулы лигнина фрагментируются, освобождая таким образом отдельные целлюлозные волокна и растворяя примеси, которые могут вызвать изменение цвета и последующее разложение бумаги или другого конечного продукта.

Сульфатная варка целлюлозы (крафт-процесс) является обычно используемым способом варки целлюлозы. Бумага, полученная сульфатной варкой целлюлозы, может использоваться, например, для производства отбеленного тарного картона и облицовочного картона, используемых в упаковочной промышленности. В обычной сульфатной варке целлюлозы древесина обрабатывается водной смесью гидроксида натрия и сульфида натрия, известной как "белый щелок". Обработка разрушает связь между лигнином и целлюлозой, и разрушает большую часть лигнина и часть макромолекул гемицеллюлозы на фрагменты, которые растворимы в сильнощелочных растворах. Этот процесс удаления лигнина из окружения целлюлозы известен как делигнификация. Растворимую часть после этого отделяют от целлюлозной массы.

Фиг.1 представляет технологическую схему обычного процесса 100 сульфатной варки целлюлозы. Процесс 100 включает подачу древесной щепы (или другого органического целлюлозосодержащего сырья) 118 и щелочных растворов в реакционный сосуд высокого давления, называемый автоклавом, для осуществления делигнификации, что обозначается как стадия 121 "варки". Древесную щепу объединяют с белым щелоком 111, который может быть произведен на последующих стадиях процесса или получен из отдельного источника. Делигнификация может занять несколько часов и степень делигнификации выражается безразмерным "H фактором", который обычно определяется так, что варка в течение одного часа при 100°C эквивалентна Н фактору, равному 1. Из-за высокой температуры, в реакционном сосуде часто создают повышенное давление введением пара. В конце стадии варки давление в реакционном сосуде снижают до атмосферного, удаляя таким образом пар и летучие продукты.

Белый щелок, используемый при варке, может быть, например, щелочным раствором, содержащим гидроксид натрия (NaOH) и сульфид натрия (Na₂S). Характеристика белого щелока часто выражается в единицах эффективной щелочи (ЕА) и сульфидности. Эффективная щелочь может быть вычислена как вес гидроксида натрия плюс половина веса сульфида натрия, и представляет эквивалентный вес гидроксида натрия на литр щелока, выраженный в граммах на литр. Эффективная щелочь, в пересчете на гидроксид натрия, представляет эквивалентный вес гидрооксида натрия по отношению с сухой древесине, выраженный в процентах. Сульфидность представляет собой отношение половины веса сульфида натрия к сумме веса гидроксида натрия и половины веса сульфида натрия, выраженное в процентах.

После варки коричневая твердая целлюлозная масса, также известная как "небеленая целлюлоза", удаляется из автоклава, используемого на стадии 121 варки, и затем сортируется и промывается в процессе 122. Сортировкой целлюлозная масса отделяется от костры (пучки древесных волокон), узлов (непроваренная щепа), грязи и других остатков. Материалы, отделенные от целлюлозной массы, иногда упоминаются как "отходы" и целлюлозная масса как "продукт". Часто используются многостадийные каскадные процессы для снижения количества целлюлозных волокон в потоке отходов, поддерживая высокую чистоту в потоке продукта. Дополнительное извлечение волокна может быть достигнуто в рафинере, расположенном ниже по ходу потока, или повторной переработкой костры и узлов в автоклаве.

Затем небеленая целлюлоза может быть промыта нескольким последовательными стадиями для отделения отработанной варочной жидкости и растворенных материалов от волокон целлюлозы. Отработанная варочная жидкость 112 из автоклава, используемого на стадии 121 варки, и жидкость 113, собранная в процессе 122 промывки и сортировки, обычно обе называются "черный щелок" из-за их окраски. Черный щелок обычно содержит фрагменты лигнина, углеводы из разрушенной гемицеллюлозы и неорганические вещества. Черный щелок может использоваться в дополнение к белому щелоку на стадии варки, как показано, например, на фиг.1 стрелкой, представляющей черный щелок 113, полученный на стадии 122 промывки и сортировки и передаваемый на стадию 121 варки. Черный щелок 135 из сборного резервуара (не показан на фиг.1) также может подаваться в автоклав как часть стадии 121 варки, если нужно достигнуть соответствующей концентрации щелочи, или в других подобных целях.

Очищенная небеленая целлюлоза 131 после промывки и сортировки 122 затем может быть смешана с белым щелоком 114 и подаваться в реакционный сосуд для дополнительного отделения растворенных материалов, таких как гемицеллюлоза и низкомолекулярная целлюлоза. Показанным в качестве примера способом отделения является так называемая холоднощелочная экстракция ("ССЕ"), которая представлена стадией 123 реакции ССЕ на фиг.1. Температура, при которой производят экстракцию, может меняться, но обычно составляет менее 60°C.

Затем очищенную целлюлозную массу 132, из реактора, используемого на стадии 123 реакции ССЕ, отделяют от отработанного холодного щелочного раствора и растворенной гемицеллюлозы и несколько раз промывают и сортируют во второй сепарационной установке на стадии 124 промывки ССЕ. Получающаяся очищенная небеленая целлюлоза 133 с относительно высоким содержанием альфа-целлюлозы, все еще содержащая некоторое количество лигнина, подается в расположенную ниже по ходу потока установку отбеливания для дальнейшей делигнификации. В некоторых способах производства целлюлозной массы отбеливание выполняют до стадии 123 реакции ССЕ и стадии 124 промывки ССЕ.

Для многих применений, таких как изготовление синтетических материалов или фармацевтических продуктов, требуется иметь целлюлозную массу очень высокой чистоты или качества. Качество целлюлозной массы может быть оценено несколькими параметрами. Например, процентное содержание альфа-целлюлозы отражает относительную чистоту переработанной целлюлозной массы. Степени делигнификации и разрушения целлюлозы измеряются числом Каппа ("KN") и вязкостью целлюлозной массы соответственно. Более высокая вязкость целлюлозной массы указывает на большую длину цепи целлюлозы и меньшее разрушение. Растворимость целлюлозной массы в 18% масс. водном растворе гидроксида натрия ("S18") дает оценку количества остаточной гемицеллюлозы. Растворимость целлюлозной массы в 10% масс., водном растворе гидроксида натрия ("S10") определяет общее количество растворимых веществ в щелочных растворах, которые включают сумму гемицеллюлозы и продуктов разложения целлюлозы. Наконец, разница между S10 и S18 определяет количество разрушенной целлюлозы.

