EP0874935A1 - Procede de fabrication de pate a papier a partir de plantes lignocellulosiques et pate a papier obtenue - Google Patents

Procede de fabrication de pate a papier a partir de plantes lignocellulosiques et pate a papier obtenue

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EP0874935A1
EP0874935A1 EP97900645A EP97900645A EP0874935A1 EP 0874935 A1 EP0874935 A1 EP 0874935A1 EP 97900645 A EP97900645 A EP 97900645A EP 97900645 A EP97900645 A EP 97900645A EP 0874935 A1 EP0874935 A1 EP 0874935A1
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EP
European Patent Office
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plants
carried out
lignocellulosic
lignocellulosic material
soda
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Didier Cassat
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Emc2 Developpement
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Emc2 Developpement
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    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21C—PRODUCTION OF CELLULOSE BY REMOVING NON-CELLULOSE SUBSTANCES FROM CELLULOSE-CONTAINING MATERIALS; REGENERATION OF PULPING LIQUORS; APPARATUS THEREFOR
    • D21C1/00—Pretreatment of the finely-divided materials before digesting
    • D21C1/06—Pretreatment of the finely-divided materials before digesting with alkaline reacting compounds
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21B—FIBROUS RAW MATERIALS OR THEIR MECHANICAL TREATMENT
    • D21B1/00—Fibrous raw materials or their mechanical treatment
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21B—FIBROUS RAW MATERIALS OR THEIR MECHANICAL TREATMENT
    • D21B1/00—Fibrous raw materials or their mechanical treatment
    • D21B1/04—Fibrous raw materials or their mechanical treatment by dividing raw materials into small particles, e.g. fibres
    • D21B1/12—Fibrous raw materials or their mechanical treatment by dividing raw materials into small particles, e.g. fibres by wet methods, by the use of steam
    • D21B1/30—Defibrating by other means
    • D21B1/36—Explosive disintegration by sudden pressure reduction
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21C—PRODUCTION OF CELLULOSE BY REMOVING NON-CELLULOSE SUBSTANCES FROM CELLULOSE-CONTAINING MATERIALS; REGENERATION OF PULPING LIQUORS; APPARATUS THEREFOR
    • D21C5/00—Other processes for obtaining cellulose, e.g. cooking cotton linters ; Processes characterised by the choice of cellulose-containing starting materials

Definitions

  • the invention relates to a process for manufacturing paper pulp from lignocellulosic raw materials based on annual or perennial plants.
  • annual plant is meant hereinafter any plant having a development period of approximately one year (cotton, hemp, flax, cereal, sugar cane, sorghum, ...); “perennial plants” means plants whose development extends over much longer periods (bamboo, reed, sisal, hardwood or coniferous wood, etc.); the lignocellulosic raw materials targeted by the invention may contain the plants in their entirety, or only parts of these plants (stems, leaves, etc.), or by-products of these plants (straw, bagasse ).
  • Manufacturing costs are increasing from very low quality pasta to good quality pasta, due to increasing losses of materials raw materials, increasing expenditure of energy in mechanical or thermal form, and increasing consumption of the chemicals used.
  • breaking length represents the length of a strip of arbitrary but uniform width, assumed to be suspended by one of its ends, breaking under the effect of its own weight. This break length is calculated by the
  • the present invention proposes to provide a method of manufacturing paper pulp from annual or perennial plants, which leads to good quality pulps (in particular breaking length at least equal to 5500 meters), which uses quantities moderate chemical reagents much lower than those required in chemical processes, and which has a yield of 60 to 70%, much higher than the yield obtaining chemical pulps of similar quality or the yield of the process proposed by MAMERS et al.
  • the invention relates to a process which makes it possible to obtain these performances whatever the nature of the plants used and which is therefore particularly advantageous in the case of annual plants to provide a new outlet for these plants.
  • the process for manufacturing paper pulp according to the invention is characterized in that it combines the following stages: - a lignocellulosic raw material based on annual or perennial plants or residues of these plants is impregnated by means of an aqueous soda solution so that the proportion by weight of soda contained in said lignocellulosic material is substantially between 3.5% and 10% relative to the dry matter and that the weight rate of hydration of said cellulosic material after impregnation is at least equal to approximately 40%,
  • the lignocellulosic material thus impregnated is then subjected to a steam cracking, ensuring in a closed enclosure a rise in pressure and temperature of the lignocellulosic material impregnated by the introduction of saturated steam, by cooking said materials in the enclosure. temperature and pressure thus reached, then by subjecting the materials to a sudden expansion by opening a direct passage valve, associated with said enclosure and provided with a free passage adapted to allow the exit of the materials in the absence of notable mechanical shears, and the solid fraction constituting the paper pulp is separated from the aqueous phase and the water-soluble products.
