FI130070B

FI130070B - Menetelmä liukosellun valmistamiseksi

Info

Publication number: FI130070B
Application number: FI20185213A
Authority: FI
Inventors: Auvo Kerttunen; Sampsa Laakso; Tiina Haatainen; Markus Paananen
Original assignee: Andritz Oy
Priority date: 2018-03-07
Filing date: 2018-03-07
Publication date: 2023-01-31
Also published as: WO2019170962A1; CL2020002312A1; JP2021517215A; CN111819323A; RU2020132767A3; US20210040688A1; EP3762535A1; CN111819323B; RU2020132767A; JP7292296B2; FI20185213A1; CA3093032A1; BR112020018106A2

Abstract

Esillä oleva keksintö koskee menetelmää liukosellun valmistamiseksi hienonnetusta puupohjaisesta kuituaineksesta. Menetelmä käsittää seuraavia perättäisiä vaiheita: hienonnetun kuituaineksen keittäminen alkalipitoisella keittolipeällä kraftkeittoprosessissa massan tuottamiseksi; keitetyn massan käsittely alkaliuutossa lämpötilassa 60-110 °C ja tehollisen alkalin konsen traatiossa 60-120 g/l ainakin 5 minuuttia, ja alkaliuutetun massan happidelignifiointi.

Description

MENETELMÄ LIUKOSELLUN VALMISTAMISEKSI

Esillä oleva keksintö koskee menetelmää liukosellun valmistamiseksi.

Viime vuosina on syntynyt voimakas tarve kehittää uusia kuituraaka-aineita vaate- — teollisuuden ja muun polymeeriteollisuuden tarpeisiin. Eräänä ratkaisuna kuitujen tuottamiseksi on liukosellun valmistamisen lisääminen, jolloin viskoosikuidut kor- vaavat osaltaan puuvillaa tekstiiliteollisuudessa, mutta niillä on useita muitakin käyttökohteita.

Liukosellu poikkeaa paperinvalmistukseen tarkoitetusta sellusta sekä ominaisuuk- — siltaan että kemialliselta koostumukseltaan. Liukosellun valmistuksessa pyritään aikaansaamaan massaa, jonka selluloosapitoisuus on mahdollisimman korkea ja hemiselluloosapitoisuus, kuten ksylaanipitoisuus, mahdollisimman matala, kun taas valkaistusta paperisellusta pyritään poistamaan ligniini keitossa ja valkaisus- sa siten että paperiselluun jää mahdollisimman paljon selluloosaa ja hemisellu- loosaa. Paperisellu voi sisältää pääkomponentin selluloosan — jota kuvataan a- selluloosana - lisäksi hemiselluloosaa 25 %:iin asti, kun taas liukosellu sisältää a- selluloosaa aina yli 90 % ja hemiselluloosamäärän pitää tyypillisesti olla noin alle 5 prosentin.

Liukosellun matalaan hemiselluloosapitoisuuteen pyritään tyypillisesti käsittele- — mällä haketta ja/tai massaa sekä voimakkaan alkalisissa että happamissa olosuh- teissa. Liukosellua on perinteisesti tehty joko sulfiittimenetelmällä tai happamalla esihydrolyysillä varustetulla sulfaattimenetelmällä. Jos liukosellun valmistuksessa on käytetty hyväksi sulfaattimenetelmää, niin silloin ennen alkalista keittoa on © tehty puuhakkeelle ns. esihydrolyysi, jossa happamissa oloissa on poistettu mer- — kittävä määrä hemiselluloosia ennen alkalista keittoa. Esikäsittelyn intensiivisyyttä se kuvaa P-tekijä, joka normaalisti esihydrolyysillä varustetutulla sulfaattimenetel-

S mässä vaihtelee 500-1000 välillä riippuen käytetystä puulajista. P-tekijän konsepti = on selitetty esimerkiksi ”Handbook of Pulp, Vol. 1, 2006, p. 343-345. Loppukuitu- * linjalla massaa käsitellään paperimassan kaltaisissa valkaisuvaiheissa, jolloin = 30 — tärkeimpänä erona ovat alkaliset valkaisuvaiheet, jotka tehdään korkeammissa 3 lämpötiloissa kuin saantoa maksimaalisesti säästävissä valkaisuissa. Seka sul- i faattikeitossa että sulfiittikeitossa viskoosimassan valmistamiseksi on tyypillisesti keitetty alhaisempaan kappaan kuin paperimassan valmistuksessa.

Kuten yllä kuvataan, niin tyypillisesti liukosellun valmistuksessa happaman keitto- prosessin jälkeen tehdään alkaliuutto tai ennen alkalista keittoa tehdään hakkeelle hapan esihydrolyysivaihe korkeassa lämpötilassa ja paineessa. Hakkeen keittä- minen happamissa olosuhteissa on vaativampaa kuin alkalisissa olosuhteissa.

Happamat olosuhteet vaativat parempia materiaaleja ja laitteiden kuluminen on voimakkaampaa, kun alkalin liukastava vaikutus jää pois. Tästä syystä olisi edul- lista pystyä valmistamaan liukosellua ilman hakkeen keittämistä happamissa olo- suhteissa tai käyttämällä mahdollisimman lievää hapanta käsittelyä. Happaman käsittelyn ongelma voi olla myös se, että hemiselluloosan poistumisen lisäksi ha- pan käsittely johtaa myös selluloosasaannon laskuun ja siten massan saanto jää tyypillisesti sitä matalammaksi mitä voimakkaampi hapan käsittely on tehty.

