2. Процесс получения целлюлозы

Древесина, перерабатываемая на целлюлозу и древесную массу, носит название балансовой древесины. Качество баланса должно соответствовать требованиям ГОСТа. Баланс, предназначенный для производства древесной массы и целлюлозы, подвергается окорке, т.к. кора и луб увеличивают сорность полуфабрикатов.

Самый экономичный способ получения древесной целлюлозы – механический: на деревообрабатывающем предприятии лесоматериалы измельчаются до крошки, которая смешивается с водой. Получаемая древесная масса представляет собой волокнистый материал, неоднородный по своему составу: наряду с волокнистыми частицами в ней много мелких пылевидных и крупных частиц неправильной формы. Бумага, изготовленная на основе механической целлюлозы, непрочна и чаще всего идет на производство экономичных видов бумаг, например, газет.

Процесс химического производства выглядит следующим образом. Окоренный баланс измельчается для варки в щепу на рубильных машинах. Чтобы получить доброкачественную целлюлозу, щепа должна быть однородной по размерам (длина 16-20 мм, ширина 20 мм, толщина 2-3 мм) и по влажности, нарублена из здоровой древесины и должна иметь гладкий отруб. Сортировка щепы происходит на нескольких расположенных друг над другом вибрационных щитах с различным диаметром отверстий. В результате сортировки отделяется мелочь длиной меньше 5 мм и крупная щепа длиной более 30 мм. Отсортированная щепа направляется механическими или пневматическими средствами в бункер варочного отдела или на склад кучевого хранения щепы на открытом воздухе.

В основном применяются два способа варки: кислый с растворами сульфита, содержащего избыточное количество двуокиси серы, при варке древесины ели и бука, характеризующихся низким содержанием смолы, и щелочной при варке смолистых пород древесины, таких как сосна и береза. Процесс получения целлюлозы сводится к освобождению от других сопровождающих ее в растительном сырье веществ: лигнина, гемицеллюлоз, смол, жиров, таннидов и т.д. Поскольку основным веществом, от которого стремятся освободиться в результате такой обработки, является лигнин, процесс получения целлюлозы называют делигнификацией соответствующего растительного материала. Продукт делигнификации называется технической целлюлозой.

Общепринятой системы классификации способов делигнификации в настоящее время не существует. Исходя из применяемых химических реагентов, применяют способы получения целлюлозы: кислотный (сульфитный); щелочной (сульфатный); нейтральные; окислительные; ступенчатые; комбинированные. В настоящее время примерно 60 % мирового производства целлюлозы вырабатывается сульфатным способом, т.к. имеет много преимуществ: возможность утилизации всех пород древесины и однолетних растений; щелочная целлюлоза является более прочной, чем сульфитная; исключается необходимость в тщательной окорке, как это имеет место при сульфитном способе производства; благодаря возможности сжигания отработанных щелоков устраняется проблема загрязнения водоемов сточными водами.

Щелочной способ имеет и недостатки: пониженный выход целлюлозы, который не может быть компенсирован за счет уменьшения отходов при окорке;целлюлоза, полученная щелочными способами варки имеет коричневую окраску, высокие затраты на отбелку; в производстве целлюлозы сульфатным способом в атмосферу выбрасываются газы с неприятным запахом.

При щелочном способе получения целлюлозы древесную щепу подготавливают так же, как и для кислой варки. Сама варка осуществляется в аппаратах периодического или непрерывного действия. Необходимо, чтобы за период заварки обеспечивалась интенсивная пропитка варочным щелоком содержимого варочного котла. Затем происходит нейтрализация органических кислот и омыление смолы, выравнивается температура нагрева древесной щепы и варочного щелока. Собственно варка, т.е. растворение лигнина, начинается с достижением заданных значений конечной температуры. Длительность варки при конечной температуре (2-3 часа при 165-180⁰С) определяется различными факторами, главным образом требованиями к качеству целлюлозы.

Содержащиеся в древесине кислоты жирного ряда и смола омыляются в процессе варки натронным щелоком, образуя, так называемое смоляное или сульфатное мыло. Выход с каждой тонны целлюлозы составляет около 70-80 кг сульфатного мыла или 35-40 кг таллового масла. Целлюлоза промывается по принципу противотока горячей водой (80⁰С) в несколько этапов. Способ промывки целлюлозы на фильтрах позволяет экономить рабочую площадь, обеспечивает быстрый проход массы и высокую эффективность регенерации щелочи, а также возможность создания замкнутого цикла водооборота, что исключает загрязнение сточных вод.

Небеленую целлюлозу сортируют обычным путем в две-три ступени. Сортирование целлюлозы после ее промывки в одинаковой степени важно как для выработки из нее бумаги, так и для химической переработки. Инородные включения загрязняют целлюлозу, а, следовательно, ухудшают качество печати и изображения, и внешний вид получаемой бумаги. Загрязнения в целлюлозе, поступающей на химическую переработку, забивают фильтры, ухудшают способность волокон к вискозообразованию и затрудняют прядение.

В результате варки растительного сырья с тем или иным химическим реагентом получают небеленую целлюлозу, представляющую собой продукт с относительно низкой белизной. Небеленая целлюлоза, в особенности жесткая, содержит еще значительное количество сопровождающих клетчатку примесей, дальнейшее освобождение от которых способом варки бывает связано с нежелательным значительным повреждением целлюлозы и ухудшением ее свойств. Между тем часто требуется получить продукт высокого белого цвета, более полно освобожденный от лигнина, смол и других примесей, более химически чистый. Для этого полученную небеленую целлюлозу подвергают отделке химическими отбеливающими реагентами, получая беленую целлюлозу.

В зависимости от вида целлюлозы и ее назначения применяются различные схемы отбелки и отбеливающих реагентов. В некоторых случаях отбелку не доводят до высокой белизны и получают полубеленую целлюлозу. На различных ступенях отбелки используют газообразный хлор или хлорную воду, растворы гипохлорита кальция и натрия, двуокись хлора, натронный щелок, водный раствор SO₂ и соляную кислоту. Беленую целлюлозу сортируют повторно – для удаления из массы мелких включений.

Для более глубокого удаления гемицеллюлоз иногда одновременно с отбелкой проводят дополнительно щелочную обработку, получая в результате так называемую облагороженную целлюлозу. Отбелке и облагораживанию подвергают преимущественно мягкую целлюлозу или целлюлозу средней жесткости.

Небеленую и беленую целлюлозу обезвоживают, сушат и упаковывают. Целлюлоза может поставляться потребителям во влажном и сухом состоянии. Сухость целлюлозного полотна в конце технологического процесса составляет около 40–45 %. При необходимости получать целлюлозу сухостью около 90% ее сушат в виде полотна, листов, либо в виде хлопьев.