Лекции по технологии бумаги - файл n3.doc

Лекции по технологии бумаги
скачать (25081 kb.)
Доступные файлы (9):
n1.doc6289kb.01.09.2011 13:20скачать
n2.doc5319kb.26.05.2011 09:37скачать
n3.doc2704kb.27.05.2012 20:50скачать
n4.doc3555kb.01.09.2011 13:22скачать
n5.doc1763kb.01.09.2011 13:22скачать
n6.doc670kb.25.05.2011 10:49скачать
n7.doc1872kb.26.05.2011 09:36скачать
n8.doc3035kb.07.06.2011 13:01скачать
n9.doc2069kb.09.06.2011 15:03скачать

n3.doc

  1   2
ТЕХНОЛОГИЯ БУМАГИ


г. Пермь

2011 г.


1. МАССОПОДГОТОВИТЕЛЬНЫЙ ОТДЕЛ




1.1. ОБЩАЯ СХЕМА ПРОИЗВОДСТВА И КЛАССИФИКАЦИЯ БУМАГИ


Бумага является упругопластичным капиллярно-пористым листовым материалом, состоящим из мелких растительных волокон, соответствующим образом обработанных и соединённых в тонкий лист, волокна в котором связанны между собой поверхностными силами сцепления.

Согласно ISO/CD 4046-4, «бумага» – общий термин для материалов в виде сплош­ного листа или полотна, получаемых осаж­дением растительных, минеральных, синте­тических волокон или их смесей из жидких суспензий на соответствующих формующих устройствах с добавлением или без добавле­ния других веществ. На эти материалы мож­но наносить покрытия, их можно пропиты­вать в процессе изготовления или по оконча­нии его, при этом материалы не теряют сво­ей тождественности бумаге.

Общая схема производства бумаги приведена на рис. 1.



Рис. 1. Общая схема производства бумаги

Технология бумаги позволяет путем при­менения функциональных добавок и опреде­ленных правил ведения технологического про­цесса придавать бумаге или картону широкую гамму свойств, порой взаимоисключающих друг друга.

Упрощенно суть явлений, сопровождающих технологический процесс, состоит в следующем. Гидродинамические воздействия во время раз­мола приводят к гидратации и фибрилляции целлюлозных волокон, в результате которых увеличивается их общая удельная поверхность и растет число свободных, т. е. не вовлечен­ных в водородную связь гидроксильных групп. При прессовании и сушке увеличиваются ко­личество и площадь межволоконных контак­тов, волокна сближаются до расстояний, при которых реализуются механизмы их взаимо­действия: образуются водородные связи, дей­ствуют силы Ван-дер-Ваальса и силы трения.

В суммарном межволоконном взаимодей­ствии вклад отдельных типов связей зависит, в частности, от степени помола массы, однако в большинстве случаев преобладают водород­ные связи. Вклад в суммарное межволокон­ное взаимодействие сил Ван-дер-Ваальса для слабо размолотых волокон составляет 20... 25 %, для сильно размолотых – не превыша­ет 4...5 %, при повышении степени помола массы снижается и роль сил трения.
Классификация бумаги

Стандартная классификация (ГОСТ 17586-80) бумаги:

Бумага для печати: газетная, типографс­кая, офсетная, для глубокой печати, мелованная, документная и др.

Бумага для письма, черчения и рисования: акварельная, ватман, для картотек, для почтовых документов, копировальная, ма­шинописная, писчая и др.

Декоративная бумага: аэрографная, бар­хатная, крепированная декоративная и др.

Электротехническая бумага: изоляционная, электроизоляционная, кабель­ная, телефонная, конденсаторная и др.

Оберточная и упаковочная бумага: для упа­ковки продуктов на автоматах, ме­шочная, крепированная упаковочная, парафи­нированная, упаковочная, обер­точная и др.

Светочувствительная и переводная бума­га: диазотипная позитивная светочувстви­тельная, светочувствительная диазотропная калька, белая переводная и др.

Бумага для изготовления папирос и сига­рет: курительная, мундштучная, фильтрующая мундштучная, папиросная, сигаретная.

Впитывающая бумага: для хроматогра­фии и электрофореза, промокательная, фильтровальная, для фильтрации смазочно-охлаждающих жидкостей и др.

Промышленно-техническая бумага разного назначения: каландровая, для патронирования, шпульная, шпагатная, для гоф­рирования, для копирования, биоцидная, бактерицидная, для изделий бытового и сани­тарно-гигиенического назначения и др.

В соответствии с «Общероссийским клас­сификатором продукции ОК 005-93» подкласс бумаги в зависимости от ее назначе­ния разделяется на девять групп:

1) бумага для печати (газетная, типограф­ская, офсетная, для глубокой печати, обложечная, форзацная, картографическая, бума­га для печати прочная, бумага для обоев);

2) бумага писчая и тетрадная, для черче­ния, рисования и печатная различного назна­чения (писчая и тетрадная, чертежная, рисо­вальная, карточная, билетная, печатная специального назначения – афишная, докумен­тная, эстампная);

3) бумага электроизоляционная (кабель­ная, электроизо­ляционная оксидная, кабельная, конденсаторная, телефонная, электроизоляционная пропиточ­ная и др.);

4) бумага для ручной и машинной упаков­ки продуктов и различных изделий (этике­точная, пачечная и коробочная, под пергамент, мешочная, специальная упаковочная и др.;

5) бумага оберточная и упаковочная всех видов (без бумаги для гофрирования) – оберточная специального назначения, светоне­проницаемая, спичечная и др.;

6) бумага техническая различного назна­чения (диаграммная, бумага-основа для облицовочных материалов, для хроматографии и электрофореза и др.);

7) бумага-основа (для приборов, для свето­чувствительной и переводной, для изделий бумажной промышленности и др.);

8) бумага для аппаратов и приборов (те­леграфная, для электронно-вычислительной техники, для контрольно-кассовых машин и др.);

9) бумага фильтровальная (специальная, лабораторная, для фильтрования и др.).

