Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
International Paper : фабрика по производству крафт-бумаги
Щепа для производства бумаги

Крафт - процесс (также известный как крафт - варка целлюлоза или сульфат процесс ) [1] представляет собой способ превращения 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), известного как белый щелок , который разрушает связи, связывающие лигнин , гемицеллюлозу и целлюлозу.. Технология включает в себя несколько этапов, как механических, так и химических. Это основной метод производства бумаги. В некоторых ситуациях этот процесс вызывает споры, потому что крафт-заводы могут выделять пахучие продукты, а в некоторых случаях производить значительные жидкие отходы . [2] [3] [4]

История [ править ]

Предшественник процесса Крафт использовался во время наполеоновских войн в Англии. [5] [6] Крафт-процесс (названный так из-за превосходной прочности получаемой бумаги от немецкого слова Kraft для «прочности») был изобретен Карлом Ф. Далем в 1879 году в Данциге , Пруссия , Германия . Патент США 296 935 был выдан в 1884 году, а целлюлозный завод, использующий эту технологию, начал свою работу в Швеции в 1890 году. [7] Изобретение GH Tomlinson в начале 1930-х годов котла-утилизатора стало важной вехой в развитии крафт-процесса. [8]Это позволило извлекать и повторно использовать неорганические химикаты для варки целлюлозы, так что крафт-фабрика представляет собой процесс с почти замкнутым циклом в отношении неорганических химикатов, помимо тех, которые используются в процессе отбеливания. По этой причине в 1940-х годах крафт-процесс вытеснил сульфитный процесс в качестве основного метода производства древесной массы. [7]

Процесс [ править ]

Завод непрерывной крафт-целлюлозы

Пропитка [ править ]

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 стружка сначала поступает на предварительную обработку паром, где она смачивается и предварительно нагревается паром . Полости внутри свежей древесной щепы частично заполнены жидкостью, а частично - воздухом. Обработка паром заставляет воздух расширяться и около 25% воздуха удаляется из стружки. Следующий шаг - пропитать чипсы черным и белым щелоком.. Воздух, оставшийся в стружке в начале пропитки щелоком, задерживается внутри стружки. Пропитку можно проводить до или после того, как щепа поступает в варочный котел, и обычно ее проводят при температуре ниже 100 ° C (212 ° F). Варочные щелоки состоят из смеси белого щелока, воды в стружках, конденсированного пара и слабого черного щелока. При пропитке варочный раствор проникает в капиллярную структуру стружки, и начинаются низкотемпературные химические реакции с древесиной. Хорошая пропитка важна для однородного приготовления и низкого уровня брака. Около 40–60% всего потребления щелочи в непрерывном процессе приходится на зону пропитки.

Кулинария [ править ]

Затем древесную щепу готовят в емкостях под давлением, называемых варочными котлами. Некоторые варочные котлы работают в периодическом режиме, а некоторые - в непрерывном процессе. Существует несколько вариантов варки как для варочных котлов периодического действия, так и для варочных котлов непрерывного действия. Варочные котлы, производящие 1000 или более тонн целлюлозы в день, являются обычным явлением, при этом самые крупные производят более 3500 тонн в день. [9] В варочный котел непрерывного действия материалы подают со скоростью, позволяющей завершить реакцию варки целлюлозы к моменту выхода материалов из реактора. Обычно для делигнификации требуется несколько часов (1,5 часа) при температуре от 170 до 176 ° C (от 338 до 349 ° F). В этих условиях лигнин и гемицеллюлозаразлагаются с образованием фрагментов, растворимых в сильно щелочной жидкости. Твердая пульпа (около 50% от веса сухой древесной щепы) собирается и промывается. На этом этапе мякоть известна как коричневый бульон из-за ее цвета. Объединенные жидкости, известные как черный щелок (из - за его цвета), содержат лигнин фрагментов, углеводы от распада гемицеллюлозы, карбоната натрия , сульфата натрия и других неорганических солей.

