FI74053C - Foerfarande foer delignifiering av kemisk massa. - Google Patents

Description

74053

Menetelmä kemiallisen massan delignifioimiseksi

Keksintö koskee menetelmää kemiallisen massan delignifioimiseksi happi/alkalikäsittelyllä.

Ligniinin poisto hapella ja alkalilla on tänä päivänä teollisesti hyväksytty prosessi. Se suoritetaan tavallisimmin esivalkaisuvaiheena ennen lopullista valkaisua, joka suoritetaan klooripitoisilla valkaisukemikaaleilla. Massan kappaluku alentuu tällöin tavallisesti arvosta noin 30-35 arvoon 15-20, toisin sanoen ligniinin poistoaste on alueella 40-50 %.

Arvot viittaavat happi/alkali-ligniinin poistoon käyttäen havupuusta saatuja sulfaattimassoja.

On myöskin tunnettua, että sulfaattimassoja, joiden kappaluku . .·_ on alueella 50-70, voidaan esim. valkaista hapella ja alkalilla.

" Kappaluvun alentuminen rajoittuu tavallisesti tällaisessa happi/ alkali-ligniinin poistovaiheessa 25-30 kappalukuyksikköön.

Ligniinin poisto hapella ja alkalilla voidaan suorittaa sekä suurella massasakeudella (25-30 %) että keskisuurella massasakeudella (7-10 %). Sellaisten sulfaattimassojen happi/ alkalikäsittely, joiden kappaluku on alueella 50-70, suoritetaan tavallisimmin keskisuurella massasakeudella. Sellaisten sulfaattimassojen happi/alkalikäsittelyssä, joiden kappaluku on alueella 30-35, käytetään pääasiassa suurta massasakeutta.

Keskisuureen massasakeuteen perustuvissa prosesseissa käytetään hydraulisia reaktoreita, toisin sanoen nestetäytteisiä reakto-'·; reita, joissa ei ole kaasufaasia. Happikaasu voidaan dispergoida nestefaasiin pieninä kaasukuplina kuitujen ympärille. Tämä tarkoittaa sitä, että on olemassa yläraja sille happikaasumää-rälle, joka massan kanssa syötetään reaktoriin. Tämä yläraja määräytyy massasakeuden, reaktoripaineen ja reaktorilämpötilan perusteella. Kun reaktoripaine on 0,6 MPa, massasakeus 8-10 % 2 74053 o ja reaktori1ämpöti1 a on 95-110 C, rajoittuu happlpanos noin 40 kg:aan 0^ tonnia kohden 100 %:ta valkaisematonta massaa. Kappaluvun aleneminen rajoittuu tällaisessa valheessa, jossa käytetään keskisuurta massasakeutta, noin 30:een kappalu-kuyksikköön.

Suureen massasakeuteen perustuvassa reaktori järjestelmässä esiintyy reaktorissa aina kaasufaasl, jossa on happlkaasua. Kappaluvun alentuminen määräytyy ai kai 1 panoksen perusteella. Massan lujuusominaisuudet muodostavat tavallisesti rajoittavan tekijän kappaluvun alentumiselle tai ligniinin poistoas-teelle. Suuri alkalipanos johtaa suureen ai kaiikonsentraa-tioon. Lisäksi on hillIhydraattien hajoaminen riippuvainen ai kai 1konsentraatiosta. Korkeissa ai kaiikonsentraatioissa kasvaa hiilihydraattien hajoaminen voimakkaasti mitattuna massan rajaviskositeettina tai saannon alentumisena. Hiilihydraattien hajoamisen vähentämiseksi lisätään tavallisesti magnesiumsuo-loja. Toinen kirjallisuudesta tunnettu menetelmä perustuu siihen, että sulfaattimassaa käsitellään hapolla pH-arvossa alle 4 ennen happi/ai kaii-1igniinin poistovaihetta. Tällä tavalla saadaan raskasmetalli-ionit poistetuksi massasta, jolloin hiilihydraattien hajoaminen pienentyy.

Näin ollen on välttämätöntä rajoittaa alkalipanos noin 25-30 kg Na0H:ta tonnia kohden 100 % valkaisematonta massaa hiilihydraattien hajoamisen pitämiseksi hyväksyttävällä tasolla. Tämä rajoittaa kappaluvun alentumisen noin 20 yksikköön.

Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on saada aikaan teollisesti hyväksyttävä ligniinin poistomenetelmä, jonka avulla kappaluvun alentumista voidaan suurentaa happi/ai kaii-1i gnii -nin poistovaiheessa ilman, että happi- ja ai kaiipanosta tarvitsee suurentaa. On havaittu, että tämä voidaan toteuttaa käsittelemällä massaa ennen happi/aikai 1 käsittelyä natrium-sulfiitti- tai natriumsulfiitti1iuoksella.

