FI98918C - Menetelmä muovattavien selluloosaliuosten valmistamiseksi ja menetelmän suorittamiseen tarkoitetun laitteen käyttö - Google Patents

Description

98918

Menetelmä muovattavien selluloosaliuosten valmistamiseksi ja menetelmän suorittamiseen tarkoitetun laitteen käyttö 5 Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdannon mukai nen menetelmä selluloosaliuosten valmistamiseksi vesipitoisissa tertiaarisissa amiinioksideissa tertiaarisen amiiniok-sidin vesiliuoksessa olevasta selluloosasuspensiosta lämmön-syötön avulla alennetussa paineessa sekä laite menetelmän 10 suorittamiseksi.

Tällainen menetelmä on tunnettu PCT-julkaisusta WO 83/04415. Tämän mukaisesti selluloosa suspendoidaan tertiaarisen amiinioksidin vesiliuokseen, joka sisältää korkeintaan 15 40 massa-% vettä, ja lämmitetään sekoittaen 90 - 120°C:n lämpötilaan. Samanaikaisesti paine alennetaan 80 mbaarista 150 mbaariin ja vettä poistetaan niin kauan, kunnes selluloosa liukenee. Tällä tavalla voidaan valmistaa kehrättäviä liuoksia, jotka sisältävät jopa 15 massa-% selluloosaa.

20

Muovaamalla näitä liuoksia vedessä saadaan selluloosaan perustuvia kalvoja, lankoja tai muoto-osia, siis kohteita, joita valmistetaan nykyisin laajalti viskoosimenetelmän avulla. Selluloosan vesipitoisissa tertiaarisissa amiinioksideissa 25 muodostetuilla kehrättävillä liuoksilla on kuitenkin ympäristön suhteen viskoosiin verrattuna eräs ratkaiseva etu: Kehrättäessä tertiaarinen amiinioksidi voidaan ottaa jälleen talteen ja käyttää edelleen, kun taas viskoosia hajotettaessa muodostuu H2S:a, COS:a, CS2:a ja kolloidista rikkiä. Nämä 30 aineet voidaan hävittää vain vaivoin.

Tästä huolimatta yllä mainittua menetelmä, jossa käytetään . tertiaarisia amiinioksideita liukoisiksi tekevinä aineina, ei ole tähän mennessä käytetty, koska siihen liittyy vielä usei- 35 ta haittoja.

Siten sekoituskattilasta voidaan poistaa vain vaivoin vettä nestepinnan ja nestetilavuuden välisen epäsuotuisan suhteen johdosta, mikä johtaa pitkiin oloaikoihin sekoituskattilassa, 40 jotka saattavat olla 2-4 tuntia. Tänä aikana polymeerinen 2 98918 selluloosaketju hajoaa osittain, mitä korotettu lämpötila vielä edistää. Tämä osittainen hajoaminen vaikuttaa puolestaan haitallisesti lopputuotteiden määrättyihin ominaisuuksiin kehruuprosessin jälkeen, kuten esim. niiden lujuuteen, 5 niiden venymään ja niiden punoutumislujuuteen. Edelleen on tunnettua, että etenkin kuumennettaessa yli 130°C:seen voi esiintyä voimakasta värjääntymistä käytetyn amiinioksidin hajaantumisen johdosta. Tämä hajaantuminen voi tapahtua joidenkin yhdisteiden, kuten esim. N-metyylimorfoliini-N-oksidin 10 yhteydessä jopa räjähdysmäisesti kaasunkehittymisen ollessa voimakasta, niin että sekoituskattilassa olevat liuokset muodostavat määränsä johdosta turvallisuusriskin.

