FI87371C - Foerfarande foer framstaellning av mekanisk massa - Google Patents

Description

87571

Menetelmä mekaanisen massan valmistamiseksi Tämän keksinnnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdannon mukainen menetelmä mekaanisen massan valmistamiseksi.

Tällaisen menetelmän mukaan puuraaka-aine hajotetaan hakkeeksi, joka esikäsittelyn jälkeen jauhetaan haluttuun suo-tautuvuuteen.

Mekaanisilla massanvalmistusprosesseilla on yhä suurempi merkitys pyrittäessä nostamaan puupitoisten painopapereiden jalostusastetta. Mekaanisten massojen suurimpina etuina ovat erittäin korkea saanto puusta ja hyvät optiset paino-ominaisuudet. Huomattavimpia epäkohtia ovat puolestaan suuri energian tarve, massojen huonot lujuusominaisuudet ja jälkikel-lertyminen.

Kuumahierreprosessi (TMP) on kehitetty erityisesti hyvän painopaperin valmistukseen. Normaalissa TMP-prosessissa hake esikuumennetaan 100...135°C:n lämpötilaan, minkä jälkeen se jauhetaan haluttuun suotautuvuuteen. Esikuumennuksen käsittelyaika on suhteellisen lyhyt, eli yleensä korkeintaan muutama minuutti. Nostamalla esilämmityksen lämpötilaa massan lujuusominaisuudet paranevat. Samalla kuitenkin massasaanto huononee, mikä johtuu osittaisesta happamesta hydrolyysistä.

Tunnetaan myös sellaisia menetelmiä mekaanisen massan valmistamiseksi, joissa hake kuidutetaan paineettomassa tai paineenalaisessa tilassa käyttämällä lievästi delignifioivia kemikaaleja, kuten natriumsulfiittia. Kemikaalit on imeytetty hakkeeseen ennen jauhatusta. Natriumsulfiitin kohdalla imeytys on suoritettu aikalisissä olosuhteissa (pH n. 10). Näillä kemimekaanisilla menetelmillä (CTMP) saadaan aikaan massojen lujuusominaisuuksien parantumista, mutta energian kulutus yleensä kasvaa tavanomaiseen TMP-prosessiin nähden ja massan saanto alenee.

Tyypillistä CTMP- ja TMP-prosessien yhteydessä suoritettaville esikäsittelyille on se, että niissä muutetaan hakkeen 2 87571 kemiallisia ominaisuuksia; liuotetaan ligniiniä kemiallisesti tai vastaavasti pehmennetään sitä korkeassa lämpötilassa. Kuten edellä esitetystä käy ilmi, nämä käsittelyt johtavat kuitenkin jauhatuksen energiankulutuksen kasvuun.

Tämän keksinnön tarkoituksen on poistaa tunnettuun tekniikkaan liittyvät epäkohdat ja saada aikaan aivan uudenlainen menetelmä mekaanisen massan, etenkin kuumahierteen valmistamiseksi .

Keksintömme perustuu siihen ajatukseen, että hakkeesta poistetaan esikäsittelyn yhteydessä ensin ainakin osa, edullisesti mahdollisimman suuri osa ilmasta, minkä jälkeen hakkeeseen imeytetään vettä happamissa olosuhteissa ennen jauhatusta .

Täsmällisemmin sanottuna keksinnön mukaiselle menetelmälle on pääasiallisesti tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

Kuten yllä on esitetty, tunnetuissa mekaanisen tai kemime-kaanisen massan valmistusprosesseissa pyritään puun kemialliseen koostumukseen vaikuttamaan katkaisemalla kovalentti-siä sidoksia tai sulattamaan ligniiniä korkeassa lämpötilassa. Keksintömme mukaisessa menetelmässä olosuhteet ovat sitä vastoin sellaiset, että ligniinin tai hiilihydraattien kemiallista hajoamista ei todennäköisesti tapahdu. Mekamismia, jonka vaikutuksesta hakkeen hiertämisessä menetelmässämme kuluu vähemmän energiaa, emme täysin tunne. On mahdollista, että lievien käsittelyolosuhteiden vuoksi puun fysiologinen ja biokemiallinen rakenne solutasolla ei vaurioidu, jolloin vesi kulkeutuu soluverkostossa luonnollisella tavalla kuitujen väliin vaikuttaen kuituja kiinnipitäviin vetysidoksiin.

