stringtranslate.com

Крафт-процесс

International Paper : Фабрика крафт-бумаги
Щепа для производства бумаги

Крафт -процесс (также известный как крафт-варка целлюлозы или сульфатный процесс ) — это процесс переработки древесины в древесную массу , которая состоит из почти чистых целлюлозных волокон, основного компонента бумаги . Крафт-процесс включает обработку древесной щепы горячей смесью воды, гидроксида натрия (NaOH) и сульфида натрия (Na 2 S), известной как белый щелок , которая разрывает связи, связывающие лигнин , гемицеллюлозу и целлюлозу . Технология включает в себя несколько этапов, как механических, так и химических. Это доминирующий метод производства бумаги. В некоторых ситуациях этот процесс вызывает споры, поскольку крафт-заводы могут выделять пахучие продукты, а в некоторых ситуациях производить значительные жидкие отходы . [1] [2] [3]

Название процесса происходит от немецкого слова Kraft , что в данном контексте означает «прочность», из-за прочности крафт-бумаги , производимой с использованием этого процесса. [4]

История

Рулон крафт-бумаги

Предшественник крафт-процесса использовался во время наполеоновских войн в Англии. [5] Крафт-процесс был изобретен Карлом Ф. Далем в 1879 году в Данциге , Пруссия , Германия . Патент США № 296935 был выдан в 1884 году, а целлюлозный завод, использующий эту технологию, начал работу в Швеции в 1890 году. [6] Изобретение котла-утилизатора Г.Х. Томлинсоном в начале 1930-х годов стало важной вехой в развитии крафт-процесса. [7] Это позволило извлекать и повторно использовать неорганические химикаты для варки целлюлозы, так что крафт-завод представляет собой процесс почти замкнутого цикла по отношению к неорганическим химикатам, за исключением тех, которые используются в процессе отбеливания. По этой причине в 1940-х годах крафт-процесс вытеснил сульфитный процесс в качестве доминирующего метода производства древесной массы. [6]

Процесс

Пропитка

Обычная древесная щепа, используемая в производстве целлюлозы, имеет длину 12–25 миллиметров (0,47–0,98 дюйма) и толщину 2–10 миллиметров (0,079–0,394 дюйма). Обычно щепа сначала поступает в систему предварительного пропаривания , где она смачивается и нагревается паром . Полости внутри свежей щепы частично заполнены жидкостью, частично воздухом. Обработка паром приводит к расширению воздуха и удалению около 25% воздуха из стружки. Следующий шаг – пропитка чипсов черным и белым щелоком . Воздух, оставшийся в щепе в начале пропитки щелоком, задерживается внутри щепы. Пропитка может проводиться до или после поступления щепы в варочный котел и обычно проводится при температуре ниже 100 °C (212 °F). Варочные растворы состоят из смеси белого щелока, воды в щепе, конденсированного пара и слабого черного щелока. При пропитке кулинарный раствор проникает в капиллярную структуру щепы и начинаются низкотемпературные химические реакции с древесиной. Хорошая пропитка важна для получения однородной варки и низкого брака. Около 40–60% всего расхода щелочи в непрерывном процессе приходится на зону пропитки.

Готовка

Затем древесную щепу готовят в варочных котлах под давлением. Некоторые варочные котлы работают в периодическом режиме, а некоторые – в непрерывном процессе. Варочные котлы, производящие 1000 или более тонн целлюлозы в день, являются обычным явлением, причем самые крупные из них производят более 3500 тонн в день. [8] Обычно делигнификация занимает около двух часов [9] при температуре от 170 до 176 °C (от 338 до 349 °F). В условиях переваривания лигнин и гемицеллюлоза разлагаются с образованием фрагментов, растворимых в сильноосновной жидкости. Твердую пульпу (около 50% от массы сухой древесной щепы) собирают и промывают. На этом этапе мякоть известна как коричневая масса из-за ее цвета. Комбинированные жидкости, называемые черным щелоком (из-за цвета), содержат фрагменты лигнина, углеводы распада гемицеллюлозы, карбонат натрия , сульфат натрия и другие неорганические соли.