Suoritettaessa menetelmää suuressa mittakaavassa tulisi tästä 15 syystä työskenneltäessä käyttää sekoituskattiloina varmistetusta suurpaineautoklaaveja, jotka eivät taloudellisesti sovi jatkuvatoimiseen käyttöön. Toisaalta sekoituskattilassa ja ilman turvalaitetta on mahdollista ainoastaan keskeytyvä toimintatapa, minkä johdosta menetelmän joustavuus on erittäin 20 vähäinen, koska parametrit, kuten esim. lämpötila ja haihdu-tusmäärä, ovat vain vaivoin muutettavissa. Lisäksi sellu-loosaliuosten korkean viskositeetin johdosta suuri määrä keh-ruumassaa jää sekoituskattilaan, mikä sekä vaikeuttaa kattilan puhdistamista että huonontaa edelleen taloudellisuutta.

: 25

Keksinnön tehtävänä on poistaa nämä epäkohdat ja saada aikaan menetelmä selluloosaliuosten valmistamiseksi vesipitoisissa tertiaarisissa amiinioksideissa, joka menetelmä voidaan suorittaa jatkuvatoimisesta, jolloin suspension lämpökäsittelyn 30 tulee tapahtua olennaisesti lyhyemmässä ajassa selluloosan ja ; tertiaarisen amiinioksidin termisen kuormituksen minimoimi- * · seksi. Tämän lisäksi on eliminoitava tekniikan tasoon liitty vä turvallisuusriski. Keksinnön tehtävänä on edelleen saada aikaan menetelmän suorittamiseen tarkoitetun laitteen käyttö, 35 jossa laitteessa ei ole sekoituskattilaan tai vastaavasti suurpaineautoklaaveihin liittyviä haittoja.

Nämä tehtävät ratkaistaan keksinnön mukaisesti siten, että 98918 3 suspensio kuljetetaan kuumennuspinnan yli kerros- tai vastaavasti kalvomaisesti levitettynä, kunnes on muodostunut selluloosan homogeeninen liuos, jonka viskositeetti on 50 - 15.000 Pas, jolloin suspension syöttö ja homogeenisen liuoksen pois-5 to suoritetaan jatkuvatoimisesti.

Selluloosasuspension kerros- tai vast, kalvomainen levitys kuumennuspinnan päälle saa aikaan suuren nestepinnan, joka helpottaa veden poistoa. Samanaikaisesti se mahdollistaa sus-10 pension nopean lämmittämisen liuoksen valmistamiseksi tarvittavaan lämpötilaan. Kuljettamalla suspensio kuumennuspinnan kautta se pysyy jatkuvasti perusteellisesti sekoitettuna, mikä nopeuttaa edelleen lämmön- ja aineenvaihtoa.

15 Suspensioon voidaan lisätä laimennusainetta, kuten esim.

etanolia liuoksen viskositeetin säätämiseksi, joka mitataan suhteellisuusjärjestelmässä, ja selluloosan turpoamiskäyttäy-tymisen ohjaamiseksi suspensiossa.

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

Eräs erittäin hyvä sekoittuminen saadaan aikaan, kun kuumen-; 25 nuspinnan päälle levitetyn kerroksen paksuutena on maksimaa- lisesti 20 mm, etenkin 1,5-5 mm.

Tertiaarisena amiinioksidina käytetään edullisesti N-metyy-li-morfoliini-N-oksidia, etenkin vesiliuoksessa, jossa on 30 40 massa-% vettä.

* 9 : - Keksinnön mukaisen menetelmän eräälle edulliselle suoritus muodolle on ominaista, että suspensio lämmitetään 50 150°C:n, etenkin 60 - 100°C:n lämpötilaan ja alistetaan 0,5 - 1000 35 mbaarin, etenkin 50 - 150 mbaarin paineeseen.

Erittäin edulliseksi on osoittautunut se, kun suspensio pidetään 1-60 minuutin ajan kosketuksissa kuumennuspinnan kans 98918 4 sa. Tämä aikaväli on toisaalta riittävä homogeenisen liuoksen valmistamiseksi ja toisaalta niin lyhyt, että voidaan estää pitkälti tertiaarisen amiinioksidin hajaantuminen ja selluloosan hajoaminen.

