ДВУХКОЛОННАЯ РЕАКТОРНАЯ СИСТЕМА И СПОСОБ ГИДРОЛИЗА И ВЫВАРИВАНИЯ ДРЕВЕСНОЙ ЩЕПЫ С ПОМОЩЬЮ ХИМИЧЕСКИ УСИЛЕННОГО СПОСОБА ПРОМЫВКИ
TWO-COLUMN REACTOR SYSTEM AND METHOD OF HYDROLYSIS AND DIGESTION OF WOOD CHIPS WITH CHEMICALLY AMPLIFIED WASHING METHOD

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Данное изобретение касается способа и установки для гидролитической обработки целлюлозного волокнистого материала.
В общеупотребительных системах древесная щепа (или другие целлюлозные или волокнистые материалы) подвергается гидролизу в первой реакторной колонне перед введением во вторую колонну, например варочный котел. Одна такая общеупотребительная система описана в Патенте US 4174997 (патент '997). В первой реакторной колонне гидролиз пульпы из древесной щепы, проходящей через эту колонну, происходит в кислотных условиях. В первой реакторной колонне гидролизат, например сахара, такие как пентоза и гексоза, экстрагируется из древесной щепы, и гидролизат утилизируется. Волокнистый материал выгружается из донной части первой реакторной колонны и передается через транспортный трубопровод в верхнюю часть второй реакторной колонны, например варочный котел, для варочной обработки целлюлозного материала.
В общеупотребительных системах, таких как описанные в патенте '997, гидролиз протекает во всем объеме первой реакторной колонны. Пульпа из щепы вводится в верхнюю часть первой реакторной колонны и выгружается из донной части колонны. Тепло подводится к колонне путем подачи горячей воды, например с температурой 150ºС градусов Цельсия (ºС), в донную часть колонны и пара в верхнюю часть колонны. В дополнение, кислотные растворы добавлялись для интенсификации гидролиза, в особенности, где материал был при температурах ниже 150ºС. Горячая вода протекает вверх по колонне в режиме противотока с перемещением волокнистого материала вниз. Горячая вода и пар передают материалу количество теплоты, достаточное для поддержания гидролиза во всей колонне.
В некоторых общеупотребительных системах варочный химикат, такой как белый щелок, вводится в донную часть первой реакторной колонны и в транспортный трубопровод для передачи стружечной пульпы из первой реакторной колонны во вторую реакторную колонну. Введение варочных химикатов в донную часть первой реакторной колонны начинает пропитку волокон целлюлозного материала у дна первой реакторной колонны, тогда как реакция гидролиза все еще продолжается. Является нежелательным вводить варочные химикаты в целлюлозный материал в процессе протекания гидролиза.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Была разработана новая гидролитическая система для системы варки технической целлюлозы. Целлюлозный материал, например древесная щепа, подвергается гидролизу в верхней зоне первой колонны (гидролитический реактор). Гидролиз предпочтительно проводится там, где материал в колонне находится при температуре между 150ºС и 175ºС, более предпочтительно между 160ºС и 170ºС. Гидролиз предпочтительно проводится там, где материал в колонне находится предпочтительно при величине рН от 1 до 6, и более предпочтительно при величине рН от 3 до 4. Гидролизат и жидкости удаляются из гидролитического реактора через экстракционный фильтр.
Ниже экстракционного фильтра холодная промывная жидкость протекает вверх через зону промывки в гидролитическом реакторе и к экстракционному фильтру. Холодная промывная жидкость подавляет гидролитические реакции в целлюлозном материале ниже экстракционного фильтра. По существу, весь гидролиз предпочтительно проводится выше экстракционного фильтра в гидролитическом реакторе. Холодная промывная жидкость предпочтительно имеет температуру, на 10-70ºС более низкую, чем температура гидролиза, более предпочтительно на 20-50ºС более низкую, и наиболее предпочтительно на 25-35ºС более низкую, чем температура гидролиза. Холодная промывная жидкость предпочтительно имеет величину рН от 3 до 7 и наиболее предпочтительно величину рН от 4 до 5. Далее, холодная промывная жидкость предпочтительно включает, главным образом, воду, и может включать добавленный химикат в количестве от 0,01 процента (%) до 5 процентов от количества целлюлозного материала, например древесины, в пульпе, протекающей через колонну. Количество добавленного химиката составляет наиболее предпочтительно от 0,1 процента до 1 процента от количества целлюлозного материала в пульпе. Химикат, добавленный к холодной промывной жидкости, может быть либо одним, либо обоими из гидроксида натрия (NaOH) или, по существу, не содержащего серы белого щелока, для образования холодной промывной жидкости.