В обычном способе фильтрат 116, также называемый щелочным фильтратом ССЕ, со стадии 124 промывки и стадии разделения ССЕ, включает как отработанный холодный щелочной раствор, так и отработанную промывочную жидкость стадии 124 разделения и промывки. Этот фильтрат 116 часто содержит существенное количество высокомолекулярной гемицеллюлозы. Когда фильтрат с высоким содержанием гемицеллюлозы используют в качестве части варочной жидкости в автоклаве стадии 121 варки, гемицеллюлоза может выделяться из раствора и осаждаться на целлюлозных волокнах. Это может препятствовать получению высококачественной целлюлозной массы. С другой стороны, в определенных применениях - таких как высококачественная пряжа или синтетические ткани, материалы для жидкокристаллических дисплеев, продукты, выполненные из ацетатных производных, продукты из вискозы (такие как корд шин и специальные волокна), фильтрующие жгуты, используемые в сигаретах, и некоторые пищевые и фармацевтические применения, - требуется целлюлозная масса с минимальным количеством повторно осажденных гемицеллюлоз и определенным содержанием альфа-целлюлозы.

Часть щелочного фильтрата 116 ССЕ может быть повторно использована на стадии 121 варки, остаток при этом может быть направлен в зону 134 регенерации для предотвращения риска повторного осаждения гемицеллюлозы на стадии 121 варки. В зоне 134 регенерации отводимый щелочной фильтрат 116 ССЕ может быть объединен с избытком черного щелока, сконцентрирован и сожжен в содорегенерационном котле для удаления органических веществ и извлечения неорганических солей, или же направлен на другую линию варки, или в обоих осуществлениях. Новый источник щелочи затем может понадобиться для замещения фильтрата ССЕ и черного щелока, подаваемых в зону 134 регенерации для поддержания надлежащего щелочного баланса на стадии 121 варки. Процесс регенерации и обеспечение нового источника щелочи приводит к увеличению издержек производства.

Существует потребность в способе и системе переработки целлюлозной массы, которые позволяют получить растворимую целлюлозу с очень высоким содержанием альфа-целлюлозы. Кроме того, существует потребность в способе и системе переработки целлюлозной массы, которые обеспечивают повышенную эффективность и рентабельное использование ССЕ фильтрата при сведении к минимуму осаждения гемицеллюлозы в процессе варки.

Раскрытие изобретения

В одном аспекте улучшенный способ и система производства целлюлозной массы включают, серди прочего, промывку очищенной целлюлозной массы, получаемой процессом холоднощелочной экстракции, сбор щелочного фильтрата, получаемого при этом, концентрирование щелочного фильтрата, например, упариванием и использование, по меньшей мере, части сконцентрированного щелочного фильтрата в находящемся выше по ходу потока процессе варки.

Согласно одному или большему числу осуществлений способ и система производства целлюлозной массы, использующие холоднощелочную экстракцию в сочетании с сульфатной варкой целлюлозы, включают стадии делигнификации целлюлозосодержащих органических материалов в автоклаве, обработку полученной небеленой целлюлозы для получения полуочищенной целлюлозной массы, экстракции полуочищенной целлюлозной массы щелочным раствором для получения очищенной целлюлозной массы и раствора, содержащего гемицеллюлозу, отделения раствора, содержащего гемицеллюлозу, от очищенной целлюлозной массы, промывки очищенной целлюлозной массы и сбора щелочного фильтрата, получаемого при этом, концентрирования щелочного фильтрата и использования, по меньшей мере, части сконцентрированного щелочного фильтрата в автоклаве. Сконцентрированный щелочной фильтрат может постепенно заменять другие варочные жидкости, которые первоначально использовались для начала процесса варки, что приводит к повышению эффективности.

В некоторых осуществлениях щелочной фильтрат концентрируют для получения раствора, содержащего, например, 90 или более граммов на литр эффективной щелочи в виде гидроксида натрия. Использованием сконцентрированного щелочного фильтрата в качестве части варочного щелока, может быть повышена чистота небеленой целлюлозы и получаемой очищенной целлюлозной массы.

Дальнейшие осуществления, альтернативы и варианты также представлены в описании или в прилагаемых фигурах.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 представляет общую технологическую схему обычного процесса сульфатной варки с предварительным гидролизом используемого для производства целлюлозной массы известного уровня техники.

Фиг.2 представляет технологическую схему процесса производства целлюлозной массы в соответствии с одним из осуществлений, как описано в заявке.

Фиг.3 представляет концептуальную схему системы и соответствующего процесса выпарки после холоднощелочной экстракции в соответствии с общими принципами, представленными на фиг.2.

Фиг.4 является схемой обычной системы и процесса выпарки, которые могут быть использованы, между прочими, вместе с холоднощелочной экстракцией.

Фиг.5 представляет схему системы и соответствующего процесса выпарки фильтрата холоднощелочной экстракции в соответствии с общими принципами, представленными на фиг.2 и 3.

Подробное описание предпочтительных осуществлений

Согласно одному или большему числу осуществлений способ и система обработки целлюлозной массы, используемые в сульфатной варке (крафт-процессе), включают объединение первого щелочного раствора, такого как белый щелок с некоторым количеством древесины или другого органического материала, содержащего целлюлозу, в соответствующем резервуаре или реакционном сосуде (автоклав) для варки при подходящей температуре, например от 130 до 180°C, для получения небеленой целлюлозы. Сортировка и промывка небеленой целлюлозы приводят к получению полуочищенной целлюлозной массы, а также побочных продуктов (таких как черный щелок), которые возвращают в автоклав. Полуочищенная целлюлозная масса может быть экстрагирована другим щелочным раствором (который также может быть белым щелоком) при подходящей температуре, например, ниже 60°C, для получения очищенной целлюлозной массы. Раствор, содержащий гемицеллюлозу, может быть отделен от очищенной целлюлозной массы дополнительной промывкой, приводящей к получению другого щелочного раствора в форме щелочного фильтрата, который может быть отдельно собран и сохранен. Этот щелочной фильтрат ССЕ может быть сконцентрирован, например, упариванием или другим путем и использоваться отдельно или в комбинации с первым щелочным раствором в автоклаве для обработки органических материалов и возобновления цикла.

Согласно особенности одного или большего числа осуществлений древесная щепа или другие содержащие целлюлозу органические материалы взаимодействуют со щелочным раствором в реакционном сосуде. В конце реакции реакционная смесь содержит высвобожденные целлюлозные волокна. Эти волокна дополнительно экстрагируют вторым щелочным раствором для растворения гемицеллюлозы. Отработанный щелочной раствор вместе с растворенной гемицеллюлозой отделяют от экстрагированной целлюлозной массы и затем целлюлозную массу дополнительно промывают для удаления остатков щелочного раствора и гемицеллюлозы. Промывочные жидкости и отработанный щелочной раствор, содержащий гемицеллюлозу, объединяют и концентрируют с образованием концентрированного ССЕ фильтрата. Концентрированный ССЕ фильтрат может быть использован отдельно или в комбинации с другим щелочным раствором для обработки древесины в реакционном сосуде.

