FI69494B - Foerfarande foer reglering av tillfoerseln av reaktionskemikalier vid delignifiering av cellulosamaterial - Google Patents

Description

I «^71 ΓΒι KUULUTUSjULKA.SU 694 9 4

JvImP '' UTLÄGGNINGSSKRIFT

c (45) Patentti r.:y3nn-tty

Patent KO -I '-lit 10 CC 1000 (51) Kv.lk.4/lnt.CI.4 D 21 C 9/10 SUOMI —FINLAND (21) Patenttihakemus — Patentansöknlng 781272 (22) Hakemispäivä — Ansöknlngjdag 24 Ob 78 (*=») (23) Alkupäivä — Giltighetsdag 24 04.78 (41) Tullut julkiseksi — Blivit offentlig ^2 | 1 η g

Patentti- ja rekisterihallitus /44) Nähtäväksipanon ja kuul.julkaisun pvm.— - .. n.

Patent-och registerstyrelsen ' ’ Ansökan utlagd och utl.skriften publicerad 3i.lU.0p (32)(33)(31) Pyydetty etuoikeus — Begärd prioritet 11 .05-77

Ruotsi-Sverige(SE) 7705513-5 (71) Mo och Domsjö Aktiebolag, Fack, 891 01 örnsköldsvik, Ruotsi-Sverige(SE) (72) John Rickard Bergström, Domsjö, Sten Lage Häggström, överhörnäs,

Ruots i-Sverige(SE) (7*0 Berggren Oy Ab (5*0 Menetelmä reaktiokemikaalien syötön säätämiseksi ligniiniä selluloosa-materiaalista poistettaessa - Förfarande för regiering av tillförseln av reaktionskemikalier vid delignifiering av cellulosamaterial

Esillä oleva keksintö koskee menetelmää reaktiokemikaalien säätämiseksi poistettaessa ligniiniä ligniinipitoisesta selluloosamateriaa-lista, kuten puusta tai massasta, selluloosateollisuudessa. Keksintö koskee erikoisesti sellaisia säätömenetelmiä, joissa ligniinipi-toiseen selluloosamateriaaliin lisätään reaktiokemikaaleja ja se johdetaan käsittelyvaiheeseen, jossa reaktiokemikaalit kuluvat kokonaan tai osaksi sekä kemikaalilisäys säädetään ottaen huomioon ti-lavuusvirtaus käsittelyvaiheeseen, kemikaalivirtaus käsittelyvaiheeseen, reaktiolämpötila käsittelyvaiheessa, ja reaktion aikana ja/tai jälkeen mitattu reaktiokemikaalipitoisuus.

Sanontatavalla "selluloosamassa" ymmärretään tässä yhteydessä kaikkia ligniinipitoisen selluloosamateriaalin (lignoselluloosamateriaalin) muotoja, kuten puuta, lastuja, kemiallista massaa ja suursaanto-massaa, kuten mekaanista massaa, termomekaanista massaa, kemiallis-mekaanista massaa jne. Sanontatavalla "massasuspensio" ymmärretään sellaisia massoja, jotka on lietetty vesisuspension muodossa. Edelleen käsittää sanonta "ligniininpoisto" kaikki sellaiset kemialliset käsittelyt, joiden tarkoituksena on poistaa ligniini tällaisista 69494 selluloosamassoista, so. liuennus, ligniinin poisto erilaisiin lig-niininpoistoasteisiin ja valkaisu.

"Ligniininpoistovaiheella" ymmärretään keksinnön mukaisesti kaikkea lignoselluloosamateriaalin käsittelyä, jonka tarkoituksena on aikaansaada liuennus (keitto), ligniininpoisto ja/tai valkaisu, jolloin on suoritettu kemikaalilisäys, ja nämä saavat reagoida selluloo-samateriaalin kanssa niin, että kemikaalit kuluvat. Keksintö ei ole kuitenkaan rajoitettu mainittuihin esimerkkeihin ja tällaisten käsittelyvaiheiden yhdistelmiin vaan sillä on yleinen merkitys.

Poistettaessa ligniini erilaisissa muodoissa olevasta puusta ymmärretään kemiallisten massojen valmistuksella ligniiniaineen poistoa selluloosamateriaalista mahdollisimman varovaisesti niin,että aikaansaadaan mahdollisimman homogeeninen tuote. Sellaisia menetelmiä, joita käytetään tässä yhteydessä, ovat esimerkiksi sulfiitti-, sulfaatti- ja happikaasuligniininpoistomenetelmät, mutta myös muita kä-sittelytyyppejä esiintyy. Kysymyksen ollessa mekaanisista massoista, kuten hiokkeista, jauhetuista massoista ja lämpömekaanisista massoista, pyritään säilyttämään mahdollisimman suuri ligniinipitoisuus massassa, mutta samanaikaisesti aikaansaamaan suuri valkoisuus. Poistettaessa ligniini kemiallisista selluloosamassoista on tarkoituksena useimmissa tapauksissa poistaa ligniinijäännökset, jotka eivät liuenneet puun ensimmäisen kemikaalikäsittelyn aikana sulfiitti-, sulfaatti-, happikaasu- tai muita keittomenetelmiä käytettäessä. Ligniinin poiston lisäksi on tarkoituksena sitä paitsi korottaa massan valkoisuutta. Tämä aikaansaadaan tehdasmittakaavaisissa massanvalkaisumenetelmissä käsittelemällä vaiheittaisesti reaktio-kemikaaleilla, kuten kloorilla, klooridioksidilla, hypokloriitilla, peroksideilla, natriumhydroksidilla, natriumkarbonaatilla, natrium-vetykarbonaatilla ja happikaasulla. Mekaanista selluloosamassaa valkaistaessa on tarkoituksena, kuten edellä mainittiin, useimmissa tapauksissa nostaa valkoisuutta pysyttämällä samalla ligniini massassa. Tehdasmittakaavaisissa valkaisumenetelmissä käytetään reak-tiokemikaalityyppeinä epäorgaanisia ja orgaanisia peroksideja ja ditioniittiä.