Havupuussa hemiselluloosa koostuu pääasiassa glukomannaanista ja ksylaanis- ta. Lehtipuun hemiselluloosa koostuu lähes pelkästään ksylaanista. Ksylaania liukenee tyypillisesti voimakkaan alkalisissa olosuhteissa. — Selluloosan keitossa mukana olevan keittokemikaalin määrä ilmaistaan massan- valmistuksessa käyttämällä siitä nimitystä "tehollinen alkali". Tehollisen alkalin pitoisuusarvo kuvaa keittolipeän hydroksidi-ioni- eli OH-väkevyyttä. Tässä hake- muksessa tehollinen alkali (g/l) ilmoitetaan NaOH:na.

Eräs varsin tehokas menetelmä hemiselluloosan liuottamiseksi keiton jälkeisestä — massasta on alkaliuutto, jossa keitettyä massaa käsitellään alkalilla. Käsittelyme- netelminä on joko kylmé&alkaliuutto tai kuuma-alkaliuutto. Kylmäalkaliuutossa te- hollisen alkalin konsentraatio on tasolla 60-110 g/l ja lämpötila on tyypillisesti ta- solla 20-50 C. Toinen käytetty menetelmä on kuuma- alkaliuutto, jossa tehollisen alkalin konsentraatio on tyypillisesti tasolla 4-20 g/l ja lämpötila 80-140 €. Näitä 00 25 menetelmid on käsitelty laajasti julkaisussa Rydholm, S., Pulping Processes, 2 1967, s. 992-1023. Kuuma-alkaliuuton tehokkuus on huomattavasti heikompi kuin g kylmäalkaliuuton ja sitä käytetäänkin yleensä vain happamien sulfiittikeittojen yh-

S teydessä. Kuuma-alkaliuuton heikko teho johtuu siitä, että korkea alkalikonsent-

I raatio on avaintekijä hemiselluloosan liuottamisessa. Teollisessa prosessissa * 30 — kylmäalkaliuuton matala lämpötila on hankala, koska se vaatii ylimääräistä jääh- = dyttämistä ja koska kylmän massan peseminen on huomattavasti hankalampaa o heikomman suotautuvuuden takia. Alkaliuutto voidaan tunnetusti tehdä väkevällä

N natriumhydroksidiliuoksella tai keitossa käytettävällä valkolipeällä. Esimerkiksi patenttihakemuksessa WO 2013/178608 on esitetty ratkaisu, jolla voidaan nor-

maaleissa kraft-keiton alkalikonsentraatioissa valmistetusta massasta tuottaa liu- kosellua alkaliuuton avulla, joka tehdään jopa 65 °C lämpötilassa. Tässä ratkai- sussa kylmaalkaliuutto suoritetaan keiton ja happivaiheen jälkeen ja alkaliuuton jäännöskemikaaleja hyödynnetään happivaiheessa ja rinnakkaisella keittolinjalla.

Menetelmässä ksylaanirikas alkaliliuos voidaan käyttää rinnakkaisella linjalla kei- tossa. Tämän ratkaisun eräs hankaluus on se, että valkolipeän jäännössulfidi jou- dutaan hapettamaan kemikaaleilla ennen massan happamaa käsittelyä, ettei muodostuisi vaarallista rikkivetyä. Hapan käsittely voi olla esimerkiksi ensimmäi- nen valkaisuvaihe. — Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on poistaa edellä mainitut ongelmat ja tarjo- ta menetelmä, jossa alkaliuuton jäännösalkali voidaan hyödyntää saman kuitulin- jan keitossa ilman merkittävää ksylaanin takaisinsorptiota ja jossa liukosellun valmistuksessa olevia happamia olosuhteita voidaan lieventää verrattuna liukosel- lun valmistukseen ilman alkaliuuttoa. — Kokeissa on yllättäen havaittu, että ksylaani liukenee selektiivisesti keitetystä val- kaisemattomasta massasta myös korkeammissa lämpötiloissa tasolla 60-110 CT, kun tehollisen alkalin konsentraatio on tasolla 60-120 g/l. Mitä korkeampi alkali- konsentraatio on, sitä enemmän ksylaania pystytään liuottamaan. Näin ollen myös korkeammassa lämpötilassa tehdyllä alkaliuutolla voidaan poistaa lehti- — puumassasta hemiselluloosaa huomattavia määriä. Sitä vastoin on todettu että havupuun toinen merkittävä hemiselluloosakomponentti glukomannaani ei liukene näissä olosuhteissa merkittävästi.

Uusi menetelmä liukosellun valmistamiseksi hienonnetusta lehtipuupohjaisesta kuituaineksesta, joka menetelmä käsittää seuraavia perättäisiä vaiheita: = 25 — hienonnetun kuituaineksen keittäminen alkalipitoisella keittolipeällä kraft-

N keittoprosessissa massan tuottamiseksi;

O

S keitetyn massan käsittely alkaliuutossa lämpötilassa 60-110 € ja tehollisen alka- z lin konsentraatiossa 60-120 g/l ainakin 5 minuuttia, ja a

O alkaliuutetun massan happidelignifiointi. > © 30 Keksinndn mukaisessa ratkaisussa, joka sopii erityisesti jatkuvatoimista keittoa

N varten, mutta voidaan soveltaa myös panoskeitolle, yhdistetään alkaliuutto kraft- keittoon, jolloin päästään tehokkaammin massan matalaan ksylaanipitoisuuteen kuin tunnetuilla menetelmillä. Alkaliuutto suoritetaan keiton ja happivaiheen välis- sä, jolloin alkaliuuton jäännösalkali voidaan hyödyntää samalla keittämöllä yksin- kertaisin kytkennöin. Alkaliuutetusta massasta erotetaan suodosta, jonka teholli- sen alkalin pitoisuus on ainakin 50 g JI, tyypillisesti 60-110 g/l, ja joka johdetaan — keittoon. Suodosta erotetaan esimerkiksi puristimella tai fraktioivalla pesurilla, jolloin tavoitteena on saada alkalin suhteen mahdollisimman väkevä suodos.