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

Одной из основных химических реакций, лежащих в основе крафт-процесса, является разрыв эфирных связей нуклеофильными сульфидными ( S 2- ) или бисульфидными (HS - ) ионами. [7]

Процесс восстановления

Избыточный черный щелок содержит около 15% твердых веществ и концентрируется в многокорпусном испарителе . После первого этапа черный щелок содержит около 20–30% твердых веществ. При этой концентрации канифольное мыло поднимается на поверхность и снимается . Собранное мыло далее перерабатывается в талловое масло . Удаление мыла улучшает процесс испарения последующих эффектов.

Слабый черный щелок далее выпаривается до содержания твердых веществ 65% или даже 80% («тяжелый черный щелок» [10] ) и сжигается в котле-утилизаторе для извлечения неорганических химикатов для повторного использования в процессе варки целлюлозы. Более высокое содержание твердых веществ в концентрированном черном щелоке увеличивает энергетическую и химическую эффективность цикла восстановления, но также приводит к более высокой вязкости и осаждению твердых веществ (засорению и засорению оборудования). [11] [12] Во время сгорания сульфат натрия восстанавливается до сульфида натрия под действием органического углерода в смеси:

1. Na 2 SO 4 + 2 C → Na 2 S + 2 CO 2

Эта реакция аналогична термохимической сульфатредукции в геохимии.

Расплавленные соли («плав») из котла-утилизатора растворяются в технологической воде, известной как «слабая промывка». Эта техническая вода, также известная как «слабый белый щелок», состоит из всех растворов, используемых для промывки известкового шлама и осадков зеленого щелока . Полученный раствор карбоната натрия и сульфида натрия известен как «зеленый щелок». Одноименный зеленый цвет зеленого щелока обусловлен наличием коллоидного сульфида железа. [13] Эту жидкость затем смешивают с оксидом кальция , который в растворе превращается в гидроксид кальция , для регенерации белого щелока, используемого в процессе варки целлюлозы, посредством равновесной реакции (показан Na 2 S, поскольку он является частью зеленого щелока, но не не участвуют в реакции):

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

Карбонат кальция выпадает в осадок из белого щелока, извлекается и нагревается в печи для обжига извести , где он превращается в оксид кальция (известь).

3. СаСО 3 → СаО + СО 2

Оксид кальция (известь) реагирует с водой для регенерации гидроксида кальция, используемого в реакции 2:

4. СаО + Н 2 О → Са(ОН) 2

Комбинация реакций с 1 по 4 образует замкнутый цикл по отношению к натрию, сере и кальцию и является основной концепцией так называемого процесса повторной каустификации, при котором карбонат натрия реагирует с целью регенерации гидроксида натрия .

Котел-утилизатор также генерирует пар высокого давления, который подается в турбогенераторы, снижая давление пара для нужд мельницы и выработки электроэнергии . Современный завод по производству крафт-целлюлозы более чем самодостаточен в производстве электроэнергии и обычно обеспечивает чистый поток энергии, который может использоваться связанной с ним бумажной фабрикой или продаваться соседним отраслям или сообществам через местную электрическую сеть. [14] Кроме того, кора и древесные остатки часто сжигаются в отдельном энергетическом котле для получения пара.

Хотя котлы-утилизаторы, в которых используется изобретение Томлинсона, широко используются с начала 1930-х годов, предпринимались попытки найти более эффективный процесс регенерации кулинарных химикатов. Компания Weyerhaeuser успешно эксплуатирует проточный газификатор Chemrec первого поколения с увлечением черного щелока на своем заводе в Нью-Берне в Северной Каролине , а установка второго поколения работает в пилотном масштабе на заводе Smurfit Kappa в Питео , Швеция . [15]

дует

Готовая приготовленная древесная щепа выдувается в сборный резервуар, называемый продувочным резервуаром, который работает при атмосферном давлении. При этом выделяется много пара и летучих веществ. Летучие вещества конденсируются и собираются; в случае северных хвойных пород он состоит главным образом из сырого скипидара .

Скрининг

Просеивание пульпы после варки — это процесс, при котором мякоть отделяется от крупных косынок , сучков , грязи и другого мусора. Прием – это мякоть. Материал, отделенный от мякоти, называется браком .

Секция просеивания состоит из различных типов сит (сито) и центробежной очистки. Сита обычно работают в многоступенчатом каскаде, поскольку при попытке достичь максимальной чистоты в приемном потоке значительное количество добротных волокон может попасть в поток отбраковки.

