(57)【要約】      （修正有）【課題】セルロース材料の加水分解が完了するまで、リグニンおよび他の木材成分の沈殿を減少できる容器を提供する。【解決手段】セルロース材料が材料投入部から材料排出部へ流れる反応容器であって、加水分解物・液体取り出しスクリーンと、材料投入部と加水分解物・液体取り出しスクリーンとの間に設けられた加水分解領域Ｂと、加水分解物・液体取り出しスクリーンと洗浄液取り出しスクリーンとの間に設けられた洗浄領域Ｃと、少なくともその一部が洗浄領域を通過して前記加水分解物・液体取り出しスクリーンによって取り出される洗浄液を注入し、洗浄領域へ導入するための洗浄液注入口６１と、洗浄領域と材料排出部との間に設けられた蒸解領域Ｄ、Ｅと、蒸解領域またはその下方および材料排出部の上方に設けられた蒸解溶液取り出しスクリーンと、を含むことを特徴とする反応容器とする。【選択図】図１
2009052188.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セルロース材料を投入する材料投入部および前記セルロース材料を排出する材料排出部を含み、前記セルロース材料が前記材料投入部から前記材料排出部へ流れる反応容器であって、
加水分解物・液体取り出しスクリーンと、
前記材料投入部と前記加水分解物・液体取り出しスクリーンとの間に設けられ、前記セルロース材料において加水分解反応が起こる加水分解温度以上の温度に維持される加水分解領域と、
前記加水分解物・液体取り出しスクリーンと洗浄液取り出しスクリーンとの間に設けられ、加水分解が実質的に抑制される洗浄領域と、
前記加水分解温度より低い温度で前記洗浄領域に導入され、少なくともその一部が前記洗浄領域を通過して前記加水分解物・液体取り出しスクリーンによって取り出される洗浄液を注入し、前記洗浄領域へ導入するための洗浄液注入口と、
前記洗浄領域と前記材料排出部との間に設けられ、蒸解溶液注入口を有する蒸解領域と、
前記蒸解領域またはその下方および前記材料排出部の上方に設けられた蒸解溶液取り出しスクリーンと、
を含み、
前記洗浄液は水と、水酸化ナトリウムおよび本質的に無硫黄の白液の少なくとも一方の混合液である、
ことを特徴とする反応容器。
【請求項２】
前記洗浄液に含まれる水酸化ナトリウムおよび本質的に無硫黄の白液の少なくとも一方の量は、容器内のセルロース材料の０．０１パーセント〜５パーセントの範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の反応容器。
【請求項３】
前記水酸化ナトリウムおよび本質的に無硫黄の白液の少なくとも一方の量は、容器内のセルロース材料の０．１パーセント〜１パーセントの範囲にあることを特徴とする請求項２に記載の反応容器。
【請求項４】
加水分解は前記容器内で１５０℃〜１７０℃の範囲の温度において行われることを特徴とする請求項１に記載の反応容器。
【請求項５】
前記範囲は１６０℃〜１７０℃であることを特徴とする請求項４に記載の反応容器。
【請求項６】
前記加水分解領域において、前記容器内の前記材料のｐＨ値は１〜６の範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の反応容器。
【請求項７】
前記範囲はｐＨ３〜ｐＨ４であることを特徴とする請求項６に記載の反応容器。
【請求項８】
前記容器の前記加水分解領域あるいはそれより上方に加熱流体を導入するための熱エネルギー導入口を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の反応容器。
【請求項９】
前記洗浄領域は第１の洗浄領域であって、前記洗浄液取り出しスクリーンは第１の洗浄液取り出しスクリーンであり、前記容器は前記第１の洗浄領域の下方に第２の洗浄領域と、前記第２の洗浄領域の下方で前記蒸解領域の上方に第２の洗浄液取り出しスクリーンを更に含み、前記洗浄液注入口は前記第１の洗浄液取り出しスクリーンの上方に設けられ、前記洗浄液注入口に注入される前記洗浄液の少なくとも一部が前記第１および第２の洗浄液取り出しスクリーンにて取り出されることを特徴とする請求項１に記載の反応容器。
【請求項１０】
前記洗浄領域に導入される際の前記洗浄液の温度は、前記加水分解温度よりも１０℃〜７０℃の範囲で低いことを特徴とする請求項１に記載の反応容器。
【請求項１１】
前記範囲は２０℃〜５０℃であることを特徴とする請求項１０に記載の反応容器。
【請求項１２】
前記範囲は２５℃〜３５℃であることを特徴とする請求項１０に記載の反応容器。
【請求項１３】
前記洗浄領域に導入される際の前記洗浄液のｐＨ値は３〜７の範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の反応容器。
【請求項１４】
前記反応容器は前記洗浄液取り出しスクリーンの排出部に連結された洗浄液取り出しパイプを更に含み、前記洗浄液取り出しスクリーンを通して取り出された液体は前記取り出しパイプ内を流れ、前記容器の外部にある洗浄液のソースから供給される洗浄液と混合され、前記混合された取り出された液および洗浄液は前記洗浄液注入口から前記洗浄領域に導入されることを特徴とする請求項１に記載の反応容器。
【請求項１５】
前記反応容器は前記洗浄液取り出しスクリーンを通して取り出される前記液体のｐＨレベルをモニタリングするｐＨセンサーを更に含み、前記洗浄液取り出しスクリーンから取り出された前記液体に混合される前記洗浄液の量は前記モニタリングされたｐＨレベルに基づいて決定されることを特徴とする請求項１４に記載の反応容器。
【請求項１６】
前記加水分解物・液体取り出しスクリーンから取り出される液体が流入し、前記容器の前記加水分解領域あるいはそれより上方に蒸気を供給し、加水分解物を加水分解物回収システムへ排出する蒸発タンクを更に含むことを特徴とする請求項１に記載の反応容器。
【請求項１７】
前記加水分解領域における前記材料のｐＨ値は１１より低い値に維持されることを特徴とする請求項１に記載の反応容器。
【請求項１８】
セルロース材料を投入する材料投入部および前記セルロース材料を排出する材料排出部を含み、前記セルロース材料が前記材料投入部から前記材料排出部へ流れる反応容器であって、
前記容器内の前記セルロース材料を加熱および加圧する蒸気が導入される蒸気入口と、
加水分解物・液体取り出しスクリーンと、
前記材料投入部の下方および前記加水分解物・液体取り出しスクリーンの上方に設けられ、前記セルロース材料において加水分解反応が起こる加水分解温度以上の温度に維持される加水分解領域と、
前記加水分解物・液体取り出しスクリーンの下方および冷却液取り出しスクリーンの上方に設けられ、前記加水分解温度より低い温度に維持される冷却領域と、
前記冷却液注入口に注入され、前記加水分解温度より低い温度で前記冷却領域に導入され、少なくともその一部が前記冷却領域を上方へ流れて前記加水分解物・液体取り出しスクリーンによって取り出される洗浄液を、前記冷却領域へ導入するための洗浄液注入口と、
前記冷却領域の下方および蒸解溶液注入口を有する蒸解領域の上方に設けられた第１の液体取り出しスクリーンと、
前記蒸解領域あるいはそれより下方および前記材料排出部より上方に設けられた蒸解溶液取り出しスクリーンと、
を含み、
前記洗浄液は水と、水酸化ナトリウムおよび本質的に無硫黄の白液の少なくとも一方の混合液である、
ことを特徴とする反応容器。
【請求項１９】
前記洗浄液に含まれる水酸化ナトリウムおよび本質的に無硫黄の白液の少なくとも一方の量は、容器内のセルロース材料の０．０１パーセント〜５パーセントの範囲にあることを特徴とする請求項１８に記載の反応容器。
【請求項２０】
前記加水分解温度は１５０℃〜１７０℃の範囲の温度であることを特徴とする請求項１８に記載の反応容器。
【請求項２１】
前記加水分解領域におけるｐＨ値は１〜６の範囲にあることを特徴とする請求項１８に記載の反応容器。
【請求項２２】
前記加水分解領域あるいはそれより上方に加熱流体を導入するための熱エネルギー導入口を更に含むことを特徴とする請求項１８に記載の反応容器。
【請求項２３】
前記加熱流体は、前記加水分解物・溶液取り出しスクリーンから取り出された流体から回収された蒸気であることを特徴とする請求項２２に記載の反応容器。
【請求項２４】
前記反応容器は前記冷却領域の下方に洗浄領域と前記洗浄領域の下方および前記蒸解領域の上方に第２の液体取り出しスクリーンを更に含み、前記第１および第２の液体取り出しスクリーンは少なくとも前記水注入口から注入される前記水の一部を取り出すことを特徴とする請求項１８に記載の反応容器。
【請求項２５】
前記反応容器は前記冷却液取り出しスクリーンの排出部に連結された液体取り出しパイプを更に含み、前記冷却液取り出しスクリーンを通して取り出された液体は前記取り出しパイプ内を流れて前記洗浄液と混合され、前記冷却液注入口から前記冷却領域に導入されることを特徴とする請求項１８に記載の反応容器。
【請求項２６】
前記洗浄液注入口における前記洗浄液の温度は、前記加水分解温度よりも１０℃〜７０℃低いことを特徴とする請求項１８に記載の反応容器。
【請求項２７】
前記洗浄液注入口における前記洗浄液のｐＨ値は３〜７の範囲にあることを特徴とする請求項１８に記載の反応容器。
【請求項２８】
前記反応容器は前記冷却液取り出しスクリーンを通して取り出される前記液体のｐＨレベルをモニタリングするｐＨセンサーを更に含み、前記冷却液取り出しスクリーンから取り出された前記液体に混合される前記洗浄液の量は前記モニタリングされたｐＨレベルに基づいて決定されることを特徴とする請求項２７に記載の反応容器。
【請求項２９】
前記反応容器は実質的に垂直であり、少なくとも１００フィートの高さを有し、前記材料投入部は前記容器の上部に設けられ、前記材料排出部は前記容器の底部近傍に設けられていることを特徴とする請求項１８に記載の反応容器。
【請求項３０】
