ES2205894T3 - Procedimiento para fabricar una suspension de celulosa. - Google Patents

Abstract

Procedimiento para fabricar de manera continua una suspensión de celulosa en N-metilmorfolina-N-óxido hidratado, caracterizado porque (a) se transporta la celulosa en ausencia de N- metilmorfolina-N-óxido, y homogeneizando, a través de un primera zona de cizallamiento y (b) la celulosa homogeneizada, después de la adición de tanto N-metil-morfolina N-óxido hidratado que después de la mezcla resulta una suspensión con un contenido en N- metilmorfolina-N-óxido en fase líquida en el dominio del 70 al 80 % en masa, es transportada a través de una segunda zona de cizallamiento, con lo que la celulosa o la suspensión llena esencialmente por completo la sección transversal de transporte disponible de las zonas de cizallamiento.

Description

Procedimiento para fabricar una suspensión de celulosa.

La invención se refiere a un procedimiento para fabricar de manera continua una suspensión de celulosa en N-metilmorfolina-N-óxido hidratado. Esta suspensión puede convertirse térmicamente en una disolución de celulosaa, que mediante conformación regeneración puede transformarse en cuerpos de moldeo de celulosa tales como fibras, filamentos y láminas.

Se sabe fabricar una suspensión de celulosa en N-metilmorfolina-N-óxido hidratado, mezclando la celulosa desmenuzada directamente con el N-metilmorfolina-N-óxido (NMMO) hidratado. Según el documento WO 96/33221, la celulosa se mezcla en un mezclador estratificado anular con MMO hidratado, por ejemplo al 75% de masa. La suspensión formada se disuelve en un agitador de película. La desventaja con el mezclador de capas anular es que sólo puede utilizarse una celulosa desmenuzada, esencialmente seca. Si, por el contrario, la celulosa está hidratada, a causa, por ejemplo, de un tratamiento previo, la formación de capas en el mezclador y la mezcla con la disolución de NMMO añadida por separado resulta más difícil, toda vez que el campo de cizallamiento del mezclador de capas es limitado. Puesto que la suspensión se transporta como capas, el rendimiento referido a la sección del aparato es reducido.

Del documento WO 94/28217 se conoce un procedimiento discontinuo para fabricar una suspensión de celulosa en aminóxido hidratado. Para ello, mediante un rotor con elemento de agitación radial, se mezclan celulosa desmenuzada y una disolución de aminóxido en una cámara mezcladora horizontal. Para una carga se indica una duración de 21 minutos. Este modo de trabajo es desventajoso porque hay que utilizar dos cámaras mezcladoras de este tipo, debido a la admisión continua del disolvente que va a continuación. Además, el vaciado completo de la cámara mezcladora tiene dificultades.

La presente invención tiene como objetivo crear un procedimiento para fabricar de manera continua una suspensión de celulosa en N-metilmorfolina-N-óxido hidratado sin las desventajas citadas anteriormente. El procedimiento debe permitir el uso de celulosa hidratada o celulosa seca, debiéndose compensar las oscilaciones del tamaño de partícula y/o el contenido de agua de la celulosa utilizada, de tal manera que en la posterior etapa de disolución se obtenga una disolución de concentración de celulosa uniforme. Hay que crear, además, un procedimiento continuo con una mayor producción de volumen de suspensión con relación a la sección del aparato. Por último, hay que crear un procedimiento para fabricar de manera continua una suspensión de celulosa que pueda transferirse, de manera inmediata y continua, a una etapa de disolución para formar una disolución que pueda extrusionarse. Otras ventajas se deducen de la descripción siguiente.

Este objetivo se consigue según la invención con el procedimiento mencionado al principio de modo que (a) se transporta la celulosa en ausencia de N-metilmorfolina-N-óxido, y homogeneizando, a través de un primera zona de cizallamiento y (b) la celulosa homogeneizada, después de la adición de tanto N-metilmorfolina-N-óxido hidratado que después de la mezcla resulta una suspensión con un contenido en N-metilmorfolina-N-óxido en fase líquida en el dominio del 70 al 80% en masa, es transportada a través de una segunda zona de cizallamiento, con lo que la celulosa o la suspensión llena esencialmente por completo la sección transversal de transporte disponible de las zonas de cizallamiento.