Все вышеописанные стадии могут быть выполнены на традиционном оборудовании. После вышеописанных стадий в соответствии с описанием может быть получен концентрированный ССЕ фильтрат с концентрацией эффективной щелочи, сопоставимой с концентрацией эффективной щелочи в белом щелоке, обычно используемом для варки.

Способ согласно одному осуществлению представлен на фиг.2. Способ 200 начинается стадией 221, на которой, подобно обычной сульфатной варке целлюлозы, древесную щепу или другие целлюлозосодержащие органические материалы 218 подают в автоклав, способный выдерживать высокое давление. Автоклав может быть любого подходящего объема, такого как, например, около 360 кубических метров. В обычной промышленной установке несколько автоклавов может работать параллельно с различными автоклавами, работающими на различных стадиях процесса производства целлюлозной массы.

Конкретный выбор типа древесины или другого растительного или органического материала может зависеть от требуемых конечных продуктов. Например, мягкая древесина, такая как сосна, ель и канадская ель, может использоваться для некоторых способов получения производных для получения продуктов с высокой вязкостью, подобных эфирам целлюлозы (которые могут быть использованы, например, как добавки в пищевые продукты, краску, буровые жидкости или шлам, бумагу, косметику, фармацевтические препараты, адгезивы, полиграфию, в сельском хозяйстве, керамике, текстиле, моющих средствах и строительных материалах). Древесина лиственных пород, таких как эвкалипт и акация, может быть предпочтительной в тех применениях, которые не требуют целлюлозной массы с очень высокой вязкостью.

В одном осуществлении автоклав нагревают во время стадии 221 варки до первой предварительно заданной температуры паром или другим соответствующим образом. Эта предварительно заданная температура может составлять от 110 до 130°C и, в частности, например, может составлять 120°C. Нагревание в этом отдельном примере производится в течение времени от 15 до 60 минут (например, 30 минут), хотя другое время нагрева может использоваться в зависимости от конкретного оборудования и природы нагреваемых органических материалов.

Затем автоклав предпочтительно дополнительно нагревают паром или другим путем до второй температуры, более высокой, чем первая предварительно заданная температура, для осуществления стадии предварительного гидролиза. Эта вторая температура предварительного гидролиза предпочтительно составляет около 165°C, хотя опять же точная температура может зависеть от многих переменных, включая оборудование и органические материалы. Нагревание для предварительного гидролиза может проводиться в течение от 30 до 120 минут (например, 60 минут), хотя опять время при необходимости может быть изменено. Как только достигается температура предварительного гидролиза, автоклав выдерживается при этой температуре подходящий промежуток времени, например, от 35 до 45 минут или любое другое время, достаточное для завершения предварительного гидролиза.

В предпочтительном осуществлении раствор 210 нейтрализации добавляют в автоклав как часть стадии 221 варки. Раствор 210 нейтрализации может состоять из свежеприготовленного белого щелока с добавлением черного щелока, или он может состоять из ССЕ фильтрата с добавлением черного щелока. Белый щелок может быть, например, смесью гидрооксида натрия и сульфида натрия. В предпочтительном осуществлении белый щелок содержит от 85 до 150 граммов на литр эффективной щелочи в пересчете на гидроксид натрия (NaOH), более предпочтительно от 95 до 125 граммов NaOH на литр и наиболее предпочтительно от 100 до 110 граммов на литр эффективной щелочи в пересчете на гидроксид натрия. Сульфидность белого щелока может составлять 10-40%, предпочтительно 15-35%, и наиболее предпочтительно 20-30%.

Концентрация эффективного NaOH в черном щелоке может составлять от 10 до 50 граммов на литр, хотя она может меняться в определенных процессах. В одном осуществлении раствор 210 нейтрализации 210 содержит и белый щелок, и черный щелок, с концентрацией эффективной щелочи от 85 до 150 граммов гидроксида натрия на литр для белого щелока и концентрацией эффективной щелочи от 20 до 50 граммов гидроксида натрия на литр для черного щелока. В предпочтительном осуществлении раствор 210 нейтрализации, включающий как белый щелок, так и черный щелок с концентрацией эффективной щелочи соответственно от 95 до 125 граммов на литр и от 30 до 35 граммов на литр и более предпочтительно с концентрацией эффективной щелочи от 100 до 110 граммов на литр и от 38 до 45 граммов на литр соответственно. Концентрация эффективной щелочи в растворе 210 нейтрализации может составлять от 38 до 48 граммов NaOH на литр раствора для комбинированных щелоков.

Раствор 210 нейтрализации может быть добавлен в автоклав одной порцией или иначе может быть добавлен в автоклав несколькими частями. В одном осуществлении раствор 210 нейтрализации, включающий и белый щелок, и черный щелок, добавляют двумя частями, причем сначала в автоклав подают белый щелок с последующим добавлением черного щелока. В одном осуществлении раствор 210 нейтрализации, добавляют при температуре от 130 до 160°C, и более предпочтительно от 140 до 150°C. Добавление может быть выполнено в течение 15-60 минут, предпочтительно в течение 30 минут. В предпочтительном осуществлении раствор 210 нейтрализации добавляют двумя частями, каждую в течение 15 минут при температуре от 140 до 150°C.

Затем первый щелочной раствор 211 может заменить раствор 210 нейтрализации и используется для варки древесины в автоклаве. Первый щелочной раствор 211 может иметь тот же состав, что и раствор 210 нейтрализации, или может иметь другой состав. Диапазон и предпочтительный диапазон содержания гидроксида натрия и сульфида натрия в первом щелочном растворе 211 такие же, что и в растворе 210 нейтрализации, и они хорошо известны специалистам в данной области техники.

Автоклав может быть нагрет до температуры варки паром или другим путем. Температура варки может быть в диапазоне от 140 до 180°C, и предпочтительно в диапазоне от 145 до 160°C. Нагревание может проводиться в течение от 10 до 30 минут или другого подходящего периода времени. Автоклав выдерживают при температуре варки в течение подходящего периода для процесса варки, например, от 15 до 120 минут. Диапазон температуры и время варки выбираются для заданного Н фактора, который предпочтительно находится в диапазоне от 130 до 250.

Предпочтительные способы нейтрализации и варки описаны в одновременно рассматриваемой заявке US 12/789,307 (номер дела у патентного поверенного No. 161551-0003), поданной одновременно с настоящей и озаглавленной "Способ и система получения растворимой целлюлозной массы с высоким содержанием альфа-целлюлозы", переуступленной правопреемнику настоящего изобретения, и тем самым включена в заявку ссылкой, как если бы была полностью изложена в описании.