  • the process of the invention is based on the following surprising observation: when steam cracking of lignocellulosic materials is carried out in the presence of a proportion by weight of soda of between 3.5% and 10% and preferably between 5% and 8%, with a sufficient hydration rate (greater than 40%), we avoid degradation of the lignocellulosic fibers and the paper quality of these is preserved despite the high stresses undergone during the explosion, regardless of the type of plants (annual or perennial). Very resistant pulps of quality corresponding to that of chemical pulps are thus obtained, with a yield much higher than that of chemical processes (yield of the order of 60 to 70% in the experiments carried out).
  • the invention thus makes it possible, compared with traditional chemical or derivative processes, on the one hand to obtain a higher weight of dough compared to the same weight of lignocellulosic raw material, on the other hand to use much lower quantities of products chemical (less than 10% soda); these lower amounts of sodium hydroxide used represent an essential economic advantage in practice since they lead to a considerable reduction in the costs of recycling this product.
  • sodium hydroxide represents an essential advantage compared to other chemical reagents offered such as sulfite, because sodium hydroxide is, by nature, easy to recycle chemically (transformation into sodium carbonate, incineration and caustification lime).
  • the process is particularly interesting for annual plants, because it allows an excellent valorization of products considered today as second category, and this, without presenting the defects of the chemical processes.
  • a prior chopping of the lignocellulosic material is carried out so as to reduce it into fragments of length substantially between 0.5 and 15 centimeters. This increases the specific contact surface of the raw materials with sodium hydroxide and saturated steam.
  • the impregnation is carried out by immersion of duration between 10 and 30 minutes, in an aqueous sodium hydroxide solution of concentration substantially between 5 and 15 g / 1, with a hydrovolume (weight of solution / dry weight of lignocellulosic material) substantially between 8 and 20.
  • This embodiment leads to simple and inexpensive equipment.
  • the impregnation is carried out by spraying on the cellulosic raw material of an aqueous solution of soda of concentration substantially between 10 and 25 g / 1 in an appropriate amount to reach the weight proportion and the rate hydration aforementioned, the lignocellulosic material undergoing kneading during said spraying.
  • Impregnation can be carried out at room temperature. A slight increase in temperature favors this impregnation and, in practice, it is possible to choose an impregnation temperature between 40 ° C and 60 ° C.
  • the steam cracking time (rise in temperature and pressure, cooking, relaxation) is preferably adjusted between approximately 4 and 8 minutes, which allows good defibration without appreciable degradation of the fibers.
  • the impregnated material prior to steam cracking, is preheated to bring it to a temperature between 60 ° and 100 ° C, said preheating being combined with a mechanical homogenization operation.
  • the steam cracking is then carried out under optimal conditions (better productivity).
  • the invention extends to paper pulps made from annual plants by implementing the method defined above; these paper pulps can be characterized by:
  • cellulose between 55% and 80%, hemicelluloses between 12% and 25%, and lignins between 8% and 12%.
  • the breaking length is measured according to standard NFQ 03002, the KAPPA index according to standard NFT 12-018 and the CMT index according to standard NFQ 03044.
  • FIG. 1 is a schematic view of the installation
  • FIG. 2 is a section of the outlet of the reactor provided with the outlet valve with direct passage.
  • the lignocellulosic raw material is firstly rid of undesirable foreign elements (dust, sand, earth, leaves %) by traditional methods. It is then chopped into strands of 0.5 to
  • the impregnation step is carried out by total immersion of the raw material in an aqueous sodium hydroxide solution at a temperature of 40 ° C.
  • the fixed sodium hydroxide rate and the hydration rate are adjusted by adjusting the following parameters: concentration of soda solution, soaking time, stirring mode and of drainage (the drainage being carried out by presses with
  • the impregnated raw material is then introduced into a mixer / preheater as symbolized in 1 in the figure of the drawings.
  • the material is heated to a temperature of around 90 ° C by admission of steam at 3 bars; the duration of stay of the material is 10 minutes.
  • the impregnated, homogenized and preheated material is then introduced into a steam cracking reactor 2.
  • the first phase of steam cracking consists of pressurizing saturated steam in the reactor and raising the temperature of the materials. This phase is short-lived (around 1 to 2 minutes) thanks to the use of a boiler with a high steam flow rate.
  • the next phase of steam cracking is carried out; it consists of isothermal and isobaric cooking of the materials. Maintaining pressure and temperature is achieved through a control loop 3 which supplies the reactor with steam as the reactor vapor condenses.
