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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern der Aufschlussdauer
eines Sulfitaufschlusses für Hochausbeute-Faserstoffe.
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Der
Aufschluss von lignocellulosischem Rohstoff, z. B. von Nadelholz,
Laubholz oder Einjahrespflanzen erfolgt jeweils unter verschiedenen
Vorgaben hinsichtlich der zu erreichenden Ausbeute, des Gehalts
an Restlignin, des Weißgrades und/oder der Festigkeit der
erzeugten Fasern. In der Regel wird dabei der Einsatz von Sulfit
und ggf. Chinon bezogen auf eine definierte Menge an aufzuschließendem
Rohstoff, das Flottenverhältnis und die Reaktionstemperatur
fest vorgegeben. Der Sulfitaufschluss wird – wie auch andere
Aufschlussverfahren – über die Aufschlussdauer
gesteuert.
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Der
industrielle Aufschluss von lignocellulosischem Rohstoff, z. B.
Holz oder Einjahrespflanzen, wird in Abhängigkeit von Parametern
gesteuert, die vor oder während des Aufschlusses erfasst
werden. Typisch sind z. B. die Erfassung der Reaktionstemperatur,
die Messung des gelösten Lignins, die Erfassung des Rest-SO2 bei sauren Sulfitaufschlüssen,
aber auch die Bestimmung und Einbeziehung einer theoretischen Reaktionsgeschwindigkeit
in die Steuerung der Aufschlussdauer. Beim Kraft-Verfahren werden
beispielsweise Reaktionsdauer, Reaktionstemperatur und eine theoretisch
ermittelte Reaktionsgeschwindigkeit zueinander in Korrelation gesetzt
und zur Steuerung der Aufschlussdauer eingesetzt.
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Diese
Verfahren beruhen jedoch, insbesondere beim Aufschluss mit wässrigen
Sulfitlösungen (Sulfitverfahren), weitgehend auf empirisch
erfassten Daten die nur mittelbar die Reaktionen während
des Aufschlusses wiedergeben.
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Die
Prozesssteuerung kann auch automatisiert und kontinuierlich mittels
FTIR- Spektroskopie erfolgen. Für den Aufschluss von Vollzellstoffen,
bei denen das native Lignin während des Aufschlusses möglichst
weitgehend entfernt wird, liegen hierzu theoretische und praktische
Erfahrungen vor (
Oskar Faix, Hans-Ludwig Schubert, Rudolf
Patt "CONTINUOUS PROCESS CONTROL OF PULPING BY FTIR SPECTROSCOPY"
in Wood and Pulping Chemistry, 1989, S. 1–6).
Diese automatisierten Steuerungs- bzw. Kontrollverfahren basieren
jedoch wesentlich auf der Annahme, dass stark ansteigende Lignin
bzw. Ligninabbauprodukte in der Aufschlusslösung zu erfassen
sind, während gleichzeitig stark sinkende Sulfitkomponenten
erfasst werden können.
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Steuern der Aufschlussdauer
für Hochausbeute-Sulfitverfahren bereitzustellen, mit dem
die Aufschlussdauer möglichst einfach und zuverlässig
bestimmt werden kann.
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Diese
Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Steuern der
Aufschlussdauer bei Hochausbeute-Aufschlüssen von lignocellulosischem
Rohstoff in einer wässrigen Sulfitlösung mit den
Schritten
- – Erfassen der Menge des
aufzuschließenden Rohstoffs,
- – Bestimmen des Sulfitgehalts der Sulfitlösung,
- – Korrelieren der Menge des aufzuschließenden
Rohstoffs und des Sulfitgehalts der Sulfitlösung
- – Beenden des Aufschlusses bei Erreichen einer vorgegebenen
Korrelation zwischen der Menge des aufzuschließenden Rohstoffs
und des Sulfitgehalts der Sulfitlösung.
