CS277045B6 - Process and apparatus for preparing cellulose solutions - Google Patents

Description

Vynález se týká způsobu přípravy roztoků celulózy ve vodných terciárních aminoxidech ze suspenze celulózy ve vodném roztoku terciárního aminoxidu přiváděním tepla za sníženého tlaku, jakož i zařízení k provádění tohoto způsobu.

Způsob uvedeného druhu je popsán ve zveřejněném spise PCT č. WO 83/04415. Podle tohoto způsobu se celulóza suspenduje ve vodném roztoku terciárního aminoxidu, který obsahuje 40 % hmot. vody, a vzniklá suspenze se za míchání zahřívá při teplotě v rozmezí 90 až 120 °C. Současně se tlak sníží na 8 až 15 kPa a voda se odtahuje tak dlouho, až se celulóza rozpustí. Takto lze připravit zvláknitelné roztoky obsahující až 15 % hmot. celulózy.

Vysrážením těchto roztoků ve vodě se získají fólie, vlna nebo tvarové díly na bázi celulózy, tedy předměty, které se dnes vyrábějí ve velkém rozsahu viskózovým způsobem. Zvláknitelné roztoky celulózy ve vodných terciárních aminoxidech však mají, pokud jde o znečišťování okolního prostředí, oproti viskóze rozhodnou výhodu: zatímco při jejich zvlákňování je možno terciární aminoxid získat zpět a znovu použít, vzniká při rozkladu viskózy H₂S, COS, CS₂ a koloidni síra. Zachycování a zneškodnění těchto látek je možné jen za vynaložení značných nákladů.

Přesto však se výše uvedený způsob s terciárními aminoxidy jakožto pomocným rozpouštědlem až dosud neprosadil, protože má ještě řadu nevýhod.

Tak je možno v kotli s míchadlem vzhledem k nepříznivému poměru povrchu kapaliny k jejímu objemu odtahovat vodu jen nesnad- no, což vede k dlouhým dobám setrvání v kotli v rozmezí 2 áž 4 hodin. Během této doby dochází k částečnému odbourání polymerního řetězce celulózy, ke kterému ještě přispívá zvýšená teplota. Toto částečné odbourání opět působí nepříznivě na určité vlastnosti výsledných produktů po zvláknění, například na jejich pevnost, tažnost a odolnost proti tvorbě smyček. Dále je známo, že zejména při zahřátí na teplotu nad 130 °C může dojít ke značnému zbarvení následkem rozkladu použitého aminoxidu. Tento rozklad může u některých sloučenin, jako například u N-methylmorfolin-N-oxidu, probíhat dokonce výbušně za mocného vývoje plynů, takže roztoky obsažené v kotli s míchadlem představují vzhledem ke svému množství bezpečnostní riziko.

Při provádění tohoto způsobu ve velkém měřítku by se proto při použití kotlů s míchadlem muselo pracovat s příslušně bezpečnostně zajištěnými vysokotlakými autoklávy, které pro nepřetržitý provoz nepřicházejí z ekonomických důvodů v úvahu. Naproti tomu je v kotli s míchadlem a bez bezpečnostního- zařízení možný jen diskontinuální provoz, což velmi omezuje pružnost tohoto způsobu, protože lze jen obtížně měnit takové parametry, jako je například teplota a množství odpařované vody. K tomu ještě přistupuje, že následkem vysoké viskozity roztoků celulózy se na stěnách kotle s míchadlem zadržuje značné množství zvláknitelné hmoty, což jednak znesnadňuje čištění kotle, jednak zhoršuje hospodárnost provozu.

<s

Cílem vynálezu je, odstranit tyto nevýhody a poskytnout způsob přípravy roztoků celulózy ve vodných terciárních aminoxidech, který je možno provádět nepřetržitě, přičemž tepelné zpracování suspenze má trvat podstatně kratšeji, aby tepelná zátěž celulózy a terciárního aminoxidu byla co nejmenší. Kromě toho se má zabránit bezpečnostnímu riziku, vlastnímu způsobu podle dosavadního stavu techniky. Dalším cílem vynálezu je, poskytnout zařízení k provádění uvedeného způsobu, které nemá nevýhody spojené s kotlem s míchadlem resp. s vysokotlakým autoklávem.

Tento úkol řeší vynález tím, že se suspenze dopravuje přes topnou plochu, rozestřena do vrstvy resp. tenkého filmu, až vznikne homogenní roztok celulózy o viskozitě v rozmezí od 50 do 15.000 Pa.s, přičemž se přivádění suspenze a odvádění vzniklého homogenního roztoku provádí nepřetržitě.