Вырабатываемые в России бумагу и картон можно также разделить на следующие группы (таблица 1).
Таблица 1


Су­ществует еще одна классификация, согласно которой вырабатываемая продукция подраз­деляется на массовую, немассовую и специ­альную.

К массовым видам продукции относятся бумаги: газетная, писчая, для печати, мешочная, оберточная, основа для гофрирования, са­нитарно-гигиеническая; картоны: для глад­ких слоев гофрированного картона, коробоч­ный, кровельный и хром-эрзац.

К немассовым видам продукции относят­ся бумаги: конденсаторная, кабельная, электроизоляционная, сигаретная, афишная, билетная, чертежная и др.

К специальным видам продукции относят­ся бумаги: электроизоляционная термостойкая, химически стойкая, реставрационная и др. бумаги.

Таким образом, технический прогресс сопровождается ре­структуризацией потребительского спроса и ассортимента вырабатываемой продукции, вследствие чего постоянно возникает необ­ходимость корректировки классификации бу­маги и картона.
Современные тенденции

В настоящее время из производимой бумаги и картона около 42% это бумага для печати (11% газетная, 31 % белые виды бумаги), 51-52 % тароупаковочные виды бумаги и картона и 6-7 % санитарно-гигиеническая бумага.

Уровень потребления бумаги в год на душу населения - в России 38…40 кг, в Азии 33 кг, в Южной Америке 38 кг, в западной Европе 155 кг, Северной Америке 303 кг, Японии 250 кг.

Современные тенденции в технологии белых видов бумаги для печати:

- использование в композиции вторичного волокна;

- использование в композиции механической древесной массы;

- проклейка бумаги в нейтральной и щелочной среде;

- использование большого количества минеральных компонентов (в газетной бумаге до 15%; в суперкаландрированной до 29…38%; в офисной/офсетной до 18…28%; мелованной до 40…50%);

- увеличение потребления карбоната кальция;

- высокие скорости производства;

- высокое качество материала при низкой себестоимости.
Банкнотная бумага

Для печати денежных банкнот используется многослойная бумага, состоящая из волокнистого остова из растительных волокон и содержащая весь комплекс защитных элементов. Банкнотная бумага должна обладать отличными характеристиками по воспроизведению печати и элементов защиты и быть устойчивой к воздействию света, растворителей и моющих средств. В отличие от обычной бумаги, она изготавливается без использования химического отбеливателя и поэтому в ультрафиолетовых лучах выглядит темной, в то время как простая бумага в таком освещении будет люминесцировать голубым светом. Но если «денежная» бумага попадет в раствор стирального порошка, то она впитает оптический отбеливатель и по этой причине начнет люминесцировать.

Денежная бумага – это специфическое изделие, сложное в изготовлении. В качестве волокнистых материалов для высокосортных и прочных видов бумаги, какими, в частности, являются денежные, используется хлопковое и льняное волокно (раньше применяли пеньку).

Хлопковое и льняное волокна на 90 % и более состоят из чистой целлюлозы. Этим, в первую очередь, определяются высокие механические качества и долговечность бумаги из хлопка и льна. Для придания большой прочности и других свойств бумага проклеивается в массе или с поверхности. Для проклейки применяется крахмал, меламиноформальдегидная смола и другие подобные материалы. Механическая прочность зависит также от степени разработки (размола) волокна.

Денежная бумага изготавливается на Санкт-Петербургской и Краснокамской фабриках Гознака. Бумажное производство Гознака оснащено двумя видами бумагоделательных машин: плоскосеточными (столовыми) и круглосеточными (цилиндрическими). Главное различие между ними состоит в том, что на плоскосеточных формование (отлив) бумаги осуществляется на длинной горизонтальной сетке, а на круглосеточных - на сеточном цилиндре.

В бумажной промышленности наиболее распространены плоскосеточные машины, которые производят почти весь объем бумаги. Цилиндрические машины (с несколькими цилиндрами) применяются в основном для изготовления многослойной бумаги и картона. На бумажных фабриках Гознака денежные и ценные бумаги делаются как на столовых, так и на цилиндрических машинах. Однако бумаги с локальным водяным знаком изготовляются на цилиндрических машинах.

Важнейшим требованием к денежной бумаге является износоустойчивость. Принято считать основным показателем, характеризующим износоустойчивость, сопротивление излому и разрыву, которые нормируются техническими условиями. Бумажные деньги в обращении многократно сгибаются (складываются) и разгибаются. Поэтому при испытании образцы бумаги должны выдерживать (не разрываться) несколько тысяч двойных перегибов (обычные печатные бумаги выдерживают до двадцати двойных перегибов). Высокая прочность должна быть и на разрыв. Кроме этих важнейших показателей износоустойчивость бумаги характеризуется также и сопротивлением надрыву кромки. Этот показатель высок, но техническими условиями не нормируется. В процессе печатания прочность бумаги частично снижается, особенно при плохо отрегулированном натиске (давлении). Для обеспечения высокого качества и прочности печатного рисунка денежная бумага обладает необходимой степенью белизны, непрозрачности, гладкостью, светопрочностью. Она не должна изменять своего цвета (белизны) и снижать механическую прочность под воздействием света, солнечных лучей. Стойкость к «старению» наибольшая у тех видов бумаги, которые изготовлены из волокон льна и хлопка. Красочный слой на бумаге должен хорошо закрепляться и быть достаточно прочным на истирание.

Особое значение для денежной бумаги имеют водяные знаки, которые являются важной защитой от подделки. Кроме того, водяной знак, особенно локальный в виде портрета или другого рисунка, повышает художественный уровень денег.

