NO772226L - Fremgangsm}te ved koking av lignocellulosemateriale - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte ved oppslutning av lignocellulosemateriale. Det er kjent at lignocellulosemateriale kan oppsluttes i et vandig alkalisk medium under anvendelse av en oksygenholdig gass. Oppfinnelsen gir en forbedring når det gjelder oksygen-oppslutningsprosessen. Denne forbedring omfatter utførelse av prosessen i 2 trinn.

I det første trinnet bringes lignocellulosemateriale i kontakt

med en strøm av oksygenholdig gass mens en vandig alkalisk væske føres i en liten strøm over materialet.. I det andre trinnet blir materialet som dannes i det første trinnet neddykket i oksygenert vandig alkalisk væske som strømmer gjennom materialet.

Ifølge foreliggende oppfinnelse tilføres lignocellulosematerialet.. som skal oppsluttes, til en koker, slik som vanligvis anvendes for oksygenoppslutning. En vandig alkalisk væske føres kontinuerlig til toppen av kokeren og får renne nedover i liten strøm over lignocellulosematerialet. Dette innebærer en strøm av den alkaliske væske som er tilstrekkelig til å fukte vesentlig alt lignocellulosemateriale, men som er mindre enn en strøm hvorved materialet ville være neddykket i væsken, slik at mellom-rommene mellom partikler av lignocellulosemateriale hovedsakelig opptas av en gassfase snarere enn en væskefase selv i fravær av en gasstrøm gjennom materialet.

Strømningsmengden av alkalisk væske gjennom kokeren

er fortrinnsvis mellom ca. 500 og 2500 liter pr. minutt pr. kvadratmeter av kokerens tverrsnitt.

Etter som den alkaliske væsken føres over materialet, tilføres en oksygenholdig gass kontinuerlig til kokeren, fortrinnsvis ved dennes bunn, slik at gassen stiger og strømmer i motstrøm til strømmen av alkalisk væske. Gassen inneholder fortrinnsvis minst 50, og.helst minst 70 volum-% oksygen beregnet på grunnlag av tørr gass (dvs. gassen kan også være mettet med vanndamp). Den andre komponenten i gassen vil hovedsakelig være karbondioksyd dersom gassen resirkuleres. Strømnings-mengden for oksygenet er fortrinnsvis mellom ca. 80 og 140 m<3>(standard temperatur og trykk) pr. time pr. m 2 av kokerens tverrsnitt. Partialtrykket hos oksygenet i kokeren er fortrinnsvis mellom ca. 5 og 25, og helst mellom 10 og 20 atmosfærer .

For å tilveiebringe en effektiv kontakt mellom lignocellulosematerialet og oksygenet, er materialet som tilføres til reaktoren fortrinnsvis i en form som har så stort overflate-areal som mulig tilgjengelig for kontakt med oksygenet uten å hindre oksygenstrømmen. Når lignocellulosematerialet er tre, er f.eks. tre i form av flis med en tykkelse på mellom 1

og 2 mm. Annet lignocellulosemateriale som kan oppsluttes er strå, bagasse, bambus, hamp og lignende. Vanligvis er tykkelsen på lignocellulosematerialet fortrinnsvis mindre enn 2 mm.

Om ønsket kan lignocellulosematerialet før det tilføres til kokeren være forbehandlet, f.eks. med en kaustisk oppløsning, ifølge kjente metoder i forbindelse med oksygenoppslutning.

pH-verdien til den alkaliske væske i kokeren holdes fortrinnsvis mellom 7 og 9-. pH-verdien til væsken som til-

føres til kokeren, kan imidlertid være over 9 for så vidt som pH-verdien til væsken hurtig senkes ved kontakt med karbondioksyd og sure reaksjonsprodukter utviklet i kokeren. pH-verdien til væsken i kokeren kan styres ved å måle pH-verdien til den væske som forlater kokeren etter som den vesentlig er den samme.

pH-verdien til væsken i kokeren kan holdes i det ønskede området ved å resirkulere væsken og tilsette dertil ny væske (betegnet som injeksjonsvæske) med en høyere pH-verdi. For å kunne oppta injeksjonsvæsken og for å opprettholde et konstant forhold mellom væske og lignocellulosemateriale, blir brukt væske fortrinnsvis tatt ut i oppstrømsretningen.i forhold til tilsetningsstedet for injeksjonsvæske i samme hastighet som injeksjonsvæske tilsettes. Et stigekammer kan alternativt plasseres i resirkuleringssløyfen.

