Введение к работе
Актуальность темы. Анализ развития целлюлозно-бумажной промышленности в конце XX века показывает, что оно будет происходить в направлении повышения экономической эффективности и экологической безопасности процессов, поэтому наиболее предпочтительным будет создание максимально замкнутых циклов использования загрязненных фильтратов при производстве беленых полуфабрикатов из технической целлюлозы и вторичного (макулатурного) волокна. В связи с этим применение пероксида водорода будет более предпочтительным, по сравнению с диоксидом хлора, поскольку загрязненные фильтраты пероксидной отбелки не содержат хлорид-ионов и могут утилизироваться сжиганием в системе регенерации химикатов.
Ресурсы дальнейшей интенсификации технологических процессов с применением целлюлозной суспензии средней концентрации при отбелке во многом исчерпаны, поскольку после завершения перемешивания в смесителе процесс целиком определяется медленной молекулярной диффузией отбеливающего реагента в капиллярно-пористой структуре волокна. Следовательно, для интенсификации процесса отбелки целлюлозы необходимы воздействия на реакционную систему, способствующие диффузии реагента во внутреннем объёме волокна.
В случае применения целлюлозной суспензии средней концентрации таким воздействием может быть избыточное давление, которое, в частности, сокращает объём газовых пустот, препятствующих диффузии реагента.
При увеличении концентрации массы (20-40 %) повышается концентрация реагента в реакционной системе за счет сокращения объёма жидкой фазы. Для интенсификации массообмена внутри волокна можно использовать его механическую деформацию, которая приводила бы к изменению параметров его капиллярно-пористой структуры, и, как следствие, к относительному движению раствора реагента, содержащегося в нем, обеспечивая быструю доставку раствора отбеливающего реагента к реакционной поверхности во внутреннем объёме волокна. Такое механическое воздействие на небеленую сульфитную целлюлозу в присутствии щелочи повышает эффективность экстракции смол и жиров, а в процессах подготовки макулатурного волокна будет способствовать восстановлению физических параметров и механических свойств вторичных волокон, а также очистке их поверхности от посторонних включений. Таким образом, изучение механического воздействия на целлюлозную массу является актуальной задачей, позволяющей повысить эффективность процессов обработки технической целлюлозы и макулатурного волокна.
Известно, что наиболее реакционно-способными являются аморфные участки в надмолекулярной структуре целлюлозного волокна. Следовательно, регулируемое механическое воздействие может способствовать повышению качества целлюлозных полуфабрикатов для химической переработки, в частности для получения гидрат-целлюлозных волокон с использованием порошкообразного «прямого» растворителя
Ы-метилморфолин-Ы-оксида (ММ9): — -„
РО.
Цель настоящей работы - теоретически обосновать применение механических воздействий на техническую целлюлозу и макулатурное волокно для интенсификации процессов отбелки целлюлозы, повышения качества целлюлозных полуфабрикатов, сокращения издержек производства и снижения загрязнения окружающей среды и разработать методы и аппаратурное оформление для их осуществления.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
теоретически обосновать вид воздействий на целлюлозное волокно и целлюлозную суспензию для интенсификации технологических процессов;
исследовать влияние механических воздействий на кинетику различных технологических процессов (обессмоливания сульфитной целлюлозы, отбелки перокси-дом водорода, облагораживания макулатурного волокна) при обработке суспензии технической целлюлозы и макулатурного волокна как средней, так и высокой концентрации;
изучить влияние механических воздействий на физико-механические показатели качества технической целлюлозы и макулатурного волокна;
разработать технологические параметры процессов (обессмоливания, отбелки, облагораживания, размола) и их аппаратурное оформление;
провести апробацию полученных результатов в пилотных и промышленных условиях.
Научная новизна, выполненных диссертантом исследований, заключается в том, что в работе:
- впервые теоретически обосновано новое направление интенсификации про
цессов обработки целлюлозы с водным раствором реагента за счет протирания цел
люлозной массы высокой концентрации (20-40 %) между двумя твердыми поверхно
стями, двигающимися с различной скоростью и при продавливании массы через
кольцевой зазор;
получены кинетические закономерности щелочной экстракции небеленой сульфитной целлюлозы при механическом воздействии и установлены специфические особенности процесса;
определены технологические параметры процесса механохимического обессмоливания небеленой сульфитной целлюлозы;
установлено влияние основных факторов обработки (усилий сжатия и сдвига) на повышение реакционной способности целлюлозных полуфабрикатов для химической переработки при механохимической и механической обработке;
разработан методологический подход для выбора наиболее эффективной последовательности технологических операций делигнификации и отбелки при получении полубеленой и беленой целлюлозы в схемах ECF и TCF на основе экспериментально установленного предельного уровня массовой доли зольных элементов в реакционной системе отбелки целлюлозы;
установлены кинетические закономерности процесса отбелки пероксидом водорода целлюлозы, подвергнутой механическим воздействиям в суспензии сред-
ней концентрации и массе высокой концентрации; установлены специфические особенности и технологические параметры процесса;
предложена гипотеза, объясняющая роль физических воздействий при отбелке целлюлозы пероксидом водорода, заключающаяся в повышении эффективности массопереноса во внутридиффузионной области;
экспериментально установлено и теоретически обосновано влияние механических (безножевых) воздействий (путем протирания или продавливания массы вторичных волокон высокой концентрации через кольцевой зазор) на интенсификацию и совмещение технологических процессов подготовки макулатурного волокна и характеристики качества.