5

Tarkoituksenmukaiselle laitteelle keksinnön mukaisen menetelmän suorittamiseksi, jossa laitteessa on välillisesti lämmitetty, sekoituslaitteella varustettu ja evakuoitava astia, on ominaista, että astia on muodostettu sylinterimäiseksi säilö liöksi, jossa on keskeisesti laakeroitu sekoitusakseli ja siihen kiinnitetyt sekoitussiivet, jolloin sekoitussiipien säteittäinen etäisyys säiliön sisäseinämään on korkeintaan 20 mm ja säiliön yläosaan on järjestetty tuloaukko selluloosa-suspensiota varten ja alaosaan poistoaukko homogeenista sel-15 luloosaliuosta varten.

Laitteen eräässä edullisessa suoritusmuodossa sekoitusakse-lissa on jakorengas selluloosasuspension levittämiseksi kerros- tai vast, kalvomaisesti säiliön sisäseinämälle.

20

Selluloosasuspension kuljetuksen ohjaamiseksi säiliön sisä-seinämää pitkin on osoittautunut edulliseksi, jos sekoitus-siivillä on sekoitusakselin suhteen kaltevuuskulma, joka on suuruudeltaan säädettävissä.

25

Laitteella suoritettava keksinnön mukainen menetelmä on erittäin joustava käyttöparametrien muutoksen suhteen ja siinä esiintyy tekniikan tasoon verrattuna olennaisesti pienempi turvallisuusriski, koska suurta liuotinmäärää ei kuumenneta 30 kerrallaan, vaan aina ainoastaan verraten pieni määrä kuumen-: nuspinnan päälle tapahtuvan kerrosmaisen levityksen ansiosta.

Laite on esitetty lähemmin kuvioissa 1 ja 2, jolloin kuvio l esittää osittaista pitkittäisleikkauskuvaa keksinnön mukai-35 sesta laitteesta ja kuvio 2 esittää leikkauskuvaa kuvion 1 viivaa II - II pitkin suurennetussa mittakaavassa.

Numerolla 1 on merkitty edullisesti pystysuorassa olevan se- 98918 5 koituslaitteen sisäseinämää, joka laite on muodostettu esitetyssä suoritusesimerkissä lähes koko pituudella sylinterimäi-seksi säiliöksi 2. Sisäseinästä 1 on suurimmaksi osaksi ympäröity kuumennusvaipalla 3, jossa on liitännät 4 ja 5 lämmi-5 tysainetta varten, jolloin liitäntä 4 toimii lämmitysaineen syöttämiseksi ja liitäntä 5 sen poistamiseksi.

Säiliöön 2 on laakeroitu keskeisesti moottorin 6 käyttämä sekoitusakseli 7, johon on sijoitettu sekoitussiivet 8. Se-10 koitussiivet 8, jotka on muodostettu esitetyssä suoritusesimerkissä tasaisiksi, ulottuvat säteittäisesti akselin suhteen, jolloin niiden taso on kaltevuuskulmassa alfa sekoi-tusakselin 7 akselin 9 suhteen, jolloin kulman koko on edullisesti säädettävissä. Sekoitussiipien 8 yläpuolella sekoi-15 tusakseliin 7 on asennettu jakorengas 10, joka levittää tulo-aukon 11 kautta syötetyn selluloosasuspension kerrosmaisesti sisäseinämälle 1. Jakorengas 10 on siten tuloaukon 11 korkeudella. 1 Säiliö 2 on alapäästään katkokartionmuotoisesti kapeneva ja siinä on poistoaukko 12 homogeenista selluloosaliuosta varten. Sekoitussiivillä 8 on säiliön 2 koko alueella vakio sä-teittäinen etäisyys 13 säiliön 2 sisäseinämään 1, jolloin tämä etäisyys on korkeintaan 20 mm.