Den alkaliske væske fremstilles ved å oppløse en base

i vann. Man kan anvende en hvilken som helst base som vil

nøytralisere oksydasjonsproduktene og holde en pH-verdi mellom 7 og 9 i kokeren. Basen er fortrinnsvis et alkalimetallkarbo-nat eller -bikarbonat eller en kombinasjon derav. Alkali-metallet er fortrinnsvis natrium.

Den totale mengde av benyttet base avhenger av mengden av lignocellulosematerialet som tilføres til reaktoren fordi basen nøytraliseres av karbondioksyd og andre sure forbindelser som utvikles ved oppslutningsreaksjonen. Når basen er natrium-karbonat eller natriumbikarbonat og lignocellulosematerialet er tre, er mengden av benyttet base, beregnet som Na2P, basert på mengden av tre, normalt i området 10-30 vekt-%.

Resirkulering av den alkaliske væske letter regulering ikke bare av pH-verdien til væsken, men også av væskens temperatur. Temperaturen til væsken i kokeren er fortrinnsvis mellom 140 og 160°C. På grunn av at oppslutningsreaksjonen er ekso-term, er temperaturen til væsken som føres til kokeren lavere, fortrinnsvis mellom 130 og 150°C avhengig av sirkulasjonshastigheten. Dette betyr generelt at etter oppstarting må væsken avkjøles ved sin gjennomgang i resirkuleringssløyfen utenfor kokeren.

Den brukte vandige alkaliske væske kan om ønsket føres til en innvinningsenhet hvori organiske forbindelser i væsken oksyderes til karbondioksyd og vann, og den resterende væske resirkuleres til kokeren. Slike gjenvinningsenheter er kjent og beskrevet f.eks. i U.S. patent nr. 3 654 070. Gassfasen som fjernes fra kokeren kan også føres til gjenvinningsenheten for å tilveiebringe det oksygen som er nødvendig for å oksydere de organiske forbindelsene, skjønt det sannsynligvis ville være mere økonomisk å resirkulere gassen til kokeren etter fjerning av minst noe av innholdet av karbondioksyd.

Det første trinnet i foreliggende fremgangsmåte ut-føres inntil utbyttet av det delvis oppsluttede materiale er mellom 70 og 85%. Dette utbytte tilsvarer en oppholdstid for lignocellulosematerialet i kokeren på vanligvis mellom ca. 1

og 3 timer, og særlig mellom 1,5 og 2 timer. Når det angitte utbytte er oppnådd, foretas ytterligere oppslutning i et annet trinn med materialet neddykket i den alkaliske væsken.

Prosessbetingelsene i det andre trinn er i allminnelighet i overensstemmelse med de samme parametere som angitt ovenfor for det første trinn med unntagelse av at strømmen av alkalisk væske i kokeren kan være i en hvilken som helst retning, og inn-føringen av oksygengass direkte i kokeren er valgfri, skjønt det er vesentlig at den alkaliske væsken oksygeneres ved kontakt med oksygengass. Oksygenering av den alkaliske væsken kan be-

virkes ved å føre oksygen gjennom kokeren som i det første trinnet, eller, og dette er foretrukket, ved å bringe den alkaliske væsken i kontakt med oksygengass i en separat oksy-genator før den innføres i kokeren. Begge metoder kan naturlig-vis anvendes, men i hvert tilfelle er det foretrukket at den alkaliske væsken i kokeren er vesentlig mettet med oksygen. Oksygenatoren kan være en i prosesslinjen innført blandeinn-retning eller en anordning hvori oksygen bobles gjennom væsken og/eller væsken sprøytes gjennom oksygen. Oksygenet som føres til oksygenatoren kan hensiktsmessig også være det oksygen som føres til kokeren i det første eller det andre trinnet. Væsken som føres til kokeren i det første trinnet kan også være oksygenert om dette er ønskelig, men man ville ikke få noen vesentlig nyttevirkning ved å gjøre dette fordi væsken lett mettes med oksygen ved kontakt med oksygenet i kokeren.