  • the last phase is the sudden expansion phase and is operated by abruptly opening a purge valve 4 with direct passage located at the foot of the reactor.
  • this valve is a knife gate valve which, when open, completely releases the outlet of the reactor and ensures continuity of passage of the material, without any obstacle.
  • the pressurized water condensed in the plant turns into vapor and releases the energy necessary for the defibration of the plant material.
  • the material is expelled through the direct passage valve without significant shear stresses.
  • a cyclone 5 makes it possible to separate and recover the aqueous and solid phase (outlet 6) from the gaseous phase generated during the explosion (exit 7).
  • the KAPPA index of the examples varied between 62 and 65, the average index being 64.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
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Description

PROCEDE DE FABRICATION DE PATE A PAPIER A PARTIR DE PLANTES LIGNOCELLULOSIQUES ET PATE A PAPIER OBTENUE
L'invention concerne un procédé de fabrication de pâte à papier à partir de matières premières lignocellulosigues à base de plantes annuelles ou pérennes. Par "plante annuelle", on entend dans la suite toute plante ayant une durée de développement d'environ une année (coton, chanvre, lin, céréale, canne à sucre, sorgho, ...) ; par "plantes pérennes", on entend des plantes dont le développement s'étend sur des périodes beaucoup plus longues (bambou, roseau, sisal, bois feuillus ou résineux, ... ) ; les matières premières lignocellulosiques visées par l'invention peuvent contenir les plantes dans leur totalité, ou des parties seulement de ces plantes (tiges, feuilles, etc...), ou des coproduits de ces plantes (paille, bagasse...).
On sait qu'il existe à l'heure actuelle essentiellement quatre types de pâtes à papier obtenues a partir de plantes pérennes ou annuelles :
- pâtes de très basse qualité obtenues avec des rendements supérieurs à 90 % : pâtes mécaniques, thermomécaniques et chimicothermomécaniques,
- pâtes de basse qualité obtenues avec des rendements compris entre 80 et 90 % : pâtes chimicomécaniques ou mécanochimiques,
- pâtes de qualité moyenne obtenues avec des rendements compris entre 70 et 80 % : pâtes mi- chimiques, - pâtes de bonne qualité obtenues avec des rendements compris entre 45 et 55 % : pâtes chimiques.
(Par "rendement", on entend de façon habituelle dans le domaine des pâtes à papier, la proportion pondérale de pâte obtenue rapportée au poids initial de matière végétale).
Les coûts de fabrication vont en croissant depuis les pâtes de très basse qualité jusqu'aux pâtes de bonne qualité, en raison des pertes croissantes de matières premières, des dépenses croissantes d'énergie sous forme mécanique ou thermique, et de la consommation croissante des produits chimiques utilisés.
Dans le cas des pâtes à papier fabriquées à partir de plantes annuelles, seules les pâtes chimiques obtenues avec de faibles rendements (inférieurs à 55 %) présentent de hautes résistances mécaniques correspondant à des longueurs de rupture supérieures ou égales de 5 500 a 6 000 mètres ; dans le cas de pâtes fabriquées à partir de plantes pérennes, certaines pâtes mi-chimiques peuvent atteindre ces valeurs de résistances. On sait que la longueur de rupture représente la longueur d'une bande de largeur quelconque mais uniforme, supposée suspendue par une de ses extrémités, se rompant sous l'effet de son propre poids. Cette longueur de rupture se calcule par la
106.RT formule où :
15g.G
- Rrp est la résistance a la rupture par traction exprimée en newtons par mètre (norme NFQ 03002),
- G est le grammage de la pâte (masse par m2) et,
- g est l'accélération de la pesanteur (9,8 m/s/s).
Il existe par ailleurs des procédés de traitement de plantes en vue de fabriquer à partir de celles-ci des composants d'aliments pour le bétail. Un de ces procédés, dit de vapocraquage, consiste à soumettre la matière première lignocellulosique à une pression et une température élevées (de l'ordre de 20 à 30 bars et de 210° C à 240° C) puis à lui faire subir une brusque décompression en vue de déstructurer le végétal par cette détente explosive et ainsi d'améliorer sa digestibilité. De par sa nature même, un tel procédé conduit à une dégradation importante des matières lignocellulosiques, c'est-à-dire à une rupture importante des fibres due à la brusque détente et une hydrolyse intense des constituants hémicellulosiques et cellulosiques de la matière végétale.