Keksinnön mukainen menetelmä käsittää kaksi vaihetta: ilman-poistovaiheen ja imeytysvaiheen.

Keksinnön edullisen sovellutusmuodon mukaan ilmanpolstovaihe toteutetaan höyryllä, sopivimmin vesihöyryllä. Etenkin toi- 3 87571 mitään paineettomissa olosuhteissa ja käytetään noin 100*C:sta vesihöyryä. Käsittelyä jatketaan, kunnes ainakin oleellinen osa hakkeesta on saavuttanut noin 90...100eC:n lämpötilan. Tällaisella käsittelyllä voidaan varmistaa, että ainakin suurin osa hakkeen sisältämästä ilmasta on saatu poistetuksi. Koska höyrytyksen yhteydessä halutaan välttää jauhatusta haittaava ligniinin pehmeneminen ja sulaminen, pyritään välttämään liian korkeita höyryn lämpötiloja ja samalla käytetään suhteellisen lyhyitä höyrytysaikoja (tavallisesti noin 10...30 min). Tarvittavan höyrytyksen kesto vaihtelee hakkeen määrän ja hakkeen dimensioiden, sekä höyryn lämpötilan ja määrän mukaan.

Vaihtoehtoisen sovellutusmuodon mukaan haketta käsitellään menetelmän ensimmäisessä vaiheessa alipaineessa ilman poistamiseksi. Tässä tapauksessa haketta käsitellään normaali-lämpötilassa tai korotetussa lämpötilassa esim. noin 0,1... 0,9 ata:n paineessa.

Haketta imeytetään vedellä happamissa olosuhteissa. Imeytys suoritetaan nestefaasissa, jolloin happamilla olosuhteilla tarkoitetaan sitä, että nestefaasin pH-arvo on pienempi tai yhtä suuri kuin 6. Imeytyksen nestefaasi voi koostua vedestä tai veden ja jonkin toisen nesteen seoksesta. Siinä voi lisäksi olla valmistettavan hierteen ominaisuuksiin vaikuttavia lisäaineita, jotka imeytyvät hakkeeseen samanaikaisesti veden kanssa.

Hakkeen imeytykseen käytetään keksinnön mukaan edullisesti vettä, jonka alku-pH-arvo on noin 1...5, edullisesti noin 2...4. Mikäli pH-arvo on liian korkea, ei saada aikaan riittävän tehokasta imeytystä, kun taas liian alhaiset pH-arvot aiheuttavat korroosio-ongelmia imeytyslaitteistossa ja jau-himissa.

Imeytykseen käytetään sopivimmin kylmää vettä, esim. tehtaan tavallista noin 5...20°C:sta raakavettä, joka on tehty happamaksi mineraalihapolla. Mineraalihapoista tulevat kysee- 4 87371 seen esim. kloorivety-, typpi- ja rikkihappo. Viimeksi mainittua pidetään edullisena, koska se aiheuttaa vähiten ympäristöongelmia. Jätevedessä oleva rikkihappo on helposti neutraloitavissa esimerkiksi kalkilla, jolloin saadaan vaaratonta kipsiä.

Keksinnön yhteydessä hakkeeseen pyritään imeyttämään ainakin lähes niin paljon vettä, kuin mitä se pystyy ottamaan. Hakkeen kuiva-ainepitoisuus on tällöin imeytyksen jälkeen tavallisesti noin 25...35 %. Puuaines on tunnetusti normaalista pH-arvoltaan lähes neutraali, mutta imeytyskäsittelyn yhteydessä pH-arvo laskee niin, että se käsittelyn jälkeen on noin 3...5. Imeytyksen edistymistä voidaan siten seurata pH-arvon mittauksilla. Imeytysaika vaihtelee hake/vesi-suhteen ja veden happamuuden mukaan. Imeytys vie kuitenkin aina huomattavasti enemmän aikaa kuin höyrytys, tavallisesti tarvitaan 1...24 tunnin, edullisesti noin 2...18 tunnin pituinen imeytys. Imeytyksen lämpötila ei ole kriittinen.

