制造預(yù)水解紙漿的緊湊型方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及用于在預(yù)水解硫酸鹽蒸煮法中制造溶解漿的緊湊型方法。為了避免堵塞抽取篩網(wǎng)的樹脂問(wèn)題，并獲得預(yù)水解階段的明顯結(jié)束（distinct?ending）以及在硫酸鹽蒸煮階段前的均勻堿浸漬，向預(yù)水解材料混合物中加入堿使中和酸性水解產(chǎn)物后的殘余堿濃度高于20克/升以NaOH計(jì)的有效堿的程度，且用于預(yù)水解材料的所得堿性處理液的溫度與預(yù)水解階段中的溫度相比降低至少10%。堿裝料將避免在預(yù)水解階段中溶解的半纖維素的再沉積，并驟然將木材混合物切換至堿性條件，該堿性條件有利于最終的硫酸鹽蒸煮階段之前的降低溫度下的堿浸漬階段，該浸漬階段將提取該纖維素材料的半纖維素含量的主要部分。
【專利說(shuō)明】制造預(yù)水解紙漿的緊湊型方法
發(fā)明領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及制造紙漿的方法，在該方法中半纖維素水解成水解產(chǎn)物，且木質(zhì)素通過(guò)硫酸鹽蒸煮法溶解以釋放出纖維素纖維。更特別地，本發(fā)明涉及具有高α-纖維素含量并可以作為溶解漿出售的紙漿的制造方法。
[0002]發(fā)明背景
[0003]傳統(tǒng)上，基本存在兩種制造具有高α-纖維素含量的特種紙漿的方法。包括酸性亞硫酸鹽蒸煮和預(yù)水解-硫酸鹽(硫酸鹽漿，kraft)蒸煮。前者開發(fā)于19世紀(jì)末其月，后者開發(fā)于1930年代，參見(jiàn)例如Rydholm, S.E.，Pulping Processes,第649至672頁(yè)，Interscience Publishers, New York, 1968。兩種方法中的基本想法是在進(jìn)行脫木質(zhì)素時(shí)從纖維素纖維中盡可能多地除去半纖維素，從而獲得高α -纖維素含量，即具有相對(duì)高聚合度的聚合鏈，而非具有隨機(jī)接枝的分子結(jié)構(gòu)的短半纖維素分子。
[0004]在傳統(tǒng)的亞硫酸鹽法中，在蒸煮過(guò)程中除去半纖維素，同時(shí)溶解木質(zhì)素。這種情況下的蒸煮條件是高度酸性的，溫度在140°C至150°C的范圍內(nèi)，由此促進(jìn)水解。但是，結(jié)果總是與脫木質(zhì)素妥協(xié)。缺點(diǎn)是降低了 α-纖維素的聚合度和產(chǎn)率損失，還限制了水解的可能性。因此提出了各種改進(jìn)，如改變蒸煮條件，甚至在預(yù)水解步驟后接堿性亞硫酸鹽蒸煮階段。與亞硫酸鹽制漿法相關(guān)的主要障礙是蒸煮化學(xué)品的復(fù)雜而昂貴的回收方法。
[0005]單獨(dú)的預(yù)水解步驟允許通過(guò)改變水解條件對(duì)半纖維素的水解進(jìn)行所需調(diào)節(jié)。在該預(yù)水解-硫酸鹽蒸煮法中并未進(jìn)行大量脫木質(zhì)素，直到進(jìn)行單獨(dú)的堿性蒸煮步驟，即使某些手冊(cè)表示在預(yù)水解中可以溶解多達(dá)每噸木材30千克的木質(zhì)素(即總木質(zhì)素含量的一小部分，因?yàn)槊繃嵞静?0千克對(duì)應(yīng)為木材的約3%)。預(yù)水解條件最通常通過(guò)在熱蒸汽相或熱水液態(tài)環(huán)境中加熱來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中釋放的天然木材酸度通常會(huì)將PH降低至大約3.5，最通常稱為自動(dòng)水解。有時(shí)可以添加額外的酸和催化劑。隨后的脫木質(zhì)素步驟是常規(guī)硫酸鹽蒸煮法，其中白液已經(jīng)添加到蒸煮器中。
[0006]已經(jīng)公開了數(shù)種預(yù)水解-硫酸鹽蒸煮法，這種技術(shù)在60年代晚期至70年代早期極受重視。
