Brevet FR2519357A1 — publié le 19830708

La présente invention concerne un procédé pour la digestion continue d'une matière finement divisée. Plus particulièrement, l'invention concerne un procé- dé pour la digestion continue à température élevée et éventuellement sous pression d'une matière finement divisée par passage de ladite matière finement divisée successive- ment à travers une zone de chauffage, au moins une zone de digestion et une zone de refroidissement en contact avec une phase liquide. On connait déjà bien des procédés dans lesquels une matière finement divisée, telle que des copeaux de bois, est digérée à une température et une pression élevée au moyen d'un liquide de digestion, tel qu'une liqueur blanche, par passage des copeaux de bois du haut vers le bas à travers une tour de digestion fonctionnant en continu, divisée en zones différentes pour chauffer et imprégner les copeaux, provoquer la digestion des copeaux chauffés et imprégnés et pour laver et refroidir la pâte ainsi ob- tenue Ces tours de digestion sont habituellement équipées de filtres pour extraire le liquide de la matière solide au début et à la fin des zones et également éventuellement en des positions intermédiaires Le liquide de lavage est introduit à l'extrémité de sortie de la zone de lavage près du point o on évacue la pâte, si bien que le liquide de lavage s'écoule à contre-courant de la pâte dans la zone de lavage La liqueur blanche est introduite dans la zone de digestion et la liqueur produite est évacuée de la zone de digestion de telle sorte que la direction principale du courant de liquide dans la zone de digestion est soit-la même soit est opposée à celle des copeaux qui s'y trouvent. Dans les procédés connus à ce jour, les copeaux et la liqueur blanche sont chauffés soit par chauffage direct des copeaux avec de la vapeur primaire et de la vapeur obtenue par détente de la liqueur noire, soit par mélange des copeaux avec la liqueur blanche qui est chauffée indirectement par de la vapeur (voir les brevets SF ne 40 678, ne 46 755 et n O 52 366). Bien que, grâce à diverses améliorations de la récu- pération interne de la chaleur dans les digesteurs moder- nes fonctionnant en continu, on puisse réduire la consom- mation de chaleur à environ 2-3 GJ/t de pâte, on a décou- vert que de façon surprenante, on peut obtenir'une réduction complémentaire considérable de la consommation de chaleur. Le but de l'invention est donc un procédé pour la di- gestion d'une matière finement divisée à une température élevée et éventuellement sous pression, par emploi d'une quantité de chaleur très intérieure à celle précédemment utilisée Les caractéristiques principales de l'invention ressortiront des revendications annexées. Le procédé de l'invention s'applique particulièrement à la cuisson du bois pour obtenir de la cellulose, auquel cas la matière première est de façon appropriée sous forme de copeaux et la cuisson s'effectue principalement en pha- se liquide, comme c'est le cas des procédés au sulfate, à la soude et au sulfite La cuisson peut être effectuée soit en un seul stade, soit en plusieurs stades et la li- queur de cuisson peut être constituée soit d'une solution aqueuse contenant des produits chimiques minéraux de cuis- son, soit principalement d'un solvant organique (par exem- ple l'éthanol) Le procédé de l'invention peut être appli- qué à des procédés dans lesquels le bois est cuit pour obtenir du sucre comme produit principal (hydrolyse) pour la production de produits à base de pentose ou dthexose. En plus de la consommation de chaleur réduite, on peut, grâce à l'invention, effectuer le traitement par la chaleur et les agents chimiques