RU2809473C1 - Способ получения волокнистого полуфабриката из растительного сырья - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к производству волокнистых полуфабрикатов и может быть использовано в целлюлозно-бумажной промышленности при производстве одноразовой посуды и при получении разных видов бумаги и картона. Способ включает пропарку растительного сырья в виде сечки соломы ржи и пшеницы острым паром при температуре до 98°С в течение 20-60 минут в присутствии поверхностно-активного вещества ПАВ ОП-7 или ОП-10 с расходом 0,5-0,9 кг/т от массы абсолютно сухого сырья, затем сечку пропитывают раствором, содержащим карбамид или углекислый калий, при температуре 80-95°С в течение 20-40 минут, отделяют пропиточный раствор, насыщают раствором гидроксида натрия или калия при расходе 10-30 кг/т от массы абсолютно сухого сырья. После чего проводят термохимическую обработку сечки при температуре 100-130°С в течение 10-20 минут в реакторе, по истечении времени термообработки содержимое реактора подкисляют раствором кислых солей сернистой или ортофосфорной кислоты с расходом 3,5-6,5 кг/т от массы абсолютно сухого сырья до рН не более 7,0. Затем сечку обезвоживают до концентрации 60-70% с отделением жидкой фазы, разбавляют водой, размалывают и сортируют. Изобретение позволяет уменьшить воздействие на окружающую среду вредного влияния отработанного щелочного раствора от термохимической операции и одновременно повысить выход целевого продукта. 4 з.п. ф-лы, 6 пр., 1 табл.

Description

Изобретение относится к области целлюлозно-бумажного производства и может быть использовано при получении волокнистого полуфабриката из однолетнего растительного сырья, такого как солома злаковых культур.

Одним из направлений рационального использования природных ресурсов в целлюлозно-бумажной промышленности является получение полуфабрикатов высокого выхода. В зависимости от технологий обработки исходного сырья может производиться целлюлоза, полуцеллюлоза, химико-термомеханическая масса, термомеханическая масса и биоцеллюлоза с различными показателями выхода, характеристиками и качеством.

В последнее время интенсивно развиваются технологии производства термомеханической массы и химико-термомеханической массы, получаемой из целлюлозосодержащего сырья, обеспечивающей выход целевого продукта в объемах, превышающих 94%.

Волокнистые полуфабрикаты различных видов механической массы, получаемой из целлюлозосодержащего сырья, являются современным распространенным видом сырьевых ресурсов для производства массовых видов бумаги и картона в наиболее развитых странах мира.

С целью расширения сырьевой базы для производства полуфабрикатов высокого выхода весьма перспективным направлением является использование недревесного растительного сырья. В связи с этим все большее внимание исследователи уделяют быстрорастущим видам растений - льну, конопле, рапсу, люцерне и др. Особое место отводится переработке в волокнистый полуфабрикат соломы злаковых культур, таких как пшеничной и ржаной.

Солома как сырье для целлюлозно-бумажного производства имеет определенные особенности по сравнению с древесиной, это относительно низкое содержание целлюлозы, лигнина и, соответственно, повышенные концентрации гемицеллюлоз, золы и воска. Пшеничная солома, например, содержит 32-35% целлюлозы, 18-22% лигнина, 20-23% пентозанов, 9-14% гексозных гемицеллюлоз, 5,1-5,9% растворимых в спирто-бензоле и 5,8-8,2% золы. Пшеница и рожь представляют собой однолетние травянистые растения.

Химический состав частей соломы значительно различается. Стебли содержат в основном целлюлозу и меньше золы, чем листья. Листья, представляющие около одной трети всей массы растения, содержат больше минеральных веществ.

В технической и патентной литературе много публикаций по переработке соломы злаковых культур в волокнистые полуфабрикаты, пригодные для производства бумаги и картона. В основном это способы получения из однолетних растений целлюлозы. Способов получения целлюлоз из однолетних растений множество и число их продолжает расти.

Все способы получения целлюлозы основаны на том, что лигнин, гемицеллюлозы и другие примеси поддаются разрушительному действию химических реагентов и технологических параметров гораздо легче, чем целлюлоза.

Известно множество способов переработки однолетних растений в волокнистые полуфабрикаты (патент РФ №2423570, D21C 1/06, 2011; патент РФ №2574958, D21C 1/00, 2016; патент РФ №2731174, D21C 3/04, 2020), когда исходное сырье подвергается обработке различными химическими или биологическими реагентами при повышенной температуре.