[0007]在Sven Rydholm 的早期出版物“Continuous Pulping Processes”(1970)中在第105-119頁(yè)中描述了來(lái)自“連續(xù)預(yù)水解-硫酸鹽法制漿”的經(jīng)驗(yàn)。在第106頁(yè)，圖8.1中公開了一種雙容器連續(xù)蒸煮系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中第一上向流預(yù)水解塔(a first up flowprehydrolysis tower)后接下向流傳統(tǒng)硫酸鹽蒸煮蒸煮器(adown flow conventionalkraft cooking digester),其中上向流塔在運(yùn)行僅3_6天后就在提取濾網(wǎng)上經(jīng)受嚴(yán)重的樹脂沉積(pitch deposits)(該濾網(wǎng)被堵塞)。另一種系統(tǒng)公開在第107頁(yè)，圖8.2中示出一具有單容器液壓連續(xù)蒸煮器系統(tǒng)，所述系統(tǒng)具有第一上部預(yù)水解區(qū)域和下部堿性硫酸鹽蒸煮區(qū)域，兩個(gè)區(qū)域被濾網(wǎng)部分隔開。但是，在該單容器系統(tǒng)中，濾網(wǎng)仍然遭遇嚴(yán)重的樹脂沉積與堵塞。樹脂問(wèn)題(pitch problem)還轉(zhuǎn)移到了木片進(jìn)料系統(tǒng)，導(dǎo)致需要在高壓進(jìn)料器中的堿性裝料以避免在高壓進(jìn)料器中的樹脂沉積。已經(jīng)在用預(yù)水解-硫酸鹽法制漿的連續(xù)蒸煮系統(tǒng)的幾乎每一臺(tái)裝置中發(fā)現(xiàn)了該樹脂問(wèn)題。這導(dǎo)致對(duì)生產(chǎn)的干擾和紙漿品質(zhì)的變化。此外，在先前的連續(xù)裝置中缺少邊界明確的預(yù)水解區(qū)域已經(jīng)導(dǎo)致了水解程度方面的變動(dòng)，從而導(dǎo)致最終產(chǎn)品的不可接受的品質(zhì)變動(dòng)。
[0008]當(dāng)預(yù)水解-硫酸鹽法制漿在間歇式系統(tǒng)中實(shí)施時(shí)，樹脂問(wèn)題通過(guò)以下事實(shí)得到部分解決:間歇式蒸煮器中的濾網(wǎng)由抽取酸性預(yù)水解產(chǎn)物切換至堿性蒸煮液并最后切換至黑液。在蒸汽相預(yù)水解后抽取的酸性水解產(chǎn)物的體積在總體積中相對(duì)較小，在濾網(wǎng)中的暴露有限。隨后的堿性階段也會(huì)溶解和洗脫任何樹脂沉積物，以使它們不會(huì)經(jīng)時(shí)累積。這在連續(xù)系統(tǒng)中是不可能實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)闉V網(wǎng)位于固定的工藝位置，在那里化學(xué)條件(如pH、樹脂含量等等)不變。
[0009]在US5589033中公開了通常與Superbatch?蒸煮相關(guān)的用于由Metso銷售的預(yù)水解硫酸鹽漿的間歇式方法。具有在氣態(tài)蒸汽相中的熱的170°C預(yù)水解步驟，所述步驟通過(guò)使用加熱的堿在155°C下的熱中和步驟來(lái)終結(jié)，并僅持續(xù)15分鐘(如實(shí)施例3中所示)。中和接下來(lái)是148°C下的熱黑液處理步驟，持續(xù)20分鐘，最后，紙漿在硫酸鹽蒸煮階段中在160°C下蒸煮54分鐘。這里，可以通過(guò)控制各階段的持續(xù)時(shí)間很好地控制水解程度。由于水解步驟在蒸汽相中進(jìn)行，可以相當(dāng)快速和徹底地進(jìn)行下面的木材的中和與堿化，由于木材已經(jīng)在蒸汽相中在高溫下蒸汽處理過(guò)，允許堿通過(guò)擴(kuò)散浸潰該木材。但是，在蒸汽相預(yù)水解與中和之間的這種類型的邊界明確的過(guò)渡區(qū)域在連續(xù)系統(tǒng)(其中木材應(yīng)該是以塞流形式(in a plug flow)流經(jīng)反應(yīng)塔)中是不利的，因此，水解反而最通常在充滿液體的階段(至少在最終部分)中實(shí)現(xiàn)。
[0010]如今，用于作為紡絲纖維(人造絲/萊賽爾)的此類用途的溶解漿被認(rèn)為是與制造棉紡織品相比對(duì)環(huán)境影響較小的制造紡織品的可選方法。溶解漿還是用于輪胎簾線和外胎中的不同添加劑與粘稠劑和填料、醚和海綿(spongs)、硝基纖維素和乙酸酯的基礎(chǔ)產(chǎn)物。因此，溶解漿可以是取代用于常規(guī)制漿的紙漿的替代產(chǎn)品。
[0011]在大多數(shù)預(yù)水解-硫酸鹽蒸煮法中的常見(jiàn)實(shí)施方案是通過(guò)抽取純的酸性預(yù)水解產(chǎn)物或中和的預(yù)水解產(chǎn)物形式的預(yù)水解產(chǎn)物來(lái)終止預(yù)水解階段。如前所述，當(dāng)預(yù)水解產(chǎn)物保持在其最低PH水平時(shí)或如果在木片懸浮液由酸性切換為堿性處的轉(zhuǎn)換位置中抽取預(yù)水解產(chǎn)物，此類工藝位置中的任何濾網(wǎng)都將遭遇樹脂沉積。
