制漿原理與工程課件

制漿原理與工程課件第1頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三二.堿法制漿流程示意圖：

松節(jié)油回收系統(tǒng)（松木）

熱回收系統(tǒng)熱水

紙漿篩選系統(tǒng)

合格原料片蒸煮器噴放裝置洗漿與黑液提取系統(tǒng)

預(yù)浸裝置

蒸煮藥液

堿回收系統(tǒng)

第2頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三三.亞硫酸鹽法制漿流程示意圖：合格原料片

SO2蒸煮液制備系統(tǒng)蒸煮器藥劑制備系統(tǒng)噴放裝置洗漿和廢液提取系統(tǒng)廢液回收和綜合利用系統(tǒng)紙漿篩選系統(tǒng)硫鐵礦粉碎焙燒爐氣除塵冷卻爐氣吸收原酸貯存(主要FeS2)

礦渣利用

鹽基乳液

蒸煮液制備

第3頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三四.蒸煮液的組成：堿法：燒堿法：NaOH,硫酸鹽法：NaOH+Na2S亞硫酸鹽法：蒸煮方法酸性亞硫酸鹽法亞硫酸氫鹽法微酸性亞硫酸鹽法中性亞硫酸鹽法堿性亞硫酸鹽法pH值蒸煮液組成鹽基

<2HSO3-SO2H+鈣、（鎂、鈉）3~5HSO3-鎂、鈉5~6.5HSO3-SO32-鎂、鈉8~9(>9)SO32-CO32-鈉、銨10~13.5SO32-OH-鈉第4頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三五.堿法制漿常用專業(yè)術(shù)語(yǔ)：活性堿（A.A.,ActiveAlkali）：燒堿法中指NaOH，硫酸鹽法中指NaOH+Na2S,通常以Na2O(或NaOH)表示。有效堿（E.A.,EffectiveAlkali）：燒堿法中指NaOH，硫酸鹽法中指NaOH+1/2Na2S,通常以Na2O(或NaOH)表示。硫化度(Sulfidity)：指堿液中Na2S含量占活性堿NaOH+Na2S含量的百分比，即：硫化度（%）=〔Na2S/（NaOH+Na2S）×100%用堿量：指蒸煮時(shí)活性堿用量（重量）對(duì)絕干原料重量的百比。第5頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三液比：指蒸煮時(shí)絕干原料重量（kg或t）與蒸煮液總液量體積

（L或m3）之比。紙漿得率（Yield）：（1）粗漿得率：蒸煮后所得絕干粗漿重量對(duì)蒸煮前絕干原料重量的百分比。（2）細(xì)漿得率：粗漿經(jīng)篩選后所得絕干細(xì)漿重量對(duì)蒸煮前絕干原料重量的百分比。第6頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三卡伯值（Kappanumber）：

表示蒸煮或漂白后殘留在紙漿中的木素及其它還原性物質(zhì)相對(duì)含量的一種指標(biāo)（其它還原性物質(zhì)包括己烯糖醛酸基—聚木糖中的4-O-甲基葡萄糖醛酸基在堿性高溫下的產(chǎn)物等）。采用高錳酸鉀作氧化劑進(jìn)行測(cè)定(另一種指標(biāo)為高錳酸鉀值，卡伯值和高錳酸鉀值過(guò)去均稱為紙漿硬度。）。紙漿卡伯值與殘余木素含量之間的關(guān)系隨原料種類和制漿方法的不同而有差別，可通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定。第7頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三TheKraftProcessBenefitsAllwoodspeciescanbeusedasrawmaterialTheprocessisrelativelyinsensitivetobarkCookingtimesarerelativelyshort

Problemswithpitchinthepulparerelativelysmall

Thepulpismuchstronger

Regenerationofchemicalsandenergyisefficient

Side-productssuchasturpentineandtall-oilarevaluable第8頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三KraftCookingLiquors

whiteliquor:stronglyalkalinesulution(pH~14)

mainactivecompounds:NaOHandNa2S

smallamounts:Na2CO3,Na2SO4,Na2S2O3,NaCl,CaCO3,etc.