Была разработана реакторная колонная система, включающая первую реакторную колонну, имеющую впускной патрубок для ввода целлюлозного материала, и выпускной патрубок для выгрузки целлюлозного материала, в которой целлюлозный материал перемещается через первую реакторную колонну от патрубка для ввода материала до патрубка для выгрузки материала; экстракционный фильтр для извлечения гидролизата и жидкости в первой реакторной колонне; первую зону первой реакторной колонны между патрубком для ввода материала и экстракционным фильтром для извлечения жидкости, в которой первая зона поддерживается при условиях, стимулирующих реакцию гидролиза в целлюлозном материале; впускной штуцер для подачи тепловой энергии, через который нагретая жидкость добавляется к целлюлозному материалу в первой зоне или выше нее; вторую зону первой реакторной колонны между экстракционным фильтром для вывода жидкости и патрубком для выгрузки материала, в которой гидролиз, по существу, подавляется; впускной штуцер для промывной жидкости, через который промывная жидкость подается ниже экстракционного фильтра и протекает через вторую зону к экстракционному фильтру, в который промывная жидкость вводится при температуре, более низкой, чем температура гидролиза, и промывная жидкость подавляет гидролиз во второй зоне; транспортный трубопровод, имеющий входной патрубок, соединенный с патрубком вывода материала в первой реакторной колонне, и выходной патрубок, соединенный со второй реакторной колонной, в котором целлюлозный материал перемещается от патрубка вывода материала через транспортный трубопровод во вторую реакторную колонну, и вторая реакторная колонна подает варочную жидкость на целлюлозный материал во второй реакторной колонне, и вторая реакторная колонна включает жидкостный выпускной патрубок, который выводит часть жидкости из второй реакторной колонны и направляет часть жидкости по меньшей мере к одному из нижних впускных патрубков первой реакторной колонны или к транспортному трубопроводу.
Парожидкостный сепаратор может принимать жидкость, выведенную из экстракционного(-ных) фильтра(-ов) первой реакторной колонны, и подавать пар в колонну в первой зоне колонны или выше нее. Парожидкостный сепаратор также может выпускать гидролизат в систему утилизации гидролизата.
Была разработана реакторная колонная система, включающая первую реакторную колонну, имеющую верхний впускной патрубок для ввода материала, принимающий целлюлозный материал, и донный выпускной патрубок для выгрузки целлюлозного материала, в которой целлюлозный материал перемещается через первую реакторную колонну от впускного патрубка для ввода материала до патрубка для выгрузки материала; экстракционный фильтр для извлечения гидролизата и жидкости в первой реакторной колонне; верхнюю зону первой реакторной колонны между впускным патрубком для ввода материала и экстракционным фильтром для извлечения жидкости, в которой верхняя зона поддерживается при температуре, равной или превышающей температуру гидролиза, при которой реакция гидролиза протекает в целлюлозном материале; впускной штуцер для подачи тепловой энергии, через который нагретая жидкость вводится в целлюлозный материал в верхней зоне первой реакторной колонны; нижнюю зону первой реакторной колонны между экстракционным фильтром для вывода жидкости и донным патрубком для выгрузки материала, в которой гидролиз в основном подавляется; впускной штуцер для промывной жидкости в нижней зоне первой реакторной колонны для введения достаточного количества промывной жидкости в колонну так, что промывная жидкость протекает вверх через нижнюю зону к экстракционному фильтру, в который промывная жидкость вводится при температуре, более низкой, чем температура гидролиза, и промывная жидкость охлаждает и подавляет реакции гидролиза во второй зоне реакторной колонны; транспортный трубопровод, имеющий входной патрубок, соединенный с патрубком вывода материала в первой реакторной колонне, и выходной патрубок, соединенный со второй реакторной колонной, в котором целлюлозный материал перемещается от донного патрубка для вывода материала через транспортный трубопровод к верхнему впускному патрубку второй реакторной колонны, и вторая реакторная колонна подает варочную жидкость на целлюлозный материал во второй реакторной колонне, и вторая реакторная колонна включает жидкостный выпускной патрубок, который выводит часть жидкости из второй реакторной колонны и направляет часть жидкости по меньшей мере к одному из нижних впускных патрубков первой реакторной колонны или к транспортному трубопроводу.