Ce procédé de vapocraquage a été proposé pour réaliser des pâtes à papier de très basse ou de basse qualité essentiellement à partir du bois ; les unités expérimentales réalisées permettent de fabriquer ce type de pâtes avec des rendements supérieurs à 80 %. Dans certaines unités, le vapocraquage est combiné à un traitement au sulfite de sodium Na2Sθ3 et également parfois à la soude avec des teneurs en soude faibles, inférieures ou égales à 2 % (proportion pondérale de soude rapportée à la matière sèche lignocellulosique) . Il convient de souligner que le procédé de vapocraquage, qui impose des contraintes mécaniques très élevées à la matière lignocellulosique, réalisant une rupture importante des fibres, paraît a priori incompatible avec l'obtention de pâtes de bonne qualité ayant des longueurs de rupture supérieures ou égales à 5 500 mètres, car l'obtention d'une telle qualité exige que les fibres soient préservées. Ainsi, toutes les propositions d'utilisation du vapocraquage pour réaliser des pâtes à papier se cantonnent à la fabrication de pâtes de très basse ou basse qualité du type purement mécanique ou chimicomécanique.
Il faut noter par exception aux observations ci-dessus que deux études ont été menées sur les possibilités d'obtenir une pâte de bonne qualité en utilisant le procédé de vapocraquage : "B.V. KOKTA et al., Cellulose Chem. Technol, 26, 107-123 (1992)" et brevet US-A-4.798.651 , d'une part ; "H. MAMERS et al., TAPPI JOURNAL, Vol. 64 n° 7, 93-96 (juillet 1981)", d'autre part.
La première étude (KOKTA) paraît montrer que l'obtention de pâte de bonne qualité par vapocraquage est possible mais en utilisant une forte proportion de sulfite de sodium (16 %), de sorte que ce procédé est soumis aux défauts des procédés chimiques : grande quantité de produits chimiques utilisés rendant onéreux leur recyclage (au surplus, on sait que le sulfite de sodium pose des problèmes de recyclage particulièrement difficiles à résoudre). Il est à noter que le brevet US-4.798.651 (KOKTA) évoque également l'utilisation d'agents gonflants ("swelling agents") mais ces agents gonflants sont utilisés uniquement pour l'opération ultérieure de blanchiment et non lors du vapocraquage comme le montrent les exemples décrits dans ce brevet.
L'autre étude (MAMERS) décrit un procédé dans lequel le vapocraquage est réalisé en forçant la matière à passer à travers un faisceau de buses de décharge ("discharge nozzle arrangements") gui soumet ladite matière à un cisaillement mécanique très puissant lorsqu'elle est expulsée du réacteur par l'explosion. Dans ces conditions, les fibres lignocellulosiques sont fortement dégradées et une partie de la matière est fragmentée en fines et est perdue : c'est ce qui explique, en partie, que le rendement du procédé décrit dans cet article est faible (entre (33,6 % et 52,5 %) jusqu'à être inférieur au rendement des procédés chimiques comme cela est indiqué au point 4 des conclusions de cet article. Il est à noter que cet article indique que l'explosion est effectuée en présence de soude dont la fonction n'est pas précisée.
A l'heure actuelle, les seuls procédés effectivement mis en oeuvre sur le plan industriel pour obtenir des pâtes de bonne qualité à partir de plantes annuelles (longueurs de rupture supérieures ou égales à 5 500 mètres) sont les procédés chimiques, traditionnels ou dérivés, qui utilisent des proportions très élevées de produits chimiques (en particulier 14 à 18 % de soude pour les procédés chimiques traditionnels) et qui présentent de faibles rendements compris entre 45 % et 55 %. En ce qui concerne les plantes pérennes, certains procédés mi- chimiques permettent d'atteindre ces valeurs mais uniquement avec certains bois (résineux), les performances étant beaucoup plus faibles avec d'autres bois ou avec les plantes annuelles.
La présente invention se propose de fournir un procédé de fabrication de pâte à papier à partir de plantes annuelles ou pérennes, qui conduise à des pâtes de bonne qualité (en particulier longueur de rupture au moins égale à 5 500 mètres), qui utilise des quantités de réactifs chimiques modérées très inférieures à celles nécessaires dans les procédés chimiques, et qui bénéficie d'un rendement de 60 à 70 %, très supérieur au rendement d'obtention des pâtes chimiques de qualité analogue ou au rendement du procédé proposé par MAMERS et al. L'invention vise un procédé qui permette d'obtenir ces performances quelle que soit la nature des plantes utilisées et qui est donc particulièrement intéressant dans le cas de plantes annuelles pour fournir un nouveau débouché à ces plantes.