. 25 Säiliön 2 yläosaan, nimittäin jakorenkaan 10 tason yläpuolelle on järjestetty aukko 14 säiliön 2 evakuoimiseksi ja vesihöyryn poistamiseksi.

30 Laitteen toiminta on seuraava:

Selluloosasuspensiota syötetään - mahdollisesti esitemperoi-dussa tilassa - keskeytymättä tuloaukon 11 kautta säiliöön 2, joka on alennetussa paineessa, siinä se kootaan jakorenkaalla 35 10, levitetään sisäseinämälle 1 ja kuljetetaan sekoitussii villä 8 välillisesti lämmitettyä sisäseinämää 1 pitkin, joka toimii kuumennuspintana, säiliön 2 alapäässä olevaan poisto-aukkoon 12. Välilliseen lämmitykseen soveltuvat lämmön- 98918 6 siirtoaineet, kuten vesi, öljy tai höyry.

Kuljetettaessa selluloosasuspensiota välillisesti lämmitettyä sisäseinämää 1 pitkin suspensio lämpenee, jolloin samanaikai-5 sesti haihtuu vettä alennetun paineen johdosta, niin että tertiaarinen amiinioksidi konsentroituu, kunnes selluloosa liukenee.

Kuviossa 2 on esitetty yksityiskohtaisesti, miten selluloosa-10 suspensio käsitellään säiliössä 2. Kuviosta nähdään sekoi-tusakseli 7 sekoitussiipineen 8, sisäseinämä 1 ja lämmitys-vaippa 3, jolloin sekoitusakselin 7 kiertosuunta on oletettu myötäpäiväiseksi ja esitetty nuolella 7'. Selluloosasuspensi-on kerrosmainen levitys tai vast, kerroksen paksuus on taattu 15 sekoitussiipien 8 säteittäisellä etäisyydellä 13 lämmitetystä sisäseinämästä 1. Sekoitussiivissä muodostuu kiertosuunnan johdosta keula-aaltoja selluloosasuspensiosta, jotka on esitetty kaaviomaisesti kuviossa 2. Näissä keula-aalloissa -kuten kuviossa 2 on esitetty - kierrätetään selluloosahiukka-20 siä, jolloin tämä liike välittyy myös sisäseinämälle 1 levitettyyn suspensiokerrokseen. Siten taataan suspension jatkuva kerrostuminen sekä intensiivinen perusteellinen sekoittuminen, mikä parantaa olennaisesti lämmön- ja aineenvaihtoa.

. 25 Keksinnön mukaisen menetelmän jatkuvatoimiselle käytölle on ratkaisevan merkittävää, että eronnut vesihöyry poistetaan vastavirtaan suspension kuljetuksen suhteen. Tämän lisäksi on tärkeää, että vesihöyryn nopeaa poistoa varten järjestetään riittävän suuri haihdutushöyrytila 15, joka on silloin mah-30 dollinen, kun säiliön 2 sylinterimäisen osan suhde sen läpi-; mittaan on 4 - 8.

Keksintö mahdollistaa selluloosaliuosten valmistuksen, jotka sisältävät korkeintaan 30 massa-% selluloosaa.

35

Keksintöä selitetään vielä lähemmin seuraavien esimerkkien . avulla.

98918 7

Esimerkki 1

Suspensio, jossa oli esihydrolysoitua sulfaattiselluloosaa (polymerointiaste n. 1400) N-metyyli-morfoliini-N-oksidin 5 vesiliuoksessa ja jonka vesipitoisuus oli 40 massa-%, tempe-roitiin 70°C:seen ja syötettiin keskeytymättä 90 kg/h:n määränä poistoaukon 11 kautta keksinnön mukaiseen laitteeseen. Esihydrolysoidun sulfaattiselluloosan pitoisuus suspensiossa valittiin siten, että ylimääräisen veden poishaihduttamisen 10 jälkeen selluloosan loppukonsentraatioksi saatiin 10 massa-%.