Según la invención, primero se homogeneiza la celulosa utilizada en la etapa (a) con respecto al tamaño de sus partículas y/o a su contenido en agua, es decir, desaparecen las diferencias locales y temporales de estas dos magnitudes con el resultado de que se evitan oscilaciones de la concentración de celulosa de la disolución, formada en la etapa siguiente, y una disolución en parte incompleta de la celulosa. El NMMO añadido en la etapa (b) se adapta en cuanto a cantidad y contenido de agua a la cantidad y al eventual contenido en agua de la celulosa utilizada, de tal manera que el contenido de NMMO en la fase líquida de la suspensión formada se sitúa en el dominio pretendido antes citado del 70 al 80% en masa. Si se utiliza una celulosa seca, por ejemplo en la etapa (a), la disolución de NMMO empleada en la etapa (b) puede tener una concentración situada en el citado dominio. Si en la etapa (a) se utiliza una celulosa hidratada, según la concentración de celulosa en la disolución que debe fabricarse hay que añadir en la etapa (b) una disolución de NMMO concentrada. Con ayuda de un diagrama triangular celulosa/NMMO/H_{2}O pueden calcularse con facilidad las cantidades y concentraciones que hay que elegir de celulosa hidratada y de disolución NMMO. La suspensión puede añadirse de manera inmediata a la etapa de formación de una disolución homogénea de celulosa. Para la disolución pueden emplearse las más diversas variantes del procedimiento. Un procedimiento adecuado se describe en el documento DE 44 41 468. A diferencia del procedimiento citado al principio, en el que la suspensión se transporta en forma de una capa anular, en el procedimiento según la invención se aprovecha toda la sección libre disponible para el transporte, de tal manera que por unidad de tiempo y unidad de superficie transversal del aparato puede mezclarse un volumen máximo de suspensión. Además, en el caso del presente procedimiento no son necesarias las elevadas revoluciones del árbol usadas en el procedimiento de capas anulares. Bajo el término de llenado completo, en el sentido de la invención debe entenderse que, a diferencia de lo que sucede en el caso del procedimiento de capas anulares citado al principio, no existe un vapor o fase gaseosa constante en la zona comprendida entre la entrada de la celulosa y la salida de la suspensión formada. No obstante, en la masa transportada puede haber algunas burbujas de aire o de vapor. La distribución más uniforme en la suspensión de celulosa obtenida al final, conseguida en el procedimiento según la invención, favorece la disolución sin restos de las partículas de celulosa en la fase de disolución.

Según la forma de realización preferida del procedimiento según la invención, el cizallamiento y el transporte se producen en ambas zonas de cizallamiento mediante varios árboles, dispuestos en el sentido del transporte y provistos de elementos de cizallamiento y transporte. La forma de los elementos de cizallamiento y transporte es la misma en ambas zonas. La transición de la primera a la segunda zona de cizallamiento viene determinada sólo por el punto de adición de la disolución de NMMO y puede deslizarse desplazando este punto en sentido axial. La primera zona de cizallamiento es en general más corta que la segunda. Por ejemplo, la proporción de sus longitudes puede ser de 1:2. El cizallamiento puede conseguirse mediante diferentes revoluciones de los árboles. Se ha puesto de manifiesto que mediante la homogeneización en ausencia del NMMO, se consigue una mejoría de la disolución de celulosa en la fase de disolución. Para el cizallamiento y el transporte se prevén en general de dos a siete árboles con los correspondientes elementos de cizallamiento y transporte.

En una forma de realización del procedimiento se utilizan en la etapa (a) una celulosa con un contenido en agua en el dominio del 20 al 80% en masa. Esta celulosa variable al usarla, especialmente en el contenido en agua, se iguala con respecto al contenido en agua mediante la etapa (a). Puesto que el contenido en NMMO de la suspensión generada debe encontrarse en el dominio deseado que se ha indicado, el contenido en agua de la celulosa requiere la correspondiente adaptación, en sentido contrario, del contenido de agua de la disolución NMMO. Puesto que en la etapa (b) se utiliza a menudo una disolución regenerada, preparada a partir de un baño precipitante usado, la regeneración del baño precipitante puede orientarse a la formación de un concentrado de NMMO de la concentración necesaria. Mediante el cizallamiento en las etapas (a) y (b) se consigue también un desmenuzamiento y una homogeneización de las partículas de celulosa, que con el mezclador de capas anulares conocido no es posible.

En otra forma de realización se utiliza en la etapa (a) una celulosa esencialmente seca. También en este caso, en la etapa (a) se produce una homogeneización al igualarse el tamaño de las partículas. Este proceso continúa en la etapa (b) siguiente. El uso de celulosa seca también está indicado en combinación con celulosa hidratada cuando el contenido en agua de esta última es tan alto, como por ejemplo del 60 al 80%, que en la etapa (b) no puede conseguirse mediante adición de monohidrato de NMMO el dominio deseado de contenido en NMMO en la fase líquida de la suspensión. Debido al desmenuzamiento unido al cizallamiento, no son necesarios la molturación o el desmenuzamiento previos de la celulosa.