Водяной знак образуется при отливе бумаги за счет различной толщины слоя волокна. Создание отчетливых и красивых водяных знаков является сложной самостоятельной задачей в технологическом процессе изготовления бумаги. Знак может быть общим, то есть с непрерывно повторяющимся рисунком (узором), или локальным – рисунком, расположенным на листе бумаги в определенном месте. Он обычно размещается на купоне, а также на другом фиксированном месте денежной купюры.

Зарождение рисунка знака происходит в мастерской водяных знаков, в которой готовятся штампы и дендироли. Здесь работают граверы и другие высококвалифицированные специалисты, которые рисунки художников (или фотографии) переносят на штампы и далее на металлическую сетку вала-дендироля или непосредственно на сетку цилиндра круглосеточной буммашины . Дендироль (ровнитель) устанавливается на сетку столовой бумагоделательной машины и при своем вращении образует на влажном бумажном полотне отпечаток своего рельефа (водяного знака). Как правило, таким способом получают бумагу с общим водяным знаком.

В промышленном масштабе денежную бумагу с локальным знаком готовят на цилиндрической (круглосеточной) буммашине. Именно на сетке цилиндра, где отштампованы рисунки знака, при формировании бумажного полотна создаются необходимые условия для получения многотонового художественного знака, который строго фиксируется на площади будущих бумажных листов. Это позволяет в дальнейшем при печатании обеспечить точное совпадение локального знака с печатным рисунком. На сетке столовой бумагоделательной машины подобных условий для получения художественного и фиксированного знака нет. Знак должен хорошо просматриваться на просвет и быть идентичным на протяжении всего тиража. Наиболее ценными и трудными для подделки являются многотоновые водяные знаки и прежде всего портреты.

Для защиты от подделки в денежную бумагу иногда добавляют тонкие цветные волокна, вводят металлизированную нить и другие специальные материалы. Применяются волокна, видимые только в определенном спектре лучей. Конкретная информация о способах и приспособлениях для ввода нити в бумажное полотно обычно является ноу-хау производителей бумаги (особенно это относится к так называемой «ныряющей нити») и поэтому не разглашается.

Банкнотная бумага изготавливается с отсутствием в ней оптики, т.е. несветящаяся с ультрафиолетовым излучением. Фон оптического отбеливателя не более 35%. В этой бумаге предусмотрено до 11 степеней защиты:

Свойства бумаги

Общепринятым является подразделение свойств бумаги на следующие группы:

1) структурно-размерные свойства – фор­мат, толщина, плотность, гладкость, разносторонность и др. – зависят от состава по во­локну, степени помола, условий изготовления на машине; структура бумаги и картона вли­яет на их прочность, пористость, анизотро­пию свойств и другие показатели;

2) композиционные свойства – состав по волокну, наличие наполнителей и других ком­понентов; изменение композиции бумаги и картона позволяет в широких пределах изменять и их свойства;

3) механические и упруго-пластические свойства – сопротивление разрыву, излому расслаиванию, истиранию, влагопрочность, жесткость, деформация при увлажнении и др.;

4) оптические свойства – цвет, белизна, лоск, оттенок, светопроницаемость, непрозрачность и др.;

5) гидрофобные и гидрофильные свой­ства – степень проклейки, впитывающая способность, гигроскопичность, влажность и др.;

6) химические свойства – наличие остат­ков кислот или щелочей, минеральных вкраплений, различных катионов и анионов;

7) электрические свойства – электричес­кое сопротивление, диэлектрическая проницаемость, электрическая прочность, число токопроводящих включений на 1 м и др.;

8) печатные свойства– структура поверх­ности, мягкость, взаимодействие с типографскими красками и др.;

9) специальные свойства — барьерные, жиро-, паро-, газо- и водопроницаемость, влагопрочность, термостойкость, долговечность, биостойкость и др.

Различные свойства бумаге или картону придают обычно следующими способами:

подбором исходных полуфабрикатов, т.е. составлением композиции бумаги по виду и свойствам волокна;

изменением параметров процессов произ­водства бумаги (размола, отлива, прессования, сушки);

введением в бумажную массу различных вспомогательных веществ (наполнителей, про­клеивающих и связующих веществ, красите­лей, дефлокуляторов, полиэлектролитов и др.);

отделкой и поверхностной обработкой бу­маги (каландрированием, крепированием, тиснением, мелованием, пластификацией и пр.).

1.2. КОМПОЗИЦИЯ ВЫРАБАТЫВАЕМОЙ ПРОДУКЦИИ
В настоящее время в мире вырабатывается свыше 800 видов бумаги и картона. Как правило, целлюлозно-бумажная продукция вырабатывается из нескольких видов волокнистых полуфабрикатов в различном соотношении. Вид волокнистых полуфабрикатов в сильной степени влияет на качество бумаги и картона.

Различные виды бумаги производят из небольшого количества полуфабрикатов, поэтому важное значение для придания бумаге требуемых свойств имеет также технологический режим ведения процессов размола, отлива, прессования, сушки, отделки.

Свойства бумаги зависят и от введения в массу различных наполнителей, флокулянтов, проклеивающих веществ. Качество бумаги зависит от свойств полуфабрикатов, при этом имеется в виду как поведение волокнистых полуфабрикатов в технологических процессах, так и влияние их на свойства массы и бумажной продукции. Так, в процессе размола важным показателем является способность полуфабриката к размолу, скорость достижения степени помола, а в процессе отлива  скорость обезвоживания.

Растительные волокна, применяемые в производстве бумаги, отличаются как по химическому составу, так и по анатомическому строению. Наиболее ценными являются волокна, получаемые из хвойных пород древесины. Длинноволокнистый полуфабрикат обеспечивает получение более прочной бумаги, чем коротковолокнистый. Из волокон ленточного типа получается плотная прочная бумага с сомкнутой поверхностью; волокна трубчатого строения способствуют получению пухлых сортов.

