Brevet FR2639370A1 — publié le 19900525

La présente invention se rapporte à un procédé de cuisson d'une masse pâteu- se ou semi-solide de matieres ligno-cellulosiques imprégnées par 0,5 à 2 fois leur poids d'hydroxydes ou sels de métaux alcalins ou alcalino-terreux, ainsi qu'à l'installation appropriée. Des procédés de préparation de pâte cellulosique par traitement de matieres ligno-cellulosiques, dans lesquels la cuisson s'effectue en phase solide, sont généralement connus, par exemple du document Fr-A-2 542 021. Le procédé décrit dans ce brevet consiste à opérer la cuisson dans un cylindre chauffé exclusivement de l'extérieur, sans addition directe de vapeur d'eau, d'une masse pâteuse de matières cellulosiques, imprégnée de bases alcalines ou alcalino-terreuses, dont on a ajusté la teneur en solution d'imprégnation retenue à une valeur relativement faible et dont la teneur en hydroxydes ou sels absorbés au de l'imprégnation est relativement élé- vée. La cuisson de telles matieres présente des difficultés inhérentes au caractère pâteux de la masse, notamment en ce qui concerne la répartition homogène de la chaleur cédée par les parois chauffées du cylindre. Le renouvellement déficient des surfaces de fibres traitées au contact des parois et la stagnation des matières qui en résulte conduisent à l'absence de l'uniformité de la température au sein de la masse. Le procédé selon l'invention a pour objet d'assurer un meilleur controle de température au cours de la cuisson et de réduire au maximum des variations de température au sein de la masse traitée. Le procédé selon l'invention est caractérisé en ce qu'on introduit dans un cylindre horizontal chauffé extérieurement, pourvu d'une vis à pales et rempli de la masse traitée avec un coefficient de remplissage au moins égal à 0,5, de nouvelles quantités de masse à traiter en continu de façon telle, que le rapport du poids de matières introduit par minute à celui de la masse présente dans le cylindre soit inférieur ou égal à 0,05 et on fait avancer la masse le long du cylindre en réglant la vitesse de rotation de la vis et l'inclinaison et l'espacement des pales en fonction du temps de séjour approprié, qui peut varier entre 10 min. et 2 heures selon la nature des matières traitées. En effet, pour favoriser un meilleur échange thermique, il est souhaitable de porter le coefficient de remplissage, c'est à dire le rapport du volume apparent occupé par la matière au cours de la cuisson au volume interne total du cuiseur, à un niveau élevé voisin du maximum, par exemple de l'ordre de 0,7 ou 0,8. Toutefois, un bourrage sans précaution du cuiseur pourrait conduire au blocage de la vis et à la formation des bouchons dûs à la compression de la matière contre la paroi du cuiseur ou de la vis, en particulier, si on utilisait un vis continue. Pour éviter de tels incidents, on utilise une vis à pales qui se présente sous forme d'une axe de gros diamètre, dont l'intérieur est parcouru par un fluide caloporteur, porteur d'ailettes ou pales espacées entre elles et réparties autour et sur toute la longueur de l'axe. Certaines ailettes ont leur plan perpendiculaire à l'axe et réalisent l'agitation de la matière sans avance. D'autres ont leur plan legèrement incliné et réalisent l'avance ou recul de la matière en fonction du sens de rotation de la vis et également son agitation. La vis peut tourner dans un sens ou dans l'autre à une vitesse variable. Le fait d'utiliser une vis porteuse d'ailettes présente des avantages suivants: - La vitesse d'avance de la matière est assurée par le nombre des pales et par la vitesse de rotation de la vis. I1 est donc possible d'avoir des vitesses de rotation permettant une bonne agitation de la matiere solide et un temps de séjour contrôlé, alors qu'avec une vis continue la matière avancerait sans agitation. - Le risque de bouchage ou de blocage est réduit, tant par l'agitation provoquée par les pales, que par le nombre réduit de celles-ci. - L'échange thermique, tant au contact de la paroi qu'au contact de l'axe et des pales, est amélioré par le mouvement et l'agitation constante de la matière solide. Une bonne agitation interne va de pair avec l'ajustement du temps de cuisson à des valeurs variables, allant de quelques minutes à plusieurs heures, qui peut