A cet effet, le procédé de fabrication de pâte à papier conforme à l'invention se caractérise en ce qu'il combine les étapes suivantes : - on imprègne une matière première lignocellulosique à base de plantes annuelles, ou pérennes ou de résidus de ces plantes au moyen d'une solution aqueuse de soude de façon que la proportion pondérale de soude contenue dans ladite matière lignocellulosique soit sensiblement comprise entre 3,5 % et 10 % rapportée à la matière sèche et que le taux pondéral d'hydratation de ladite matière cellulosique après imprégnation soit au moins égal à sensiblement 40 %,
- on soumet ensuite la matière lignocellulosique ainsi imprégnée à un vapocraquage, en assurant en enceinte fermée une montée en pression et en température de la matière lignocellulosique imprégnée par introduction d'une vapeur saturée, en réalisant une cuisson desdites matières dans l'enceinte à la température et à la pression ainsi atteintes, puis en soumettant les matières à une détente brusque par ouverture d'une vanne à passage direct, associée à ladite enceinte et pourvue d'un passage libre adapté pour permettre la sortie des matières en l'absence de cisaillements mécaniques notables, - et on sépare la fraction solide constituant la pâte à papier, de la phase aqueuse et des produits hydrosolubles.
Le procédé de l'invention est issu de la constatation surprenante suivante : lorsqu'on réalise un vapocraquage de matières lignocellulosiques en présence d'une proportion pondérale de soude comprise entre 3,5 % et 10 % et préférentiellement entre 5 % et 8 %, avec un taux d'hydratation suffisant (supérieur à 40 %), on évite une dégradation des fibres lignocellulosiques et on préserve la qualité papetière de celles-ci malgré les contraintes élevées subies lors de l'explosion, et ce, quel que soit le type de plantes (annuelles ou pérennes). On obtient ainsi des pâtes très résistantes de qualité correspondant à celle des pâtes chimiques, avec un rendement très supérieur à celui des procédés chimiques (rendement de l'ordre de 60 à 70 % dans les expérimentations effectuées). L'invention permet ainsi, par rapport aux procédés chimiques traditionnels ou dérivés, d'une part d'obtenir un poids de pâte supérieur rapporté au même poids de matière première lignocellulosique, d'autre part d'utiliser des quantités beaucoup plus faibles de produits chimiques (moins de 10 % de soude) ; ces quantités moindres de soude utilisées représentent un avantage économique essentiel en pratique puisqu'elles conduisent à une réduction considérable des coûts de recyclage de ce produit. Il faut souligner que l'utilisation de la soude représente un avantage essentiel par rapport à d'autres réactifs chimiques proposés tel que le sulfite, car la soude est, par nature, facile à recycler chimiquement (transformation en carbonate de sodium, incinération et caustification à la chaux).
Les mécanismes par lesquels la soude, en quantité appropriée, vient se combiner au vapocraquage pour réaliser le défibrage tout en préservant la qualité papetière des fibres sont difficiles à expliquer ; les hypothèses suivantes peuvent toutefois être avancées :
1 ) Une partie de la soude introduite dans les proportions visées réagit avec les acides organiques libérés par hydrolyse des constituants les plus fragiles de la matière sous l'effet de la température. La soude et les acides libérés se neutralisent et le milieu de cuisson reste légèrement basique grâce à la soude n'ayant pas réagi. Le phénomène d1 autohydrolyse dans ces conditions de pH basique est inhibé, ce qui se traduit par une augmentation de rendement en pâte et une préservation des fibres de cellulose qui ne sont pas attaquées. 2) La quantité de soude restante (soude n'ayant pas réagi avec les acides organiques) permet quant à elle une légère solubilisation des hémicelluloses et des lignines qui constituent le liant essentiel entre les fibres de sorte que la matière première imprégnée qui est soumise au vapocraquage présente une élasticité très supérieure à son élasticité d'origine et supporte mieux la brusque détente ; dans ces conditions, cette détente est apte à réaliser une libération des fibres (le taux d'hydratation prévu autorisant cette libération) tout en limitant les ruptures dégradantes de ces dernières. Au contraire, dans les procédés de vapocraquage connus, mis en oeuvre en l'absence de soude ou avec des proportions inférieures ou égales à 2 % (généralement comprises entre 0,5 % et 1 %), la matière première très structurée bénéficie d'une élasticité moindre et subit l'explosion dans des conditions très dommageables pour les fibres.