Преобладающим способом изготовления целлюлозы из однолетних растений является варка в растворе едкого натра. Сильнощелочные варочные растворы в значительной мере растворяют углеводы, что отрицательно влияет на выход целлюлозы. Большинство однолетних растений имеет высокое содержание силикатов, которые в значительной мере растворяются в сильнощелочных варочных растворах, что приводит к серьезным проблемам в испарительных установках и регенерационных котлах. Это является основными проблемами, а также проблематичным является обращение с отработанными щелочными растворами содового способа и извлечение варочных химикатов

Следовательно, отрицательными моментами при переработке однолетних растений в целлюлозу являются:

- невысокий выход целевого продукта;

- большой расход водных и химических ресурсов для производства целлюлозы; - жесткие режимные условий процессов варки и отбелки волокна;

- сложности при переработке отработанных щелоков

Например, известен способ получения целлюлозы из соломы, который включает пропитку в реакторе соломенной сечки водными раствором гидроксида натрия с концентрацией 20-30 г/л в ед. Na20 при температуре 30-80°С. Способ ведут при соотношении массы раствора к массе сухой сечки 7:1. Пропитанную сечку выдерживают при заданной температуре в течение 30 мин. Отбирают стекающую жидкую фазу.

Добавляют в массу нагретую воду, повышают температуру массы до 96°С и осуществляют варку при этой температуре в течение 2 часов 30 минут. Выход целлюлозы 54-58%. (патент РФ №2423570, D21C 1/06, 2011).

Перспективным, на наш взгляд, является технология переработки однолетних растений в полуфабрикат, пригодный для производства бумаги и картона, химико-термомеханическим способом (ХТММ).

Производство ХТММ из сырья злаковых культур - это процесс перевода лигнина из стеклообразного в пластическое состояние, что способствует более легкому разделению пшеничной и ржаной соломы на отдельные волокна.

Сложное строение и прочная связь компонентов лигноцеллюлозного комплекса соломы создают затруднение для проникновения химических реагентов внутрь растительного сырья. Потому предварительная обработка является необходимым этапом для разрушения этого сложного комплекса с целью улучшения доступа химических агентов.

Основной целью предварительной обработки являются повышение доступности компонентов соломы путем разрушения связей лигноцеллюлозного комплекса, размягчение или удаление лигнина и гемицеллюлоз, уменьшение кристалличности целлюлозы и увеличение пористости материала. Предварительная обработка является одним из самых важных этапов в общей технологии, поскольку оказывает непосредственное влияние на экономическую эффективность переработки растительного материала в целом.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ производства волокнистого полуфабриката для изготовления бумаги и картона из травянистого растительного сырья. В качестве растительного сырья используют мискантус, стебли которого измельчают на части длиной от 5 до 10 см и просеивают через сито для удаления пыли и мелких осколков мискантуса. Готовят раствор химикатов: гидроксида натрия или гидроксида калия заданной концентрации. Берут расчетное количество сечки мискантуса, помещают в емкость и заливают раствором химикатов при соотношении сырья к жидкости 1:(5-7). Устанавливают заданную температуру раствора химикатов, но не выше 70°С. Выдерживают сечку при данной температуре 0,5-12 часов и пропиточную жидкость отделяют от сечки.

Пропитанную сечку мискантуса помещают в реактор, где выдерживают 20-60 минут при температуре 80-120°С, после чего ее подают в прессшнек, где происходит отделение отработанного щелока от сечки. Сухость сечки мискантуса при этом находится в пределах от 60% до 70%. После чего сечку насыщают водой или же раствором отбеливающих химикатов до концентрации 25-30%, с последующим размолом сечки. Затем проводят сортирование с получением готовой волокнистой массы, пригодной для изготовления бумаги или картона. (Патент РФ 2736428, D21C 3/02).

Недостатком известного способа является невысокий выход целевого продукта и не решена экологическая часть утилизации отработанного после термохимической операции раствора.

Технической проблемой является уменьшение воздействия на окружающую среду вредного влияния отработанного щелочного раствора от термохимической операции и одновременно повышение выхода целевого продукта.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в способе получения волокнистого полуфабриката из растительного сырья, включающем подготовку сырья путем его измельчения в сечку, пропитку сечки химикатами, выдержку с последующим удалением пропиточного раствора, термохимическую обработку с отделением жидкой фазы, с последующим размолом сечки и сортированием волокнистой массы, в качестве растительного сырья используют солому злаковых культур, сечку предварительно пропаривают острым паром при температуре до 98°С в течение 20-60 минут в присутствии поверхностно-активного вещества, затем пропитывают в растворе, содержащем карбамид или углекислый калий, при температуре 80-95°С в течение 20-40 минут, отделяют пропиточный раствор, сечку насыщают раствором гидроксида щелочного металла, после чего проводят термохимическую обработку сечки при температуре 100-130°С в течение 10-20 минут в реакторе, по истечении времени термообработки содержимое реактора подкисляют раствором кислых солей сернистой или ортофосфорной кислот до pH не более 7,0, затем сечку обезвоживают до концентрации 60 - 70% с отделением жидкой фазы, разбавляют водой, размалывают и сортируют.