etre réalisé en réglant de façon appropriée et suivant une séquence préétablie le nombre de tours de vis vers l'avant et le nombre de tours de vis vers l'arrière. L'avance réelle étant assurée par la différence entre le le nombre de tours vers l'avant (AV) et le nombre de tours vers l'arrière (AR), cette différence peut varier entre 0 (AV=AR) et un maximum (AR=0). Si AV-AR=0, la marche de l'appareil est discontinue. Si AR=0, la durée de réaction est fonction de la vitesse de rotation de la vis pour un coefficient de remplissage donné. Cette grande souplesse de réglage du temps de cuisson permet de traiter dans l'appareil pratiquement tous les types de bois ou de plantes de renouvellement annuel, quelles que soient leurs autres conditions de cuisson, en vue de l'obtention de pâtes chimiquesou semi-chimiques. La longueur radiale des pales sera de préférence limitée de façon à ce qu' il y ait toujours un espacement entre les extrémités de pales et la paroi du cuiseur, pour réduire le risque de la formation de bouchon à cet endroit. L'uniformité de la température au sein de la masse traitée sera principalement assurée par le maintien du taux d'alimentation, rapporté au poids de la masse présente dans le cuiseur, à une valeur ne dépassant pas 0,05. Cela signifie, que l'alimentation du cuiseur en matières fraiches s'effectue par petites quantités, de façon à ne pas perturber le profil thermique du contenu. En effet, le succès de l'opération de cuisson dépend dans une grande mesure du maintien de la température constante de la masse au cours de son avancement le long du cuiseur. A la figure annexe, on a représenté un cuiseur particulièrement bien adapté à la mise en oeuvre du procédé selon l'invention et comportant un cylindre à double enveloppe 1 parcourue par l'huile chaude, dans l'axe duquel est placée une vis 2 dont les pales 3 inclinées sont séparées par des pales 4 non inclinées. La rotation de la vis est assurée par un moteur 5 pouvant tourner dans les deux sens selon une séquence préétablie. L'entrée et la sortie de matières traitées sont situées aux extrémités opposées du cylindre, chacune comportant un sas 6,7 muni de pistons pousseurs. L'apport de la chaleur au moyen d'un fluide caloporteur pour le chauf fage extérieur du cuiseur contribue dans une grande mesure à éviter toute surchauffe de l'appareil. En outre, il permet un réglage au degré près de la température de cuisson, ce qui assure une qualité optimale de la pâte cellulosique obtenue et la possibilité de varier la température dans un délai court, ce qui permet de changer, si nécessaire, rapidement de matière première dont le temps et la température de cuisson doivent être différents. Un préchauffage de la matière dans un sas d'entrée avant son introduc tion dans le cuiseur permet de limiter à moins d'un degré la chute de température provoquée par ladite intrsduction. Ainsi, on peut éviter toute surchauffe de la paroi provoquant décomposition ou collage de la matière. En particulier, lorsque le préchauffage de la matière de cuisson est effectué par de la vapeur vive, le réglage précis de la température du fluide caloporteur, par exemple de l'huile, à quelques degrés au dessus de la température de rosée de la vapeur, permet d'éviter toute condensation le long de la paroi, qui pourrait entrainer une dissolution partielle des produits solubles de la matière ligno-cellulosique et la formation des croûtes adhérentes à ladite paroi. Dans les exemples de réalisation qui suivent, on a pratiqué des essais dans un cuiseur à double enveloppe parcourue par de l'huile chaude, de 3 m de longueur et de 1 m3 de volume intérieur. Les pales étaient placées une tous les 10 cm et les segments de vis à pales inclinées de 10 à 30 étaient séparés par des segments de vis à pales non inclinées, de façon à assurer les temps de séjour suivants: temps de séjour 10 min 30 min 50 min 1h lh30min lh40min vitesse de rotation lOt/min lOt/min 2t/min lOt/min lOt/min 2t/min programme AV 4'AV-2'AR AV 7'AV-5'AR 5'AV-4'AR 6'AV-2'AR Dans les exemples qui suivent, les matières à traiter ont été introduites dans le cuiseur avec un taux d'alimentation variable durant une durée de remplissage qui finissait, lorsque les premières portions de matière cuite apparaissaient à la sortie.Ainsi, le temps de