Il convient de souligner qu'il est essentiel que les fibres lignocellulosiques ne subissent pas de contraintes mécaniques notables après explosion à la sortie de l'enceinte, car de telles contraintes rendraient inopérant le rôle de protection de la soude qui a été explicité plus haut, et conduiraient à une fragmentation des cellules de la matière lignocellulosique, ce que cherche précisément à éviter le procédé de l'invention ; ainsi, le procédé proposé par MAMERS et al. recherche des effets diamétralement opposés à ceux de l'invention (comme cela est indiqué au point 3 des conclusions de l'article du TAPPI JOURNAL : fragmentation des cellules et des fibres). Le procédé de l'invention peut être mis en oeuvre à partir de plantes, parties de plantes ou mélanges de plantes du groupe suivant :
- plantes annuelles (coton, chanvre, lin... ), - pailles de céréales (blé, orge, seigle, avoine, triticale, riz...),
- plantes pérennes (bambou, roseau, sisal, feuillu, résineux ...), - résidus agricoles (bagasse de canne à sucre, bagasse de sorgho sucrier...).
Le procédé est particulièrement intéressant pour les plantes annuelles, car il permet une excellente valorisation de produits considérés aujourd'hui comme de seconde catégorie, et ce, sans présenter les défauts des procédés chimiques.
De préférence, on réalise un hachage préalable de la matière lignocellulosique de façon à la réduire en fragments de longueur sensiblement comprise entre 0,5 et 15 centimètres. On augmente ainsi la surface spécifique de contact des matières premières avec la soude et la vapeur saturée.
Il semble que l'on obtienne une qualité de pâtes maximale et une amélioration optimale du rendement en ajustant les paramètres de la façon suivante :
- proportion pondérale de soude sensiblement comprise entre 5 % et 8 %,
- taux d'hydratation sensiblement compris entre 60 % et 85 %.
Selon un premier mode de mise en oeuvre, l'imprégnation est réalisée par immersion de durée comprise entre 10 et 30 minutes, dans une solution aqueuse de soude de concentration sensiblement comprise entre 5 et 15 g/1, avec un hydrovolume (poids de solution/poids sec de matière lignocellulosique) sensiblement compris entre 8 et 20. Ce mode de mise en oeuvre conduit à des équipements simples et peu onéreux.
Selon un autre mode de mise en oeuvre, l'imprégnation est réalisée par pulvérisation sur la matière première cellulosique d'une solution aqueuse de soude de concentration sensiblement comprise entre 10 et 25 g/1 en quantité appropriée pour atteindre la proportion pondérale et le taux d'hydratation précités, la matière lignocellulosique subissant un malaxage au cours de ladite pulvérisation.
L'imprégnation peut être réalisée à température ambiante. Une légère augmentation de température favorise cette imprégnation et, en pratique, il est possible de choisir une température d'imprégnation comprise entre 40° C et 60° C.
Les conditions générales de mise en oeuvre du vapocraquage sont en elles-mêmes connues : celui-ci est avantageusement effectué en assurant en enceinte fermée une montée en pression et en température de la matière lignocellulosique imprégnée, par introduction d'une vapeur saturée à une pression sensiblement comprise entre 12 et 22 bars (12.105 et 22.105 pascals), et à une température sensiblement comprise entre 140 °C et 230 °C, puis après un temps de cuisson, en décompressant le milieu pour le ramener à la pression atmosphérique en moins de 4 secondes, ceci étant effectué, comme déjà indiqué, à travers une vanne à passage direct de nature a limiter les contraintes subies par les fibres lignocellulosiques à la sortie de l'enceinte.
Le temps de vapocraquage (montée en température et en pression, cuisson, détente) est de préférence ajusté entre sensiblement 4 et 8 minutes, ce qui permet un bon défibrage sans dégradation sensible des fibres.
Selon un mode de mise en oeuvre préféré, préalablement au vapocraquage, on réalise un préchauffage de la matière imprégnée pour l'amener à une température comprise entre 60° et 100° C, ledit préchauffage étant combiné à une opération d'homogénéisation mécanique. Le vapocraquage s'effectue ensuite dans des conditions optimales (meilleure productivité). L'invention s'étend aux pâtes à papier fabriquées à partir de plantes annuelles par mise en oeuvre du procédé défini précédemment ; ces pâtes à papier peuvent être caractérisées par :
- une longueur de rupture sensiblement comprise entre 5 500 m et 9 000 m,
- un indice KAPPA sensiblement compris entre 60 et 65,
- un indice CMT (Concora Médium Test) sensiblement compris entre 1,5 et 2,5 N.m2/g,
- et une répartition pondérale suivante de la cellulose, des hémicelluloses et des lignines : cellulose entre 55 % et 80 %, hémicelluloses entre 12 % et 25 %, et lignines entre 8 % et 12 %.
La longueur de rupture est mesurée selon la norme NFQ 03002, l'indice KAPPA selon la norme NFT 12-018 et l'indice CMT selon la norme NFQ 03044.
