Сульфитный способ получения целлюлозы .Основная аппаратура Автоклав и технологическая схема

После окончания выдержки под давлением жидкость самотеком сливается из автоклава в маневровый резервуар, для чего открывают вентили 1 и 11. Повторный (конечный) вакуум создают так же, как и первый (начальный). Мерник заполняют жидкостью во время загрузки автоклава древесиной при включенном вакуум-насосе и открытых вентилях 8,5 и 7.

Рис. 5. Схема установки для пропитки древесины способом ДДВ: 1 -вакуумный насос, 2 - ресивер, 3 - компрессор, 4 - конденсатор, 5 - насос, 6 - мерник, 7 - пропиточный автоклав, 8 - маневровый автоклав

Автоклавная установка для пропитки способом ДДВ, схема которой приведена на рис. 6., состоит из рабочего (пропиточного) автоклава 7, над которым расположен маневровый автоклав 8, рассчитанный на работу под избыточным давлением, жидкостного насоса 5, служащего для создания избыточного давления в рабочем автоклаве, мерника 6, компрессора 3 с ресивером 2 и вакуумной линии, включающей в себя вакуум-насос 1 и конденсатор 4.

Автоклав загружают древесиной и создают в нем избыточное воздушное давление с помощью компрессора. После выдержки под воздушным давлением пропитывающую жидкость из маневрового автоклава нагнетают сжатым воздухом в рабочий автоклав и мерник; затем, после их заполнения, включают насос 5 и создают в автоклаве требуемое избыточное давление. Поскольку жидкость, идущая на пропитку, поступает из мерника, по изменению уровня жидкости в нем судят о величине поглощения. После выдержки под жидкостным давлением жидкость перекачивают обратно в маневровый автоклав, а в рабочем автоклаве создают вакуум. По окончании процесса пропитки древесину выгружают из автоклава, а пропитывающую жидкость, вытесненную из древесины при выдержке в вакууме, подают на сепарацию и очистку. Следует отметить, что рассматриваемая установка может быть также использована для пропитки способами ДВ и ВДВ. 
На рис. 7 приведена схема передвижной установки для пропитки древесины способом ВАДВ. Установка предложена МЛТИ и изготовлена трестом «Союзантисептик».

Рbс. 6. Схема установки для пропитки древесины способом ВДВ. I — пропиточный автоклав; II— мерник; III — конденсатор; IV — вакуум-насос; V—жидкостной насос; VI — маневровый резервуар; 1... 11 — вентили

Рис. 7. Схема установки для пропитки древесины способом ВАДВ: 1 -пропиточный автоклав, 2,5, 7,10 - вентили, 3 -реверсивный центробежный насос, 4 -вакуумвый насос, 6 - мешалка, 8 - контейнер для загрузки сухого химического средства, 9 - маневровый автоклав

Пропиточный автоклав 1 облегченного типа рассчитан на работу только под вакуумом. Маневровый автоклав 9, работающий при атмосферном давлении, установлен на одном уровне с пропиточным автоклавом. Он служит как для межоперационного хранения и нагревания, так и для приготовления пропитывающего раствора. В нем имеется устройство 8 для загрузки сухих компонентов и механическая мешалка 6. Заполнение пропиточного автоклава жидкостью и ее слив осуществляют реверсивным центробежным насосом 3. Для создания разрежения предусмотрен вакуум-насос 4, который включают после загрузки автоклава древесиной при открытом вентиле 5. 
По окончании выдержки в вакууме открывают вентиль 2, включают насос 3 и, не снижая глубины вакуума, заполняют пропиточный автоклав жидкостью; затем отключают вакуум-насос, закрывают вентиль 5 и открывают вентиль 7. При этом в автоклаве устанавливается атмосферное давление и начинается пропитка, в процессе которой насос обеспечивает непрерывную циркуляцию жидкости между маневровым и пропиточным автоклавами. Тем же насосом (прн его реверсировании) осуществляется освобождение пропиточного автоклава от жидкости после окончания пропитки. Для слива пропитывающей жидкости из маневрового автоклава предусмотрен патрубок с вентилем 10.

