ITMI952680A1

ITMI952680A1 - Processo per la produzione di cellulosa

Info

Publication number: ITMI952680A1
Application number: IT95MI002680A
Authority: IT
Inventors: Corrado Vezzani
Original assignee: Vomm Chemipharma Srl
Priority date: 1995-12-20
Filing date: 1995-12-20
Publication date: 1997-06-20
Also published as: US5906709A; DE69627117D1; EP0780510B1; AR005187A1; EP0780510A2; ITMI952680A0; CA2193448C; ES2194078T3; BR9606132A; CA2193448A1; IT1277112B1; EP0780510A3; DE69627117T2

Abstract

E' descritto un processo per la produzione di cellulosa a partire da materie prime vegetali che la contengono, mediante reazione di esse con agenti liscivianti, comprendente una preliminare riduzione delle dimensioni di dette materie prime, con ottenimento di un materiale pompabile ed un trattamento a caldo con almeno un agente lisciviante di detto materiale disposto in strato sottile e mantenuto in una condizione di elevata turbolenza.Il suddetto trattamento viene preferibilmente condotto in un turboreattore e porta all'ottenimento di una miscela di fibre di cellulosa e di agente lisciviante esausto, da cui mediante successive fasi di lavaggio e di separazione si ottiene fibra di cellulosa pronta per gli impieghi dell'industria cartaria.Il processo descritto è particolarmente adatto alla produzione di cellulosa da piante annuali con elevati rendimenti, in tempi molto brevi e con costi decisamente limitati rispetto ai processi noti.

Description

DESCRIZIONE

Nel suo aspetto più generale la presente invenzione riguarda un processo per la produzione di cellulosa.

In particolare, l'invenzione si riferisce ad un processo per la produzione in continuo di cellulosa a partire da materiali vegetali che la contengono, e, specialmente, da piante annue.

E’ noto che il consumo di carta e cartone è in costante e progressivo aumento nel mondo intero e che si fa sempre più pressante la necessità di ricorrere a fonti di approvvigionamento di cellulosa, quale materia prima per la produzione della carta, alternative a quelle finora tradizionalmente utilizzate, ovvero le piante a fusto legnoso, quali conifere, latifoglie ecc., anche in considerazione del negativo impatto ambientale connesso con l’abbattimento massivo di alberi d'alto fusto.

Per questo motivo negli ultimi anni sono stati effettuati svariati studi sulle possibilità di impiego di piante annuali, quali grano, sorgo, mais, kenaf ecc., nella produzione di cellulosa.

Il maggior problema che si incontra con l’utilizzazione delle piante annuali nella produzione di cellulosa è costituito dal loro basso peso specifico, e, di conseguenza, dagli enormi volumi di materia prima che devono essere trasportati dai campi di coltura alle cartiere.

Ciò comporta un aggravio di costi tale da rendere non conveniente dal punto di vista economico l'impiego delle piante annuali quali fonti di cellulosa, che già di per sé forniscono rese inferiori a quelle ottenibili con l’utilizzo di piante a fusto legnoso, quando lavorate secondo i processi convenzionalmente impiegati nelle cartiere.

Questi ultimi sono già di per se stessi caratterizzati da una bassa redditività, poiché basati sull’utilizzo di apparecchiature tecnologicamente ormai obsolete. Inoltre, gli impianti delle convenzionali cartiere presentano necessariamente dimensioni notevoli e comportano costi di installazione assai elevati.

Il problema sopra menzionato degli elevati costi di trasporto potrebbe essere superato localizzando unità produttive per l’estrazione di cellulosa in corrispondenza dei luoghi di coltura delle piante. Tuttavia a causa degli elevati investimenti richiesti per l'installazione di un impianto convenzionale di cartiera, la localizzazione di più unità produttive in corrispondenza dei luoghi di coltivazione è difficilmente proponibile.

Il problema che sta alla base della presente invenzione è quello di mettere a disposizione un processo per la produzione di cellulosa a partire da materiali vegetali che la contengono, ed in particolare da piante annuali, che consenta di ovviare agli inconvenienti più sopra evidenziati con riferimento alla tecnica nota.