前記加水分解物・液体取り出しスクリーンから取り出される液体が流入し、前記容器の前記加水分解領域あるいはそれより上方に蒸気を供給し、加水分解物を加水分解物回収システムへ排出する蒸発タンクを更に含むことを特徴とする請求項１８に記載の反応容器。
【請求項３１】
前記反応容器は前記加水分解領域の下方および前記蒸解領域の上方に第２の冷却液取り出しスクリーンを更に含み、前記蒸解溶液の少なくとも一部が前記冷却液取り出しスクリーンの両方を通して取り出されることを特徴とする請求項１８に記載の反応容器。
【請求項３２】
加圧された反応容器の上部投入口にセルロース材料を投入する工程と、
前記容器に圧力および熱エネルギーを与える工程と、
前記反応容器の加水分解領域において前記セルロース材料を加水分解する工程と、
前記セルロース材料から、前記容器の前記加水分解領域の下方および冷却領域の上方に設けられた加水分解物・溶液取り出しスクリーンを通して加水分解物および液体を取り出す工程と、
前記冷却領域における前記セルロース材料の加水分解を抑制し、少なくともその一部が前記セルロース材料を通って上方に流れ、前記取り出しスクリーンによって取り出される冷却液を前記冷却領域に注入する工程と、
前記冷却領域の下方に設けられた蒸解領域において、前記蒸解領域に冷却溶液を注入することにより前記セルロース材料を蒸解する工程と、
前記容器の前記蒸解領域の下方に設けられた排出口から前記蒸解されたセルロース材料を排出する工程と、
を含むセルロース材料からパルプを製造する方法であって、
前記洗浄液は水と、水酸化ナトリウムおよび本質的に無硫黄の白液の少なくとも一方の混合液である、
ことを特徴とするパルプ製造方法。
【請求項３３】
前記洗浄液に含まれる水酸化ナトリウムおよび本質的に無硫黄の白液の少なくとも一方の量は、容器内のセルロース材料の０．０１パーセント〜５パーセントの範囲にあることを特徴とする請求項３２に記載のパルプ製造方法。
【請求項３４】
前記加水分解領域におけるｐＨ値は１〜６の範囲にあることを特徴とする請求項３２に記載のパルプ製造方法。
【請求項３５】
前記加水分解領域における前記セルロース材料は加水分解温度より高い温度に維持され、前記冷却領域における前記セルロース材料は前記加水分解温度よりも少なくとも１０℃低い温度に維持されることを特徴とする請求項３２に記載のパルプ製造方法。
【請求項３６】
前記加水分解温度は１５０℃〜１７０℃の範囲の温度であることを特徴とする請求項３５に記載のパルプ製造方法。
【請求項３７】
前記冷却領域に導入される際の前記冷却液の温度は、前記加水分解温度よりも１０℃〜７０℃低いことを特徴とする請求項３５に記載のパルプ製造方法。
【請求項３８】
前記冷却領域あるいはそれより下方に設けられた液体取り出しスクリーンから液体を取り出す工程と、前記取り出された液に前記加水分解温度よりも低い温度の洗浄液を追加する工程と、前記取り出された液および追加洗浄液を前記冷却領域へ注入する工程とを更に含むことを特徴とする請求項３２に記載のパルプ製造方法。
【請求項３９】
前記取り出された液のｐＨ値をモニタリングする工程と、前記モニタリングされたｐＨ値が所定のｐＨレベルを超えた場合に前記取り出された液に追加される洗浄液の流れを増加させる工程とを更に含むことを特徴とする請求項３８に記載のパルプ製造方法。
【請求項４０】
前記加水分解物・溶液取り出しスクリーンを通して取り出された前記加水分解物および液体を蒸発させる工程と、
前記蒸発させた加水分解物および液体から前記容器回収された蒸気を注入する工程と、前記蒸発させた加水分解物および液体から加水分解物を分離する工程とを更に含むことを特徴とする請求項３２に記載のパルプ製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セルロース系繊維材料の加水分解処理に用いられる方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のシステムにおいては、米国特許第３，３８０，８８３号および第３，４１３，１８９号に記載されるような、蒸解器における処理または蒸解の前に、木材チップ（あるいは他のセルロースまたは繊維材料）に対して単一の容器内で加水分解処理を行うことができる。このようなシステムにおいては、加水分解は容器の最上部を通過する木材チップ、例えばセルロース材料などのスラリーにおいて酸性条件下に起こり、容器の下部において蒸解の継続した処理が行われ、容器の底部において洗浄が行われる。容器の上部領域では、加水分解物、例えばペントースやヘキソースなどの糖が木材チップから取り出され、回収される。
【０００３】
加水分解は、蒸気、酸、および／または水を上部領域内に並流に導入することによって容器の上部領域全体において起こる。容器の下部領域では、セルロース材料は蒸解・洗浄された後、パルプとして容器から排出される。
【発明の開示】
【０００４】
パルピングシステムのための新しい加水分解システムが開発された。セルロース材料、例えば木材チップの加水分解および蒸解は、単一の加圧反応容器内で行われる。セルロース材料は容器の上部領域で加水分解される。加水分解は、容器内においてｐＨ値が１〜６、好ましくは３〜４、および１５０℃〜１７０℃の温度範囲、好ましくは１６０℃〜１７０℃の温度範囲の状態で起こる。加水分解物および液体は、容器内の上側取り出しスクリーンを通して反応器から除去される。容器の洗浄領域は上側取り出しスクリーンの下方および容器の蒸解領域の上方に設けられている。洗浄液は洗浄領域内を取り出しスクリーンに向かって上方に流れる。また、洗浄液は洗浄領域の底部に設けられた洗浄液取り出しスクリーンを通して容器から取り出される。
【０００５】
冷たい洗浄液が洗浄領域を流れるセルロース材料の温度を低減し、セルロース材料の加水分解反応を抑制する。実質的にすべての加水分解反応が洗浄領域において抑制され、多くの加水分解物が洗浄領域の最上部に設けられた上側取り出しスクリーンを通過する洗浄液および溶液と共に、および（１つあるいはそれ以上の）洗浄領域の底部に設けられた（１つあるいはそれ以上の）取り出しスクリーンから除去される。上側取り出しスクリーンの下方および蒸解領域の上方に設けられた複数の洗浄領域は、セルロース材料から加水分解物を洗い流し、蒸解領域に先立ち加水分解が停止することを確保するために用いられる。
【０００６】
洗浄領域に追加される洗浄液には、容器内のスラリーに含まれる木材の例えば０．０１パーセント（％）〜５％、好ましくは０．１パーセント〜１パーセントの量の化学物質が含まれていてもよい。洗浄水あるいは洗浄液（化学物質が添加される場合）は取り出しスクリーンの下方にあるセルロース材料における加水分解反応を抑制する。この洗浄液は加水分解温度よりも１０℃〜７０℃、好ましくは２０℃〜５０℃、最も好ましくは２５℃〜３５℃の範囲で低い温度を有する。更に、洗浄液は好ましくは３〜７の範囲、最も好ましくは４〜５の範囲のＰＨを有する。水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）、本質的に無硫黄の白液、あるいはこれらの混合物などの化学物質が洗浄液に添加されてもよい。この化学物質は洗浄水に添加され、加水分解を抑制して加水分解物を除去し、必要であれば洗浄液のｐＨ値を調整する。洗浄水に化学物質を添加することにより、洗浄液が純水であった場合に起こるように、洗浄領域を通過するセルロース材料から実質的により多くの加水分解物を取り出すことができる。
【０００７】
セルロース材料の化学蒸解は加水分解および洗浄領域の下方で行われる。蒸解化学物質は容器内の洗浄領域の下方に設けられた蒸解領域に導入される。セルロース材料の蒸解によって生成されたパルプは容器の底部から排出される。
【０００８】
ここに開示されるプロセスでは、加水分解が完了するまでアルカリの導入を遅らせることによってリグニンおよび他の木材成分が沈殿するリスクを減少させる。このプロセスにより、セルロース材料の化学蒸解におけるアルカリ消費量も低減することができる。
【０００９】
反応容器が開発されたが、この反応容器は、セルロース材料を投入する材料投入部および前記セルロース材料を排出する材料排出部を含み、前記セルロース材料が前記材料投入部から前記材料排出部へ流れる反応容器であって、加水分解物・液体取り出しスクリーンと、前記材料投入部と前記加水分解物・液体取り出しスクリーンとの間に設けられ、前記セルロース材料において加水分解反応が起こる加水分解温度以上の温度に維持される加水分解領域と、前記加水分解物・液体取り出しスクリーンと洗浄液取り出しスクリーンと洗浄液取り出しスクリーンとの間に設けられ、加水分解が実質的に抑制される洗浄領域と、前記加水分解温度より低い温度で前記洗浄領域に導入され、前記第２の容器領域における加水分解を抑止し、少なくともその一部が前記洗浄領域を通過して前記加水分解物・液体取り出しスクリーンへ向かう洗浄液を注入し、前記洗浄領域へ導入するための洗浄液注入口と、前記洗浄領域の下方に設けられ、蒸解溶液注入口を有する蒸解領域と、前記蒸解領域の下方に設けられた蒸解溶液取り出しスクリーンと、前記蒸解溶液取り出しスクリーンの下方に設けられ、蒸解セルロース材料を排出するパルプ排出部と、を含むことを特徴とする反応容器である。
【００１０】
他の反応容器が開発されたが、この反応容器は、セルロース材料を投入する材料投入部および前記セルロース材料を排出する材料排出部を含み、前記セルロース材料が前記材料投入部から前記材料排出部へ流れる反応容器であって、前記容器内の前記セルロース材料を加熱および加圧する蒸気が導入される蒸気入口と、加水分解物・液体取り出しスクリーンと、前記材料投入部の下方および前記加水分解物・液体取り出しスクリーンの上方に設けられ、前記セルロース材料において加水分解反応が起こる加水分解温度以上の温度に維持される加水分解領域と、前記加水分解物・液体取り出しスクリーンの下方および冷却液取り出しスクリーンの上方に設けられ、前記加水分解温度より低い温度に維持される冷却領域と、前記冷却液注入口に注入され、前記加水分解温度より低い温度で前記冷却領域に導入され、少なくともその一部が前記冷却領域を上方へ流れて前記加水分解物・液体取り出しスクリーンによって取り出される水を、前記冷却領域へ導入するための水注入口と、前記冷却領域の下方および蒸解溶液注入口を有する蒸解領域の上方に設けられた第１の液体取り出しスクリーンと、前記蒸解領域あるいはそれより下方および前記材料排出部より上方に設けられた蒸解溶液取り出しスクリーンと、を含むことを特徴とする反応容器である。