remplissage, dont on déduit le coefficient de remplissage, était égal au temps de cuisson. L'opération de cuisson était poursuivie au délà du temps de remplissage en alimtaSmle cuiseur, soit avec le même taux d'alimentation que précédemment, soit à un taux différent. Exemple 1. Copeaux de bois feuillus - Densité apparente des copeaux imprégnés égale à 0,4 - Temps de cuisson de 50 min. 382 kg de copeaux de bois feuillus européens à 67% de siccité sont immergés dans une solution de 1025 1 d'eau et de 125 kg de soude caustique. Après une heure de chauffage à 95-100"C, on retire les copeaux imprégnés et après égouttage, on obtient 622 kg de copeaux imprégnés. Ceux-ci sont introduits dans le cuiseur à un taux d'alimentation de 6 kg à la minute par un système de sas et de piston pousseur. Au cours de la période de remplissage de 50', on a introduit 300 kg dans le cuiseur, dont le volume total de 1000 1 pouvait contenir un poids de 400 kg. Le coefficient de remplissage est dans ce cas égal à 300/400=0,75. La vis à pales est réglée à lOt/min avec un cycle de 6'AV - 4'AR, définissant un temps de séjour de 50 min. Lorsque la période de remplissage de 50 min. est terminée, les copeaux cuits sortent du cuiseur au même rythme de 6 kg/min. Cette opération est maintenue pendant 30 min. encore, le poids total de copeaux imprégnés introduits est de 480 kg. La température de l'huile de la double enveloppe du cylindre a été maintenue à 178"C. La température au sein de la masse traitée est restée pratiquement constante, ne variant que de 168 à 1700C. Saans interrompre le cycle d'alimentation, on règle alors la vitesse de rotation de la vis à 2 t/min. avec une marche uniquement vers l'avant, ce qui définit un temps de séjour identique au précédent, c'est à dire de 50 min. et démontre un bon choix de la vitesse d'avancement de la masse à travers le cuiseur, laquelle vitesse définit le temps de séjour ou de cuisson. La température interne a varié entre 167 et 173"C, c'est à dire de + 30C au lieu de t 1"C dans le réglage précédent. Ceci démontre que l'homogénéité de la température interne est meilleure, quand la vitesse de rotation de la vis est plus élevée, ce qui assure un meilleur brassage. Le paramètre important selon l'invention, à savoir le taux d'alimentation R rapporté au poids de la masse présente est le suivant: R = poids en kg/min 6 - O 02 poids total en kg = ' Z Après l'introduction des copeaux, on vide complètement l'appareil de la matière contenue. Après refroidissement, l'appareil est ouvert. La paroi interne est restée propre, sans dépôt, ce qui démontre l'intérêt du maintien de cette paroi à une température légèrement supérieure, tout en étant proche de la température interne, pour éviter toute condensation sur celle-ci et donc la formation de dépôt par dissolution de matières ligneuses solubles en présence de soude. A titre comparatif, des copeaux impnégnéscomme précédemment sont introduits dans le cuiseur sous les mêmes conditions qu'au début de l'essai, c'est à dire: vitesse de rotation 6'AV-4'AR à lOt/min; température d'huile de la double enveloppe de1780C. On fait varier la cadence d'alimentation en l'amenant à 6 kg toutes les deux minutes. Cette cadence est maintenue pendant 1h20'. Après -50 min., le produit commence à sortir. Le coefficient de remplissage est de 150/400 = 0,375. La température interne a varié entre 158 et 1750C. Le rapport de la masse introduite sur la masse interne est de 6/150 = 0,04. Des échantillons de pâte produite dans les trois régimes différents de conditions de travail sont prélevés et analysés des points de vue: - de l'indice Kappa de la pâte (K) et - du taux d'incuits. Le tableau suivant résume les résultats obtenus. Temps de Réglage Alimentation Coeff. R K Taux d'incuits séjour vis kg/min. remplissage 50' 6'AV-4'AR 6 0,75 0,02 28 0,5% 1Ot/min 50' AV 6 0,75 0,02 32 0,8% 2t/min 50' 6'AV-4'AR 3 0,375 0,04 48 2 % lOt/min On peut en conclure, que, pour obtenir une bonne cuisson (K faible3 taux d'incuits Exemple 2. Bagasse - Densité apparente de matière imprégnée 0,3-- Temps de cuisson 20 min. 600 kg de bagasse démoellée à 40% de siccité sont mélangés sous forte agitation avec 30,6 kg de C03Na2 anhydre en poudre, puis après quelques minutes avec 55,8 kg de soude caustique en poudre. La température est