СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ ИЗ СОЛОМЫ
METHOD TO PRODUCE CELLULOSE FROM STRAW

Изобретение относится к области производства целлюлозы из растительных материалов, в частности рисовой соломы, и может найти применение в целлюлозно-бумажной промышленности.
Известен способ окислительно-органосольвентной варки целлюлозы из рисовой соломы и шелухи (Вураско А.В. и др., Ж-л Целлюлоза. Бумага. Картон. 2007, №1, стр.16-19). По этому способу можно получать лишь техническую целлюлозу.
Известен также способ получения целлюлозы путем варки рисовой соломы и/или шелухи смесью ледяной уксусной кислоты и пероксида водорода в присутствии катализатора при нагревании, причем солому и/или шелуху предварительно подвергают химической обработке раствором NaOH с концентрацией 20-60 г/л при температуре не менее 70°C в течение не менее 20 мин и затем промывают водой до нейтральной реакции (RU 2312946, МПК D21С 1/06, D21С 3/04 от 31.03.2006 г.). Недостатками способа являются сложность его исполнения, расход дорогих химикатов, необходимость использовать комбинированные методы очистки сточных вод процесса.
Наиболее близким по технической сущности и назначению к предлагаемому изобретению является способ варки сечки рисовой соломы путем ее обработки в две ступени (Справочник бумажника (технолога) т.1. М.-Л.: Гослесбумиздат, 1955 г., стр.586-588). На первой ступени сечку пропитывают в реакторе сульфатным щелоком при температуре 20-80°C при отношении массы щелока к массе сечки 7:1. Концентрация активной щелочи в щелоке 25 г/л. Пропитанную массу выдерживают в зависимости от температуры щелока в течение 8-1,5 часов. В этот период протекает процесс мацерации, т.е. разъединение клеток в растительных тканях в результате растворения межклеточного вещества. Далее пропиточный раствор отделяют от массы. Массу после полного стекания жидкой фазы загружают в варочный котел, в котором при температуре 160-175°C в течение 15-40 мин она подвергается варке с растворением лигнинных компонентов и гемицеллюлоз и разволокнением материала соломы. Выход целлюлозы по способу от 47,4 до 50,2% при значениях перманганатной жесткости от 51,2 до 63,7 ед. Щелок, полученный при стекании из массы по окончании первой ступени процесса, вновь используют с добавкой свежего белого щелока для пропитки соломенной сечки.
Длительность оборота варочного котла с учетом времени на разогрев массы до 160-175°C, варку, сброс давления, выгрузку массы составляет 3 ч 45 мин.
Недостатком указанного способа являются высокий расход тепловой энергии, необходимость использования сложных систем герметизации высокотемпературного варочного реактора, большая длительность процесса получения целлюлозы.
Новыми положительными результатами использования предлагаемого способа являются снижение энергетических затрат, металлоемкости оборудования, исключение необходимости использования сложной защитной оснастки варочного реактора, сокращение длительности процесса, обеспечение возможности получать целлюлозный материал в более широком диапазоне его выхода.
2
Указанные результаты достигаются тем, что в способе получения целлюлозы из соломы, включающем пропитку в реакторе и мацерацию соломенной сечки водным раствором, содержащим гидроксид натрия при его температуре 30-80°C и соотношении массы раствора к массе сухой сечки 7:1, выдержку пропитанной сечки в указанном диапазоне температуры в течение заданного времени, отбор всей стекающей жидкой фазы, нагрев массы, ее варку в варочном котле, согласно изобретению в качестве пропиточного раствора используют раствор гидроксида натрия с концентрацией 20-30 г/л в ед. NaO, пропитанную сечку выдерживают при заданной температуре 30 мин, в массу после отбора стекающей жидкой фазы добавляют воду в количестве 35% от объема стекшей фазы, температуру массы повышают до 96°C и варку при этой температуре проводят в течение 2 час 30 мин.
Способ осуществляют с использованием установки, схема которой показана на чертеже, на котором 1 - бак для свежего раствора NaOH; 2 - бак для оборотного раствора NaOH после мацерации; 3 - бак для смешанного (рабочего) раствора NaOH; 4 - бак для подогрева смешанного раствора NaOH; 5 - расходный бак подогретого смешанного раствора NaOH; 6 - бункер для сечки соломы; 7 - шнековый смеситель-транспортер с регулируемой скоростью подачи массы; 8 - мацератор; 9 - сетка для стекания; 10 - воронка; 11 - насос для перекачивания оборотного раствора; 12 - массный шнековый насос; 13 - варочный котел. На схеме соотношение масштабов элементов установки не соблюдено.