Была разработана технологическая установка для превращения целлюлозного материала в техническую целлюлозу, система, включающая первую реакторную колонну под давлением, работающую при давлении выше атмосферного давления, первую реакторную колонну, включающую впускной патрубок для материала, принимающий целлюлозный материал, и патрубок для выгрузки материала, в которой целлюлозный материал перемещается от впускного патрубка для материала до выпускного патрубка для материала, впускной штуцер для подачи тепловой энергии в верхнюю часть первой реакторной колонны, первую зону первой реакторной колонны между впускным патрубком для материала и экстракционным фильтром для вывода жидкости, в которой первая зона поддерживается при температуре гидролиза по меньшей мере 170 градусов Цельсия в целлюлозном материале, экстракционный фильтр, имеющий выпускной патрубок для вывода гидролизата и жидкости из первой колонны, и вторую зону первого реактора между экстракционным фильтром для вывода жидкости и выпускным патрубком, в которой температура поддерживается ниже температуры гидролиза, и реакция гидролиза, по существу, подавляется, и выпускной патрубок первой колонны ниже второй зоны; технологическая установка далее включает транспортный трубопровод, создающий проточный канал от выпускного патрубка к варочному котлу непрерывного действия, и варочный котел непрерывного действия получает целлюлозный материал, выведенный из первой реакторной колонны.
Был разработан способ получения технической целлюлозы из целлюлозного материала, включающий введение целлюлозного материала в верхний впускной патрубок первой реакторной колонны; гидролиз целлюлозного материала в верхней зоне верхней области первой реакторной колонны путем повышения давления и подведения тепловой энергии к колонне; извлечение гидролизата из целлюлозного материала через экстракционный фильтр ниже верхней зоны и в первой реакторной колонне; введение промывной жидкости в нижнюю зону первой реакторной колонны, где промывная жидкость подавляет гидролиз целлюлозного материала в нижней зоне, и упомянутая промывная жидкость протекает вверх через целлюлозный материал до экстракционного фильтра; выгрузку целлюлозного материала из нижнего выпускного патрубка первой реакторной колонны; введение выгруженного целлюлозного материала во вторую реакторную колонну, и введение варочной жидкости в верхнюю часть второй реакторной колонны для вываривания целлюлозного материала для образования технической целлюлозы.
Был разработан способ подавления гидролиза целлюлозного материала, включающий введение целлюлозного материала в верхний впускной патрубок первой реакторной колонны, в которой материал перемещается вниз через колонну; введение пара при давлении, превышающем атмосферное давление, в первую реакторную колонну; поддержание целлюлозного материала при температуре, превышающей температуру гидролиза, в верхней зоне первой реакторной колонны; извлечение гидролизата из целлюлозного материала через экстракционный фильтр ниже верхней зоны первой реакторной колонны; охлаждение целлюлозного материала ниже экстракционного фильтра до температуры ниже температуры гидролиза, и выгрузку целлюлозного материала из донного выпускного патрубка первой реакторной колонны.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖА
ФИГ.1 представляет собой схематическое изображение системы непрерывного производства технической целлюлозы, имеющей устройства для подачи щепы, гидролитический реактор и варочный реактор непрерывного действия.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В двухколонной реакторной системе пар вводится в верхнюю часть обеих колонн в целях нагревания и создания повышенного давления. Гидролиз происходит над экстракционными фильтрами в верхней части первой реакторной колонны. Экстракционные фильтры в первой реакторной колонне удаляют гидролизат, когда древесная щепа или другой целлюлозный или волокнистый материал (в совокупности называемый целлюлозным материалом) вводится в верхнюю часть первой реакторной колонны, продвигается через колонну и до нижнего выводного патрубка этой колонны.
Целлюлозный материал промывается в первой реакторной колонне ниже экстракционных фильтров. Промывная жидкость вводится в донную часть первой реакторной колонны и протекает вверх к экстракционным фильтрам. Промывная жидкость может представлять собой только воду или воду, смешанную с одним или более химикатами, такими как гидроксид натрия (NaOH) и, по существу, не содержащий серы белый щелок. Диаметр первой колонны может быть одинаковым выше и ниже экстракционного фильтра. Целлюлозный материал, выгружаемый из выводного патрубка первой реакторной колонны, вводится в верхнюю часть второй реакторной колонны, которая может представлять собой варочный котел. Целлюлозный материал вываривается во второй реакторной колонне с образованием технической целлюлозы, которая выгружается из нижнего выводного патрубка второй реакторной колонны.