чистая реакция при деполимеризации лигнина SH - (Ar = арил , 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. [8]

Процесс восстановления [ править ]

Избыток черного щелока содержит около 15% твердых веществ и концентрируется в многоступенчатом испарителе . После первой стадии черный щелок содержит около 20–30% твердых веществ. При этой концентрации канифоль мыло поднимается на поверхность и обезжиренное прочь. Собранное мыло перерабатывается в талловое масло . Удаление мыла улучшает процесс испарения более поздних эффектов.

Слабый черный щелок далее выпаривается до 65% или даже 80% твердых веществ («тяжелый черный щелок» [10] ) и сжигается в котле-утилизаторе для извлечения неорганических химикатов для повторного использования в процессе варки целлюлозы. Более высокое содержание твердых частиц в концентрированном черном щелоке увеличивает энергетическую и химическую эффективность цикла регенерации, но также дает более высокую вязкость и осаждение твердых частиц (засорение и засорение оборудования). [11] [12] Во время сгорания сульфат натрия восстанавливается до сульфида натрия органическим углеродом в смеси:

1. Na 2 SO 4 + 2 C → Na 2 S + 2 CO 2

Эта реакция аналогична термохимическому восстановлению сульфата в геохимии.

Расплавленные соли («расплав») из котла-утилизатора растворяются в технологической воде, известной как «слабая промывка». Эта технологическая вода, также известная как «слабый белый щелок», состоит из всех щелоков, 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 возникает из-за присутствия коллоидного сульфида железа. [13] Эта жидкость затем смешивается с оксидом кальция , который становится гидроксидом кальция в растворе, чтобы регенерировать белый щелок, используемый в процессе варки целлюлозы, посредством равновесной реакции ( показан Na 2 S, поскольку он является частью зеленого щелока, но в реакции не участвует):

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

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

3. CaCO 3 → CaO + CO 2

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

4. CaO + H 2 O → Ca (OH) 2

Комбинация реакций с 1 по 4 формирует замкнутый цикл относительно натрия, серы и кальция и является основной концепцией так называемого процесса каустизации, в котором карбонат натрия реагирует для регенерации гидроксида натрия .

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

Хотя котлы-утилизаторы, в которых используется изобретение Дж. Х. Томлинсона, широко используются с начала 1930-х годов, были предприняты попытки найти более эффективный процесс восстановления химикатов для приготовления пищи. Weyerhaeuser работает Chemrec первого поколение черный щелок , увлеченный поток газификатора успешно на своем Нью - Берн заводе в Северной Каролине , в то время как второй завод поколения работает в пилотном масштабе на Smurfit Kappa в заводе в Питео , Швеция . [15]

Дует [ править ]

Готовая вареная древесная щепа выдувается в сборный резервуар, называемый продувочным резервуаром, который работает при атмосферном давлении. При этом выделяется много пара и летучих веществ. Летучие компоненты конденсируются и собираются; в случае северных хвойных пород это в основном скипидар-сырец .

Скрининг [ править ]

Просеивание мякоти после варки - это процесс, при котором мякоть отделяется от крупных костяшек , сучков , грязи и другого мусора. Принять это мякоть. Материал, отделенный от пульпы, называется браком .

Секция грохочения состоит из различных типов сит (грохотов) и центробежной очистки. Сита обычно устанавливаются в многоступенчатом каскадном режиме, потому что значительное количество хороших волокон может попасть в поток отбракованных материалов при попытке достичь максимальной чистоты в потоке приема.

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

Стирка [ править ]

Небеленая масса после продувки поступает на стадии промывки, где использованные варочные растворы отделяются от целлюлозных волокон. Обычно целлюлозный завод имеет 3-5 ступеней промывки последовательно. Этапы промывки также размещаются после кислородной делигнификации и между этапами отбеливания. В машинах для промывки целлюлозы между ступенями используется противоток, так что пульпа движется в направлении, противоположном потоку промывных вод. При этом задействовано несколько процессов: сгущение / разбавление , вытеснение и диффузия . Коэффициент разбавленияпредставляет собой меру количества воды, используемой при промывке, по сравнению с теоретическим количеством, необходимым для вытеснения щелока из загустевшей целлюлозы. Более низкий коэффициент разбавления снижает потребление энергии, в то время как более высокий коэффициент разбавления обычно дает более чистую целлюлозу. Тщательная промывка пульпы снижает химическую потребность в кислороде ( ХПК ).