Готовят раствор NaOH заданной концентрации и заливают его в бак 1, сечку соломы подают в бункер 6. При запуске установки раствор NaOH из бака 1 через бак 3 подают в бак 4 подогрева раствора, из которого он с заданной температурой поступает в расходный бак 5. Сечку из бункера 6 и раствор из бака 5 подают в шнековый смеситель-транспортер 7, в котором сечка смешивается с раствором и пропитывается им. Смесь подают в мацератор 8, в котором ее выдерживает в течение 30 мин. Необходимую температуру смеси в мацераторе поддерживают подачей в него пара. После истечения 30 мин смесь быстро нагревают до 96°C и перепускают с помощью массного шнекового насоса 12 в варочный котел 13. При перепуске масса проходит над сеткой 9, через которую в воронку 10 стекает избыточный раствор NaOH. В массу перед варочным котлом подают нагретую до 95°C воду в количестве 33-35 об.% от объема стекшего раствора. В варочном котле массу выдерживают 2 часа 30 минут. Температуру на заданном уровне поддерживают подачей в котел пара. Готовую целлюлозную массу выводят из варочного котла и направляют на промывку и дальнейшую переработку.
Стекший через сетку 9 раствор NaOH перекачивают насосом 11 в бак 2 для оборотного раствора NaOH, затем его смешивают в баке 3 со свежим раствором NaOH, смесь направляют на подогрев, затем в расходный бак 5, смешивают с сечкой, т.е. стекший раствор используется повторно.
Для получения целлюлозы по описанной технологии в установившемся непрерывном режиме скорость подачи пропитанной сечки шнековым смесителем-транспортером 7 в мацератор 8 подбирают таковой, чтобы длительность прохождения массы через мацератор составляла, например, 30 мин. Такую же скорость перекачки массы подбирают для массного шнекового насоса 12, подающего массу в варочный котел 13, при этом объем котла подбирают таким, чтобы длительность прохождения массы через него, то есть длительность варки, составляла, например, 2 часа 30 минут.
2
Испытания предлагаемого способа на примере переработки рисовой соломы, проводились в лабораторных условиях с использованием колбы, снабженной обратным холодильником, термостата с высокой скоростью подъема температуры. Во всех примерах осуществления способа берут по 50 г воздушно сухой сечки рисовой соломы, загружают в коническую колбу Эрленмейера объемом 500 мл, снабженную обратным холодильником, заливают 340 мл раствора NaOH заданной концентрации и нагретого до нужной температуры, колбу помещают в термостат, нагретый до температуры раствора NaOH в каждом конкретном примере, и выдерживают 30 мин. В этот период протекают процессы пропитки и мацерации сечки. По окончании этой обработки из колбы отбирают 225 мл пропиточного раствора. Это весь объем свободно стекающей жидкой фазы. Добавляют в колбу 80 мл нагретой до 95°C воды, помещают ее в нагретый термостат и быстро содержимое колбы нагревают до 96°C. Варку при этой температуре ведут в течение 2 час 30 мин. В примерах меняют следующие параметры: температуру смеси сечки и раствора в стадии пропитки и мацерации сырья, концентрацию раствора для пропитки и мацерации в ед. NaO. Измеряют выход продукта, степень провара в перманганатных единицах, содержание золы.
Эти сведение приведены в Таблице 1.
Таблица 1Характеристики раствора NaOH и целлюлозы из рисовой соломы
№ примеров
Концентрация пропиточного раствора, г/л в ед. Na<sub>2</sub>O
Температура пропиточного раствора, °C
Выход целлюлозы, % от массы а.с. соломы
Степень провара, в перманганатных единицах
Содержание золы в целлюлозе
1
25
30
58
67
5,8
2
25
50
54
65
4,8
3
25
70
52
62
3,8
4
20
70
54
64
5,0
5
30
80
49
57
2,9
В двухступенчатых способах с высокотемпературной варкой выход целлюлозы (включая непровар) не превышает 51,3% (см. приведенную ссылку на прототип, стр.588). В технологии по предлагаемому способу температура массы на всех стадиях переработки сырья не превышает 96°C и, соответственно, при давлении, практически равному атмосферному, нет необходимости герметизации узлов установки. Это дает возможность использовать облегченные конструкции аппаратов.
Таким образом, в способе достигаются все поставленные цели.