Poistettaessa ligniiniä puusta kemiallisen massan valmistamiseksi otetaan lisätyt kemikaalit usein talteen hyvin suunnitellun takai-sinottojärjestelmän avulla. Ne lisäykset, joita vaaditaan valmis- 3 69494 tushäviöiden peittämiseksi, muodostavat kemikaalikustannukset. On tärkeätä, että ligniinin poisto voidaan suorittaa mahdollisimman pitkälle, koska lisättyjä kemikaaleja voidaan täten käyttää parhaiten hyväksi. Tämä aiheuttaa nimittäin sen, että kemikaalitarve tulee pienemmäksi ligniinin poiston ja valkaisuosastossa suoritetun valkaisun aikana. Niihin kemikaalimääriin, jotka tarvitaan puuta liuennettaes-sa, vaikuttaa huomattavasti puun kemiallinen koostumus, mikä aiheuttaa vaikeuksia säätää lisäyksiä, koska puun koostumus vaihtelee käsittelyn aikana.

Valkaisukemikaalien kulutus merkitsee suuria kustannuksia, jotka muodostavat erittäin tärkeän osan juoksevista kustannuksista valkaistua selluloosamassaa valmistettaessa. Valkaisukemikaalien se määrä, joka johdetaan valkaisukäsittelyvaiheeseen, vaikuttaa sitä paitsi lopullisen tuotteen laatuun. Selluloosamassaa valkaistaessa on tämän johdosta täkeätä, että annostellaan oikeat kemikaalimäärät. Vaikeudet tämän toteuttamiseksi aiheutuvat siitä, että ligniinipitoi-suus ja täten kemikaalitarve syötetyssä massassa vaihtelevat. Lisä-vaikeuksia johtuu massan pitkästä viipymisajasta valkaisuvaiheissa.

Ympäristösuojelutoimenpiteet aiheuttavat sen, että kiertoaste seulonta- ja pesuosastoissa lisääntyy, jolloin epäpuhtauksia ja pesujään-nöksiä yhä suuremmassa määrin seuraa massan mukana valkaisulaitokseen sen sijaan, että niitä johdettaisiin jätteenä pois. Pesuasteen ja keiton vaihtelut aiheuttavat tämän johdosta sen, että valkaisulaitokseen tuleva massavirta vaihtelee huomattavasti mitä tulee osaksi ligniinivirtauksen kokonaismäärään ja mitä tulee osaksi jakautumiseen nesteeseen liuenneen ligniinin ja selluloosakuituihin sitoutuneen ligniinin välillä. Myös muut mukana seuraavat kemikaalit, esim. epätäydellisesti poispestyt keittokemikaalit, kuluttavat valkaisuaineita.

Selluloosamassasta ligniiniä poistettaessa lisätään kemikaaleja, jotka reagoivat osaksi nesteeseen liuenneiden kemikaalia kuluttavien aineiden, osaksi selluloosaan sitoutuneen ligniinin kanssa.

Tähän asti käytetyissä menetelmissä kemikaalilisäysten sovittamiseksi selluloosamassan tarpeen mukaan on pääasiallisesti käytetty hyväksi jotain seuraavaa vaihtoehtoa: _ - 4 69494 a) Massasuspensioon syötettävien kemikaalien määrää säädetään massasuspensiossa olevien jätekemikaalien määrän perusteella ligniininpoiston suorittamisen jälkeen Jäännöskemikaalien määrän määrääminen, esimerkiksi jätenesteeseen liuotettujen aktiivisten klooriyhdisteiden määrääminen, tapahtuu käsin ja määrättyjen aikojen kuluttua. Lisättyjen massasuspensioi-den ominaisuuksien vaihteluista ja yleensä pitkistä käsittelyajoista johtuen on kemikaalilisäys suoritettava jonkin verran liian suurena tyydyttävän ligniininpoiston varmistamiseksi mikä aiheuttaa negatiivisia vaikutuksia massan laatuun ja tarpeettoman suuret ligniinin-poistokustannukset.

b) Kemikaalien lisäystä massasuspensioon muutetaan massasuspensiossa olevien jätekemikaalien määrän perusteella hieman ennen ligniininpoiston aloittamista.

Tällöin suoritetaan kemikaalilisäys siten, että saatu mittausarvo, esimerkiksi jätepitoisuus, hapetuspelkistyspotentiaali, polarograa-finen analyysiarvo tai optisesti saatu signaali, pidetään mittauskoh-dassa vakiona (ns. tavoitearvon säätö). Halutut tavoitearvot voidaan tällöin tarvittaessa myös korjata ligniininpoiston jälkeen käsin suoritettujen jätekemikaalianalyysien perusteella. Tämä menetelmä aikaansaa nopeamman korjauksen kuin kohdassa a) esitetty, mutta se ei ota riittävästi huomioon johdetun massasuspension ominaisuuksien vaihtelua, koska mittaustulosta häritsee se, että reaktiokemi-kaaleja kuluttavat massan lisäksi myös nestefaasiin liuenneet aineet.

c) Kemikaalilisäystä massasuspensioon muutetaan kohdan b) mukaisen tavoitearvon säädön perusteella, mutta tavoitearvoa muutetaan tarvittaessa niiden mittausarvojen perusteella, jotka saadaan reaktiokemikaalien automaattisesta analyysistä ligniinin poiston päätyttyä.

Tämä menetelmä käsittää parannuksen otettaessa huomioon aikaisemmin mainittuihin vaihtoehtoihin verrattuna, mutta se ei ota riittävästi huomioon johdetun massasuspension ominaisuuksien vaihteluita.

5 69494 d) Kemikaalien lisäystä massasuspensioon muutetaan ennen kemikaalien lisäystä määrätyn suspensionesteen reaktiokemikaalitar-peen perusteella ja kemikaalilisäyksen jälkeen määrätyn jäljellä olevien käyttämättömien reaktiokemikaalien pitoisuuden perusteella määrätyn reaktioajan jälkeen (ruotsalainen kuulu-tusjulkaisu 384 884) Tämän menetelmän avulla on aikaansaatu huomattava parannus verrattuna edellä mainittuihin menetelmiin a) - c), koska tämä mahdollistaa tarkemman reaktiokemikaalien lisäämisen.

Menetelmien b, c ja d yhteydessä on ymmärrettävä, että olosuhteet ovat olleet sellaiset, että lämpötila ja käsittelyaika ovat joko olleet vakioita valkaisun aikana tai on ollut mahdollista korjata sopivalla tavalla näiden muuttuvien suureiden vaihteluja.