[0012]發(fā)明概述
[0013]本發(fā)明的一個(gè)目的是為由含有木質(zhì)素的纖維素材料制備紙漿提供一個(gè)改進(jìn)的預(yù)水解-硫酸鹽法。根據(jù)本發(fā)明，現(xiàn)在已經(jīng)通過(guò)包含以下步驟的方法實(shí)現(xiàn)了這些和其它目的:在大約120°C至180°C的溫度下和在至少20分鐘期間在預(yù)水解階段中預(yù)水解所述纖維素材料以制造預(yù)水解纖維素材料和酸性水解產(chǎn)物。隨后向預(yù)水解纖維素材料和酸性水解產(chǎn)物的混合物中添加強(qiáng)堿密集裝料(alkali chock charge)使中和該酸性水解產(chǎn)物后,優(yōu)選緊隨在該裝料后和在充分混合后，殘余堿濃度高于20克/升以NaOH計(jì)的有效堿(g/1 EA asNaOH)的程度，形成堿性處理液。隨后，在堿性預(yù)提取階段中將該預(yù)水解纖維素材料保持在所述堿性處理液中足夠的時(shí)間以便將堿濃度降低至少10克/升以NaOH計(jì)的有效堿，但不降低至低于5克/升以NaOH計(jì)的有效堿的濃度。在所述堿性預(yù)提取階段中，溶解的碳水化合物以及在該預(yù)水解階段中溶解的任何木質(zhì)素在該堿性預(yù)提取階段過(guò)程中保持溶解，并且在該堿性預(yù)提取階段中從該纖維素材料中溶解更多的碳水化合物和木質(zhì)素。在堿性預(yù)提取階段后，該纖維素材料從堿性預(yù)提取階段轉(zhuǎn)移至硫酸鹽蒸煮階段。本發(fā)明的特征部分在于:使用一定的液體量制造強(qiáng)堿密集裝料，所述液體量使得用于預(yù)水解材料的所得堿性處理液的溫度與預(yù)水解階段中的溫度相比降低至少10%，優(yōu)選如果預(yù)水解溫度為大約120°C則降低至少12°C，如果預(yù)水解溫度為大約180°C則降低至少18°C，以便減少蒸煮化學(xué)品擴(kuò)散過(guò)程中的堿消耗，在該擴(kuò)散過(guò)程中堿處理液滲透到含有木質(zhì)素的纖維素材料的芯中。由酸性預(yù)水解階段向相對(duì)低溫的堿性預(yù)提取階段的轉(zhuǎn)化能夠更徹底地浸潰到含有木質(zhì)素的纖維素材料的芯，導(dǎo)致在隨后的硫酸鹽蒸煮階段后以低次品量(low rejects amounts)進(jìn)行更均勻的蒸煮。另一正面效果在于蒸煮溫度可以降低，這提高了硫酸鹽蒸煮后紙漿中的最終α -纖維素含量。顯著降低該溫度還減少了半纖維素再沉積到纖維上，因?yàn)樵俪恋磉^(guò)程強(qiáng)烈依賴于溫度。
[0014]根據(jù)一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案，僅通過(guò)加熱和任選添加水而不添加任何外部酸化劑進(jìn)行所述預(yù)水解的酸化，僅僅使用加熱過(guò)程中釋放的木材酸度在預(yù)水解過(guò)程中達(dá)到低于5的pH水平。在這種實(shí)施方案中，不使用任何外部酸化劑也能夠在充液階段進(jìn)行所述預(yù)水解的酸化，并且在預(yù)水解結(jié)束時(shí)的溫度優(yōu)選為150-180°C。在此類情況下，不使用外部酸化劑使得所得堿性處理液與預(yù)水解材料的混合物的溫度低于130°C。所得堿性處理液與預(yù)水解材料的混合物的溫度優(yōu)選低于120°C，這遠(yuǎn)低于大約142°C的最佳硫酸鹽蒸煮溫度。
[0015]根據(jù)另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案，通過(guò)加熱和添加外部酸化劑進(jìn)行所述預(yù)水解的酸化，在預(yù)水解過(guò)程中達(dá)到低于3的pH水平。在這種實(shí)施方案中，使用外部酸化劑能夠在充液階段進(jìn)行所述預(yù)水解的酸化，并且在預(yù)水解結(jié)束時(shí)的溫度優(yōu)選為120-165°C。在此類情況下，使用外部酸化劑，使得用于預(yù)水解材料的所得堿性處理液的溫度低于125°C。所得堿性處理液與預(yù)水解材料的混合物優(yōu)選低于120°C，這遠(yuǎn)低于大約142°C的最佳硫酸鹽蒸煮溫度。