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Bei
Hochausbeute-Sulfit-Aufschlüssen ist die Sulfit-Komponente
(z. B. Natrium- oder Ammoniumsulfit, Calcium- oder Magnesiumbisulfit)
wesentlich am Abbau des Lignins beteiligt. Der Gehalt an Sulfit
bzw. die Abnahme des Sulfitgehalts in der wässrigen Aufschlusslösung
lässt also einen unmittelbaren Schluss auf die Reaktionsverhältnisse
beim Abbau des Lignins zu, wenn der Gehalt an Sulfit zur Menge des
aufzuschließenden lignocellulosischen Rohstoffs in Beziehung
gesetzt wird. Die Bestimmung des Sulfits kann kurzfristig erfolgen, so
dass durch das erfindungsgemäße Verfahren eine
besonders einfache, zeitnahe und unmittelbare Bestimmung der Aufschlussdauer
erfolgen kann.
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Bei
Hochausbeute-Aufschlüssen soll möglichst wenig
organisches Material, weder Lignin noch Holocellulose, in Lösung
gehen. Umso überraschender zeigten Messungen des Sulfitgehalts
der Sulfitlösung auch bei der Herstellung von Hochausbeute-Faserstoffen,
dass Sulfitgehalt und Menge des aufzuschließenden Rohstoffs
exakt in der Weise korrelieren, dass der Aufschluss bei einem gewünschten
Aufschlussgrad für Hochausbeute-Faserstoffe beendet werden
kann.
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Nach
einer bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens werden weitere Reaktionsparameter mit dem Sulfitgehalt
und der Menge an Rohstoff in Korrelation gesetzt. Insbesondere wird
mindestens einer der Faktoren aus der Gruppe, die Temperatur der
Aufschlusslösung, eine theoretisch ermittelte Reaktionsgeschwindigkeit,
Ligningehalt des lignocellulosischen Rohstoffs umfasst, zum Steuern
der Aufschlussdauer berücksichtigt. Zwar kann das erfindungsgemäße
Verfahren nach Anspruch 1 lediglich unter Einbeziehung des Sulfitgehalts
der Aufschlusslösung und der Menge des aufzuschließenden
Rohstoffs bereits zuverlässige Angaben zur erforderlichen
Aufschlussdauer bereitstellen. Eine weitere Verfeinerung der Genauigkeit kann
jedoch erreicht werden, wenn z. B. für das spezifisch eingesetzte
Sulfit-Aufschlussverfahren eine Reaktionsgeschwindigkeit theoretisch
ermittelt wird, oder wenn der Ligningehalt des eingesetzten Rohstoffs
vorab ermittelt und in die Korrelation einbezogen wird, die zur
Bestimmung der Aufschlussdauer durchgeführt wird.
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Bereits
die einfache Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens liefert einen Hinweis auf die erforderliche Aufschlussdauer
des Sulfitaufschlusses. Es wird jedoch bevorzugt, dass während
eines Aufschlusses das Bestimmen des Sulfitgehalts der Sulfitlösung
und das Korrelieren der Menge des aufzuschließenden Rohstoffs
sowie ggf. weiterer Parameter mehrfach erfolgen. Die Aussagekraft
der mehrfach durchgeführten Korrelation führt
gegenüber der einfachen Messung und Korrelation zu einer
weiter präzisierten Aussage über die Aufschlussdauer.
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Die
Bestimmung des Sulfitgehalts der Aufschlusslösung kann
auf verschiedene Weise, z. B. durch Titration oder durch optische
Messverfahren erfolgen. Nach einer bevorzugten Ausführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Bestimmen
des Sulfitgehalts der Sulfitlösung durch optische Messung.
Die optische Messung kann automatisiert erfolgen, sie hat nur einen
geringen Zeitbedarf und der Aufwand für die Eichung optischer
Messgeräte ist gering.
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Als
besonders geeignet hat sich als optische Messung eine Fourier-Transformations-Infrarot-Messung (FTIR-Messung)
erwiesen. Zur Erfassung des Aufschluss-Grades von Faserstoffen wird
bei der FTIR-Messung die Bandbreite in Kubelka-Munk (K.-M.) erfasst.
