專利名稱：中等稠度紙漿的氧化去木質(zhì)作用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于將中等稠度紙漿氧化去木質(zhì)并增亮的改進方法。該方法采用兩階段反應設計，用過氧化氫進行增強。
已知的用于將中等稠度的紙漿氧化去木質(zhì)的方法和裝置包括采用高剪切混合器以及單個反應器，反應時間為20-60分鐘。這些方法是在10-12.5的堿性pH值下、在10-14％稠度下操作進行的。將氧氣和過氧化氫與湍流狀態(tài)的紙漿接觸，持續(xù)時間低于1秒鐘。在高剪切混合器之前將氧氣和過氧化氫加入，可以同時加入，也可以先加入過氧化氫，10-300秒鐘后加入氧氣。至今上述設計的亞硫酸鹽漿系統(tǒng)降低卡伯值60-70％，亮度增加20-25％ISO。據(jù)報導有一半以上的卡伯值降低是發(fā)生在導入氧氣以后的高剪切混合器中。加入過氧化氫漂白步驟可以達到84-86％的最終亮度。
已知方法的缺點在于需要大量的過氧化氫，為達到80左右的ISO常常超過5.0％，這樣就要在氧化去木質(zhì)階段以后再進行兩個獨立的過氧化氫漂白步驟。
人們已經(jīng)認識到氧化去木質(zhì)反應是在兩種不同的反應動力學水平下進行。第一種反應很快地發(fā)生，它使木質(zhì)粉碎(去木質(zhì)作用)。它是一種自由基漂白反應，取決于堿濃度或pH值。當該反應進行并產(chǎn)生有機酸時也會消耗堿(即NaoH)，從而使反應過程中的pH值下降0.5-1個點。這與現(xiàn)有的現(xiàn)場觀察是一致的。第二個反應緩慢地發(fā)生，其速度估計比第一種反應慢20倍，該反應用于使發(fā)色結(jié)構(gòu)破壞(亮度顯示)。它是一種離子漂白反應，與堿濃度或pH值有關(guān)。當該反應進行并產(chǎn)生有機酸時也消耗堿，從而使反應過程中的pH值下降1-2個點。
向氧化去木質(zhì)階段中加入過氧化氫(H2O2)會增加兩個反應動力學，導致去木質(zhì)化作用和亮度增加。對于亞硫酸鹽紙漿來說，它會對第一快速的去木質(zhì)反應產(chǎn)生最大的影響。過氧化物的作用極大地減緩了第二增亮反應。這可能是由于所加入的過氧化氫在第一反應中作為去木質(zhì)和增亮試劑而起反應的緣故。這就消耗了過氧化氫并且增加了第一反應的堿消耗量。需要對第二反應的過氧化氫和堿進行校正以使其有效地進行。
本發(fā)明的目的在于提供一種用于將中等稠度的紙漿去木質(zhì)并增亮的方法以至可以改進隨后的總游離氯(TCF)亮度反應但有最少的漂白化學處理。本發(fā)明采用兩階段氧化去木質(zhì)思路，過氧化氫僅加入到第二反應階段中。本發(fā)明可以用來改進現(xiàn)有的中等稠度氧化去木質(zhì)系統(tǒng)以及用于新的系統(tǒng)。
為了有效地實現(xiàn)該目的(OOp)，該氧化去木質(zhì)系統(tǒng)將設計成有兩個反應器，每一個均帶有專用的混合器。第一混合器是用于氧氣和堿的高剪切或可延長時間的氣體混合器并且第一反應器的停留時間為5-10分鐘(O)。第二混合器是用于氧氣、過氧化氫和堿的延長時間的或高剪切混合器，其停留時間為30-180分鐘(Op)。
參照下列描述結(jié)合附圖，本發(fā)明的上述以及進一步地目的和特點將變得顯而易見。


圖1是描述用于木漿的去木質(zhì)和增亮的O/Op反應流程圖；圖2是卡伯值對時間(分鐘)的曲線圖，它表示與加有0.5％過氧化氫(Op)的60分鐘氧化去木質(zhì)過程以及10分鐘氧化去木質(zhì)而后加入0.5％過氧化氫(OOp)的50分鐘(Op)階段相比，60分鐘氧化去木質(zhì)過程(O)的效果；以及圖3是％ISO對時間(分鐘)的曲線圖，它進行與圖2相同的比較。
現(xiàn)在參見附圖，它們僅僅是用于說明本發(fā)明的一種優(yōu)選的實施方案的目的，而不是要對本發(fā)明的進行限定。圖1是表示用于本發(fā)明的優(yōu)選實施方案中的反應示意圖。在該圖中，裝置10包括兩個混合器，即高剪切混合器18和延長的接觸氣體混合器28，它們串聯(lián)安裝，每一個混合器的停留時間為1秒以下到5分鐘。裝置10以及用它進行的方法的操作壓力約為20-200psig。將紙漿源12供入高剪切混合器或延長時間的接觸氣體混合器18中，其稠度為約10-16％，溫度為約170-240華氏度，優(yōu)選地為190-210華氏度。堿源14與混合器18直接相通，或先于其與紙漿徹底混合，以使紙漿的pH值至少為約11.0或更高，更優(yōu)選地為12.0或更高。提供一個氧氣源16直接與混合器18相連或早于參加混合過程。將第一個混合器18的內(nèi)容物攪拌1秒鐘以下-5分鐘，而后移送到加壓反應器20中。