Крафт-процесс - Kraft process

International Paper: Фабрика по производству крафт-бумаги
Щепа для производства бумаги

В крафт процесс (также известный как крафт-варка или же сульфатный процесс)[1] это процесс преобразования дерево в древесная масса, состоящий из почти чистых целлюлоза волокна, основной компонент бумага. Крафт-процесс подразумевает обработку древесной щепы горячей смесью воды, едкий натр (NaOH) и сульфид натрия (Na2S), известный как белый щелок, который разрывает узы, связывающие лигнин, гемицеллюлоза, и целлюлоза. Технология включает в себя несколько этапов, как механических, так и химических. Это основной метод производства бумаги. В некоторых ситуациях этот процесс был спорным, потому что крафт-заводы могут выделять пахучие продукты, а в некоторых случаях производить значительное количество жидкости. отходы.[2][3][4]

История

Предшественник крафт-процесса использовался во время Наполеоновские войны в Англии.[5][6] Крафт-процесс (названный так из-за превосходной прочности получаемой бумаги от немецкого слова Крафт для 'силы') был изобретен Карл Ф. Даль в 1879 г. Данциг, Пруссия, Германия. Патент США 296935 был выпущен в 1884 году, а целлюлозный завод, использующий эту технологию, начал свою работу в Швеция в 1890 г.[7] Изобретение котел-утилизатор Дж. Х. Томлинсоном в начале 1930-х годов стал 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 почти с 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 как преобладающий метод производства древесной массы.[7]

Процесс

Завод непрерывной крафт-целлюлозы

Пропитка

Общий щепки используемые в производстве целлюлозы, имеют длину 12-25 миллиметров (0,47-0,98 дюйма) и толщину 2-10 миллиметров (0,079-0,394 дюйма). Фишки обычно сначала попадают в перед паром где они смачиваются и предварительно нагреваются пар. 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 чернить и белый щелок. 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 щепы, 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.

Готовка

Затем древесную щепу варят в емкостях под давлением, называемых варочными котлами. Некоторые варочные котлы работают в периодическом режиме, а некоторые - в непрерывном процессе. Существует несколько вариантов процессов 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, причем самые большие 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 гемицеллюлоза разлагаются с образованием фрагментов, растворимых в сильно щелочной жидкости. Твердая пульпа (около 50% от веса сухой древесной щепы) собирается и промывается. На данный момент пульпа известна как коричневый запас из-за своего цвета. Комбинированные жидкости, известные как черный щелок (из-за его цвета), содержат фрагменты лигнина, углеводы от распада гемицеллюлозы, карбонат натрия, сульфат натрия и другие неорганические соли.

чистая реакция при деполимеризации лигнина SH− (Ar = арил, R = алкил группы).

Одной из основных химических реакций, лежащих в основе крафт-процесса, является разрыв эфирных связей нуклеофильный сульфид (S2−) или же бисульфид (HS−) ионы.[8]

Процесс восстановления

Избыток черного щелока содержит около 15% твердых веществ и концентрируется в многоэффектный испаритель. После первой стадии черный щелок содержит около 20-30% твердых веществ. При этой концентрации канифоль мыло поднимается на поверхность и снятый выключенный. 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 сгорел в котел-утилизатор для восстановления 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 (закупорка и засорение оборудования).[11][12] При горении сульфат натрия уменьшенный до сульфида натрия органическим углеродом в смеси:

1. Na2ТАК4 + 2 C → Na2S + 2 CO2

Эта реакция похожа на термохимическое восстановление 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 зеленый ликер выпадает в осадок. Полученный раствор карбоната натрия и сульфида натрия известен как «зеленый щелок», хотя точно неизвестно, что вызывает зеленый цвет щелока. Эта жидкость смешана с оксид кальция, который становится гидроксид кальция в растворе, чтобы регенерировать белый щелок, используемый в процессе варки целлюлозы, посредством равновесной реакции (Na2S показан, поскольку он входит в состав зеленого щелока, но не участвует в реакции):

2. Na2CO3 + Са (ОН)2 ← → 2 NaOH + CaCO3

Карбонат кальция осаждается из белого щелока и восстанавливается и нагревается в печь для обжига извести где он конвертируется в оксид кальция (Лайм).

3. CaCO3 → CaO + CO2

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

4. CaO + H2О → Са (ОН)2

Комбинация реакций с 1 по 4 образуют замкнутый цикл относительно натрия, серы и кальция и является основной концепцией так называемого процесса каустизации, в котором карбонат натрия реагирует на регенерацию едкий натр.

Котел-утилизатор также вырабатывает пар высокого давления, который подается в турбогенераторы, снижая давление пара для использования в мельнице и генерируя 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.[13] Кроме того, остатки коры и древесины часто сжигаются в отдельном энергетическом котле для производства пара.