De telles pâtes à papier n'ont jamais été obtenues jusqu'à présent : elles se caractérisent par de très bonnes propriétés mécaniques, associées à un taux de lignine très élevé. Dans les pâtes connues, de bonnes propriétés mécaniques sont toujours associées à un faible taux de lignine (indice KAPPA de l'ordre de 30), ce qui traduit un faible rendement lors de l'obtention des pâtes (perte de lignine).
Le procédé de l'invention est illustré par les exemples qui suivent, pour lesquels le vapocraquage a été mis en oeuvre dans une installation de type de celle représentée en coupe schématique aux figures 1 et 2 des dessins ; sur ces dessins :
- la figure 1 est une vue schématique de 1 ' installation,
- la figure 2 est une coupe de la sortie du réacteur pourvu de la vanne de sortie à passage direct.
Le protocole mis en oeuvre dans les exemples est le suivant :
La matière première lignocellulosique est d'abord débarrassée des éléments étrangers indésirables (poussière, sable, terre, feuilles...) par des procédés traditionnels. Elle est ensuite hachée en brins de 0,5 à
15 cm au moyen d'une ensileuse 12 couteaux.
L'étape d'imprégnation est effectuée par immersion totale de la matière première dans une solution aqueuse de soude à une température de 40° C. Le taux de soude fixé et le taux d'hydratation sont ajustés par réglage des paramètres suivants : concentration de la solution en soude, durée du trempage, mode d'agitation et d'égouttage (l'égouttage étant réalisé par des presses à
La matière première imprégnée est ensuite introduite dans un mélangeur/préchauffeur tel que symbolisé en 1 à la figure des dessins. Dans ce dispositif, la matière est chauffée à une température d'environ 90° C par admission de vapeur à 3 bars ; la durée de séjour de la matière est de 10 minutes.
La matière imprégnée, homogénéisée et préchauffée est ensuite introduite dans un réacteur de vapocraquage 2.
La première phase du vapocraquage consiste en une mise en pression de vapeur saturée du réacteur et une montée en température des matières. Cette phase est de courte durée (de l'ordre de 1 à 2 minutes) grâce à l'utilisation d'une chaudière à fort débit de vapeur.
Lorsque la pression désirée est atteinte, la phase suivante du vapocraquage est réalisée ; elle consiste en une cuisson isotherme et isobare des matières. Le maintien en pression et en température est réalisé grâce à une boucle de régulation 3 qui alimente le réacteur en vapeur au fur et à mesure que la vapeur du réacteur se condense.
La dernière phase est la phase de détente brusque et est opérée en ouvrant brusquement une vanne de purge 4 à passage direct située au pied du réacteur. En l'exemple, cette vanne est une vanne à guillotine qui, lorsqu'elle est ouverte, dégage entièrement la sortie du réacteur et assure une continuité de passage de la matière, sans aucun obstacle. Sous l'effet de la brusque détente, l'eau sous pression condensée dans le végétal se transforme en vapeur et libère l'énergie nécessaire au défibrage de la matière végétale. La matière est expulsée à travers la vanne à passage direct sans contraintes de cisaillement notables.
Après l'opération de vapocraquage, un cyclone 5 permet de séparer et de récupérer la phase aqueuse et solide (sortie 6) de la phase gazeuse générée lors de l'explosion (sortie 7).
5 exemples ont été mis en oeuvre avec des pailles de céréales, respectivement blé (exemple 1), triticale (exemple 2), seigle (exemple 3), avoine (exemple 4), orge de printemps (exemple 5).
Les caractéristiques mécaniques papetières obtenues ont été mesurées après mise en forme des pâtes selon les normes suivantes :
- Grammage : NF Q 03 019 - Epaisseur : NF Q 03016
- Résistance à la traction et allongement : NF Q 03 002
- Résistance au déchirement : NF Q 03 011
- Résistance à l'éclatement : NF Q 03 053 - Résistance à la compression à plat ou
CMT : NF Q 03 044
- Ring Crush Test ou RCT : TAPPI T822 om 87 Les tableaux ci-après résument les conditions opératoires et les résultats obtenus.
L'analyse des constituants de la pâte obtenue à l'exemple 1 a donné les résultats suivants (répartition pondérale) :
- cellulose : 58,4 %
- hémicelluloses : 17,3 %
- lignines : 10,5 %
L'indice KAPPA des exemples a varié entre 62 et 65, l'indice moyen étant 64.