Целлюлоза из лиственных пород древесины при введении её в качестве добавки к целлюлозе из хвойных пород улучшает печатные свойства бумаги, повышает однородность (короткие волокна лиственной целлюлозы заполняют промежутки между волокнами хвойной целлюлозы), повышает гладкость, впитывающую способность, удержание наполнителя и понижает скручиваемость листа.

Волокна твёрдых пород древесины придают бумаге непрозрачность, пухлость, воздухопроницаемость, впитывающую способность, мягких пород  высокую прозрачность, плотность, сопротивление разрыву. Большое значение для бумагообразующих свойств имеет химический состав целлюлозы.

Целлюлоза с высоким содержанием альфа-целлюлозы не склонна к фибриллированию и легко рубится, в результате чего из неё получается непрочный лист бумаги. Наличие гемицеллюлозы способствует пластификации волокна, обеспечивает фибриллирование и приводит к образованию прочного листа бумаги. Лигнин препятствует пластификации волокон, затрудняет размол. Бумага, изготовленная из целлюлозы с большим содержанием лигнина, быстро стареет. Вместе с тем, лигнин снижает прозрачность волокна и способствует светонепроницаемости бумаги. Бумагообразующие свойства зависят и от способа получения целлюлозы.

Волокна сульфатной целлюлозы придают бумаге более высокую прочность, термостойкость, долговечность, непрозрачность, высокие диэлектрические свойства, чем волокна сульфитной. Волокна сульфатной целлюлозы более гибкие, на их поверхности меньше микротрещин, поэтому они труднее размалываются.

Целлюлоза сульфатная после варки имеет темный цвет, поэтому в небеленом виде применяется в основном для технических видов бумаги и картона высокой прочности. Беленая сульфатная целлюлоза используется для производства многих видов писчей и печатной бумаги.

Целлюлоза сульфитная после варки получается более светлой, по сравнению с сульфатной, и легче поддается отбелке и размолу. Однако показатели механической прочности сульфитной целлюлозы меньше, чем у сульфатной.

Сульфитная целлюлоза, по сравнению с сульфатной, обеспечивает получение бумаги с повышенной пухлостью и впитываемостью. Это обусловило её применение для получения санитарно-гигиенических видов бумаги. Сульфитная целлюлоза широко используется также для производства различных видов бумаги и картона, предназначенных для письма, печати, упаковки и расфасовки продуктов на автоматах.

Добавка в композицию древесной массы позволяет уменьшить стоимость бумаги, повысить непрозрачность, гладкость, улучшить печатные свойства. Однако древесная масса понижает механическую прочность бумаги, делает её неустойчивой к действию света, тепла, влаги. Перспективнее использовать химико-механическую и химико-термомеханическую массу, что позволяет снизить расход целлюлозы.

Введение в композицию макулатуры понижает механические показатели бумаги, однако бумага при этом характеризуется лучшими печатными свойствами.

Целлюлоза из однолетних растений способствует улучшению просвета, понижает пылимость, однако отлив её затруднён, так как масса плохо обезвоживается из-за наличия гемицеллюлоз: волокна сильно набухают, создавая большое сопротивление фильтрации.

Прочную, долговечную бумагу вырабатывают из отходов переработки льна, хлопка, пеньки. Хлопковое и льняное волокна на 90 % и более состоят из чистой целлюлозы. Этим, в первую очередь, определяются высокие механические качества и долговечность бумаги из хлопка и льна.

Синтетические волокна (лавсан, капрон) используют для получения бумаги с высокой прочностью, впитывающей способностью, они долговечны, биостойки. Однако для получения бумаги из этих волокон необходимы связующие  смолы, латексы, что обусловливает ее высокую стоимость.
Производственная вода
ЦБП относится к водоемким производствам и от качества применяемой воды зависит и качество продукции. Природная вода всегда содержит органические и неорганические соединения, микроорганизмы и газы. В воде содержаться взвешенные вещества (частицы песка, глины, металла и др.). Источником взвешенных веществ органического проис­хождения является планктон (живые организмы и водоросли). При благоприят­ных условиях (определенных температуре и количестве растворимых соедине­ний) на стенках БДМ образуется слизь, которая по мере роста попадает в бумагу и портит ее качество.

Природные воды с высокой жесткостью, как правило, нестабильны, и выпадающие соли отлагаются на стенках сосудов, в ячейках сетки и отверстиях отсасывающих валов и др.

Мягкие воды с низкими значениями щелочности отличаются повышенной коррозионной агрессивностью, что требует создания проточных частей маши­ны в антикоррозийном исполнении.

По допустимому содержанию веществ вода разделяется на семь основных групп.

К первой группе относится вода, применяемая для изготовления бумаги: мешочной, упаковочной, гоф­рирования и для картонов; для охлаждения теплообменников, подшипников, холодиль­ных цилиндров, уплотнения сальников вакуумных насосов, пожаротушения и санитарных нужд.

Вторая группа воды – для изготовления бумаги, содержащей древесную массу.

Третья группа воды применяется для производства бумаги и картона из беленых полуфабрикатов и белой древесной массы: писчих, печатных, чертежной и др.

Четвертая группа воды используется для изготовления высокобеленых видов бумаги: документной, банкнотной, основы для фотобумаги и т. п.

Пятая группа воды применяется для изготовления кабельной бумаги.

Шестая группа воды используется для изготовления технических видов бумаги, для которых требуется строго ограниченная зольность.

Седьмая группа воды не должна содержать растворенных веществ и по сво­ему составу приближается к химически чистой. Она применяется при изготов­лении высокосортных конденсаторных видов бумаги.
2. ВАРКА ХЛОПКОВОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ
2.1 КЛАССИЧЕСКАЯ ВАРКА ХЛОПКОВОГО ЛИНТА

Процесс варки или, как многие называют, бучения хлопкового линта является одним из важнейших при производстве хлопковой целлюлозы, основан на стойкости целлюлозы к щелочам, под воздействием которых при температуре выше 130 оС происходит разрушение нецеллюлозных примесей и большей части кутикулы хлопкового волокна, затрудняющей смачивание.