В первой реакторной колонне целлюлозный материал промывается в нижней секции колонны для удаления гидролизата из материала. Промывание в нижней части первой колонны выполняется с помощью промывной жидкости при температуре ниже температуры гидролиза. Промывная жидкость предпочтительно имеет температуру, более низкую, чем температура гидролиза, на величину, варьирующую от 10ºС до 70ºС, более предпочтительно от 20ºС до 50ºС, и наиболее предпочтительно от 25ºС до 35ºС ниже, чем температура гидролиза. Промывная жидкость охлаждает целлюлозный материал до температуры ниже нормальных температур гидролиза. Холодная промывная жидкость вымывает остаточный гидролизат из целлюлозного материала, снижает температуру целлюлозного материала до уровня ниже температуры гидролиза и регулирует величину рН целлюлозного материала до близкой или слегка превышающей нейтральное значение (рн 7) в первой реакторной колонне и перед варкой материала во второй реакторной колонне.
Холодная промывная жидкость предпочтительно имеет величину рН от 3 до 7, и более предпочтительно величину рН от 4 до 5. Поддержание величины рН холодной промывной жидкости в этих пределах предотвращает или сводит к минимуму выпадение в осадок растворенного лигнина в варочных химикатах второй реакторной колонны. Промывная жидкость может включать добавочные химикаты, например NaOH и, по существу, не содержащий серы белый щелок, для увеличения количества гидролизата, выделяемого из целлюлозного материала в первой колонне. Введение промывной жидкости, вместо большого количества белого щелока, в донную часть первой реакторной колонны снижает осаждение лигнина в первой колонне, которое в противном случае могло бы происходить, если бы большие количества белого щелока добавлялись в донную часть первой реакторной колонны.
Вторая реакторная колонна может представлять собой варочный котел непрерывного действия, такой как варочный котел с газовой или паровой фазой. Применением варочного котла с газовой или паровой фазой можно избежать технологических проблем в верхней части второй реакторной колонны, вызываемых образованием газа во время гидролиза. Первая и вторая реакторные колонны могут быть, по существу, вертикальными, иметь высоту по меньшей мере 100 футов, впускной патрубок в верхней секции колонны и выпускной патрубок поблизости от дна колонны. Тепловая энергия, подводимая к реакторным колоннам, может быть сжатым паром при давлении выше атмосферного.
ФИГ.1 представляет собой схематическое изображение примерного устройства для подачи щепы и системы варки технической целлюлозы, имеющей первую реакторную колонну 10 (гидролитический реактор) и вторую реакторную колонну 12, например котел непрерывной варки технической целлюлозы. Первая реакторная колонна включает обратный верхний сепаратор 14, который получает пульпу целлюлозного материала и жидкости из обычного агрегата 15 подачи щепы через трубопровод подачи щепы 33.

Агрегат 15 подачи щепы может включать бункер 16 для древесной щепы, такой как бункер типа Diamondback Chip Bin, продаваемый фирмой Andritz Inc., соединенный с двухшнековым дозатором 18 щепы и спускным желобом 20 для щепы. Горячая вода 24 добавляется через трубопровод 26 к щепе или другому целлюлозному материалу в спускном желобе 20 с образованием пульпы целлюлозного материала. Уравнительный резервуар для жидкости 22 подает воду в трубопровод со щепой. Вода также может быть подана непосредственно в трубопровод со щепой через трубопровод 23.
Отделенная жидкость, выводимая из верхнего сепаратора 14 и отводимая через трубопровод 27, может быть смешана (см. вентиль 25) с горячей водой. Смесь протекает через трубопровод 26 в уравнительный резервуар 22 и, через трубопровод 23, в трубопровод для щепы 20. Смесь жидкости, выведенной из верхнего сепаратора 14, и горячей воды 24 управляется с помощью вентиля 25, чтобы иметь температуру целлюлозного материала ниже, чем нормальная температура гидролиза, например, предпочтительно 170ºС. Температура воды и жидкости, выведенной из верхнего сепаратора, предпочтительно колеблется в диапазоне от 100ºС до 120ºС. Путем временного хранения смеси воды и жидкости из верхнего сепаратора, уравнительный резервуар 22 может быть использован для обеспечения температурного контроля смеси воды и жидкости, используемой для образования пульпы целлюлозного материала. Например, температурный контроль может быть обеспечен путем регулирования относительных количеств в уравнительном резервуаре жидкости, протекающей через трубопровод 27 из верхнего сепаратора в уравнительный резервуар, и горячей воды 24.

Для подачи щепы в первую реакторную колонну пульпа из целлюлозного материала закачивается через один или более насосов 32 (таких как TurboFeed System, продаваемый фирмой Andritz Inc., и насосов, описанных в Патентах US 5752075; 6106668; 6325890; 6551462; 6336993 и 6841042) в верхний сепаратор 14 первой реакторной колонны. Другие системы подачи пульпы, например, использующие питатели высокого давления, также могут быть применимыми.