Волокно, содержащее косы и сучки, отделяется от остального мусора и перерабатывается либо в рафинере, либо отправляется обратно в варочный котел. Содержание сучков обычно составляет 0,5–3,0 % от выхода варочного котла, а содержание костры – около 0,1–1,0 %.

Мойка

Коричневое сырье после продувки поступает на этапы промывки, где использованные варочные растворы отделяются от целлюлозных волокон. Обычно целлюлозный завод имеет последовательно 3-5 стадий промывки. Стадии промывки также размещаются после кислородной делигнификации, а также между стадиями отбеливания. В моечных машинах для целлюлозы используется противоток между ступенями, так что пульпа движется в направлении, противоположном потоку промывочной воды. Здесь задействовано несколько процессов: сгущение / разбавление , смещение и диффузия . Коэффициент разбавления является мерой количества воды, используемой при промывке, по сравнению с теоретическим количеством, необходимым для вытеснения щелока из загущенной пульпы. Более низкий коэффициент разбавления снижает потребление энергии, тогда как более высокий коэффициент разбавления обычно дает более чистую целлюлозу. Тщательная промывка целлюлозы снижает химическую потребность в кислороде ( ХПК ).

Используются несколько типов моечного оборудования:

Отбеливание

На современном заводе коричневое сырье (целлюлозные волокна, содержащие около 5% остаточного лигнина), полученное в результате варки целлюлозы, сначала промывают для удаления части растворенного органического материала, а затем подвергают дальнейшей делигнификации с помощью различных стадий отбеливания . [16]

В случае установки, предназначенной для производства целлюлозы для производства коричневой мешочной бумаги или картона для коробок и упаковки, целлюлозу не всегда нужно отбеливать до высокой степени белизны. Отбелка уменьшает массу получаемой целлюлозы примерно на 5%, снижает прочность волокон и увеличивает стоимость производства.

Технологические химикаты

Технологические химикаты добавляются для улучшения производственного процесса:

Сравнение с другими процессами варки целлюлозы

Целлюлоза, полученная крафт-процессом, прочнее, чем целлюлоза, полученная другими способами варки , и сохраняет высокое эффективное соотношение серы (сульфидность), что является важным фактором, определяющим прочность бумаги. Кислотные сульфитные процессы разлагают целлюлозу сильнее, чем крафт-процесс, что приводит к получению более слабых волокон. Крафт-целлюлоза удаляет большую часть лигнина, изначально присутствующего в древесине, тогда как процессы механического производства целлюлозы оставляют большую часть лигнина в волокнах. Гидрофобная природа лигнина [19] препятствует образованию водородных связей между целлюлозой (и гемицеллюлозой) в волокнах, необходимых для прочности бумаги [ 6] (под прочностью понимают прочность на разрыв и устойчивость к разрыву).

Крафт-целлюлоза темнее, чем другие виды древесной массы, но ее можно отбелить, чтобы получить очень белую целлюлозу. Полностью отбеленная крафт-целлюлоза используется для изготовления высококачественной бумаги, где важны прочность, белизна и устойчивость к пожелтению.

В крафт-процессе можно использовать более широкий спектр источников волокна, чем в большинстве других процессов варки целлюлозы. В процессе крафт-бумаги можно использовать все виды древесины, включая очень смолистые породы, такие как южная сосна [ 20] и недревесные породы, такие как бамбук и кенаф .

Побочные продукты и выбросы

Завод по переработке таллового масла Forchem в Рауме , Финляндия.

Основными побочными продуктами крафт-целлюлозы являются сырой сульфатный скипидар и талловое мыло. Их доступность сильно зависит от породы древесины, условий роста, времени хранения бревен и щепы, а также технологического процесса завода. [21] Сосны — самая богатая экстрактивными породами древесина. Скипидар-сырец летуч и отгоняется из варочного котла, а мыло- сырец отделяется от отработанного черного щелока путем декантации мыльного слоя, образующегося наверху резервуаров для хранения щелока. Из сосны средний выход скипидара составляет 5–10 кг/т жома, сырого таллового масла – 30–50 кг/т жома. [21]