В результате стадии 221 варки получается небеленая целлюлоза 212. Небеленая целлюлоза 212 промывается и сортируется в процессе 222, подобным обычному способу крафт-процесса, вследствие чего небеленая целлюлоза 212 подвергается сортировке с помощью различных типов сит или решет или центробежной очистке. Небеленая целлюлоза 212 затем промывается в моечной машине в процессе 222 сортировки и промывки. Моечная машина может быть любого коммерческого типа, включая горизонтальные конвейерные моечные машины, ротационные барабанные моечные машины, вакуумные фильтры, пресс-фильтры, фильтры с уплотняющей перегородкой, распылители при атмосферном и повышенном давлении. Моечная установка может использовать противоток между стадиями так, чтобы целлюлозная масса перемещалась в противоположном направлении по отношению к движению промывных вод. В одном осуществлении для промывки небеленой целлюлозы 212 используется вода под давлением. В другом осуществлении для промывки небеленой целлюлозы 212 используется разбавленный щелочной раствор. Концентрация эффективной щелочи в разбавленном щелочном растворе может быть, например, менее 5 граммов NaOH на литр, более предпочтительно менее 1 грамма NaOH на литр. Отработанный промывной раствор собирают и используют в качестве черного щелока 213. В одном осуществлении черный щелок 213 используется как часть варочной жидкости или другого щелочного раствора 211, подаваемого в автоклав на стадии 221 варки.

Затем полуочищенную целлюлозную массу из процесса 222 сортировки и промывки закачивают в виде суспензии в реактор, который используется на стадии 223 холоднощелочной экстракции ("ССЕ"), также подобной обычному способу, в котором полуочищенную целлюлозную массу смешивают со вторым щелочным раствором 214 (который может быть тем же или отличным от первого щелочного раствора 211) для проведения дальнейшего отделения гемицеллюлозы от искомых целлюлозных волокон. Холоднощелочная экстракция является процессом, известным в современном уровне техники. Примеры способов и систем холоднощелочной обработки детально описаны, например, в АН и др., US 2004/0020854, и Svenson и др., US 2005/0203291, которые обе включены ссылкой, как если бы были полностью изложены в описании.

Экстракция гемицеллюлозы в процессе 223 ССЕ экстракции проводится при подходящей температуре, обычно от 15 до 50°C, предпочтительно около 30°C. Значение рН суспензии целлюлозной массы обычно выше 13, а содержание эффективной щелочи от 60 до 90 граммов NaOH на литр. Целлюлозную массу погружают в холодный щелочной раствор 214 на достаточное количество времени для достижения требуемой степени диффузии гемицеллюлозы в раствор. Обычное время выдерживания для экстракции при температуре 30°C и pH 13 составляет 30 минут. Холоднощелочная экстракция может в основном приводить к получению очищенной целлюлозной массы с содержанием альфа-целлюлозы 92-96 процентов, хотя исторически было довольно трудно достичь чистоты на верхнем конце этого диапазона или за его пределами, в частности при сохранении других требуемых характеристик целлюлозы (такие как уровень вязкости). Кроме того, было трудно достичь высокой чистоты при сохранении высокой эффективности процесса.

Щелочной раствор 214, используемый для смешивания и экстракции в процессе 223 ССЕ экстракции, может включать свежеприготовленный раствор гидроксида натрия, рециркулят с последующих стадий процесса или побочные продукты целлюлозно-бумажного комбината, например полущелочной белый щелок, окисленный белый щелок и т.п. Также могут быть использованы другие основные растворы, такие как гидроксид аммония и гидроксид калия.

Щелочной раствор 214, используемый в процессе 223 экстракции ССЕ, может содержать подходящую концентрацию гидроксида, например щелочной раствор 214 может содержать 3-50% масс. концентрацию гидроксида, и более предпочтительно 6-18% масс. концентрацию гидроксида. Экстракция может быть выполнена с любой подходящей плотностью целлюлозной массы, например около 2-50% масс., предпочтительно около 5-10% масс. В этом контексте термин "плотность" относится к концентрации целлюлозного волокна в экстракционной смеси.

После требуемого времени пребывания целлюлозную массу отделяют от отработанного холодного щелочного раствора в последующем процессе 224 промывки. Отработанный холодный раствор включает экстрагированную гемицеллюлозу. Целлюлозную массу промывают в моечном аппарате ССЕ. Примеры моечных машин включают горизонтальные конвейерные моечные машины, ротационные барабанные моечные машины, вакуумные фильтры, пресс-фильтры, фильтры с уплотняющей перегородкой, распылители при атмосферном и повышенном давлении. Промывочная жидкость может содержать, например, чистую воду или разбавленный щелочной раствор с концентрацией эффективной щелочи, например, ниже 1 г NaOH на литр. Отработанная промывочная жидкость собирается обычном образом и она может быть объединена с отработанным холодным щелочным раствором для формирования другого щелочного раствора 216, который, с одной стороны, включает щелочной фильтрат, получаемый в результате процесса 224 промывки. Экстрагированная и промытая целлюлозная масса 233, в то же время транспортируется на следующую стадию для отбеливания.

Третий щелочной раствор 216 предпочтительно направляют на концентрирование 225, и он может, например, быть подан в выпарную систему для концентрирования. Обычная выпарная система может включать несколько установок или ступеней испарителя, установленных последовательно. Жидкость перемещается через каждую ступень испарителя и становится более концентрированной на выходе из ступени. Для облегчения упаривания и концентрирования растворов может быть использован вакуум.

В процессе 225 концентрирования слабый черный щелок 243 также может быть сконцентрирован до крепкого черного щелока 244, например, упариванием с использованием одной или большего числа ступеней испарителя, установленных последовательно, постепенно увеличивая концентрацию слабого черного щелока 243 во время процесса. Крепкий черный щелок 244 может храниться в резервуаре-накопителе и использоваться в зоне регенерации (содорегенерационный котел) или для других целей, увеличивая таким образом эффективность повторным использованием или рециклом побочных продуктов производства.

Число ступеней, используемых при выпарке, зависит частично от требуемого уровня концентрирования, мощности установки и других факторов. В одном осуществлении выпарное оборудование стадии 225 концентрирования включает шесть ступеней, способных перерабатывать, например, 740 тонн щелока в час. Ступени могут, но не обязательно, быть того же типа, что используются для концентрирования черного щелока на стадии 221 варки. Обычным является, например, использование ряда ступеней для концентрирования слабого черного щелока, оставшегося на стадии варки и сохраняемого в резервуаре накопителе, при котором он может быть либо возвращен в цикл для использования в процессе варки, либо направлен в другие процессы для различных целей. Как правило, получается избыток черного щелока, который сжигают в печи для сжигания отходов с целью выработки электроэнергии.