Un tale problema è risolto, secondo l’invenzione, da un processo per la produzione di cellulosa a partire da materie prime vegetali che la contengono, comprendente una preliminare riduzione delle dimensioni di dette materie prime, con ottenimento di un materiale pompabile, e caratterizzato dal fatto di comprendere il trattamento a caldo con almeno un agente lisciviante di detto materiale disposto in strato sottile e mantenuto in una condizione di elevata turbolenza.

In accordo con un'ulteriore caratteristica dell’invenzione, detto trattamento è attuato facendo fluire in continuo detto materiale pompabile in strato sottile e turbolento a contatto con una parete riscaldata.

Vantaggiosamente, il processo di quest’invenzione viene attuato utilizzando un’apparecchiatura comprendente un corpo tubolare cilindrico ad asse orizzontale, chiuso alle contrapposte estremità, munito di camicia di riscaldamento, di aperture di ingresso e scarico del materiale da trattare e rispettivamente del materiale trattato, di aperture per l’introduzione degli agenti liscivianti, ed un rotore palettato, girevolmente supportato nel corpo cilindrico e comandato in rotazione con velocità periferica di 20-40 metri al secondo.

Con l'impiego di un turboreattore del tipo suddetto, il processo di quest’invenzione è caratterizzato dal fatto di comprendere le fasi di:

alimentare un flusso continuo di detto materiale pompabile in un turboreattore comprendente un corpo tubolare cilindrico ad asse orizzontale, munito di aperture per l’introduzione di detto almeno un agente lisciviante e per lo scarico del prodotto finale, una camicia di riscaldamento per portare la parete interna di detto corpo tubolare ad una temperatura di 200-300°C, un rotore palettato, girevolmente supportato nel corpo tubolare cilindrico, dove è posto in rotazione a velocità compresa nell'intervallo da 20 a 40 metri/secondo, in modo da disperdere detto flusso continuo di materiale pompabile in un flusso di particelle,

centrifugare dette particelle contro la parete interna riscaldata del turboreattore, con formazione di uno strato sottile tubolare e dinamico, in cui le particelle sono mantenute meccanicamente in una condizione di elevata turbolenza dalle palette di detto rotore palettato,

far avanzare detto strato sottile tubolare dinamico verso l'apertura di scarico del turboreattore, facendolo fluire in sostanziale contatto con detta parete interna riscaldata di esso,

alimentare in detto turboreattore un flusso continuo di almeno un agente lisciviante, in sostanziale equicorrente a detto strato sottile tubolare e dinamico di particelle ed in interferenza con esse.

Preferibilmente, il suddetto agente lisciviante è in soluzione acquosa ed è scelto dal gruppo comprendente idrossido di sodio, idrossido di calcio, metabisolfito di sodio e loro miscele.

La soluzione di agente lisciviante viene alimentata nel turboreattore fin dall’ingresso, poiché in tal modo il rotore palettato provvede ad una sua efficace nebulizzazione e centrifugazione, garantendo di conseguenza la sua introduzione nello strato sottile turbolento dinamico di particelle di materiale da trattare in una condizione molto dispersa.

In tal modo viene favorito il più intimo contatto possibile fra le particelle e l'agente lisciviante e ciò consente di aumentare grandemente l'efficacia del trattamento.

In alcuni casi può risultare opportuno immettere agente lisciviante anche in altre zone del turboreattore; a questo proposito la parete interna dello stesso può essere munita di aperture per la nebulizzazione di soluzioni di agente lisciviante a diversi livelli nella lunghezza del corpo tubolare cilindrico.

La quantità di agente lisciviante utilizzata nel processo secondo l'invenzione (peso secco) è preferibilmente compresa fra il 5 ed il 10% in peso rispetto al peso secco del materiale vegetale da trattare.

