книги / Технология сульфатной целлюлозы

УДК 676.164 Т 343

Рецензенты:

канд. техн. наук, доцент О.А. Носкова (Пермский национальный исследовательский политехнический университет);

канд. техн. наук, доцент Д.Р. Нагимов (ЗАО «КАРБОКАМ», г. Пермь)

Теплоухова, М.В.

Т343 Технология сульфатной целлюлозы : учеб. пособие / М.В. Теплоухова. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2021. – 55 с.

ISBN 978-5-398-02478-4

Изложены теоретические основы технологии получения сульфатной целлюлозы, а также порядок приготовления и методики анализа варочного раствора для сульфатной варки, порядок проведения сульфатной варки в лабораторных условиях, анализ сульфатной целлюлозы, методики анализа черного щелока.

Предназначено для студентов очного и заочного обучения по направлению бакалавриата 18.03.01 «Химическая технология» (профиль «Ресурсосберегающие технологии целлюлозно-бумажного производства») и направлению магистратуры 18.04.01 «Химическая технология (программы «Химическая технология целлюлознобумажного производства) в соответствии с тематикой исследования.

УДК 676.164

3

ВВЕДЕНИЕ

Сульфатный способ является наиболее распространенным способом варки целлюлозы в мире (вторым по значимости является сульфитный способ, относящийся к кислотным).

Распространенность данного способа обусловлена его достоинствами, к которым относятся:

−возможность использования древесины хвойных и лиственных пород, включая высокосмолистые породы древесины, а также однолетние растения – тростник, солому;

−85 % химикатов, используемых для варки, регенерируются, обеспечивая небольшой расход свежих химикатов;

−за счет сжигания упаренного щелока и утилизации выделяющегося тепла происходит самообеспечение производства технологическим паром и электроэнергией на 75 %;

−высокая прочность получаемой целлюлозы;

−меньшая продолжительность процесса варки по сравнению

ссульфитной варкой, что повышает производительность варочной установки;

−использование, как правило, непрерывной варки позволяет применять автоматизированные системы управления технологическим процессом.

Однако сульфатному способу присущи следующие недостатки:

− выход целлюлозы после варки на 2−4 % меньше, чем

усульфитной целлюлозы при одинаковой степени делигнификации;

−образование дурнопахнущих газов (метилмеркаптан, сероводород);

−полученная целлюлоза имеет более темный цвет и труднее отбеливается в сравнении с сульфитной целлюлозой.

Основными видами сульфатной целлюлозы, используемыми в производстве бумаги и картона, а также для химической переработки, являются: целлюлоза хвойная небеленая; целлюлоза хвойная бе-

4

леная; целлюлоза сульфатная беленая из лиственных пород древесины; целлюлоза сульфатная предгидролизная.

Основные отечественные производители товарной сульфатной целлюлозы: ОАО «Целлюлозный завод „Питкяранта“» (г. Питкяранта, Республика Карелия), ОАО «Марийский ЦБК» (г. Волжск, Республика Марий Эл), ОАО «Архангельский ЦБК» (г. Новодвинск, Архангельская область), ОАО «Монди Сыктывкарский ЛПК», филиал «ОАО Группа Илим» (г. Коряжма, Архангельская область), филиал «ОАО Группа Илим» (г. Усть-Илимск, Иркутская область), филиал «ОАО Группа Илим» (г. Братск, Иркутская область).

Помимо перечисленных предприятий, производством целлюлозы сульфатной для собственных нужд занимаются ОАО «Сегежский ЦБК» (г. Сегежа, Республика Карелия), ЗАО «Интернейшнл Пейпер» (г. Светогорск, Ленинградская область), ОАО «Монди Сыктывкарский ЛПК» (г. Сыктывкар, Республика Коми).

1. СВОЙСТВА ЩЕЛОЧНОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ

Сульфатная варка целлюлозы осуществляется при высокой щелочности варочного раствора и высокой температуре. В результате получается целлюлоза, свойства которой отличаются от свойств сульфитной целлюлозы, получаемой в кислой среде.

Сульфатная целлюлоза в сравнении с сульфитной целлюлозой одинаковой степени провара характеризуется большим содержанием α-целлюлозы, пентозанов, но меньшими показателями реакционной способности, степени полимеризации, вязкости, медного числа, степени набухания.

При одинаковой степени провара сульфатная целлюлоза имеет более низкий выход из одной древесины. Меньший выход сульфатной целлюлозы после варки свидетельствует о меньшей избирательности этого процесса. В основном разница в выходе объясняется лучшей растворимостью в щелочной среде легкогидролизуемых полисахаридов, содержание которых в сульфатной целлюлозе всегда

5

ниже, чем в сульфитной целлюлозе. При этом сульфатная целлюлоза отличается высоким содержанием устойчивых пентозанов, которые не растворяются при щелочной варке.

Различие в свойствах и поведении сульфатной и сульфитной целлюлозы объясняется разным расположением в клеточной стенке волокна основных компонентов древесины. У сульфатной целлюлозы лигнин и гемицеллюлозы распределены равномерно по толщине клеточной стенки и менее доступны действию реагентов, что объясняет трудность отбелки, низкие показатели реакционной способности и набухания, а также трудность размола данного вида целлюлозы. У сульфитной целлюлозы остаточный лигнин и гемицеллюлозы сосредоточены в наружных слоях вторичной оболочки, что обеспечивает их большую доступность механическому и химическому воздействию.