Según la forma de realización preferida, en la etapa (b) se emplea un NMMO hidratado con una proporción molar NMMO/H_{2}O en el dominio comprendido entre 1:1 y 1:2,2. El NMMO más concentrado que suele utilizarse, concretamente NMMO-MH, se emplea con celulosas hidratadas que, por ejemplo, antes de la suspensión según la invención se trataron con agua y/o se sometieron previamente a un tratamiento enzimático o térmico. Junto a la igualación del tamaño de las partículas, como en el caso del uso de celulosa seca, se consigue además igualar también el contenido de agua, con lo cual se favorece la mezcla posterior con el aminóxido.

Lo más conveniente es llevar a cabo las etapas (a) y (b) a una temperatura situada en el dominio de 75 a 100ºC. A estas temperaturas, la desintegración de la celulosa y la descomposición del aminóxido son pequeñas; por otro lado, el citado aumento de temperatura favorece la homogeneización y la mezcla uniforme de la celulosa húmeda con el concentrado de NMMO. La suspensión temperada puede disolverse en una etapa posterior, sin un cambio esencial en la temperatura, mediante evaporación del agua al vacío.

Según la forma de realización preferida del procedimiento según la invención, las dos etapas (a) y (b) se llevan a cabo una a continuación de la otra y al final de la etapa (b) se extrae la suspensión de manera continua y se lleva a una etapa de disolución. La celulosa introducida al comienzo, eventualmente hidratada, se transporta de manera continua a través del aparato, sometiéndola a cizallamiento, añadiéndose el NMMO acuoso después de un tramo de transporte que constituye la primera etapa (a), con lo que el tramo de transporte que sigue después forma la etapa (b). Puesto que el procedimiento según la invención discurre de manera continua, la suspensión formada puede conducirse a la etapa de disolución continua sin que sea necesario un recipiente de amortiguación colocado entremedio. En general, en las etapas (a) y (b) se trabaja con un tiempo de tratamiento total situado en el dominio de 5 a 60 min. El dominio del tiempo de tratamiento preferido se sitúa aproximadamente entre 20 y 30 min.

Al material transportado se le pueden incorporar sustancias adicionales, como por ejemplo estabilizadores. Estas sustancias adicionales se distribuyen igualmente de manera uniforme en la suspensión o la disolución para hilar en el curso de la homogeneización, mezcla y disolución.

Se explicará ahora la invención con más detalles basándose en el dibujo y los ejemplos.

La Figura muestra esquemáticamente una instalación para llevar a cabo el procedimiento según la invención con un aparato conectado para formar la disolución. El primer aparato de doble árbol 1 es cargado, a través de un embudo 2, con celulosa procedente de una instalación de pretratamiento enzimático y comprimida hasta un contenido en humedad del 50% en masa. En el aparato 1 hay dispuestos varios árboles con elementos de cizallamiento y transporte, de los cuales se representan en el dibujo dos árboles 3, 4. En una primera zona de cizallamiento, que se extiende aproximadamente por el primer tercio de la longitud total de ambas zonas, los árboles están ajustados para el cizallamiento de la celulosa introducida. Después de aproximadamente 1/3 de la longitud del aparato se encuentra, en la caja del cilindro, una abertura de toma 5 para el NMMO hidratado. El aire con algo de vapor de agua se extrae a través de las conducciones 6. Mediante un tubo 7, el aparato está unido en el extremo a un elemento de disolución de varios árboles 8, que actúa como unidad de disolución. Con cizallamiento y disolución de la celulosa, la suspensión es transportada al empalme de salida 9 mediante el montaje de los árboles. El elemento de disolución 8 se mantiene a baja presión mediante el empalme 10, evaporándose agua de la suspensión y extrayéndose del elemento de disolución 8. Ambos aparatos 1 y 8 están provistos de una camisa calefactora (no representada), de tal manera que puede mantenerse la temperatura de mezcla y disolución deseada.

Ejemplo 1

En una trituradora se mezclan 10 kg de una celulosa de picea al sulfito (Cuoxam DP 465; contenido de celulosa \alpha > 95%) con agua blanda en la proporción del baño de 1:20 y se homogeneizan. Con ayuda de una bomba para depósitos conservadores se bombea la suspensión hacia una tina para pasta de papel, se diluye hasta una densidad de 10 g/l y, a una temperatura de 50ºC, se mezcla con un 0,1% en masa de enzima, referido a celulosa. Después de 2 horas de tratamiento se comprime la celulosa hacia una instalación de tejido en húmedo, obteniéndose un tejido de celulosa con un contenido de materia sólida del 50%. A un aparato de doble árbol de dos zonas se le suministran de manera continua, a través de un pozo de entrada, 158 g/min del tejido de celulosa. En la primera zona del aparato de doble árbol se homogeneiza a 90ºC la mezcla de celulosa/agua. En una segunda zona del aparato de doble árbol se añaden a la mezcla homogeneizada, a través de un conducto de entrada calentado, 537 g/min de N-metilmorfolina-N-óxido-monohidrato. En la zona de cizallamiento que aparece a continuación se mezcla uniformemente la suspensión de celulosa/agua con el NMMO-MH. Se produce un caldo con un contenido del 81,6% de NMMO-MH. En una etapa de evaporación posterior se transforma este caldo en una disolución para hilar con el 13,6% de celulosa.