Fraktioidun pesun avulla saadaan tehostettua alkalin akkumuloitumista ja alkali- konsentraation nousua alkaliuuttovaiheessa. Kun alkaliuuttoa edeltävään pesu- vaiheeseen, esimerkiksi keitinpesuun, syötetään alkalikonsentraatioltaan mahdol- — lisimman väkevää pesunestettä, tästä pesuvaiheesta tulevan massan alkalikon- sentraatio nousee. Tällöin valkolipeälisäyksen jälkeen saavutetaan korkeampi alkalikonsentraatio, jonka seurauksena saadaan entistä väkevämpää pesunestet- tä alkaliuuttoa edeltävään pesuvaiheeseen. Fraktioidussa pesussa alkaliuuton jälkeen laimeampi suodos johdetaan keittoon eikä se näin pääse laimentamaan — alkaliuuttoa. Samalla keiton loppuvaiheen alkaliväkevyys on korkea, jolla mini- moidaan ksylaanin takaisinsorptio massaan keiton aikana.

Keksinnön mukainen menetelmä käsittää erään edullisen suoritusmuodon mu- kaan seuraavia perättäisiä vaiheita: a) hienonnetun kuituaineksen käsitteleminen happamissa olosuhteissa siten, että — osa puun sisältämistä hemiselluloosista liukenee; b) kuituaineksen keittäminen alkalisella keittolipeällä keittolämpötilassa noin 120 — 175 C massan valmistami- seksi, c) alkalisen pesunesteen syöttäminen massan joukkoon sen jäähdyttämi- seksi ja/tai pesemiseksi ennen massan poistamista keittoprosessista; d) valkoli- peän syöttäminen ja sekoittaminen keitettyyn massaan, e) massan käsittely 60- 110 C:ssa ainakin 5 minuuttia, edullisesti 5-120 m inuuttia; f) ensimmäisen suo- = doksen poistaminen massasta vaiheen e) jälkeen, jolloin saadaan suodosta, joka

N johdetaan massan pesunesteeksi vastavirtaan massavirran suhteen; ja g) toisen ? suodoksen erottaminen massasta vaiheen e) jälkeen, joka johdetaan vaiheeseen

S b) muodostamaan ainakin osa keittolipeästä; ja h) massan johtaminen jatkokäsit-

E 30 — telyyn vaiheen g) jälkeen.

O io > Vaiheessa a) muodostuu hapanta jätekeittoliemeä, joka voidaan tarvittaessa pois- taa kuituaineksesta. Vaiheessa d) valkolipeä voidaan syöttää massaan keittimen pohjalla tai keittimestä poistettuun massaan.

Tavoitteena vaiheissa f) ja g) on erottaa massasta ainakin kaksi suodosta, joista ensimmäisen suodoksen tehollisen alkalin pitoisuus on mahdollisimman korkea.

Massasta erotetaan ensin suodos, jonka tehollisen alkalin pitoisuus on korkea, ainakin 50 g NaOH/I. Tämä suodos käytetään massan pesunesteenä vastavirtaan 5 — massavirran suhteen vaiheessa c). Uutetusta massasta erotetaan myös toinen suodos, jonka alkalipitoisuus on alempi kuin ensimmäisen suodoksen. Tämä suo- dos käytetään keittimessä alkalilähteenä ja lisätään vaiheeseen b). Ensimmäinen suodos voi olla esimerkiksi fraktioivan pesurin sakeutusvaiheessa syntynyt suo- dos, joka siten sisältää uutetusta massasta erotettua liuosfaasia. Toinen suodos — on tyypillisesti pesuvaiheessa syntynyt suodos. Suodokset voivat muodostua sa- massa laitteessa, kuten fraktioivassa pesurissa tai peräkkäisissä puristimessa ja pesupuristimessa. Myös muunlaiset järjestelyt ovat mahdollisia. Alkaliuutto voi- daan tehdä myös ilman fraktioitua pesua. Fraktioidun pesun etuna on se, että sen avulla päästään korkeampaan alkalikonsentraatioon ja tehokkaampaan hemisellu- — loosan poistoon.

Massaa ei happidelignifioida ennen alkaliuuttovaihetta. Kun alkaliuutto tehdään ennen mahdollista happivaihetta, jäännössulfidin muuttumista vetysulfidiksi alkali- uuton ja happivaiheen jälkeisissä happamissa vaiheissa ei tapahdu.

Happidelignifiointivaihe on sinänsä tunnettu alkalinen vaihe, joka tapahtuu tyypilli- — sesti paineenalaisena ja jossa ainakin osalla reaktion ajasta on happea läsnä kui- tujen ympärillä. Happivaihe voi olla yksi-, kaksi- tai jopa useampiportainen, jolloin reaktioportaaseen kuuluu kemikaalin sekoitus ja reaktioastia tai putkella toteutettu reaktioviive. Happivaiheeseen annostellaan tavallisimmin happea ja alkalia sekä mahdollisesti jotakin metallien aiheuttamaa kuitujen vaurioitumista estävää inhi- — biittoria, tai muulla tavoin poistetaan tai käsitellään epäreaktiivisiksi kuidun muka- = na kulkevia metalleja.

N se Erään suoritusmuodon mukaan keittovaihe toteutetaan jatkuvatoimisessa yksi- tai

S kaksiastiaisessa hydrauli- tai höyry-nestefaasikeittimessä. Menetelmä voidaan

I toteuttaa yhdessä tai useammassa keitinastiassa, esimerkiksi keittimen ja i esi-

N 30 — hydrolyysiastian yhdistelmällä. 3 Erään suoritusmuodon mukaan keittovaihe toteutetaan panoskeitinprosessina. i Alkaliuuttosuodoksen mukana keittoon joutuu liuennutta ksylaania. Kun keitossa ylläpidetään riittävän korkea tehollisen alkalin konsentraatio, ainakin 20 g NaOH/I alkaliuutossa liuennutta ksylaania ei saostu haitallisessa määrin kuituaineeseen, kuten hakkeeseen, keiton loppuvaiheessa. Keiton alkuosassa voi olla matalampi- kin alkalikonsentraatio, jolloin ksylaania voi jossain määrin saostua, koska saos- tunut ksylaani liukenee uudestaan keiton alkalikonsentraation noustua korkealle tasolle.

