Способ получения целлюлозы

ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СфаетскмкСфцмалмстмческмкРеспублмк 1996579 ф Ъ.(22) Заявлено 23.07.80 (21) 2962460/29-,12с присоединением заявки Мо(23) ПриоритетОпубликовано 15,02.83, Бюллетень Мо 6Дата опубликовання описания 15,02,83 РМ Кз О 21 С 3/16 Государственный коннтет СССР но делан изобретений н открытий, 1(088,8 ) 72) Авторы нзобретени В,.И.Сорокин, Г,Г.Бакина, А.Ф.Личутин, В.В,Попов и В,Д.Кошкин енное объеди енньышленности есоюзное науч целлюлозно-бу производ жной про 1 Заявител(54 СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ к5 Изобретение относится к с получения целлюлозы иэ расти ного сырья и может найти прим в Целлюлозно-бумажной промышл и при производстве целлюлозы.Традиционные способы получения целлюлозы с применением азотной кислоты заключаются в двухступенчатой обработке сырья растворами химикатов - азотной кислотой на первой ступени варки и щелочью на второй ступени. Однако это длительный процесс, требующий значительного расхода химикатов, Для сокращения продолжительности процесса варки разрабатываются различные способы. Известен способ получения целлюлозы, в котором для интенсификации процесса применяют виброперемешива-. ние смеси щепы и раствора при амплитуде механических колебаний 0,5-2,0 мм и частоте 50 Гц. Возникающие при виброперемешивании колеба-. ния передаются раствору и щепе и ускоряют проникновение в капилляры древесной щепы, что дает воэможйость согратить продолжительность пропитки с четырех часов до получаса и исключить повреждение щепы 1 Недостатком этого способа является незначительное воздействие виброперемешивания на внутренние слои 5щепы а также необходимость проведеУния второй ступени варки, вследствиечего он оказался неэффективным,Известен способ азотнокислой вари, для интенсификации процессакоторого применяют раствор азотнойкислоты 8-20, а для уменьшения расхода едкого натра щепу после варки подвергают промывке при температуре не выше 90 С в течение 1120 мин Г 2).15 Недостатком такого способа такжеявляется малая эффективность, таккак процесс идет в две ступени итребует применения как кислоты, таки щелочи.Наиболее близким к изобретениюпо технической сущности и достигаемому результату является способ получения целлюлозы путем обработкиисходного целлюлозосодержащего сырья 25 раствором азотной кислоты при одновременном многократном механическом воздействии на сырье. Механическое воздействие заключается в циклическом прессовании сырья, осущест вляемом на стадиях пропитки и вар 996579ки под давлением 1-10 МПа, причем в каждом цикле прессования давление повышают в течение 0,2-1 мин и выдерживают при конечном давлении 0,5- 1,5 мин. При пропитке производят 4-х - 6-ти кратное циклическое прес сование под давлением 5,0-10,0 МПа, а при варке - 2-х - 4-х кратное прессование под давлением 3,0-6,0 МПа в начальных циклах с постепенным снижением давления до 1-2 МПа в конечных циклах. После снятия давления повторение цикла наступает через 11-7 мин. Пропитанное раствором азотной кислоты целлюлозосодержащее сырье после удаления избытка кислоты выдерживают при атмосферном давлении в течение 30-60 мин СЗ 3,Недостатками известного способа являются повреждение целлюлозных волокон в результате прессования и большой расход химикатов и энергии на обработку, Щепа подвергается прессованию без предварительного ориентирования ее относительно сжимающих поверхностей; вследствие чего сжатие щепы происходит как поперек волокон, так и в наиболее опасном с точки зрении повреждения волокон продольном направлении, Повреждение цепы происходит также в результате того, что для обеспечения равномерной пропиткн щепы при сравнительно небольшом количестве циклов сжатия необходимо настолько высокое усилие .сжатия, что целлюлозные волокна разрушаются, а проведение процесса требует болыаого расхода энергии.Цель изобретенная - уменьшение деструкции целлюлозы, сокращение расхода химикатов и продолжительности процесса.Поставленная цель достигается тем, что согласно способу получения целлюлозы путем обработки исходного целлюлоэосодержащего сырья раствором азотной кислоты при одновременном многократном механическом воздействии на сырье, механическое воздействие осуществляют сжатием сырья при его кратности 120-150000 и частоте 10-50 колебаний в секунду.