[0016]在向預(yù)水解中添加或不添加酸化劑的兩種情況下并且如果在充液階段進(jìn)行預(yù)水解的話，獲得了對(duì)實(shí)現(xiàn)高α-纖維素產(chǎn)率的目的的幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。如上所述，在預(yù)水解過(guò)程中可溶解多達(dá)每噸木材30千克木質(zhì)素，并且如果是在充滿液體的相中，該木質(zhì)素可以更容易地保持為溶解狀態(tài)，防止其冷凝到纖維上。冷凝木質(zhì)素會(huì)不利地影響蒸煮化學(xué)品接下來(lái)的擴(kuò)散/滲透，因?yàn)橐呀?jīng)發(fā)現(xiàn)其在纖維材料上形成阻礙擴(kuò)散的層，這樣會(huì)在隨后的硫酸鹽蒸煮過(guò)程中降低脫木質(zhì)素速率。木質(zhì)素冷凝是在貧化堿性環(huán)境中，尤其在酸性條件下發(fā)生并導(dǎo)致“蒸焦”(即含有極難在此后進(jìn)一步脫除的冷凝木質(zhì)素的紙漿)的公知現(xiàn)象。木質(zhì)素冷凝將導(dǎo)致提高的蒸煮溫度以達(dá)到目標(biāo)卡伯值，這轉(zhuǎn)而對(duì)α-纖維素產(chǎn)率產(chǎn)生了不利的影響。如果在預(yù)水解過(guò)程中避免木質(zhì)素的冷凝，紙漿會(huì)更容易在隨后的硫酸鹽蒸煮結(jié)束時(shí)蒸煮至所需卡伯值，并具有更高的產(chǎn)率和纖維素聚合度，這都有利于溶解漿的特殊等級(jí)。
[0017]如通過(guò)使用或不使用外部酸化劑的上述實(shí)施方案所實(shí)現(xiàn)的那樣，如果不使用酸化齊U，對(duì)類似程度的預(yù)水解效果需要更高的溫度，但是對(duì)于兩個(gè)實(shí)施方案而言，在預(yù)水解階段與堿性預(yù)提取階段之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換是必需的，以顯著降低溫度。
[0018]本發(fā)明的進(jìn)一步的實(shí)施方案是將預(yù)水解纖維素材料保持在所述堿性處理液中的步驟，所述步驟進(jìn)行大約10至90分鐘。除了根據(jù)主要目的在預(yù)水解階段后對(duì)木材進(jìn)行徹底和均勻的堿化之外，重要的是在蒸煮前優(yōu)化堿性預(yù)提取以及堿浸潰的條件。已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)中看出，僅半纖維素總含量中的一小部分在預(yù)水解階段溶解并水解成寡糖、單糖及其分解產(chǎn)物，而半纖維素總含量中的更大一部分會(huì)在隨后的堿性預(yù)提取階段中溶解。預(yù)水解后的總?cè)芙庥袡C(jī)物含量(D0C)為大約5-10%，并在預(yù)水解后的延長(zhǎng)的堿性預(yù)提取階段后高達(dá)30%。DOC包括所有來(lái)自木材的有機(jī)物含量，包括半纖維素/碳水化合物以及木質(zhì)素。
[0019]根據(jù)再一種實(shí)施方案，在硫酸鹽蒸煮階段開始之前從所述堿性預(yù)提取階段除去用過(guò)的堿性處理液中的至少1立方米/噸0D (烘干)木材，及其所含的溶解的碳水化合物與木質(zhì)素，此后向硫酸鹽蒸煮階段添加堿。通過(guò)在此后一階段處提取用過(guò)的堿性處理液，同時(shí)保持其堿性，可以在預(yù)水解階段中的任何提取篩網(wǎng)部分(extraction screen sections)中避免樹脂問(wèn)題，并且總DOC含量可以在該過(guò)程中累積至該點(diǎn)。這對(duì)于連續(xù)蒸煮系統(tǒng)尤其有益，所述連續(xù)蒸煮系統(tǒng)在試圖由此類系統(tǒng)中的提取篩網(wǎng)提取酸性或中性預(yù)水解產(chǎn)物時(shí)遭遇了嚴(yán)重的樹脂沉積問(wèn)題。此外，在硫酸鹽蒸煮階段之前提取富含半纖維素的液體減少了進(jìn)入硫酸鹽蒸煮階段的攜帶物，這轉(zhuǎn)而降低了在硫酸鹽蒸煮階段過(guò)程中稍后發(fā)生半纖維素再沉淀的風(fēng)險(xiǎn)，這種再沉淀取決于半纖維素濃度和高溫。
[0020]在本發(fā)明的最優(yōu)選的實(shí)施方案中，該方法可以在連續(xù)蒸煮器系統(tǒng)中實(shí)施，所述連續(xù)蒸煮器系統(tǒng)使用至少一個(gè)容器用于預(yù)水解，并使用一個(gè)容器用于堿性預(yù)提取階段和硫酸鹽蒸煮階段。在該實(shí)施方案中，堿性預(yù)提取階段還可以在單獨(dú)的容器中實(shí)施，并且該硫酸鹽蒸煮階段在另一個(gè)單獨(dú)的容器中實(shí)施。由于強(qiáng)堿密集裝料將使得pH條件在預(yù)水解后快速轉(zhuǎn)向堿性一側(cè)，不僅避免了與劇烈的連續(xù)法相關(guān)的潛在樹脂沉積問(wèn)題，還消除了低殘余堿濃度引發(fā)的半纖維素再沉積的風(fēng)險(xiǎn)。下列堿性預(yù)提取階段也給出了通過(guò)所述堿性處理液的擴(kuò)散徹底浸潰該酸性木材的最佳條件，這在堿性蒸煮階段前導(dǎo)致了更高的D0C堿性溶解度以及到木材芯的均勻的pH水平。擴(kuò)散是比由通過(guò)沖洗(by-flushing)堿性液體獲得的取代過(guò)程更依賴于時(shí)間的過(guò)程，如此，當(dāng)無(wú)需在整個(gè)階段中實(shí)現(xiàn)內(nèi)部液體循環(huán)時(shí)，改善了連續(xù)過(guò)程的條件。