Le soluzioni degli agenti liscivianti devono avere una concentrazione tale da dar luogo, all'interno del turboreattore, ad una miscela con il materiale da trattare presentante un rapporto fra sostanza secca e acqua compreso fra 1 :3 e 1 :5.

Il tempo medio di permanenza del materiale da trattare all’interno del turboreattore è generalmente compreso fra 30 e 60 secondi.

In taluni casi nei quali l’estrazione della lignina e delle altre sostanze legate alla cellulosa si rivela particolarmente difficoltosa, può risultare utile alimentare il flusso di prodotto in uscita dal turboreattore in continuo in un secondo turboreattore.

In tale turboreattore, nel quale le condizioni sperimentali (temperatura della parete interna, velocità del rotore palettato) sono essenzialmente le stesse del precedente, ma non avviene alcuna ulteriore aggiunta di agente lisciviante, si verifica il completamento delle reazioni causate dall'agente lisciviante in un tempo medio di permanenza pari a 5 - 10 minuti.

Può risultare utile, in questo stadio, l’immissione di un piccolo flusso di vapore ad una pressione di 2-5 atmosfere in equicorrente con il prodotto in ingresso.

Ciò ha lo scopo di evitare la formazione di incrostazioni a causa dell’indurimento della lignina.

Sia nel caso in cui il materiale vegetale subisca un solo trattamento in un unico turboreattore, sia nel caso in cui esso venga sottoposto a due successivi trattamenti in due turboreattori, il prodotto finale viene avviato a successive fasi convenzionali di lavaggio, separazione della fibra cellulosica dal liscivio esausto, denominato comunemente con il termine anglosassone "black liquor', bianchimento (o "bleaching") ed essiccamento.

I vantaggi e le caratteristiche di quest’invenzione risulteranno maggiormente dalla descrizione di un esempio di attuazione di un processo per la produzione di cellulosa a partire da materiale vegetale che la contiene, fatta qui di seguito con riferimento ai disegni allegati dati a titolo indicativo.

Nella figura 1 è schematicamente rappresentata un'apparecchiatura per l’effettuazione del processo secondo l’invenzione.

Nella figura 2 è schematicamente rappresentato un impianto completo per la produzione di cellulosa secondo il processo dell'invenzione.

Con riferimento alla figura 1 , l'apparecchiatura utilizzata per il processo secondo l’invenzione comprende un primo apparecchio, che nel seguito della descrizione sarà chiamato turboreattore A ed un secondo apparecchio nel seguito chiamato turboreattore B.

II turboreattore A è costituito essenzialmente da un corpo tubolare cilindrico 1 , chiuso alle contrapposte estremità da fondi 2, 3 e coassialmente munito di una camicia 4 di riscaldamento destinata ad essere percorsa da un fluido, ad esempio olio diatermico, per mantenere la parete interna del corpo 1 ad una prefissata temperatura.

li corpo tubolare 1 è munito di aperture 5, 6 di ingresso del materiale vegetale pompabile da trattare e rispettivamente dell’agente lisciviante utilizzato, nonché di un’apertura 7 di scarico della miscela di materiale vegetale trattato e di agente lisciviante esausto.

Nel corpo tubolare 1 è girevolmente supportato un rotore palettato 8, le cui palette 9 sono disposte elicoidalmente e sono orientate per centrifugare e contemporaneamente convogliare verso l'uscita i reagenti e rispettivamente i prodotti della reazione.

Un motore M è previsto per l’azionamento del rotore palettato a velocità periferiche variabili da 20 a 40 metri/secondo.

Nella parete interna del corpo tubolare 1 sono presenti aperture 10 per l'immissione di agente lisciviante in forma nebulizzata.

Quando la reazione avvenuta nel turboreattore A necessita di un completamento, l’apertura di scarico 7 del turboreattore A è in comunicazione, attraverso un condotto 11 , con l'apertura d'ingresso 105 di un secondo turboreattore B, che avendo struttura del tutto simile al turboreattore A più sopra citato, non viene descritto nel dettaglio. I componenti del turboreattore B, uguali a quelli del turboreattore A, vengono indicati con uguali numeri di riferimento aumentati di 100.