Sekoitusakselia 7 käytettiin kierrosluvulla 450 min"1, jolloin sisäseinämän 1 päälle levinneen kerroksen paksuus oli 15 mm. Välillisesti lämmitetyn sisäseinämän 1 pinta-ala oli 15 0,5 m2 ja se kuormitettiin lämmitysöljyllä siten, että sus pension lämmityksen mukaisesti (vastavirtaan lämmitysöljyn suhteen) keskimääräiseksi lämpötilaeroksi saatiin 83°C. Höy-rytilaan 15 säädettiin 100 mbaarin paine.

20 Poistoaukosta 12 voitiin saada tuntia kohden 72 kg homogeenista selluloosaliuosta, mikä vastaa suspension 3 minuutin oloaikaa keksinnön mukaisessa laitteessa. Liuos voitiin poistaa kaasuvapaassa muodossa. Sen vikositeetti oli 1500 Pas (mitattuna suhteellisuusjärjestelmässä). Tutkittaessa liuosta . 25 mikroskoopilla voitiin todeta, että liuoksessa ei esiintynyt liukenemattomia selluloosahiukkasia.

Muodostuvat haihdutushöyryt poistettiin vastavirtaan 70°C:n lämpötilassa ja kondensoitiin tämän jälkeen, jolloin tislaus- 30 virta oli 29 kg/tunti.

·* Esimerkki 2 •

Suspensio, jossa oli jauhettua esihydrolysoitua sulfaattisel-35 luloosaa (polymerointiaste n. 1400) N-metyyli-morfoliini- N-oksidin vesiliuoksessa ja jonka vesipitoisuus oli 40 mas-. sa-%, temperoitiin 80°C:seen ja syötettiin keskeytymättä 90 kg/h:n määränä poistoaukon 11 kautta keksinnön mukaiseen 98918 8 laitteeseen. Esihydrolysoidun sulfaattiselluloosanpitoisuus valittiin siten, että ylimääräisen veden poishaihduttamisen jälkeen selluloosan loppukonsentraatioksi saatiin 15 massa-%.

5 Sekoitusakselia 7 käytettiin kierrosluvulla 450 min'1, jolloin sisäseinänhän 1 päälle levinneen kerroksen paksuus oli 1,5 mm. Välillisesti lämmitetyn sisäseinänhän 1 pintaala oli 0,5 m2 ja se kuormitettiin lämmitysöljyllä siten, että suspension lämmityksen mukaisesti (vastavirtaan lämmitysöljyn 10 suhteen) keskimääräiseksi lämpötilaeroksi saatiin 112°C. Höy-rytilassa 15 säädettiin 150 mbaarin paine.

Poistoaukosta 12 voitiin saada tuntia kohden 64 kg homogeenista selluloosaliuosta, joka oli kaasuvapaassa muodossa. Tämä 15 massavirta vastasi 4 minuutin oloaikaa.

Liuos saatiin korkeaviskoosina massana (11.000 Pas mitattuna suhteellisuusjärjestelmässä), jolloin mikroskoopilla tutkittaessa ei voitu todeta enään liukenemattomia selluloosahiuk-20 kasia. Liuos voitiin syöttää suoraan kehruukoneeseen ja kehrätä selluloosakuiduiksi.

Muodostuvat haihdutushöyryt poistettiin vastavirrassa 80°C:n lämpötilassa ja kondensoitiin tämän jälkeen, jolloin tislaus-. 25 virta oli 26 kg/tunti.