В качестве злаковых культур используют солому пшеницы или ржи.

В качестве гидроксида щелочного металла используют гидроксид натрия или гидроксид калия при концентрации 100 - 120 г/дм в количестве 10 - 30 кг/т от массы абсолютно сухого сырья.

В качестве ПАВ используют ОП-7 или ОП-10, представляющие собой продукты обработки смеси моно- и диалкилфенолов окисью этилена поверхностно-активные вещества, в количестве 0,5- 0,9 кг/т от массы абсолютно сухого сырья.

В качестве кислой соли сернистой кислоты используют бисульфиты натрия или калия или аммония, а в качестве соли ортофосфорной кислоты используют однозамещенный фосфорнокислый калий в количестве 3,5-6,5 кг/т от массы абсолютно сухого сырья.

В соответствии с настоящим изобретением технология получения волокнистого полуфабриката из соломы злаковых культур включает в себя следующие пять этапов:

- удаление по меньшей мере большей части воздуха, имеющегося в соломе;

- пропитка полученного таким образом сырья слабым щелочным раствором и его отделение;

- термохимическая обработка соломы в щелочной среде;

обработка массы кислыми реагентами с возможностью использования отработанного щелока в качестве сельскохозяйственных удобрений;

- размол обработанной соломы до достижения заданных значений степени помола.

Пропарка может осуществляться в бункере с живым дном непрерывного действия, в котором солома перемещается через пропарочный бункер, где она находится в контакте с насыщенным паром при температуре 98°С в течение 20-60 минут, при этом через форсунку вводится раствор поверхностно-активного вещества. Поскольку отличительной особенностью стеблей злаковых культур является наличие жиро-воскового слоя, локализованного на поверхностях стеблей соломы, выполняющего защитную функцию и препятствующего свободному проникновению жидкости в межклеточное пространство, использование при пропарке поверхностно-активных веществ направлено на снижение действия отталкивания жидкости жиро-восковым слоем соломы. Пар, проникая в межклеточное пространство соломы, способствует процессу разрушения углеводного комплекса с выделением органических кислот, в том числе муравьиной и уксусной кислот.Кроме того, пропарка способствует вытеснению воздуха из соломы. Пропарка осуществляться при нормальном атмосферном давлении.

После пропарки и отделения от соломы конденсата пропитка соломы слабыми щелочными реагентами направлена на нейтрализацию кислых продуктов и углубление процесса пластификации углеводородного комплекса соломы.

Подобно любому лигноцеллюлозному сырью, солома злаковых культур состоит преимущественно из взаимосвязанных полимеров: целлюлозы, гемицеллюлоз и лигнина. В незначительном количестве присутствуют минеральные и экстрактивные вещества. Последние представлены пектиновыми полисахаридами, крахмалом, пигментами, смолами, таннинами и органическими кислотами. В золе соломы пшеницы до 80% приходится на кремний, а остальные 20% - в основном на натрий и калий.

В лигноцеллюлозном сырье целлюлозные микрофибриллы образуют в клеточной стенке каркас, который окружен лигногемицеллюлозной матрицей, состоящей из аморфных частей лигнина и гемицеллюлоз, тесно связанных между собой. Эти основные компоненты за счет многочисленных меж- и внутримолекулярных водородных и ковалентных связей делают структуру лигноцеллюлозной биомассы чрезвычайно сложной и в значительной степени затрудняют разделение структурных компонентов и выделение их в чистом виде.

Щелочная термохимическая обработка соломы направлена на разрушение инкрустирующих веществ, которые соединяют и заполняют волокна соломы. К инкрустирующим веществам относятся: лигнин, пектины и гемицеллюлозы. Инкрустирующие вещества, обволакивая и механически связывая волокна, сообщают им ломкость и хрупкость. При прерывании связи между целлюлозой и инкрустирующими веществами возникает возможность использования волокон соломы, главным образом лубяных, за счет гибкости, эластичности и прочности, для изготовления бумаги. Чем больше удалены инкрустирующие вещества, то есть чем чище целлюлоза, тем ее свойства выражены лучше. В процессе термохимической обработки гидроксидами щелочных металлов при получении ХТММ из соломы разрушение и удаление инкрустирующих веществ не доводят до конца, но во всяком случае за счет пластификации в достаточной мере улучшают свойства волокон, позволяя вырабатывать из соломы бумагу и картон.