Rozetření suspenze celulózy do vrstvy, resp. tenkého filmu po topné ploše má za následek vznik velkého povrchu kapaliny, který usnadňuje odtahování vody. Zároveň umožňuje rychlé ohřátí suspenze na teplotu potřebnou ke vzniku roztoku. Dopravou přes topnou plochu se dosáhne stálého promíchávání suspenze, které dále urychluje tepelnou a látkovou výměnu.

K úpravě viskozity roztoku, která se měří v relativní soustavě, a k ovlivnění bobtnavosti celulózy v suspenzi je možno přidat k suspenzi ředidlo, jako je například ethanol.

Obzvlášť dobrého promíchání se dosáhne, když vrstva, rozestřená po topné ploše, má tloušťku nanejvýš 20 mm, výhodně 1,5 až 5 mm.

Výhodně se jako terciárního aminoxidu použije N-methylmorfolin-N-oxidu, výhodně ve vodném roztoku s obsahem 40 % hmot. vody.

Výhodné provedení způsobu podle vynálezu se vyznačuje tím, že se suspenze zahřívá při teplotě v rozmezí 50 až 150 °C, výhodně 60 až 100 °C, a vystaví tlaku 0,05 kPa až 0,1 MPa, výhodně 5 kPa až 15 kPa.

Jako obzvláště výhodné se ukázalo, když se suspenze udržuje ve styku s topnou plochou po dobu 1 minuty až 60 minut. Tento časový interval jednak postačuje, aby se získal homogenní roztok, jednak je tak krátký, že se do značné míry zabrání rozkladu terciárního aminoxidu a odbourání celulózy.

Účelné zařízení pro provádění způsobu podle vynálezu, s nepřímo zahřívanou evakuovatelnou nádobou opatřenou míchacím ústrojím, se vyznačuje tím, že tato nádoba je vytvořena jako válcová nádoba se středově uloženým míchacím hřídelem a ňa něm nasazenými míchacími lopatkami, přičemž radiální vzdálenost mezi okrajem lopatek a vnitřní stěnou nádoby je nanejvýš 20 mm a v horní části nádoby je upraven vstup pro suspenzi celulózy a v dolním konci výpust pro homogenní roztok celulózy.

U výhodného provedení zařízení podle vynálezu je na míchacím hřídeli upraven rozdělovači prsténec k rozprostírání suspenze ce3 lulózy do vrstvy, resp. tenkého filmu na vnitřní stěně nádoby.

K řízení dopravy suspenze celulózy podél vnitřní stěny nádoby se ukázalo jako účelné, když míchací lopatky jsou skloněny vůči ose míchacího hřídele o úhel, jehož velikost je možno měnit.

Způsob podle vynálezu, který lze provádět v zařízení podle vynálezu, vykazuje podstatně menší bezpečnostní riziko oproti způsobu podle dosavadního stavu techniky, protože se najednou neohnivá velké množství rozpouštědla, nýbrž vzhledem k rozestření do vrstvy po topné ploše vždy jen poměrně malé množství.

Zařízení podle vynálezu je blíže objasněno na připojených výkresech, kde na obr. 1 je znázorněn částečný podélný řez zařízením podle vynálezu a na obr. 2 je ve zvětšeném měřítku znázorněn řez podél čáry II-II na obr. 1.

Vztahovou značkou 1 je označena vnitřní stěna výhodně stojatého rotačního tělesa, které u znázorněného příkladu provedení je vytvořeno téměř po celé délce jako válcová nádoba 2. Vnitřní stěna 1 je z největší části obklopena topným pláštěm 3 s přípoji 4a 5 pro topnou látku, přičemž přípoj 4 slouží pro přivádění topné látky a přípoj 5 pro její odvádění.

V nádobě 2 je středově upraven míchací hřídel 7, poháněný motorem 6, s na něm nasazenými míchacími lopatkami 8. Míchací lopatky 8, které u znázorněného provedení jsou ploché, jsou upraveny radiálně k ose, přičemž jejich plocha je skloněna v úhlu a k ose 9 míchacího hřídele 7 a velikost úhlu a je s výhodou nastavitelná. Nad míchacími lopatkami 8 je na míchacím hřídeli 7 upraven rozdělovači prsténec 10, který rozprostírá suspenzi celulózy, přiváděnou vstupem 11. do vrstvy na vnitřní stěně 1. Rozdělovači prsténec 10 je tedy upraven ve výši vstupu 11.