Edellä mainitut menetelmät a) - d) aikaansaavat yhä parempia tuloksia mainitussa järjestyksessä. Tunnettuja ovat myös seuraavat menetelmät e) ja f), jotka on kehitetty menetelmissä a) - c) esiintyvien haittojen pienentämiseksi, mutta näillä menetelmillä on jatkuvasti huomattavia haittoja.

e) Kemikaalilisäystä massasuspensioon säädetään saadun ligniini-pitoisuuden arvon perusteella syötetyssä massassa ja syötetyssä massavirrassa.

Tarpeellinen säätäminen tapahtuu siten, että kohtien b) tai c) mukaista tavoitearvoa korjataan jatkuvasti suoritettujen analyysien perusteella. Tavallisesti tarvitaan tietokone jotta tällainen monimutkainen laskenta ja säätö voidaan suorittaa nopeasti ja jatkuvasti. Menetelmä vaatii tästä huolimatta suurta henkilökuntamäärää jos lig-niinipitoisuusmääräys halutaan suorittaa riittävän usein ja riittävän tarkasti. On myös vaikeata määrätä massan väkevyys juoksevassa massasuspensiossa riittävällä tarkkuudella. Täten menetelmään liittyy virheitä, jotka tekevät sen käytännössä melkein mahdottomaksi toteuttaa riittävällä tarkkuudella.

____ I

69494 f) Kemikaali-lisäystä massasuspensioon säädetään kahden jäljellä olevan kulumattoman kemikaalin pitoisuuden arvojen välisen suhteen perusteella,joita ovat esimerkiksi jäännösklooripi-toisuus, jotka arvot on mitattu määrätyn reaktioajan kuluttua (ruotsalainen patenttihakemus nro 71 12476-2) Tällä menetelmällä on haittana kuitenkin se, että kaksi erittäin tarkkaa määräystä on voitava suorittaa jatkuvasti. Reaktionopeus laskee tavallisesti erittäin nopeasti ligniininpoistoreaktion alussa, jonka johdosta mitatut arvot tulevat olemaan hyvin lähellä toisiaan mikä lisää analyysimenetelmien tarkkuusvaatimusta niin, että ne ovat melkein mahdottomat täyttää tunnettua analyysitekniikkaa käytettäessä. Esitetty suhde ei myöskään ole mikään hyvä ohjausparametri (katso seuraavaa toteuttamisesimerkkiä 2, koe IV).

On olemassa myös edellä esitettyjen menetelmien yhdistelmiä, mutta myös näissä on osoittautunut olevan huomattavia haittoja. Esimerkiksi aikakausjulkaisussa TAPPI 58 n:o 3 (maaliskuu 1975), sivut 91-94, esitetään menetelmä, jossa käytetään kahta jäteklooripitoisuuden määräystä yhdistettynä tulevan massan ligniinipitoisuuden tietokone-laskentaan kloorivirtauksen säätämiseksi /menetelmä c) + menetelmä e)J. Tässä tapauksessa on oletettu, että on mahdollista voida riittävällä tarkkuudella säätää massan virtausta. Tämä ei kuitenkaan ole osoittautunut mahdolliseksi nykyisiä massan sakeusmittareita käyttäen.

Säädettäessä kemikaalilisäystä käyttäen edellä esitettyjä tunnettuja menetelmiä ei todellisuudessa mitata taloudellisia selluloosa-massan käsittelytuloksia. Tämä johtuu siitä, että selluloosamassan analyysi on erittäin-vaikea suorittaa tarkasti ilman suurta henkilö-kuntamäärää. Tämän johdosta on ymmärrettävää, että säädettäessä reaktiokemikaalien syöttöä edellä esitetyissä kohdissa a) - d) esitetyllä tavalla, pyritään säätämään reaktiokemikaalivirtausta sellu-loosamassavirtauksen suhteen siten, että aikaansaadaan haluttu lopputulos. Menetelmiin a) - c) ja e) - f) liittyy tällöin kuitenkin suurena virheenä se, että missään näissä menetelmissä ei korjata sitä seikkaa, ettei ainoastaan selluloosamassan reaktioaineiden sisältö vaikuta kemikaalikulutukseen vaan myös suspensionesteen sisältämät kemikaaleja kuluttavat aineet. Menetelmissä a) - c) sitä paitsi päämääränä on pitää vakiojäännöspitoisuus mittauskoh- 7 69494 dassa, joka on täysin virheellinen ohjausperiaate. Täten nämä menetelmät eivät aikaansaa riittävää tarkkuutta. Menetelmässä d) sitä vastoin, toisin kuin muissa menetelmissä, otetaan huomioon se, että myös suspensioneste sisältää kemikaaleja kuluttavia aineita. Menetelmän d) avulla on tämän johdosta täysin mahdollista suorittaa tarkka selluloosamassan todellinen reaktiokemikaalitarpeen määräys ja suorittaa tämän jälkeen oikea lisäys.

Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on eliminoida tunnettujen menetelmien a) - c) ja e) - f) haitat sekä aikaansaada huomattava menetelmän d) yksinkertaistaminen.

Tämän mukaisesti koskee esillä oleva keksintö uutta menetelmää reak-tiokemikaalien johtamiseksi poistettaessa ligniini selluloosamate-riaalista selluloosateollisuudessa, jolloin kemikaaleja kuluttavia aineita sisältävään massasuspensioon lisätään reaktiokemikaaleja ja johdetaan ligniininpoistovaiheeseen, jossa reaktiokemikaalit kokonaan tai osittain käytetään, sekä kemikaalilisäys säädetään reaktion aikana ja/tai sen jälkeen mitattujen reaktiokemikaalipitoisuusarvo-jen perusteella, jolle menetelmälle on tunnusomaista sellainen yhdistelmä, että a) todetaan jatkuvasti reaktiokemikaalien johdettu painovirtaus, että b) määrätään jäljellä olevien käyttämättömien reaktiokemikaalien pitoisuus ligniininpoistoreaktion aikana ja/tai sen jälkeen, että c) määrätään massasuspension se tilavuusvirtaus, joka vallitsee ligniininpoistoreaktiossa, ja d) määrätään reaktiokemikaalien suhteellinen kulutus ligniininpoistoreaktion aikana, sekä e) korjataan näiden vaihtelevien suureiden mitattujen arvojen avulla reaktiokemikaalien virtausta siten, että aikaansaadaan tarkoitettu ligniininpoistoaste.