Во время щелочной термохимической обработки соломы в раствор переходят в основном лигнин и легко гидролизуемые компоненты соломы. При проведении операции подкисления соломы в конце термохимической обработки раствором кислых реагентов возможно выпадение из отработанного щелока полезных ингредиентов, таких как лигнин. Адсорбируясь на волокнах соломы, выпавшие ингредиенты повышают выход целевого продукта.

Использование для нейтрализации щелочных компонентов кислых солей сернистой или ортофосфорной кислот, таких как бисульфит натрия или аммония, а также фосфорнокислого калия направлено на образование аммонийных или калийных или фосфорных составляющих, что позволит использовать отработанный раствор в качестве удобрения при возделывании злаковых культур.

Способ осуществляют следующим образом:

В качестве растительного сырья используют солому злаковых культур пшеницы и ржи, стебли которых измельчают на части длиной от 5 до 7 см и просеивают через сито с перфорацией 2 мм для удаления пыли и мелких осколков соломы.

Готовят растворы химикатов: гидроксида калия по ГОСТ 9285-78 концентрацией 100-120 г/дм³, гидроксида натрия по ГОСТ Р 55064-2012 концентрацией 100-120 г/дм³, раствор карбамида по ГОСТ 2081-2010 концентрацией 15-25 г/дм³, раствор углекислого калия ГОСТ 10690-73 концентрацией 15-25 г/дм³, ПАВ по ГОСТ 8433-81 концентрацией 15-25 г/дм³, раствор калия фосфорнокислого однозамещенного по ГОСТ 4198-75 концентрацией 15-25 г/дм³, раствор бисульфита аммония по ТУ 2142-045-05761689-2000 концентрацией 15-25 г/дм³ и раствор бисульфита натрия по ГОСТ 962-76 концентрацией 15-25 г/дм³.

Берут определенное количество абсолютно сухой сечки ржаной или пшеничной соломы и загружают в перфорированную емкость из нержавеющей стали, которую помещают в автоклав и пропаривают насыщенным паром в течение 20-60 минут в присутствии ПАВ с расходом 5-9 кг/т, контролируя температуру в емкости 80-98°С. Пропаренную сечку подают в шнековый пресс, где отделяют конденсат до сухости сечки 70%.

Приготовленные растворы карбамида или углекислого калия концентрацией 15-25 г/дм³ нагревают до температуры не выше 50°С, расход указанных выше химикатов составляет 5-8 кг/т от абсолютно сухой соломы. Пропаренную сечку соломы при концентрации 70% смешивают с раствором карбамида или углекислого калия и направляют в емкость для пропитки. Температуру пропиточного раствора повышают до 80-95°С и выдерживают при этом в течении 20-40 минут. Гидромодуль пропитки 1:4,5.

По истечении указанного времени пропиточный раствор отделяют в шнековом прессе, а сухой остаток концентрацией 50-65% направляю в реактор и заливают раствором гидроксида калия или гидроксида натрия указанной выше концентрации. Термохимическую обработку ведут в течение 10-20 минут при температуре 100-130°С при гидромодуле 1:4. Расход гидроксида калия или натрия 10-30 кг/т от абсолютно сухой сечки. По окончании времени обработки проводят нейтрализацию отработанного щелока в присутствии соломы раствором кислых солей сернистой и ортофосфорной кислот до рН не более 7,0. Отработанный и нейтрализованный щелок отделяют от соломы до концентрации 60-70%, после чего разбавляют водой и размалывают на дисковом рафинере при концентрации массы 20-30%). Расход энергии на размол составляет 340-370 квт.ч/т.

Волокнистую массу после рафинера собирают в емкости, разбавляют водой до концентрации 10-12%) и перемешивают. Затем разбавляют массу водой до концентрации 3,0-3,5% и направляют на сортирование. После стадии сортирования кондиционное волокно концентрацией 1,5-1,8% сгущают до концентрации 20-25%) и направляют для дальнейшей переработки, в том числе и на изготовление одноразовой посуды.

Количество отходов сортирования составляет 13,0-18,0%) от всей волокнистой массы. Отходы сортирования после сгущения смешивают с сечкой, прошедшей стадию обезвоживания после пропарки, после чего они дополнительно проходят стадии пропитки, термообработки и размола.

Пример 1.