На рис. 8 дана схема установки для совмещенной сушки — пропитки. Она состоит из пропиточного автоклава 1, маневрового автоклава 9, циркуляционного насоса 2, конденсатора 11, сборника конденсата 13, мерника 3 и выносного пеногасителя 7, соединенных между собой трубопроводами. Маневровый автоклав оборудован гладкотрубными калориферами 8. В качестве пеногасителя используют теплообменник, сходный по конструкции с конденсатором, но питаемый не охлаждающей водой, а греющим паром. В комплект установки входит также вакуум-насос и воздушный компрессор, не показанные на схеме.

Рис. 8. Схема установки для совмещенной сушки-пропитки: 1 - пропиточный автоклав, 2 - циркуляционный насос, 3 - мерник, 4, 5,6,10,12 - трубопроводы, 7 -пеногаситель, 8 - теплообменник, 9 - маневровый автоклав, 11 - конденсатор, 13 - сборник конденсата

Предпропиточная сушка происходит при атмосферном давлении и осуществляется следующим образом. Загруженный древесиной рабочий автоклав 1 заполняют по трубе 14 маслом из маневрового автоклава, где его предварительно подогревают до требуемой (130 °С) температуры. Затем включают насос, который создает в рабочем и маневровом автоклавах замкнутую продольную циркуляцию масла. Охлажденное при прохождении через высушиваемый материал масло подается насосом по трубе 6 в маневровый автоклав, где вновь нагревается, а затем самотеком поступает в рабочий автоклав.

Пары воды н масла, а также образующаяся при сушке пена из рабочего автоклава по трубе 5 поступают в пеногаситель 7 и из него в маневровый автоклав. Пена в пеногасителе разрушается, а пары по трубопроводу 10 поступают в конденсатор, откуда конденсат воды и масла направляется по трубе 12 в сборник 13. По мере заполнения сборника конденсат подают в специальные отстойники, где происходит разделение воды и масла. Воду направляют в очистные сооружения, а масло перекачивают в хранилище. После окончания сушки древесину пропитывают по одному из классических способов, используя для этого компрессор и вакуум-насос. Перед созданием вакуума масло перекачивают насосом 2 из рабочего автоклава в маневровый. При создании давления масло нагнетается в автоклав из мерника 3 по трубе 4.

 

Цель целлюлозного производства — выделить из древесины волокна целлюлозы в достаточно чистом виде. Из всех составных частей древесины волокнистым строением обладает только целлюлоза, содержащаяся в количестве до 50% от веса абсолютно сухой древесины. Гемицеллюлозы, составляющие в зависимости от породы древесины 20—27%', и лигнин в количестве 22—30% не обладают волокнистым строением и в основной своей массе должны быть удалены из древесины путем перевода их тем или иным путем в растворимое состояние для освобождения волокон. Получаемая техническая целлюлоза не является химически чистой клетчаткой: в ней остается некоторое количество лигнина и геммицеллюлоз, определяющих ее сортность, или жесткость. В зависимости от интенсивности обработки древесины растворяется большее или меньшее количество ее компонентов. Поэтому выход технической целлюлозы колеблется в пределах от 44 до 54% от абсолютно сухого вещества древесины. Остальная часть (56—46%) переходит в раствор.

Механизм такого процесса можно представить, исходя из строения древесины. На рис. 98 показан поперечный срез древесины хвойных пород. Это — сопряженные клетки, основным элементом строения которых является оболочка. Она представляет собой собственно массу древесины и состоит главным образом из целлюлозы. Эти клетки связаны между собой склеивающим веществом, которое в основном содержит лигнин и часть гемицел- люлоз. Однако такое строение нельзя рассматривать чисто механически, так как эти вещества несколько проникают и в толщу клеточных стенок, а также, в особенности гемицеллюлозы, могут находиться на внутренней поверхности клеточной оболочки. Не 
 
исключена, а, лучше сказать, почти доказана частичная химическая связь между отдельными компонентами, что позволяет рассматривать древесину как сложный коллоиднохимический агрегат.