Первая реакторная колонна 10 может управляться, основываясь либо на давлении или температуре в колонне, либо на обоих этих параметрах. Контроль давления может осуществляться с использованием управляемого течения пара через паропровод 74 или с помощью добавления инертного газа, вводимого в первую реакторную колонну. Газовая верхняя зона 45 в первой реакторной колонне находится выше верхнего уровня 44 слоя щепы.
Давление, создаваемое газовой фазой, способствует выдавливанию целлюлозного волокнистого материала вниз и наружу из колонны через донный патрубок 56 первой колонны. Скрытое давление плюс гидростатический напор должны быть выше в первой реакторной колонне 10, чем во второй реакторной колонне 12, чтобы способствовать транспортировке целлюлозного материала, выводимого из первой реакторной колонны, во вторую реакторную колонну. Если скрытое давление и гидростатический напор являются более высокими во второй реакторной колонне, то насос для щепы может быть использован между двумя колоннами для перекачки материала из первой колонны во вторую колонну.
Пар 72 подается при температуре, превышающей нормальную температуру гидролиза, например 170ºС, чтобы обеспечить протекание гидролиза в целлюлозной пульпе в первой реакторной колонне. Пар вводится в управляемом режиме так, чтобы, по меньшей мере частично, способствовать гидролизу в первой реакторной колонне. Пар вводится через трубопроводы 74 и 68 в верхней части первой реакторной колонны или рядом с ней, то есть в паровую фазу 45 колонны. Пар, вводимый в первую реакторную колонну, повышает температуру целлюлозной пульпы до нормальной температуры гидролиза или превышающей таковую, например выше 150ºС.
Пульпа из целлюлозного материала, подаваемая в обратный верхний сепаратор 14 в первой реакторной колонне, может содержать избыточные количества жидкости для облегчения течения через транспортный трубопровод 33. Будучи уже в колонне, избыточная жидкость удаляется, когда пульпа проходит через верхний сепаратор 14. Избыточная жидкость, удаленная из сепаратора, возвращается через трубопровод 27 в систему подачи щепы, например в трубопровод 20 для щепы, и вновь вводится в пульпу для транспортировки целлюлозного материала в верхнюю часть первой колонны. Горячая жидкость может быть добавлена в верхний сепаратор 14 или около него и в газовую фазу 45 первой реакторной колонны. Добавленная жидкость может быть горячей водой 24 (трубопровод не показан) или горячей жидкостью, выведенной из экстракционного фильтра 48 в первой реакторной колонне и протекающей через трубопровод 31 к верхней части первой реакторной колонны.
Верхний сепаратор 14 выводит щепу или другой твердый целлюлозный материал в жидкую фазу (ниже верхнего уровня щепы 44) первой реакторной колонны. Верхний сепаратор выталкивает материал, например, с помощью вращающегося вертикального шнека, из верха обратного сепаратора 14 в газовую фазу. Вытолкнутый материал может падать через газовую фазу 45 в колонну и на верхний уровень щепы 44, состоящий из целлюлозного материала и жидкости, содержащихся в первой реакторной колонне. Температура газовой фазы (если такая фаза имеется) и в верхней зоне первой реакторной колонны 10 поддерживается на уровне или выше нормальной температуры гидролиза, например при 170ºС или выше. Пульпа из целлюлозного материала постепенно перемещается вниз через первую реакторную колонну. По мере передвижения материала по колонне, новый целлюлозный материал и жидкость вводятся на верхнюю поверхность из верхнего сепаратора.
Гидролиз протекает в верхней зоне 46 первой реакторной колонны 10, где температура поддерживается на уровне или выше нормальной температуры гидролиза. Гидролиз будет происходить и при более низкой температуре, например, ниже 150ºС при добавлении кислоты, но предпочтительно гидролиз протекает при высоких температурах, выше 150ºС-170ºС, с использованием только воды и рециркулирующей жидкости из верхнего сепаратора первой реакторной колонны. Гидролиз должен протекать, по существу, только в верхней зоне 46 выше экстракционного фильтра 48, или над серией экстракционных фильтров 48, расположенных на нескольких высотных отметках.
Для прекращения гидролиза, когда целлюлозный материал перемещается вниз по колонне 10, минуя экстракционный фильтр 48, температура материала снижается ниже уровня температуры гидролиза, или кислота в целлюлозном материале удаляется из первой реакторной колонны через экстракционные фильтры 48. Снижение температуры и удаление кислот из целлюлозного материала может быть использовано совместно или раздельно для подавления и, предпочтительно, прекращения гидролиза.