Стебли пшеничной соломы измельчают на части длиной 5-7 см и просеивают через сито с перфорацией 2 мм для удаления пыли и мелких осколков соломы. Одновременно готовят растворы химикатов: гидроксид калия (КОН) концентрацией 100 г/дм³, поверхностно-активное вещество (ПАВ) ОП-10 концентрацией 15 г/дм³, углекислый калий концентрацией 25 г/дм³.

Берут 800 г абсолютно сухой сечки соломы пшеницы, отделенной от пыли и мелких включений, загружают в перфорированную емкость из нержавеющей стали, которую помещают в автоклав и пропаривают насыщенным паром в течение 40 минут в присутствии ПАВ ОП-10 с расходом 0,7 кг/т, поддерживают температуру в емкости равной 98°С. Пропаренную сечку подают в шнековый пресс, где отделяют конденсат до сухости сечки 50%.

Предварительно приготовленный раствор углекислого калия концентрацией 25 г/дм³ нагревают до температуры не выше 50°С. Пропаренную сечку пшеничной соломы при концентрации 50% смешивают с раствором углекислого калия и направляют в емкость для пропитки. Расход углекислого калия 5 кг/т от абсолютно сухого волокна. Температуру пропиточного раствора повышают до 90°С и выдерживают при этой температуре в течение 40 минут. Гидромодуль пропитки 1:4,5.

По истечении указанного времени пропиточный раствор отделяют в шнековом прессе, а сухой остаток концентрацией 50% направляют в реактор и заливают раствором гидроксида калия указанной выше концентрации. Термохимическую обработку ведут при расходе гидроксида калия 10 кг/т от массы абсолютно сухого волокна в течение 20 минут при температуре 110°С и гидромодуле 1:4. По окончании времени обработки проводят нейтрализацию отработанного щелока раствором фосфорнокислого калия с расходом 3,5 кг/т от абсолютно сухой сечки до рН 7,0 отработанного щелока.. Отработанный щелок отделяют до концентрации соломы 60%, после чего разбавляют водой и размалывают на дисковом рафинере при концентрации массы 20%. Расход энергии на размол составляет 360 квт.ч/т.

Волокнистую массу после рафинера собирают в емкости, разбавляют водой до концентрации 10% и перемешивают. Затем разбавляют массу водой до концентрации 3,0% и направляют на сортирование. После стадии сортирования кондиционное волокно концентрацией 1,6% сгущают до концентрации 20% и направляют для дальнейшей переработки, в том числе и на отбелку.

Количество отходов сортирования составляет 13,4% от всей волокнистой массы. Отходы сортирования после сгущения смешивают с сечкой, прошедшей стадию обезвоживания после пропарки, после чего они дополнительно проходят стадии термообработки, обезвоживания в шнековом прессе и совместно размалываются.

Показатели качества волокнистого полуфабриката приведены в таблице.

Пример 2.

Стебли ржаной соломы измельчают на части длиной 5-7 см и просеивают через сито с перфорацией 2 мм для удаления пыли и мелких осколков соломы. Одновременно готовят растворы химикатов: гидроксид калия концентрацией 120 г/дм³, поверхностно-активное вещество (ПАВ) ОП-07 концентрацией 15 г/дм³, карбамид концентрацией 25 г/дм³.

Берут 1000 г абсолютно сухой сечки соломы ржи, отделенной от пыли и мелких включений, загружают в перфорированную емкость из нержавеющей стали, которую помещают в автоклав и пропаривают насыщенным паром в течение 60 минут в присутствии ПАВ ОП-7 с расходом 0,5 кг/т, поддерживают температуру в емкости равной 80°С. Пропаренную сечку подают в шнековый пресс, где отделяют конденсат.

Предварительно готовят раствор карбамида концентрацией 25 г/дм³ и нагревают до температуры не выше 50°С. Пропаренную сечку ржаной соломы при концентрации 60% смешивают с раствором карбамида и направляют в емкость для пропитки. Расход карбамида 8 кг/т от абсолютно сухого волокна. Температуру пропиточного раствора повышают до 85°С и выдерживают при этой температуре в течении 30 минут. Гидромодуль пропитки 1:4,5.

По истечении указанного времени пропиточный раствор отделяют в шнековом прессе, а сухой остаток концентрацией 60% направляют в реактор и заливают раствором гидроксида калия указанной выше концентрации. Термохимическую обработку ведут в течение 20 минут при температуре 100°С при гидромодуле 1:4. Расход гидроксида калия 30 кг/т от массы абсолютно сухого волокна. По окончании времени обработки проводят нейтрализацию отработанного щелока раствором бисульфита аммония с расходом 6,0 кг/т от абсолютно сухой сечки до рН 6,5 отработанного щелока.. Отработанный щелок отделяют до концентрации соломы 65%, после чего разбавляют водой и размалывают на дисковом рафинере при концентрации массы 25%. Расход энергии на размол составляет 350 квт.ч/т.