[0021]當(dāng)與已知的預(yù)水解-硫酸鹽法，如US5589033相比時(shí)，本發(fā)明提供了下列優(yōu)點(diǎn):
[0022]通過(guò)pH劇烈轉(zhuǎn)變至足夠小的堿濃度并降低溫度(即預(yù)水解的兩種最具有主導(dǎo)性的工藝條件)使該預(yù)水解階段立刻結(jié)束(distinct ending)。
[0023]游離液體的中和相當(dāng)迅速(instantly)地發(fā)生，但是獲得了更有利于中和木材內(nèi)部的束縛液體的條件。高溫有利于擴(kuò)散，但是由于堿消耗速率在高溫下要高得多，較低的溫度對(duì)于堿擴(kuò)散到木材芯中而言是至關(guān)重要的。
[0024]大多數(shù)間歇式蒸煮法來(lái)自于其中極為關(guān)注于熱經(jīng)濟(jì)性的現(xiàn)有技術(shù)的狀態(tài)，開始于RDH法和更現(xiàn)代的間歇式蒸煮法Superbatch。在蒸煮之前的預(yù)處理階段中，使用來(lái)自于蒸煮階段末段的用過(guò)的熱的和溫暖的液體來(lái)回收熱量。類似于在US5589033中，通常使用高的蒸煮溫度(160°C)。因此在間歇式蒸煮中存在一般方法以試圖在該方法的過(guò)程中保持高溫以改善熱經(jīng)濟(jì)性。在現(xiàn)代的連續(xù)硫酸鹽蒸煮中，最佳蒸煮溫度已經(jīng)降低，在1950年代晚期，蒸煮溫度通常為大約160°C，對(duì)硬木而言甚至高達(dá)170°C，現(xiàn)在，在1990年代晚期，硬木的典型蒸煮溫度為大約142°C。
[0025]在本發(fā)明的方法中，相對(duì)冷的堿裝料用于中斷該預(yù)水解。這稱為在添加前未經(jīng)加熱的冷堿裝料。適用于本文的堿裝料含有苛性鈉，優(yōu)選試劑是堿性硫酸鹽蒸煮液，即白液。有效堿濃度(即EA)通常以％為單位給出，并符合:l/2Na2S+Na0H。此類白液在由回收島(recovery island)輸送時(shí)通常保持大約80_90°C的溫度，并且該溫度的白液包括在所用冷堿裝料定義中。該白液優(yōu)選在熱交換器中進(jìn)一步冷卻以便在預(yù)水解結(jié)束時(shí)添加后達(dá)到所需最終溫度。還可以添加其它堿性濾液，優(yōu)選具有高堿含量和低溫度的那些。[0026]待用于本方法的含有木質(zhì)素的纖維素材料合適地為軟木、硬木或一年生植物。
[0027]根據(jù)本發(fā)明，可以以高α -纖維素產(chǎn)率獲得預(yù)水解-硫酸鹽紙漿，所述α -纖維素具有高聚合度。
[0028]附圖概述
[0029]圖1是根據(jù)US5589033的蒸煮法的示意圖；
[0030]圖2是根據(jù)本發(fā)明的蒸煮法的示意圖；
[0031]圖3a是在預(yù)水解階段后(PR終結(jié)時(shí))和暴露于堿性處理液時(shí)(Ex開始時(shí))貫穿木材碎屑的pH的示意圖；
[0032]圖3b顯示了隨溫度而變的堿消耗速率；
[0033]圖4顯示了在預(yù)水解后當(dāng)使暴露于堿性處理液(使用冷或熱堿性處理液)很長(zhǎng)一段時(shí)間時(shí)在木片內(nèi)實(shí)現(xiàn)的不同pH水平；
[0034]圖5顯示了在如圖4所示的兩種不同處理后木片內(nèi)部在硫酸鹽蒸煮后的卡伯值；
[0035]圖6顯示了使用本發(fā)明的方法的連續(xù)蒸煮系統(tǒng)的主要裝置，這里使用一個(gè)預(yù)水解塔和兩個(gè)用于堿性處理和蒸煮的后繼容器；
[0036]圖7顯示了使用本發(fā)明的方法的連續(xù)蒸煮系統(tǒng)的主要裝置，這里使用一個(gè)預(yù)水解塔和一個(gè)用于堿性處理和蒸煮的后繼容器；
[0037]圖8a_8d顯示了當(dāng)結(jié)束預(yù)水解并開始后繼堿處理時(shí)在間歇式蒸煮器中實(shí)施的本發(fā)明的方法。