與混合器18相連的蒸汽源34確保紙漿處于所述的溫度范圍內(nèi)。在該加壓反應器的下游是第二混合器28，其上配有用于堿22、氧氣26和過氧化物24的相應進口。堿使得紙漿的pH回到至少11.0，更優(yōu)選地為12.0，而氧源補充在第一反應中消耗或部分消耗的氧。提供另一個蒸汽源36(可以采用上述34相同的源)并將其與產(chǎn)物相連，使紙漿的溫度為約170-240華氏度，優(yōu)選地為190-220華氏度。在混合器28中將紙漿攪拌1秒鐘以下至5分鐘。最后將產(chǎn)物送入第二反應器30中，在該反應器中，緩慢地進行離子漂白反應在約170-240華氏度，優(yōu)選地為190-220華氏度下發(fā)生。第一反應器中的壓力為60-180psig，更優(yōu)選地為85-140psig。第二反應器中的壓力為0-180psig，有時優(yōu)選地為85-140psig.。
在亞硫酸鹽紙漿(棕色紙漿)上進行一系列高壓釜反應，紙漿的卡伯值為10.7，粘度為33.4cps，亮度為51％ISO，Z跨度(Z-span)為18.7psi。將這種材料作為所有試驗的基本材料，其結(jié)果概述于下表1中的“基料”欄中。
下面所述的實驗室工作采用高壓釜型氧化反應器。用1和2代表的順序表示在10和60分鐘以后在如表1所示的恒定的條件下氧化去木質(zhì)作用(O階段)的效果。最終的pH分別是11.7和9.9?？梢钥吹皆诳偣?0分鐘的反應中的最初10分鐘時間內(nèi)總卡伯值下降64％，總％ISO低于45％。這些結(jié)果也示于圖2和3中。這是典型的初始自由基去木質(zhì)反應。
表1氧化去木質(zhì)過程和漂白(a)
(a)條件包括100psigO2和0.5％硫酸鎂(b)第一反應(～10分鐘)(c)第二反應(～50分鐘)順序3和4表示在表1所示的條件下、在10和60分鐘后加入0.5％過氧化氫和增加0.5％氫氧化鈉到2.5％氫氧化鈉的堿加料(Op)的氧化去木質(zhì)作用的效果。最終的pH分別是11.4和9.5。在10和60分鐘以后，通過加入過氧化氫和NaOH而提高去木質(zhì)作用和增加％ISO。與順序1和2相比，較低的最終pH值會增加氫氧化鈉消耗量?？梢钥吹皆诳偣?0分鐘的反應時間的最初10分鐘時間內(nèi)總卡伯值下降88％，獲得78％總ISO。
與僅用氧氣的第二50分鐘相比(參見圖2和3中Op曲線的斜率)，加入過氧化氫的第二50分鐘內(nèi)的去木質(zhì)作用和亮度均下降了。這可能部分是由于在第一快速去木質(zhì)反應中發(fā)生去木質(zhì)和增亮的緣故。這使得初級階段的氫氧化鈉消耗量增加，降低了第二階段的氫氧化鈉量和pH(在最初的10分鐘后，11.7pH(O)對11.4pH(Op))。該最初階段利用加入的過氧化氫來爭取可獲得的NaOH和H2O2，以增亮和去木質(zhì)并且使動力學疊加，雖然最終的結(jié)果得到的了改進，(參見順序1和2，比較最終的卡伯值和％ISO值)但這是由于在快速初始階段中的反應動力學改進造成的(容易的部分)如順序4中所示以及通過Op曲線的最終的50分鐘部分的基本上平坦的斜率可以看出，由于氫氧化鈉和過氧化氫的消化，第二增亮階段明顯減慢。
過氧化氫基本上是一種與強堿有關(guān)的增亮劑。它最好和另外的氫氧化鈉一起使用，以補充較慢的第二增亮反應的化學性。沒有明顯的過氧化氫增強，該快速初始去木質(zhì)過程也是有效的。
順序3、4和5對單一階段化學試劑加入與分開的兩階段氧化去木質(zhì)過程，即僅僅向第二階段中加入0.5％過氧化氫和增加0.5％氫氧化鈉的效果進行比較。總的卡伯值降低量增加了0.7，亮度增加了5.6％ISO。表2表示在Op階段單一階段加入過氧化物在十分鐘以后，將氫氧化鈉殘余濃度降低到0.72gpl(順序3)使第二反應的最終的卡伯值降低到3.4，ISO為68.8％(順序4)。O/Op階段分開導致了有1.26gpl氫氧化鈉濃度進入到第二50分鐘Op階段中。這使得最終的卡伯值為2.7和74％ISO(順序5)。由表2還可以推斷60分鐘以后的最終pH值最好在10.0以上。還可以看出順序3、4和5總的化學加料量為3.0％氫氧化鈉和0.5％過氧化氫。
表2順序 階段 時間 初始 最終 最終最終卡 最終(分鐘) NaOH NaOH pH 伯值 ％ISO(gpl) (gpl)3 Op 10 4.10 0.72 11.44.364.94 Op 60 0.72 0.34 9.8 3.468.85 O 10 3.40 0.30 11.76.657.05 Op 50 1.26 0.25 10.02.774.4順序6表明通過在較低的90℃溫度下操作可以獲得較小但明顯的去木質(zhì)作用和亮度。對軟木硫酸鹽(Kraft)漿進行氧化去木質(zhì)過程的實驗室研究表明采用過氧化氫增強的這種方法同樣是有效的。