Keksinnön mukaisessa ratkaisussa kaikki tai suuri osa, ainakin 60 %, tyypillisesti ainakin 80 %, edullisimmin yli 90 %, keiton tarvitsemasta valkolipeästä syötetään ja sekoitetaan ruskean massan alkaliuuttoon keiton jälkeen. Alkaliuutto suorite- taan keiton ja happivaiheen välissä lämpötila-alueella 60-110 €, tyypillisesti 70- 110 €, edullisesti 80-100 €. Alkaliuutossa voidaa n käyttää alkalilähteenä valko- lipeää. Valkolipeän tehollisen alkalin pitoisuus on 90-130 g/l NaOH, tyypillisesti 100-120 g/l. Uuden ratkaisun mukaisesti ei tuoretta keittolipeää, so. valkolipeää tuoda lainkaan tai sitä tuodaan korkeintaan 40 %, tyypillisesti alle 20 %, keitti- meen tai itse keittovaiheeseen. — Alkaliuuton jälkeisen massan sakeutuksen ja/tai pesun suodos tai suodokset aje- taan vastavirtaan massavirtaukseen nähden kohti keitintä tai keittämöä. Siten syötetty valkolipeä rikastuu näihin kiertoihin, jolloin päästään alkaliuuton vaatimiin alkalikonsentraatioihin. Toisin sanoen, alkalia rikastuu keitin pesun ja alkaliuuton jälkeisen massan sakeutuksen ja/tai pesun väliin, kun suodoksia kierrätetään vas- — tavirtaan. Vaadittava alkalikonsentraatiotaso saavutetaan täten, vaikka massan sakeus on tyypillisesti 8-12 %.

Valkolipeää ja suodoksia voidaan käsitellä tarpeen mukaan, niin että saavutetaan alkaliuuton tarvitsema lämpötilataso, joka on 60-110 CT, edullisesti 70-110 €, edullisimmin 80-100 C. Teollisessa mittakaavassa | ämpötila on tyypillisesti 70-95 00 25 €. Käsittelyaika alkaliuutossa on yli 5 minuuttia, tyypillisesti 5-120 minuuttia. Al- 2 kaliuutossa massasuspension liuosfaasin tehollisen alkalin pitoisuus on 60-120 se g/l, edullisesti 65-110 g/l, edullisimmin 70-110 g/l. Osa massan pesurin tai pesu-

S reiden alkalirikkaista suodoksista viedään keittovaiheeseen, osa syötetään keitto-

I vaiheen loppuun, kuten keittimen pohjaan. Oleellista on, että kaikki tai lähes kaikki > 30 — suodokset, ainakin 80 %, kiertävät keittimen kautta, koska keittimen ohi haihdut- = tamolle ajettavan suodoksen mukana menisi arvokasta kemikaalia hukkaan. Keit- o tovaiheesta saatava alkalirikasmustalipeä, jonka tehollisen alkalin pitoisuus on yli & 20 g NaOH/I, kierrätetään edelleen keittoprosessin alkupäähän, jossa alkali kuluu ja saavutetaan tavanomainen jäännösalkalitaso, alle 10 g NaOH/I, haihduttamolle vietävässä mustalipeässä.

Uuden menetelmän oleellisen piirteen mukaan massaa ei happidelignifoida keiton ja alkaliuuton välillä. Alkaliuuton jälkeen massa viedään jatkokäsittelyyn, johon — tyypillisesti kuuluu aluksi happivaihe. Kun alkaliuutto suoritetaan ennen happivai- hetta, massan jäännössulfidi hapettuu happivaiheessa eikä riskiä rikkivedyn muo- dostumiselle happivaiheen jälkeisissä happamissa käsittelyissä ole.

Massa voidaan edelleen käsitellä valkaisuvaiheissa, joita esimerkiksi ovat: hap- pamat A-, Z- ja D-vaiheet sekä alkaliset E- ja P-vaiheet. Jatkokäsittelyvaiheissa — voidaan edelleen pienentää massan ksylaanipitoisuutta. Ksylaanin poistoa voi- daan tehostaa edullisesti happovaiheessa, A-vaiheessa, jossa lämpötila voi olla 100-130 € ja pH 2-3. A-vaihe tehdään alkaliuuttov aiheen jälkeen ja edullisesti happivaiheen jälkeen.

Keksinnön mukaisen ratkaisun erään edullisen suoritusmuodon mukaan hemisel- — luloosan poistoa voidaan tehostaa myös happamilla käsittelyillä esimerkiksi ta- vanomaisen esihydrolyysivaiheen avulla tai massan erilaisilla happamilla käsitte- lyillä. Keksinnön mukaiseen ratkaisuun voidaan edullisesti yhdistää kevyt hapan käsittely ennen keittoa, jolloin happamessa hydrolyysissä P-tekijä on 5-250. Täl- lainen hapan käsittely voidaan tehdä esihydrolyysiastiassa, kuten yleensäkin esi- — hydrolyysi-sulfaattikeittomenetelmää käytettäessä, mutta käyttämällä normaalia matalampaa lämpötilaa tai lyhyempää viivettä. Kevyt hapan käsittely voidaan teh- dä myös keittoastian yläosassa joko höyry tai nestefaasissa. Jatkuvatoimisella keittämöllä haketta pasutetaan tyypillisesti ilmakehän paineessa olevassa hakesii- lossa, jossa on noin 10-45 minuutin viive. Kevyt hapan käsittely voidaan aikaan- 00 25 — saada paineistamalla hakesiilo noin 1-10 bar paineeseen, jolloin pasutuslämpötila 2 voidaan nostaa tasolle yli 120 C ja hydrolyysireak tioita alkaa tapahtua. Tavoit- se teena hakesiilossa on P-tekijän arvo 5-50. Edullisesti hakesiilon painetaso voisi