Используется несколько типов моечного оборудования:

  • Диффузоры давления
  • Атмосферные диффузоры
  • Вакуумные барабанные моечные машины
  • Барабанные вытеснители
  • Промывочные прессы

Отбеливание [ править ]

Основная статья: Отбеливание древесной массы

На современном заводе небеленый материал (волокна целлюлозы, содержащие примерно 5% остаточного лигнина), полученный при варке целлюлозы, сначала промывается для удаления некоторого количества растворенного органического материала, а затем делигнифицируется с помощью различных стадий отбеливания . [16]

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

Технологические химикаты [ править ]

Технологические химикаты добавляются для улучшения производственного процесса:

  • Вспомогательные средства для пропитки. Поверхностно-активные вещества могут использоваться для улучшения пропитки древесной щепы варочными растворами.
  • Антрахинон используется в качестве добавки к метантенку. Он работает как окислительно-восстановительный катализатор , окисляя целлюлозу и восстанавливая лигнин . Это защищает целлюлозу от разложения и делает лигнин более растворимым в воде. [17]
  • Разрушитель эмульсии может быть добавлен при отделении мыла для ускорения и улучшения отделения мыла от использованных варочных жидкостей путем флокуляции. [18]
  • Пеногасители удаляют пену и ускоряют производственный процесс. Осушение моечного оборудования улучшается и дает более чистую пульпу.
  • Диспергирующие агенты , разжижители липкости и комплексообразователи сохраняют систему в чистоте и сокращают необходимость в остановках для технического обслуживания.
  • Фиксирующие агенты фиксируют тонко диспергированные потенциальные вклады волокон и тем самым транспортировать его из процесса.

Сравнение с другими процессами варки целлюлозы [ править ]

Целлюлоза, полученная с помощью крафт-процесса, прочнее, чем пульпа , полученная с помощью других процессов варки целлюлозы, и поддерживает высокий эффективный коэффициент содержания серы (сульфидность), важный фактор, определяющий прочность бумаги. Кислотные сульфитные процессы разлагают целлюлозу больше, чем крафт-процесс, что приводит к более слабым волокнам. Крафт-обработка целлюлозы удаляет большую часть лигнина, изначально присутствующего в древесине, тогда как в процессе механической варки большая часть лигнина остается в волокнах. Гидрофобной природы лигнина [19] препятствует образованию из водородных связей между целлюлозы и гемицеллюлозы () в слоях , необходимых для прочности бумаги [7] ( предел прочности относится к прочности на разрыв и сопротивление разрыву).

Крафт-масса темнее других древесных масс, но ее можно отбелить, чтобы получить очень белую целлюлозу. Полностью беленая крафт-целлюлоза используется для производства высококачественной бумаги, для которой важны прочность, белизна и устойчивость к пожелтению.

В крафт-процессе можно использовать более широкий спектр источников волокна, чем в большинстве других процессов варки целлюлозы. Все виды древесины, в том числе очень смолистые типов , таких как южная сосна , [20] и видов недревесные как бамбук и кенафа могут быть использованы в процессе сульфатного.

Побочные продукты и выбросы [ править ]

Дополнительная информация: Воздействие бумаги на окружающую среду
Завод по переработке таллового масла Forchem в Рауме , Финляндия.

Основными побочными продуктами крафт-варки являются неочищенный сульфатный скипидар и талловое мыло. Их наличие сильно зависит от породы древесины, условий роста, времени хранения бревен и щепы и производственного процесса. [21] Сосна - самая плодородная древесина. Неочищенный скипидар летуч и отгоняется из варочного котла, в то время как сырое мыло отделяется от отработанного черного щелока путем декантации мыльного слоя, образованного поверх резервуаров для хранения щелока. У сосны средний выход скипидара составляет 5–10 кг / т целлюлозы, а сырого таллового масла - 30–50 кг / т целлюлозы. [21]