Классическая последовательность технологических операций при производстве хлопковой целлюлозы приведена на рис. 2.



Рис. 2 – Последовательность технологических операций при производстве хлопковой целлюлозы
Задача технологического процесса производства хлопковой целлюлозы состоит в очистке хлопкового волокна от примесей в виде восков и жиров, гемицеллюлоз, пектинов и других, удаления попадающих остатков хлопчатника, снижения вязкости исходной целлюлозы до пределов, требуемых для дальнейшей ее переработки.

Для этого линт, поступающий с хлопкозаводов плотно прессованным в кипы, разрыхляют на специальных рыхлительных машинах, что дает возможность отделять от волокна значительную часть посторонних примесей.

Разрыхленное волокно после предварительной замочки раствором едкого натра концентрации 12..30 г/л поступает в варочный котел в который дополнительно заливается раствор едкого натра. Хлопковый линт варят в течение 4…8 ч при 130…180 оС, а потом волокно тщательно промывают для удаления водорастворимых примесей и отработанного раствора едкого натра.

После этого целлюлозу для достижения определенной чистоты и белизны отбеливают раствором пероксида водорода или гипохлорита натрия, промывают, подвергают кисловке и еще раз промывают до нейтральной среды.

По классической, но устаревшей технологии процесс варки хлопковой целлюлозы должен происходить в вертикальных или горизонтальных стальных клепаных или сварных котлах, рассчитанных на давление до 7…8 кгс/см2 (например, рис. 3,4).

Несколько иной принцип работы имеют шаровые вращающиеся котлы объемом 13,7 м3, обеспечивающие равномерный провар массы и легкую разгрузку. Такой котел имеет полые цапфы, через которые и подаются рабочий раствор и пар. Линт загружается в котел через люк. Недостатком этих котлов является сравнительно малая загрузка (1200…1400 кг) при больших габаритных размерах.



Рис. 3 – Варочный котел с механической ручной выгрузкой
Выгрузка и промывка бученой массы.

Некоторые предприятия производили промывку целлюлозы непосредственно в варочном котле после снятия давления и стока варочных щелоков. Однако из-за резкой смены температур и создания перенапряжения в швах выходят из строя котлы.

Для промывки после варки в котлах традиционной формы используют сцежи (рис. 5).




Рис. 5 – Сцежа:

1 – мешалки; 2 – ложное дно

Сцежа – это стальная емкость, снабженная двумя мешалками с числом оборотов 12…15 в минуту, и ложным дном, изготовленным из перфорированной нержавеющей стали. От верхней части сцежи отведена труба с ловушкой, препятствующей уносу волокна и щелочи в атмосферу.

Сцежа рассчитана на прием содержимого одного варочного котла с концентрацией массы около 3 %, с последующим трехкратным разбавлением, в связи с чем ее емкость должна быть от 45 до 65 м3.

Перед промывкой целлюлозы вытесняют отработанную щелочь путем орошения целлюлозы в сцеже водой в течение 5…10 мин через оросители, расположенные в верхней части сцежи.

Одновременно открывают кран на трубе, отводящей из под ложного дна отработанные щелока, которые направляют в сборник, а из него – в дозировочные баки на укрепление.

В сцежах дважды промывают целлюлозу: сначала горячей водой с температурой 60…80 оС, затем холодной (при необходимости - два раза). Продолжительность каждой промывки – 25..30 мин при работающих мешалках. Промывные воды из сцежи поступают в сборники сточных вод, а из них – в канализацию. Промытая хлопковая целлюлоза с концентрацией массы до 3,5 % насосом перекачивается в отбельные чаны.

2.2 ОТБЕЛКА ХЛОПКОВОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ
Хлопковая целлюлоза после варки приобретает серый цвет с различными оттенками.

Для отбелки с малой концентрацией массы и большим модулем (гипохлоритная отбелка) применяют различные аппараты.

Наиболее простым аппаратом является железобетонный отбельник с лопастной железной мешалкой. Для защиты от коррозии отбельник выложен кислотоупорной плиткой или листовым свинцом. Такие отбельники просты по конструкции и обеспечивают равномерность отбелки, однако имеют большие размеры, что увеличивает габаритные размеры здания и требуют больших удельных расходов воды и химикатов.

Другой конструкцией такого аппарата является отбельный ролл. Часто в целях экономии площади помещения два ролла соединяют. весьма часто такой ролл имеет водоотливной барабан, представляющий собой цилиндр с сетчатой боковой поверхностью, через которую внутрь барабана входит вода и удаляется через полую ось его.

Иногда в производстве используют железобетонные отбельные чаны, футерованные кислотоупорным кирпичом.

После окончания процесса отбелки отработанные раствор гипохлорита натрия перекачивают в сборник для укрепления раствора, а целлюлозу дважды промывают водой и проводят кисловку серной кислотой (т.к. целлюлоза содержит остаточное количество отбельных реагентов и имеет повышенное содержание золы), предварительно залив целлюлозу холодной водой. После кисловки целлюлозу тщательно промывают холодной водой.

Недостатками всех таких аппаратов является периодичность процесса, большой расход электроэнергии, расходуемой на перемешивание, большие площади для аппаратуры и низкая производительность.

Однако отбелка хлорсодержащими реагентами до сих пор применяется. Так, например, на заводе в г. Ламберти (США) для производства банкнотной бумаги используют для варки линта шаровые котлы периодического действия. Способ варки натронный. Отбелка производится с минимальным расходом хлора.