Различные побочные продукты, содержащие сероводород , метилмеркаптан , диметилсульфид , диметилдисульфид и другие летучие соединения серы , являются причиной зловонных выбросов в воздух, характерных для целлюлозных заводов , использующих крафт-процесс. [22] [23] Выбросы диоксида серы на заводах по производству крафт-целлюлозы намного ниже, чем на сульфитных заводах. В окружающем воздухе за пределами типичного современного завода по производству крафт-целлюлозы запах диоксида серы ощущается только во время аварийных ситуаций, например, когда завод останавливается на перерыв для технического обслуживания или когда происходит длительное отключение электроэнергии. Контроль запахов достигается за счет сбора и сжигания этих пахучих газов в котле-утилизаторе вместе с черным щелоком. На современных мельницах, где хорошо высушенные твердые вещества сжигаются в котле-утилизаторе, диоксид серы практически не выходит из котла. При высоких температурах котла натрий, выделяющийся из капель черного щелока, вступает в реакцию с диоксидом серы, тем самым эффективно удаляя его, образуя кристаллы сульфата натрия без запаха .

Целлюлозные заводы почти всегда расположены вблизи крупных водоемов из-за их значительной потребности в воде. Делигнификация химической целлюлозы приводит к выбросу значительных количеств органического материала в окружающую среду, особенно в реки и озера. Сточные воды также могут быть основным источником загрязнения, поскольку они содержат лигнины деревьев, высокую биологическую потребность в кислороде (БПК) и растворенный органический углерод (РОУ), а также спирты , хлораты , тяжелые металлы и хелатирующие агенты. Технологические стоки можно очищать на установках биологической очистки сточных вод , что позволяет существенно снизить их токсичность. [24] [25]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Хоффман Э., Лайонс Дж., Боксалл Дж., Робертсон К., Лейк С.Б. и Уокер Т.Р. (2017). Пространственно-временная оценка (четверть века) загрязненных металлом (лоидами) целлюлозных заводов отложений для обоснования решений по рекультивации. Экологический мониторинг и оценка, 189(6), 257.
  2. ^ Хоффман Э., Бернье М., Блотницки Б., Голден П.Г., Джейнс Дж., Кадер А., ... и Уокер Т.Р. (2015). Оценка общественного восприятия и соблюдения экологических требований на целлюлозно-бумажном предприятии: тематическое исследование в Канаде. Экологический мониторинг и оценка, 187(12), 766.
  3. ^ Рудольф Патт и др. «Бумага и целлюлоза» в Энциклопедии промышленной химии Ульмана, 2002 г., Wiley-VCH, Вайнхайм. дои : 10.1002/14356007.a18_545.pub4
  4. ^ В литературе встречается как заглавное, так и строчное написание («Крафт-процесс» и «крафт-процесс»), но «крафт» чаще всего используется в целлюлозно-бумажной промышленности .
  5. ^ Объединенный комитет по учебникам бумажной промышленности (1969). Макдональд, Рональд Гордон; Франклин, Джон Н. (ред.). Целлюлозно-бумажное производство, вып. 1: Растирание древесины. Том. 1 (2-е изд.). МакГроу Хилл . ОКЛК  867778880.
  6. ^ abc Бирманн, Кристофер Дж. (1993). Основы целлюлозно-бумажного производства . Сан-Диего: ISBN Academic Press, Inc. 0-12-097360-Х.
  7. ^ аб Э. Сьёстрем (1993). Химия древесины: основы и приложения . Академическая пресса . ISBN 0-12-647480-Х.
  8. ^ Вудман, Джоселин (1993). «Технологии предотвращения загрязнения для сегмента беленой крафт-бумаги целлюлозно-бумажной промышленности США». Агентство по охране окружающей среды США. п. 66 . Проверено 6 февраля 2022 г.
  9. ^ «Основы производства крафт-целлюлозы» (PDF) . Университет Теннесси в Ноксвилле – факультет химической и биомолекулярной инженерии. Архивировано из оригинала (PDF) 23 октября 2021 г. Проверено 23 октября 2021 г.