【００１１】
セルロース材料からパルプを製造する方法も開発され、この方法は、加圧された反応容器の上部投入口にセルロース材料を投入する工程と、前記容器に圧力および熱エネルギーを与える工程と、前記反応容器の加水分解領域において前記セルロース材料を加水分解する工程と、前記セルロース材料から、前記容器の前記加水分解領域の下方および冷却領域の上方に設けられた加水分解物・溶液取り出しスクリーンを通して加水分解物および液体を取り出す工程と、前記冷却領域における前記セルロース材料の加水分解を抑制し、少なくともその一部が前記セルロース材料を通って上方に流れ、前記取り出しスクリーンによって取り出される冷却液を前記冷却領域に注入する工程と、前記冷却領域の下方に設けられた蒸解領域において、前記蒸解領域に冷却溶液を注入することにより前記セルロース材料を蒸解する工程と、前記容器の前記蒸解領域の下方に設けられた排出口から前記蒸解されたセルロース材料を排出する工程と、を含むことを特徴とするパルプ製造方法である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は蒸気相加水分解および蒸解システムの単一容器１０を示す。この容器は垂直に配置された円筒形反応容器であってよく、１００フィートを超える高さを有していてもよい。この容器は大気圧より高い圧力で加圧されてもよい。この容器はパルプ処理プラントの一構成要素であってもよい。
【００１３】
容器１０はその内部に上部セパレータ１２を有する。その上部セパレータに従来形のチップ供給システム１６からパイプ１４を介してセルロース材料のスラリーが搬送される。セルロース材料のスラリーは、セパレータ１２内のスクリューコンベアによって容器の上部領域に排出される。上部セパレータはスラリーから液体の取り出しも行う。取り出された液体はパイプ１３を介して容器から排出され、チップ供給システムに再循環されてもよい。
【００１４】
セルロース材料およびスラリーに残留する液体は上部セパレータ１２から排出され、容器内の上方位置にある気相２０を通って落下する。この容器が気相容器である場合、排出されたセルロース材料は気相を通って容器内のチップレベル２２の最上部に落下する。この容器が水圧（満液）容器である場合、上部セパレータから排出された材料は容器内に満たされたスラリーに直接入り込む。
【００１５】
新しいセルロース材料がセパレータから落下するに伴い、すでにチップレベル２２あるいはその下方にある材料は容器のさらに下方に押しやられる。容器における溶液レベル２４はチップレベルと同じか、その近傍であってよい。液体レベルは、チップレベル２２の最上部によって一般に示されるセルロース材料の固体チップの最上部が、全体的に液体レベル２４の下に沈んでいるような状態が好ましい。
【００１６】
大気圧より高い圧力の蒸気または他の加圧流体１７がパイプ１８を介して容器の最上部にある気相領域２０に導入され、容器に熱および圧力を供給する。容器への熱エネルギーの主要な外部源は、蒸気であることが好ましい。容器の制御は、容器の最上部に導入される蒸気（または不活性ガス）によって供給される圧力に基づいて行われてもよい。気相あるいは蒸気相容器１０を使用することにより、容器の最上部で起こり得る加水分解による気体形成に関連する操作上の問題を低減することができる。しかし、ここで開示するように、上側洗浄領域における洗浄液の導入に関しては水圧（満液）容器にも利点がある。
【００１７】
加水分解は液面レベル２４の下方で容器の上部領域（Ａ）において起こる。上部領域（Ａ）は通常液面レベル２４から（１つあるいはそれ以上の）第１（上部）取り出しスクリーン２６まで延在している。上部領域（Ａ）は加水分解を促進する状態、例えば少なくとも１５０℃、好ましくは１７０℃の温度に維持される。ただし、例えば上部領域（Ａ）の液に化学物質、例えば酸性溶液を加えた場合、加水分解を促進する温度は１５０℃〜１７０℃よりも低い場合もある。加水分解物は上部領域Ａにおいて生成され、第１取り出しスクリーン（あるいはスクリーンセット）２６によって除去される。
【００１８】
上部領域（Ａ）の溶解リグニンは、洗浄水と共に透過スクリーン２６を通過してしまうことがあるため望ましくない。例えば１１よりも高いｐＨ値のアルカリ性条件下で溶解されたリグニンは、ｐＨレベルが１１よりも低くなると沈殿しやすくなる。上部領域（Ａ）のｐＨ値は１１より低いことが好ましく、上部領域は相当量のリグニンがこの領域で溶解しないような状態に維持されることが好ましい。
【００１９】
スクリーン２６から取り出された液体はパイプ２８を通ってフラッシュタンク３０へ送られる。蒸発タンクで生成された蒸気３１は、例えば容器の上部領域を加熱するなど、パルププラントの熱エネルギーとして使用されてもよい。フラッシュタンクの液体はパイプ１３０を介してチップ供給システムへ再循環され、セルロース材料のスラリーを容器１０へ搬送するのに使用されてもよく、回収されて例えば加水分解物から糖を取り出すのに使用されてもよい。
【００２０】
容器の洗浄領域（Ｂ）は第１取り出しスクリーン２６と洗浄液取り出しスクリーン３３との間に設けられている。洗浄液３６が洗浄領域Ｂへ供給され、領域Ｂにおける加水分解をある程度抑制する。洗浄領域Ｂでは、容器内を下方に移動するチップ材料に対して向流洗浄が起こる。容器を通過する材料の流れは通常下向きで、向流液体の流れは通常上向きである。例えば洗浄水単独あるいは化学物質を含む洗浄水などの洗浄液の領域Ｂにおける通常の向流方向は上向きであり（領域Ｂの上向き矢印参照）、セルロース材料が容器を通過する通常の流れ方向は下向きである（領域Ｂの下向き矢印参照）。
【００２１】
例えば単なる水あるいは水と化学物質の混合液などの洗浄液の温度は、加水分解温度よりも１０℃〜７０℃低いことが好ましく、２０℃〜５０℃低いことがより好ましく、２５℃〜３５℃低いことが最も好ましい。洗浄液のｐＨ値は３〜７が好ましく、４〜５がより好ましい。洗浄液は、洗浄液給源３６から、また洗浄液取り出しスクリーン３３から取り出された溶液を再循環することにより領域Ｂなどの容器内の上方位置に供給される。この洗浄液および再循環溶液により、領域Ｂを通って上方取り出しスクリーン２６へ向かう上昇流を十分に発生させることができる。セルロース材料の洗浄のほとんどが領域Ｂにおいて行われることが好ましい。
【００２２】
洗浄液給源３６内の洗浄液は単なる洗浄水であっても、洗浄水と、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）および本質的に無硫黄の白液などの化学物質のうちの１つ以上とを組み合わせたものであってもよい。本質的に無硫黄の白液に含まれる硫黄化合物は、０．１０百万分の一（ｐｐｍ）を超えないことが好ましい。例えば、洗浄水に添加される化学物質の量は、容器内を流れるスラリーにおける例えば木材などのセルロース材料の量の０．０１％〜５％であってよく、好ましくは０．１％〜１％である。化学物質は化学物質給源５３から供給され、パイプ５７を通って洗浄液給源３６において洗浄水３４と混ざり合う。洗浄液と化学物質（供給される場合）の混合物３６は洗浄液パイプ５９を通過し、洗浄液取り出しパイプ３７を流れる取り出された溶液の再循環流と混ざり合い、洗浄液注入口６１から洗浄領域Ｂに戻される。
【００２３】
洗浄液は、上方の取り出しスクリーン２６へ向かって領域Ｂを上方へ流れるに伴って、上方の取り出しスクリーン２６へ向かって領域Ｂを下方へ流れるセルロース材料と混ざり合う。洗浄液は材料を冷却し、酸や他の化合物を材料から洗い流す傾向がある。酸や他の化合物は取り出しスクリーン２６を通って流出する。セルロース材料の冷却および洗浄により、セルロース材料内で起こる加水分解反応が抑制され、好ましくは停止する。
【００２４】
セルロース材料が第３取り出しスクリーン３８に向かって下方に流れるに伴って（領域Ｃの矢印参照）、第２スクリーン３３の下方で並流洗浄が起こる。領域Ｃにおいては、流体は通常下方に向かって並行して、例えばセルロース材料と同じ方向に流れる。領域Ｃは、残留する加水分解物をセルロース材料から除去するための洗浄・緩衝領域である。残留加水分解物は取り出しスクリーン３８を通過する流体内に取り出され、パイプ４０を通ってフラッシュタンク４２へ送られる。フラッシュタンク３０と同様に、フラッシュタンク４２からの蒸気は、例えば容器１０の最上部に導入するなど、熱エネルギーとして回収してもよく、タンク４２の液体はチップ供給システムに再循環して、加水分解物からの糖の回収など他の用途のために回収してもよい。スクリーン３８および２６からの加水分解物は、必要に応じてライン１９Ａおよび１９Ｂを介して処理容器の最上部へ循環できる。
【００２５】
加水分解冷却および洗浄領域（ＢおよびＣ）では、容器内を下方に移動するセルロース材料から加水分解物が除去される。領域ＢおよびＣは、領域Ａにおいて加水分解を行うセルロース材料と、領域ＤおよびＥにおいて蒸解、例えば蒸煮を行うセルロース材料との緩衝領域である。これらの洗浄領域は、容器内の加水分解領域（Ａ）の真下に設けられている。洗浄液の温度は、領域Ｂにおける材料よりも温度の低い洗浄液の領域Ｂへの供給量および洗浄液３６に供給される洗浄水３４の量を調整することにより、セルロース材料の加水分解温度よりも意図的に低くなるよう維持されてもよい。洗浄液は、加水分解を抑制するためにセルロース材料のスラリーおよび領域Ｂの溶液を冷却し、洗浄液がスクリーン２６を通って取り出されるに従って加水分解物をセルロース材料から洗い流して除去することにより、セルロース材料からの加水分解物の除去を促進する。