Гидролизат представляет собой продукт гидролиза. Гидролизат удаляется вместе с промывной жидкостью и некоторыми прочими жидкостями через экстракционные фильтры 48 и подается к трубопроводу 29 и перетекает в парожидкостный сепаратор 30. Гидролизат, промывная жидкость и прочие выведенные жидкости могут быть утилизированы или направлены в рециркуляцию к системе подачи щепы. Жидкость в трубопроводе 29, выведенная из первой реакторной колонны 10 и направленная в парожидкостный сепаратор 30, включает гидролизат, выведенный из первой реакторной колонны. Парожидкостный сепаратор 30 отделяет насыщенную гидролизатом жидкость от пара. Жидкость из парожидкостного сепаратора предпочтительно поддерживается при температуре ниже температуры гидролиза, и более предпочтительно ниже 110ºС. Жидкость с гидролизатом вытекает из парожидкостного сепаратора по трубопроводу 28, и пар может быть возвращен через трубопровод 68 в верхнюю газовую фазу первой реакторной колонны 10. Часть гидролизата выводится с помощью общеупотребительной системы утилизации гидролизата 70.
Пар 68 может быть введен в колонну, в частности, если давление в колонне оказывается более низким, чем в парожидкостном сепараторе. Если давление в колонне не ниже, чем в парожидкостном сепараторе, пар может быть направлен в бункер со щепой, в нагреватель для воды и/или белого щелока, используемых в процессе. Подобные циркуляции пара и/или выведенных жидкостей описаны в Патенте US 7105106 и Патентной Публикации US 2007-0000626.
Жидкости из парожидкостного сепаратора 30, включающие часть гидролизата, протекают по трубопроводам 28, 71 к пульпе из щепы в трубопроводе для щепы 20 и, через трубопровод 73, в уравнительный жидкостный резервуар 22. Количество жидкостей с гидролизатом, добавляемое к пульпе из щепы в спускном желобе 20 для щепы, может контролироваться во избежание чрезмерных изменений величины рН пульпы из щепы, например, чтобы избежать чрезмерного защелачивания или чрезмерного закисления пульпы. Добавление жидкости к целлюлозному материалу в трубопроводе 20 для щепы способствует транспортировке материала щепы в пульпе через насосы 32 для щепы и через трубопроводы 33 для пульпы из щепы, расположенные между спускным желобом 20 для щепы и верхним сепаратором 14 первой реакторной колонны 10.
Противоточная промывная зона 54 находится в колонне 10 ниже экстракционных фильтров 48. Промывная зона 54 представляет собой нижнюю зону колонны 10 под экстракционным фильтром 48 и над дном 56 колонны. Промывная жидкость 50, протекающая через промывную зону, охлаждает целлюлозный материал, перемещающийся через промывную зону, для прекращения или по меньшей мере сведения к минимуму продолжающегося гидролиза в движущемся вниз потоке щепы в промывной зоне 54. Промывная жидкость предпочтительно на 10-70ºС холоднее, чем температура гидролиза, более предпочтительно на 20-50ºС холоднее, и наиболее предпочтительно на 25-35ºС холоднее.
Промывная жидкость 50 протекает в противоточном направлении, например в направленном вверх потоке, относительно движущегося вниз целлюлозного материала в первой реакторной колонне. Холодная промывная жидкость 50 закачивается в донную часть промывной зоны из трубопровода 52, который соединяется с дном первой реакторной колонны 10. Давление промывной жидкости в трубопроводе 52 является достаточным для того, чтобы заставить промывную жидкость течь вверх (см. стрелку, обозначенную 50) через первую реакторную колонну 10, в противотоке с направлением движения целлюлозного материала, перемещающегося вниз через колонну. Промывная жидкость удаляется в экстракционном фильтре 48.
Химикаты 82, такие как NaOH или, по существу, не содержащий серы белый щелок, могут быть добавлены через трубопровод 84 к холодной промывной воде, протекающей через трубопровод 52, перед введением в донную часть колонны 10. Количество химикатов, добавляемых в промывную жидкость, может быть количеством от 0,01 процента (%) до 5 процентов от количества целлюлозного материала, например древесины, в пульпе, протекающей через колонну. Количество добавляемых химикатов составляет предпочтительно от 0,1 процента до 1 процента от количества целлюлозного материала. Химикат(-ты) добавляется(-ются) к промывной воде для подавления гидролиза и удаления гидролизата, и при необходимости для регулирования величины рН промывной жидкости. Добавление химикатов к промывной воде имеет результатом существенное увеличение количества гидролизата, извлекаемого из целлюлозного материала, проходящего через зону промывки, чем это было бы, если бы промывная жидкость представляла собой чистую воду.