Tämän menetelmän mukaisesti on mahdollista määrätä jäljellä olevien kulumattomien reaktiokemikaalien pitoisuus reaktiokemikaalien lisäämisen jälkeen, koska niiden määrätty kuluminen tapahtuu välittömästi. Näytteenotto tämän mittausarvon saamiseksi voidaan täten suorittaa hyvin nopeasti lisäämisen jälkeen. On myös mahdollista suorittaa näytteenotto itse ligniininpoistovaiheen aikana kun reaktio on alkanut oleellisesti. Näytteenotto voidaan täten suorittaa ligniininpoistovaiheen alussa, sen aikana tai lopussa, jolloin on erittäin sopivaa suorittaa se ligniininpoistovaiheen alussa jotta reaktio-kemikaalien jäännöspitoisuuden arvo tästä vaiheesta saadaan mahdol- 69494 lisimman nopeasti ja voidaan säätää kemikaalien lisäystä ilman huomattavaa ajanhukkaa. Niissä tapauksissa, joissa reaktiokemikaalit eivät ole kokonaan kuluneet ligniininpoistovaiheen aikana, on myös mahdollista suorittaa näytteenotto, joka kohdistuu jäljellä oleviin käyttämättömien reaktiokemikaalien määrään tämän vaiheen jälkeen. Näytteenoton tulee tapahtua alueella, jossa suhteellinen kulutus (RF) on 1,0-99,9 %, sopivasti 25,0-99,5 %, sekä edullisesti 40,0-99,0 % alunperin lisätystä kemikaalimäärästä.

Kemikaalilisäystä massasuspensioon säädetään keksinnön mukaisessa menetelmässä siten,että haluttu suhteellisen kulutuksen arvo RF, so. suhteellisen kulutuksen tavoitearvo (set point), pysyy vakiona. Suhteellisen kulutuksen tavoitearvo (RFe__) vahvistetaan tavallisesti OCf 1 empiirisesti todetusta yhteydestä suhteellisen kulutuksen ja käsittelylle asetetun päämäärän välillä. Katso esimerkkiä 1. Tällaisena päämääränä voi olla esimerkiksi määrätty kappaluku, klooriluku tai muut samankaltaiset arvot selluloosan ligniinipitoisuuden tai massan valkoisuuden tai valon absorptiokertoimen saamiseksi.

Keksinnön mukaista säätöä toteutettaessa on ymmärrettävää, että olosuhteet ovat olleet sellaiset, että lämpötila ja käsittelyaika ovat joko olleet vakioita ligniiniä poistettaessa, tai että sinänsä tunnetulla tavalla on korjattu näiden vaihtelevien suureiden vaihteluja. Tällainen korjaus voi perustua matemaattisille malleille, jotka on saatu kemiallisen reaktiokinetiikan teoriasta, tai myös puhtaasti empiirisiä matemaattisia malleja voidaan käyttää.

Toteutettaessa keksinnön mukainen säätö säädetään, kuten edellä mainittiin, kemikaalilisäystä niin, että suhteellisen kulutuksen haluttu tavoitearvo RSgET pidetään vakiona. Suhteellisen kulutuksen oloarvo, joka koskee määrättyä ajankohtaa (RFM)/ lasketaan kulutetun kemikaa-limäärän ja alunperin lisätyn määrän osamääränä. Laskettaessa RFM~ arvoa keksinnön mukaisesti, määrätään reaktiokemikaalien lisätyn painovirtauksen (F) ja reaktiokemikaalien käyttämättömän painovirtauk-sen (V · C) sekä lisätyn reaktiokemikaalien painovirtauksen (F) välisen erotuksen osamäärä. Tällöin C on jäljelle jääneiden kulumattomien reaktiokemikaalien pitoisuus reaktion aikana ja/tai jälkeen ja V massasuspension tilavuusvirtaus reaktion aikana. Yksinkertaistettuna on siis

rfm = F - V.--C

M F

II

9 69494

Koska kuluu määrätty aika siitä, kun reaktiokemikaalit johdetaan massavirtauksen F mukana massasuspensioon ja vastaava analyysi-tulos C saadaan massasuspensiosta, on odotettava analyysitulosta ennen RFM-arvon laskemista. Niissä tapauksissa, joissa analyysi suoritetaan jatkuvasti, voidaan jättää huomiotta se virhe, joka syntyy laskennassa käytettäessä sitä analyysitulosta, joka saadaan samanaikaisesti kun virtaus F johdetaan massasuspensioon. Tämä voidaan tavallisesti suorittaa virtauksen F massasuspensioon johtamisen ja vastaavan analyysituloksen C välisenä aikana, joka on pienempi kuin 5 minuuttia.

Keksinnön mukainen menetelmä antaa yllättäen uuden ja parantuneen mahdollisuuden aikaansaada suoran ohjauksen avulla halutun tuloksen ligniininpoistovaiheessa. Liuennettaessa puuta kemiallisten menetelmien avulla voidaan täten keksinnön mukaisesti saavuttaa homogeeninen selluloosamassan ligniinipitoisuus samanaikaisesti optimi-saannon ja optimaalisten lujuusarvojen kanssa. Poistettaessa ligniiniä mekaanisista ja puolikemiallisista massoista aikaansaadaan keksinnön mukaisesti selluloosamassan tasainen valkoisuus. Kemiallisten massojen ligniinin poistossa aikaansaadaan keksinnön mukaisesti käsitellyn massan ligniinipitoisuuden vaihtelujen tasoittuminen ja valkaistaessa massan valkoisuuden tasoittuminen.