Kuten yllä höyrytyksen kohdalla todettiin, on kuitenkin syytä välttää liian korkeita lämpötiloja, jotka ligniinin ja muiden puuraaka-aineiden komponenttien polymerointireak-tioita aiheuttavina saattavat johtaa jauhatusenergian tarpeen kasvuun. Keksinnön mukaisessa menetelmässä toimitaan siksi esim. siten, että höyrytettyyn, kuumaan hakkeeseen johdetaan kylmää vettä, jolloin hakkeen lämpötilan annetaan laskea veden tasalle imeytyksen aikana. Hakkeen jäätymistä on kuitenkin syytä välttää, koska se saattaa osaltaan lisätä jauhatuksen energian kulutusta. On myös mahdollista ylläpitää vakiolämpötilaa imeytyksen aikana. Alla esitetyissä sovellutusesimerkeissä on toimittu noin 40eC:n lämpötilassa.

Keksinnön avulla saavutetaan huomattavia etuja. Niinpä, kuten yllä mainittiin, hakkeen hiertämisessä kuluu energiaa 15 - 20 % vähemmän kuin tavallisessa TMP-prosessissa.

Esillä olevalla keksinnöllä on siten erittäin suuri taloudellinen merkitys, sillä menetelmällä voidaan säästää mekaanisen massan valmistuksessa 10 - 15 % sähköenergiaa (höyrytykseen ja imeytykseen kuluu jonkin verran energiaa), mikä s 87371 merkitsee esim Suomessa tällä hetkellä vähintäin useiden satojen miljoonien markkojen säästöä vuodessa.

Menetelmällä valmistetun massan ominaisuudet, etenkin niiden painotekniset ominaisuudet ovat kuitenkin vähintäinkin yhtä hyvät kuin tavanomaisen TMP-massan.

Menetelmän edullisuus tulee vielä korostetusti esiin siinä, ettei se vaadi periaatteessa juuri lainkaan kalliita laiteinvestointeja, sillä nykyisillä tehtailla menetelmässä tarvittavat laitteet jo yleensä ovat.

Keksintöä ryhdytään seuraavassa lähemmin tarkastelemaan sovellutusesimerkkien avulla oheisiin piirustuksiin viitaten, joista kuvio 1 esittää sivukuvantona erään keksinnön mukaisessa menetelmässä käytettäväksi soveltuvan laitteiston periaatteellisen rakenteen, kuviot 2-4 esittävät jauhettujen massojen ominaisenergian-kulutukset (EOK) massojen hienouden (CSF) funktiona, kuvio 5 esittää jauhettujen massojen vaaleuden vetoindeksin funktiona, kuvio 6 esittää jauhettujen massojen valonsirontakertoimen hienouden (CSF) funktiona ja kuvio 7 esittää jauhettujen massojen valonsirontakertoimen vetoindeksin funktiona.

Kuten yllä mainittiin voidaan keksinnössä käyttää tavanomaisia laitteita, joita tällä hetkellä käytetään esim. kemime-kaanisen massan valmistukseen. Alla esitettävissä sovellutusesimerkeissä käytetyn laitteiston rakenne on esitetty kuviossa l. Laitteisto käsittää CTMP-keittimen 1, johon kuuluu lämmönvaihdin 2 ja keittokemikaalitankki 3. Keittimen tilavuus on noin 4 m3 ja se voidaan kerralla täyttää noin 500 kg:11a haketta. Keitin 1 koostuu tiiviistä pitkänomaisesta paineastiasta, jonka yläpäätyyn on sovitettu hakkeen täyttö-putki 4 ja kaksi nesteen syöttöyhdettä 5 ja 6, joista toisen kautta voidaan myös poistaa kaasua keittimestä. Paineastian 6 8 7 ο 71 pohjaan on sovitettu nesteen tyhjennysputki 7, joka venttiilin välityksellä on kytketty lämmönvaihtimeen 2. Tyhjennys-putki 7 on yhdistetty keittimen 1 sisällä olevaan tiheään ritilärakenteeseen, jolloin keittimestä saadaan poistetuksi nestettä ilman, että nesteen mukaan kulkeutuisi haketta.

Hake voidaan puolestaan tyhjentää paineastiasta 1 ja siirtää ruuvikuljettimen 8 avulla jauhatukseen.