Con riferimento alla figura 2, un impianto per la produzione di cellulosa seconda il processo dell’invenzione comprende il turboreattore A ed il turboreattore B più sopra descritti, un lavatore L, una pressa a bivite P, un essiccatore per il "black liquor" EB, un’apparecchiatura per il bianchimento o "bleacher" BL ed un essiccatore per la fibra di cellulosa EF.

ESEMPIO

In un turboreattore A, avente corpo cilindrico tubolare 1 del diametro interno di 220 mm, in cui il rotore palettato è fatto girare ad una velocità di 1000 giri/minuto ed in cui la parete interna è mantenuta ad una temperatura controllata attorno a 280°C, viene alimentato in continuo un flusso di paglia di grano macinata (dimensioni di circa 2 cm di lunghezza), con portata di 10 kg/h. Contemporaneamente attraverso l'apertura 6 e le aperture 10 vengono alimentati in continuo 30 l/h di una soluzione di NaOH al 2,5% p/v.

Immediatamente all’ingresso del turboreattore A, il flusso di paglia macinata viene meccanicamente disperso in minute particelle, che sono immediatamente centrifugate contro la parete interna del turboreattore stesso, dove vanno a formare uno strato sottile tubolare dinamico.

Contemporaneamente la soluzione acquosa di idrossido di sodio in ingresso attraverso l’apertura 6 viene meccanicamente finemente nebulizzata dalle palette 9 del rotore 8, che provvedono anche all'immediata centrifugazione delle minutissime gocce ottenute. Queste vengono così introdotte nello strato sottile tubolare dinamico di particelle di paglia con le quali possono "interagire".

La soluzione di idrossido di sodio introdotta in forma nebulizzata attraverso le aperture 10 va ad ulteriormente incrementare l'interazione dell’agente lisciviante con le particelle di paglia.

Dopo un tempo di permanenza di circa 40 secondi nel turbo reattore 1 , dall'apertura 7 viene scaricato in continuo il prodotto dalla reazione, costituito da una miscela di fibre di cellulosa e di agente lisciviante esausto.

Il prodotto della reazione viene alimentato in continuo nel turboreattore B, avente un diametro interno di 350 mm, attraverso l'apertura (105) in equicorrente ad un flusso di vapore ad una pressione di 3,5 bar e con una portata di 40 Kg/h.

Nel turboreattore B la temperatura di parete è controllata ad un valore di 260°C, mentre la velocità di reazione del rotore palettata è mantenuta costantemente a 700 giri/minuto.

In questo secondo turboreattore B l’interazione fra l’idrossido di sodio e le particelle di paglia si completa e viene facilitata la successiva separazione delle fibre di cellulosa da! "black liquor" mantenendo plastificati, grazie al flusso di vapore, i costituenti delia paglia, in particolare la lignina, che tendono ad incrostare la cellulosa.

Dopo un tempo di permanenza di circa 6 minuti, si scarica in continuo, attraverso l'apertura 107, un prodotto costituito essenzialmente da cellulosa e da un "black liquor", costituito da una soluzione di idrossido di sodio contenente resine, sostanze incrostanti, lignina ecc.

Tale prodotto viene avviato ad un lavatore L, dove viene lavato con tre parti in peso di acqua ad una temperatura di 95-100°C e successivamente ad un separatore del tipo pressa P a bivite, in cui la fibra di cellulosa viene separata dal "black liquor".

La resa di fibra di cellulosa rispetto alla paglia in entrata è risultata pari al 38%, valutata sul secco.

Il "black liquor" può essere essiccato nell’essiccatore EB ed utilizzato quale combustibile o come materia prima nell'industria degli adesivi.

La fibra di cellulosa può invece essere eventualmente avviata ad una fase di bianchimento, per trattamento con perossido di idrogeno o altri agenti sbiancanti, in un "bleacher" BL, ed infine essiccate in un essiccatore EF.