mainequilibriaprevailinwhiteliquor:NaOH+H2O Na++OH-+H2ONa2S+H2O2Na++S2-+H2OS2-+H2OHS-+OH-

第9頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

Totalalkali:AllNa+compounds

NaOH,Na2S,Na2CO3,Na2SO3,Na2SO4,Na2S2O3,etc

ActiveAlkali,AA:NaOH+Na2SEffectiveAlkali,EA:NaOH+?Na2SSulfidity:Na2S/(NaOH+Na2S)

100第10頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

TheinterdependenceofthemaincomponentsinKraftwhiteliquor:

3.6%

7.2%NaSHNa2S+H2O3.6%NaOHNa2S+Sulfidity,30%

NaOH

(AA,24%)

16.8%20.4%(16.8%+3.6%)NaOH-----------------NaOH(EA)

第11頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

第二節(jié)蒸煮原理一、蒸煮液對(duì)原料片的浸透作用

主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：毛細(xì)管作用和擴(kuò)散作用

毛細(xì)管作用：主要靠外加的壓力和表面張力產(chǎn)生的壓力作用浸透，通過(guò)導(dǎo)管-、管胞、纖維的胞腔進(jìn)行。影響因素：紋孔的多少及其大小、原料品種、邊材與心材（毛細(xì)管浸透速率與毛細(xì)管半徑的四次方成正比）

水分含量（適宜于較干的原料片，但需排除原料毛細(xì)管內(nèi)的空氣）

壓力差（毛細(xì)管浸透速率與壓力差成正比）無(wú)論堿性或酸性蒸煮液，纖維軸向的毛細(xì)管作用總是大于橫向的毛細(xì)管作用（約50~200倍，）第12頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.擴(kuò)散作用：主要靠藥液濃度差造成的離子濃度梯度的推動(dòng)力使蒸煮液中的離子擴(kuò)散浸透入原料切片內(nèi)部，通過(guò)導(dǎo)管、管胞、纖維的胞腔和細(xì)胞壁進(jìn)行。影響因素：原料密度、水分含量（適宜于水分飽和的原料片）蒸煮液組成（影響大，擴(kuò)散作用主要取決于有效毛細(xì)管截積）當(dāng)蒸煮液pH>13時(shí)，纖維軸向的擴(kuò)散作用與橫向的擴(kuò)散作用比較接近，約為1：0.8(潤(rùn)脹作用的效果）當(dāng)蒸煮液pH<13時(shí)，纖維軸向的擴(kuò)散作用比橫向的擴(kuò)散作用大得多。使浸透作用順利的重要前提：藥液與原料片的均勻混合第13頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三二、蒸煮過(guò)程中的脫木素（Delignification)和碳水化合物降解(CarbohydrateDecomposition)（自己復(fù)習(xí)植物纖維化學(xué)課程有關(guān)化學(xué)內(nèi)容）脫木素作用導(dǎo)致：1.木素結(jié)構(gòu)單元之間聯(lián)結(jié)鍵斷裂木素大分子降解2.木素分子內(nèi)引進(jìn)親液基團(tuán)提高溶解性總的結(jié)果：木素脫除，纖維分離成漿纖維素與半纖維素降解作用導(dǎo)致：糖基之間的苷鍵斷裂大分子聚合度降低紙漿得率與強(qiáng)度降低第14頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三三、蒸煮過(guò)程脫木素局部化學(xué)的研究研究蒸煮過(guò)程纖維細(xì)胞中木素的脫除順序，有助于進(jìn)行蒸煮過(guò)程的脫木素反應(yīng)歷程和動(dòng)力學(xué)研究，對(duì)制定正確的蒸煮工藝條件有指導(dǎo)意義。植物纖維的組織結(jié)構(gòu)：ML，P，（ML＋P＝CML），S1S2S3木素的分布：密度ML（胞間層）最大含量S2層最大據(jù)有關(guān)研究，目前認(rèn)為脫木素順序：硫酸鹽法和酸性亞硫酸鹽法：S層先于ML層中性亞硫酸鹽法：ML層先于S層第15頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三四、蒸煮過(guò)程脫木素反應(yīng)歷程針葉木硫酸鹽法脫木素反應(yīng)歷程美國(guó)輻射松：脫木素階段1（初始脫木素階段）2（大量脫木素階段）3（殘余木素脫除階段）E.A.變化（NaOH，g/L)51282815157木素含量變化（對(duì)o.d.木片）272222331第16頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三馬尾松：脫木素階段1（初始脫木素階段）2（大量脫木素階段）3（殘余木素脫除階段）溫度（oC）100~150150~175(Tmax)175(Tmax下保溫)E.A.變化（Na2O，g/L)5842（下降快）下降變慢下降速率有所增加溶出木素%（對(duì)原木素）26.689.897.8第17頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三針葉木硫酸鹽法脫木素反應(yīng)歷程（以馬尾松為例）：第一階段：初始脫木素階段（升溫至150oC以前）堿濃下降快，木素溶出少（﹤30%）第二階段：大量脫木素階段（從150oC升溫至最高溫度Tmax）堿濃下降變慢，木素溶出多（60%~70%）第三階段：殘余木素脫除階段（Tmax下保溫）堿濃下降率有所增加，木素溶出10%以下