Die Messungen erfolgen bei 940 cm–1 für
SO3 2–-Ionen
bzw. für Na2SO3,
bei 1015 cm–1 für HSO3-Ionen und bei 1037 cm–1 sowie
1178 cm–1 für Lignosulfonate.
Die Messungen erfolgen, indem Proben der Aufschlusslösung
genommen und gemessen werden.
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Sulfitaufschlüsse
werden meist bei hohen Temperaturen von über 100°C
durchgeführt. Damit nicht zu hohe Temperaturen der zu messenden
Aufschlusslösung die Messergebnisse verfälschen
bzw. um vergleichbare Messergebnisse zu erhalten, wird nach einer
vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens vor der Messung des Sulfitgehalts die Sulfitlösung
auf eine vorgegebene Temperatur eingestellt.
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Details
der Erfindung werden nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel
erläutert.
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Fichtenholz-Hackschnitzel
werden mit Natriumsulfit aufgeschlossen. Das Flottenverhältnis
beträgt 4:1, der Sulfit-Gehalt der Aufschlusslösung
beträgt 43 Gew.-% Sulfit bezogen auf „otro" Holz. „Otro"
bedeutet Holzmasse nach Trocknung bei 105°C bis zur Gewichtskonstanz. Tab. 1: FTIR-Messung während
eines Fichten-Hochausbeuteaufschlusses
| Zeit
(min.) | K.-M.
(940 cm–1) | Na2SO3-Gehalt in Lauge
(%) |
| 60* | 0,9 | 43 |
| 0** | 0,35 | 21 |
| +60 | 0,15 | 14 |
| +120 | 0,10 | 12 |
- * Beginn der Imprägnierung
- ** Erreichen der maximalen Aufschlusstemperatur
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Die
erste Messung mittels Infrarot-Spektrometer wurde zu Beginn der
Imprägnierung, 60 Minuten vor Erreichen der maximalen Aufschlusstemperatur
von 170°C durchgeführt. Zu diesem Zeitpunkt wurde
der maximale Gehalt an Natriumsulfit in der Aufschlusslösung
erfasst und resultierte in einem Messwert von 0,9 K.-M.. 60 Minuten
später, bei Erreichen der maximalen Aufschlusstemperatur
wurde erneut gemessen. Zu diesem Zeitpunkt konnten in der Aufschlusslösung
noch 21% Natriumsulfit erfasst werden, entsprechend einem Messwert
von 0,35 K.-M.. Zwei weitere Messungen nach 60 Minuten Aufschluss
bei maximaler Temperatur und am Ende der Kochung nach 120 Minuten
bei maximaler Temperatur zeigten ein Gehalt an Natriumsulfit in
der Aufschlusslösung von 14% bzw. 12%, entsprechend Messwerten
von 0,15 K.-M. und 0,10 K.-M..
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Die
hier aufgezeigte Korrelation zwischen dem Gehalt an Sulfitionen
in der Aufschlusslösung und den Messresultaten kann durch
folgende Messungen gleicher Aufschlüsse weiter verfeinert
und optimiert werden, indem Rohstoff- und/oder anlagenbezogene Daten
und Parameter in die Korrelationsgleichung einbezogen werden.
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Für
weitere Aufschlüsse von Fichte können diese Messdaten
als Referenz eingesetzt werden, um den Verlauf eines Aufschlusses
vorherzusagen. So kann z. B. zur Steuerung eines Aufschlusses mit
Fichte festgelegt werden, daß der Aufschluss bei 0,1 K.-M.
beendet wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Oskar Faix,
Hans-Ludwig Schubert, Rudolf Patt "CONTINUOUS PROCESS CONTROL OF
PULPING BY FTIR SPECTROSCOPY" in Wood and Pulping Chemistry, 1989,
S. 1–6 [0005]