Lämmönvaihtimen 2 avulla säiliöön 1 voidaan syöttää alakautta 7 vesihöyryä sekä paineettomissa olosuhteissa että paineen alaisena, vesihöyry kulkee hakkeen läpi ja poistuu säiliöstä 1 toisen yläyhteen 5 kautta. Imeytyksessä tarvittava vesi johdetaan keittimeen 1 yläkautta toisen yläyhteen 6 kautta, se poistetaan tyhjennysputken 7 kautta ja kierrätetään lämmönvaihtimen läpi takaisin yläyhteeseen 6. Haluttaessa kierrätettävää vettä voidaan lämmittää lämmönvaihti-messa 2 vakiolämpötilan saavuttamiseksi.

Sekoittimella 9 varustetun liuossäiliön 3 avulla voidaan valmistaa imeytyksessä käytettävä hapan vesiliuos. Liuos johdetaan säiliön pohjassa olevan poistoputken 10 kautta lämmönvaihtimeen 2, josta se on edelleen syötettävissä keittimeen 1 yläyhteen 5 kautta, kuten edellä on selostettu.

Esimerkki 1

Vesi-imeytetyn ja referenssi-TMP-massan valmistus

Raaka-aineena käytettiin yhtyneet Paperitehtaat Oy, Jämsänkosken kuusipöllihaketta. Hakkeen kuiva-ainepitoisuus oli 45,6 %. Hakkeen dimensiot Williams-koeseulonnan perusteella olivat: keskimitta 18 mm ja keskipaksuus 5,3 mm.

Vesi-imeytys:

Vesi-imeytystä varten 530 kg (240 kg abs kuivana laskettuna) yllä mainittua haketta siirrettiin keittimeen 1. Ilman poistamiseksi hakkeesta haketta höyrytettiin 100eC:sella höyryllä 15 min ajan ennen imeytystä vedellä. Liuossäiliöön 3 ( 87371 laskettiin 1400 1 kylmää (noin 15eC) vettä ja sen pH asetettiin rikkihapolla arvoon 3,4. Liuos suihkutettiin ylhäältä kuuman hakkeen sekaan. Liuoksesta mitattu lämpötila imeytyk-sen alussa oli 36eC. Imeytysliuoksen annettiin vaikuttaa 18 h ja sitä kierrätettiin lämmönvaihtimen 2 kautta vakiolämpö-tilan ylläpitämiseksi. Kierrätyksessä hake oli koko ajan nesteen peitossa ja liuoksen lämpötila imeytyksen lopussa oli 38°C. Imeytyksen lopussa liuoksen pH oli 4,6. Imeytyksen vaikutuksesta hakkeen kuiva-ainepitoisuus aleni alkuperäisestä 45,6 %:sta noin 33 - 34 %:iin.

Massan valmistus:

Hakkeet hierrettiin Enso-Bauer 411 -kaksikiekkojauhimella paineellisena kaksivaiheisena prosessina. Ensimmäistä jau-hatusvaihetta edelsi 1,5 min hakkeen esilämmitysvaihe 1,8 bar ylipaineessa (130eC), paine ja lämpötila jauhimessa oli samalla tasolla kuin esilämmittimessä. Toinen jauhatusvaihe oli paineeton, lämpötila jauhimessa noin 100eC.

Tuotanto ensimmäisen vaiheen jauhatuksessa oli TMP:llä 584 kg/h ja vesi-imeytetyllä TMPillä 651 kg/h. Massan kuiva-ainepitoisuus ensimmäisen vaiheen jälkeen oli 24 - 25 % ja freeness 300 - 400 ml.

Toisen vaiheen tuotanto oli TMP:llä 408 kg/h ja vesi-imeytetyllä TMPrllä 475 kg/h. Toisessa vaiheessa otettiin massa-näytteitä jauhimen eri kuormitustasoilta. Massojen ominaisuudet testattiin pääasiassa SCAN-menetelmien mukaan ja arkkiominaisuudet mitattiin 52 g/m2 kiertovesiarkeista. Hienous- eli suotautuvuusarvot on ilmoitettu Canadian Standard Freeness-lukuina.

Massojen ominaisuudet:

Kuviossa 2 on esitetty jauhettujen massojen ominaisenergian-kulutukset (EOK,MWh/t) massojen hienouden (CSF, ml) funktiona. Kuten kuviosta 2 nähdään kuluu vesi-imeytetyn hakkeen jauhatuksessa selvästi vähemmän energiaa vakiohienouteen hierrettäessä.