Различные побочные продукты, содержащие сероводород , метилмеркаптан , диметилсульфид , диметилдисульфид и другие летучие соединения серы, являются причиной выбросов в атмосферу с неприятным запахом, характерных для целлюлозных заводов, использующих крафт-процесс. [22] диоксид серывыбросы заводов по производству крафт-целлюлозы намного ниже, чем от сульфитных заводов. В окружающем воздухе за пределами типичного современного завода по производству крафт-целлюлозы запах диоксида серы ощущается только в аварийных ситуациях, например, когда завод останавливается на техническое обслуживание 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 заводах, где в котле-утилизаторе сжигают хорошо высушенные твердые частицы, из котла практически не выходит диоксид серы . При высоких температурах котла натрий, выделяющийся из капель черного щелока, реагирует с диоксидом серы, тем самым эффективно удаляя его, образуя кристаллы сульфата натрия без запаха .

Целлюлозные заводы почти всегда располагаются вблизи крупных водоемов из-за значительного спроса на воду. Делигнификация целлюлозы приводит к выбросу значительных количеств органических веществ в окружающую среду, особенно в реки или озера. Сточные воды также могут быть основным источником загрязнения, содержащего лигнины деревьев, высокую биологическую потребность в кислороде (БПК) и растворенный органический углерод (DOC), а также спирты , хлораты , тяжелые металлы и хелатирующие агенты. Технологические стоки можно обрабатывать на установке биологической очистки сточных вод , что может существенно снизить их токсичность. [23] [24]

См. Также [ править ]

Ссылки [ править ]

