KR0179038B1 - 분해기내의 폐액을 치환시키는 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 분해기(10)내에 유체를 적량적으로 치환하기 위해 가압하에서 상기 분해기(10)내로 치환 유체의 1차 부피량을 상기 분해기(10)의 상부말단(22)으로 펌핑하여 유입시키고 치환 유체의 2차 부피량은 상기 분해기(10)의 하부말단(21)으로 펌핑하여 유입시키는 배치 분해 단계에 사용하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 치환된 유체는 상기 분해기의 상부와 하부 사이 중앙라인 (25)부근에서 상기 분해기로부터 수거되고 제거된다.

Description

[발명의 명칭]

분해기내의 폐액을 치환시키는 방법 및 장치

[발명의 배경]

[기술분야]

본 발명은 목재 칩(wood chip)과 같은 셀룰로오스계 재료의 개선된 배치 분해(batch degestin) 방법 및 이를 위한 장치에 관한 것이며, 더욱 구체적으로 분해 과정의 최종 단계에서 얻어진 검은 색의 폐액(spent liquor) 내에 함유되어 있는 현열(sensible heat)을 보존시키는 방법 및 장치에 관한 것이다.

[종래의 기술]

목재 칩을 분해시키는 종래의 배치 방법에 있어서, 분해기(digester)에 칩을 채운 다음 증해용(cooking, 蒸解) 화학물질(즉 소다법에서 주로 수산화나트륨 용액을 함유하고, 크라프트법에서는 용액에 추가로 황화합물을 포함하는 용액을 함유)을 충진한다. 다음 이 분해기를 밀폐하고, 증기로 분해기의 온도를 증해 온도까지 올려서 일정 시간 동안 유지한다. 증해 단계가 끝나는 시점에서 상기 분해기의 분출 밸브을 열고, 분해기의 내용물을 고온의 용액을 사용하여 블로우 탱크(blow tank)로 방출시킨다. 이때 고온의 용액은 증기속으로 유입되어 탈리그닌화된 펄프(pulp)를 분해기 밖으로 배출시킨다.

상기 처리 과정에서 분해기의 내용물이 지닌 많은 열 에너지는 배출 증기와 함께 블로우 탱크를 통해 방출된다. 이러한 열 에너지를 회수하기 위해, 상기와 같은 증기가 다양한 형태의 열 회수 시스템을 통과하도록 하는 시도들이 이루어졌다. 하지만, 이들 여러 회수 시스템은 효율적이지 못했는바, 일부 펄프 제조업자들은 절약하기 위해 연속적인 분해 공정 시스템을 설치하였다. 연속 공정은 배치 분해 공정과 상당히 다르며, 보통 종래의 배치 공정으로 얻어지는 열이용율보다 더욱 효율적인 열이용율을 가진다. 그러나, 일반적으로 연속 공정에 필요한 설치비는 배치형 공정에 필요한 설치비보다 훨씬 많이 들고, 생성되는 펄프의 특성도 서로 다를 수 있다.

본 발명자가 미국 특허 제4,578,149호 및 제4,601,787호에서 제시된 바와 같이 에너지 절약에 효과적인 배치형 방식을 이용한 다양한 배열 방법이 제안되었다. 변형된 배치 방법은, 증해 단계가 끝나는 시점에서, 분해기를 가압하에 유지하면서, 실질적인 증해 온도와 가압하에서 고온 증해 폐액을 치환(displacement)시키기 위해 치환 용액(displacement liquid)을 사용한다. 치환된 저온(cool) 폐액, 고온(hot) 폐액 및 증온(warm) 폐액을 2 개 또는 3 개의 축적기를 사용하는 3 개의 축적기 시스템내에 저장한다. 연속적인 배치방식으로 진행하는 경우 분해기를 충진시키는 동안, 축적기내의 상기 폐액들을 분해기로 유입시켜 공기를 치환하고 칩을 예열하고 전처리한다. 모든 폐액 충진물이 치환 제거된다. 이러한 공지의 치환 기술은, 치환용 유체는 상기 분해기의 하부로 펌핑시켜 유입하고, 치환된 유체는 분해기의 상부를 통해 유출하는 방식이다.