Практическая значимость. Предложены механохимическая обработка (МХО) для эффективной щелочной экстракции целлюлозы, новое аппаратурное оформление процесса - (аппарат МХО), очистка смолосодержащего фильтрата со сжиганием органического остатка вместе с отходами древесно-подготовительного цеха для повышения экономической эффективности и экологической безопасности производства беленой сульфитной целлюлозы.
Использование МХО повышает реакционную способность целлюлозы для производства вискозных волокон и снижает на 3 % химические потери волокна.
Разработан способ и предложено аппаратурное оформление для получения порошкообразной целлюлозы, которые могут быть использованы для повышения эффективности производства Na-КМЦ и гидратцеллюлозных волокон по экологически безопасной технологии с использованием ММО.
Установлены технологические параметры отбелки целлюлозы пероксидом водорода при средней и высокой концентрации массы для повышения эффективности процесса и предложено аппаратурное оформление.
Выданы АО «Петрозаводскмаш» технологические схемы и исходные данные для аппаратурного оформления схем отбелки сульфитной и сульфатной целлюлозы различного назначения с целью поставки на предприятия отрасли комплектного технологического оборудования.
Разработаны технологии роспуска ранее сжигаемой в России влагопрочной макулатуры, в частности, упаковка типа Тетрапак, ветхие денежные купюры на основе безножевого воздействия на макулатурное волокно и предложено аппаратурное оформление.
Совмещенные процессы роспуска макулатуры при концентрации 25-30 % с диспергированием загрязнений и окрашивания в массе волокна на основе принципа безножевого механического воздействия для эффективной одновременной обработки в одном аппарате.
Разработана технология подготовки и облагораживания макулатурного волокна из использованного тарного картона (ИТК) в беленый полуфабрикат, пригодный для выработки писчепечатных видов бумаги.
Основные положения, выносимые на защиту:
механизм повышения эффективности массопереноса в реакционной системе при использовании безножевого механического воздействия на целлюлозную массу высокой концентрации путем протирания её между твердыми поверхностями, движущимися с различной скоростью или путем продавливания её через кольцевой зазор;
кинетические закономерности и технологические параметры механохимиче-ской обработки сульфитной небеленой целлюлозы высокой концентрации с целью обессмоливания;
технологические параметры механохимического обессмоливания небеленой сульфитной целлюлозы на показатели качества беленого полуфабриката, повышение эффективности и экологической безопасности работы отбельного цеха;
данные по влиянию механической обработки технической целлюлозы по повышению реакционной способности волокнистых полуфабрикатов к химической переработке;
кинетические закономерности и условия отбелки целлюлозной массы высокой концентрации пероксидом водорода с использованием безножевого механического воздействия для перемешивания компонентов реакционной системы;
методологический подход к разработке технологических схем отбелки с использованием молекулярного кислорода, пероксида водорода и озона и обоснованию технологических параметров отбелки целлюлозной суспензии средней концентрации пероксидом водорода для интенсификации и наиболее эффективной последовательности технологических процессов;
данные по влиянию безножевого механического воздействия на схемы, процессы подготовки и свойства макулатурного волокна.
Апробация работы. Основные результаты работы представлены в 1982-2000 годах; на IV Международном симпозиуме по фундаментальным исследованиям в области комплексного использования древесины, Рига, 1982; на VII Всесоюзной конференции по химии и биохимии углеводов, Пущино, 1982.; на Всесоюзной научно-технической конференции «Основные направления и координация работ в области химии древесины и целлюлозы до 2000 года», Ленинград,1988; на XI Всесоюзном симпозиуме по механохимии и механо-эмиссии твердых тел, Чернигов, 1990; на Всесоюзной конференции «Химия, технология и применение целлюлозы и ее производных», Суздаль, 1990; на международных научно-технических конференциях ПАП-ФОР, Санкт-Петербург, 1996-2002; на научно-практической конференции «Эколого-экономические проблемы лесного комплекса», Санкт Петербург, 1997; на Восточно-Европейском симпозиуме «East European Paper Recycling Symposium», Варшава, 1997; на республиканской научно-практической конференции «Ресурсосберегающие технологии лесного комплекса», Петрозаводск, 1998; научно-техническом семинаре «Современная технология отбелки целлюлозы», Коряжма, 2003 г.
Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 40 печатных работах, в том числе 1 авторском свидетельстве и двух патентах.
Структура и объём работы. Диссертационная работа изложена на 391 странице машинописного текста, содержит 57 таблиц, 89 рисунков. Список цитируемой литературы включает 352 наименования. В приложении приведены технологические схемы.