Основной тенденцией в развитии технологии отбелки целлюлозы является повышение конкурентоспособности беленых целлюлоз при соблюдении требований по охране окружающей среды. Технология отбелки должна обеспечивать для предприятия баланс между затратами, качеством целлюлозы и влиянием на окружающую среду.

В настоящее время хлорсодержащие отбеливатели заменяют пероксидом водорода. Пероксид водорода обладает высоким окислительным и энергетическим потенциалом, так как в процессе отбелки выделяется большое количество энергии, которое обеспечивает высокую чистоту отбелки. При этом отбеливающие свойства пероксида водорода исключительно велики, а продолжительность мала.

Разработка технологии получения хлопковой целлюлозы для высококачественной бумаги сводится к решению вопроса по разработке способа выделения хлопковой целлюлозы путем совмещения процессов варки и перекисной отбелки в одну стадию, позволяющих получить целлюлозу требуемого качества и исключить хлорсодержащие реагенты с одновременным решением экологических проблем производства.

Так в г. Хараре (Зимбабве) хлопковый линт варят непрерывным способом в аппарате Би Вис с отбелкой в этом же аппарате. Производительность аппарата 1,6…1,8 т/ч, белизна готового продукта не менее 80 оISO.
Отбелка пероксидом водорода
Окислительный потенциал пероксида водорода ниже, чем гипохлорита. Однако применение пероксида водорода имеет большие преимущества с точки зрения охраны окружающей среды, так как в сточных водах в этом случае полностью отсутствуют соединения хлора.

Отбелка целлюлозы пероксидом водорода способствует также значительному снижению содержания в целлюлозе смол и жиров.

В процессе отбелки пероксидом водорода в щелочной среде параллельно протекают две химические реакции:

НООН + НО ? НОО2О; (1)

2НООН ? О2 + 2 Н2О. (2)

В результате диссоциации пероксида водорода по реакции (1) образуется основная отбеливающая частица – анион гидропероксида НОО.

Степень диссоциации при обычных условиях мала, но усиливается при повышении температуры и по мере расходования иона НОО на реакции. Диссоциации пероксида способствует щелочная среда, так как при этом связываются водородные ионы и равновесие реакции гидролиза сдвигается вправо. Поэтому отбелку пероксидом ведут в щелочной среде при рН=10-10,5, добавляя в отбельный раствор NaOH. Считается, что пероксид разрушает карбонильные группы макромолекулы целлюлозы; этим объясняется высокая стабильность белизны целлюлозы, отбеленной пероксидом водорода.

Разложение пероксида водорода по реакции (2) катализируется ионами металлов переменной валентности и сопровождается следующими реакциями с образованием радикалов – гидроксильного НО и супероксиданиона О2●– по схемам:

Мn+ + Н2О2 ? НО + ОН + М (n+1);

НО + НОО ? О2●– + Н2О;

О2●– + Н2О2 ? О2 +НО+ ОН.

Разложение пероксида водорода катализируют ионы железа, меди, марганца и др., всегда присутствующие в производственной воде.

Следует отметить, что окислительный потенциал гидроксильного радикала НО очень высокий, из-за чего продолжительность жизни его исключительно короткая, и он вступает в реакцию практически мгновенно на месте своего образования.

Появление столь значительной по окислительному потенциалу реакционноспособной частицы в отбельной системе нежелательно, поэтому контроль за уровнем содержания ионов металлов переменной валентности является непременным условием эффективного проведения процесса отбелки пероксидом водорода.

В состав отбельного раствора кроме пероксида водорода и NaOH при традиционной отбелке входит силикат натрия (иногда, при отбелке хлопковой целлюлозы он может отсутствовать), который:

- наряду с NaOH служит для забуферивания среды до нужной щелочности, способствуя протеканию реакции диссоциации;

- связывает свободные радикалы разложения пероксида водорода, обрывая тем самым цепные реакции разложения его;

- подавляет каталитическое действие катионов железа, меди, марганца, хрома и др. на разложение пероксида водорода;

- является ингибитором коррозии оборудования.

В качества стабилизатора раствора пероксида водорода иногда добавляют небольшое количество (0,05-0,1 % от массы волокна) MgSO4, который нейтрализует каталитическое действие ионов тяжелых металлов (железа, меди, марганца и др.).

Естественно, необходимо также подбирать и параметры проведения процесса, отвечающие за преимущественную диссоциацию пероксида водорода по реакции (1).

Белизна целлюлозы в процессе отбелки может быть достигнута за счет повышения температуры, концентрации гидропероксид-анионов, а также повышения эффективности массопереноса.

Повышение температуры в большей степени влияет на реакции отбелки целлюлозы пероксидом водорода, чем на его разложение под влиянием каталитического воздействия металлов переменной валентности.

Повышение концентрации гидропероксид-анионов достигается:

а) регулированием расхода NаОН для создания необходимого уровня рН, обеспечивающего преимущественное образование гидропероксид-аниона;

б) повышением концентрации массы, что позволяет увеличить эффективную концентрацию отбеливающих реагентов и, как следствие, усилить окислительную деструкцию хромофоров; по закону действующих масс при высокой концентрации массы возрастает скорость реакции.

Повышение эффективности массопереноса связано, прежде всего, с перемешиванием реагирующей смеси. Перемешивание массы низкой и средней концентрации позволяет устранить внешнедиффузионные сопротивления и перевести процесс в область внутренней диффузии, когда скорость реакции лимитируется скоростью диффузии реагентов и продуктов реакции внутри волокна. При перемешивании, осуществляемом при высокой концентрации, суспензия подвергается деформациям сжатия и сдвига. Причем при высокой концентрации значения напряжения, при котором происходит разрушение структуры суспензии и последующее ее пластическое течение, может быть достаточно большим, чтобы вызвать деформацию самих волокон. Это позволяет практически мгновенно доставлять реагенты к внутренним структурным элементам волокон и перевести процесс отбелки в кинетическую область.