【００２６】
緩衝領域（領域Ｃ）から下方に移動するセルロース材料の温度は通常の加水分解温度よりも低いことが好ましい。セルロース材料の温度は、領域Ｂおよび必要に応じて領域Ｃへ流れ込む通常の加水分解温度よりも低い温度の洗浄液によって冷却される。
【００２７】
また、洗浄液により、蒸解領域（ＤおよびＥ）に入る前の材料のｐＨレベルを中性近傍あるいは中性より高い値になるよう調整してもよい。通常、加水分解物の除去およびセルロース材料のｐＨレベルの調整を蒸解領域より上方で行うことにより、蒸解化学物質内の溶解リグニンが蒸解領域において沈殿するのを最小限に、あるいは防止することができる。
【００２８】
洗浄液および溶液の取り出し・再循環パイプ３７には、ｐＨモニター４４が設けられていてもよい。スクリーン３３を通して取り出され、パイプ３７を通して容器に戻される再循環洗浄液および溶液のｐＨ値は、４４によってモニタリングされる。パイプ３７内の再循環洗浄液および溶液に追加される洗浄液３６の量は、ライン３７から容器へ流れる洗浄液および溶液のｐＨ値がｐＨ４〜ｐＨ１０、あるいはより狭いｐＨ６〜ｐＨ１０、あるいはｐＨ６〜ｐＨ８などの所定の範囲内に維持されるようにある程度決定されてもよい。パイプ３７内の取り出された洗浄液および溶液のｐＨ値が所定の範囲のｐＨ値よりも高い場合、パイプ３７に追加される洗浄液３６の量を増加してもよい。洗浄液のｐＨ値は通常は７であり、パイプ３７に追加される洗浄液の量を増加すると、パイプ３７内の液体のｐＨ値はｐＨ７に向かって減少することになる。さらに、パイプを通って容器へ流れる洗浄液および溶液のｐＨ制御を援助するために、再循環パイプ３７に酸性の化学物質（化学物質ソース５３参照）を追加してもよい。パイプ３７内の取り出された洗浄液および溶液のｐＨ値が所定の範囲のｐＨ値の最低値あるいはそれより低い場合、給源５３からパイプ３７の流れに導入される洗浄液３６にｐＨ値の高い化学物質を追加してもよい。
【００２９】
加水分解および洗浄部（領域Ａ〜Ｃ）における容器１０の直径は、比較的均一であってよい。同様に、蒸解領域（領域Ｄ〜Ｆ）における容器の直径も比較的均一であってよく、領域Ａ〜Ｃに対して均一であってもよい。あるいは、１つ以上の領域、例えばＤ〜Ｆが、より上方位置の領域よりも大きな直径を有していてもよい。
【００３０】
セルロース材料の蒸解は、容器の洗浄・緩衝領域（Ａ〜Ｃ）の下方にある領域ＤおよびＥにおいて起こる。蒸解とは、セルロース材料を化学的に処理し、セルロース材料からリグニンを溶解させることである。蒸解化学物質は容器１０の最上部には導入されないことが好ましく、第３取り出しスクリーン３８より上方に導入されないことが好ましい。
【００３１】
蒸解領域（Ｄ〜Ｅ、必要に応じてＦ）は洗浄・緩衝領域（ＢおよびＣ）の下方に設けられている。蒸解領域には蒸解化学物質が注入され、セルロース材料に速やかにかつ完全に浸透する。上側の蒸解領域（Ｄ）が下側の蒸解領域（ＥおよびＦ）に比べて低い温度で働くように蒸解領域が配置されてもよい。蒸解領域における溶液の流れは、並流であっても向流であってもよい。蒸解領域ＤおよびＦにおいては溶液の流れは向流であり、領域Ｅにおいては溶液の流れは並流である。
【００３２】
蒸解化学物質（溶液）５０は容器の好ましくは領域Ｄに導入される。蒸解溶液再循環パイプ５２は、領域Ｄの真下に設けられた取り出しスクリーン５４から黒液を回収する。例えば白液などの付加的な蒸解溶液５０がパイプ５２から再循環され領域Ｄに導入された蒸解溶液と混ざり合う。セルロース材料の蒸解を開始するため、蒸解溶液は加熱されてもよい。蒸解プロセスは蒸解溶液が領域Ｄなどの蒸解領域に導入されることにより開始されてもよい。付加的な蒸解溶液は、領域ＥおよびＦにおける様々な高さ位置にある１つ以上の取り出しスクリーン５８において除去されてもよい。材料が領域ＥおよびＦを容器最下部３２のパルプ排出部５６に向かって移動する際、セルロース材料の温度は比較的一定に保たれてもよい。
【００３３】
容器における蒸解は、第１段（上方位値領域Ｄ）を通過するセルロース材料の温度が他段（下方位値領域ＥおよびＦ）におけるセルロース材料の温度より低いような複数の段で行われてもよい。任意の蒸解作業として、セルロース材料を蒸解溶液に導入しながら材料の蒸解を行ってもよい。また別の蒸解作業として、蒸解溶液に導入した後、蒸解プロセスが進むにつれて異なる温度で（例えば領域Ｄの温度が領域ＥおよびＦよりも高くなるようにして）セルロース材料の蒸解を行ってもよい。
【００３４】
領域Ｆは、最終蒸解領域あるいは洗浄領域である。洗浄水給源３４から洗浄水が容器の最下部３２へ導入され、洗浄水の給源３４から最下領域Ｆを上方へ向かって流れる。セルロース材料が処理容器あるいは蒸解容器から排出される直前に、この洗浄水により最終洗浄領域、例えば領域Ｆにおいて、セルロース材料から蒸解化学物質が除去される。
【００３５】
蒸発タンクおよび取り出しスクリーン２６、３３から排出される熱エネルギーを回収するために、熱回収方法を連続的に使用してもよい。例えば、洗浄液および溶液の取り出し・再循環パイプ３７の循環流などから熱が回収できる場合、熱回収を行うには熱交換器などを使用する必要がある。また、予熱液体１８を容器の最上部に注入する必要もある。この予熱は、循環パイプとの熱交換接触において容器から取り出される高温流を使用することにより達成することができる。
【００３６】
以上、本発明を現状で最も実用的かつ好ましいと考えられる実施形態をもとに説明したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、むしろ付記されたクレームの意図および範囲における様々な変形および等価な変更等を包含することが理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】セルロース材料の加水分解および蒸解を行う連続パルピング容器の概略図である。
【図１】
2009052188.tif 000003
【外国語明細書】
【Title of Invention】
SINGLE VESSEL REACTOR SYSTEM FOR HYDROLYSIS AND DIGESTION OF WOOD CHIPS WITH CHEMICAL ENHANCED WASH METHOD
【Technical Field】
This invention relates to a method and an apparatus for hydrolysis treatment of cellulosic fiber material.
【Background Art】
In conventional systems, wood chips (or other cellulosic or fiber material) can undergo hydrolysis in a single vessel prior to treatment or cooking in a digester, such as described in US Patents 3,380,883 and 3,413,189. In such systems, hydrolysis occurs under acidic conditions in the slurry of wood chips, e.g., cellulosic material, passing through a top section of the vessel with the continued treatment of cooking in lower sections of the vessel followed by washing in the bottom of the vessel. In the upper region of the vessel, hydrolysate, e.g., sugars such  pentose and hexose, is extracted from wood chips and the hydrolysate is recovered.
Hydrolysis  occurs throughout the upper region of the vessel by the introduction of steam, acid and/or water in a con-current flow in the upper region.  In the lower region of the vessel, the cellulosic material is cooked and wash and is subsequently discharged as pulp from the vessel.
【Disclosure of Invention】