S olla noin 2 bar ja lämpötila noin 135 €, jolloin a tmosfääriseen hakesiiloon tarvi-

I taan vain pieniä muutoksia ja hakkeet voidaan syöttää siiloon matalapainesul- * 30 — kusyöttimen avulla. Kun hydrolyysikäsittely tehdään hakesiilossa höyryfaasissa, = varsinainen hakkeensyöttö keittimeen voi tapahtua alkalisissa olosuhteissa ja o vältetään happamien olosuhteiden aiheuttamaa siilon ulkopuolisen hakkeen syöt- & tölaitteiston kulumista. Höyryfaasi-hydrolyysin aikana muodostuvaa lauhdetta voi-

daan ottaa talteen ja kierrättää takaisin siiloon tulevaan hakkeeseen, jolloin hak- keen pH laskee nopeammin ja hydrolyysireaktiot nopeutuvat.

Uutta menetelmää selitetään yksityiskohtaisemmin viittaamalla oheisiin kuvioihin, joissa kuvio 1 esittää kaaviomaisesti erästä keksinnön suoritusmuotoa.

Kuvio 1 esittää erään tyypillisen järjestelmän, jolla uusi menetelmä voidaan toteut- taa. Järjestelmä käsittää ainakin keitinastian 2, kylmäuuttoastian 3 ja pesurin 4.

Keitin 2 on höyryfaasikeitin, mutta se voi olla myös hydraulinen keitin. Menetelmä voidaan toteuttaa yhdessä tai useammassa keitinastiassa, esimerkiksi keittimen ja esihydrolyysiastian yhdistelmällä. Etenkin useamman keitinastian järjestelyssä —menetelmän toteutus voi poiketa tässä kuvatuista yksityiskohdista, mutta samat toimintaperiaatteet pätevät. Järjestelmään kuuluu valinnaisesti myös hydrolyysi- reaktori 5, jossa on yläerotin 6, joka vastaanottaa hienonnettua lehtipuupohjaista kuituaineslietettä, kuten hakelietettä, hakkeensyöttöjärjestelmästä (ei esitetty) linjaa 7 pitkin. — Esihydrolyysiastia 5 voi olla höyryfaasireaktori tai hydraulinen astia, jossa on lämmityskiertovirta aineksen lämmittämiseksi haluttuun hydrolyysilämpötilaan.

Syöttöaines johdetaan astian 5 huipulla olevaan käänteiseen huippuerottimeen 6.

Astian yläosa voi olla höyryfaasialue, jonka läpi kuituaines putoaa huippuerotti- mesta 6 neste- ja hakepylvään pinnalle. Huippuerottimessa kuituaineksesta erote- — taan nestettä, mikä viedään linjaa 8 pitkin hakkeensyöttöjärjestelmään. Höyryä ja paineistettua ilmaa voidaan syöttää aikaansaamaan sopiva paine ja lämpötila hydrolyysiä varten. Kuituaineksen lämpötila nostetaan yli autohydrolyysilämpöti- lan, mikä voi olla yli 140 C, kuten esimerkiksi 155 €, ja pidetään tässä lämpöti- lassa hydrolyysin edistämiseksi. Tavoitteena on P-tekijän arvo 5-250, joten olo- = 25 — suhteet määräytyvät sen mukaan. Autohydrolyysi tapahtuu, kun orgaanisia hap-

N poja vapautuu kuituaineksesta. Vaihtoehtoisesti hydrolyysilämpötila voi olla alle 7 150 €, esimerkiksi 150 ja 120 C:en välillä, jos | aimeita happoja lisätään. Kuitu- © aines ja neste virtaavat samansuuntaisesti alaspäin astiassa 5. Muodostuva hyd-

E rolysaatti voidaan poistaa sihtien 9 kautta linjaan 10 ja viedä jatkokäsittelyyn. = 30 — Hydrolyysiastian 5 pohjalla kuituainekseen lisätään laimennuslipeää keitinastiasta o 2 linjaa 11 pitkin edesauttamaan kuituaineksen kuljetusta linjan 12 kautta keitti- a men 2 huippuerottimeen 13. Palautuslinjassa 11 oleva laimennuslipeä on alkalis- ta, joten se tekee kuituaineksen alkaliseksi, kun aines virtaa esihydrolyysiastiasta keittimeen 2. Linjaan 11 voidaan tuoda linjan 15 kautta rejektiä mustalipeäsuoti- mesta, mikä rejekti sisältää kuituja ja keittymätöntä kuituainesta.

Kuituaines on alkalisessa tilassa, kuten esim. pH:ssa 13 tai lähellä sitä, esim. 12 — 14. Esimerkkinä kuituaines voidaan pitää keittimessä lämpötila-alueella 120-175

CU, tai 130 -160 CT, riippuen mm. viipymäajasta, al kalipitoisuudesta keittimessä.

Lämpötila keittimessä 2 nostetaan ja kontrolloidaan lisäämällä höyryä ja mahdolli- sesti ilmaa tai inertia kaasua. Keitin voi olla höyryfaasi- tai hydraulisesti täynnä oleva astia. Paine hydrolyysiastian pohjalla on höyryn paineen ja kuituaines- ja nestepylvään hydraulisen paineen kombinaatio. Tämä yhdistetty paine on korke- — ampi kuin paine keittimen huipulla. Tämä paine-ero kuljettaa kuituaineksen linjan 14 kautta keittimen huippuerottimeen. Lisäksi ja milloin keitin on hydraulinen kei- tinastia, kuumennuslipeäkiertoa voidaan käyttää kuituaineksen kuumentamiseksi haluttuun lämpötilaan.