В предпочтительном осуществлении (как показано на фиг.3), концентрирование раствора 316 щелочного экстракта со стадии 224 промывки ССЕ имеет место на двух из шести ступеней (в данном примере пятая ступень 327 и шестая ступень 328) при пониженном давлении для получения концентрированного раствора 330, т.е. концентрированного щелочного фильтрата ССЕ. Концентрирование слабого черного щелока со стадии 221 варки до концентрированного черного щелока происходит на четырех из шести ступеней при более высоком давлении. В этом примере слабый черный щелок 313 вводится в одну ступень (в данном примере четвертую ступень 326), и после предварительного концентрирования перекачивается для дальнейшего концентрирования на расположенных ниже по ходу потока ступенях 329. Концентрирование раствора 316 щелочного экстракта стадии 224 промывки ССЕ, который может быть комбинацией отработанной промывочной жидкости 314 и отработанного холодного щелочного раствора 315, может быть проведено на пятой и шестой ступенях 327 и 328 при соответствующем давлении и достаточной продолжительности, чтобы достичь искомую концентрацию, которая в одном примере составляет около 85-110 граммов NaOH на литр, и более предпочтительно 95-105 граммов NaOH на литр. В одном осуществлении раствор 316 щелочного экстракта остается на пятой ступени 327 при отрицательном давлении около -0,84 бар (приборн.) и на шестой ступени 328 при отрицательном давлении около -0,50 бар (приборн.), для получения концентрированного раствора 330 с концентрацией эффективной щелочи, например, около 95-105 граммов NaOH на литр.

Преимущественно технологическая установка может быть сконфигурирована для проведения способа по изобретению без значительных дополнительных затрат на необходимое оборудование. В случае, когда установка использует, например, шесть ступеней концентрирования слабого черного щелока, остающегося на стадии варки, две из ступеней могут быть переведены для использования для концентрирования щелочного фильтрата, получаемого в процессе промывки ССЕ. Уменьшенное количество ступеней, предусмотренных для концентрирования черного щелока, не имеет существенного значения, потому что в то время как производительность выпарки черного щелока снижается на около 20-30%, качество черного щелока (конечная концентрация твердого вещества) может быть сохранена, что позволяет сжигать черный щелок, полученный из четырех ступеней, в содорегенерационном котле без существенных последствий. Однако использование двух степеней для концентрирования щелочного фильтрата и возвращения в цикл, в соответствии со способом изобретения, описанным в заявке, может иметь существенное влияние на эффективность установки. Поскольку то же самое количество ступеней может быть использовано для двух различных процессов, установка может быть спроектирована так, что оператор может выбрать между использованием обычного процесса выпарки слабого черного щелока на всех ступенях или, иначе, может выделить некоторые ступени для концентрирования щелочного фильтрата без заметных отрицательных последствий, но добиваясь улучшения в плане эффективности.

Возвращаясь к фиг.2, концентрированный раствор 217 щелочного фильтрата может быть повторно использован, полностью или частично, либо как раствор 210 нейтрализации и/или как часть варочного щелока 211. В одном осуществлении раствор 210 нейтрализации целиком состоит из концентрированного раствора 217 щелочного фильтрата. В другом осуществлении раствор 210 нейтрализации содержит как концентрированный раствор 217 щелочного фильтрата, так и белый щелок, который может быть предварительно добавлен в автоклав и также при необходимости использован для обогащения концентрированного раствора 217 щелочного фильтрата. В третьем осуществлении концентрированный раствор 217 щелочного фильтрата используется в качестве варочного щелока 211. В четвертом осуществлении концентрированный раствор 117 щелочного фильтрата объединяют с белым щелоком для использования в качестве варочного щелока 211.

Концентрированный раствор 217 щелочного фильтрата, который повторно не используются на стадии 221 варки, может быть использован для других целей. Например, он может быть при необходимости направлен на другие цели, например для использования на соседней производственной линии (как белый щелок) так, как показано стрелкой 251 в примере на фиг.2. В то же время концентрированный раствор 217 щелочного фильтрата может также дать возможность использовать более высокую концентрацию щелока на стадии 221 варки, предотвращая таким образом повторное осаждение гемицеллюлозы на волокнах.

Фиг.4 и 5 иллюстрируют и сравнивают обычную систему для процесса выпарки, связанную с холоднощелочной экстракцией, с одним возможным осуществлением, в соответствии с раскрытием в описании. На фиг.4 представлена схема обычной системы 400, отражающая процесс выпарки, которая может быть использована, среди прочего, для холоднощелочной экстракции. Как показано на фиг.4, система 400 включает ряд ступеней, 461A-D и 462-466. Слабый черный щелок 413 из процесса варки подают на одну из ступеней, в этом случае четвертую ступень 464, где начинается процесс выпарки. Трубы 441 и 442 соответственно соединяют четвертую ступень 464 с пятой ступенью 465 и пятую ступень 465 с шестой ступенью 466. После переработки на шестой ступени 466, полуконцентрированный черный щелок подают в промежуточные теплообменники 450 и 452. Из теплообменника 452 полуконцентрированный черный щелок подают на третью ступень 463, продукт которой подают в другой промежуточный теплообменник 454.

Из теплообменника 454, полуконцентрированный черный щелок затем подают на вторую ступень 462 (один корпус разделен на две установки "A" и "B" циркуляции щелока). После выпарки на второй ступени 462 одну часть черного щелока перекачивают непосредственно в первую ступень (концентратор), а другую подвергают мгновенному испарению в выпарном аппарате 459 при атмосферном давлении и закачивают 432 для переработки золы. Первая ступень физически может состоять из четырех выпарных аппаратов 461A-D. Выпарные аппараты могут быть выпарными аппаратами с падающей пленкой трубчатого и поверхностного типа. Все четыре выпарных аппарата 461A-D могут быть введены в действие одновременно, что может позволить производить черный щелок более высокой концентрации. Щелок, содержащий золу, перекачивают из резервуара смесителя золы в выпарной аппарат 461D. После выпарки в выпарном аппарате 461D сконцентрированный тяжелый черный щелок мгновенно испаряют в выпарном аппарате мгновенного действия 459 и хранят в находящемся под давлением резервуаре для тяжелого щелока (не показан на фиг.4).

Продуктами системы 400 выпарки являются тяжелый (крепкий) черный щелок 430, а также конденсат 431, который направляется на хранение щелока для промывки. Крепкий черный щелок 430 может быть использован для целей, описанных выше в заявке. В резервуаре 440А конденсата, конденсат пара со второй, третьей и четвертой ступени 462, 463 и 464 объединяют для формирования чистого конденсата ("A конденсата") и может быть мгновенно испарен в несколько стадий, по достижению им давления равного давлению пара на входе шестой ступени 466. A-конденсат собирается в резервуар чистого конденсата (резервуар A резервуара 440 конденсата) и может быть использован в других местах, например, на линии получения волокна.