Обработку проводят при 60-100 ОС и концентрации раствора азотной кислоты 12-22 в течение 0,2-5,0 мии.. Способ осуществляют следующим образом.Растительный материал и раствор азотной кислоты непрерывно подают в зазор между двумя металлическими поверхностями, одной иэ которых сообщают усилие, вынуждающее ее совершать колебательные движения с заданной частотой, Перемещаюцийся слой щепы подвергают многократному обжатию в растворе азотной кислоты. При частоте 10-15 механических колебаний в секунду эа время пребывания в зоне обработки 19300 с материал подвергается обжатию 100-15000 раэ, в результате чего происходит быстрое и равномерное насыщение его азотной кислотой, инициирующее йнтенсивное химическое взаимодействие азотной кислоты с компонентами растительного материала. За счет зкзотермическогохарактера готекающих прн этомокислительных реакций происхбдит10 саморазогревание реакционной массыи связанное с ним дополнительноеускорение процесса. При таком способе обрабОтки не только ускоряется проникновение азотной кислоты15 в древесную щепу, но и само механическое обжатие щепы облегчаетсяв результате того, что проникающаяв древесину азотная кислота, являясь высокореакционным окислителем20 лигнина, вызывает его деструкцию иослабление межволоконных связей в,древесине, повышение ее пластичности и, следовательно, облегчениеее механической обработки, т.е, эна 25 чительное сокращение расхода энергии на обработку. Оказываемое нащепу усилие в этом случае минимальное и, несмотря на многократностьповторения, не вызывает значитель 30 ных повреждений целлюлозных волокон,При этом механическое воздействие нацепу, осуществляемое при 60 -100 ОСв 12-22-ном растворе азотной кислоты служит не столько для равномерЗ 5 ной пропитки внутренних и наружныхслоев щепы, сколько для последовательного отделения отслаивания ) делигнифицированных и механически ослабленных слоев древесины. Открыва 40 юциеся при этом более глубокие слоидревесной щепы, в свою очередь, под-.вергаются воздействию раствора азот-.ной кислоты и процесс продолжаетсядо полного превращения щепы в волокнистый материал, Совместное воздей 45 стане многократно повторяеиюх механических усилий обжатия и химического воздействия азотной кислотыприводит к Тому, что содержащийсяв растительном материале лигнин50 окисляется и растворяется с большей скоростью, чем при обычной варке материала, равномерно пропитанно,го азотной кислотой,Происходящее при этом быстроерастворение межклеточного веществаи ослабление межволоконных связейв древесине приводит к разделениющепы на волокна без применения второй ступени варки - щелочной экст 60 ракции, т.е. к проведению варки водну ступеньП р и м е р 1. 0,5 кг осиновойщепы и 4 л азотной кислоты концентрацией 17,5 одновременно подают вЯ верхнюю часть полого корпуса, внут: 996579 рн которого с кольцевым зазором в 10 ьеч установлен ротор, которому придают круговые колебательные движения с частотой 25 колебаний в секунду Под действием силы тяжести щепа и раствор перемещаются вниз э кольцевом зазоре между наружной и внутренней рабоче поверхности аппарата, Совершающий круговые колебательные гэижения ротор. переда- ет .усилие на щепу, которая подвергается многократному механическому обжатию полностью н равномерно пропитываетсяазотной кислотой. Вданном опыте время обработки цепы 1,0 мин и, следовательно, количество циклов сжатия 1500, Обработанную щепу отделяют от избытка раствора кислоты и для завершения варки выдерживают в течение 30 мин э термоизолировайном сосуде (,термосе ). . К концу выдержки температура массы достигает 8 бфС. Полученную целлюлозу отделяют от отработанной кислоты, которую после-укрепления свежей кислотой используют в следующем .огыте, затем целлюлбэу проживают ;водой и подвергают сортированию на сцеже, Отбелку и сбртироэание полученйой небеленой целлюлозы проводят путем .обработки ее 5 ным раство,ром едкого натра в течение 1 ч при комнатной температуре. Расход . химикатов, выход и показатели цел- люлозы представлены в таблице.П р и м е р .2. 0,1 кг березовой щепы и 0,2 л 12-ного раствора азотной кислоты, приготовленного иэ отработанной кислоты, получен-. ной в примере 1, и свежей азотной кислоты загружают в закрытый сосуд, внутри которого помещен фторопласт .товый вкладыш; Сосуд установлен на трясучкепри работе которой вкла дыш за счет своей инерции перемещает ,ся внутри сосуда с частотой 50 колебаний в секунду, осуществляя много 0 автюющ а .