A novel hydrolysis system has been developed for a pulping system. The hydrolysis and digesting of cellulosic material, e.g., wood chips, is performed in a single pressurized reactor vessel. The cellulosic material undergoes hydrolysis in an upper zone of the vessel. The hydrolysis takes place in the vessel at the vessel in the conditions of pH of 1 to 6, preferably 3 to 4, and at temperatures in a range of 150oC to about 170oC, and preferably in a range of 160oC to 170oC.  Hydrolysate and liquids are removed from the reactor through an upper extraction screen in the vessel. A wash zone of the vessel is below the upper extraction screen and above the cooking zones of the vessel.  Wash liquid flows upward through the wash zone and to an extraction screen.  Washliquid is also extracted from the vessel through a wash liquid extraction screen at the bottom of the wash zone. 
The cool wash liquid reduces the temperature of the cellulosic material flowing through the wash zone to suppress the hydrolysis reactions of the cellulosic material.  Substantially all of the hydrolysis reactions are suppressed in the wash zone and much of the  hydrosate is removed with the wash liquid and liquor flowing through the upper extraction screen at the top of the wash zone and from an extraction screen(s) at the bottom of the wash zone(s).  Multiple wash zones below the upper extraction screen and above the cooking zones may be used to flush hydrolysate from the cellulosic material and ensure that hydrolysis has stopped prior to the cooking zones.
A chemical, such as in an amount of 0.01 percent (%) to 5%, preferably 0.1 percent to 1 percent, of the wood in the slurry in the vessel may be included in the wash liquid added to the wash zone.  The wash water or wash liquid (if chemical has been added) suppresses hydrolysis reactions in the cellulosic material below the extraction screen.  This wash liquid has a temperature in a range of 10oC to 70oC cooler than the hydrolysis temperature, and preferably 20oC to 50oC cooler, and most preferably 25oC to 35oC cooler.  Further, the wash liquid preferably has a  pH in a range of 3 to 7, and most preferably in a pH range of 4 to 5.  Chemicals, such as sodium hydroxide (NaOH), essentially sulfur free white liquor or a mixture of these chemicals, may be added to the wash liquid.  The chemical(s) are added to the wash water to suppress hydrolysis and remove hydrosate, and optionally to adjust the pH of the wash liquid.   The addition of the chemicals to the wash water results in substantially more hydrolysate being extracted from the cellulosic material flowing through the wash zone, that would occur if the wash liquid was purely water.  
Chemical digesting of cellulosic material is performed below the hydrolysis and wash zones. Cooking chemicals are introduced into the vessel to cooking zones in the vessel and below the wash zones.  Pulp generated from cooking the cellulosic material is discharged from the bottom of the vessel. 
The process disclosed herein reduces the risk of precipitation of lignin and other dissolved wood components by delaying the introduction of alkali until after hydrolysis has been accomplished. The process may also reduce alkali consumption during chemical digesting of cellulosic material.  
A reaction vessel has been developed including: a material input receiving cellulosic material and a material discharge for the cellulosic material, wherein the cellulosic material flows through the reaction vessel from the material input to the material discharge; a hydrolysate and liquid extraction screen; a hydrolysis zone between the material input and the hydrolysate and liquid extraction  screen, wherein the hydrolysis zone is maintained at or above at a hydrolysis temperature at which a hydrolysis reaction occurs in the cellulosic material; a wash zone between the hydrolysate and liquid extraction screen and a wash liquid extraction screen and a wash liquid extraction screen in which the hydrolysis is substantially suppressed; a wash liquid inlet port for introducing a wash liquid into the wash zone, wherein at least a portion of the wash liquid entering the wash liquid inlet port flows through the wash zone to the hydrolysate and liquid extraction screen, and wherein the wash liquid is introduced to the wash zone at a temperature below the hydrolysis temperature and the wash liquid suppresses the hydrolysis in the second vessel zone; a cooking zone below the wash zone, wherein said cooking zone includes a cooking liquor injection port; a cooking liquor extraction screen below the cooking zone, and a pulp discharge below the cooking liquor extraction screen for discharging digested cellulosic material.