dans des conditions plus modérées pour réduire l'attaque chimique indésirable et les produits de décomposition et également les incrustations et les colmatages De plus, il est possible entre autres de réduire les besoins en agents chimiques de cuisson. Pour obtenir autant que possible le résultat désiré, le présent procédé repose sur les principes suivants: 1) La récupération et la réutilisation de la chaleur doit s'effectuer sans changement de phase, ce qui signi- fie que le transfert de chaleur du courant effluent au cou- rant affluent doit s'effectuer de préférence par transfert de chaleur direct entre les copeaux et un liquide appro- prié lorsque cela est possible, sans mélange indésiré des divers agents chimiques, ou sinon, par échange de chaleur indirect entre des liquides dans un échangeur de chaleur. 2) L'échange de chaleur doit s'effectuer à contre- courant et doit être conçu de façon que le flux de capacité thermique du récepteur de chaleur soit approximativement égal au flux de capacité thermique de la source de chaleur. Lorsque ces deux flux de capacité thermique sont égaux, on obtient la récupération maximale de la chaleur Dans tes procédés connus à ce jour, ces deux flux sont d'un ordre de grandeur très différent Ainsi, par exemple, le flux de capacité thermique de la liqueur faible est égal à environ 3,5 fois le flux de capacité thermique des co- peaux lorsque les copeaux sont préchauffés par vaporisation par détente de la liqueur faible. 3) Le transport des divers liquides doit être conçu pour que les liquides ayant une teneur plus élevée qu'on ne le désire en produits chimiques actifs de cuisson ne soient pas évacués du processus de cuisson, Le terme "flux de capacité thermique" utilisé dans le présent contexte désigne la somme pour la totalité des composants de la chaleur massique du composant multipliée par son flux pondéral (l'unité est par exemple W/OC). Dans la présente invention, la matière finement divi- sée est par conséquent chauffée avant digestion par un liquide, la direction principale d'écoulement dudit liquide étant à contre-courant par rapport à la matière solide, et l'entrée de ladite matière finement divisée et l'évacuation de la phase liquide à l'extrémité de sortie de la zone de chauffage étant réglées de telle sorte que leurs flux de pouvoir calorifique soient approximativement du même ordre de grandeur. Pour mettre en marche de façon appropriée le proces- sus de digestion, on fournit tout d'abord à la phase li- quide alimentant l'extrémité d'entrée de la zone de diges- tion une quantité de chaleur telle que la température dans la zone de digestion s'élève à la valeur désirée, puis on règle la quantité de phase liquide évacuée de l'extrémité d'entrée de la zone de chauffage pour que ledit apport de chaleur complémentaire soit réduit autant que possible. Pendant la poursuite de l'opération, on maintient pratique- ment égaux lesdits flux de capacité thermique par ajus- tement de la quantité de la phase liquide évacuée de l'ex- trémité d'entrée de la zone de chauffage pour que la dif- férence de température entre ladite phase liquide et la matière finement divisée avec le liquide alimentant l'extré- mité d'entrée de la zone de chauffage soit maintenue prati- quement constante. Pour récupérer la chaleur de la liqueur produite éva- cuée de l'extrémité de sortie de la zone de digestion, ladite liqueur est de façon appropriée mise en contact avec échange de chaleur indirect à contre-courant avec la liqueur de digestion fraiche que l'on introduit dans l'ex- trémité d'entrée de la zone de digestion ou avec la liqueur contenant les produits chimiques de cuisson qui est éva- cuée de