Хотя котлы-утилизаторы, использующие G.H. Изобретение Томлинсона широко используется с начала 1930-х годов. Были предприняты попытки найти более эффективный способ восстановления химикатов для приготовления пищи. Weyerhaeuser действовал Chemrec первое поколение черный щелок газификатор с увлеченным потоком успешно на своем Нью-Берн посадить в Северная Каролина, а установка второго поколения запущена в пилотном масштабе на Смурфит Каппа посадить в Питео, Швеция.[14]

Дует

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 вещества конденсируются и собираются; в случае северных хвойные породы это в основном сырые скипидар.

Скрининг

Просеивание пульпы после варки - это процесс, при котором пульпа отделяется от крупных дрожь, узлы, грязь и другой мусор. В принимать это мякоть. Материал, отделенный от пульпы, называется отклонять.

Раздел скрининга состоит из разных типов сита (грохоты) и центробежная очистка. Сита обычно устанавливаются в многоступенчатом каскаде, 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, а содержание костры составляет около 0,1–1,0%.

Мойка

Небеленая масса после продувки поступает на стадии промывки, где использованные варочные растворы отделяются от целлюлозных волокон. Обычно на целлюлозном заводе имеется 3-5 ступеней промывки последовательно. Этапы промывки также размещаются после кислородной делигнификации и между этапами отбеливания. В промывателях целлюлозы между ступенями используется противоток, так что пульпа движется в направлении, противоположном потоку промывных вод. При этом задействовано несколько процессов: утолщение / разбавление, смещение и распространение. В коэффициент разбавления представляет собой меру количества воды, используемой при промывании, 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 пульпу. Тщательная промывка пульпы снижает химическую потребность в кислороде (COD ).

Используется несколько типов моечного оборудования:

  • Диффузоры давления
  • Атмосферные диффузоры
  • Вакуумные барабанные мойки
  • Барабанные вытеснители
  • Промывочные прессы

Отбеливание

Основная статья: Отбеливание древесной массы

На современном заводе небеленый материал (целлюлозные волокна, содержащие примерно 5% остаточного лигнина), полученный при варке целлюлозы, сначала промывается для удаления некоторого количества растворенного органического материала, а затем делигнифицируется различными отбеливание этапы.[15]

В случае установки, предназначенной для производства целлюлозы для изготовления коричневой мешочной бумаги или подкладочного картона для коробок 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

Технологические химикаты добавляются для улучшения производственного процесса:

Сравнение с другими процессами варки целлюлозы

Мякоть, произведенная крафт-процессом, прочнее, чем у других процессы варки целлюлозы и поддерживает высокое эффективное соотношение серы (сульфидность), что является важным фактором, определяющим прочность бумаги. Кислая сульфитные процессы разлагают целлюлозу сильнее, чем крафт-процесс, что приводит к более слабым волокнам. Крафт-варка удаляет большую часть лигнина, изначально присутствующего в древесине, тогда как процессы механической варки оставляют большую часть лигнина в волокнах. В гидрофобный природа лигнина[18] мешает формированию водородные связи между целлюлозой (и гемицеллюлозой) в волокнах, необходимых для прочности бумаги[7] (сила относится к предел прочности 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, 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. Все породы дерева, в том числе очень смолистые, например южные. сосна,[19] и недревесные породы, такие как бамбук и кенаф можно использовать в крафт-процессе.

Побочные продукты и выбросы

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

Основными побочными продуктами крафт-варки являются неочищенный сульфат. скипидар и талловое масло мыло. Их наличие сильно зависит от породы древесины, условий роста, времени хранения бревен и щепы и производственного процесса.[20] Сосны самые добывающие богатые леса. Необработанный скипидар летучий и отгоняется из варочного котла, а сырой мыло отделяется от потраченного черный щелок к декантация мыльного слоя, образованного поверх резервуаров для хранения щелока. Из сосны средний выход скипидара составляет 5–10 кг / т целлюлозы, а сырого таллового масла - 30–50 кг / т целлюлозы.[20]

Различные побочные продукты, содержащие сероводород, метилмеркаптан, диметилсульфид, диметилдисульфид, и другие летучие сера соединения являются причиной зловонных выбросов в атмосферу, характерных для целлюлозные заводы используя крафт-процесс.[21] В диоксид серы выбросы 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, практически нет диоксид серы выходит из котла. При высоких температурах котла натрий, выделяющийся из капель черного щелока, вступает в реакцию с диоксидом серы, эффективно удаляя его, образуя без запаха. сульфат натрия кристаллы.