Na dolním konci je nádoba 2 kuželovité zúžena s výpustí 12 pro homogenní roztok celulózy. Míchací lopatky 8 mají v celém rozsahu nádoby 2 neměnný radiální odstup 13 od vnitřní stěny 1 nádoby 2, který činí nanejvýš 20 mm.

V horní části nádoby 2, a to nad rovinou rozdělovacího prsténce 10, je upraven otvor 14 pro evakuování nádoby 2 a pro odtahování vodní páry.

Zařízení funguje takto;

Suspenze celulózy se po případném předehřátí přivádí nepřetržitě vstupem 11 do nádoby 2, ve které je snížený tlak, tam je uchopena rozdělovacím prsténcem 10, rozprostřena na vnitřní stěnu 1 a dopravována míchacími lopatkami 8 podél nepřímo zahřívané vnitřní stěny 1, která slouží jako topná plocha, k výpusti 12 na dolním konci nádoby 2. Pro nepřímé zahřívání se hodí teplonosná prostředí, jako jsou voda, olej nebo pára.

Během dopravy suspenze celulózy podél nepřímo zahřívané vnitřní stěny 1 se suspenze ohřívá, přičemž se zároveň následkem sníženého tlaku odpařuje voda, takže se terciární aminoxid stále více koncentruje, až se celulóza rozpustí.

Λ

Na obr. 2 je podrobně patrné, jak se suspenze celulózy v nádobě 2 zpracovává. Znázorněn je míchací hřídel 7 s míchacími lopatkami 8, vnitřní stěna 1 a topný plást 3, přičemž se předpokládá směs otáčení míchacího hřídele 7 ve smyslu otáčení hodinových ručiček, jak je naznačeno šipkou 7'. Rozprostření do vrstvy, resp. tlouštka vrstvy suspenze celulózy, je dána radiálním odstupem 13 míchacích lopatek 8. od zahřívané vnitřní stěny 1. Na míchacích lopatkách se následkem otáčivého pohybu tvoří čelní vlny ze suspenze celulózy, které jsou na obr. 2 schematicky znázorněny. V těchto čelních vlnách - jak je naznačeno na obr. 2 - se částice celulózy převalují, přičemž se tento pohyb přenáší i na vrstvu suspenze rozprostírající se na vnitřní stěně 1. Tím je zajištěno stálé převrstvování jakož i intenzivní promíchávání suspenze, což má podstatný příznivý vliv na tepelnou a látkovou výměnu.

Pro nepřetržité provádění způsobu podle vynálezu má rozhodující význam, že se odpařená vodní pára odtahuje v protiproudu k dopravované suspenzi. Kromě toho je důležité, upravit pro rychlý odtah vodní páry dostatečně velký brýdový. prostor 15, který vznikne tehdy, když poměr délky válcové části nádoby 2 k jejímu průměru má hodnotu v rozmezí 4 až 8.

Vynález umožňuje přípravu roztoků celulózy s obsahem až 30 % hmot. celulózy.

Vynález je blíže objasněn dále uvedenými příklady provedení. Příklad 1

Suspenze předhydrolyzované sulfátové celulózy (polymerační stupeň 1400) ve vodném roztoku N-methylmorfolin-N-oxidu s obsahem vody 40 % hmot. se předehřeje na teplotu 70 °C a nepřetržitě přivádí v množství 90 kg.h“¹ vstupem 11 do zařízení podle vynálezu. Obsah předhydrolyzované sulfátové celulózy v suspenzi se volí tak, že po odpaření nadbytku vody se dosáhne konečné koncentrace celulózy ve výši 10 % hmot.

Míchací hřídel 7 se otáčí rychlostí 450 ot.min”¹, přičemž tlouštka vrstvy rozprostřené po vnitřní stěně 1 činí 15 mm. Nepřímo zahřívaná vnitřní stěna 1 má plochu 0,5 m² a teplonosný olej se přivádí tak, že podle stupně zahřátí· suspenze (vedené v protiproudu k teplonosnému oleji) vzniká průměrný teplotní rozdíl 83 °c. V brýdovém prostoru se ustaví tlak 10 kPa.

Z výpustě 12 se získají 72 kg.h“¹ homogenního roztoku celulózy, což odpovídá době setrvání suspenze v zařízení podle vynálezu v délce 3 minut. Roztok se odvádí odplyněný. Jeho viskozita činí 1500 Pa.s (měřeno v relativní soustavě). Mikroskopickým zkoumáním roztoku se zjistí, že neobsahuje žádné nerozpuštěné částice celulózy.