3 74053

Keksintöä kuvataan lähemmin seuraavissa esimerkeissä. Kuusi ensimmäistä esimerkkiä kuvaavat 1aboratoriokokeita, joissa suoritetaan sulfiittikäsittely ja tämän jälkeen happi/ai kaii-ligniinin poisto. Kuusi seuraavaa esimerkkiä kuvaavat tehdas-mittakaavassa suoritettuja kokeita.

Vertai 1uesimerkki A

Käsiteltävä massa oli kuusesta ja männystä teollisesti valmistettu polysulfidimassa. Kappaluku määritettiin 62,2:ksi. Tälle massalle suoritettiin laboratoriossa ligniinin poisto ha-pella ja alkalilla. 0^-paine 0,8 MPa (20°C), 110°C, 10 %:n massasakeus ja reaktioaika 45 minuuttia. Alkalipanos oli 25 kg NaOH:ta tonnia kohden 100 %:ta massaa. Massan stabiloi- miseksi hii1ihydraattien hajoamista vastaan lisättiin 1 kg ++

Mg tonnia kohden 100 %:ta massaa. Happi/ai kaii-1igni ini n poiston jälkeen massa pestiin ja kappaluku määritettiin.

Esimerkki 1

Samaa massaa kuin vertai 1uesimerkissä A käsiteltiin nat- riumsulfiitti1iuoksella pH-arvossa 8,0, lämpötilassa o 88 C, 10 %:lla massasakeudel1 a ja käsittelyajan ollessa 60 minuuttia. Sulfiittipanos oli 10 kg laskettuna SO^ina tonnia kohden 100 %:ta massaa. Sulfiittikäsittelyn jälkeen massa pestiin. Tälle massalle suoritettiin laboratoriossa edelleen ligniinin poisto hapella ja alkalilla. 0 -paine oo 2 0,8 MPa (20 C), 110 C, 10 %:n massasakeus ja reaktioaika 45 minuuttia. Alkalipanos oli 25 kg NaOH:ta tonnia kohden 100 %:sta massaa. Inhibiittorina lisättiin 1 kg 74053

Mg + + tonnia kohden 100'·%:ta massaa. Happi/alkali-ligniinin poiston jälkeen massa pestiin ja kappaluku määritettiin.

Esimerkki 2

Samaa massaa kuin vertailuesimerkissä A käsiteltiin natrium-sulfiittiliuoksella pH-arvossa 8,0, lämpötilassa 88°C, 10 %:lla massasakaudella ja käsittelyajan ollessa 60 minuuttia. Sulfiit-tipanos oli 30 kg laskettuna SC^Jna tonnia kohden 100 %:ta massaa. Sulfiittikäsittelyn jälkeen massa pestiin. Massalle suoritettiin laboratoriossa edelleen ligniinin poisto hapella ja alkalilla. Käytettiin samoja olosuhteita kuin esimerkissä 1 .

Vertailuesimerkki B

Käsiteltävä massa oli kuusesta’ laboratoriossa valmistettu sulfaat-timassa, jonka kappaluku oli 98,3. Tälle massalle suoritettiin laboratoriossa ligniinin poisto hapella ja alkalilla. 02~paine 0,8 MPa, (20°C), 110°C, 10 %:n massasakeus ja reaktioaika 75 minuuttia. Alkalipanos oli 40 kg NaOHtta tonnia kohden 100 %:ta massaa. Inhibiittorina lisättiin 1 kg Mg tonnia kohden 100 %:ta massaa kohden. Happi/alkali-ligniinin poiston jälkeen massa pestiin ja kappaluku määritettiin.

Esimerkki 3

Samaa massaa kuin vertailuesimerkissä B käsiteltiin natriumsul-fiittiliuoksella pH-arvossa 8,0, lämpötilassa 88°C, 10 %:lla massasakeudella ja reaktioajan ollessa 60 minuuttia. Sulfiitti-panos oli 10 kg laskettuna SC^na tonnia kohden 100 %:ta massaa. Sulfiittikäsittelyn jälkeen massa pestiin. Tälle massalle suoritettiin laboratoriossa edelleen ligniinin poisto hapella ja alkalilla. Käytettiin samoja olosuhteita kuin vertailuesimerkissä B.

Esimerkki 4

Samaa massaa kuin vertailuesimerkissä B käsiteltiin natriumsul-fiittiliuoksella pH-arvossa 8,0, lämpötilassa 88°C, 10 %:lla massasakeudella ja käsittelyajan ollessa 60 minuuttia. Sulfiitti- I: 5 74053 panos oli 30 kg laskettuna SC^na tonnia kohden 100 %:ta massaa. Sulfiittikäsittelyn jälkeen massalle suoritettiin laboratoriossa edelleen ligniinin poisto hapella ja alkalilla käyttäen samoja olosuhteita kuin vertailuesimerkissä B.