Keksinnön mukainen menetelmä on, kuten edellä mainittiin, erittäin sopiva kohdistettaessa se sellaiseen puumateriaaliin, jota on liuen-nettu kemiallisten menetelmien, kuten sulfiitti-, sulfaatti-, happi-kaasu/alkali-, bisulfiitti- ja soodamenetelmien avulla. Erittäin sopivaa on soveltaa keksinnön mukaista menetelmää kemiallisesti valmistettuihin massoihin, joiden ligniinipitoisuus vastaa kappalukua alueella noin 100-1, sopivasti 50-2 ja edullisesti 40-2,5, jolloin menetelmää edullisesti sovelletaan alustavassa valkaisuvaiheessa ja valkoisuuden paranemisen ohella aikaansaadaan myös jatkuva ligniinin poisto. Keksinnön mukaista menetelmää voidaan myös soveltaa sellaisiin ligniininpoistovaiheisiin, jotka on jaettu useaan jaksoon, esimerkiksi valkaisuvaiheeseen, käyttäen erilaisia valkaisukemikaa-leja, kuten klooria ja klooridioksidia, saman vaiheen eri osissa ilman välillä tapahtuvaa uuttamista tai pesua. Esillä olevaa keksintöä on myös mahdollista soveltaa käytettäessä samanaikaisesti useita reaktiokemikaaleja esimerkiksi valkaisuvaiheessa käytettäessä valkaisuaineena kloorin ja klooridioksidin seoksia. Keksinnön mukai- 10 69494 nen menetelmä ja mittalaitteiston käyttö kuvataan alempana kysymyksen ollessa alustavasta valkaisuvaiheesta massatehtaassa ja käytettäessä klooria reaktiokemikaalina menetelmän periaatteelliseksi kuvaamiseksi kuvioon 1 viitaten. Keittämö-seulontaosastosta tulee massa-suspensio johdon 1 kautta selluloosamassan väkevyyden ollessa 2-4 %. Massasuspension tilavuusvirtaus (V) todetaan virtausmittarin 3 avulla. Sekoituslaitteeseen 2, jossa massasuspensio sekoitetaan kloorin kanssa, johdetaan johdon 11 kautta kloorivirta (F), joka sekoitetaan massasuspension kanssa. Sekoittamisen homogeenisuutta parannetaan johtamalla vettä voimakkaasti ejektorin kautta (V ) ja vesi tulee johdosta 12. Kloorin sekoittamisen jälkeen käytetään sitä määrätty aika samalla kun massasuspensio virtaa kohtaan 4, jossa tapahtuu jäännöskloorimäärän määräys. Tämän jälkeen reaktio saa jatkua samalla kun massasuspensiota kuljetetaan edelleen säiliön 5 kautta. Kohdassa 4 on näytteenottolaite 6, jossa kuituvapaa neste-näyte erotetaan massasta. Näytevirta johdetaan johdon 7 kautta ana-lyysilaitteeseen 8, jossa määrätään jäännösklooripitoisuus (C). Massasuspension lämpötila (T) mitataan kohdan 4 läheisyydessä lämpö-tilamittarin 13 avulla. Signaalit virtausmittarista 3, jätekloori-analysaattorista 8 ja lämpötilan mittauslaitteesta 13 johdetaan laskentayksikköön 9, joka on merkitty kuviossa pilkkuviivojen avulla. Suoritettujen mittausten avulla lasketaan ohjausmääräys laskentayksikössä 9. Ligniinipitoisuus (L) kloorivalkaisun päätyttyä on keksinnön mukaisesti suhteellisen kloorin kulutuksen (RF), reaktiolämpö-tilan (T) ja reaktioajan (t) funktio, so. L = (f^, RF, T, t). Vakio-lämpötilassa ja vakioajan kuluessa on L = f2 (RF). Ligniinipitoisuus kloorivalkaisun jälkeen tulee täten vakioksi jos RF on vakio. Se RF:n arvo, jota on käytettävä, riippuu myös reaktioajasta ja reak-tiolämpötilasta. Koska lämpötila T ja reaktioaika t ovat tunnettuja - reaktioaika voidaan laskea, koska se on kääntäen verrannollinen massasuspension virtaukseen V - voidaan suhteellisen kloorikulutuksen tavoitearvo (RFgET) määrätä matemaattisen laskennan avulla (ohjaus-malli) . Ohjausmallilla voi olla esimerkiksi seuraavanlainen koostumus, jolloin siinä V on massasuspension tilavuusvirtaus reaktio-vaiheessa, T on reaktiovaiheen lämpötila ja LgET on haluttu ligniinipitoisuus kappalukuna ilmaistuna ja Κ^_^ ovat vakioita.

^SET - + K2 · i + K3 · i2 + K4 . T + K5 · lset + K6 . ls2t

II

11 69494

Sitten lasketaan suhteellisen kulutuksen RFM oloarvo. Massasus- pension tilavuusvirtaus reaktiovaiheessa mitataan yksikkönä V 3 m /min. Kloorivirtaus massasuspensioon on F kg/min. Jäännös kloo-ripitoisuusnäytteessä määrätään arvoon C g/1. Tällöin saadaan

rfm = F --v·.· -S

M F

Ohjausarvot kloorivirtauksen muuttamiseksi saadaan yhtälöstä FSET FM " K * (RFSET “ RFM)' jossa Fc„m on säädettävä kloorivirtaus, F,, on kloorivirtauksen olo-arvo ja K on vakio. Tätä yhtälöä käytetään kloorivirtauksen säätämiseksi sekoituslaitteeseen 2 avaamalla tai sulkemalla kloorivirtauksen ohjausventtiiliä 10 siten, että RF^ = RFgET, joka täyttyy silloin kun F., = Feeim. Tällä tavoin saatu kloorivirtaus on tarkoin niin suuri, että ligniinivirtaus käsittelyn jälkeen saadaan halutuksi. Säätämällä valkaisukemikaalien johtamista edellä esitetyllä tavalla on aikaansaatu huomattava tarkkuuden parantuminen ja tämä ainoastaan yhden massasuspension analyysin avulla. On myös mahdollista määrätä kokonaisligniinivirtaus kloorivalkaisuun, koska kloorivirtaus on ligniinivirtauksen yksikäsitteinen funktio. Säätötapaa voidaan, mikäli massan konsistenssi on vakio, käyttää ligniinipitoisuuden toteamiseksi, so. ensimmäistä kertaa on aikaansaatu automaattinen kappalukuanalysaattori mikä käsin otettuihin näytteisiin verrattuna on erittäin suuri etu. Massasuspensiossa olevien reaktiokemikaalien jätepitoisuuden analyysi sen jälkeen, kun selluloosamateriaali ja reaktiokemikaalit on sekoitettu toisiinsa ja reaktio on alkanut, voi tapahtua useilla tavoilla. Tavallisia menetelmiä ovat hapetus-pelkistyspotentiaalin mittaus, polarograafinen mittaus, johtokyvyn tai pH-arvon mittaus, käsin suoritettu tai automaattinen jodi-titraus, sekä jäljellä olevan reaktioväliaineen käsin suoritettu tai happoemästitraus. Analyysi tapahtuu edullisesti jatkuvasti ja on spesifinen niiden reaktiokemikaalien suhteen, jotka halutaan analysoida. On todettu erittäin edulliseksi ottaa suspensionesteen kuituvapaa näyte kohdassa 4 ja se saa reagoida sopivan reagenssin kanssa,jolloin kehittyy lämpöä, ja kehittyneen lämmön määrää käytetään reprodusoitavana valkaisuaineen jäljellä olevan pitoisuuden, mittana. Valitsemalla reagenssit sopivasti voidaan täten analysoida esimerkiksi natriumhydroksidi, natriumsulfidi, natriumkarbonaatti, natriumhypokloriitti, kloori, klooridioksidi, vetyperoksidi ja muut 69494 12 reaktiokemikaalit. Määrätyissä ligniininpoistokäsittelyissä käytetään ligniininpoistoaineiden seoksia, ja tällöin voidaan edullisesti analysoida seoksesta esimerkiksi kloori ja klooridioksidi.