본 발명의 제1 목적은 배치형 방법의 잇점을 이용하고 종래의 배치 방법보다 열 에너지 절약을 증태시키는데 효과적인 개선된 방법과 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 제2 목적은 분해 단계가 끝나는 시점에서의 검은색의 폐액을 제거하는 치환 개념을 이용하고 또한 분해단계가 끝나는 시점에서 그 폐액을 제거하는데 걸리는 시간을 절약하는데 효과적인 개선된 배치형 분해기 증해 시스템을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 제3 목적은 배치형 증해를 이용하고, 치환 용액과 고온의 검은색의 폐액의 혼합을 감소시켜 상기 폐액이 고온을 유지하도록 치환 용액을 첨가하므로써 증해의 최종 단계에서 상기 검은색 폐액을 제거하는 방법을 제공하고자 한 것이다.

[도면의 간단한 설명]

제1도로 표시된 도면은 본 발명의 원리에 따라 구성되고 조작되는 분해기 시스템의 개략도이다.

[발명의 상세한 설명]

본 발명의 취지에 따라, 분해기를 목재 칩과 증해용 용액으로 충진하고, 증해 단계가 끝나는 시점에서 검은색의 폐액을 제거한 뒤 승온 및 과압하의 저장용기내에 보유하고, 이 보유된 폐액을 제2 의 분해기내의 칩을 가열하고 전처리하는데 이용하므로써 상기 검은색 폐액내의 현열 및 잔존 화학 물질을 보존하는 장치 및 방법이 제공된다. 저온의 치환 용액을 분해기의 상부 및 하부로 펌핑에 의해 유입시켜 이 검은색 폐액을 가압하에서 제거하고 저장 용기내로 전달한다. 고온의 검은색 폐액은 상부 및 하부로부터 각기 유입되는 두 칼럼의 저온 용액에 의해 상기 분해기의 중간 지점에서 제거배출 된다. 이후의 분해기내의 충진물을 치환하는 과정도 이와 유사한 방법으로 조작된다.

상기와 같은 배열방식을 이용하면 최소한의 시간내에 폐액을 치환시킬 수 있다. 치환용 용액이 진행되기 전에, 즉, 치환 용액이 치환된 용액을 밀어내는 지점에서 이 두가지 용액의 소정량이 서로 섞이게 된다. 하지만, 두 용액이 섞이게 되는 계면의 두께 또는 혼합되는 양은 종래의 치환기술과 비교해 볼때 상기 계면이 이동 간격을 훨씬 감소시키므로써 최소화되고, 상기 치환된 용액을 양쪽 방향에서 밀어내므로써 치환 단계에 소요되는 총 시간을 감소시킨다. 또한, 치환된 용액과 치환용 용액 사이에 2개의 계면이 형성되긴 하지만, 이 계면들의 두께는 감소된다.

상기 두 개의 치환 방향의 배열로부터 얻어지는 또 하나의 특징은 탈리그닌화 단계에 소요되는 증해시간이 최적으로 설정되므로써 사이클 시간이 경감된다는 것이다. 증해 시간이 완료되면, 증해 반응을 신속하게 종료하여, 목재 칩을 과잉 증해하지 않도록 하는 것이 바람직하다. 저온 용액으로 치환하는 시간을 감소시키면 총반응 공정에서 임의의 시간을 감소시킬 수 있어 공장내 상기 시스템의 총 생산 용량을 증태시키는 추가의 잇점을 가진다.