Температура кипения отбельного раствора зависит от давления в системе, поэтому эффективности массопереноса может способствовать увеличение давления. Если температура реакционной смеси достигает точки кипения отбельного раствора, на поверхности раздела жидкой фазы и целлюлозного волокна будут возникать пузырьки газа, сокращая площадь, доступную для реакционного взаимодействия. Этому явлению будет препятствовать повышение давления.
2.3 СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ВАРКИ И ОТБЕЛКИ ХЛОПКОВОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ
Аппарат Bi-Vis. В конце 1950-х годов во Франции был разработан процесс Bi-Vis (Bi-Vis Technology) – сначала для переработки пластиков, а позже – для обработки волокнистых масс в ЦБП. Движущиеся части аппарата (рис.6) состоят из двух сопряженных шнеков, которые вращаются в одном и том же направлении. Шнеки помещены в неподвижный корпус – баррель. Эта пара шнеков приводится во вращение электродвигателем через двухступенчатый редуктор.

Аппарат может применяться как для химических процессов (например, отбелки и промывки), так и для предразмола массы. Технология Bi-Vis может использоваться для обработки хвойных и лиственных волокон, волокон однолетних растений, таких как солома, кенаф и багасса, текстильных волокон – хлопка, льна, конопли, а также макулатурной массы. Аппарат отличается низким потреблением энергии, небольшими монтажными и эксплуатационными затратами, хорошей управляемостью процесса. Представляет интерес использование этого аппарата для рубки текстильных волокон (например, хлопка) перед основным размолом, так как ранее эта операция выполнялась в размалывающих машинах периодического действия (например, в роллах или специальных гидроразбивателях высокой концентрации).

В табл. 1 приведены результаты сравнения качества хлопковой массы, переработанной по традиционной технологии и по новой технологии с применением аппарата Bi-Vis, а также документной бумаги из нее.

Технология Bi-Vis обеспечивает при автоматизированном непрерывном процессе высокие качественные показатели массы и бумаги, снижает удельный расход электроэнергии до 40 %, расход воды на промывку со 100 до 7,5 м3 на 1 т а.с. волокна и т.д.
Рис.6 – Устройство двухшнекового аппарата Bi-Vis:

1 – выход отработанной жидкости; 2 – выход размолотого материала; 3 – подшипники; 4 – шнеки; 5 – крышка корпуса; 6 – подача химикатов; 7 – вход размалываемого материала; 8 – редуктор; 9 – электродвигатель
Таблица 1

Техническая эффективность шнекового аппарата Bi-Vis при размоле хлопковой целлюлозы

Показатель эффективности

Технология

традиционная с поверхностной проклейкой бумаги

Bi-Vis с поверхностной проклейкой бумаги

Расход энергии на размол, кВт·ч/т

1800

1100

Расход каустической соды, кг/т а.с. волокна

40

10

Расход перекиси водорода, кг/т а.с. волокна

50

40

Степень помола массы, оШР

81

80

Масса 1 м2 бумаги, г

62

63

Излом, поперечное направление, ч.д.п.

151

284

Белизна, % Эльферо

86

84

Гладкость, Бекк, с

22,4

20,5

Разрывная длина, м:

машинное направление

7370

8640

поперечное направление

3690

4320



НЕПРЕРЫВНЫЙ СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ХЛОПКОВОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА БУМАГИ НА ДВУХ АППАРАТАХ «БИВИС»
Известен следующий непрерывный способ получения хлопковой целлюлозы (ХЦ) на двух аппаратах Бивис. Существующая технология состоит из следующих стадий: сухая механическая очистка, варка в аппарате «Бивис-1», отлежка, отбелка в аппарате «Бивис-2», отлежка, промывка и отжим.

Для получения качественной ХЦ основное внимание всегда уделяется на способы разрушения и удаления нецеллюлозных примесей, содержащихся в хлопковом линте (ХЛ) на различных стадиях его переработки, т.к. неравномерное протекание процесса получения ХЦ приводит к получению неоднородного продукта недостаточно высокого качества.

Высокая чистота ХЦ достигается, как правило, за счет ужесточения режимов ее получения. Обработка ХЛ щелочью, кислотой, сильными окислителями ведет к структурно-химическим, физико-механическим изменениям целлюлозы, накоплению пылевой фракции, что приводит в свою очередь к ухудшению таких показателей как прочность, относительное удлинение. При мягких условиях обработки эти изменения не существенны, при жестких – возможны глубокие изменения и как результат этого – низкое качество ХЦ.

Непрерывный способ получения ХЦ в силу своих особенностей позволяет изменять ограниченное число параметров технологического процесса, а в условиях, когда все стадии процесса получения ХЦ компьютеризированы и управление осуществляется автоматически – еще меньше. Так температура варки и отбелки ХЦ поднимается самопроизвольно за счет процессов сжатия и трения при прохождении волокна через шнеки аппарата. Время процесса, т.е. время нахождения линта (бученной целлюлозы) в аппарате зависит от его конструкции и не может регулироваться извне.

Повышение чистоты конечного продукта можно обеспечить за счет изменения расхода химикатов, а также времени отлежки целлюлозы.

Качественные показатели образцов ХЦ, полученных при обработке растворами щелочи при расходе 3 и 5% отличаются незначительно. Этот фактор можно учитывать на производстве при использовании линта высшего класса засоренности и среднего класса с засоренностью до 8%. Для ХЛ, имеющих невысокую засоренность, с целью экономии химикатов и повышения рентабельности производства, при варке можно использовать щелочь с расходом 3%.

Обработка линта раствором щелочи в Бивисе-1 осуществляется в течение 13 сек. Далее щелочная масса подается на выдержку (отлежку) в течение часа.