Keksintöä kuvataan edelleen seuraavien käytännön toteuttamisesimerk-kien avulla ohjattaessa kloorivirtaus kloorausvaiheeseen massasus-pension tasaiseen ligniinipitoisuuteen saakka, joka saadaan vaiheesta, jossa kloorataan mäntysulfaattimassaa (esimerkki 1) ja sulfiitti-massaa (esimerkki 2), ja ohjattaessa alkalivirtausta mäntysulfaatti-massan alkaaliseen happikaasulla tapahtuvaan ligniininpoistoon (esimerkki 3), sekä suoritettaessa koivulastujen sulfaattiketto (esimerkki 4) .

Keksinnön mukaisten kloorausten ohjaustuloksia on esimerkeissä verrattu siihen tulokseen, joka saadaan suoritettaessa ohjaus pitämällä jäännöskloorimäärä vakiona osittain välittömästi kloorilisäyksen jälkeen, tässä tapauksessa 3 min kuluttua pitämällä osittain jäännös-klooripitoisuus vakiona kloorauksen lopussa ja pitämällä osittain vakiona kahden jäännösklooripitoisuuden suhde määrätyn reaktio-ajan jälkeen. Menetelmiä merkitään esimerkeissä seuraavasti: I Ohjaus käyttäen suhteellista vakiokloorin kulutusta, RF, keksinnön mukaisesti.

II Ohjaus aktiivisen kloorin vakiojäännöspitoisuuden avulla välittömästi kloorilisäyksen jälkeen /menetelmä b) tai c) sivu 4/.

III Ohjaus ylläpitämällä vakiojäteklooripitoisuus kloorauksen lopussa /menetelmä a) sivu 3/.

IV Ohjaus käyttäen vakiosuhdetta kahden jäännösklooripitoisuuden välillä määrätyn reaktioajan kuluttua /esitetty ainoastaan esimerkissä 2) (menetelmä f) sivu 57·

Esimerkki 1

Valkaisematonta mäntysulfaattimassaa kloorattiin tehtaassa käyttäen kuviossa 1 kuvattua menetelmää. Valkaisemattomien sulfaattimasso-jen kappaluku vaihteli välillä 27,1 ja 38,6 ja ligniinisisältö kloorauksen jälkeen määrättiin kappalukuanalyysin avulla. Nämä kokeet suoritettiin 3 vuorokauden kuluessa kloorivaiheen ohjaamiseksi valkaistaessa mäntysulfaattimassaa CEHDED-menetelmällä edellä mainittuja malleja I-III käyttäen, jolloin ensimmäisen vuorokauden

II

13 69494 aikana käytettiin keksinnön mukaista ohjausvaihtoehtoa I. Toisen vuorokauden aikana käytettiin jätekloorimäärän vakiopitoisuuteen välittömästi kloorilisäyksen jälkeen perustuvaa ohjausvaihtoehtoa II, ja kolmannen vuorokauden aikana käytettiin ohjausvaihtoehtoa III, joka perustui jätekloorimäärän vakioarvoon kloorauksen lopussa.

Massan tilavuusvirtaus oli 15 000 1/min, massan väkevyys 3,5 % ja lämpötila 26°C kloorausvaiheessa, ja nämä arvot pidettiin vakioina koko koejakson ajan. Viipymisaika kloorausvaiheessa oli 45 minuuttia ja kloorivirtaus vaihteli välillä 33 ja 43 kg/min. Kaikissa ohjausvaihtoehdoissa otettiin näytteet aina 15 minuutin kuluttua valkaisemattomasta (kohta 1) ja klooratusta massasta (kohta 2) kloo-rausvaiheesta ligniinipitoisuuden määräämiseksi (katso kuvio 2). Kohdasta 2 otettu massa uutettiin alkalilla 12 %:n massaväkevyydessä ja lämpötilassa 65°C 2 tuntia pH-arvossa 11. Ligniinipitoisuus määrättiin kappalukuanalyysin perusteella käyttäen menetelmää SCAN C 1:59. Kuviossa 2 on esitetty kaaviollisesti miten kloorausvaihe ja mittauslaitteisto oli sovitettu. Tässä kuviossa 6 on klooraustorni, 7 on kloorin sekoituslaite, 8 vedenpoistosuodatin, joka on sovitettu klooraustornin jälkeen, 9 käsin tai automaattisesti säädettävä venttiili kloorin syöttämiseksi ja 10 hapetuspelkistyspotentiaali-mittari.