Keitin voi käsittää useita myötävirtaisia ja vastavirtaisia keittovyöhykkeitä. Ylin — keittovyöhyke voi olla kuituaineksen ja lipeän myötävirtainen vyöhyke.

Keittimeen kuuluu sihdit 16, 17 ja 18. Kuituaines käsitellään tällä keittolipeällä vyöhykkeellä I. Lämpötila vyöhykkeellä I, jota säädetään höyryä syöttämällä, on esimerkiksi 144 €. Syötetyn keittolipeän tehollise n alkalin pitoisuus on tyypillises- ti 20-50 g NaOH/I, jota kulutetaan vyöhykkeessä | niin että sihdin 16 kautta pois- — tettavan jätekeittolipeän tehollisen alkalin pitoisuus on alle 10 g NaOH /I, esimer- kiksi 4 g NaOH/I ja lämpötila esimerkiksi 151 €. V yöhykkeen | jätekeittolipeä joh- detaan linjaa 19 pitkin tyypillisesti haihduttamolle.

Keittovyöhykettä | seuraa vastavirtainen keittovyöhyke II, joka on sihtien 16 ja 17 © välillä. Vaikka tämä käsittely on kuvattu vastavirtaisena, se voi olla myös myötä-

N 25 — virtainen. Vyöhykkeen II lopusta poistetaan jätekeittolipeää kiertoon 20, johon se kuuluu yksi tai useampia sihtejä 17, pumppu 21 ja epäsuora lämmönsiirrin 22.

S Keittolipeää lisätään kierron 20 aineksen joukkoon linjan 23 kautta. Suuri osa kei- = ton tarvitsemasta alkaliannoksesta, esimerkiksi 50 %, lisätään kuituainesliettee- * seen linjan 23 kautta kiertoon 20. Näin keittimeen muodostuu korkea tehollisen = 30 — alkalin pitoisuus, joka on yli 25 g NaOH/I edullisesti yli 35 g/l. Lämmitetty kierto 20 o kuumentaa tyypillisesti kuituaineslietteen keittolipeineen keittolämpötilaan, joka on a tyypillisesti 120-175 C, ennen lietteen virtaamista myötävirtaiseen keittovyöhyk- keeseen III. Korkean alkalipitoisuuden ja korkean pH:n saavuttamiseksi yhteen 23 kautta lisättävällä keittolipeällä voi olla seuraavat ominaisuudet: kokonaisalkali puusta laskettuna n. 8-16 %, tehollisen alkalin pitoisuus n. 40 - 80 g/l (tyypillisesti n. 50-70 g/l) NaOH:na mitattuna, ja virtaus joka on n. 2,0 - 6,0 m*/BDMT (m?/absoluuttisen kuivaa metristä tonnia) massaa, tyypillisesti n. 3,0 - 5,0 mBDMT massaa. Linjan 14 keittolipeän tehollisen alkalin pitoisuus on esimerkik- si 58 g NaOH/I ja lämpötila esimerkiksi 94 C.

Kiertoon 20 voidaan tarvittaessa tuoda valkolipeää linjan 20' kautta.

Kuituaines kulkee keittolämpötilassa keittimen vyöhykkeellä III myötävirtaan alas- päin keittoreaktion edetessä. Keittimen alaosassa kuuma jätekeittolipeä poiste- taan nyt keitetystä kuituaineksesta, kuten hakkeesta, sihtilaitteiston 18 avulla.

Jäljempänä sijaitsevan massapesurin pesusuodosta syötetään keittimen pohjalle yhden tai useamman yhteen 27 kautta keittoreaktion päättämiseksi ja keitetyn hakesuspension lämpötilan alentamiseksi.

Massa poistetaan sen jälkeen keittimestä poistolaitteen 25 kautta yhteeseen 26.

Kuuma jatekeittoliped poistetaan keittimestä sihtilaitteiston 18 ja yhteen 24 avulla.

Tämän kuuman lipeän käyttämättömän alkalin ts. jäännösalkalin pitoisuus on suh- teellisen korkea. Yhteen 24 lipeän tehollisen alkalin pitoisuus on tyypillisesti aina- kin 20 g/l, edullisesti vähintään n. 25 g/l, esimerkiksi 41 g/l. Tämä lipeä, joka sisäl- tää sekä alkalia että sulfidia, johdetaan yhdettä 24 pitkin palautuslinjaan 11 käy- — tettäväksi syötettävän puuhakkeen esikäsittelyssä tai vyöhykkeellä I. Yhteen 24 lipeän lämpötila voi esimerkiksi olla 143 €.

Keitetty massa johdetaan linjaa 26 pitkin alkaliuuttoon astiassa 3. Astia 3 voi olla perinteinen keittimen puskusäiliö tai jokin muu astia. Keittimestä poistuvan mas- © san tehollisen alkalin pitoisuus on 60-110 g NaOH/I, esim. 91 g/l ja lämpötila 60 -

N 25 110€C, esim. 102 CT . Keittoprosessin ja alkaliuuto n tarvitsema valkolipeä linjasta se 34 syötetään ja sekoitetaan linjassa 26 virtaavaan massaan. Valkolipeän teholli-

S sen alkalin pitoisuus on 90-130 g/l NaOH, tyypillisesti 100-120 g/l, esim. 115 g/l. = Alkaliuutto tehdään lämpötilassa 60-110 €, esim. 90 C:ssa. Keittimestä poiste-

N tun massan lämpötilaa voidaan sovittaa siihen keittimen pohjalla lisättyjen pe-