검은색 폐액을 모두 제거하고, 분해기의 상부로부터 증기압과 같은 종래의 수단으로, 또는 상기 분해기의 상부로 공기를 유입시켜 탈리그닌화된 펄프를 분해기 하부의 단부로 분출시킴으로서, 또는 더욱 바람직하게는, 상기 함유물을 분해기 밖으로 펌핑에 의해 분출시킴으로써 함유물을 배출시켜 블로윙(blowing)할 수 있다.

치환 용액이 양쪽 단부로부터 첨가되기 때문에 분해기의 상하 단부에 있는 펄프는 거의 동일한 양의 세정액을 공급받아 분해기 내부에서 더욱 균일하게 세정된다.

본 명세서의 바람직한 구체예와 특허청구의 범위 및 도면의 개시와 함께 본 발명의 취지를 교시함으로써 기타 목적, 잇점 및 특징이 더욱 명백해질 것이다.

[바람직한 구체예의 설명]

배치형 방법은 분해기내에 목재 칩을 채운 다음, 반응성 화학약품을 함유하는 반응 용액을 상기 분해기내에 유입시키는 것이 전형적인 방법이다. 소다법의 경우에 백색(white) 용액으로 공지된 반응 용액은 주로 황화합물을 함유하는 수용액이다. 분해기내의 내용물을 승온 및 가압하에서 분해시키는데 어떤 분해기내의 온도는 주로 330℉ 내지 350℉ (약 165℃ 내지 약 177℃)범위이다. 증해 사이클은 최종 단계에서 산출되는 반응 용액을 검은색 용액 또는 폐액으로 지칭하는데, 이 폐용액은 분해기내의 온도를 유지하고 또한 잔존 활성 화학 약품을 함유하고 있다.

본 발명에 따라, 증해 사이클의 최종 단계에서, 분해기내의 압력을 유지시키면서 펄프 세정 사이클로부터 배출된 여과액일 수도 있는 치환 용액을 분해기의 상하 양단부로 펌핑하여 유입시키는 것이 바람직하다. 저온 치환 용액중 1차 부피량을 분해기의 상부로 펌핑하여 유입시키고 저온 치환 용액중 2차 부피량을 분해기의 하부로 펌핑하여 유입시켜 분해기내 고온의 검은색 폐액을 치환한다. 상기 고온의 검은색 폐액을 분해기의 중심부에 있는 배출구를 통해 분해기로부터 유출한 뒤 이를 분해기내의 온도와 압력을 유지하면서 저장 용기(reservoir) 또는 축적기(accumulator)로 전달한다. 칩을 더 증해하고 세정하기 위해 추가로 치환처리시킬 수 있다. 각 치환 유체의 총 부피량이 상기 검은색 폐액의 부피량과 동일할 필요는 없다. 예를 들면, 분해기의 상하로 각각 펌핑시켜 유입되는 제 3 및 제 4 부피량을 사용하여 추가로 고온의 폐액을 분해기 밖으로 배출시키는 것도 가능하다.

분해기를 연속적인 배치방식으로 충진하고자 할때, 칩들을 분해기에 충진하면서 증기가 에어노즐(air nozzle)같은 적당한 팩킹수단을 배치하여 분해기에 유입되는 칩들에 대해 가압된 유체가 방출되도록 한다. 충진 완료시, 수력에 의해 펌핑하여 전단계 분해기 사이클에서 치환 용액으로서 주로 사용한 저온의 세정 여과물로 분해기를 가득 충진시킨다. 이렇게 충진시키면 분해기로부터 공기가 밀려나가고, 상기 칩이 처리되기 시작하면서 칩이 가온된다. 3 단계 치환 가열 방식의 경우 이런 충진은 저온의 검은색 폐액이 들어 있는 축적기에서 배출된 용액에 의해 실시될 것이다. 즉, 상기 저온의 검은색 폐액은 또 다른 용액 축적기중에서 배출된 중온의 검은색 폐액이 들어 있는 분해기로부터 치환되고, 이어서 고온의 폐액과 치환되고 다음 증해용 용액과 치환된다. 각각의 치환 단계에 있어서, 증해 사이클의 시작 단계에서나 최종 단계에서, 치환용 유체는 분해기의 상부와 하부로 펌핑하여 유입하고, 치환된 유체는 분해기의 중간부위에서 제거한다. 보통, 상부 및 하부로부터의 분리된 제거 처리는 거의 동시에 실시되나 ; 그러나, 어떤 경우에는 어느 한쪽을 지연시키는 것이 바람직할 수 있다.