Конденсат с чистой стороны четвертой и пятой ступеней 464 и 465 образует промежуточный конденсат ("B-конденсат"), давление которого сбрасывают или уменьшают постадийно до достижения им такого же давления, что и давление на входе шестой ступени 466. В-конденсат мгновенного испарения объединяют с обработанным или необработанным конденсатом из других частей системы выпарки, например, с чистой стороны шестой ступени 466, первичной секции отделенной поверхности конденсатора 470 и/или обработанного конденсата отгонной колонны. Этот объединенный конденсат обычно может содержать больше примесей, чем A-конденсат. B-конденсат собирается в промежуточный резервуар конденсата (резервуар B резервуара 440 конденсата) и может быть использован в других частях производства целлюлозной массы, например в установке каустификации.

Грязный конденсат ("C-конденсат"), который обычно содержит больше примесей, чем A-конденсат или B-конденсат, может быть собран из грязной части пятой и шестой ступеней 465 и 466, вторичной секции отделенной поверхности конденсатора, и вакуумной системы. C-конденсат хранится в резервуаре грязного конденсата (резервуар C резервуара 440 конденсата).

Фиг.5 представляет схему системы 500, отражающую процесс выпарки фильтрата холоднощелочной экстракции в соответствии с общими принципами, представленными на фиг.2 и 3. В этом примере система 500 использует ту же конструкцию оборудования и то же число ступеней, что и система 400 на фиг.4, хотя это не должно быть обязательным в других осуществлениях. Пунктирными линиями на фиг.5 показаны дополнительные соединения (в том числе трубы и клапаны), которые могут быть добавлены к оборудованию фиг.4 для достижения дополнительной функциональности концентрирования ССЕ фильтрата. На фиг.5 система 500 также имеет несколько ступеней 561A-D и 562-566. Ступени 561А-561D, 562 и 563 служат той же общей цели, что и соответствующие ступени 461A-D, 462 и 463 на фиг.4. Однако в системе 500, показанной на фиг.5, после первоначального концентрирования слабого черного щелока 513 на четвертой ступени 564 он подается по байпасной линии 537 (регулировкой добавленным клапаном 536) в теплообменник 550 (который в противном случае похож на теплообменник 450 фиг.4). Таким образом, процесс концентрирования слабого черного щелока обходит ступени 565, 566.

В отличие от системы 400 фиг.4, в системе 500 фиг.5 фильтрат 516 холоднощелочной экстракции (ССЕ) со стадии промывки ССЕ подается соединительным трубопроводом 541 на пятую ступень 565, после чего он проходит первую часть процесса концентрирования. Новый клапан 538 был добавлен к фиг.4, чтобы обеспечить отделение четвертой ступени 564 от ССЕ фильтрата 516. Необязательный отводной соединительный трубопровод 539 может быть добавлен, чтобы связать ССЕ фильтрат 516 с шестой ступенью 566, чтобы обеспечить возможность подачи ССЕ фильтрата непосредственно на шестую ступень 566, если, например, требуется меньшее концентрирование. В противном случае после выпарки на пятой ступени 565 полуконцентрированный ССЕ фильтрат подается на шестую ступень 566 по соединительному трубопроводу 542, после чего он дополнительно концентрируется выпаркой до нужной степени.

Концентрированный ССЕ фильтрат 560 может быть направлен по линии 591 в резервуар С в резервуаре 540 конденсата или по линии 592 в резервуар В резервуара 540 конденсата. В связи с вышеописанным стадиями крафт-процесса концентрированный ССЕ фильтрат 560 может быть смешан с белым щелоком, черным щелоком или другими растворами в рамках стадии варки. При необходимости полуконцентрированный ССЕ фильтрат может быть направлен в теплообменник 550 с пятой ступени 565 по другому добавленному соединительному трубопроводу 535, регулировкой клапаном 534. Соединительный трубопровод 535 также обеспечивает возможность использования пяти ступеней для концентрирования слабого черного щелока и только одной ступени (шестая ступень) для концентрирования ССЕ фильтрата. Такая конфигурация обеспечивает, помимо прочего, значительную гибкость в плане различных смесей и концентрации варочных и промывочных растворов. В этом осуществлении, где ССЕ фильтрат концентрируют на пятой и шестой ступенях 565 и 566, потоки конденсата могут быть изменены переключением клапанов: например, грязная сторона четвертой ступени 564 может быть частью грязного конденсата (C-конденсат); конденсат с грязной стороны шестой ступени 466 может быть частью промежуточного конденсата (B-конденсат); и конденсат из первичной секции отделенной поверхности конденсатора может быть частью чистого конденсата (A-конденсат).

Примеры

Способы в соответствии с осуществлениями настоящего изобретения представлены в следующих примерах. Аналитические результаты, описанные в примерах, получают, используя следующие методики.

Методики, используемые для измерения S10 и S18 растворимости целлюлозы при 25°C основаны на стандарте TAPPI Т 235 cm-00, включенном в описание ссылкой, как если бы был полностью представлен в заявке. Целлюлозную массу экстрагируют 10% и 18% раствором гидроксида натрия (NaOH) соответственно. Содержание растворенных углеводов определяют окислением бихроматом калия. Углеводы с низкой молекулярной массой, такие как гемицеллюлозы и продукты разложения целлюлозы, могут быть экстрагированы из целлюлозы растворами гидроксида натрия. Растворимость целлюлозы в щелочи таким образом предоставляет информацию о деструкции целлюлозы и потерях или удержании гемицеллюлоз во время варки и отбеливания. В обычной процедуре для измерения растворимости S10 10 г абсолютно сухого образца целлюлозной массы помещают в стакан и добавляют 75 мл 10% масс. раствора NaOH к целлюлозной массе. Смесь перемешивают миксером в течение времени, достаточного для достижения полного диспергирования целлюлозной массы. Один из примеров миксера может включать двигатель с переменной скоростью вращения и мешалку из нержавеющей стали с кожухом. Скорость вращения двигателя и угол лопастей регулируется таким образом, что воздух втягивается в суспензию целлюлозной массы при перемешивании. После полного диспергирования целлюлозной массы еще 25 мл 10% NaOH добавляют к смеси, чтобы обеспечить покрытие всех целлюлозных волокон раствором щелочи. Стакан, содержащий смесь, выдерживают на водяной бане при температуре 25±0,2°C в течение 60 мин с момента первого добавления NaOH. После этого около 50 мл фильтрата собирают в чистой и сухой колбе после фильтрации. Аликвоту 10,0 мл фильтрата смешивают с 10,0 мл 0,5 N раствора бихромата калия в 250 мл колбе. К этому добавляют при перемешивании 30 мл концентрированной серной кислоты, при этом раствор нагревается за счет химических реакций. Раствор перемешивают в течение 15 минут, сохраняя его горячим. Затем к смеси добавляют 50 мл воды и смесь охлаждают до комнатной температуры. От двух до четырех капель ферроина в качестве индикатора добавляют в смесь, и смесь титруют 0,1 N раствором железоаммиачных квасцов (солью Мора). Титрование повторяют с использованием 10 мл 10% раствора NaOH. S10 Растворимость рассчитывается по следующей формуле:

S, %=[(V₂-V₁)*N*6,85*10]/(A*W),

где V1 является объемом раствора железоаммиачных квасцов пошедшего на титрование фильтрата, и единицей измерения является миллилитр, V2, также в миллилитрах, является объемом раствора железоаммиачных квасцов, пошедшего на титрование чистого раствора 10% NaOH, N является нормальностью раствора железоаммиачных квасцов; A, в миллилитрах, является объемом фильтрата целлюлозной массы, используемым при окислении; и W является массой абсолютно сухого образца целлюлозной массы в граммах.

Для определения S18 растворимости используется та же методика, кроме того, что раствор 18% NaOH заменяет раствор 10% NaOH, используемый выше.

Вязкость целлюлозной массы в растворе медьэтилендиаминного комплекса (CED) определяют с использованием методики на основе стандарта SCAN СМ 15-99, представленного в описании ссылкой, как если бы был полностью раскрыт в заявке. Метод определяет величину характеристической вязкости целлюлозной массы в разбавленном CED растворе. По обычной методике образец целлюлозной массы растворяют в CED растворе. Количество целлюлозной массы выбрано с учетом ожидаемой величины характеристической вязкости. Взвешенный образец целлюлозной массы помещают в полиэтиленовые емкости (объемом около 52 мл), из которых удаляют остаточный воздух, сжимая емкость. 5-10 отрезков медной проволоки и 25 мл деионизированной воды добавляют в целлюлозную массу и смесь встряхивают соответствующим встряхивающим устройством до полной дезинтеграции целлюлозной массы. Обычный интервал времени дезинтеграции составляет от 10 до 30 минут. Добавляют в смесь другие 25,0 мл CED раствора. После выдавливания остаточного воздуха емкость плотно закрывают и снова встряхивают в течение около 30 минут или до полного растворения образца целлюлозной массы. Температуру анализируемого раствора и вискозиметра доводят до 25°C. Часть анализируемого раствора втягивают в вискозиметр всасыванием. Определяют время истечения, то есть, время, необходимое для снижения мениска от верхней до нижней отметки вискозиметра. Относительная вязкость рассчитывается по следующему уравнению:

где F является градуировочным коэффициентом вискозиметра; T_ced,в секундах, является временем истечения 50% CED раствора, Т является временем истечения анализируемого раствора также в секундах. Эквивалентное значение ( *с) может быть найдено в таблице, прилагаемой к SCAN стандарту, где является характеристической вязкостью целлюлозной массы в единицах мл/г, а с является концентрацией анализируемого раствора, рассчитываемой как масса сухой целлюлозной массы, деленной на объем анализируемого раствора, который составляет 50 мл в этом примере.

Число Каппа (KN) определяют с использованием метода, подобного методу стандарта TAPPI Т 236 om-99. KN соответствует объему (в мл) 0,1 N раствора перманганата калия, использованного для окисления одного грамма сухой целлюлозной массы. Обычно образец целлюлозной массы дезинтегрируется или растворяется в около 300 мл дистиллированной воды. Дезинтегрированный или растворенный образец целлюлозной массы переносят в стакан и добавляют достаточное количество воды в смесь целлюлозной массы, доводя общий объем смеси до 795 мл. 100 мл 0,1 N раствора перманганата калия и 100 мл 4N серной кислоты смешиваются в отдельном стакане и быстро смесь доводят до 25°C. Подкисленный раствор перманганата калия сразу добавляют к анализируемой целлюлозной массе. После добавления общий объем смеси составляет около 1000±5 мл. Смесь оставляют реагировать в течение десяти минут, после чего добавляют 20 мл 1 N раствора йодида калия для остановки реакции. Содержание свободного йода в смеси определяется сразу же после титрования смеси целлюлозной массы 0,2 N раствором тиосульфата натрия. Конечную точку титрования определяют с крахмалом в качестве индикатора, добавляемого в конце реакции. Титрование проводят без удаления волокон целлюлозы. Другое титрование проводят с холостым раствором без целлюлозной массы. KN рассчитывается по следующей формуле:

KN=(p*f)/w,

где р является количеством 0,1 N перманганата калия в миллилитрах, пошедшим на образец, f является коэффициентом пересчета на объем 50% перманганата и зависит от "p", который может быть найден в стандарте Tappi; w является массой образца абсолютно сухой целлюлозной массы; и "p" определяется следующим образом:

p=[(b-a)*N]0,1,

где b является количеством тиосульфата, в миллилитрах, пошедшего на титрование холостого раствора; а является количеством тиосульфата, пошедшего на титрование образца целлюлозной массы; и N является нормальностью тиосульфата.

Пример 1

Концентрирование ССЕ фильтрата

В соответствии с первым примером поток очень разбавленного щелочного раствора с концентрацией эффективной щелочи 5,6 грамма NaOH на литр вводят на пятую ступень 327, как показано на фиг.3, для начала работы установки и наблюдения ее поведения при различных уровнях концентрации щелочи. Воду удаляют из раствора при пониженном давлении -0,73 бар при температуре 51,5-56,8°C. После 4 часов и 30 минут щелочной раствор с концентрацией эффективной щелочи около 50 г NaOH на литр, подобный свежему ССЕ фильтрату, подают в пятую ступень, достигая на выходе от входа шестой ступени концентрации фильтрата около 50 граммов NaOH на литр. В таблице приведены значения расхода, температуры, концентрации эффективной щелочи и уровня вакуума в зависимости от времени.