Suoritettiin seuraavat toimenpiteet:

Ensimmäinen vuorokausi Jäännösklooripitoisuus (C) määrättiin kohdassa 3 titraamalla jodo-metrisesti käsin joka 5:s minuutti. Samana ajankohtana määrättiin kloorivirtaus kloorivaiheeseen F ^ kohdassa 4. Käyttämällä massa-suspension tilavuusvirtausta (V), joka pidettiin vakiona, ja kloorin ja jäteklooripitoisuuden mitattuja virtausarvoja, laskettiin suhteellinen kloorin kulutus (RF) seuraavasti F_, - V · C · 100 -cl—-

Fcl

Tarkoitettu RF:n arvo oli 75 %. Jos arvolla oli taipumus nousta, lisättiin kloorilisäystä aukaisemalla käsin venttiiliä D, ja RF-arvon laskiessa pienennettiin kloorilisäystä sulkemalla venttiiliä jonkin verran. Tällä tavoin RF pidettiin arvossa 75 %.

14 69494

Toinen vuorokausi Tätä ohjaustapaa käyttäen voitiin olemassa olemassa olevaa säätöjärjestelmää käyttää tässä kokeessa. Tämä laitteisto toimi siten, että mitattu hapetuspelkistysarvo kohdassa 3 sääti venttiiliä 9. Hapetuspelkistysarvon laskiessa tai noustessa lisättiin vast, vähennettiin kloorin syöttöä automaattisesti. Tällä tavoin pidettiin hape-tuspelkistyspotentiaali vakiona kohdassa 3. Jäännöspitoisuuden valvonta käyttäen käsin suoritettua jodometristä titrausta joka 15 minuutti osoitti, että kloorin jätepitoisuus kohdassa 3 oli vakio kokeilujakson aikana.

Kolmas vuorokausi

Kloorin jäännöspitoisuus, joka tässä tapauksessa oli tarkoitus pitää vakiona kloorauksen lopussa, määrättiin käsin suoritetun jodometri-sen titrauksen avulla kohdassa 5 joka viides minuutti. Saadun jäännöspitoisuuden perusteella säädettiin kloorilisäystä käsin venttiilin D avulla siten,että kohdassa 5 saatiin jätekloorin pitoisuudeksi 0,10 % sikäli kun tämä voitiin toteuttaa sen pitkän ajan (45 min) puitteissa, joka kesti kloorin lisäyksestä mittauskohtaan. Liian alhaisen kloorin jätepitoisuuden esiintyessä kohdassa 5 lisäystä suurennettiin avaamalla enemmän klooriventtiiliä, ja jätepitoisuuden ollessa liian suuren pienennettiin kloorilisäystä sulkemalla jonkin verran venttiiliä D.

Erilaisia ohjausvaihtoehtoja käytettäessä saatiin seuraavat kappa-luvun tulokset:

Vuorokausi Ohjausvaihto- Kappaluku klooraus- Kappaluku klooraus- ehto heen tulokohdassa vaiheen poistokoh- dassa

Keskiarvo Hajoama Keskiarvo Hajoama 1 I 32,0 4,3 5,6 0,1 2 II 33,1 4,1 5,4 0,9 3 III 31,7 3,9 5,3 0,6

Kuten edellä olevasta taulukosta ilmenee, saatiin ylivoimaisesti parhaat ohjaustulokset suoritettaessa ohjaus vaihtoehdon I mukaisesti keksintöä käyttäen. Kappaluvun hajoama kloorausvaiheeseen saakka oli suunnilleen sama kaikkien kolmen vuorokauden aikana, kun taas kappaluvun hajoama kloorausvaiheen jälkeen keksinnön mukaista ohjausta käytettäessä oli vain +0,1 yksikköä verrattuna ti 15 69494 + 0,9 yksikköön suoritettaessa ohjaus käyttäen vakiojätekloorimäärää välittömästi kloorilisäyksen jälkeen (vaihtoehto II) ja + 0,6 yksikköä suoritettaessa ohjaus vakiojäännösklooripitoisuutta käyttäen kloorauksen lopussa, vaihtoehto III.

Esimerkki 2

Tehtaassa kloorattiin valkaisematonta sulfiittimassaa esimerkin 1 mukaisesti siten kuin kuviossa 2 on kaaviollisesti esitetty. Ohjaus-kokeet suoritettiin menetelmien I (keksinnön mukainen), II ja III mukaisesti esimerkissä 1 esitetyllä tavalla. Edelleen ohjauskoe suoritettiin vaihtoehdon IV mukaisesti, joka on esitetty sivulla 12. Kloorausvaiheeseen tuleva ligniinipitoisuus määrättiin kappalukuana-lyysillä, ja kloorausvaiheen jälkeinen ligniinipitoisuus määrättiin aikaiiuuttamisen jälkeen käyttäen ns. F 205-analyysiä, jolloin massa liuotettiin fosforihappoon ja liuos analysoitiin spektrofotometrin avulla. Suoritettaessa ohjaus ohjausvaihtoehdon IV avulla määrättiin jäännösklooripitoisuus käsin jodometrisesti titraamalla joka 5:s minuutti, osittain kohdassa 3 ja osittain kohdassa 11, koetta varten erikoisesti järjestetyssä kokeilukohdassa klooraustornissa. Mitattujen jäännösklooripitoisuuksien osamäärä laskettiin seuraavasti: jäännösklooripitoisuus kohdassa 11 (RH2) jäännösklooripitoisuus kohdassa 3 (RH^) Näiden kahden mitatun jäännöskloorimäärän osamäärä valittiin pidettäväksi vakiona arvossa 0,8. Kloorilisäys säädettiin tämän jälkeen käsin venttiiliä säätämällä siten, että tarvittava muutos joka 5 minuutin kuluttua laskettiin kaavasta 2 _ AFC — 2. — 0,o , jossa AFC = kloorilisäyksen muutos yksikössä kg/min. RH2:n ja RH^:n välisen suhteen ollessa liian alhaisen saatiin negatiivinen luku, jolloin kloorin lisäämistä pienennettiin säätämällä käsin venttiiliä 9. Tämän suhteen ollessa liian suuren saatiin positiivinen luku, jolloin kloorilisäystä suurennettiin käsin säätämällä. Suuria vaikeuksia esiintyi pyrittäessä pitämään näiden kahden jätepitoisuuden vakioarvoa 0,8 johtuen osaksi siitä, että tarvittiin kaksi jätepi-toisuusmääräystä, ja osaksi siitä, että mitatut jätepitoisuudet olivat erittäin lähellä toisiaan, nimittäin noin 0,3-0,5 g/1 kohdassa 3 ja noin 0,25-0,4 g/1 kohdassa 11. Ohjauskokeista saatiin seuraavat tulokset.