Vzniklá brýdová pára se odvádí v protiproudu s teplotou 70 °C k následné kondenzaci, přičemž proud destilátu činí 29 kg za hodinu.

Příklad 2

Suspenze mleté předhydrolyzované sulfátové celulózy (o polymeračním stupni přibližně 1400) ve vodném roztoku N-methylmorfolin-N-oxidu s obsahem vody 40 % hmot. se předehřeje na teplotu

8Ό °C a nepřetržitě přivádí v množství 90 kg.h“¹ vstupem 11 do zařízení podle vynálezu. Obsah předhydrolyzované sulfátové celulózy v suspenzi se volí tak, že po odpaření nadbytku vody se dosáhne konečně koncentrace celulózy ve výši 15 % hmot.

Míchací hřídel 7 se otáčí rychlostí 450 ot.min”¹, přičemž tlouštka vrstvy rozprostřené po vnitřní stěně 1 činí 1,5 mm. Kolem nepřímo zahřívané vnitřní stěny 1 o ploše 0,5 m² se vede teplonosný olej tak, že podle stupně zahřátí suspenze (vedené v protiproudu k teplonosnému oleji) se ustaví průměrný teplotní rozdíl 112 °C. V brýdovém prostoru 15 činí tlak 15 kPa.

Z výpustě 12 se odvádí 64 kg.h”¹ homogenního roztoku, který se získává odplyněný. Množství získávaného roztoku za hodinu odpovídá době setrvání 4 minuty.

Roztok se získá v podobě vysoceviskózní hmoty (11.000 Pa.s, měřeno v relativní soustavě), přičemž při mikroskopickém zkoumání roztoku nelze zjistit žádné nerozpuštěné částice celulózy. Roztok se vede přímo do zvlákňovacího stroje, kde se z něho vyrobí celulózová vlákna.

Vznikající brýdová pára se odvádí protiproudně s teplotou °C do následné kondenzace, přičemž proud destilátu činí hodinově 26 kg.

Claims (6)

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Způsob přípravy homogenních roztoků celulózy s viskozitou v rozmezí od 50 do 15.000 Pa.s ve vodných terciárních aminoxidech ze suspenze celulózy ve. vodném roztoku terciárního aminoxidu přiváděním tepla za sníženého tlaku, vyznačující se tím, že se suspenze, zahřáta na teplotu 50 až 150 °C, výhodně 60 až

100 °C, a vystavená tlaku od 0,05 kPa do 100 kPa, výhodně od 5 kPa do 15 kPa, dopravuje přes topnou plochu, rozestřena do vrstvy popřípadě tenkého filmu, přičemž rozestřená vrstva má tlouštku nanejvýše 20 mm, s výhodou 1,5 až 5 mm, a přivádění suspenze a odvádění vzniklého homogenního roztoku se provádí nepřetržitě.

2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že jako terciárního aminoxidu se použije N-methylmorfolin-N-oxidu, výhodně ve vodném roztoku s obsahem 40 % hmot. vody.

3. Způsob podle nároků 1 a 2, vyznačující se dopravy, po kterou je suspenze ve styku s 1 minutu až 60 minut.

tím, že délka doby topnou plochou, je

4. Zařízení k provádění způsobu podle nároků 1 až 3, zahrnující nepřímo zahřívanou evakuovatelnou nádobu opatřenou míchacím ústrojím, vyznačující se tím, že tato nádoba je vytvořena jako válcová nádoba (2) se středově uloženým míchacím hřídelem (7) a na něm nasazenými míchacími lopatkami (8), přičemž radiální vzdálenost mezi okrajem lopatek (8) a vnitřní stěnou (1) nádoby (2) je nanejvýš 20 mm a v horní části nádoby je upraven vstup (11) pro suspenzi celulózy a v dolním konci výpust (12) pro homogenní roztok celulózy.

5. Zařízení podle nároku 4, vyznačující se tím·, že na míchacím hřídeli (7) je upraven rozdělovači prsténec (10) k rozprostírání suspenze celulózy do vrstvy popřípadě tenkého filmu na vnitřní stěně (1) nádoby (2).

6. Zařízení podle nároku 4 nebo 5, vyznačující se tím, že míchací lopatky (8) jsou skloněny vůči ose (9) míchacího hřídele (7) a úhel a, jehož velikost je přestavitelná.