Когда промывная жидкость 50 взаимодействует с целлюлозным материалом в зоне промывки и на экстракционном фильтре 48 или сразу над таковым, жидкость охлаждает целлюлозный материал до уровня ниже температуры гидролиза и вымывает из материала некоторые химические вещества. Преимущественно холодная промывная жидкость снижает температуру целлюлозного материала вблизи экстракционных фильтров 48 и в зоне промывки 54, чтобы подавить и прекратить реакции гидролиза в материале. Кроме того, когда гидролизованный целлюлозный материал перемещается ниже экстракционных фильтров 48, является предпочтительным, чтобы материал был на уровне величины рН, при которой лигнин не растворяется. Количество промывной жидкости и химикатов в промывной жидкости может быть отрегулировано для доведения уровня рН целлюлозного материала в зоне промывки 54 до величины, находящейся в пределах предписанного диапазона рН.
Промытая щепа выгружается через донную часть 56 первой реакторной колонны и через трубопровод 62 для транспортировки щепы направляется в верхний сепаратор 57, например в обратный верхний сепаратор, второй реакторной колонны 12, такой как варочный котел непрерывного действия. Насос 64 может дополнительно использоваться для способствования транспортировке целлюлозного материала по трубопроводу 62 из первой реакторной колонны во вторую реакторную колонну. Вода и другие жидкости, остающиеся в щепе, могут быть использованы для увеличения отношения жидкости к щепе в целлюлозном материале, проходящем по трубопроводу 62, чтобы способствовать транспортировке материала по трубопроводу 62 и к верхнему сепаратору 57 второй реакторной колонны.
Дополнительная жидкость из трубопровода 58 может быть добавлена к пульпе целлюлозного материала в транспортном трубопроводе 62 или в донной части первой реакторной колонны через трубопровод 61. Дополнительная жидкость может быть удалена из верхнего сепаратора 57 второй реакторной колонны 12. Дополнительная жидкость может быть вовлечена в рециркуляцию путем накачивания (с помощью насоса 59) и по трубопроводам 58 и 61 к донной части 56 первой колонны. Жидкость в трубопроводе 58 может быть введена непосредственно в выгружаемый поток целлюлозного материала в трубопроводе 62 или через трубопровод 61 в донную часть 56 первой реакторной колонны как часть жидкости, используемой для способствования выгрузке щепы из первой колонны. Вентиль 63 направляет поток жидкости из насоса 59 и трубопровода 58 в трубопровод 61 или транспортный трубопровод 62. Жидкость, рециркулирующая из верхнего сепаратора 57 второй колонны, должна быть относительно свободной от щелочных материалов, и величина рН может контролироваться для обеспечения того, что рециркулирующая жидкость будет иметь приемлемый уровень величины рН перед введением ее в донную часть первой реакторной колонны 10 или транспортный трубопровод 62.
Кислота может быть добавлена в циркуляционный трубопровод 62 для обеспечения контроля величины рН целлюлозного материала, транспортируемого из первой реакторной колонны во вторую реакторную колонну. Если величина рН целлюлозного материала в трубопроводе 62 для транспортировки щепы превышает желательный уровень рН, добавление кислотного химического вещества в трубопровод 62 или в донную часть 56 первой реакторной колонны может быть применено для снижения величины рН в целлюлозном материале.
Устройство измерения величины рН 78 может быть применено для измерения уровня рН целлюлозного материала, проходящего из первой реакторной колонны во вторую реакторную колонну. Если контрольно-измерительное устройство 78 зафиксирует уровень величины рН в целлюлозном материале, превышающий желательный диапазон величин рН, оператор может включить добавление кислотного химиката к целлюлозному материалу в донной части 56 первой колонны 10 или в транспортном трубопроводе 62. Дополнительно, если контрольно-измерительное устройство 78 определит уровень величины рН в целлюлозном материале, превышающий желательный диапазон величин рН, оператор может включить введение дополнительной промывной воды в донную часть 56 первой колонны или в трубопровод 62.
Пар из парожидкостных сепараторов 30, 66 может быть подан через трубопровод 68, для добавления теплоты в любой из агрегатов, таких как система 16 подачи щепы, первая реакторная колонна и система 90 утилизации тепла. Например, пар, выведенный из первой реакторной колонны 10, может быть добавлен в бункер для щепы 16 для способствования формированию пульпы целлюлозного материала и для регулирования отношения жидкости к древесине в пульпе. Перед добавлением пара в систему подачи щепы, пар может быть проверен для подтверждения того, что он в достаточной степени свободен от серы. Предпочтительно к целлюлозному материалу или любому другому материалу или жидкости, вводимым в первую реакторную колонну 10, добавляется химикат, не содержащий серы. Сера в первой реакторной колонне 10 может иметь нежелательным результатом образование сернистых соединений в колоннах 10, 12 и в жидкостях, выводимых из экстракционного фильтра 48.