portée à 500C et l'agitation est maintenue pendant 10 min. On obtient une masse homogène fibreuse facile à manipuler, de couleur jaune paille. Celle-ci est introduite dans le cuiseur par le système de sas et de piston pousseur avec un taux d'alimentation de 5 kg par 40 sec. R = 7,5 : 300 = 0,025. La vis à pales tournant à 1Dt/min est réglée pour le programme suivant: 3'AV - 1'AR de façon à obtenir une durée de cuisson de 20 min. Au cours de la période de remplissage de 20 min., on a introduit 150 kg dans le cuiseur dont le volume total de 1000 1 pouvait contenir 300 kg. D'où le coefficient de remplissage égal à 150/300 = 0,5. Après 20 min. le produit de cuisson commence à sortir du cuiseur à la meme cadence que celle de l'alimentation. On maintient ce rythme pendant 2à min. supplémentaires, la température de l'huile était constante de 172"C et la température interne variait entre 163 et 167"C. On a ainsi introduit au total 300 kg de bagasse imprégnée. Sans changer le réglage de la vis, on établit à 25 sec. le cycle d'alimentation. R = 12 : 300 = 0,04. La cadence d'évacuation est maintenue pendant 20 min. à un taux de 5 kg par 40 sec., de façon à accroitre le coefficient de remplissage, qui après écoulement des 20 min. sera de 240/300 = 0,8. On maintient ce rythme pendant 0,5 h, durée pendant laquelle on a introduit 360 kg de matière dans le cuiseur. La température interne se maintient entre 163 et 167"C. On constate des différences de qualité minimes entre le produit de cuisson de la première période, taux d'alimentation de 5 kg par 40 sec., avec le produit de la deuxième période, taux d'alimentation de 5 kg par 25 sec. et ceci à des coefficients de remplissage variant de 0,5 à 0,8. Après la fin d'alimentation en bagasse imprégnée, on poursuit les cycles de sortie jusqu' vidange complète de l'appareil. Des échantillons des pâtes obtenues sont analysés avec les résultats suivants. Coeff. de remplissage Temps de cuisson K Taux d'incuits 0,5 20 min. 21 0,5 % 0,8 20 min. 17 0,2 % Après refroidissement, l'appareil est ouvert et on constate que la paroi est restée propre, sans dépôt. Le tableau qui suit résume les valeurs appliquées selon les exemples des paramètres jugés importants. Temps de cuisson Taux d'alimenta- Coeff. de rempli tion R ssage Exemple 1 50 min 6/300 = 0,02 0,75 Exemple 2 20 min 7,5/300 = 0,025 0,5 idem 20 min 12/300 = 0,04 0,8 On voit, que pour le maintien d'une bonne qualité constante de pâte cellulosique, le taux d'alimentation doit être maintenu à une valeur inférieure à 0,05 et le coefficient de remplissage à une valeur d'au moins 0,5. Revendications 1. Procédé de cuisson de la masse pâteuse ou semi-solide de matières ligno-cellulosiques inmprégnées par 0,5 à 2 fois leur poids d'hydroxydes ou sels de métaux alcalins ou alcalino-terreux, caractérisé en ce qu'on introduit dans un cuiseur horizontal chauffé extérieurement, pourvu d'une vis à pales ou ailettes et rempli de la masse traitée avec un coefficient de remplissage au moins égal à 0,5 de quantités fraiches de matiere à traiter en continu, de facon telle que le rapport du poids de matières introduit par minute à celui de la masse présente dans le cuiseur soit inférieur à 0,05 et on fait avancer la masse le long du cuiseur en réglant la vitesse de rotation de la vis à pales et l'inclinaison et l'espacement des pales en fonction du temps de séjour approprié, qui peut varier entre 10 min. et 2 heures selon la nature des matières traitées. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on règle le temps de séjour en appliquant une séquence temporelle comprenant des périodes de rotation de la vis successivement dans les deux sens, tout en maintenant une vitesse de rotation compatible avec les con ditions d'une bonne agitation. 3. Installation pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1 ou 2, comprenant un cylindre chauffé extérieurement, caractérisée en ce que dans l'axe du cylindre est logée une vis à pales dont l'axe creux est parcouru par un fluide caloporteur. 4. Installation selon la revendication 3, caractérisée en ce que des seg ments de la vis à pales inclinées sont séparés par des segments de la vis non inclinées, ces dernieres n'ayant qu'un rôle d'agitation de la masse solide pour en améliorer l'homogénéité et l'échange thermique.