l'extrémité d'entrée de la zone de chauffage et qui est ensuite introduite dans l'extrémité d'entrée de la zone de digestion Les courants des liqueurs mises en contact avec échange de chaleur indirect à contrecourant sont également dans ce cas ajustés de façon appropriée pour que leurs flux de capacité thermique soient approxi- mativement du même ordre de grandeur et il s'ensuit qu'éga- lement le flux de capacité thermique de l'eau de lavage que l'on introduit dans la sortie de la zone de refroi- dissement est approximativement égal au flux de capacité y thermique de la p Ate avec le liquide qui lui est associé évacuée de la sortie de la zone de refroidissement. J 5 Les diverses zones peuvent naturellement être formées par des installations séparées et réunies entre elles. L'invention est décrite de façon plus détaillée ci- après en regard des dessins annexés dans lesquels " La figure 1 illustre schématiquement une coupe verti- K' 10 cale d'un digesteur pour la mise en pratique de l'inven- tion, et La figure 2 illustre une vue verticale semblable d'un autre digesteur qui convient particulièrement bien du point de vue de l'économie de chaleur et que l Von peut utiliser pour la mise en pratique d'un autre procédé selon la présente invention. Le-digesteur illustré par la figure 1 est constitué d'une haute tour fermée 13 qui, au moyen de filtres d'ex- traction 14, est divisée en trois zones, à savoir une zone de chauffage A, une zone de digestion B et une zone de re- froidissement C, les unes au-dessus des autres, et dans l'ordre indiqué de haut en bas. La matière solide est introduite en continu par la canalisation 1 au sommet du digesteur 13, c'est-à-dire à l'extrémité d'entrée de la zone de chauffage A et elle traverse successivement d'abord la zone de chauffage A, puis la zone de digestion B et ensuite la zone de refroi- dissement C, après quoi la matière solide digérée et re- froidie est évacuée par la canalisation 2 du bas du diges- teur 13, c'est-à-dire de l'extrémité de sortie de la zone de refroidissement C par la canalisation 2 Un courant de liqueur 4 est évacué par le filtre d'extraction 14, ledit courant étant tel que le flux de capacité thermique qui lui correspond a approximativement le même ordre de grandeur que le flux de capacité thermique de la matière solide introduite par la canalisation 1 avec la liqueur blanche qui lui est mélangée par la canalisation 3 et la liqueur de recyclage introduite par la canalisation latérale 9. Le reste de liqueur évacuée à l'extrémité d'entrée de la zone de chauffage A est cependant introduit par la canali- sation 4 ' dans l'échangeur de chaleur 12 o il est mis en contact avec échange de chaleur indirect à contre-cou- rant avec la liqueur produite usée chaude 6 qui est éva- cuée de l'extrémité inférieure de la zone de digestion B par le filtre d'extraction 14 et qui est évacuée de l'é- changeur de chaleur par la canalisation 7 La liqueur chauf- fée dans l'échangeur de chaleur 12 est renvoyée par la canalisation 5 dans l'extrémité de sortie de la zone de chauffage au voisinage du filtre d'extraction 14 entre la zone de chauffage 4 et la zone de digestion B Une partie de la liqueur est évacuée par ledit filtre d'extraction et renvoyée par la canalisation 10 à la canalisation 5 pour obtenir une meilleure répartition de la liqueur sur la section transversale du digesteur De la chaleur addition- nelle représentée schématiquement par la flèche 15 est apportée à la liqueur dans la canalisation 5 pour obtenir la température de digestion désirée. Le courant de la liqueur produite usée 7 est réglé de telle sorte que le flux de capacité thermique correspondant soit égal au flux de