Трудность размола сульфатной целлюлозы также связывают с лучшим сохранением волокна при щелочной варке – на их поверхности меньше микротрещин.

Различие в свойствах сульфатной и сульфитной целлюлозы объясняют также разницей остаточных гемицеллюлоз. Сульфатная целлюлоза содержит больше глюкуроноксилана, галактозы, арабинозы и меньше глюкоманана.

Сульфатная целлюлоза характеризуется лучшими бумагообразующими свойствами, ее волокна меньше укорачиваются при размоле и образуют более плотную и непрозрачную бумагу.

Бумага, изготовленная из волокон сульфатной целлюлозы, более термостойка, долговечна, обладает высокими показателями диэлектрических свойств и механической прочности, особенно сопротивление разрыву, раздиранию и прочность на излом. Высокие показатели механической прочности объясняются лучшей гибкостью волокон, лучшим сцеплением между волокнами и большей площадью контактов, которые возникают при отливе бумажного листа.

К основным показателям целлюлозы относятся содержание лигнина (используются термины «степень делигнификации», «число Каппа», «степень провара», «жесткость»), пентозанов, смол и жиров,

6

вязкость, степень полимеризации, медное число, белизна (для беленых целлюлоз), сорность, а также показатели механической прочности (разрывная длина, прочность на излом, сопротивление раздиранию и продавливанию).

2. ОБЛАСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СУЛЬФАТНОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ

Сульфатная целлюлоза является универсальным полуфабрикатом и используется в производстве различных видов бумаги и картона, а также для химической переработки с целью получения искусственных волокон (вискозных, ацетатных, кордовых), лаков, красок, пленок и другой продукции.

Целлюлоза, предназначенная для производства бумаги, характеризуется бумагообразующими свойствами – т.е. способностью к размолу, развитию в процессе размола механических прочностных характеристик бумажного листа, его непрозрачностью, белизной, отсутствием сора и т.п.

Целлюлоза высокого выхода (выход после варки составляет ~55 %) используется для изготовления прочных тароупаковочных видов бумаги и картона.

Целлюлоза c выходом после варки ~ 50 % и числом Каппа ~ 40 используется для производства мешочной, упаковочной и некоторых технических видовбумаги, бумажного шпагатаи др. продукции.

При выходе ~ 45 % и числе Каппа ~ 30 небеленая сульфатная целлюлоза применяется для производства электротехнического картона, кабельной, телефонной и конденсаторной бумаги.

Полубеленая сульфатная целлюлоза (белизна 65–70 %) используется в производстве бумаги и картона для упаковки молочных продуктов и др.

Целлюлоза, отбеленная до белизны 85 % и выше, применяется для производства белых видов бумаги (офисной, книжно-журналь- ной, типографской, мелованной и других видов бумаги).

7

Предгидролизная сульфатная хвойная целлюлоза (выход ~35 %) после отбелки и облагораживания используется для химической переработки. Целлюлоза для химической переработки должна быть химически чистой (содержать мало примесей) и характеризуется такими показателями, как вязкость, степень полимеризации, растворимость и др.

3. ОБЩАЯ СХЕМА ПРОИЗВОДСТВА СУЛЬФАТНОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ

Технологическую схему производства сульфатной целлюлозы (рис. 1) условно можно разделить на три блока: подготовка древесины, получение целлюлозы, регенерация химикатов.

Рис. 1. Общая схема сульфатцеллюлозного производства

8

Подготовка древесины к варке

Подготовка древесины включает следующие операции: приемку сырья на лесной бирже, распиловку длинномерной древесины на слешере, окорку баланса в корообдирочных барабанах, рубку щепы в рубительных машинах, сортирование щепы на сортировках.

Отсортированная щепа длиной 15–25 мм и толщиной 3–5 мм подается на варку целлюлозы в варочный цех.

Получение целлюлозы

Получение целлюлозы включает следующие операции: варку целлюлозы в котле, отделение отработанного варочного раствора (черного щелока) и промывку целлюлозы, очистку и сортирование целлюлозы, отбелку целлюлозы (в том случае, когда на предприятии производят беленую целлюлозу).

Сульфатная варка целлюлозы – это химический процесс обработки растительного сырья (древесной щепы, тросниковой, соломенной сечки и др.) варочным раствором (белым щелоком), осуществляемый в варочных аппаратах при высокой температуре (150–175 °С) и высоком давлении (0,8–1,2 МПа) в течение 3–6 ч.

Целью варки является удаление лигнина из древесины и получение целлюлозного волокна. Варка целлюлозы может осуществляться как периодическим, так и непрерывным способом в варочных установках периодического и непрерывного действия соответственно.

При периодическом способе в котел периодически загружают щепу, заливают белый щелок (свежий варочный раствор), к которому добавляют черный щелок (отработанный варочный раствор). Варку проводят в соответствие с графиком варки (рис. 2).

Температуру в варочном котле поднимают до конечного значения путем нагрева щелока в подогревателе, обогреваемом паром. При этом щелок циркулирует между котлом и подогревателем. На конечной температуре осуществляют стоянку, то есть выдерживают котел при постоянной температуре в течение определенного времени, необходимого для получения заданных свойств целлюлозы. В конце варки давление в котле снижают до 0,4–0,5 МПа и целлюлозу вместе с черным щелоком выдувают в выдувной резервуар.

9