본 발명의 방법을 실시하는데 이용되는 특정 장치로서, 본원의 도면에 도시된 분해기(10)가 있다. 분해 사이클의 시작 단계는 전처리된 칩을 (11)에서 분해기내로 주입하고 증기나 공기와 같은 것을 유입하여 최대 부피가 되도록 팩킹하는 단계이다. 분해기의 하단부에는 밸브(12a)를 구비한 개구부(12)가 있는데, 이 밸브는 분해와 치환 단계가 종료된 후 개방되어 블로윙이나 펌핑방식으로 펄프를 블로우 챔버(13)로 배출시킨다.

증해 공정을 개시하기 위해, 탱크 팜(tank farm)(16)으로부터 배출된 저온, 중온 및 고온의 검은색 폐액에 의해 예비 가열이 이루어질 수도 있다. 상기 탱크 탑(16)은 다수의 축적기를 함유한다. 본 기술분야의 전문가들에게 공지되고 전술한 본 발명자의 미국 특허에 개시한 바와 같이 저온 및 고온의 검은색 폐액용으로 적절한 축적기 및 부가적으로 중온의 검은색 폐액용의 적절한 축적기기 제공될 수 있다. 적합한 밸브 조절 수단(17) 및 (18)이 구비되어 모든 치환 용액이 분해기의 상부 및 하부에서 조절 가능하게 제공된다. 이 조절 수단은 주로 유속 조절 밸브로서, 출발과 종지 및 각 단부에서의 치환 속도를 별도로 조절 가능케 한다. 칩을 예열하고 전처리하는 공정이 완료된 다음, 증해 공정을 실시하는데, 이때 분해기는 밀폐되어 소정의 시간 동안 소정의 증해 온도를 유지한다. 본 기술분야의 전문가들에게 공지된 열교환기와 같은 부가적인 가열 장치가 제공될 수 있다.

상기 증해 사이클의 완료시 분해기내 압력 및 온도를 유지하면서, 저온의 치환 용액을 저온의 탱크(19)로부터 얻은 뒤 밸브(21)과 (22)를 가진 조절 라인을 통해 펌프(20)에 의해 상기 분해기내로 강제 유입시켜 분해기의 상부 및 하부로 펌프 주입한다. 바람직하게는 펄프 세정기로부터 배출되는 저온 용액을 분해기로 펌프 주입할 때, 그 용액은 분해기(10)의 하부로부터 윗쪽으로, 상부로부터 아랫쪽으로 유입되므로 고온의 검은색 폐액은 밸브(23)와 라인을 통해 강제 배출되어 상기 탱크 팜(16)내의 고온 축적기로 전달된다. 고온의 폐액은 (27)에 개략적으로 제시한 바와 같은 또 다른 분해기내의 칩을 연속적으로 예열하는데 사용된다. 배치 분해기(27)는 주로 크기 및 조작방법에 있어서 분해기(10)와 유사하다는 것을 당업자라면 인지할 것이다. 상기 저온 탱크(19) 및 탱크 팜(16)중의 용액을 분해기의 상부 및 하부 각각으로 분할하여 주입하는 별도의 유입구가 도시되어 있긴 하지만 단일 유체 유입구가 상기 분해기의 상부와 하부에 제공되도록 각각의 밸브를 가진 분리된 라인들도 상기 분해기내에서 공통의 유입구를 사용할 수 있다는 것도 당업자라면 숙지할 수 있을 것이다.