Il vapore generatosi negli essiccatori EB ed EF può essere in parte alimentato nel turbo reattore B e nel lavatore L ed in parte condensato e riutilizzato per preparare le soluzioni di agente lisciviante.

Tutte le fasi di lavorazione sopracitate, successive alle reazioni eseguite nei turboreattori A e B, possono essere vantaggiosamente eseguite con apparecchiature funzionanti in continuo.

In particolare è possibile utilizzare al posto degli essiccatori convenzionali per la fibra di cellulosa (EF) e per il "black liquor" (EB), turbo essiccatori de! tipo di quelli prodotti dalla stessa Richiedente.

Allo stesso modo è possibile sostituire i bleacher BL convenzionali con turboreattori uguali a quelli più sopra descritti.

Anche i lavatori L tradizionalmente impiegati possono essere sostituiti da turbolavatori.

Con l’utilizzo di tali apparecchiature è possibile condurre il processo di produzione di cellulosa da materie prime a vegetali in maniera assai più redditizia e flessibile che con le apparecchiature della tecnica nota.

Innanzitutto la lavorazione in continuo che esse consentono garantisce un’efficienza complessiva superiore, per l’assenza di tempi morti nel corso della lavorazione, e ritmi di produzione più elevati.

Inoltre l'apparecchiatura utilizzata per l’attuazione del processo secondo l’invenzione e delle fasi successive, che conducono all’ottenimento di fibra di cellulosa pronta per l'impiego della fabbricazione della carta, del cartone ecc., sono caratterizzate da dimensioni decisamente contenute rispetto alle apparecchiature convenzionali e comportano a costi d’installazione ridotti a circa un decimo di quelli prevedibili per un impianto tradizionale.

Ciò rende più che realistica l’ipotesi d'installare più unità produttive in corrispondenza dei luoghi di produzione della materia prima vegetale.

In tal modo si può risolvere il problema più sopra evidenziato degli elevati costi connessi con il trasporto delle materia prime derivate da piante annuali o scarti vegetali dal luogo di coltivazione alla cartiera e aprire così la via ad un utilizzo esteso delle piante annuali o degli scarti vegetali nella produzione di cellulosa, con evidenti vantaggi dal punto di vista non solo economico, ma anche della tutela dell’ambiente.

Un ulteriore grande vantaggio connesso con il processo secondo l'invenzione è quello delle ridotte quantità di acqua richieste per la sua attuazione, pari a circa un decimo di quelle necessarie per attuare i corrispondenti processi noti.

Ciò è reso possibile grazie all'intimo contatto realizzato fra le particelle di materia prima vegetale e gli agenti liscivianti all'interno dello strato sottile tubolare dinamico che si crea nei turboreattori per effetto dell’intensa azione meccanica del rotore palettato.

Grazie alla suddetta azione meccanica, anche in presenza di una ridotta quantità di acqua, le particelle hanno ugualmente modo di venire in contatto omogeneamente ed intimamente con le molecole dell'agente lisciviante.

Un vantaggio connesso con il ridotto consumo d’acqua è la produzione estremamente ridotta, o addirittura nulla, di reflui.