A reaction vessel has been developed  comprising: a material input receiving cellulosic material and a material discharge for the cellulosic material, wherein the cellulosic material flows through the reaction vessel from the material input to the material discharge; a steam inlet receiving steam to heat and pressurize the cellulosic material in the vessel; a hydrolysate and liquid extraction screen; a hydrolysis zone below the material input and above the hydrolysate and liquid extraction screen, wherein the hydrolysis zone is maintained at or above a hydrolysis temperature at which a hydrolysis reaction occurs in the cellulosic material; a cooling zone below the hydrolysate and liquid extraction screen and above a cooling liquid extraction screen, wherein the cooling zone is maintained at a temperature below the hydrolysis temperature; a water inlet port for introducing water into the cooling zone, wherein at least a portion of the water entering the cooling inlet port flows through the cooling zone upward to and is extracted by the hydrolysate and liquid extraction screen, and wherein the water is introduced to the cooling zone at a temperature below the hydrolysis temperature; a first liquid extraction screen below the cooling zone and above a cooking zone; the cooking zone includes a cooking liquor injection port, and a cooking liquor extraction screen at or below the cooking zone and above the material discharge.
A method has been developed to produce pulp from cellulosic material comprising: introducing cellulosic material to an upper inlet of a pressurized reaction vessel; adding pressure and heat energy to the vessel; hydrolyzing the cellulosic material in an hydrolysis zone of the reaction vessel; extracting hydrolysate and liquid from the cellulosic material through a hydrolysate and liquid extraction screen below the hydrolysis zone and above a cooling zone of the vessel; introducing a cooling liquid to the cooling zone, wherein the cooling liquid suppresses hydrolysis of the cellulosic material in the cooling zone and wherein at least a portion of the cooling liquid flows upward through the cellulosic material to and is extracted by the extraction screen; digesting the cellulosic material in a cooking zone below the cooling zone by injecting a cooling liquor in the cooking zone, and discharging the digested cellulosic mater from a discharge port of the vessel wherein the port is below the cooking zone.
【Best Modes for Invention】
FIGURE 1 shows a single vessel 10 for a  steam phase hydrolysis and digesting system. The vessel may be a cylindrical reactor vessel arranged vertically and may be over 100 feet tall. The vessel may be pressurized to a pressure above atmospheric pressure.  The vessel may be a component of a pulp processing plant.
The vessel 10 includes an internal top separator 12.  A slurry of cellulosic material is conveyed to the top separator via pipe 14 from a conventional chip feed system 16. A screw conveyor in the separator 12 discharges the slurry of cellulosic material into an upper zone of the vessel.  The top separator also extracts liquid from the slurry.  The extracted liquid is discharged from the vessel via pipe 13 and may be recirculated to the chip feed system. 
Cellulosic material and the liquid remaining in the slurry are discharged from the top separator 12 and fall through a gas phase 20 in an upper elevation of the vessel.  The discharged cellulosic material falls through the gas phase and to the top of the chip level 22 in the vessel, if the vessel is a vapor phase vessel.  If the vessel is a hydraulic vessel, the discharged material from the top separator directly enters a slurry that fills the vessel.   
As new cellulosic material falls from the separator, material already at or below the chip level 22 is forced further down into the vessel.  The liquor level 24 in the vessel may be at or near the chip level. Preferably, the liquid level is such that the top of the chip solids in the cellulosic material, generally represented by the top of the chip level 22, is entirely submerged below the liquid level 24.
Steam or other pressurized fluid 17 at above atmospheric pressure is introduced via pipe 18 to the gas phase zone 20 at the top of the vessel to provide heat and pressure to the vessel. Steam is preferably the principal external source of heat energy to the vessel.  The vessel may be controlled based on pressure provided by the steam (or an inert gas) introduced to the top of the vessel.  The use of a vapor or steam phase vessel 10 should reduce operating problems associated with gas formation by hydrolysis that may occur in the top of the vessel.  However, a hydraulic vessel may still benefit from the introduction of wash liquid in an upper wash zone as is disclosed herein.
Hydrolysis occurs below the liquid surface level 24 and in an upper zone (A) of the vessel.  The upper zone (A) extends generally from the liquid surface level 24 to the first (upper) extraction screen(s) 26. The upper zone (A) is maintained at conditions that promote hydrolysis, such as being maintained at a temperature of at least 150 degrees Celsius or preferably at least 170 degrees Celsius. However, the temperature promoting hydrolysis may be below 150 to 170 degrees Celsius if chemicals, e.g., by adding an acidic solution to the liquor in the upper zone (A).  Hydrolysate is generated in the upper zone A and is removed by the first extraction screen (or screen set) 26.  
Dissolved lignin in the upper zone (A) is not desired as the dissolve lignin may flow with the wash water through the through screen 26. Lignin which has been dissolved under alkaline conditions, e.g., pH greater than 11, tends to precipitate at pH levels lower than a pH of 11. Preferably the pH of the upper zone (A) is below 11 and the upper zone is maintained at conditions that do not cause substantial amounts of lignin to dissolve in that zone.
The extracted liquid from screen 26 passes through a pipe 28 and to a flash tank 30. Steam 31 generated in the flash tank may be used as heat energy in the pulp plant, such as to heat the upper zone of the vessel.  The liquid from the flash tank may be recirculated via pipe 130 to the chip feed system to transport the slurry of cellulosic material to the vessel 10 and/or recovered, such as to extract sugars from the hydrolysate.
A wash zone (B) in the vessel is between the first extraction screen 26 and a wash liquid extraction screen 33.  Washliquid 36 is supplied to the wash zone B to, in part, suppress hydrolysis in zone B. In wash zone B, counter-current washing occurs of the chip material moving downward through the vessel.  The flow of material through the vessel is generally down and a counter-current flow of liquid is generally up.  The general counter-flow direction of the wash liquid, e.g., wash water alone or with chemicals, in zone B is upward (see up arrow in zone B) and the general flow direction of the cellulosic materials is downward (see down arrow in zone B) through the vessel. 
The wash liquid, e.g., either simply water or a mixture of water and chemicals, preferably has a temperature of 10oC to 70oC cooler than the hydrolysis temperature, more preferably 20oC to 50oC cooler, and most preferably 25oC to 35oC cooler.  The pH of the wash liquid is preferably 3 to 7, and more preferably 4 to 5.  The wash liquid is supplied to upper elevations of the vessel, such as zone B, from a wash liquid source 36 and by recirculating liquor extracted from the wash extraction screen 33. The wash liquid and the recirculating liquor are sufficient to create an upward flow of fluids through zone B to the upper extraction screen 26.  Preferably, most of the washing of the cellulosic material occurs in zone B. 
The wash liquid in source 36 may be simply wash water or a combination of wash water and chemicals such as one or more of sodium hydroxide (NaOH) and essentially sulfur free white liquor.  Preferably, essentially sulfur free white liquor has no more than 0.10 parts per million (ppm) of sulfur compounds.  For example, the amount of chemicals added to the wash water may be 0.01% to 5%, preferably 0.1 % to 1%, of the amount of cellulosic material, e.g., wood, in the slurry flowing through the vessel.  The chemicals are provided from a chemical source 53 and flow through pipe 57 to mix with wash water 34 in the source of wash liquid 36.  The mixture 36 of wash liquid and chemicals (if any) flow through wash liquid pipe 59 and mix with a recirculation flow of extracted liquor flowing through wash liquid extraction pipe 37 and back into the wash zone B through wash liquid inlet port 61.   
As the wash liquid flows upward through zone B to the upper extraction screen 26, the wash liquid mixes with the cellulosic material flowing down through zone B to the upper extraction screen 26.  The wash liquid tends to cool the material and flush acids and other compounds from the materials.  The acids and other compounds flow out through the extraction screen 26.  The cooling and flushing of the cellulosic material tends to suppress and preferably stop hydrolysis reactions occurring in the cellulosic material.
Con-current washing may occur below the second screen 33 as the cellulosic material flows downward (see arrow in zone C) to a third extraction screen 38. In zone C, fluid flows generally downward con-currently, e.g., in the same flow direction, with the cellulosic material. Zone C is a wash and buffer zone  that removes any remaining hydrolysate from the cellulosic material. The remaining hydrolysate is extracted in fluid passing through the extraction screen 38 and flows through pipe 40 to a flash tank 42. As with flash tank 30, steam from the flash tank 42 may be recovered as heat energy, e.g., introduced to the top of the vessel 10, and liquid from the tank 42 may be recirculated to the chip feed system and recovered for other purposes, such as the recovery of sugars from the hydrolysate. Hydrolysate from screens 38 and 26 can be circulated via lines 19A and 19B to the to the top of the treatment vessel, if desired.