Claims (12)

1. 9 98918
2. 1. Menetelmä muovattavien selluloosaliuosten valmistamiseksi vesipitoisissa tertiaarisissa amiinioksideissa tertiaarisen 5 amiinioksidin vesiliuoksessa olevasta selluloosasuspensiosta lämmönsyötön avulla alennetussa paineessa, tunnettu siitä, että - suspensio tuodaan jatkuvatoimisesti tuloaukon (11) kautta evakuoituun ja kuumennettuun astiaan (2), 10. tuotu suspensio levitetään mekaanisesti kerros- tai kalvomaisesti nestekerrokseksi astian (2) kuumennetulle sisäseinämälle (1), levitetty suspensio kuljetetaan voimakkaasti sekoittaen lämmitettyä sisäseinämää (1) pitkin, 15. kuumennuspinnan yli tapahtuvan kuljetuksen aikana liuoksen kuumenemisen ja alennetun paineen johdosta haihtuva vesi johdetaan pois vastakkaiseen suuntaan suspension kuljetussuuntaan nähden, ja muovattava selluloosaliuos poistetaan astiasta (2) 20 jatkuvatoimisesti poistoaukon (12) kautta.
3. 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kuumennuspinnan päälle levitetyn kerroksen paksuus on korkeintaan 20 mm. 25
4. 3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että levitetyn kerroksen paksuus on 1,5 - 5 mm.
5. 4. Yhden tai useamman patenttivaatimuksen 1-3 mukainen 30 menetelmä, tunnettu siitä, että tertiaarisena amiinina käytetään N-metyyli-morfoliini-N-oksidia.
6. 5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen menetelmä, tunnet-t u siitä, että käytetään N-metyyli-morfoliini-N-oksidia 35 vesiliuoksessa, jonka vesipitoisuus on 40 massa-%. . 6. Yhden tai useamman patenttivaatimuksen 1-5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että suspensio saatetaan 98918 10 50 - 150 °C:n lämpötilaan ja siihen kohdistetaan 0,5 - 1000 mbar:n paine.
7. 7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen menetelmä, tunnettu 5 siitä, että suspensio saatetaan 60 - 100 °C:n lämpötilaan ja siihen kohdistetaan 50 - 150 mbar:n paine.
8. 8. Yhden tai useamman patenttivaatimuksen 1-7 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kuljetuksen kesto, 10 jonka aikana suspensio on kosketuksissa kuumennuspinnan kanssa, on 1 - 60 min.
9. 9. Sellaisen laitteen käyttö jonkin patenttivaatimuksen 1-8 mukaisen menetelmän suorittamiseen, jossa on välillisesti 15 lämmitetty, sekoituslaitteella varustettu evakuoitava astia (2), joka on muodostettu sylinterimäiseksi säiliöksi, jossa on keskeisesti laakeroitu sekoitusakseli (7) ja siihen kiinnitetyt sekoitussiivet (8), jolloin sekoitussiipien (8) sä-teittäinen etäisyys (13) säiliön (2) sisäseinämästä (1) on 20 korkeintaan 20 mm ja säiliön yläosaan on järjestetty tuloauk-ko (11) selluloosasuspensiota varten ja alaosaan poistoaukko (12) muovattavaa selluloosaliuosta varten.
10. 10. Patenttivaatimuksen 9 mukainen käyttö, tunnettu 25 siitä, että sekoitusakselissa (7) on jakorengas (10) sellu- * loosasuspension levittämiseksi kerros- tai vastaavasti kalvo- maisesti säiliön (2) sisäseinämälle (1).
11. 11. Patenttivaatimuksen 9 tai 10 mukainen käyttö, t u n -30 n e t t u siitä, että sekoitussiivillä (8) on sekoitusak- selin (7) akselin (9) suhteen kaltevuuskulma (alfa), jokaon suuruudeltaan säädettävissä. 1 Menetelmä selluloosapitoisten kalvojen ja kuitujen val-35 mistamiseksi, tunnettu siitä, että työstetään patenttivaatimusten 1-8 mukaisella menetelmällä valmistettu muo- . vattava liuos sisänsä tunnetulla tavalla kalvoiksi ja kui- duiksi. 98918 11