Esimerkit 5-7 ja vertailuesimerkit C - E kuvaavat tehdas-mittakaavassa suoritettuja kokeita. Massat on valmistettu polysulfidikeitolla jatkuvassa Kamyr-keittimessä, jonka alaosassa on "Hi-Heat"-pesuvyöhyke. Pesuneste lisätään keittimen pohjan ja massan pesu tapahtuu vastavirtaan. Pesuvyö-hykkeen jälkeen osa massasta puhalletaan jakoseulan (in-line splitter) kautta happi/alkali-ligniinin poistolaitteistoon, joka on tyyppiä Kamyr MC (medium consistency). Tämä laitteisto koostuu tasoputkesta, MC-pumpusta, painediffusööristä massan pesua varten, raffinööristä, MC-sekoittimesta, hydraulisesta reaktorista, poistokaasusyklonista ja nestepuristimesta. Nestepuristimesta saatu suodos käytetään pesunesteenä painedif f usöörissä.

Kappaluku edustaa yhden vuorokauden aikana saatua keskiarvoa. Vertailuesimerkki C

Käsiteltävä massa oli teollinen polysulfidimassa, jolle edelleen suoritettiin ligniinin poisto hapella ja alkalilla jatkuvassa painediffusöörissä suoritetun välipesun jälkeen.

Hapen ja alkalin lisäys oli 29 kg (^sta ja 34 kg NaOH:ta tonnia kohden 100 %:ta massaa.

Muut olosuhteet happi/alkalivaiheessa olivat: lämpötila 103°C^ massasakeus noin 9 % ja reaktoripaine 0,6 MPa (absoluuttinen). Viipymäaika reaktorissa oli 35 minuuttia.

Happi/alkali-ligniinin poiston jälkeen massa pestiin ja kappa-luku määritettiin.

74053 6

Esimerkki 5 Käsiteltävä massa oli teollinen polysulfidimassa, jota käsiteltiin sulfiittiliuoksella ennen hapella ja alkalilla suoritettavaa ligniinin poistoa. Sulfiittiliuos lisättiin pesunesteeseen keittimen pohjaan määrässään, joka vastaa 25-30 kg SC^Jta tonnia kohden 100 %:ta massaa. Olosuhteet olivat: lämpötila noin 85°C, massasakeus noin 9 % ja käsittelyaika 5 minuuttia. Sulfiittikäsittelyn jälkeen massa pestiin jatkuvassa painediffusöörissä ennen hapen ja alkalin lisäämistä joka lisäys oli 29 kg 02^ta ja 34 kg NaOH:ta tonnia kohden 100 %:ta massaa. Muut olosuhteet olivat: lämpötila 103°C, massasakeus 9 % ja reaktoripaine 0,6 MPa (absoluuttinen). Viipymäaika reaktorissa oli 35 minuuttia. Happi/alkalikäsit-telyn jälkeen massa pestiin ja kappaluku määritettiin.

Vertailuesimerkki D

Suoritettiin samat käsittelyvaiheet kuin vertailuesimerkissä C. Hapen ja alkalin lisäys oli tässä tapauksessa 35 kg 02:ta ja 41 kg NaOH:ta tonnia kohden 100 %:ta massaa. Reaktio-olosuhteet olivat happikäsittelyvaiheessa samat kuin esimerkissä 5. Happi/alkalikäsittelyvaiheen jälkeen massa pestiin ja kappaluku määritettiin.

Esimerkki 6

Massa oli teollinen polysulfidimassa, jota käsiteltiin sulfiitti-liuoksella ennen seuraavaa, hapella ja alkalilla suoritettavaa ligniinin poistoa. Sulfiittikäsittely oli samanlainen kuin on kuvattu esimerkissä 5. Sulfiittikäsittelyn jälkeen massa pestiin jatkuvassa painediffusöörissä ennen hapen ja alkalin lisäämistä, joka lisäys oli 35 kg ta ja 42 kg NaOH:ta tonnia kohden 100 %:ta massaa. Olosuhteet olivat happikäsittelyvaiheessa samat kuin on kuvattu esimerkissä 5.

Happi/alkalikäsittelyvaiheen jälkeen massa pestiin ja kappa-luku määritettiin.

I.