Волокнистую массу после рафинера собирают в емкости, разбавляют водой до концентрации 12% и перемешивают. Затем разбавляют массу водой до концентрации 3,5% и направляют на сортирование. После стадии сортирования кондиционное волокно концентрацией 1,8% сгущают до концентрации 22% и направляют для дальнейшей переработки, в том числе и на отбелку.

Количество отходов сортирования составляет 16,4% от всей волокнистой массы. Отходы сортирования после сгущения смешивают с сечкой, прошедшей стадию обезвоживания после пропарки, после чего они дополнительно проходят стадии термообработки и размола.

Показатели качества волокнистого полуфабриката приведены в таблице.

Пример 3.

Все операции выполнения эксперимента осуществляют по примеру 1.

Стебли пшеничной соломы измельчают на части длиной 5-7 см и просеивают через сито с перфорацией 2 мм для удаления пыли и мелких осколков соломы. Одновременно готовят растворы химикатов: гидроксид калия концентрацией 120 г/дм³, поверхностно-активное вещество (ПАВ) ОП-10 концентрацией 15 г/дм³.

Берут 1200 г абсолютно сухой сечки пшеничной соломы, отделенной от пыли и мелких включений, загружают в перфорированную емкость из нержавеющей стали, которую помещают в автоклав и пропаривают насыщенным паром в течение 20 минут в присутствии ПАВ ОП-10 с расходом 0,9 кг/т, поддерживают температуру в емкости равной 90°С. Пропаренную сечку подают в шнековый пресс, где отделяют конденсат.

Предварительно готовят раствор углекислого калия концентрацией 15 г/дм³ и нагревают до температуры не выше 50°С. Пропаренную сечку пшеничной соломы при концентрации 50% смешивают с раствором углекислого калия и направляют в емкость для пропитки. Расход углекислого калия 7 кг/т абсолютно сухого волокна. Температуру пропиточного раствора повышают до 80°С и выдерживают при этой температуре в течение 20 минут. Гидромодуль пропитки 1:4,5.

По истечении указанного времени пропиточный раствор отделяют в шнековом прессе, а сухой остаток концентрацией 65% направляют в реактор и заливают раствором гидроксида калия указанной выше концентрации. Термохимическую обработку ведут в течение 10 минут при температуре 130°С при гидромодуле 1:4. Расход гидроксида калия 25 кг/т абсолютно сухого волокна. По окончании времени обработки проводят нейтрализацию отработанного щелока раствором бисульфита натрия с расходом 4,6 кг/т от абсолютно сухой сечки до рН 6,5. Отработанный щелок отделяют до концентрации соломы 70%, после чего разбавляют водой и размалывают на дисковом рафинере при концентрации массы 30%. Расход энергии на размол составляет 370 квт.ч/т.

Волокнистую массу после рафинера собирают в емкости, разбавляют водой до концентрации 10% и перемешивают. Затем разбавляют массу водой до концентрации 3,5% и направляют на сортирование. После стадии сортирования кондиционное волокно концентрацией 1,5% сгущают до концентрации 22% и направляют для дальнейшей переработки, в том числе и на отбелку.

Количество отходов сортирования составляет 14,1% от всей волокнистой массы. Отходы сортирования после сгущения смешивают с сечкой, прошедшей стадию обезвоживания после пропарки, после чего они дополнительно проходят стадии термообработки и размола. Показатели качества волокнистого полуфабриката приведены в таблице.

Пример 4.

Все операции выполнения эксперимента осуществляют по примеру 1.

Стебли ржаной соломы измельчают на части длиной 6-7 см и просеивают через сито с перфорацией 2 мм для удаления пыли и мелких осколков соломы. Одновременно готовят растворы химикатов: гидроксид калия концентрацией 120 г/дм³, поверхностно-активное вещество (ПАВ) ОП-07 концентрацией 0,15 г/дм³.

Берут 800 г абсолютно сухой сечки пшеничной соломы, отделенной от пыли и мелких включений, загружают в перфорированную емкость из нержавеющей стали, которую помещают в автоклав и пропаривают насыщенным паром в течение 30 минут в присутствии ПАВ ОП-7 с расходом 0,8 кг/т, , поддерживают температуру в емкости равной 98°С. Пропаренную сечку подают в шнековый пресс, где отделяют конденсат.