в щае щтаа юаввщтщвю Показ атели(;цособ по примерам а в аа а ава т тв е а т та т а тев т тете а М т Известный Предлагаевый 3 юа ае те а тт 4 Осина Порода древесины Берез а Береза Осина 28 30 23 28 едкого натра длящелочной экстракции 20 0 О ттттющ еа веще в ает аРасход от исходнойабсолютно сухой дрет,весины, :1азотной кислоты кратное обжатие щепы в растворе кис. лоты. Продолжительность обработкищепы в сосуде.5 ьан, общее коли.чество циклов 15000,. а время дополни.тельной выдержки в тервГоизолирован ном сосуде 15 мин, После этого массу отделяют от избытка раствора иподвергают проьивке.н сортированию.,Отбелку и облагораживание целлюлозы проводят, как в примере 1, 5 ным раствором едкого натра. Данные по расходу химикатов, выходу и показателям целлюлозы представлены в таблице;П р и м е р 3. 0,7 кг осиновой щепы подвергают обработке, как в примере 1, в 22 ном растворе азотной кислоты при частоте колебанийротора 10 и продолжительности обработки 0,2 мин, что соответствует 2 О общему количеству циклов 120, Послеотделения избытка кислоты щепу обрабатывают, как -в примере 1, Результаты опыта помещены в таблице. П р и м е р 4. Для аравнения про"водят аэотнокислую варку березовойщепы иээестаам способом. Для этогоберезовую щепу пропаривают острымпаром в течение 15 мин и подвергаютпрессованию в 14 ном .растворе азотной кислоты при 50 С. Повьаиают давление прессования в течение 30 с до8 ИПа, выдерживают в течение 1 мин,"сбрасывают давление и выдерживают1 мнн. Прессование повторяют 5 раэпри пропитые щепы и 3 раза при давленни 7,5 и. 3 ИПа в процессе варкищепы, Затем массу промывают водойи .подвергают щелочной экстракции2 ным раствором едкого натра при 46 90-95 фС в течение 1 ч. После прсэнвки и сортирования массу подвергаютоблагораживанию 5-ным растворомедкоГо натра при комнатной температуре в течение 1 ч., Полученные ре- -.45 эультаты представлены э таблице. тютеавею ю атат а ееютта евтааатют ювтщтюща996579 Продолжение таблицы Способ по примерам ПоказателииПредлагаемый Известный едкого натра дляоблагораживания 20 20 20 20 Содержание альфа-целлюлозы, Ъ92,6 93,3 93,8 91,7 Выход облагороженнойцеллюлозы, Ъ 40,.1 42,6 41,9 38,6 Содержание пентоэанов, Ъ 4,62 4,08 4,30 5,40 Суммарная продолжи тельность пропитки и варки, мин 30 30 90 20 Формула изобретения 1Авторское 9 690101,.кл. О 2, Авторское 9 622909 кл. О 3. Авторское М 825745, кл, Освидетельство СССР21 С 3/16, 1975,свидетельство СССР21 С 3/16, 1976.свидетельство СССР21 С, 3/16, 1979 ВНИИПИ Заказ 879/44 Тираж 382 Подписное Филиал ППП "Патент", г,ужгород,ул.Проектная,4 Как следует иэ таблицы, облагораженная целлюлоза, полученная с применением многократного механи ческого обжатия щепы в растворе азотной кислоты по сравнению с полученной по известному способу, отличается более высоким содержанием альфа-целлюлозы, меньшим содержанием пентозанов и получена с меньшим ,расходом варочных химикатов и времени.Таким образом, многократное механическое обжатие растительного материала в растворе азотной кислоты 4 О по предлагаемому режиму дает возможность обеспечить быструю и равномерную пропитку материала азотной кислотой, повысить реакционную способность лигнина, за счет чего ускорить процесс делигнификации и провести варку в одну ступень, исключить расход едкого натра при варке, упростить варочное оборудование и повысить его производительность.Исключение расхода едкого натра 50 на варку 1 т целлюлозы за вычетом стоимости повышенного расхода азотной кислоты при варке по предлагаемому способу при годовой производительности 15 тыс.т целлюлозы обеспечивает зкономический эффект более 400 тыс, руб. 1. Способ получения целлюлозыпутем обработки исходного целлюлоэо-содержащего сырья раствором азотнойкислоты при одновременном многократном механическом воздействии на сырье, о т л и ч а ю щ и й с я тем,что, с целью уменьшения деструкциицеллюлозы, сокращения расхода химикатов и продолжительности процесса,механическое воздействие осуществляют обжатием сырья при его кратности120-15000 и частоте 10-50 колебаний в секунду,2. Способ по п,1, о т л и ч а -ю щ и й с я тем что обработку проводят при 60-100 С и концентрацииЬраствора азотной кислоты 12-22 Ъ втечение 0,2-5,0 мин,Источники информации,принятые во внимание при экспертизе