[0038]發(fā)明詳述
[0039]作為比較，在圖1中顯示了 US5589033的蒸煮步驟。木片首先在預(yù)水解步驟Pr中處理，其中通過(guò)蒸汽將木片加熱至170°C，持續(xù)25分鐘。隨后添加加熱的白液以進(jìn)行中和步驟Ne，從該過(guò)程中抽取酸性預(yù)水解產(chǎn)物RECa。。該中和步驟在155°C下進(jìn)行15分鐘。盡管白液被加熱，其溫度降低了大約8%。在該中和步驟后，通過(guò)添加熱黑液BL熱置換該中和液體，這創(chuàng)建了在148°C下保持20分鐘的堿性黑液浸潰步驟BL。隨后抽取黑液，并在下面的蒸煮步驟Co之前添加新的白液裝料，所述蒸煮步驟在160°C下保持54分鐘。在商業(yè)間歇式蒸煮系統(tǒng)，如Metso銷售的Superbatch?中，所用白液在用作中和液體之前在熱交換器中用熱的用過(guò)的蒸煮液以及蒸汽加熱以便不保持高溫度水平。
[0040]相反，在圖2中顯示了本發(fā)明的方法的蒸煮步驟。這里顯示了用于木片的第一蒸汽處理步驟ST，但是該步驟可以避免隨后在蒸汽相中實(shí)施的預(yù)水解。木片隨后在預(yù)水解步驟Pr中處理，在該步驟中通過(guò)蒸汽將木片加熱至大約120°C至180°C并持續(xù)至少20分鐘以制造預(yù)水解纖維素材料和酸性水解產(chǎn)物。添加液體如水H2O是一種選擇，如果例如在連續(xù)蒸煮系統(tǒng)中嘗試液體預(yù)水解的話這是優(yōu)選的。另一種選擇是添加酸化劑Ac，如果在該預(yù)水解中嘗試更低溫度的話。
[0041]根據(jù)本發(fā)明的方法，通過(guò)添加強(qiáng)的和冷的堿密集裝料WL冷實(shí)現(xiàn)預(yù)水解的立刻結(jié)束，所述堿密集裝料的體積和溫度將使纖維素材料溫度與預(yù)水解階段中的溫度相比降低至少10%。優(yōu)選如果預(yù)水解溫度為大約120°C則降低至少12°c，如果預(yù)水解溫度為大約180°C則降低至少18°C。這將獲得堿性處理液，該堿性處理液在裝料后達(dá)到高于20克/升以NaOH計(jì)的有效堿的殘余有效堿濃度。隨后，將該預(yù)水解材料在堿預(yù)提取階段Ex保持足夠的時(shí)間以便將堿濃度降低至少10克/升以NaOH計(jì)的有效堿，但是不會(huì)降低至低于5克/升以NaOH計(jì)的有效堿的濃度。在該預(yù)提取階段中，溶解的碳水化合物以及在該預(yù)水解中溶解的任何木質(zhì)素在該堿性預(yù)提取階段過(guò)程中保持溶解，并從該纖維素材料中溶解更多的碳水化合物與木質(zhì)素。隨后，將該纖維素材料由堿性預(yù)提取階段Ex轉(zhuǎn)移至硫酸鹽蒸煮階段Co。在轉(zhuǎn)移到硫酸鹽蒸煮階段之前，優(yōu)選抽取一大部分用過(guò)的堿性處理液以回收，并將新鮮的堿裝料WL添加至蒸煮開始。硫酸鹽蒸煮可以以任何類型的已知硫酸鹽蒸煮法實(shí)施，例如間歇式或連續(xù)蒸煮，如Compact蒸煮、Lo-Solids蒸煮、ITC-蒸煮、MCC蒸煮、EAPC蒸煮。硫酸鹽蒸煮隨后通過(guò)洗滌階段Wa來(lái)結(jié)束，該洗滌階段可以以在任何類型的已知洗滌設(shè)備中實(shí)施，如在蒸煮器底部的逆流洗滌區(qū)，或在蒸煮后使用壓力擴(kuò)散器洗滌或過(guò)濾器洗滌。
[0042]在圖3a中示意性公開了在預(yù)水解后當(dāng)暴露于堿密集裝料時(shí)貫穿木片的pH狀況。在木片芯處的pH水平與預(yù)水解中實(shí)現(xiàn)的pH水平一樣低，而木片外表面暴露于獲得的堿性處理液。
[0043]在圖3b中公開了在脫木質(zhì)素過(guò)程中隨溫度而改變的堿的反應(yīng)速率(即消耗速率)。這里公開了硫酸鹽蒸煮的經(jīng)驗(yàn)法則，其中溫度每提高8°C，反應(yīng)速率加倍。如果開始于140°C的典型蒸煮溫度，該溫度對(duì)應(yīng)于作為100%的基準(zhǔn)參考的反應(yīng)速率。如果蒸煮溫度逐步降低8°C至132、126、118和110°C，反應(yīng)速率將分別逐步降低至50%、25%、12.5%和6.25%。因此最重要的是降低溫度，如果木片的芯用強(qiáng)堿浸潰，減少了木質(zhì)素脫木質(zhì)素反應(yīng)導(dǎo)致的擴(kuò)散過(guò)程中的堿消耗。擴(kuò)散過(guò)程中過(guò)高的堿消耗速率會(huì)導(dǎo)致在含有木質(zhì)素的纖維素材料的芯中的堿短缺，導(dǎo)致在隨后的硫酸鹽蒸煮階段后次品量提高。