Дополнительный пар 72 может быть добавлен через трубопровод 74 в верхние части первой реакторной колонны 10 и в верхнюю часть второй реакторной колонны 12. Дополнительный пар может подвести тепловую энергию для реакторных колонн.
Варочные химикаты, например белый щелок 76, добавляются в верхнюю часть, например в обратный верхний сепаратор 57 второй реакторной колонны 12. Часть этих варочных химикатов может быть введена в циркуляционный трубопровод 58, выводящий жидкость из верхнего сепаратора 57 и добавляющий жидкость в донную часть первой реакторной колонны или в трубопровод 62 для транспортировки щепы. Белый щелок 76 добавляется в верхний сепаратор второй реакторной колонны 12, чтобы стимулировать смешение жидкости с целлюлозным материалом в сепараторе и перед тем как смесь материала и жидкости выводится из сепаратора во вторую реакторную колонну.
Текущий контроль циркуляционного трубопровода 58 может быть полезным, включая устройство измерения величины рН, для подтверждения того, что варочные химикаты не переходят из второй реакторной колонны 12 в первую реакторную колонну 10 или в транспортный трубопровод 62. Величина рН в циркуляционном трубопроводе 58 должна оставаться в пределах диапазона величины рН от 4 до 10, предпочтительно в диапазоне величины рН от 6 до 10, и более предпочтительно в диапазоне величины рН от 6 до 8. Если величина рН в циркуляционном трубопроводе 58 является высокой, дополнительное количество холодной промывной воды 50 может быть добавлено в донную часть 56 первой реакторной колонны или в транспортный трубопровод 62. Промывная вода 50 может быть добавлена в донную часть первой реакторной колонны или в транспортный трубопровод 62 для способствования выталкиванию пульпы целлюлозного материала из первой колонны в верхнюю часть второй реакторной колонны.
Вторая реакторная колонна 12 может представлять собой варочный котел непрерывного действия с газовой фазой под давлением. Уровень жидкости во второй реакторной колонне находится ниже газовой фазы в колонне и является достаточным для того, чтобы твердые компоненты, например щепа, целлюлозного материала были полностью погруженными. Уровень жидкости во второй реакторной колонне может быть настолько высоким, чтобы достигать верхней кромки верхнего сепаратора 57. Такой высокий уровень жидкости может быть полезным для обеспечения быстрого и полного проникновения варочных химикатов в щепу. Варка во второй реакторной колонне является прямоточным процессом.
Вторая реакторная колонна 12, например варочный или вываривающий котел, может представлять собой отдельную колонную систему с несколькими стадиями, где целлюлозный материал, проходящий через первую стадию (верхняя высотная отметка), имеет более низкую температуру, чем целлюлозный материал на других стадиях (нижние высотные отметки). Необязательная операция варки или вываривания производит варку целлюлозного материала по мере того, как щепа попадает в варочную жидкость. Еще одна необязательная операция варки или вываривания представляет собой варку целлюлозного материала, когда последний вводится в варочную жидкость, и варку материала при различных температурах, когда процесс варки протекает во второй реакторной колонне. Например, вторая реакторная колонна может иметь несколько варочных зон на различных высотных отметках, и каждая зона поддерживается при различной температуре варки.
Системы 90 и способы регенерации тепла являются общеупотребительными и хорошо известны в технологии приготовления технической целлюлозы. Например, теплота из циркулирующих потоков, таких как выходящих из парожидкостных сепараторов 66, может быть регенерирована в теплообменниках или прочих таких системах 90 утилизации теплоты. Регенерированное тепло из парожидкостных сепараторов также может быть использовано для предварительного нагревания жидкости, такой как промывной фильтрат 80 и белый щелок 76, вводимый в верхнюю часть второй реакторной колонны. Это предварительное нагревание жидкостей может быть выполнено с использованием теплообменников для отведения теплоты из парожидкостных сепараторов и передачи теплоты жидкостям.
В то время как изобретение было описано в связи с тем, что в настоящий момент рассматривается как наиболее практичный и предпочтительный вариант осуществления, должно быть понятно, что изобретение не должно ограничиваться раскрытым вариантом осуществления, но, напротив, предполагается охватывающим разнообразные модификации и эквивалентные компоновки, находящиеся в пределах сущности и объема защиты прилагаемых пунктов формулы изобретения.