N 30 — susuodosten lämpötilan säädöllä. Alkaliuuton kesto on 5-120 minuuttia. = Alkaliuutettu massa viedään astiasta 3 linjan 28 kautta massan sakeuttimeen tai pesuriin 4, joka voi olla esimerkiksi puristin, pesupuristin tai fraktioiva pesuri, joita voi olla yksi tai useampi. Pesuriin tuodaan pesunesteeksi vettä tai happivaiheen tai valkaisuvaiheen suodosta linjan 33 kautta. Tavoitteena on erottaa massasta ainakin kaksi suodosta, joista ensimmäisen suodoksen tehollisen alkalin pitoisuus on korkea. Ensimmäinen suodos voi olla fraktioivan pesurin sakeutusvaiheessa syntynyt suodos, joka siten sisältää alkaliuutetusta massasta erotettua liuos- faasia. Toinen suodos on tyypillisesti pesuvaiheessa syntynyt suodos. Suodokset voivat muodostua samassa laitteessa, kuten fraktioivassa pesurissa tai peräkkäi- sissä puristimessa ja pesupuristimessa.

Massasta erotetaan ensin suodos, jonka tehollisen alkalin pitoisuus on korkea, esim. 94 g NaOH/I. Tämä suodos suodossäiliöstä 29 käytetään keittimen pohjas- sa pesunesteena, jolloin alkaliuuton konsentraatiotaso saadaan mahdollisimman korkeaksi. Keittimen pesuvyöhyke on vastavirtainen, jossa linjan 27 alkalirikas pesuneste syrjäyttää keittovyöhykkeen III keittolipeda sihdin 18 kautta ulos keitti- mestä ja jatkaa massan mukana alkaliuuttoon astiassa 3.

Massasta saatu laimeampi suodos käytetään keittimessä alkalilähteenä ja vie- dään suodossäiliöstä 30 linjan 23 kautta kiertoon 20, jonka kautta se lisätään keit- tovyöhykkeeseen. Suurin osa keiton tarvitsemasta alkaliannoksesta, ainakin 50 %, lisätään kuituaineslietteeseen linjan 23 ja kierron 20 kautta.

Mainitut suodokset sisältävät kuituaineksesta alkaliuutossa erotettua ksylaania.

Koska keiton loppuosassa ylläpidetään riittävän korkea tehollisen alkalin konsent- — raatio, ainakin 20 g NaOH /I, alkaliuutossa liuennutta ksylaania ei saostu haitalli- sessa määrin kuituaineeseen, kuten hakkeeseen, keiton aikana.

Linjan 23 suodosta voidaan lämmittää keittimestä poistettujen jätekeittolipeiden 24 ja/tai 19 lämmöllä järjestämällä epäsuoralämmönsiirrin (ei esitetty) linjojen yh- teyteen. ® — Massa poistetaan pesurista 4 pudotusputken 31 ja linjan 32 kautta jatkokäsitte- se lyyn, johon tyypillisesti kuuluu aluksi happivaihe. Massa voidaan edelleen käsitel-

S lä valkaisuvaiheissa, joita esimerkiksi ovat: happamat A-, Z- ja D-vaiheet sekä = alkaliset E- ja P-vaiheet. Jatkokäsittelyvaiheissa voidaan edelleen pienentää a 0 massan ksylaanipitoisuutta. io 30 — Ksylaanin poistoa voidaan edelleen tehostaa edullisesti happamassa vaiheessa, > A-vaiheessa, jossa lämpötila voi olla 100-130 C ja pH 2-3. A-vaihe on alkaliuut- tovaiheen jälkeen ja edullisesti happivaiheen jälkeen.

Esimerkki 1:

Keksinnön mukaista menetelmää tutkittiin laboratoriossa. Raaka-aineena oli lehti- puuhaketta, jonka ksylaanipitoituus oli 12.1 %. Kun haketta keitettiin tavanomai- sella alkaliprofiililla, keiton saanto oli 53.3% kappaluvussa 17,1 ja massan ksy- — laanipitoisuus oli 14.5%, jolloin hakkeen alkuperäisestä ksylaanista oli jäljellä 62%.

Kun haketta keitettiin menetelmän mukaisessa normaalia korkeammassa alkali- konsentraatiossa, keiton saanto oli 50.4% kappaluvussa 14,5 ja massan ksy- laanipitoisuus oli 12.3% eli hakkeen alkuperäisestä ksylaanista oli jäljellä 50 %. — Kun tälle massalle tehtiin alkaliuutto lämpötilassa 50 €, saatiin massaa, jonka kappaluku oli 8.7 ja ksylaanipitoisuus oli 5.0 %. Tällöin hakkeen alkuperäisestä ksylaanista oli jäljellä enää 16 %. Kun vastaavan alkaliuuton lämpötila oli 90 €, massan kappaluku oli 8.8 ja ksylaanipitoisuus oli 5.9 % ja hakkeen alkuperäisestä ksylaanista oli jäljellä 20 %. Laboratoriokokeista havaitaan, että molempia masso- ja voidaan käyttää liukoselluna etenkin sopivien jatkokäsittelyjen ja/tai esikäsittely- jen jälkeen, ja että alkaliuutto voidaan varsin onnistuneesti suorittaa myös ruske- an massan pesun normaalilla lämpötila-alueella 70-100 €, ja että korkean alkali- profiilin keitto luo normaalia paremman lähtötilanteen alkaliuuton onnistumiselle.