表3對于O和O去木質(zhì)過程順序的北方軟木紙漿(1)的去木質(zhì)反應順序 階段 時間 卡伯值 ％ISO 粘度Z-跨度(分鐘)(cps) (psi)基料(1)17.431.3 39.7381 O 5 15.432.5 28.729.42 O 6010.936.6 23.2263 Op5 13.833.9 27.830.84 Op6010.536.1 23.227.45 O 5 15.432.5 28.729.46 OOp 5/55 1.269.8 37.2 20.926.6(1)紙漿基本特征(2)工藝變量是O2壓力100psig稠度 12.0％NaOH 1.4％H2O2 0.5％(僅Op)溫度 95％CMgSO4 0.5％這種兩階段設計提供了獨立的去木質(zhì)和增亮階段，每個階段具有獨立的化學制劑控制，導致了第二階段增強，它將改進總的去木質(zhì)和增亮結(jié)果。
至今人們還沒有認識到過氧化物是增強硫酸鹽漿(Kraft)氧化去木質(zhì)過程的一種經(jīng)濟方法。這種結(jié)論是基于采用與順序3和4中所示的條件相同的條件下的評價結(jié)果。在沒有加入過氧化物的順序1和2的氧化去木質(zhì)過程中卡伯值下降量改進僅為0.4，此效果增加太小以至于沒有經(jīng)濟價值。
向第二混合器中加入過氧化物使第一階段的去木質(zhì)反應自已進行，這對于相同的化學試劑加入量來說可以提高去木質(zhì)作用達0.7卡伯值的降低量(10.5對9.8)。該氧化去木質(zhì)過程的總的卡伯值降低改進量為1.1(10.9對9.8)(順序1和2)。
表4表示通過采用OOp硬木亞硫酸鹽漿獲得的亮度和去木質(zhì)作用可以轉(zhuǎn)移到用于硬木亞硫酸鹽漿的后續(xù)Z(臭氧)P(過氧化物)TCF(總的游離氯)漂白順序。這些優(yōu)點使得最終的P(過氧化物)階段的過氧化氫用量明顯降低，獲得88％ISO亮度(0.5％對1.5％)以及超過92％ISO較高的最終亮度上限。
表4對于Op/Z/P和O/Op/Z/P順序的硬木亞硫酸漿的亮度(％ISO)反應Op/Z/PO/Op/Z/P棕紙漿 51.0 51.0O和/或Op階段68.8 71.5Z階段(0.4％)80.0 82.7P階段(0.5％)88.7 91.0P階段(1.5％)91.2 92.6Op和O/Op階段與表1中所說的相同，12.0％cs(od)；Z階段的pH為2.7，環(huán)境溫度，40％cs(od)，而P階段的pH為10.2-10.3，90℃，3.5小時，0.5％DPTA，1.0％Na2SiO3，以及12.0％cs(od)。
由這些研究可以推測OOp順序可以對第二Op階段進行最佳控制。對于沒有濾液循環(huán)到OOp階段的亞硫酸鹽漿來說，最好十分鐘O階段以后的Op階段在1.25gpl氫氧化鈉最小值下操作，其最終的pH控制在大于等于10.0。堿和pH對控制硫酸鹽漿的OOp順序是關(guān)鍵，但是由于這些系統(tǒng)的濾液循環(huán)，外推是非常困難的。
雖然結(jié)合特定的實施例對本發(fā)明及其特定的步驟進行了描述，但很顯然這僅僅是借助于實施例而不是要對本發(fā)明的范圍進行限定，本發(fā)明的范圍如在其目的以及所附的權(quán)利要求書所述。
權(quán)利要求
1.一種用于將中等稠度的紙漿氧化去木質(zhì)的方法，它包括下列步驟在約170-240華氏度溫度下提供稠度為約10-16％的紙漿；調(diào)節(jié)紙漿的pH值至少為11；在攪拌混合的同時向紙漿中加入氧氣；在第一加壓反應器中使紙漿反應；將紙漿的pH值調(diào)節(jié)到至少為11；用過氧化氫和氧氣浸漬該紙漿；以及在約170-240華氏度溫度下在第二反應器中使紙漿反應同時保持最終的pH至少為10。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，在第一加壓反應器步驟中所述紙漿的反應是在60-180psig壓力和190-220華氏度溫度下發(fā)生的。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中，在第一加壓反應器步驟中所述紙漿的反應是在85-140psig壓力下發(fā)生的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，在第一加壓反應器步驟中所述紙漿的反應發(fā)生約2-30分鐘。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中，在第一加壓反應器步驟中所述紙漿的反應發(fā)生約5-10分鐘。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，在第二反應器步驟中所述紙漿的反應是在0-180psig壓力和190-220華氏度溫度下發(fā)生的。