[0044]在圖4中顯示了如果分別使用熱的或冷的堿性處理液(即Ts和IV)使堿擴(kuò)散到預(yù)水解的木材中，在木片內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的pH水平方面的示意性差別。如在右圖中看到的那樣，在冷的堿性液(IV)中處理后達(dá)到的pH水平(虛線)在纖維素材料的芯中遠(yuǎn)高于使用熱的堿性處理液T熱時(shí)的pH水平。其原因在于在擴(kuò)散過(guò)程中降低的堿消耗速率。
[0045]對(duì)于后繼蒸煮而言最重要的是均勻的pH狀況，這顯示在圖5中，圖5分別對(duì)熱的和冷的堿性處理用虛線示意性公開了穿過(guò)蒸煮過(guò)的木片的卡伯值。如在左圖中看到的那樣，卡伯值在芯中更高，即未蒸煮UC，而表面具有低得多的卡伯值，即過(guò)度蒸煮0C。這導(dǎo)致了芯部分的高次品量和在表面處纖維素的堿降解。在右圖中顯示了更均勻的脫木質(zhì)素，因水平化pH狀況而在木材表面與芯之間存在較小的差異。左圖和右圖均獲得相同的平均卡伯值Hav，但是在用冷堿處理后進(jìn)行的蒸煮獲得了含有更高α -纖維素的紙漿。
[0046]在圖6中公開了用于預(yù)水解和蒸煮的三容器連續(xù)蒸煮系統(tǒng)。木片首先進(jìn)料到木片儲(chǔ)料器1中并隨后送入蒸汽處理容器2中，在此過(guò)程中添加蒸汽ST用于吹掃木片以除去附著的空氣。蒸汽處理過(guò)的木片由蒸汽處理容器落入在高壓流槽進(jìn)料器3上方的充滿液體的斜槽，該高壓流槽進(jìn)料器將蒸汽處理過(guò)的木片加壓并將形成的木片漿料以進(jìn)料流4進(jìn)料至預(yù)水解容器10。這里，預(yù)水解容器為蒸汽-液體相蒸煮器形式，其具有倒置的頂部分離器11，可以由管道4抽取一部分輸送液體經(jīng)Α返回至進(jìn)料開始處。如所示那樣，將蒸汽ST添加到容器10的頂部，任選還可以由來(lái)源Ac添加酸。在該預(yù)水解容器10的底部中，由來(lái)源WL添加冷強(qiáng)堿裝料。這可以通過(guò)將該堿混入返回流B來(lái)實(shí)現(xiàn)。在其目前為堿性的處理液中的預(yù)水解木材在管道14中進(jìn)料至隨后的預(yù)提取容器20，該容器為用水填充的容器形式，具有下方進(jìn)料的頂部分離器21。在預(yù)提取容器中在必需的處理時(shí)間后，將堿性木材經(jīng)管道24進(jìn)料到蒸汽-液體相蒸煮器30中，并通過(guò)倒置的頂部分離器31抽取過(guò)量的傳輸流體并送至C，將其作為轉(zhuǎn)移循環(huán)的一部分添加到預(yù)提取容器20的底部。這里，可以抽取所用的堿性處理液的一大部分以便由返回流C回收。在蒸煮器30中進(jìn)行硫酸鹽蒸煮，并最終在壓力擴(kuò)散器40中洗滌預(yù)水解和蒸煮的紙漿。
[0047]在圖7中公開了用于預(yù)水解和蒸煮的雙容器連續(xù)蒸煮系統(tǒng)。這里相對(duì)于圖6的差別在于，預(yù)提取容器20作為容器30中的第一階段在頂部分離器31與篩網(wǎng)部分之間進(jìn)行由該篩網(wǎng)部分抽取所用堿性處理液的一大部分至RECl的回收。用于隨后的蒸煮相的新鮮白液經(jīng)抽取篩網(wǎng)高度處的中心管道添加。
[0048]在圖8a至8d中，顯示了本發(fā)明的方法如何以4步次序在間歇式蒸煮器中實(shí)施。在圖8a中顯示了蒸汽預(yù)水解階段，其中蒸汽相在預(yù)水解溫度Thyd下填充該容器。在該預(yù)水解階段結(jié)束時(shí)，將冷卻的白液添加到底部，如圖8b中所示，添加的白液捕獲木材上的酸性冷凝物(作為在上升的冷白液液面前面的層PC)。在圖Sc中顯示了隨后冷白液穿過(guò)容器的置換階段，這里還存在更大體積的在酸性冷凝物PC與上升的冷白液之間形成的冷白液與酸性冷凝物的混合物MX。當(dāng)液面達(dá)到上部篩網(wǎng)時(shí)，其可以如圖8d中所示循環(huán)回到底部，至少一部分酸性冷凝物PC可以在混合部分MX中或作為酸性冷凝物的一部分返回。但是，酸性冷凝物PC的一部分或全部可以以更純凈部分PC的形式送去回收，而僅僅循環(huán)包含在混合物MX中的酸性冷凝物。由抽取至再循環(huán)的切換可以通過(guò)pH傳感器和/或溫度傳感器來(lái)控制。
【權(quán)利要求】