  1. ^ Название процесса происходит от немецкого Kraft , [1] что означает «прочность» в этом контексте из-за прочности крафт-бумаги, произведенной с использованием этого процесса. В литературе встречаются как заглавные, так и строчные буквы («крафт-процесс» и «крафт-процесс»), но «крафт-процесс» чаще всего используется в целлюлозно-бумажной промышленности .
  2. Перейти ↑ Hoffman, E., Lyons, J., Boxall, J., Robertson, C., Lake, CB, & Walker, TR (2017). Пространственно-временная оценка (четверть века) отложений, загрязненных металлом целлюлозного завода (лоид), для принятия обоснованных решений по реабилитации. Экологический мониторинг и оценка, 189 (6), 257.
  3. ^ Хоффман, Е., Берниер, М., Blotnicky, Б., Золотой, П., Джейнс J., Кадер, А., ... & Walker, TR (2015). Оценка общественного мнения и соблюдения экологических требований на целлюлозно-бумажном предприятии: пример из Канады. Экологический мониторинг и оценка, 187 (12), 766.
  4. ^ Рудольф Патт и др. «Бумага и целлюлоза» в энциклопедии промышленной химии Ульмана 2002 г., Wiley-VCH, Weinheim. DOI : 10.1002 / 14356007.a18_545.pub4
  5. ^ "Производство целлюлозы и бумаги" . 1969 г.
  6. ^ http://www.kraftpulpingcourse.knowledgefirstwebsites.com/f/kraft_pulping.pdf
  7. ^ a b c Бирманн, Кристофер Дж. (1993). Основы варки целлюлозы и производства бумаги . Сан-Диего: Academic Press, Inc. ISBN 0-12-097360-X.
  8. ^ а б Э. Сьёстрём (1993). Химия древесины: основы и приложения . Академическая пресса . ISBN 0-12-647480-X.
  9. ^ Вудман, Джоселин (1993). «Технологии предотвращения загрязнения для сегмента беленой крафт-бумаги в целлюлозно-бумажной промышленности США (см. Стр. 66)» (PDF) . Агентство по охране окружающей среды США . Проверено 11 сентября 2007 .
  10. ^ «Оборудование для обработки тяжелого черного щелока» . Архивировано из оригинала на 2005-04-20 . Проверено 9 октября 2007 .
  11. ^ Hsieh, Джеффри S .; Смит, Джейсон Б. «Масштабирование черного щелока с критическими твердыми веществами» (PDF) . Целлюлозно-бумажная промышленность, Школа химической инженерии, Технологический институт Джорджии. Архивировано из оригинального (PDF) 31 августа 2011 года . Проверено 9 октября 2007 .
  12. ^ США предоставил 5527427 , Муалль Berksoy & Йаман Boluk, «Высокие твердых частицы черного щелок пониженной вязкости и способ снижения вязкости для высокого содержания сухого остатка черного щелока», выдан 1996-06-18, присвоены Optima Specialty Chemicals & Technology Inc 
  13. ^ Giddings, JF, Ролл, DR, Cappellino, CA, День, М., Nardone Р.А. (2008). «12.12.4.». В Карасике, И .; Мессина, Дж .; Cooper, P .; Хилд, К. (ред.). Справочник по насосам (4-е изд.). Нью-Йорк: Макгроу Хилл. ISBN 9780071460446. Проверено 21 февраля 2013 года . CS1 maint: не рекомендуется параметр ( ссылка ) CS1 maint: использует параметр авторов ( ссылка )
  14. ↑ Джеффрис, Том (27 марта 1997 г.). «Крафт-варка: потребление энергии и производство» . Биотехнологический центр Университета Висконсина [2] . Архивировано из оригинального 28 сентября 2011 года . Проверено 21 октября 2007 . Внешняя ссылка в |publisher=( помощь )
  15. ^ "Веб-сайт Chemrec" . Архивировано из оригинала на 2012-07-09 . Проверено 7 января 2011 .
  16. ^ «Экологическое сравнение технологий производства беленой крафт-целлюлозы» (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 18 декабря 2004 года . Проверено 28 сентября 2007 .
  17. ^ Гоял, Гопал C. (1997). Антрахиноновая целлюлоза. Антология опубликованных статей TAPPI Press, 1977–1996 . Атланта: TAPPI Press. ISBN 0-89852-340-0.
  18. ^ «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 05 марта 2012 года . Проверено 19 декабря 2008 . CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка )
  19. ^ Hubbe, Мартин а .; Лучиан А. Люсия (2007). «Отношения« любовь-ненависть »присутствуют в лигноцеллюлозных материалах» . Биоресурсы . 2 (4): 534–535 . Проверено 3 февраля 2015 .
  20. ^ "Южные сосны" (PDF) . Министерство сельского хозяйства США. 1985 . Проверено 13 сентября 2007 .
  21. ^ a b Стениус, Пер, изд. (2000). «2». Химия лесных товаров . Бумажная наука и технология. 3 . Хельсинки, Финляндия: Fapet OY. С. 73–76. ISBN 952-5216-03-9..
  22. ^ Хоффман, Е., Гернси, JR, Уокер, ТР, Ким, JS, Sherren, К., & Андреу, P. (2017). Пилотное исследование по изучению выбросов токсичных веществ в атмосферный 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.
  23. ^ Хоффман, Е., Берниер, М., Blotnicky, Б., Золотой, П., Джейнс J., Кадер, А., ... & Walker, TR (2015). Оценка общественного мнения и соблюдения экологических требований на целлюлозно-бумажном предприятии: пример из Канады. Экологический мониторинг и оценка, 187 (12), 766.
  24. Перейти ↑ Hoffman, E., Lyons, J., Boxall, J., Robertson, C., Lake, CB, & Walker, TR (2017). Пространственно-временная оценка (четверть века) отложений, загрязненных металлом целлюлозного завода (лоид), для принятия обоснованных решений по реабилитации. Экологический мониторинг и оценка, 189 (6), 257.

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Гуллихсен, Йохан; Карл-Йохан Фогельхольм (2000). Бумажная наука и технология: 6. Химическая варка целлюлозы . Финляндия: Tappi Press. ISBN 952-5216-06-3.

Внешние ссылки [ править ]

  • Pulp and Paper Circle предоставляет отраслевую информацию (особенно Kraft Mills) инженерам и технологам целлюлозно-бумажной промышленности.
  • Статья Агентства по охране окружающей среды США о варке крафт-целлюлозы
  • Справочный документ Европейской комиссии по наилучшим доступным технологиям в целлюлозно-бумажной промышленности, 2001 г.