其它針葉木與闊葉木硫酸鹽法蒸煮的脫木素反應(yīng)歷程同上規(guī)律可分為上述三個(gè)階段，但具體溫度等隨原料不同而有所差別。第18頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.草類原料堿法蒸煮脫木素反應(yīng)歷程：

(1)大量脫木素階段：開(kāi)始升溫到100OC（竹160

OC）左右，木素脫除60％以上

(2)補(bǔ)充脫木素階段：100OC左右繼續(xù)升溫至最高溫度（150－160OC），木素總的脫除率達(dá)90％以上，原料分散成漿

(3)殘余木素脫除階段：保溫階段，木素脫除5％以下正確的工藝操作：藥液與料片混合均勻（預(yù)浸，升溫前空運(yùn)轉(zhuǎn)）慢升溫（1－2小時(shí)）短保溫或不保溫

第19頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三五、蒸煮過(guò)程脫木素化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究結(jié)果

影響堿法蒸煮的主要參數(shù)：蒸煮時(shí)間與蒸煮溫度

在一定范圍內(nèi)，提高溫度可以縮短時(shí)間，溫度降低則必須延長(zhǎng)時(shí)間。即：一定范圍內(nèi)溫度和時(shí)間可以互為補(bǔ)償。1957年加拿大制漿造紙研究所K.E.Vroom提出了H-factor的概念，把蒸煮溫度與時(shí)間作為單一變數(shù)考慮，用以控制蒸煮終點(diǎn)，從而穩(wěn)定蒸煮后紙漿的質(zhì)量，促進(jìn)蒸煮過(guò)程的自動(dòng)化控制（建立數(shù)學(xué)模型）。

H-因子（H-factor）=∫KR(T)dt

KR——相對(duì)反應(yīng)速率常數(shù)

對(duì)一定的原料，蒸煮后漿料中的殘余木素含量（與紙漿卡伯值成線性關(guān)系）可由蒸煮時(shí)的H-因子控制（H-因子增大，卡伯值降低），因此可以利用H-因子確定蒸煮終點(diǎn)，靈活調(diào)節(jié)生產(chǎn)（根據(jù)蒸煮溫度的波動(dòng)調(diào)節(jié)蒸煮時(shí)間），減少卡伯值波動(dòng)范圍，穩(wěn)定紙漿質(zhì)量（卡伯值、得率、強(qiáng)度）。第20頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

第三節(jié)蒸煮方法與蒸煮技術(shù)一、堿法蒸煮（一）蒸煮操作（間歇式蒸煮）1．

裝料、送液：（1）

提高單位容積裝料量；（木片蒸汽裝鍋器，草片機(jī)械裝料器）（2）藥液與料片混合均勻；（預(yù)浸）（3）裝料送液時(shí)間不宜太長(zhǎng)；（4）送液液溫要恰當(dāng)；（5）料片、藥液必須計(jì)量準(zhǔn)確。第21頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2．升溫、小放氣升溫時(shí)間宜稍長(zhǎng)，均勻升溫；升溫到一定溫度或壓力時(shí)需進(jìn)行小放汽，以排除空氣，避免假壓。松木原料在小放汽時(shí)可以回收松節(jié)油。3．最高溫（Tmax）下的保溫視原料品種與漿料要求而定