Увеличение времени отлежки до 90 мин незначительно увеличивает массовую долю альфа-целлюлозы и чистоту, поэтому увеличение продолжительности выдержки ХЦ невыгодно. Уменьшение времени отлежки до 30 мин не обеспечивает достаточную чистоту целлюлозы. Таким образом, оптимальным временем выдержки целлюлозы после варки на этом предприятии является 60 мин.

Отбелка целлюлозной массы пероксидом водорода производится в одну стадию. При повышении концентрации массы резко возрастает скорость отбелки. Преимуществом отбелки массы высокой концентрации являются меньшие производственные площади, сокращение времени обработки массы.

Известно, что увеличение концентрации отбеливающего реагента приводит к росту степени белизны. В основном зависимость между степенью белизны и количеством пероксида водорода не является линейной. Необходимо в каждом конкретном случае решать вопрос о целесообразности повышения расхода пероксида водорода для увеличения белизны. При концентрации пероксида водорода выше 3% наблюдается более заметное увеличение белизны, однако повышается стоимость отбелки.

Пероксид водорода очень чувствителен даже к незначительным количествам ионов тяжелых металлов, органических соединений и различных загрязнений, которые всегда имеются в наличии в волокне, химикатах, технологической воде и которые являются катализаторами разложения пероксида водорода. Для увеличения степени белизны целлюлозы в отбеливающий раствор могут вводить стабилизатор пероксида водорода. Использование стабилизатора пероксида водорода может привести к повышению степени белизны на 3-5%. При этом значения а-целлюлозы и СП практически не изменяются.

Таким образом, анализ работы этого предприятия следующий:

- увеличение расхода щелочи в процессе варки способствует увеличению альфа-целлюлозы и чистоте ХЦ. При использовании ХЛ с засоренностью менее 8% можно снизить расход щелочи до 3 % .

- при увеличении расхода пероксида водорода с 3 до 5% , прирост степени белизны составляет 4-7%, а СП уменьшается на 10-12%.

- при изучении времени отлежки целлюлозной массы было определено, что оптимальной продолжительностью отлежки является время 60 мин.

-использование в процессе отбелки стабилизатора пероксида водорода способствует увеличению белизны ХЦ на 3-5%
Совмещенная варка и отбелка
В настоящее время технология получения хлопковой целлюлозы сводится к совмещенной варке и перекисной отбелки в одну стадию, позволяющих получить целлюлозу требуемого качества и исключить хлорсодержащие реагенты с одновременным решением экологических проблем производства.

Совмещенную варку и отбелку можно проводить при модуле 1:10. Факторами процесса являются: температура и продолжительность отбелки, рН, концентрация щелочи, расход пероксида водорода и силиката натрия (может не использоваться при больших расходах перекиси).

При повышении содержания химических реагентов в растворе происходит снижение вязкости целлюлозы. Наиболее сильное влияние на деструкцию целлюлозы оказывает количество щелочи в растворе. Резкое снижение вязкости происходит при концентрациях до 5 г/л. Дальнейший рост содержания щелочи не вызывает значительного снижения вязкости.

Для получения максимальной белизны содержание щелочи 4…6 г/л является оптимальным (при прочих равных условиях). Из литературы известно, что если щелочи мало, то она быстро связывается органическими кислотами; в результате отбелка становится не эффективна. При избытке щелочи она усиленно поглощается волокнами, что приводит к потемнению массы. Известно также, что избыток щелочи способствует разложению пероксида водорода, а это также может влиять на падение белизны в области высоких концентраций.

Присутствие силиката натрия оказывает заметное влияние на белизну и вязкость целлюлозы при низком содержании отбеливающего агента в растворе. В этом случае активизирующее и стабилизирующее действие силиката проявляется наиболее четко. Рост концентрации силиката натрия до 20 % от массы линта при прочих равных условиях позволяет повысить белизну до 80 %. В растворах с более высоким содержанием пероксида белизна доходит до 90…92 %, но влияние силиката натрия на белизну менее заметно.

Отбелку проводят в щелочной среде, так как в этом случае преобладает распад пероксида водорода с образованием пероксидных ионов, что увеличивает эффективность отбелки, особенно если рН среды в начале составляет 10…11 и постепенно падает до 8…9 в конце отбелки.

На рисунке 7 показано снижение рН варочного раствора от первоначального значения в зависимости от температуры и продолжительности процесса отбелки при концентрации щелочи 5 г/л, расходе пероксида водорода 4% от массы линта.
Рис. 7- Зависимость снижения рН среды от продолжительности и температуры совмещенного способа варки и отбелки при концентрации NaOH 5 г/л, расход Н2О2 - 4% от массы линта. Температура, °С: 1 - 90; 2 - 100; 3 - 110; 4 - 130; 5-150

В первые 30-60 мин наблюдается снижение рН среды, тем больше, чем выше температура отбелки, в дальнейшем процесс снижения рН замедляется.

Для поддержания необходимого рН среды во время процесса перекисной отбелки можно добавлять силикат натрия. Являясь стабилизатором пероксида водорода, силикат натрия дополнительно выступает в качестве буферного раствора и постепенно высвобождает щелочь, поддерживая рН на желаемом уровне.

Однако, как уже было сказано выше, щелочность не должна выходить за определенные пределы, так как при этом степень белизны массы понижается, что наблюдается при использовании растворов с содержанием щелочи более 6 г/л.

Таким образом, рН раствора 13…10 в начале и 10 в конце процесса можно считать оптимальной величиной. Можно предположить, что вышеуказанным значениям рН соответствует максимальная белизна целлюлозы.

В таблице 2 представлены качественные показатели хлопковых целлюлоз, полученных при различных режимах совмещенной варки и отбелки.

Таблица 2


Таким образом, оптимальными условиями проведения совмещенного способа варки и перекисной отбелки являются концентрация щелочи 4…6 г/л, расход пероксида водорода 4…6% от массы линта и силиката натрия 5…10% от массы линта.
  1   2


Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации