Введение к работе
Актуальность темы. Проблема смоляных затруднений в производстве целлюлозы и бумаги возникла с тех пор, как в качестве сырья начали применять древесину. Имеется целый ряд рекомендаций по борьбе с ними. Однако смоляные затруднения всё ещё не изжиты. Они возникают в производстве целлюлозы, бумаги и картона, принося предприятиям большие убытки. Поэтому производственники и исследователи во всех странах продолжают уделять большое внимание изысканию наиболее эффективных способов устранения смоляных затруднений.
Смолистые вещества, содержащиеся в древесине, в процессах её переработки в целлюлозу, бумагу и картон претерпевают различные физико-химические изменения и образуют липкие отложения на рабочих поверхностях оборудования, снижая его производительность. Кроме того, на целлюлозе, бумаге и картоне появляются смоляные пятна, ухудшающие их качество. Из многочисленных способов предотвращения или устранения смоляных затруднений наиболее радикальным решением проблемы является удаление большей части смолы из древесины и целлюлозы.
Известно, что с целью обессмоливания целлюлозы на ряде предприятий на различных стадиях технологического процесса используются обессмоливающие агенты или композиции на основе смесей поверхностно-активных веществ, главным образом импортные, что предопределяет довольно высокую стоимость таких способов обессмоливания. Однако проблема смоляных затруднений остается и даже обостряется в связи с дефицитом балансовой древесины и, как следствие, с сокращением длительности её выдерживания на воздухе, а также с увеличением в сырьевом балансе целлюлозно-бумажной промышленности доли лиственной древесины, содержащей больше, чем хвойные породы, труднорастворимых компонентов смолы – жиров и неомыляемых веществ.
Работа выполнялась в рамках «Приоритетных направлений развития лесного комплекса в период до 2020 г.» в составе «Концепции стратегии развития лесного комплекса РФ на период до 2020 г.»
Цель и задачи исследования. Целью данной работы является разработка научно-обоснованного эффективного способа обессмоливания целлюлозы на основе отечественных поверхностно-активных веществ (ПАВ) путем использования их на начальном этапе возникновения смоляных затруднений – на стадии варки целлюлозы, а также при промывке и отбелке.
Исходя из этого решались следующие задачи:
исследование влияния поверхностно-активных веществ на пропитку щепы из хвойной и лиственной древесины бисульфитным варочным раствором;
изучение влияния поверхностно-активных веществ на пропитку щепы лиственной древесины сульфатным варочным раствором;
определение критической концентрации мицеллообразования (ККМ) использованных в работе поверхностно-активных веществ в бисульфитном и сульфатном варочных растворах с целью прогнозирования на их основе расхода ПАВ при обессмоливании целлюлозы;
определение эффективного и целесообразного расхода поверхностно-активных веществ, исходя из величин их ККМ, на бисульфитную варку древесины различных пород;
исследование обессмоливания целлюлозы из древесины различных пород отечественными поверхностно-активными веществами на стадии бисульфитной варки;
изучение возможности и целесообразности обессмоливания лиственной целлюлозы отечественными поверхностно-активными веществами на стадии сульфатной варки;
определение эффективности обессмоливания бисульфитной целлюлозы в процессе промывки за счет использования поверхностно-активных веществ;
исследование влияния использования поверхностно-активных веществ на стадии варки бисульфитной целлюлозы на её белимость и эффективность обессмоливания в процессе отбелки;
опытно-промышленные испытания эффективности использования отечественных поверхностно-активных веществ на стадии бисульфитной варки целлюлозы;
оценка экономической целесообразности использования поверхностно-активных веществ на стадии бисульфитной варки целлюлозы.
Методы исследования. Научные положения диссертации основываются на системном анализе теоретических работ по проблеме смоляных затруднений на целлюлозно-бумажных предприятиях и методам обессмоливания целлюлозы.
Обоснованность и достоверность экспериментальных результатов подтверждается использованием современных методов исследований, приборов и оборудования. Обработка экспериментальных данных выполнялась с использованием общепринятых методов математической статистики и в соответствии с ГОСТ 8.207-76 «Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений».
Научная новизна. В диссертации впервые:
научно и экспериментально установлена возможность и целесообразность использования отечественных неионогенных ПАВ на ранней стадии производства целлюлозы – в процессе варки, что исключает необходимость обессмоливания целлюлозы на других стадиях производства;
выявлены закономерности изменения показателей пропитки древесины различных пород бисульфитным и сульфатным варочными растворами за счет применения ПАВ при варке;
обосновано использование показателей критической концентрации мицелообразования ПАВ в бисульфитном и сульфатном варочных растворах как критерия для установления оптимального расхода обессмоливателя;
проведены системные исследования, позволившие определить эффективный и целесообразный расход ПАВ на обессмоливание бисульфитной целлюлозы из хвойной и лиственной древесины, исходя из установленных в работе величин критической концентрации мицелообразования ПАВ в варочном растворе;
предложен эффективный способ обессмоливания на стадии варки сульфатной целлюлозы из лиственных пород древесины и их смесей;
микроскопическими анализами смолы в целлюлозе и в промывном фильтрате показано диспергирующее действие ПАВ, придание устойчивости дисперсным частицам смолы и в результате предотвращение осаждения их на волокнах целлюлозы и эффективное отмывание от волокна при промывке целлюлозы;
определены закономерности влияния ПАВ при промывке на смолистость бисульфитной целлюлозы;
экспериментально показано, что при получении бисульфитной целлюлозы последовательное использование ПАВ при варке и окислительной бесхлорной отбелки пероксидом водорода обеспечивает высокую эффективность обессмоливания по общей и «вредной» смоле, что практически может исключить проблему смоляных затруднений в производстве.
Практическая значимость.
Показаны возможность и целесообразность обессмоливания бисульфитной целлюлозы из хвойной и лиственной древесины и сульфатной лиственной целлюлозы применением отечественных поверхностно-активных веществ Неонол и ОС-20 в процессе варки – в потенциальном очаге возникновения «смоляных затруднений» в целлюлозно-бумажном производстве. Обессмоливание достигается добавками указанных ПАВ к варочным растворам, что предопределяет их низкий расход для снижения смолистости целлюлозы по общей и «вредной» смоле по сравнению с обессмоливанием на других стадиях процесса производства; кроме того, исключается необходимость обессмоливания целлюлозы по всему потоку производства.
Предлагаемые неионогенные ПАВ биоразлагаемы и применение их не требует усложнения технологии.
Показана экономическая целесообразность использования отечественных ПАВ на стадии варки:
применение целлюлозы с пониженной смолистостью в производстве бумаги приводит к снижению обрывности бумаги на бумагоделательных машинах и количества бракованной продукции, что обусловливает увеличение выработки бумаги и снижение её себестоимости;
снижение «вредной» смолистости приводит к снижению расхода химикатов и потерь времени на промывку сеток бумагоделательных машин и другого оборудования;
снижение расхода химикатов уменьшает сбросы в сток отработанного раствора, что приводит к уменьшению платежей предприятий за сбросы загрязняющих водоемы веществ.
Опытно-промышленная проверка в производственных условиях результатов исследований по обессмоливанию бисульфитной целлюлозы добавками в варочный раствор отечественного ПАВ Неонол дала положительные результаты.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили положительную оценку: на III Всероссийской конференции «Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья» (г.Барнаул, 2007); На V Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Научное творчество молодежи – лесному комплексу России» (г.Екатеринбург, 2009); на Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Интеллект 2008» (г.Красноярск, 2008).
Промышленные выработки. В промышленных условиях подтверждены результаты лабораторных исследований опытно-промышленными выработками бисульфитной целлюлозы с использованием в период варки ПАВ Неонол на ОАО ЦБК «Кама».
Публикации. Основные материалы диссертации изложены в шести научных работах; в журналах, рекомендуемых ВАК, опубликованы две научные работы; получены два патента Российской Федерации.
Структура и объём работы. Диссертационная работа изложена на 217 страницах основного машинописного текста, содержит 42 таблицы, 36 рисунков. Список цитируемой литературы включает 91 наименование. В четырех приложениях представлены ориентировочные расчеты экономической целесообразности предлагаемого метода обессмоливания бисульфитной целлюлозы, акт опытно-промышленных испытаний эффективности использования отечественного ПАВ Неонол на стадии бисульфитной варки целлюлозы, ИК-спектры образцов смолы и результаты статистической обработки экспериментальных данных.