Claims

REVENDICATIONS 1 / - Procédé de fabrication de pâte à papier, caractérisé en ce qu'il combine les étapes suivantes : - on imprègne une matière première lignocellulosique à base de plantes annuelles, ou pérennes ou de résidus de ces plantes au moyen d'une solution aqueuse de soude de façon que la proportion pondérale de soude contenue dans ladite matière lignocellulosique soit sensiblement comprise entre 3,5 % et 10 % rapportée à la matière sèche et que le taux pondéral d'hydratation de ladite matière cellulosique après imprégnation soit au moins égal à sensiblement 40 %, - on soumet ensuite la matière lignocellulosique ainsi imprégnée à un vapocraquage, en assurant en enceinte fermée une montée en pression et en température de la matière lignocellulosique imprégnée par introduction d'une vapeur saturée, en réalisant une cuisson desdites matières dans l'enceinte à la température et à la pression ainsi atteintes, puis en soumettant les matières à une détente brusque par ouverture d'une vanne à passage direct, associée à ladite enceinte et pourvue d'un passage libre adapté pour permettre la sortie des matières en l'absence de cisaillements mécaniques notables, - et on sépare la fraction solide constituant la pâte à papier, de la phase aqueuse et des produits hydrosolubles. 2/ - Procédé selon la revendication 1 , dans lequel on réalise un hachage préalable de la matière lignocellulosique de façon à la réduire en fragments de longueur sensiblement comprise entre 0,5 et 15 centimètres. 3/ - Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel l'imprégnation est réalisée de façon que la proportion pondérale de soude dans la matière lignocellulosique soit sensiblement comprise entre 5 % et 8 % et son taux d'hydratation sensiblement compris entre 60 % et 85 %. 4/ - Procédé selon l'une des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que l'imprégnation est réalisée par immersion de durée comprise entre 10 et 30 minutes, en utilisant une solution aqueuse de soude de concentration sensiblement comprise entre 5 et 15 g/1, avec un hydrovolume (poids de solution/poids sec de matière lignocellulosique) sensiblement compris entre 8 et 20. 5/ - Procédé selon l'une des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que l'imprégnation est réalisée par pulvérisation sur la matière première cellulosique d'une solution aqueuse de soude de concentration sensiblement comprise entre 10 et 25 g/1 en quantité appropriée pour atteindre la proportion pondérale et le taux d'hydratation précités, la matière lignocellulosique subissant un malaxage au cours de ladite pulvérisation. 6/ - Procédé selon l'une des revendications 1, 2, 3, 4, 5, caractérisé en ce qu'on effectue l'imprégnation au moyen d'une solution aqueuse de soude à une température comprise entre 40° C et 60° C. 7/ - Procédé selon l'une des revendications 1, 2, 3, 4, 5 ou 6, dans lequel le vapocraquage est effectué en assurant en enceinte fermée une montée en pression et en température de la matière lignocellulosique imprégnée par introduction d'une vapeur saturée à une pression sensiblement comprise entre 12 et 22 bars (12.10^ et 22.105 pascals), et à une température sensiblement comprise entre 140 °C et 230 °C, puis après le temps de cuisson, en décompressant le milieu pour le ramener sensiblement à la pression atmosphérique en moins de 4 secondes à travers la vanne à passage direct. 8/ - Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le vapocraquage de la matière lignocellulosique imprégnée (montée en température et en pression, cuisson, détente) est réalisé en un temps sensiblement compris entre 4 et 8 minutes. 9/ - Procédé selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que, préalablement au vapocraquage, on réalise un préchauffage de la matière imprégnée pour l'amener à une température comprise entre 60° et 100° C, ledit préchauffage étant combiné à une opération d'homogénéisation mécanique. 10/ - Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel on utilise comme matière première lignocellulosique des plantes, partie de plantes ou mélanges de plantes du groupe suivant : - plantes annuelles (coton, chanvre, lin... ) , - pailles de céréales (blé, orge, seigle, avoine, triticale, riz...), - plantes pérennes (bambou, roseau, sisal, feuillu, résineux ...), - résidus agricoles (bagasse de canne à sucre, bagasse de sorgho sucrier... ). 11/ - Pâte à papier fabriquée à partir de plantes annuelles par mise en oeuvre du procédé conforme à l'une des revendications 1 à 10 présentant une longueur de rupture sensiblement comprise entre 5 500 m et 9 000 m, caractérisée par :
(1) un indice KAPPA sensiblement compris entre 60 et 65,
(2) un indice CMT (Concora Médium Test) sensiblement compris entre 1,5 et 2,5 N.m^/g, (3) la répartition pondérale suivante : cellulose entre 55 % et 80 %, hémicelluloses entre 12 % et 25 %, et lignines entre 8 % et 12 %.
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