capacité thermique du courant de li- queur dans la canalisation 4 '. Les courants sont réglés de façon que la liqueur, dans la zone de chauffage A, s'écoule principalement dans une direction opposée à celle de la matière solide et, dans la zone de digestion B, principalement dans la même direction que la matière solide. Pour refroidir et laver la matière qui sort de la zone de digestion B, c'est-à-dire pour déplacer la liqueur produite de la matière solide dissoute, on introduit de la liqueur de lavage de réfrigérant par la canalisation 8 dans la zone de refroidissement C à proximité de son fond au voisinage du filtre d'extraction 14, si bien qu'une partie de la liqueur de lavage est évacuée par la canali- sation Il et réunie à la liqueur de lavage dans la cana- lisation 8. A la différence du mode de réalisation illustré par la figure 1, dans le mode de réalisation illustré par la figure 2, la liqueur de digestion fratche n'est pas mélan- gée directement à la matière finement divisée dans la cana- lisation 1 mais, au contraire, est tout d'abord conduite par la canalisation 3 ' à l'échangeur de chaleur 12 pour 4 tre chauffée par contact avec échange de chaleur indi- rect à contre-courant avec la liqueur produite usée chaude évacuée de l'extrémité inférieure de la zone de digestion B, après quoi ladite liqueur de digestion fratche est in- truduite par la canalisation 5 dans l'extrémité inférieure de la zone de chauffage A au voisinage du filtre d'extrac- tion 14 entre la zone de chauffage A et la zone de diges- tion B. Pour déplacer l'air de la matière finement divisée dans la canalisation 1 avant de l'introduire au sommet du digesteur 13, on introduit par la canalisation 9 dans la canalisation 1 une partie de la liqueur 4 évacuée au moyen du filtre d'extraction 14 disposé à l'extrémité d'entrée de la zone de chauffage A. Pour ajuster les courants de liqueur dans la partie inférieure de la zone de chauffage A, on dispose un filtre d'extraction additionnel 14 à une certaine distance au- dessus du filtre d'extraction 14 situé entre la zone de chauffage et la zone de digestion B, une partie de la li- queur produite usée chaude 6 évacuée de l'extrémité infé- rieure de la zone de digestion B étant introduite par la canalisation 6 " au voisinage dudit filtre d'extraction additionnel tandis que le reste de ladite liqueur est in- troduit par la canalisation 6 ',dans l'échangeur de chaleur 12 Dans ce cas également, une partie de cette liqueur est évacuée par la canalisation 16 et renvoyée à la ca- nalisation 6 ". Si la quantité de liqueur introduite dans la zone de chauffage A par la canalisation 6 " est inférieure à la quantité de liqueur qui s'écoule à travers la zone de chauf- fage A dans une direction opposée à celle de la matière solide, l'insuffisance qui s'établit est compensée auto- matiquement par la liqueur de digestion qui est introduite dans l'extrémité de sortie de la zone de chauffage par la canalisation 5 Dans ce cas, la matière solide est mise on contact avec les produits chimiques de digestion actifs, en particulier pendant la phase finale du chauffage Ce- pendant, si la quantité de liqueur introduite dans la zone de chauffage un peu au-dessus de son extrémité de sortie par la canalisation 6 " est supérieure à la quantité de li- queur qui traverse la zone de chauffage A dans une direc- tion appose à celle de la matière solide, l'excès formé est automatiquement mélangé avec la liqueur de digestion fraîche introduite dans la zone de chauffage par la cana- lisation 5 et s'écoule ensuite à travers la zone de diges- tion B Grâce à la régulation de la quantité de liqueur qui est introduite dans la zone de chauffage