Предварительно готовят раствор мочевины концентрацией 15 г/дм³ и нагревают до температуры не выше 50°С. Пропаренную сечку пшеничной соломы при концентрации 50% смешивают с раствором карбамида и направляют в емкость для пропитки. Расход мочевины 8 кг/т абсолютно сухого волокна. Температуру пропиточного раствора повышают до 95°С и выдерживают при этой температуре в течение 20 минут. Гидромодуль пропитки 1:4,5.

По истечении указанного времени пропиточный раствор отделяют в шнековом прессе, а сухой остаток концентрацией 55% направляют в реактор и заливают раствором гидроксида калия указанной выше концентрации. Термохимическую обработку ведут в течение 15 минут при температуре 100°С при гидромодуле 1:4. Расход гидроксида натрия 30 кг/т абсолютно сухого волокна. По окончании времени обработки проводят нейтрализацию отработанного щелока раствором фосфорнокислого калия с расходом 6,5 кг/т от абсолютно сухой сечки до рН 6,0. Отработанный щелок отделяют до концентрации соломы 65%, после чего разбавляют водой и размалывают на дисковом рафинере при концентрации массы 25%. Расход энергии на размол составляет 340 квт.ч/т.

Волокнистую массу после рафинера собирают в емкости, разбавляют водой до концентрации 11% и перемешивают. Затем разбавляют массу водой до концентрации 3,5% и направляют на сортирование. После стадии сортирования кондиционное волокно концентрацией 1,8% сгущают до концентрации 22% и направляют для дальнейшей переработки, в том числе и на изготовление бумажной продукции.

Количество отходов сортирования составляет 15,5% от всей волокнистой массы. Отходы сортирования после сгущения смешивают с сечкой, прошедшей стадию обезвоживания после пропарки, после чего они дополнительно проходят стадии термообработки и размола.

Показатели качества волокнистого полуфабриката приведены в таблице.

Пример 5.

Все операции выполнения эксперимента осуществляют по примеру 1.

Стебли пшеничной соломы измельчают на части длиной 5-7 см и просеивают через сито с перфорацией 2 мм для удаления пыли и мелких осколков соломы. Одновременно готовят растворы химикатов: гидроксид калия концентрацией 120 г/дм³, поверхностно-активное вещество (ПАВ) ОП-07 концентрацией 15 г/дм³.

Берут 800 г абсолютно сухой сечки соломы, отделенной от пыли и мелких включений, загружают в перфорированную емкость из нержавеющей стали, которую помещают в автоклав и пропаривают насыщенным паром в течение 20 минут в присутствии ПАВ с расходом 0,5 кг/т, поддерживают температуру в емкости 90°С. Пропаренную сечку подают в шнековый пресс, где отделяют конденсат.

Предварительно готовят раствор углекислого калия концентрацией 15 г/дм³ и нагревают до температуры не выше 50°С. Пропаренную сечку пшеничной соломы при концентрации 50% смешивают с раствором углекислого калия и направляют в емкость для пропитки. Расход углекислого калия 7 кг/т абсолютно сухого волокна. Температуру пропиточного раствора повышают до 90°С и выдерживают при этом в течении 20 минут. Гидромодуль пропитки 1:4,5.

По истечении указанного времени пропиточный раствор отделяют в шнековом прессе, а сухой остаток концентрацией 60% направляю в реактор и заливают раствором гидроксида калия указанной выше концентрации. Термохимическую обработку ведут в течение 20 минут при температуре 110°С при гидромодуле 1:4. Расход гидроксида калия 35 кг/т абсолютно сухого волокна. По окончании времени обработки отработанный щелок отделяют до концентрации соломы 60%, после чего разбавляют водой и размалывают на дисковом рафинере при концентрации массы 30%. Расход энергии на размол составляет 350 квт.ч/т.

Волокнистую массу после рафинера собирают в емкости, разбавляют водой до концентрации 11% и перемешивают. Затем разбавляют массу водой до концентрации 3,5% и направляют на сортирование. После стадии сортирования кондиционное волокно концентрацией 1,6% сгущают до концентрации 22% и направляют для дальнейшей переработки, в том числе и на изготовление картонной продукции.

Количество отходов сортирования составляет 17% от всей волокнистой массы. Отходы сортирования после сгущения смешивают с сечкой, прошедшей стадию обезвоживания после пропарки, после чего они дополнительно проходят стадии термообработки и размола.

Показатели качества волокнистого полуфабриката приведены в таблице.