The hydrolysis cooling and wash zones (B and C) remove hydrolysate from the cellulosic material moving down through the vessel.  Zones B and C buffer the cellulosic material undergoing hydrolysis in zone A from the cellulosic material undergoing digestion, e.g., cooking, in zones D and E. The wash zones are immediately below the hydrolysis zone (A) in the vessel.  The wash liquid may be purposefully maintained at temperatures below hydrolysis temperature of the cellulosic material by adjusting the amount of wash liquid, which is cooler than the material in zone B, supplied to zone B and by adjusting the amount of cool water 34 supplied to the wash liquid 36. The wash liquid cools the slurry of cellulosic material and liquor in zone B to suppress hydrolysis and assists with the removal of hydrolysate from the cellulosic material by washing the hydrolysate form the cellulosic material and removing the hydrolysate as the wash liquid is extracted through screen 26.
Preferably, the temperature of the cellulosic material as it moves down from the buffer section (zone C) is below normal hydrolysis temperatures.  The temperature of the cellulosic material is cooled by the cool wash liquid flowing into zones B, and optionally zone C, where the wash liquid is below the normal hydrolysis temperatures.
The wash liquid may also adjust the pH level of the material to be near or above neutral prior to the cooking zones (D and E). Removing hydrolysate and adjusting the pH level of the cellulosic material above the cooking zones generally should assist in minimizing or preventing precipitation of dissolved lignin present in the cooking chemicals in the cooking zones.  
The wash liquid and liquor extraction and recirculation pipe 37 may include a pH monitor 44. The pH of the recirculating wash liquid and liquor extracted through screen 33 and to be returned to the vessel through pipe 37 is monitored 44.  The amount of wash liquid 36 added to the recirculating wash liquid and liquor in pipe 37 may be determined, in part, to maintain the pH of the wash liquid and liquor flowing from line 37 to the vessel within a predetermined range such as between 4 pH and 10 pH, or in a narrower range of 6 pH to 10 pH or 6 pH to 8 pH.  If the pH of the extracted wash liquid and liquor in pipe 37 is at a higher pH than the predetermined pH range, the amount of wash liquid 36 being added to pipe 37 may be increased.  The pH of the wash liquid is typically at a pH of 7 and increasing the amount of wash liquid added to pipe 37 should reduce the pH of the liquid in pipe 37 towards a pH of 7.  Further, an acid chemical, see chemical source 53, may be added to the recirculation pipe 37 to assist in pH control of the wash liquid and liquor flowing through the pipe to the vessel.  If the pH of the extracted wash liquid and liquor in pipe 37 is at the low end or below the predetermined pH range, chemicals from source 53 having a high pH may be added to the wash liquid 36 to be introduced to the flow in pipe 37.
The diameter of the vessel 10 in the hydrolysis and washing sections (zones A to C) may be relatively uniform.  Similarly, the diameter of the vessel in the cooking zones (zones D to F) may be relatively uniform and may be uniform with respect to zones A to C. Alternatively, one or more of the zones, e.g., D to F, may have a larger diameter than zones at higher elevations.
Cooking of the cellulosic material occurs in zones D and E that are below the wash and buffer zones (A to C) of the vessel. Cooking is chemically treating the cellulosic materials to dissolve lignins from the cellulosic material. Cooking chemicals are preferably not introduced to the top of the vessel 10 and preferably not above the third extraction screen 38.
The cooking zones (D to E, and optionally F) are below the washing and buffer zones (B and C).  In the cooking zones, cooking chemicals are injected to provide quick and thorough penetration of cooking chemicals into the cellulosic material.  The cooking zones may be arranged such that the upper cooking zone (D) operates at a reduced temperature as compared to lower cooking zone(s) (E and F).  The cooking zones may include con-current and counter-current liquor flow. Cooking zones D and F are shown with a counter-current liquor flow, and zone E is shown with con-current liquor flow.   
Cooking chemicals (liquor) 50 are introduced to the vessel preferably in zone D.  A cooking liquor recirculation pipe 52 recovers black liquor from an extraction screen 54 immediately below zone D.  Additional cooking liquor 50, e.g., white liquor, is mixed with the cooking liquor being recirculated and introduced into zone D from pipe 52.  The cooking liquor may be heated to cause the cellulosic material to begin cooking. The cooking process may begin as the cooking liquor is introduced the cooking zones, e.g., zone D. Additional cooking liquor may be removed at one or more extraction screens 58 at various elevations of zones E and F. The temperature of the cellulosic material may remain relatively constant as the material moves through zones E and F to the pulp discharge 56 at the bottom 32 of the vessel.
Cooking in the vessel may be with multiple stages where the cellulosic material passing through the first stage (upper elevation-zone D) is at a lower temperature than the cellulosic material at other stages (lower elevations-zones E and F). An optional cooking operation includes cooking of the cellulosic material as the material is introduced to the cooking liquor.  Yet another cooking operation may include cooking the cellulosic material, once introduced to the cooking liquor, at different temperatures as the cooking process proceeds, e.g., zone D is a temperature higher than zones E and F.
Zone F may be a final cooking zone or a wash zone.  Wash water, from a wash water source 34, is introduced to the bottom 32 of the vessel and flows upward through the lowermost zone F from a source 34 of wash water.  In the final wash zone, e.g., zone F, the wash water removes cooking chemicals from the cellulosic material just prior to discharge of the cellulosic material from the treatment or digester vessel. 
Heat recovery methods may be continuously used to recover heat energy discharged by the flash tanks and the extraction screens 26, 33. For example if heat can be recovered from the circulation streams such as from wash liquid and liquor extraction and recirculation pipe 37, such recovery could involve the use of heat exchangers or the like.  It may also be necessary to pre-heat liquid 18 injected to the top of the vessel.  This pre-heating could be accomplished via use of hot streams extracted from the vessel in heat exchange contact with the circulation pipes.
While the invention has been described in connection with what is presently considered to be the most practical and preferred embodiment, it is to be understood that the invention is not to be limited to the disclosed embodiment, but on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the appended claims.
【Brief description of the drawing】
FIGURE 1 is a schematic diagram of a continuous pulping vessel which performs hydrolysis and digesting of cellulosic material.
1.   A reaction vessel comprising:
a material input receiving cellulosic material and a material discharge for the cellulosic material, wherein the cellulosic material flows through the reaction vessel from the material input to the material discharge;
a hydrolysate and liquid extraction screen;
a hydrolysis zone between the material input and the hydrolysate and liquid extraction  screen, wherein the hydrolysis zone is maintained at or above a hydrolysis temperature at which a hydrolysis reaction occurs in the cellulosic material;
a wash zone between the hydrolysate and liquid extraction screen and a wash liquid extraction screen, and in which the hydrolysis is substantially suppressed;
a wash liquid inlet port for introducing a wash liquid into the wash zone, wherein at least a portion of the wash liquid entering the wash liquid inlet port flows through the wash zone and is extracted by the hydrolysate and liquid extraction screen, and wherein the wash liquid is introduced to the wash zone at a temperature below the hydrolysis temperature;
a cooking zone between the wash zone and the material discharge, wherein said cooking zone includes a cooking liquor injection port, 
a cooking liquor extraction screen at or below the cooking zone and above the material discharge, and
wherein the wash liquid is a mixture of water and at least one of sodium hydroxide and essentially sulfur free white liquor.
2.   The reaction vessel as in claim 1 wherein the amount of at least one of sodium hydroxide and essentially sulfur free white liquor in the wash liquid is in a range of 0.01 percent to 5 percent of cellulosic material in the vessel.
3.   The reaction vessel as in claim 2 wherein the amount of at least one of sodium hydroxide and essentially sulfur free white liquor is in a range of  0.1 percent to 1 percent of cellulosic material in the vessel.
4.   The reaction vessel as in claim 1 wherein hydrolysis is conducted in the vessel at a temperature in a range of 150oC and 170oC.
5.   The reaction vessel as in claim 4 wherein the range is 160oC to 170oC.
6.   The reactor vessel as in claim 1 wherein in the hydrolysis zone the material in the vessel is at a pH in a range of 1 to 6.
7.   The reactor vessel as in claim  6 wherein the range is 3pH to 4pH.
8.   The reaction vessel as in claim 1 further comprising a heat energy inlet port for introducing a heated fluid to the vessel at or above the hydrolysis zone.
9.   The reaction vessel as in claim 1 wherein the wash zone is a first wash zone and the wash liquid extraction screen is a first wash liquid extraction screen, and the vessel further includes a second wash zone below the first wash zone and a second wash liquid extraction screen below the second wash zone and above the cooking zone, wherein the wash liquid inlet port is above the first wash liquid extraction screen and at least a portion of the wash liquid entering through the wash liquid inlet port is extracted the first and second liquid extraction screens. 