La valoración de la calidad de la disolución para hilar se realiza mediante un microscopio (marca Hund H500 WZ) con unidad evaluadora (videocámara e impresora de la marca JVC). El número de partículas de celulosa sin disolver de la muestra de disolución para hilar se indica por cada 1 cm^{2}.

Rige la siguiente escala de calidad:

Número de partículas de celulosa sin disolver/cm^{2}	Nota
0 a 5	1
6 a 10	2
11 a 15	3
> 15	no puede hilarse

La disolución para hilar de este ejemplo contenía 5 partículas sin disolver/cm^{2}. Sin embargo, tras filtrarla, la disolución resultó adecuada para fabricar fibras, filamentos y láminas según el procedimiento de hilado en seco en húmedo.

Ejemplo 2

Se fabricó una disolución para hilar análoga a la del Ejemplo 1. Sin embargo, antes de su entrada en la etapa de evaporación, se pasó el caldo diez veces por un homogeneizador.

Al evaluar al microscopio la calidad de la disolución para hilar, pudo constatarse una disolución ópticamente pura sin partículas de celulosa (0 partículas de celulosa sin disolver/cm^{2}).

Ejemplo 3

1,5 kg de una celulosa de picea al sulfito (Cuoxam DP 780; contenido de celulosa \alpha = 91% en masa) y 7,5 kg de agua se calentaron en autoclaves durante tres horas a 129ºC. A continuación se separó la celulosa del agua mediante centrifugación, obteniéndose una masa de celulosa con un contenido de materia sólida del 70%. 158 g/min de esta masa se llevaron a la instalación utilizada en el Ejemplo 1, aunque incorporando a la segunda zona 800 g/min de NMMO-MH. Se obtuvo un caldo con un contenido del 83,5% de NMMO-MH y en la etapa de evaporación, que viene a continuación, una disolución para hilar con un contenido de celulosa del 12,1% en masa.

Al evaluar al microscopio la calidad de la disolución para hilar, pudieron observarse sólo 3 partículas de celulosa sin disolver/cm^{2}.

Claims (11)

1. Procedimiento para fabricar de manera continua una suspensión de celulosa en N-metilmorfolina-N-óxido hidratado, caracterizado porque

(a) se transporta la celulosa en ausencia de N-metilmorfolina-N-óxido, y homogeneizando, a través de un primera zona de cizallamiento y

(b) la celulosa homogeneizada, después de la adición de tanto N-metil-morfolina N-óxido hidratado que después de la mezcla resulta una suspensión con un contenido en N-metilmorfolina-N-óxido en fase líquida en el dominio del 70 al 80% en masa, es transportada a través de una segunda zona de cizallamiento, con lo que

la celulosa o la suspensión llena esencialmente por completo la sección transversal de transporte disponible de las zonas de cizallamiento.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el cizallamiento y el transporte se producen en ambas zonas de cizallamiento mediante varios árboles dispuestos en el sentido de transporte y provistos de elementos de cizallamiento y transporte.

3. Procedimiento según la reivindicación 2, caracterizado porque para el cizallamiento y el transporte hay previstos de dos a ocho árboles.

4. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque en la etapa (a) se utiliza una celulosa con un contenido en agua situado en el dominio del 20 al 80% en masa.

5. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque en la etapa (a) se utiliza una celulosa esencialmente seca.

6. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque en la etapa (b) se utiliza un NMMO con una proporción molar NMMO/H_{2}O situada en el dominio de 1:1 a 1:2,2.

7. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque antes de su utilización en la etapa (a), la celulosa se mezcla con agua y/o se somete a un tratamiento previo enzimático o hidrotérmico.

8. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque las etapas (a) y (b) se realizan a una temperatura situada en el dominio de 75 a 100ºC.

9. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque las dos etapas (a) y (b) se llevan a cabo una a continuación de la otra y la suspensión procedente de la etapa (b) se extrae de manera continua y se lleva a una etapa de disolución.

10. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque en las etapas (a) y (b) se trabaja con un tiempo de tratamiento total situado en el dominio de 5 a 60 min.

11. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque al material transportado se le añaden sustancias adicionales.