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中，在第二反應器步驟中所述紙漿的反應是在85-140psig壓力下發(fā)生的。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中，在第二反應器步驟中所述紙漿的反應發(fā)生30-180分鐘。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，所述第一次調(diào)節(jié)紙漿的pH的步驟是使pH至少為12。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中，所述第二次調(diào)節(jié)紙漿的pH的步驟是使pH至少為12。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，所述向紙漿中加入氧氣的步驟發(fā)生在高剪切混合器中。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，所述第二次調(diào)節(jié)紙漿的pH至少為11的步驟包括加入足量的堿，使殘余的堿濃度至少為1.25gpl。
13.一種用于將中等稠度的紙漿氧化去木質(zhì)的方法，它包括下列步驟在約170-240華氏度溫度下提供一種稠度為約10-16％的紙漿；調(diào)節(jié)紙漿的pH值至少為11；在攪拌混合的同時向紙漿中加入氧氣；在第一加壓反應器中使紙漿反應；將紙漿的pH值調(diào)節(jié)到至少為11并加入足量的堿以使殘余的堿濃度至少為1.25gpl；用過氧化氫和氧氣浸漬該紙漿；以及在約170-240華氏度溫度下在第二反應器中使紙漿反應同時保持最終的pH至少為10。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中，在第一加壓反應器步驟中所述紙漿的反應是在60-180psig壓力和190-220華氏度溫度下發(fā)生的。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中，在第一加壓反應器步驟中所述紙漿的反應是在85-140psig壓力下發(fā)生的。
16.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中，在第一加壓反應器步驟中所述紙漿的反應發(fā)生約2-30分鐘。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中，在第一加壓反應器步驟中所述紙漿的反應發(fā)生約5-10分鐘。
18.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中，在第二反應器步驟中所述紙漿的反應是在60-180psig壓力和190-220華氏度溫度下發(fā)生的。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的方法，其中，在第二反應器步驟中所述紙漿的反應是在85-140psig壓力下發(fā)生的。
20.根據(jù)權(quán)利要求18的方法，其中，在第二反應器步驟中所述紙漿的反應發(fā)生30-180分鐘。
21.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中，所述調(diào)節(jié)紙漿的pH的步驟是使pH至少為12。
全文摘要
本發(fā)明描述了一種用于將中等稠度的紙漿氧化去木質(zhì)的方法,它包括下列步驟:在約170—240,優(yōu)選地為190—220華氏度溫度下提供稠度為約10—16%的紙漿;用氧氣和堿徹底浸漬紙漿以使紙漿的pH值至少為11,更優(yōu)選地為12;在攪拌混合的同時在高剪切混合器中向紙漿中加入氧氣;在第一加壓反應器中使紙漿反應5—10分鐘;將紙漿的pH值調(diào)節(jié)到至少為11,更優(yōu)選地為12,殘余的堿濃度至少為1.25gpl;用過氧化氫和氧氣徹底浸漬該紙漿;以及在第二反應器中使紙漿反應30—180分鐘。通過僅僅在慢速漂白反應過程中采用過氧化氫,可以獲得較低的卡伯值和較高的%ISO,這些良好的特征在后續(xù)的工藝步驟中可保持。
文檔編號D21C9/147GK1203643SQ96198796
公開日1998年12月30日 申請日期1996年11月13日 優(yōu)先權(quán)日1995年12月7日
發(fā)明者威廉·J·米勒 申請人:貝洛特工藝技術(shù)公司