Strømmen av den alkaliske væske i kokeren i det andre trinnet kan være oppad- eller nedadrettet, eller fortrinnsvis radiell. Radiell strømning kan bevirkes ved å innføre væsken i kokeren fra et grenrør i sentrum av kokeren og utføre den i åpninger langs siden av kokeren. Siden strømmen ikke nød-vendigvis er vinkelrett på kokerens tverrsnitt, er det bedre å uttrykke det.spesifikke strømningsforhold på grunnlag av kokerens volum isteden for på kokerens tverrsnittsareal som tilfelle er i det første trinnet. Strømningsforholdet i det andre trinnet er fortrinnsvis 0,02-0,3,.helst 0,1-0,2 liter pr. minutt pr. liter kokervolum.

Det andre trinnet utføres inntil man har nådd et lignin-innhold som er konvensjoenlt for den ønskede anvendelse av massen, hvilket tilsvarer en oppholdstid i reaktoren på vanligvis mellom ca. 3 og 8 timer, og helst mellom 6 og 7 timer. Ved bruk av katalysatorer kan imidlertid reaksjonstiden forkortes til så kort som 2-3 timer. Ved fullendelse av det andre trinn, siktes massen og vaskes ved hjelp av konvensjonelle metoder for gjen-vinning av kjemisk masse. Det væskeformige avløp fra sikte- og vasketrinnene kan føres til gjenvinningsenheten (dersom en slik anvendes) for resirkulering til reaktoren.

■i

Etter innvinning av massen, kan den underkastes ytterligere behandling slik som bleking og tørking ifølge konvensjonelle metoder.

Foreliggende fremgangsmåte kan utføres som en kontinuerlig prosess eller som en satsvis prosess. I en kontinuerlig prosess føres materialet kontinuerlig til toppen av reaktoren og fjernes kontinuerlig fra dennes bunn. 'I hver prosesstype kan det andre trinnet utføres enten i den samme kokeren som benyttet i det første trinn eller i en annen koker.

Sammenlignet med prosesser hvori oppslutningen utføres fullstendig i en neddykket fase, representerer foreliggende fremgangsmåte flere fordeler hovedsakelig på grunn av den mer effektive overføring av oksygen til lignocellulosematerialet under oppslutningsreaksjonen. Den mer effektive overføring av oksygen resulterer spesielt i mer ensartet oppslutning, hvilket viser seg i sluttproduktet som inneholder en lavere andel av rejektmateriale (ufullstendig oppsluttet materiale). Prosessen resulterer også i en kortere total reaksjonstid.

Det ville være upraktisk å utføre oppslutningsprosessen

i kommersiell målestokk på fullstendig samme måte som beskrevet for det første trinnet fordi etter et utbytte av ca. 70% er oppnådd, stopper oksygenstrømmen gjennom materialet å være ensartet hvis den uavbrutte høyden på materialet er mer enn ca. 5 meter. Ved å benytte en trau-reaktor, kan den effektive høyden av materialet reduseres til et nivå hvor oppslutningsprosessen kan utføres helt og holdent i det første trinnet, men bruken av en slik reaktor ville i betydelig grad gjøre prosessen mer kostbar.

Forbindelsene som fremmer eller katalyserer oksygenoppslutning og forbindelser som beskytter karbohydrater fra nedbrytning under oksygenoppslutning, kan om ønsket anvendes i prosessen.

Eksempel

Første trinn

En koker med en kapasitet på ca. 110 liter og et tverrsnittsareal på 820 cm 2, ble tilført 5 kg (ovnstørr vekt) svartor- flis. En vandig alkalisk væske ble ført i liten strøm over flisen etter som oksygen ble ført oppover gjennom flisen.

Væsken ble fremstilt ved å oppløse natriumdikarbonat i vann.