10.   The reactor vessel as in claim 1 wherein the wash liquid when introduced to the wash zone is in a range of 10oC to 70oC cooler than the hydrolysis temperature.
11.   The reactor vessel as in claim 10 wherein the range is 20oC to 50oC cooler.
12.   The reactor vessel as in claim 10 wherein the range is 25oC to 35oC cooler.
13.   The reactor vessel as in claim 1 wherein the wash liquid when introduced to the wash zone has a pH of in a range of 3 to 7.
14.   The reaction vessel as in claim 1 further comprising a wash liquid extraction pipe coupled to a discharge of the wash liquid extraction screen, wherein liquid extracted through the wash liquid extraction screen flows through the extraction pipe is combined with wash liquid from a source of wash liquid external to the vessel, and the combined extracted liquid and wash liquid are introduced to the wash zone through the wash liquid inlet.
15.   The reaction vessel as in claim 14 further comprising a pH sensor monitoring a pH level of the liquid extracted through the wash liquid extraction screen, and wherein an amount of the wash liquid combined with the liquid extracted from the wash liquid extraction screen is determined based on the monitored pH level.
16.   The reaction vessel as in claim 1 further comprising a flash tank receiving liquid extracted from the hydrolysate and liquid extraction screen and providing steam to the vessel at or above the hydrolysis zone and discharging hydrolysate to a hydrolysate recovery system.
17.   The reaction vessel as in claim 1 wherein the  material in the hydrolysis zone is maintained at a pH below 11.
18.   A reaction vessel comprising:
a material input receiving cellulosic material and a material discharge for the cellulosic material, wherein the cellulosic material flows through the reaction vessel from the material input to the material discharge;
a steam inlet receiving steam to heat and pressurize the cellulosic material in the vessel;
a hydrolysate and liquid extraction screen;
a hydrolysis zone below the material input and above the hydrolysate and liquid extraction screen, wherein the hydrolysis zone is maintained at or above a hydrolysis temperature at which a hydrolysis reaction occurs in the cellulosic material;
a cooling zone below the hydrolysate and liquid extraction screen and above a cooling liquid extraction screen, wherein the cooling zone is maintained at a temperature below the hydrolysis temperature;
a wash liquid inlet port for introducing wash liquid into the cooling zone, wherein at least a portion of the wash liquid entering the cooling inlet port flows through the cooling zone upward to and is extracted by the hydrolysate and liquid extraction screen, and wherein the wash liquid is introduced to the cooling zone at a temperature below the hydrolysis temperature;
a first liquid extraction screen below the cooling zone and above a cooking zone;
the cooking zone includes a cooking liquor injection port, 
a cooking liquor extraction screen at or below the cooking zone and above the material discharge, and
wherein the wash liquid is a mixture of water and at least one of sodium hydroxide and essentially sulfur free white liquor.
19.   The reaction vessel as in claim 18 wherein the amount of at least one of sodium hydroxide and essentially sulfur free white liquor in the wash liquid is in a range of 0.01 percent to 5 percent of cellulosic material in the vessel.
20.   The reaction vessel as in claim 18 wherein the hydrolysis temperature is in a range of 150oC and 170oC.
21.   The reactor vessel system as in claim 18 wherein a pH in the hydrolysis zone is in a range of 1pH to 6pH. 
22.   The reaction vessel as in claim 18 further comprising a heat energy inlet port for introducing a heated fluid at or above the hydrolysis zone.
23.   The reaction vessel as in claim 22 wherein the heated fluid is steam recovered from fluid extracted from the hydrosate and liquid extraction screen.
24.   The reaction vessel as in claim 18 further comprising a wash zone below the cooling zone and a second liquid extraction screen below the wash zone and above the cooking zone, wherein the first and second liquid extraction screens extract at least a portion of the water entering through the water inlet port. 
25.   The reaction vessel as in claim 18 further comprising a liquid extraction pipe coupled to a discharge of the cooling liquid extraction screen, wherein liquid extracted through the cooling liquid extraction screen flows through the extraction pipe, is combined with the wash liquid and is introduced to the cooling zone through the cooling liquid inlet.
26.   The reactor vessel system as in claim 18 wherein the wash liquid at the wash liquid input port is 10oC to 70oC cooler than the hydrolysis temperature.
27.   The reactor vessel system as in claim 18 wherein the wash liquid at the wash liquid input port has a pH in a range of 3 to 7.
28.   The reaction vessel as in claim 27 further comprising a pH sensor monitoring a pH level of the liquid extracted through the cooling liquid extraction screen, and wherein an amount of the wash liquid combined with the liquid extracted from the cooling liquid extraction screen is determined based on the monitored pH level.
29.   The reaction vessel as in claim 18 wherein the reaction vessel is substantially vertical, has a height of at least 100 feet, the inlet is in an upper section of the vessel, and the discharge is proximate a bottom of the vessel.
30.   The reaction vessel as in claim 18 further comprising a flash tank receiving liquid extracted from the hydrolysate and liquid extraction screen and providing steam to the vessel at or above the hydrolysis zone and discharging hydrolysate to a hydrolysate recovery system.
31.   The reaction vessel as in claim 18 further comprising a second cooling liquid extraction screen below the hydrolysis zone and above the cooking zone, wherein at least a portion of the cooking liquor is extracted through both the cooling liquid extraction screens.
32.   A method to produce pulp from cellulosic material comprising:
introducing cellulosic material to an upper inlet of a pressurized reaction vessel; 
adding pressure and heat energy to the vessel;
hydrolyzing the cellulosic material in an hydrolysis zone of the reaction vessel; 
extracting hydrolysate and liquid from the cellulosic material through a hydrolysate and liquid extraction screen below the hydrolysis zone and above a cooling zone of the vessel;
introducing a cooling liquid to the cooling zone, wherein the cooling liquid suppresses hydrolysis of the cellulosic material in the cooling zone and wherein at least a portion of the cooling liquid flows upward through the cellulosic material to and is extracted by the extraction screen;
digesting the cellulosic material in a cooking zone below the cooling zone by injecting a cooling liquor in the cooking zone, 
discharging the digested cellulosic mater from a discharge port of the vessel wherein the port is below the cooking zone, and
wherein the wash liquid is a mixture of water and at least one of sodium hydroxide and essentially sulfur free white liquor.
33.   The method as in claim 32 wherein the amount of at least one of sodium hydroxide and essentially sulfur free white liquor in the wash liquid is in a range of 0.01 percent to 5 percent of cellulosic material in the vessel.
34.   The method as in claim 32 wherein a pH in the hydrolysis zone is in a range of 1 to 6.
35.   The method of claim 32 wherein the cellulosic material in the hydrolysis zone is maintained at a temperature above a hydrolysis temperature and the cellulosic material in the cooling zone is maintained at a temperature at least ten degrees Celsius below the hydrolysis temperature.
36.   The method of claim 35 wherein the hydrolysis temperature is in a range of 150oC to 170 degrees Celsius.
37.   The method of claim 35 wherein the cooling liquid when introduced to the cooling zone is 10oC to 70oC cooler than the hydrolysis temperature.
38.   The method of claim 32 further comprising extracting liquid from a liquid extraction screen at or below the cooling zone, adding wash liquid to the extracted liquid and injecting the extracted liquid and added wash liquid to the cooling zone, wherein the added wash liquid is at a temperature below the hydrolysis temperature.
39.   The method of claim 38 further comprising monitoring the pH of the extracted liquid and increasing a flow of wash liquid added to the extracted liquid if the monitored pH  exceeds a predetermined PH level.
40.   The method of claim 32 further comprising flashing the hydrolysate and liquid extracted through the hydrolysate and liquid extraction screen, and
injecting into the vessel recovering steam from the flashed hydrolysate and liquid, and separating hydrolysate from the flashed hydrolysate and liquid.
1. Abstract
A reaction vessel including: a material input receiving cellulosic material and a material discharge for the cellulosic material, wherein the cellulosic material flows through the reaction vessel from the material input to the material discharge; a hydrolysate and liquid extraction screen; a hydrolysis zone between the material input and the hydrolysate and liquid extraction  screen; a wash zone between the hydrolysate and liquid extraction screen and a wash liquid extraction screen; a wash liquid inlet port for introducing a wash liquid into the wash zone, wherein at least a portion of the wash liquid entering the wash liquid inlet port flows through the wash zone and is extracted by the hydrolysate and liquid extraction screen; a cooking zone between the wash zone and the material discharge and a cooking liquor extraction screen at or below the cooking zone and above the material discharge.
2. Selected Drawing
FIGURE  1  
【FIGURE 1】
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