1.由含有木質(zhì)素的纖維素材料制備紙漿的方法，包括在大約120°c至180°C的溫度下在預(yù)水解階段中預(yù)水解所述纖維素材料，并持續(xù)至少20分鐘以制造預(yù)水解纖維素材料與酸性水解產(chǎn)物；向預(yù)水解纖維素材料與酸性水解產(chǎn)物的混合物中添加強(qiáng)堿密集裝料使中和酸性水解產(chǎn)物后的殘余堿濃度高于20克/升以NaOH計(jì)的有效堿的程度，形成堿性處理液；在堿性預(yù)提取階段中將該預(yù)水解纖維素材料保持在所述堿性處理液中充足的時(shí)間以便將堿濃度降低至少10克/升以NaOH計(jì)的有效堿，但不降低至低于5克/升以NaOH計(jì)的有效堿的濃度，由此溶解的碳水化合物和在預(yù)水解階段中溶解的任何木質(zhì)素在此堿性預(yù)提取階段過(guò)程中保持溶解，并在堿性預(yù)提取階段中從該纖維素材料中溶解更多的碳水化合物和木質(zhì)素；隨后將該纖維素材料由堿性預(yù)提取階段轉(zhuǎn)移至硫酸鹽蒸煮階段，其特征在于，使用一定的液體量制造強(qiáng)堿密集裝料，所述液體量使得用于預(yù)水解材料的所得堿性處理液的溫度與預(yù)水解階段中的溫度相比降低至少10%，優(yōu)選如果預(yù)水解溫度為大約120°C則降低至少12°C，如預(yù)水解溫度為大約180°C則降低至少18°C，以便減少蒸煮化學(xué)品擴(kuò)散過(guò)程中的堿消耗，在該擴(kuò)散過(guò)程中堿處理液浸潰到所述含有木質(zhì)素的纖維素材料的芯中。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中僅通過(guò)加熱和任選添加水而不添加任何外部酸化劑進(jìn)行所述預(yù)水解的酸化，僅僅使用加熱過(guò)程中釋放的木材酸度在預(yù)水解過(guò)程中達(dá)到低于5的pH水平。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述預(yù)水解的酸化在充滿液體的相中進(jìn)行。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中預(yù)水解結(jié)束時(shí)的溫度為150-180°C。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中所述用于預(yù)水解材料的所得堿性處理液的溫度低于130。。。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述預(yù)水解的酸化通過(guò)加熱和添加外部酸化劑來(lái)實(shí)現(xiàn)，在預(yù)水解過(guò)程中達(dá)到低于3的pH水平。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述預(yù)水解的酸化在充滿液體的相中進(jìn)行。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中預(yù)水解結(jié)束時(shí)的溫度為120-165°C。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述用于預(yù)水解材料的所得堿性處理液的溫度低于125。。。
10.如權(quán)利要求2或5所述的方法，其中將該預(yù)水解纖維素材料保持在所述堿性處理液中的步驟進(jìn)行大約10至90分鐘。
11.如權(quán)利要求2或5所述的方法，其中在硫酸鹽蒸煮階段開始之前從所述堿性預(yù)提取階段中除去用過(guò)的堿性處理液中的至少1立方米/噸木材0D，及其所含的溶解的碳水化合物與木質(zhì)素，此后向硫酸鹽蒸煮階段添加堿。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其中在連續(xù)蒸煮器系統(tǒng)中實(shí)施該方法，該系統(tǒng)使用至少一個(gè)容器用于預(yù)水解，一個(gè)容器用于堿性預(yù)提取階段和硫酸鹽蒸煮階段。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中堿性預(yù)提取階段在單獨(dú)的容器中實(shí)施，硫酸鹽蒸煮階段在另一單獨(dú)的容器中實(shí)施。
【文檔編號(hào)】D21C1/04GK103687990SQ201180072257
【公開日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2011年5月13日 優(yōu)先權(quán)日:2011年5月13日
【發(fā)明者】丹尼爾·托林, 斯蒂芬·安東松, 喬納·賽特拉森, 邁克爾·林茲特倫 申請(qǐng)人:美卓造紙機(jī)械(瑞典)公司