A un peu au- dessus de son extrémité de sortie par la canalisation 6 ", il est donc possible d'obtenir le profil désiré de la con- centration des produits chimiques actifs de cuisson dans les zones de digestion et de chauffage. Pour obtenir la température de digestion désirée, la chaleur additionnelle nécessaire est fournie de façon appropriée à la liqueur dans la canalisation 5, comme re- présenté schématiquement par la flèche 15. L'invention peut naturellement être appliquée à la digestion à contre-courant, c'est-à-dire au cas o la li- queur de digestion est introduite dans ce qui constitue l'extrémité de sortie de la matière solide et passe ensuite à travers la zone de digestion B à contre-courant avec la liqueur de lavage de la zone de refroidissement C. L'invention est décrite de façon plus détaillée ci-après à l'aide d'un exemple. Exemple L'importance de l'économie de chaleur que l'on peut obtenir avec le procédé selon l'invention, par rapport à une technologie connue, dépend de nombreux facteurs, tels que le type du processus de digestion, la matière première, la liqueur de digestion, etc La structure et les per- formanaes de l'installation utilisée pour la récupération des produits chimiques modifient également l'économie finale de chaleur de l'ensemble du procédé de production. Dans la production de cellulose, à partir de copeaux de bois tendre, par le procédé au sulfate, les données opératoires suivantes sont normales Rendement de la pàte 47 % Température de cuisson 170-C Teneur en humidité du bois 50 % Température du bois 10 C Liqueur blanche Charge exprimée en alcali actif (Na 20) 17 % Concentration 98 g/l Température 85 *C Température de l'eau de lavage 700 C Pertes au lavage 10 kg Na 2504/t Dilution 2,5 t d'eau/t Dans ce cas, les besoins primaires en chaleur d'un procédé selon la figure 1 sont de 0,49 GJ/t et pour un procédé selon la figure 2, de 0,32 GJ/t Pour les mêmes bases, un procédé de cuisson selon la technologie connue nécessite 1,86 GJ/t. Comme la température de la liqueur résiduelle dans les procédés de cuisson selon les figures 1 et 2 (respecti- vement 83-C et 78 C) est plus basse que dans le procédé normal de cuisson ( 102 e C), la chaleur nécessaire pour l'évaporation de la liqueur résiduelle dans le procédé de la figure 1 est supérieure de 0,51 GJ/t et dans le procédé de la figure 2 supérieure de 0,59 GJ/t par rapport à la chaleur nécessaire à l'évaporation de la liqueur résiduelle dans le procédé normal de cuisson Par rapport à la techno- logie connue, l'économie totale de chaleur pour un procédé de cuisson selon la figure 1 est dans ce cas de 0,86 GJ/t et pour un processus de cuisson selon la figure 2 de 0,95 GJ/t Pour une usine de pàte au sulfate ayant une productipn annuelle de 340 000 tonnes, ceci représente une économie du coût de l'énergie respectivement de 6,6 M Fmk/an ou de 7,3 M Fmk/an pour un prix de l'huile de Flk/tonne. 94 T 0,edvo ep xnlj U 013 aub 01:104 enjeu 94 Tquienb eun ue (J) quemegg Tp Toajoa op enoz MT op "Tlaos op 94 T Mpaqxeil quivp I.Tnpoa 4 u T que ( 8) PTOJJ luemeovidpp op Op Tnb TI un (O q Tos 6 anepuea 2 op Gapid emem np 4 ueme ATIVMT Xoadde 4 uos ( 19 4 tic) sep Tnb TI segelqd sep enb Tmaeiql 91 To"d"o op xnlj sel enb sejjel ge-&T 4 mlea oe 4 Tquvnb sep ue uo Tqoe"Tp op euoz UT op OC eg.14 uelp 94 T Wei 4 xe 4 l auvp 04 Tnpoilu T que Tnb (,Q enaîvai uo Tqoe"Tp op anenb TI el oe Av (ZT) 4 uvanoo-giquoo 'f 40 ea -TPUT anelvqo op esuunop De A" q O equoo ue O*Tm que (a) UOT 4 -909 T P op quoz UT op e T 4 jos OP op egno"Ap ( 9) egon epn"qo ep Tnb TI oseiqd el op Gg) e T 4 avd eun su Tow nu Z (q 4 Tov 4 inepu"a 2 ep eapao emem np 4 ueme A Tq-em Txoadd" 4 uos ( 9 