  10. ^ «Оборудование для обработки тяжелого черного щелока» . Архивировано из оригинала 20 апреля 2005 г. Проверено 9 октября 2007 г.
  11. ^ Се, Джеффри С.; Смит, Джейсон Б. «Отложений в черном щелоке для вторых критических твердых веществ» (PDF) . Целлюлозно-бумажная инженерия, Школа химического машиностроения, Технологический институт Джорджии. Архивировано из оригинала (PDF) 31 августа 2011 г. Проверено 9 октября 2007 г.
  12. ^ США предоставили номер 5527427, Муалла Берксой и Яман Болук, «Черный щелок с высоким содержанием твердых веществ пониженной вязкости и метод снижения вязкости для черного щелока с высоким содержанием твердых веществ», выдан 18 июня 1996 г., передан Optima Specialty Chemicals & Technology Inc. 
  13. ^ Гиддингс, Дж. Ф.; Ролл, ДР; Каппеллино, Калифорния; Дэй, М.; Нардоне, РА (2008). «12.12.4.». В Карасик И. ; Мессина, Дж.; Купер, П.; Хил, К. (ред.). Справочник по насосу (4-е изд.). Нью-Йорк: МакГроу Хилл. ISBN 9780071460446. Архивировано из оригинала 4 марта 2013 года . Проверено 21 февраля 2013 г.
  14. ↑ Джеффрис, Том (27 марта 1997 г.). «Крафт-целлюлоза: потребление и производство энергии». Биотехнологический центр Университета Висконсина. Архивировано из оригинала 28 сентября 2011 года . Проверено 21 октября 2007 г.
  15. ^ "Веб-сайт Chemrec" . Архивировано из оригинала 9 июля 2012 г. Проверено 7 января 2011 г.
  16. ^ «Экологическое сравнение технологий производства беленой крафт-целлюлозы» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 18 декабря 2004 г. Проверено 28 сентября 2007 г.
  17. ^ Гоял, Гопал К. (1997). Антрахиноновая пульпа. Антология опубликованных статей TAPPI Press, 1977–1996 гг . Атланта: TAPPI Press. ISBN 0-89852-340-0.
  18. ^ «Утилизация таллового масла и мыла таллового масла» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 5 марта 2012 г. Проверено 19 декабря 2008 г.
  19. ^ Хуббе, Мартин А.; Люциан А. Люсия (2007). «Отношения «любовь-ненависть» присутствуют в лигноцеллюлозных материалах». Биоресурсы . 2 (4): 534–535. дои : 10.15376/biores.2.4.534-535 . Проверено 3 февраля 2015 г.
  20. ^ «Южные сосны» (PDF) . Министерство сельского хозяйства США. 1985. Архивировано из оригинала (PDF) 9 июля 2007 г. Проверено 13 сентября 2007 г.
  21. ^ аб Стениус, Пер, изд. (2000). «2». Химия лесных продуктов . Наука и технология изготовления бумаги. Том. 3. Хельсинки, Финляндия: Fapet OY. стр. 73–76. ISBN 952-5216-03-9..
  22. ^ Хансен, Джорджия (1962). « Контроль запаха и осадков на заводе по производству крафт-целлюлозы ». Журнал Ассоциации по контролю за загрязнением воздуха . 12 (9): 409–436. дои : 10.1080/00022470.1962.10468107. ПМИД  13904415.
  23. ^ Хоффман Э., Гернси-младший, Уокер Т.Р., Ким Дж.С., Шеррен К. и Андреу П. (2017). Пилотное исследование по изучению выбросов токсичных веществ в окружающий воздух возле канадского предприятия по производству крафт-целлюлозы и бумаги в округе Пикту, Новая Шотландия. Наука об окружающей среде и исследования загрязнения, 24(25), 20685-20698.
  24. ^ Хоффман Э., Бернье М., Блотницки Б., Голден П.Г., Джейнс Дж., Кадер А., ... и Уокер Т.Р. (2015). Оценка общественного восприятия и соблюдения экологических требований на целлюлозно-бумажном предприятии: тематическое исследование в Канаде. Экологический мониторинг и оценка, 187(12), 766.
  25. ^ Хоффман Э., Лайонс Дж., Боксалл Дж., Робертсон К., Лейк С.Б. и Уокер Т.Р. (2017). Пространственно-временная оценка (четверть века) загрязненных металлом (лоидами) целлюлозных заводов отложений для обоснования решений по рекультивации. Экологический мониторинг и оценка, 189(6), 257.

дальнейшее чтение

Внешние ссылки

На Wikimedia Commons есть средства массовой информации, связанные с процессом крафта .