Den innledende konsentrasjon av natriumbikarbonat i væsken, beregnet som Na20, var 7,69 g pr. liter. pH-verdien til væsken ført til kokeren var 8,1. Vekten av væsken var 3 2,5 kg. Den brukte væske ble resirkulert til kokeren, idet injeksjonsvæske ble tilført til den resirkulerte strøm for å opprettholde en midlere pH-verdi på 7,5 i reaktoren. Brukt væske ble uttatt fra resirkulasjonsstrømmen i samme hastighet ved hvilken injeksjonsvæsken ble tilført. Et totale på 24 kg injeksjonsvæske ble tilført. Injeksjonsvæsken hadde en pH-verdi på 8,3 5 og en konsentrasjon av natriumbikarbonat beregnet som Na20, på 9,94 g pr. liter. Sirkulasjonshastigheten for den alkaliske væske ble holdt mellom 35 og 55 liter pr. minutt. Oksygen-strømnings-hastigheten var 9,5 liter (normal temperatur og trykk) pr.

minutt. Trykket i reaktoren var 16 kg/cm 2. Temperaturen i kokeren var 140°C. Etter 2 timer ble det delvis oppsluttede materiale innvunnet ved et utbytte på 85%.

Forsøket ble gjentatt med unntagelse av at den innledende alkaliske væske hadde en vekt på 3 5 kg, en konsentrasjon av natriumbikarbonat, beregnet som ^ 3- 2° på 7/!4 g pr. liter og en pH-verdi på 8,4, samtidig som den midlere pH-verdi for væsken i reaktoren var 8,1.

Annet trinn

Det delvis oppsluttede materiale fra begge forsøk ble kombinert og tilført til kokeren. Materialet ble neddykket i en alkalisk væske med en innledende pH-verdi på 8,0 og en konsentrasjon av natriumbikarbonat, beregnet som Na^ O, på 9,34 g pr. liter. Vekten av væsken var 64 kg. Injeksjonsvæskens sammensetning var den samme som i det første trinnet. Et totale på 64 kg injeksjonsvæske ble tilført for å opprettholde en midlere pH-verdi på 7,6. Sirkulasjonshastigheten av væsken var 15 liter pr. minutt. Oksygen-strømningshastigheten og temperaturen og trykket i reaktoren var det samme som i det første trinn. Etter 5 timer ble det oppnådd en masse i et totalt utbytte på 54,9%, som omfattet 1,8% (basert på opprinnelig tre)

av rejektmaterialet. Massen hadde et permanganattall på 9,5,

en viskositet (TAPPI standard T-230 SU-66) på 76 centipoise, og en lyshet (TAPPI Standard T-217 M-48) på 58,3. Massen var egnet for fremstilling av papir.

Claims (8)

1. Fremgangsmåte ved oppslutning av lignocellulosemateriale 1 en koker i nærvær av en vandig alkalisk væske og oksygengass, karakterisert ved at prosessen utføres i 2 trinn, hvor det første trinnet omfatter kontinuerlig føring i liten strøm av den alkaliske væsken nedover materialet mens oksygengassen kontinuerlig føres oppover gjennom materialet, idet det første trinnet utføres inntil utbyttet av materialet er mellom 70 og 85%, og hvor det andre trinnet omfatter ned-dykking av materialet fremstilt i det første trinnet i oksygenert alkalisk væske og kontinuerlig føring av den alkaliske væsken gjennom materialet, idet det andre trinnet utføres inntil det oppnås en masse som er egnet for papirfremstilling.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at strømningsmengden for den alkaliske væske i det første trinnet er mellom ca. 500 og 2500 liter pr. minutt pr. m 2av kokertverrsnittet, og at strømningsmengden av den alkaliske væske i det andre trinn er mellom 0,02 og 0,3 liter pr. minutt pr. a liter kokervolum. '

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at strømningsmengden av oksygengass i det første trinnet er mellom ca. 80 og 140 m 3 (målt ved normal temperatur og trykk) pr. time pr. m 2 kokertverrsnitt.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at den alkaliske væske har en pH-verdi på mellom 7 og 9 i kokeren.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 4, karakterisert ved at den alkaliske væske i det andre trinnet oksygeneres ved at den bringes i kontakt med oksygengass før den innføres i kokeren.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 4, karakterisert ved at den alkaliske væske er en vandig oppløsning av et alkalimetallbikarbonat eller -karbonat eller blanding derav.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 4, karakterisert ved at brukt alkalisk væske resirkuleres til kokeren, og at alkalisk væske med en høyere pH-verdi tilsettes til resirku-lasjonsstrømmen for å holde pH-verdien til den alkaliske væske i resirkulsasjonsstrømmen mellom 7 og 9.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at temperaturen til den alkaliske væske i kokeren er mellom 140 og 160°C og at partialtrykket for oksygen i kokeren i det første trinnet er mellom 10 og 3 0 atmosfærer.