Таблица I
Время(мин)	Подача сырья (м3 /ч)	Температура (°C)	Эффективная щелочь (гNaOH/л)		Давление (бар)
			Вход ступени 5	Выход ступени 6
0	350	51,5	5,6		-0,73
65	370	54,7		14,1	-0,73
105	370	56,8		36,6	-0,73
210	370	55,9	27,4	58,1	-0,73
270	400	53,6	49,8	106,9	-0,73
290	450	54,1	69,6	104,9	-0,73

Пример 2

Обычный крафт-процесс

Согласно второму примеру экспериментальный крафт-процесс проводят в лабораторном автоклаве (объемом около 20 литров) для моделирования промышленного процесса. 20-литровый лабораторный автоклав предварительно нагревают паром до 120°C в течение 30 минут. Соответствующее количество (например, 4,7 кг сухого вещества) щепы эвкалипта добавляют в автоклав. Автоклав нагревают до 165°C в течение 60 мин и выдерживают при 165°C в течение еще 40 минут для завершения стадии предварительного гидролиза. Для обычного крафт-процесса (без использования фильтратов ССЕ), 4,51 литра первого белого щелока ("WL1") с концентрацией эффективной щелочи 124,7 г NaOH на литр добавляют в автоклав в течение пятнадцати минут при температуре 152°C. Обычная загрузка щелочи для нейтрализации составляет около 12% эффективной щелочи (ЕА) в пересчете на NaOH от массы сухой щепы. Затем автоклав заполняют 10,8 литра горячего черного щелока с концентрацией эффективной щелочи 25,3 г NaOH на литр ("HBL1") добавлением в течение 15 минут при температуре 140°C для завершения стадии нейтрализации. Десять литров второго горячего черного щелока ("HBL2") той же концентрации добавляют в автоклав для вытеснения нейтрализованного щелока в течение 23 минут при температуре 146°C с последующим добавлением варочного щелока, состоящего из смеси 1,0 литра горячего черного щелока ("HBL2") и 4,16 литра второго белого щелока ("WL2") с концентрацией эффективной щелочи 124,7 г NaOH на литр в течение 12 минут при 10 бар и 152°C. Обычная загрузка щелочи для фазы варки составляет около 11% эффективной щелочи (ЕА) в пересчете на NaOH от массы сухой щепы. Варочный щелок прокачивают со скоростью 3 литра в минуту в течение 3 минут при давлении 9,1 бар. Затем автоклав нагревают до 160°C в течение 14 минут и выдерживают при 160°C в течение еще 23 минут. Затем автоклав охлаждают и реакционную смесь дважды промывают разбавленным щелочным раствором. В каждой промывке используется 15 литров водного раствора, содержащего около 0,2 г NaOH на литр раствора. Число Каппа полученной небеленой сульфатной целлюлозы составляет 10,3, вязкость 988 мл/г, растворимость S10 3,6% и растворимость S18 2,7%. Выход реакции составляет 39,3%. При сортировке в смеси 0,13% отходов, что дает выход сортировки 39,1%.

Пример 3

Использование ССЕ фильтрата низкой концентрации в качестве раствора нейтрализации и варочного раствора

Согласно третьему примеру повторяют тот же процесс варки, как описано в примере 2, за исключением того, что белый щелок для стадий нейтрализации и варки заменяют на фильтрат стадии ССЕ с ЕА 54 г NaOH на литр ("ССЕ54"). Нейтрализат имеет pH 11,0 и ЕоС варочной смеси составляет 18,5 г NaOH на литр. Коэффициент Р для предварительного гидролиза составляет 297 и коэффициент H для реакции варки составляет 419. В данном примере общая эквивалентная загрузка эффективной щелочи относительно древесины составляет соответственно: 12% ЕА в пересчете на NaOH для фазы нейтрализации и 11% ЕА в пересчете на NaOH для фазы варки.

Число Каппа полученной небеленой целлюлозы составляет 10,8, вязкость 1118 мл/г, растворимость S10 4,5% и растворимость S18 3,6%. Выход реакции составляет 40,4%. При сортировке в смеси 0,09% отходов, что дает выход сортировки 40,3%.

Пример 4

Использование высококонцентрированного ССЕ фильтрата в качестве раствора нейтрализации и варочного раствора

Согласно четвертому примеру повторяется тот же процесс варки, как описано в примере 2, за исключением того, что две трети WL1 и WL2 заменены концентрированным ССЕ фильтратом с концентрацией эффективной щелочи 110 г NaOH на литр. Число Каппа полученной небеленой целлюлозы составляет 9,5, вязкость 990 мл/г, S10 растворимость 4,1% и S18 растворимость 3,0%. Выход реакции составляет 39,5%. При сортировке в смеси 0,10% отходов, что дает выход сортировки 39,43%.

По сравнению с обычным процессом крафт-процесс, в котором две трети белого щелока заменены концентрированным ССЕ фильтратом, получается целлюлозная масса с вязкостью (около 990 мг/л в этом примере) и числом Каппа подобными значениям в традиционном крафт-процессе. Ожидается, что подобная методика будет работать в более широком диапазоне, например, где 60 - 75% белого щелока заменены концентрированным ССЕ фильтратом. Немного более низкие числа Каппа, достигнутые с концентрированным ССЕ фильтратом, допускают, что замена белого щелока концентрированным ССЕ фильтратом не оказывает негативного воздействия на делигнификацию. Отношение вязкости к числу Каппа - мера селективности на стадии варки - выше в процессе с концентрированным ССЕ фильтратом (104 относительно 96 в традиционном процессе), что указывает на лучшую селективность варки с использованием концентрированного ССЕ фильтрата.

S18 растворимость увеличивается с 2,7% до 3,0% и растворимость S10 увеличивается с 3,6%» до 4,1% при замене концентрированным ССЕ фильтратом части белого щелока, что указывает на протекание повторного осаждения гемицеллюлозы. При необходимости S18 растворимость может дополнительно регулироваться с помощью других средств.

Следует предусмотреть возможность дальнейшей оптимизации небольшим понижением температуры варки для достижения того же числа Каппа (около 10,8) и более высокой вязкости. На основе различных экспериментов предполагается, что могут быть выполнены незначительные изменения в процессе, включая содержание щелочи, относительное количества белого щелока и концентрированного ССЕ фильтрата, температуру и время варки, которые могли бы быть определены рутинными расчетами или оптимизацией на основе принципов и методов, описанных в заявке, сохраняя при этом количества получаемой небеленой целлюлозы в потенциально желательном диапазоне. Например, ожидается, что получаемая небеленая целлюлоза может обладать числом Каппа до 10,0, вязкостью до 1000 мл/г, S18 растворимостью не более 3,0% и/или отношением вязкости к числу Каппа более 100.

Согласно некоторым осуществлениям, раскрытым в описании, можно проводить варку до таких же или аналогичных уровней вязкости и числа Каппа с использованием сконцентрированного ССЕ фильтрата, что и в традиционном крафт-процессе, который использует только свежий белый щелок, что приводит к повышению эффективности.

Хотя предпочтительные осуществления изобретения были раскрыты в описании, возможны многие изменения, которые не выходят за рамки концепции и объема притязаний изобретения. Такие изменения станут ясными специалистам в данной области после ознакомления с описанием и чертежами. Таким образом, изобретение не должно быть ограничено, кроме как существом и объемом прилагаемой формулы изобретения.