4．

噴放配合堿回收（漿料溫度與黑液濃度都要高）第22頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（二）蒸煮工藝條件的確定（間歇式蒸煮）

1．

用堿量的確定

根據(jù)：（1）原料種類與質(zhì)量（2）紙漿要求（3）

殘堿要求（蒸煮終點(diǎn)pH值不低于12）

2．

液比的確定

用堿量一定時(shí)，液比的大小影響：

（1）藥液的濃度（2）藥液與原料的混合（3）蒸煮鍋內(nèi)藥液的循環(huán)一般采用的液比:蒸球1：2～1：3立鍋1：4～1：5第23頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

3．硫化度的確定

取決于原料種類（木素含量、組織結(jié)構(gòu)等）和成漿要求（卡伯值）。一般：針葉木25～30％草類原料15％左右闊葉木一般處于兩者之間深度脫木素蒸煮的硫化度要提高一些4．升溫時(shí)間

取決于原料種類（木素含量、組織結(jié)構(gòu)等）和成漿要求（卡伯值）。5．最高溫度與保溫時(shí)間

取決于原料種類（木素含量、組織結(jié)構(gòu)等）和成漿要求（卡伯值）。第24頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三二、亞硫酸鹽法蒸煮（一）蒸煮操作1．堿性亞硫酸鹽法與中性亞硫酸鹽法：

與堿法蒸煮操作基本相同2．酸性亞硫酸鹽（鈣）法（1）裝鍋、送液控制木片水分40～45％，有利于藥液滲透和增加裝鍋量；采用蒸汽裝鍋器，提高木片溫度，使木片在鍋內(nèi)分布均勻，初步排除空氣和揮發(fā)性樹(shù)脂，有利于藥液滲透和增加裝鍋量。先裝鍋，后送液。裝鍋完畢蓋上鍋蓋后，從鍋體下部泵入蒸煮液，使藥液中逸出的SO2氣體為木片所吸收。在送液后期，將鍋上部排出的氣體導(dǎo)入氣體回收系統(tǒng)（含較多SO2）。第25頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（2）第一段升溫和第一段保溫

連續(xù)而細(xì)微的小放汽，避免假壓，回收SO2.

到達(dá)“臨界溫度”開(kāi)始第一段保溫，使藥液充分滲透到木片中去，有利于木素磺化，避免木素縮合。“臨界溫度”與原料品種有關(guān)，據(jù)工廠經(jīng)驗(yàn)，白松酸性亞硫酸鈣蒸煮：105oC~110oC;馬尾松酸性亞硫酸鈣蒸煮：117oC左右。（3）第二段升溫與藥液回收

在第一段浸透和磺化較充分的前提下，第二段升溫可以加速進(jìn)行，在升溫到130oC以前，回收多余的藥液，繼續(xù)升溫到最高溫度（一般不超過(guò)150oC）。（4）最高溫度下的保溫根據(jù)蒸煮終點(diǎn)確定保溫時(shí)間。（5）大放汽和放鍋

大放汽（回收SO2）至一定壓力時(shí)噴放漿料。

第26頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期三三、添加助劑的蒸煮技術(shù)添加蒸煮助劑的目的：加速脫木素速率；減少纖維素和半纖維素降解。11.氧化性助劑：氧化碳水化合物的還原性醛末端基，使之變成羧基從而避免剝皮反應(yīng)。(1)無(wú)機(jī)氧化性助劑：多硫化鈉Na2Sn，亞硫酸鈉，通氧（尚在研究中）（2)有機(jī)氧化性助劑：蒽醌及其衍生物2．還原性助劑：（1）無(wú)機(jī)還原性助劑：硼氫化鈉，使碳水化合物的還原性醛末端基還原為羥基，從而避免剝皮反應(yīng)