7 74053

Verta Hues imerkki E

Suoritettiin samat käsittelyvaiheet kuin vertailuesimerkissä C. Hapen ja alkalin lisäys oli tässä tapauksessa 39 kg 02:ta ja 45 kg NaOH:ta tonnia kohden 100 %:ta massaa. Alkalilähtee-nä käytettiin hapetettua valkolipeätä. Reaktio-olosuhteet olivat happikäsittelyvaiheessa samat kuin esimerkissä 5. Happi/alkalikäsittelyvaiheen jälkeen massa pestiin ja kappa-luku määritettiin.

Esimerkki 7

Massa oli teollinen polysulfidimassa, jota käsiteltiin sulfiit-tiliuoksella Kamyr-keittimen pohjassa, kuten on kuvattu esimerkissä 5.

Sulfiittikäsittelyn jälkeen massa pestiin jatkuvassa painedif-fusöörissä ennen hapen ja alkalin lisäämistä, joka lisäys oli 39 kg C>2:ta ^ kg NaOHrta tonnia kohden 100 %:ta massaa. Alkalilähteenä käytettiin hapetettua valkolipeätä. Reaktio-olosuhteet olivat happi/alkalikäsittelyvaiheessa muilta osin samat kuin esimerkissä 5. Happi/alkali-ligniinin poiston jälkeen massa pestiin ja kappaluku määritettiin.

Kappaluvut on esitetty seuraavassa taulukossa. Kuten esimerkeistä ilmenee, saavutetaan suurempi kappaluvun alentuminen happi/alkalikäsittelyssä kun massat on esikäsitelty sulfiitti-liuoksella.

74053

Taulukko

Sulfiitin Kappaluku Kappaluvun lisäys Kg SOj..^ valkai- C^- alentuminen tonnia kohden sematon val- valkaisematonta kaistu massaa

Vertailu- esimerkki A 0 62,2 42,2 20,0

Esimerkki 1 10 62,2 37,4 24,8

Esimerkki 2 30 62,2 34,9 27,3

Vertailu- esimerkki B 0 98,3 50,5 47,3

Esimerkki 3 10 98,3 47,4 50,9

Esimerkki 4 30 98,3 45,6 52,7

Vertailu- esimerkki C 0 55,9 29,2 26,7

Esimerkki 5 25-30 58,2 25,7 32,5

Vertailu- esimerkki D 0 61,3 32,4 28,9

Esimerkki 6 25-30 66,8 30,8 36,1

Vertailu- esimerkki E 0 59,2 33,0 26,2

Esimerkki 7 25-30 65,1 30,0 35,1 l 74053

Kun valkaisemattomalla massalla on määrätty kappaluku voidaan saavuttaa huomattavasti alempi kappaluku happi/alkali-ligniinin poiston jälkeen, jos massa on esikäsitelty sulfiitilla. Jos massalle on tarkoitus suorittaa loppuvalkaisu klooripitoisil-la valkaisu kemikaaleilla tarkoittaa happi/alkali-käsittelyvaiheessa saavutettu suurempi kappaluvun alentuminen sitä, että valkaisukemikaalien kulutusta voidaan pienentää huomattavasti. Lisäksi pienentyy klooripitoisten jätelipeiden päästö, toisin sanoen sulfiittikäsittely on eduksi ympäristölle. Samanaikaisesti kasvaa happi/alkalikäsittelyvaiheesta saadun jätelipeän kuiva-ainepitoisuus, jolloin voidaan saada talteen enemmän energiaa.

Jos kappaluku happi/alkalikäsittelyvaiheen jälkeen pidetään vakiona saavutetaan sellaisella massan sulfiittiesikäsittelyllä, joka suoritetaan ennen happi/alkali-ligniinin poistoa, se etu, että valkaisemattoman massan kappaltikua voidaan suurentaa. Tämä johtaa suurempaan massasaantoon, jolloin puuaineksen kulutusta massatonnia kohden ja siten raaka-ainekustannuksia voidaan alentaa huomattavasti.

Keksinnön vaikutus on näytetty toteen käyttäen happi/alkali-ligniinin poistossa keskisuurta massasakeutta, mutta ammattimies tietää, että sama pätee, kun happi/alkali-ligniinin poistossa käytetään suurta massasakeutta.

Esimerkeissä on käytetty tavallisia sulfaatti- ja polysulfidi-massoja, mutta ammattimies tietää, että saadaan samoja tuloksia sellaisilla sulfaatti- ja polysulfiittimassoilla, jotka on keitetty panostamalla keittolipeää antrakinonia, ja soodamas-soilla, joihin joko on lisätty tai ei ole lisätty antrakinonia. Vaikutus saavutetaan myöskin suorittamalla massalle sulfiitti/ bisulfiittikäsittely kahden happi/alkali-ligniinin poistovaiheen välillä. Keksintöä voidaan erityisesti käyttää hyväksi sellaisten massojen happi/alkali-ligniinin poistossa, joiden kappaluku on suurempi kuin 30-35.