상기 분해기(10)는 분해기의 상부와 하부 사이의 중간 위치에 스크린(screen)(25)을 가지고 있다. 분해기내에서 치환되는 고온의 폐액이나 다른 유체는 펄프의 누출방지용 스크린(25)을 통해 유출된다. 분해기내에서 치환 용액이 분해기의 하부로부터 윗쪽으로, 상부로부터 아랫쪽으로, 즉 스크린(25)쪽으로 이동하면서 진행되고 치환된 용액이 배출될때, 치환용 용액의 진행부 앞부분들 사이에는 계면이 형성될 것이고, 이 치환용 용액은 상기 고온의 검은색 폐액으로부터 별도로 수거될 수 있다.

상기 증해단계가 완료되면 상부 유입구(31)로 가압의 증기, 공기 또는 다른 유체를 주입하여 상기 분해기의 블로윙을 실시할 수 있다. 유체의 주입은 모든 펄프를 상기 블로우 챔버(13)내로 밀어낼때까지 지속한다. 대안적으로 밸브(12a) 및 블루우 챔버(13)와 연결된 펄프를 사용하여 분해기를 배기시킬 수 있다. 상기 블로우 챔버내의 섬유들은 세정용 물 유입구(30)를 가진 세정기(29)로 전달될 것이다. 고온의 섬유로부터 약간의 열을 수득한 세정용액은 저온 탱크(19)로 전달되어 다음의 연속적인 배치 증해 단계에서 치환 용액으로서 사용될 수 있다. 상기 저온 탱크(19)는 탱크 팜(16)의 일부분일 수도 있다. 일반적으로 다수의 분해기를 이용하여 연속적인 배치 증해 방법으로 조작할 수 있기 때문에, 상기 탱크 팜(16)내의 축적기들로부터 배출된 고온의 폐액을 (27)에 도시한 바와 같은 연속적인 분해기에 사용하는 경우와 같이, 하나의 분해기로부터 배출된 세정 용액은 연속적인 분해기에 사용될 수 있다.

그러므로, 본원에서는 상기 펄프를 블로윙 하기 전에 펄프로부터 폐액을 제거함으로써 열에너지의 손실을 감소시키고 공기 오염을 감소시킬 수 있는 개선되고 단순화된 비교적 빠르게 조작하는 방법을 제시하였다. 본 발명은 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다양하게 변화시킬 수 있다.

Claims (9)