Поскольку полости клеток древесины заполнены водой или воздухом, химический реагент, применяемый для растворения неволокнистых веществ, проникает по этим каналам внутрь клетки и далее диффундирует в самую клеточную стенку, входя в соприкосновение с составными частями древесины.

Удалением лигнина решается задача выделения целлюлозы. Вот почему эти процессы часто называют делигнификацией древесины. Этот процесс проще всего можно было бы осуществить путем экстракции лигнина каким-либо растворителем. Однако химия древесины не знает еще такого физического растворителя природного лигнина. Его удается перевести в раствор при помощи ряда химических веществ в виде каких-либо его производных, т. е. в измененном виде. Таких реагентов и способов делигнифика - ции предложено довольно много, но практическое промышленное значение имеют в настоящее время только два, принципиально отличающихся друг от друга способа: щелочной способ (натронный, или сульфатный) и кислотный (или сульфитный). В первом случае (щелочной способ) .перешедшие в раствор лигнин и гемицеллюлозы не используются как сырьевые вещества для получения новых продуктов, так как сжигаются (используется теплотворная способность органических веществ) с целью регенерации затраченной в большом количестве на делигнификацию натриевой щелочи или других оснований.

Рис. 98. Поперечный срез древесины: / — оболочка клеточных стенок; 2 — срединная лластннка

Напротив, при сульфитной варке целлюлозы лигнин, гемицеллюлозы и другие вещества, составляющие в среднем 50% от древесины, в измененном виде переходят в раствор, который носит название сульфитный щелок. Использование всех веществ, содержащихся в сульфитном щелоке, составляет специальное направление в общем вопросе химической переработки древесины.

401

Производство сульфитной целлюлозы основано на делигнифи - кации древесины кислым реагентом (водный раствор сернистого ангидрида и бисульфита кальция). С этим раствором, называемым в производстве варочной кислотой, древесная щепа

26 д, к. Славянский 
 
варится в течение нескольких часов в больших закрытых котлах при температуре 135—147°. В отдельных случаях при 155°. Основная часть лигнина (в виде лигносульфоновых соединений) и гемицеллюлозы (в виде Сахаров и продуктов распада), а также ряд других веществ древесины переходят в сульфитный щелок. В твердой фазе остается основной продукт — техническая целлюлоза.

Химические процессы, протекающие при сульфитной варке целлюлозы, достаточно сложны и многообразны; они обусловлены определенными технологическими режимами и влияют не только на качество и выход целлюлозы, но также на состав и свойства сульфитного щелока. Этому вопросу будет уделено особое внимание после того, как будет рассмотрен основной технологический процесс производства сульфитной целлюлозы.

Производство сульфитной целлюлозы может быть разделено на следующие основные стадии:

1) подготовка древесины  для варки целлюлозы;

2) приготовление  варочной кислоты;

3) варка целлюлозы  в варочных котлах;

4) отделение сульфитного  щелока от целлюлозы;

5) очистка и сортировка  целлюлозы;

6) отбелка целлюлозы (не во всех случаях);

7) сгущение целлюлозы  и ее сушка.

Наиболее существенными для решения вопросов, связанных с использованием сульфитного щелока, являются две операции: варка целлюлозы и отбор щелока. Они будут рассмотрены подробнее других.

Принципиальная схема производства сульфитной целлюлозы с учетом всех перечисленных операций приведена на рис. 99.