14-) oep Tub TI sesviqd sep enb Tuaeq 4 Pq Tovduo op xnlj sel enb selle 4 ge AT 4 vlea " 94 T 4 uvnb sep ue (a) UOTIgey Tp op euoz el op e Tqaos op Pq Tnpa 4 xegl op apnov Ap ( 9)'Op 13 n opnuxlo ep Tnb TI esuqd el oe Au (ZI) lu Banoo-ea 4 uoo -if qoea OZ -Tpu T anelvqo op 9 "u Biqap os Av 4 ou 4 uoo ue 9 "Tm que e 2 "jjnvqa op Quoz UT op ega 4 uep 94 T Mpj 4 xoar op epno"Ap (-) op Tnb TT eneild ul op (,11) 9 Tlaed eun cu Tom nu qe (y) 9 ""jjnvqo op euoz UT OP epaqueip 94 T Iupa 4 xel suvp 991,Tnpoiqu T oiqep 4 UUAU 9892 uvlem 4 uos ( 1) 999 TATP 4 uemeu Tj eaf OT 4 "m UT 4 a (C) I eqo,îeaj uo Tqqe S Tp ap inenb TI UT (e 4 Tos enb qe inepuvi" op eapio emgm np 4 ueme &T 4 um Txoaddv 4 uov enb Tuaeq 4 qq Ta -vdua op xnlj sinon enb * 91 TO 4 se A Tqwlea oplTquunb sep ue (y) 02 "jjneno op quoz UT op opaquesp 94 Tw 9 a 4 xe 8 l op agno -MAP que (-) "p Tub TI eswiqd el 49 (y) o"ejjnvqo op ouoz el OT op 99 JI Meip 94 T Wpj 4 xeil Y 94 T Upoa:UT 400 '( 64 C) ion 4 U*Ap ep Tub TT un oe &v 1 (l) ap"T &Tp quemeu Tj eaiTqvm 94 Tpul enb 4 T"J OT a"d 4 ap Tnb TI Og Vlqd Oun 09 AV 4 OV 4 UOD us (D) 4 uemeu*Tp Toajoi op euoz eun 4 o (S) uo Tl 9 e 2 Tp op vouoz sano Ten Td no *un &(y) e 2 vjjnvqo op euoz eun aje Ai Baq ie 099 TATP 4 uemeu Tj GjfT 4 vm 94 Tpel op esusavd avd ega TATP quem -au-Fj eae T 4 vm eunp uo Toueid enos 4 uem OT Ten 4 ue Ap qe eg Aelq ean 4-L-aedwe 4 7 enu T 4 uoo u OT 409STP UT inod 9 P 900 ad T thermique est approximativement du même ordre de grandeur que le flux de capacité thermique de la matière digérée ( 2) et du liquide qu'elle contient évacués de ladite ex- trémité de sortie. 2 Procédé selon la revendication lb), dans lequel le reste ( 6 ") de la phase liquide chaude usée ( 6) évacuée de l'extrémité de sortie de la zone de digestion (B) est introduit dans la zone de chauffage (A) et réparti sur une de ses sections transversales qui est au voisinage de l'extrémité de sortie de la zone de chauffage pour ajuster le profil de concentration des produits chimiques actifs de digestion dans la zone de digestion (B) et la zone de chauffage (A). 3 Procédé selon l'une des revendications lb) ou 2, dans lequel une partie ( 9) de la phase liquide ( 4) évacuée de l'extrémité d'entrée de la zone de chauffage (A) est mélangée avec la matière finement divisée ( 1) avant que ladite matière finement divisée soit introduite dans l'ex- trémité d'entrée de la zone de chauffage. 4 Procédé selon la revendication la), dans lequel le reste ( 9) de la phase liquide ( 4) évacuée par ltextré- mité d'entrée de la zone de chauffage (A) est mélangé avec la matière finement divisée ( 1) avant que ladite matière finement divisée soit introduite dans l'extrémité d'entrée de la zone de chauffage. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on apporte suffisamment de chaleur ( 15) à la phase liquide ( 5) introduite dans l'extrémité d'entrée de la zone de digestion (B) pour que la tempéra- ture désirée soit atteinte dans la zone de digestion puis on règle la quantité de la phase liquide ( 4 ou 4 ', 4 n) évacuée de l'extrémité d'entrée de la zone de chauffage (A) de façon que ledit besoin de chaleur complémentaire ( 5) soit réduit autant que possible. 6 Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la quantité de phase liquide ( 4 ou 41, 40) évacuée de l'extrémité d'entrée de la zone de chauffage (A) est réglée de telle sorte que la diffé- rence entre la température de ladite phase liquide et la température de la matière finement divisée ( 1) avec le liquide éventuel ( 3) avant le mélange éventuel avec la phase liquide recyclée ( 9) évacuée de l'extrémité d'entrée de la zone de chauffage (A) est maintenue pratiquement constante.