8 87371

Esimerkki 2

Toiseen kuusipöllihake-erään imeytettiin hapanta vettä kuten esimerkissä 1, mutta imeytysaika tässä oli 2 ja 4 tuntia ennen hiertoa. Vertailukoe suoritettiin kuten esimerkissä 1. Kuten kuviosta 3 nähdään on vesi-imeytettyjen hakkeiden ominaisenergian kulutus selvästi pienempi kuin vertailu-kokeessa.

Esimerkki 3

Kolmannella kuusipöllihake-erällä tehtiin vesi-imeytykset samalla tavalla kuin esimerkissä 1, mutta tässä vesi-imeytys suoritettiin myös vedellä, jonka pH säädettiin väkevällä rikkihapolla ennen imeytystä arvoon 2.

Kuviosta 4 nähdään jälleen, että happamalla vedellä imeytettyjen hakkeiden hierrossa kuluu vähemmän energiaa kuin normaalissa kuumahiertoprosessissa.

Esimerkki 4

Esimerkissä 1 hierretystä massasta valmistettiin koearkit massan ominaisuuksien testaamiseksi. Kuviossa 5 on esitetty vertailumassan (TMP) ja vesi-imeytetyn hierteen vaaleuden riippuvuudet vetoindeksistä. Kuten kuviosta 5 nähdään on vesi-imeytetyn hierteen vaaleus vähintäinkin yhtä hyvä kuin vertailuhierteen.

Kuviossa 6 on esitetty hierteiden valonsirontakertoimen riippuvuus massojen hienoudesta (CSF). Kuten kuviosta 6 nähdään ei massojen valonsirontakertoimet tässä poikkea toisistaan.

Kuviossa 7 on lopuksi esitetty hierteiden valonsirontakertoimen riippuvuus vetoindeksistä. Kuten tästä kuviosta nähdään on vesi-imeytetystä hakkeesta valmistetun massan valon-sironta ainakin yhtä hyvä kuin vertailu TMP-massan.

Claims (10)

1. Menetelmä mekaanisen massan valmistamiseksi puuraaka-aineesta, jonka menetelmän mukaan - raaka-aine hajotetaan hakkeeksi, - hake saatetaan esikäsittelyyn, jossa hakkeesta poistetaan ainakin osa sen sisältämästä ilmasta ja jossa se saatetaan imeytyskäsittelyyn, minkä jälkeen - hake jauhetaan haluttuun suotautuvuuteen, tunnettu siitä, että - imeytysvaiheessa haketta imeytetään kylmällä vedellä happamissa olosuhteissa noin 1...24 tunnin ajan.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnet-t u siitä, että imeytykseen käytetään noin 5...20°C:sta vettä.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, jossa hakkeen ilmanpoisto suoritetaan höyryttämällä, tunnettu siitä, että imeytysaika on huomattavasti pitempi kuin höyry-tysaika.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmä, tunnet-t u siitä, että haketta höyrytetään paineettomasti noin 10... 30 minuutin ajan, minkä jälkeen sitä imeytetään vedellä noin 2-18 tunnin ajan.

5. Patenttivaatimuksen 3 tai 4 mukainen menetelmä, tun nettu siitä, että höyrytykseen käytetään 100eC:sta vesihöyryä ja käsittelyä jatketaan, kunnes ainakin oleellinen osa hakkeesta on saavuttanut noin 90___100°C:n lämpötilan.

6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnet-t u siitä, että haketta käsitellään alipaineessa ilman poistamiseksi siitä.

7. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että hakkeen imeytykseen käytetään 87371 vettä, jonka alku-pH-arvo on noin 1...5, edullisesti noin 2...4.

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen menetelmä, tunnet-t u siitä, että imeytykseen käytetään kylmää vettä, joka on tehty happamaksi mineraalihapolla, etenkin rikkihapolla.

9. Patenttivaatimuksen 7 tai 8 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että hakkeen imeytystä jatketaan, kunnes hakkeen pH-arvo on ainakin likimain 3...5 ja sen kuiva-ainepitoisuus noin 25...35 %.

9 87371 I’dteiit t i \'dat imukset ·

10. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että hakkeeseen imeytetään ainakin lähes niin paljon vettä, kuin mitä se pystyy ottamaan. n 87571