Il trovato così concepito è suscettibile di varianti e modifiche, tutte rientranti nell'ambito di protezione che ad esso compete. Fermo restando che la condizione fondamentale critica del processo di questa invenzione per la produzione di cellulosa è costituita dal trattamento termico di materiale vegetale reso pompabile in strato sottile e dinamico con almeno un agente lisciviante, molte varianti possono essere apportate a livello del materiale vegetale di partenza, degli agenti liscivianti utilizzati, delle grandezze chimico-fisiche in gioco nel processo e delle caratteristiche strutturali dell’apparecchiatura, il tutto in funzione di particolari e contingenti esigenze.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Processo per la produzione di cellulosa a partire da materie prime vegetali che la contengono, mediante reazione di èsse con agenti liscivianti, comprendente una preliminare riduzione delle dimensioni di dette materie prime, con ottenimento di un materiale pompabile, e caratterizzato dal fatto di comprendere un trattamento a caldo con almeno un agente lisciviante di detto materiale disposto in strato sottile e mantenuto in una condizione di elevata turbolenza.
2. Processo secondo la rivendicazione 1 , caratterizzato dal fatto che detto trattamento è attuato facendo fluire in continuo detto materiale pompabile in strato sottile e turbolento a contatto con una parete riscaldata.
3. Processo per la produzione di cellulosa a partire da materie prime vegetali che la contengono, mediante reazione di esse con almeno un agente lisciviante, comprendente una fase preliminare di riduzione delle dimensioni di dette materie prime, con ottenimento di un materiale pompabile, e caratterizzato dal fatto di comprendere le fasi di: alimentare un flusso continuo di detto materiale pompabile in un turboreattore (A) comprendente un corpo (1) tubolare cilindrico ad asse orizzontale, munito di aperture (6, 7) per l’introduzione di detto almeno un agente lisciviante e per lo scarico del prodotto finale, una camicia (4) di riscaldamento per portare la parete interna di detto corpo tubolare ad una temperatura di 200-300°C, un rotore (8) palettato, girevolmente supportato nel corpo (1) tubolare cilindrico, dove è posto in rotazione a velocità periferica compresa nell’intervallo da 20 a 40 metri/secondo, in modo da disperdere detto flusso continuo di materiale pompabile in un flusso di particelle, centrifugare dette particelle contro la parete interna riscaldata del turboreattore (A), con formazione di uno strato sottile tubolare e dinamico, in cui le particelle sono mantenute meccanicamente in una condizione di elevata turbolenza dalle palette di detto rotore (8) palettato, far avanzare detto strato sottile tubolare dinamico verso l’apertura (7) di scarico del turboreattore, facendolo fluire in sostanziale contatto con detta parete interna riscaldata di esso, alimentare in detto turboreattore (A) un flusso continuo di almeno un agente liscivìante, in sostanziale equicorrente a detto strato sottile tubolare e dinamico di particelle ed in interferenza con esse.
4. Processo secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che detto almeno un agente liscivìante è in soluzione acquosa ed è scelto dal gruppo comprendente idrossido di sodio, idrossido di calcio, metabisolfito di sodio e loro miscele.
5. Processo secondo una qualunque delle rivendicazioni 3 e 4, caratterizzato dal fatto che il tempo medio di permanenza dei materiali sottoposti a reazione all'interno del turboreattore è di circa 30-60 secondi.
6. Processo secondo una qualunque delle rivendicazioni da 3 a 5, caratterizzato dal fatto di comprendere le fasi ulteriori di: alimentare un flusso continuo di detto prodotto finale scaricato da detto turboreattore (A) in un secondo turboreattore (B), comprendente un corpo (101) tubolare cilindrico ad asse orizzontale, munito di aperture (106, 107) di ingresso e scarico, di una camicia (104) di riscaldamento per portare la parete interna ad una temperatura di 200-300 °C, e di un rotore (108) palettato posto in rotazione a velocità periferica compresa nell'intervallo da 20 a 40 metri/secondo, in modo da disperdere detto flusso continuo di prodotto in un flusso di particelle, centrifugare dette particelle contro la parete interna riscaldata di detto secondo turboreattore (B), con formazione di uno strato sottile tubolare e dinamico, in cui le particelle sono mantenute meccanicamente in una condizione di elevata turbolenza dalle palette (109) di detto rotore (108) palettato, far avanzare detto strato sottile tubolare dinamico verso l'apertura (107) di scarico di detto secondo turboreattore (B), facendolo fluire in sostanziale contatto con detta parete interna riscaldata di esso, con un tempo medio di permanenza di 5-10 minuti.
7. Processo secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto di comprendere l’ulteriore fase di alimentare in continuo in detto secondo turboreattore (B) un flusso continuo di vapore ad una pressione di 2-5 atmosfere in sostanziale equicorrente a detto strato sottile tubolare e dinamico di particelle ed in interferenza con esso.