Подготовка древесины

Ель является основной породой древесины, применяющейся для производства сульфитной целлюлозы. Это объясняется большой длиной волокон у этой породы, необходимой для получения высокой механической прочности продукта, незначительной смолистостью и большой распространенностью. Иногда применяют лиственные породы: осину, тополь, бук. Однако такая целлюлоза обычно применяется в производстве бумаги в виде добавок к еловой целлюлозе, так как длина волокна у лиственных пород меньше, чем у хвойных.

Для производства целлюлозы древесина применяется только в окоренном виде. Окорка может быть осуществлена при заготовке баланса или перед непосредственным поступлением его в производство.

Поступающую на производство древесину на рубительных машинах измельчают в щепу длиной 15—20 и толщиной 4—6 мм. Так как рубительная машина не дает щепы одинакового разме - pa, необходимо ее отсортировать для удаления мелочи и более крупных частей, иначе мелкая щепа сварится быстрее крупной и даст перевар с уменьшенным выходом целлюлозы, в то время как слишком крупная щепа не успеет свариться и получится сорная неоднородная целлюлоза.

Приготовление варочной кислоты

Колчедан Рис. 99. Общая схема производства сульфитной целлюлозы

 

Отсортированную щепу элеватором или пневматически загружают в запасные хранилища — бункера, расположенные над варочными котлами. Емкость бункера должна соответствовать или быть больше объема варочного котла.

Приготовление варочной кислоты

Для сульфитной варки целлюлозы применяется варочная кислота, которую приготовляют непосредственно на каждом целлюлозном заводе в кислотном цехе.

Варочная кислота представляет собой водный раствор сернистого ангидрида и бисульфита кальция, т. е. в общем виде

S02 + Ca(HS03), + Н20.

Растворы сернистого ангидрида в воде можно рассматривать как нестойкую сернистую кислоту

H2S03 ^ So2 + Н20.

В то же время и бисульфит кальция может быть представлен как моносульфит CaS03 и сернистая кислота

Са (HSO,)2 ^ CaS03 - f H2S03.

Таким образом, состав варочной кислоты может быть изображен в следующем виде:

Бисульфит Моносульфит CaS03 + H5S03 + S02 + H20 связанный S05 свободный S02

Весь или общий S05

, Количество свободной  сернистой кислоты определяется  как сумма свободно растворенного SO2 плюс половина S02, связанного в бисульфите. Часть SO2, находящуюся в моносульфите, называют связанным S02. Поэтому составварочной кислоты всегда выражают не в процентном содержании H2S03 или Са (Н50з)2, а в виде содержания СаО (основания) и S02, причем S02 рассматривают как «весь» или «общий» S02, находящийся в растворе, независимо от наличия основания.

Содержание основания в расчете на СаО колеблется от 0,7 до 1,2%, чаще 0,9—1,0%'. Соответственно с этим, поскольку

CaS03 = СаО + SO, 120 = 56 + 64,

 

Содержание связанного S02 будет 0,8—1,35%, чаще 1,02—1,15%- Применяемая варочная кислота содержит общего S02 от 4 до 6%', а иногда и больше. Таким образом, свободного S02 в ней содержится 3—5%. Следует различать состав варочной кислоты, идущей непосредственно на варку, и сырой, или турменной, кислоты, приготовленной в кислотном цехе. Из варочных котлов в процессе варки сдувается значительное количество (свободного) не вступившего в реакцию S02. Эти сдувки поступают в сырую кислоту, нагревая ее и дополнительно насыщая SO2. Поэтому рабочая варочная кислота всегда будет крепче той, которая приготовлена в кислотном цехе. В последнее время промышленность переходит на варку в крепкой кислоте (до 10% общей S02).

Варочную кислоту получают в несколько стадий. Сначала при сжигании серы или серного колчедана получают сернистый ангидрид — газ. Его очищают от механических и некоторых химических примесей, после чего направляют на получение сырой кислоты путем поглощения его водой в присутствии известняка или извести, образующей бисульфит.