Целлюлозные заводы почти всегда располагаются вблизи крупных водоемов из-за значительного спроса на воду. Делигнификация целлюлозы приводит к выбросу значительного количества органических материалов в окружающую среду, особенно в реки или озера. Сточные воды также могут быть основным источником загрязнения, так как они содержат лигнины с деревьев в больших количествах. биологическая потребность в кислороде (BOD) и растворенный органический углерод (DOC) вместе с спирты, хлораты, тяжелые металлы и хелатирующий агенты. Технологические стоки можно обрабатывать в биологических установка очистки сточных вод, что может существенно снизить их токсичность.[22][23]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Название процесса происходит от немецкого Крафт,[1] что означает "сила" в этом контексте из-за силы картон производится с использованием этого процесса. В литературе встречаются как заглавные, так и строчные буквы («крафт-процесс» и «крафт-процесс»), но «крафт» чаще всего используется в целлюлозно-бумажная промышленность.
  2. ^ Хоффман, Э., Лайонс, Дж., Боксалл, Дж., Робертсон, К., Лейк, К. Б., и Уокер, Т. Р. (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, Э., Бернье, М., Блотники, Б., Голден, П. Г., Джейн, Дж., Кадер, А., ... и Уокер, Т. Р. (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. Дои:10.1002 / 14356007.a18_545.pub4
  5. ^ «Целлюлозно-бумажное производство». 1969.
  6. ^ http://www.kraftpulpingcourse.knowledgefirstwebsites.com/f/kraft_pulping.pdf
  7. ^ а б 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. Шёстрём (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. Получено 2007-09-11.
  10. ^ «Оборудование для обработки тяжелого черного щелока». Архивировано из оригинал на 2005-04-20. Получено 2007-10-09.
  11. ^ Hsieh, Jeffery S .; Смит, Джейсон Б. «Второе образование отложений черного щелока с критическим содержанием твердых веществ» (PDF). Целлюлозно-бумажная промышленность, Школа химического машиностроения, Технологический институт Джорджии. Архивировано из оригинал (PDF) на 2011-08-31. Получено 2007-10-09.
  12. ^ США предоставили 5527427, Mualla Berksoy & Yaman Boluk, "Черный щелок с высоким содержанием сухого остатка с пониженной вязкостью и метод снижения вязкости для черного щелока с высоким содержанием сухого остатка", выпущенный 18 июня 1996 г., передан Optima Specialty Chemicals & Technology Inc. 
  13. ^ Джеффрис, Том (27 марта 1997 г.). «Крафт-варка: потребление энергии и производство». Биотехнологический центр Университета Висконсина [2]. Архивировано из оригинал 28 сентября 2011 г.. Получено 2007-10-21. Внешняя ссылка в | publisher = (помощь)
  14. ^ «Интернет-сайт Chemrec». Архивировано из оригинал на 2012-07-09. Получено 2011-01-07.
  15. ^ «Экологическое сравнение технологий производства беленой крафт-целлюлозы» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) 18 декабря 2004 г.. Получено 2007-09-28.
  16. ^ Гоял, Гопал С. (1997). Антрахиноновая целлюлоза. Антология опубликованных статей TAPPI Press, 1977-1996 гг.. Атланта: TAPPI Press. ISBN  0-89852-340-0.
  17. ^ «Архивная копия» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) на 2012-03-05. Получено 2008-12-19.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)
  18. ^ Hubbe, Martin a .; Лучиан А. Люсия (2007). "Отношения" любовь-ненависть "присутствуют в лигноцеллюлозных материалах". Биоресурсы. 2 (4): 534–535. Получено 2015-02-03.
  19. ^ "Южные сосны" (PDF). Министерство сельского хозяйства США. 1985 г.. Получено 2007-09-13.
  20. ^ а б 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..
  21. ^ Хоффман, Э., Гернси, Дж. Р., Уокер, Т. Р., Ким, Дж. С., Шеррен, К., и Андреу, П. (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 исследованиях загрязнения, 24 (25), 20685-20698.
  22. ^ Хоффман, Э., Бернье, М., Блотники, Б., Голден, П. Г., Джейн, Дж., Кадер, А., ... и Уокер, Т. Р. (2015). Оценка общественного мнения и соблюдения экологических требований на целлюлозно-бумажном предприятии: пример из Канады. Экологический мониторинг и оценка, 187 (12), 766.
  23. ^ Хоффман, Э., Лайонс, Дж., Боксалл, Дж., Робертсон, К., Лейк, К. Б., и Уокер, Т. Р. (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

  • Гуллихсен, Йохан; Карл-Йохан Фогельхольм (2000). Наука и технологии производства бумаги: 6. Химическая варка целлюлозы.. Финляндия: Tappi Press. ISBN  952-5216-06-3.

внешняя ссылка