Пример 6 (прототип).

Все операции выполнения эксперимента осуществляют по примеру 1.

Стебли пшеничной соломы измельчают на части длиной 5-7 см и просеивают через сито с перфорацией 2 мм для удаления пыли и мелких осколков соломы. Одновременно готовят растворы химикатов: гидроксид калия концентрацией 120 г/дм³, поверхностно-активное вещество (ПАВ) ОП-07 концентрацией 15 г/дм³.

Берут 800 г абсолютно сухой сечки соломы, отделенной от пыли и мелких включений, загружают в емкость из нержавеющей стали и заливают растворами химикатов указанной концентрации. Отношение массы абсолютно сухой соломы к водному раствору химикатов 1:5. При температуре 40°С сечку соломы пропитывают 180 минут. По истечении указанного времени отработанный пропиточный раствор отделяют от сечки свободным стоком. Пропитанную химикатами сечку помещают в предварительно нагретый реактор и выдерживают в нем при температуре 120°С в течение 20 минут. Прошедшую термохимическую обработку сечку подают в шнековый пресс, где отделяется отработанный щелочной раствор, сечку с сухостью 70% направляют на размол. Перед размолом концентрацию сечки доводят водой до 25% и пропускают через рафинер. Расход энергии на размол составляет 420 квт.ч/т. Волокнистую массу после рафинера собирают в емкости, разбавляют водой до концентрации 12% и перемешивают. Затем разбавляют массу водой до концентрации 3,5% и направляют на сортирование.

Количество отходов сортирования составляет 18,3% от всей волокнистой массы. Отходы сортирования после сгущения смешивают с сечкой, прошедшей обезвоживание в шнековом прессе после пропитки, и совместно размалывают. Кондиционное волокно концентрацией 1,8% сгущают до концентрации 20% и направляют для дальнейшей переработки.

Показатели качества волокнистого полуфабриката приведены в таблице.

Как видно из примеров конкретного выполнения, заявленный способ и технология его осуществления по сравнению с прототипом является экономически более эффективным, поскольку позволяет получить из дешевого растительного сырья, такого как солома пшеницы или ржи, полуфабрикат высокого выхода, пригодный для получения бумаги и картона, а также изготовления одноразовой посуды.

Реализация приема нейтрализации отработанного щелока в конце термохимической щелочной обработки соломы кислыми солями сернистой или ортофосфорной кислот направлено на повышение выхода целевого продукта и возможность использования отработанного щелока в качестве органоминерального удобрения при возделывании злаковых культур.

Кроме того, образовавшийся при пропарке соломы конденсат может использоваться в качестве жидкости при приготовлении рабочих растворов кислых солей сернистой и ортофосфорной кислот.

Claims (5)

1. Способ получения волокнистого полуфабриката из растительного сырья, включающий подготовку сырья путем его измельчения в сечку, пропитку сечки химикатами, выдержку с последующим удалением пропиточного раствора, термохимическую обработку с отделением жидкой фазы, с последующим размолом сечки и сортированием волокнистой массы, отличающийся тем, что в качестве растительного сырья используют солому злаковых культур, сечку предварительно пропаривают острым паром при температуре до 98°С в течение 20-60 минут в присутствии поверхностно-активного вещества ПАВ, затем пропитывают в растворе, содержащем карбамид или углекислый калий, при температуре 80-95°С в течение 20-40 минут, отделяют пропиточный раствор, сечку насыщают раствором гидроксида щелочного металла, после чего проводят термохимическую обработку сечки при температуре 100-130°С в течение 10-20 минут в реакторе, по истечении времени термообработки содержимое реактора подкисляют раствором кислых солей сернистой или ортофосфорной кислоты до рН не более 7,0, затем сечку обезвоживают до концентрации 60-70% с отделением жидкой фазы, разбавляют водой, размалывают и сортируют.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве злаковых культур используют солому пшеницы или ржи.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве гидроксида щелочного металла используют гидроксид натрия или гидроксид калия при концентрации 100-120 г/дм³ в количестве 10-30 кг/т от массы абсолютно сухого сырья.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве ПАВ используют ОП-7 или ОП-10, представляющие собой продукты обработки смеси моно- и диалкилфенолов окисью этилена, в количестве 0,5-0,9 кг/т от массы абсолютно сухого сырья.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве кислой соли сернистой кислоты используют бисульфиты натрия, или калия, или аммония, а в качестве соли ортофосфорной кислоты используют однозамещенный фосфорнокислый калий в количестве 3,5-6,5 кг/т от массы абсолютно сухого сырья.