16 69494

Ohjausvaih- Kappaluku klooraus- F205 kloorausvaiheen toehto vaiheeseen saakka jälkeen

Keskiarvo Hajonta Keskiarvo Hajonta I 11,3 3,2 605 8 II 10,9 2,7 593 57 III 11,4 3,1 611 33 IV 11,1 2,9 573 49

Kuten edellä olevasta taulukosta ilmenee, saatiin paras tulos suoritettaessa ohjaus keksinnön mukaisesti (I), jossa arvon F 205 hajoama oli ylivoimaisesti pienin. Myös tässä tapauksessa saatiin seuraavaksi paras tulos ohjausvaihtoehdosta III, kun taas ohjaus-vaihtoehdot I ja IV aikaansaivat huonoimmat ohjaustulokset.

Esimerkki 3 Tämä esimerkki osoittaa, että keksintö soveltuu hyvin myös ohjattaessa ligniininpoistoastetta mäntysulfaattimassaa happikaasulla valkaistaessa. Materiaali on kerätty joukosta arvoja, jotka saatiin valkaisuista, jotka suoritettiin sekä laboratoriomittakaavassa että tehdasmittakaavassa. Suhteellinen kemikaalikulutus on kokeissa määrätty jakamalla valkaisun aikana kulunut alkali (NaOH) alussa lisätyn alkalin määrällä. Kulumaton alkali valkaisun lopussa määrättiin potentiometrisen titrauksen avulla. Ligniinipitoisuus ennen ja jälkeen happovaihetta määrättiin kappalukuanalyysin avulla. Kaikissa kokeissa valkaistiin selluloosamassa happikaasun avulla 35 minuutin kuluessa lämpötilassa 100°C 0„-paineen ollessa 2 ^ 6 kp/cm . Valkaisemattoman massan kappaluku oli 35+6. Näiden kokeiden tulokset on esitetty graafisesti kuviossa 3, jossa kappa-luku happovaiheen jälkeen on esitetty abskissalla ja suhteellinen NaOH-kulutus happovaiheen aikana ordinaatalla. Kuten luvuista ilmenee, aikaansaatiin yksiselitteinen yhteys kappaluvun (happovaiheen jälkeen) ja suhteellisen NaOH-kulutuksen välillä happovaiheessa, so. kappaluvun arvot osuivat kaikki käyrälle, joka noudatti yhtälöä 2 <k = K^(RF) -^. Tästä seuraa, että keksinnön mukainen ohjausmenetelmä soveltuu erittäin hyvin käytettäväksi myös ligniiniä massasta happikaasun avulla poistettaessa.

Esimerkki 4 Tämä esimerkki osoittaa, että keksintö soveltuu hyvin käytettäväksi myös ligniininpoistoastetta säädettäessä koivulastuja sulfaatti- li 17 69494 menetelmän avulla keitettäessä. Keitot suoritettiin käyttäen erilaisia tehokkaan alkalin lisäysmääriä. Lisäykset vaihtelivat 17 ja 25 %:n välillä kuivasta puusta laskettuna. 15 minuutin keitto-ajan jälkeen lämpötilassa 150°C otettiin keittolipeän näytteitä ja jäljellä olevan tehokkaan alkalin pitoisuus määrättiin potentiometri-titrauksen avulla. Lastuja keitettiin edelleen niin, että kokonais-keittoaika lämpötilassa 150°C oli 70 minuuttia. Suhteellinen alkali-kulutus määrättiin jakamalla kulutettu alkali (lisätty alkali miinus jäljellä oleva alkali 15 minuutin kuluttua) lisätyn alkalin määrällä. Valmiiksi keitettyjen lastujen ligniinipitoisuus määrättiin kappa-lukuanalyysin avulla.

Koetulokset on esitetty graafisesti kuviossa 4, jossa kappaluku keiton jälkeen on esitetty abskissalla ja suhteellinen alkalin kulutus ordinaatalla. Kuten kuviosta ilmenee, aikaansaatiin yksiselitteinen vastaavaisuus kappaluvun (keiton jälkeen) ja kemikaalien suhteellisen kulutuksen välillä, so. kappaluvun arvot lankesivat kaikki käyrälle, joka vastasi yhtälöä * = K^(RF)^-K2« Tästä seuraa, että keksinnön mukainen ohjausmenetelmä soveltuu erittäin hyvin käytettäväksi myös ohjattaessa ligniininpoistoastetta suoritettaessa keitto sulfaattimenetelmää käyttäen.

Claims (4)

18 69494

1. Menetelmä reaktiokemikaalien johtamisen säätämiseksi poistettaessa ligniiniä selluloosamateriaalista selluloosateollisuu-dessa, jolloin kemikaaleja kuluttavia aineita sisältävä massa-suspensio varustetaan reaktiokemikaaleilla ja johdetaan ligniinin-poistovaiheeseen, jossa reaktiokemikaalit kokonaan tai osaksi kuluvat ja jolloin todetaan jatkuvasti reaktiokemikaalien johdettu painovirtaus = F, määrätään jäljellä olevien kulumattomien reaktiokemikaalien pitoisuus = C reaktion aikana ja/tai sen jälkeen, ja määrätään massasuspension tilavuusvirtaus = V reaktion aikana ja/tai sen jälkeen, tunnettu siitä, että reaktiokemikaalien suhteellinen kulutus = RF lasketaan yhtälöstä „ F-V.C RF = _ F ja että reaktiokemikaalien virtausta = F korjataan suhteellisen kulutuksen = RF arvon perusteella siten, että aikaansaadaan määrätyn suuruinen ja ennakolta määrätty ligniininpoistoaste.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että jäljellä olevien käyttämättömien reaktiokemikaalien pitoisuuden määräys tapahtuu sellaisessa reaktiovaiheessa, jossa reaktiokemikaalien suhteellinen kulutus = RF on 1,0-99,9%, sopivasti 25,0-99,5%, edullisesti 40,0-99,0%, alunperin lisätystä ke-mikaalimäärästä.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että sitä sovelletaan sellaisiin kemiallisiin massoihin, joiden kappa luku on 100-1, sopivasti 50-2 ja edullisesti 40-2,5.

4. Jonkin patenttivaatimuksista 1-3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että sitä sovelletaan alustavassa valkaisuvai-heessa.