Esimerkki 2: — Keksinnön mukaista menetelmää tutkittiin laboratoriossa. Raaka-aineena oli lehti- puuhaketta, jonka ksylaanipitoituus oli 15.5 %. Kun hakkeelle tehtiin ensin esihyd- rolyysivaihe, jossa oli 200 P-tekijää, ja keittovaihe korkeassa alkalikonsentraatios- sa, keiton saanto oli 44.2% kappaluvussa 10.2 ja massan ksylaanipitoisuus oli 5.5%. Siten hakkeen alkuperäisestä ksylaanista oli jäljellä 16%. Kun tälle massal- = 25 — le tehtiin alkaliuutto lämpötilassa 90 € ja alkali konsentraatiossa noin 80 g/l, saa-

N tiin massaa, jonka kappaluku oli 6.9 ja ksylaanipitoisuus oli 2.6%. Kokonaissaanto 7 esihydrolyysin, keiton ja alkaliuuton jälkeen oli 42.3%. Tällöin alkuperäisestä ksy- © laanista oli jäljellä enää 7%. Kun samasta raaka-aineesta tehtiin laboratoriossa

E liukosellua perinteisen esihydrolyysikeiton avulla, jossa oli 500 P-tekijää, saanto

O 30 oli 39.4%, kappa oli 6.6 ja massan ksylaanipitoisuus oli 2.5%. Näistä laboratorio- io kokeista havaitaan, että alkaliuuton avulla voidaan valmistaa hyvälaatuista liuko- > sellua selvästi korkeammalla saannolla kuin perinteistä esihydrolyysimenetelmää käyttämällä.

Uuden ratkaisun etuja ovat:

Menetelmässä kytketään alkaliuutto aiempaa yksinkertaisemmin ja taloudelli- semmin saman linjan keittoprosessiin, koska keiton alkaliprofiililla vältetään alkali- uuton ksylaanin liiallinen saostuminen hakkeeseen. Kun alkaliuutto tehdään en- nen happivaihetta, jäännössulfidin muuttumista vetysulfidiksi seuraavissa happa- missa vaiheissa ei tapahdu. Menetelmän mukaisen alkaliuuton avulla esihydro- lyysivaihetta voidaan keventää selvästi tai jättää se jopa kokonaan pois, jolloin massan saanto paranee huomattavasti. 00

O

N

O

I

Nn

O

I a a

O

N

LO

0

O

N

Claims

PATENTTIVAATIMUKSET:

1. Menetelmä liukosellun valmistamiseksi hienonnetusta lehtipuupohjaisesta kuituaineksesta, joka menetelmä käsittää seuraavia perättäisiä vaiheita: hienonnetun kuituaineksen käsitteleminen happamissa olosuhteissa siten, että P-tekijä 5-250 saavutetaan; happamissa olosuhteissa käsitellyn hienonnetun kuituaineksen keittäminen alkalipitoisella keittolipeällä lämpötilassa noin 120 — 175 °C kraft-keittoprosessissa massan tuottamiseksi; keitetyn massan käsittely alkaliuutossa lämpötilassa 70-110 °C ja tehollisen alkalin konsentraatiossa 60-120 g/l ainakin 5 minuuttia, ja alkaliuutetun massan pesu, ja alkaliuutetun massan happidelignifiointi pesun jälkeen.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä että valkolipeä, jonka tehollisen alkalin konsentraation on yli 90 g/l lisätään keitosta poistettuun massaan ennen alkaliuuttoa.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä että alkaliuutetusta massasta erotetaan suodoksia.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä että ensimmäinen suodos poistetaan massasta alkaliuuton jälkeen, ja suodos johdetaan massan pesunesteeksi vastavirtaan massavirran suhteen. a

N 5. Patenttivaatimuksen 3 tai 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä että toinen S 25 suodos erotetaan massasta, ja tämä suodos johdetaan keittoon 2 muodostamaan ainakin osa keiton keittolipeästä. =

= 6. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu = siitä että hienonnettua kuituainesta käsitellään happamessa hydrolyysissä co 30 ennen keittovaihetta. O N

7. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä että alkaliuutossa lämpötila on 80-100 *C.

8. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä että alkaliuutossa massasuspension nestefaasin tehollisen alkalin pitoisuus on 65 -110 g/l, edullisesti 70-110 g/l.

9. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen 3-8 mukainen menetelmä, tunnettu siitä että massaa käsitellään fraktioivassa pesussa suodosten muodostamiseksi.

10. Patenttivaatimuksen 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä että ensimmäinen suodos johdetaan keitinpesuun.

11. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä että happidelignifioidun massan jatkokäsittelyyn kuuluu massan käsittely happovaiheessa.

12. Patenttivaatimuksen 6 mukainen menetelmä, tunnettu siitä että happamessa hydrolyysissä P-tekijä on 5-250.

13. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä että keitto toteutetaan jatkuvatoimisessa yksi- tai kaksiastiaisessa hydrauli- tai höyry-nestefaasikeittimessä.

14. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen 1-12 mukainen menetelmä, tunnettu siitä että keitto toteutetaan panoskeitinprosessina.

15. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä että se käsittää seuraavia vaiheita: N a) hienonnetun kuituaineksen käsitteleminen happamissa olosuhteissa N 30 siten, että osa puun sisältämistä hemiselluloosista liukenee; b) 3 kuituaineksen keittäminen alkalisella keittolipeällä keittolämpötilassa noin & 120 — 175 °C massan valmistamiseksi, c) alkalisen pesunesteen E syöttäminen massan joukkoon sen jäähdyttämiseksi ja/tai pesemiseksi e ennen massan poistamista keittoprosessista; d) valkolipeän syöttäminen N 35 ja sekoittaminen keitettyyn massaan, e) massan käsittely 70-110 *C:ssa = ainakin 5 minuuttia, edullisesti 5-120 minuuttia; f) ensimmäisen suodoksen N poistaminen massasta vaiheen e) jälkeen, jolloin saadaan suodosta, joka johdetaan massan pesunesteeksi vastavirtaan massavirran suhteen; ja 9)

toisen suodoksen erottaminen massasta vaiheen €) jälkeen, joka johdetaan vaiheeseen b) muodostamaan ainakin osa keittolipeästä; ja h) massan johtaminen jatkokäsittelyyn vaiheen g) jälkeen.

N

O

N o

<Q oO

O

I a a

0

N

LO

00

O

N