1. 분해기(10)을 다량의 셀룰로오스계 재료와 분해 용액을 충진한 다음, 이 충진물을 승온과 과압하에서 증해(cooking, 蒸解)하여 탈리그닌화된 펄프의 칼럼과 고온의 폐액(hot spent liquor)을 분해기(10)내에서 얻는 배치 분해 방법에 있어서, 상기 셀룰로오스계 재료를 분해한 후, 탈리그닌화된 펄프의 칼럼은 거의 본래대로 유지하면서 저온 용액을 상기 분해기(10)내로 펌프 주입시켜 가압하에서 상기 고온의 폐액을 정량적으로 치환(displacement)하고, 상기 고온의 폐액을 고온 및 과압하에서 유지하면서 분해기로부터 고온의 폐액을 강제 배출시키는 단계; 및 상기 가압하에서 치환된 고온의 폐액을 제2 의 대량 셀룰로오스계 재료를 포함하는 배치 분해기(27)로 전달하여 제2 의 대량 셀룰로오스계 재료를 예열하는데 폐액의 현열을 보존 및 이용하는 단계를 포함하며, 저온 용액의 제1 부피량의 상기 칼럼의 상부로 펌프 주입되어 고온의 폐액을 분해기의 아랫쪽으로 치환시키고, 저온 용액의 제2 부피량은 분해기내의 상기 칼럼의 하부로 펌프 주입되어 고온의 폐액을 분해기의 윗쪽으로 치환시키며, 치환된 고온의 폐액은 분해기의 중간 부위에서 분해기 밖으로 강제 배출되는 것을 특징으로 하는 배치 분해 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 저온 용액의 제1 및 제2 부피량이 분해기(10)내에 함유된 고온 폐액의 총 부피량 미만인 것을 특징으로 하는 배치 분해 방법.
3. 제1항에 있어서, 제3 부피량 및 제4 부피량의 치환 용액을, 각각 분해기의 상단부와 하단부로 펌프 주입시키고, 이때 제1, 제2, 제3 및 제4 부피량의 총합은 분해기(10)내에 함유된 고온 폐액의 부피량과 거의 동일하여, 고온 폐액의 거의 모두가 치환 제거될 수 있는 것을 특징으로 하는 배치 분해 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 저온 용액의 제1 부피량과 상기 저온 용액의 제2 부피량을 상기 분해기(10)의 상부 및 하부로 동시에 조심스럽게 펌프 주입시키는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 치환된 고온 폐액을 가압하에서 제2 의 대량 셀룰로오스계 재료를 포함하는 배치 분해기(27)로 전달하는 단계는 상기 치환된 고온 폐액을 다량의 분해되지 않은 칩이 들어있는 배치 분해기(27)의 상부 및 하부로 분할하여 펌프 주입함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 승온과 과압하에서 소정의 증해시간 동안 셀룰로오스계 재료가 충진된 배치를 함유하고, 이 셀룰로오스가 그 내부에서 탈리그닌화되며, 상단부와 하단부를 가지고 있는 분해기(10); 분해기 내부와 연통되도록 연결된 치환 용액 탱크(19); 분해기(10)내의 용액을 치환시키기 위해 가압하에서 상기 치환 용액 탱크로부터 치환 용액을 주입시키는 펌프(20) 및 조절 밸브수단(21,22); 상기 치환 용액으로 치환된 용액을 수거하기 위한 치환된 용액 배출구(23); 및 상기 분해기(10)로부터 치환된 용액을 치환된 용액 배출구로부터 수거하며 상기 치환된 용액 배출구와 연통하고 있는 축적기 수단(16)을 구비하여, 배치 분해 방법에서 다량의 셀룰로오스 펄프를 분해 용액으로 분해하기 위한 장치로서, 상기 치환 용액 탱크(19)에서 나온 유체가 유입되는 치환 유체 유입구가 분해기(10)의 상단부 및 하단부에 형성되어 있고, 치환된 용액의 배출 밸브(23)가 분해기의 중앙 부위에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제6항에 있어서, 제2 의 분해기와 축적기 수단을 이 분해기에 연결시키는 수단을 구비하여 치환된 용액이 제2 의 분해기내에 함유된 셀룰로오스 칩으로 전달되어 상기 치환된 용액의 현열과 잔존 화학물질을 이용하므로써 상기 칩의 온도를 증가시키고 전처리하는 것을 특징으로 하는, 배치 분해 방법에서 다량의 셀룰로오스 펄프를 분해 용액으로 분해하기 위한 장치.
8. 제7항에 있어서, 제2 의 분해기의 상부와 하부로 연결되는 각각의 용액 전달 라인, 및 상기 제2 분해기내에서 치환된 용액을 수거하기 위한 제2 분해기 중앙 부위에 배치된 배출구 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는, 배치 분해 방법에서 다량의 셀룰로오스 펄프를 분해 용액으로 분해하기 위한 장치.
9. 제6항에 있어서, 분해기의 중앙 부위에 스크린(25)이 구비되어 있어 배출구를 통해 배출되는 치환된 용액이 분해기에서 배출될 때 스크린(25)을 통과하도록 하는 것을 특징으로 하는, 배치 분해 방법에서 다량의 셀룰로오스 펄프를 분해 용액으로 분해하기 위한 장치.