В ходе исследовательской работы были разработаны режимы варки для сульфитной и бисульфитной хвойной целлюлозы с числом Каппа 48…50 и доказана возможность замены ими сульфатной хвойной ЦВВ.

DEVELOPMENT OF COOKING CONDITIONS OF SULPHITE AND BISULPHITE PULP FOR CARDBOARD PRODUCTION AND COMPARISON OF THE OBTAINED SEMI-FINISHED PRODUCTS WITH SULPHATE HIGH-YIELD PULP

Yu.V. Sevastyanova, A.V. Potashev, L.A. Milovidova, V.V. Medvedev

Northern (Arctic) Federal University, Arkhangelsk, Russia

As part of the research work, cooking conditions for sulfite and bisulfite softwood pulp with a Kappa number of 48 ... 50 were developed and the possibility of replacing them with sulfate softwood high-yield pulp was proved.

Несмотря на повсеместное преобладание производства целлюлозы сульфатным способом, в настоящее время интерес к сульфитному способу вновь начал возрастать. Использование и утилизация сульфитного щелока являлись одной из основных проблем, и развитие технологий позволило ее решить. Варка сульфитной целлюлозы в основном осуществляется периодическим способом, в то время как сульфатная непрерывным.

Целью данной работы является разработка сульфитного и бисульфитного режима варки для производства картона и упаковочных видов бумаг. Для достижения поставленной цели исследования были поставлены следующие задачи:

1) отработать режим варки для сульфитной целлюлозы;

2) отработать режим варки для бисульфитной целлюлозы;

3) сравнить результаты варок и характеристик полученной сульфитной и бисульфитной целлюлозы с сульфатной ЦВВ.

В технологической щепе, предоставленной предприятием, в ходе исследования были определены следующие показатели:

- фракционный состав в соответствии с ГОСТ 15815-83;

- базисная плотность древесины;

- содержание коры и гнили.

В результате проведения фракционного анализа нескольких образцов хвойной технологической щепы (табл. 1) было установлено, что содержание согласованной фракции находится в пределах нормы и составляет 85,8 % в соответствии с ГОСТ 15815–83. Также была определена базисная плотность, которая составила 595 кг/м3. В предоставленных образцах практически не обнаружено гнили и коры, что свидетельствует о качественной работе древесно-подготовительного цеха предприятия.

Таблица 1. Фракционный состав щепы

Размер сит, мм	Образец 1, %	Образец 2, %	Среднее, %
Ø30	4,0	3,3	3,7
Ø20	25,6	24,7	25,2
Ø10	60,2	61,1	60,7
Ø5	8,5	9,1	8,8
Поддон	1,7	1,7	1,7
Согласованная фракция	85,8	85,8	85,9

В табл. 2 представлен рекомендуемый состав варочной кислоты для сульфитной и бисульфитной варки с числом Каппа 45…50.

Таблица 2. Состав Na-сульфитной и Mg-бисульфитной варочной кислоты

Показатель	Значение
Na-сульфитная варочная кислота
Содержание общего SO2, %	8,0…8,2
Содержание основания Na2O, %	1,88
рН	1,4…2,0
Mg-бисульфитная варочная кислота
Содержание общего SO2, %	7,3…7,5
Содержание основания Mg2O, %	2,06
рН	4,4…4,6

Результаты моделирования варок на установке CRS Reactor engineering Autoclave Oven CAS 420-2011 представлены в табл. 3 и 4. В ходе моделирования были получены образцы СФИ и БСФИ целлюлозы с числом Каппа 45…50 единиц. Выход сортированный массы составил 51,4 % и 53,8 % соответственно. При бисульфитной варке образуется непровар 4,16 %, в то время как при сульфитной его нет.

Таблица 3. Режим для Na-сульфитной варки

№  п/п	Температура варки,°С	Продолжительность, мин		Выход, %			Число Каппа
		варки	стоянки на конечной температуре	общий	Сортированной целлюлозы	непровара
1	155	330	30	51,0	51,0	0	46,0
2	155	330	30	51,8	51,8	0	47,3

Таблица 4. Режим для Mg-бисульфитной варки

№ п/п	Температура варки, °С	Продолжительность, мин		Выход, %			Число Каппа
		варки	стоянки на конечной температуре	общий	Сортированной целлюлозы	непровара
1	160	405	120	58,11	54,01	4,10	48,1
2	160	405	120	57,80	53,58	4,22	47,1

При подборе режима варки изменялись концентрация всего SO2 в варочной кислоте, температура и продолжительность конечной стоянки. На рис. 1 и 2 представлены температурные графики варок. При варке бисульфитным способом конечная температура выше на 5 °С и продолжительность самой варки дольше на 75 минут по сравнению с сульфитным.

На рис. 3 приведен температурный график варки хвойной ЦВВ сульфатным способом. В отличии от сульфитного стоянка на конечной температуре при сульфатном способе продолжительнее на 35 минут и сама температура выше на 5 °С при одинаковом выходе.


Рис. 1. Температурный режим сульфитной варки


Рис. 2. Температурный режим бисульфитной варки


Рис. 3. Температурный режим сульфатной варки

Для определения прочностных и деформационных свойств на полученных образцах после варки, были изготовлены лабораторные отливки из целлюлозы с массой 1 м2 75 г и 125 г при степени помола 60±2 °ШР и 30±2 °ШР соответственно. Результаты представлены в табл. 5.

Таблица 5. Прочностные и деформационные показатели

Показатели образцов	Вид полуфабриката
	СФИ 30 °ШР	СФИ 60°ШР	БСФИ 30°ШР	БСФИ 60°ШР	СФА ЦВВ ЧК 80, 30°ШР
Масса отливки, г	125	75	125	75	125
ρ, г/см	0,934	0,871	0,820	0,823	0,779
δ, мкм	134	88	139	87,8	156
Прочностные показатели
L, м	7700	8400	9600	8800	9100
П, кПа	460	310	560	400	720
SCT, кН/м	4,46	2,65	4,57	2,67	4,28
RCT, H	260	100	230	105	220
R, Н	-	466	-	400	-
CMT30, Н	230	-	290	-	-
CCT30, кН/м	1,99	-	2,42	-	-
Fсв , МПа	2,5	2,4	2,7	2,4	-
L0 , Н/см	73,9	92,6	93,4	85,6	-
Деформационные показатели
St, кН/м	778,2	557,0	876,1	556,8	745,2
ТЕА, Дж/м2	172,7	112,0	169,9	89,96	215,9
σр, МПа	71,57	73,40	72,95	72,1	65,50
ɛр, %	2,74	2,58	2,51	2,20	3,25
Е1, МПа	970	1075	1385	1306	966

Показатели образцов	Вид полуфабриката
	СФИ 30°ШР	СФИ 60°ШР	БСФИ 30°ШР	БСФИ 60°ШР	СФА ЦВВ ЧК 80, 22°ШР
Средняя длина, мм	1,81	1,65	2,00	1,90	2,30
Средняя ширина, мкм	35,3	35,5	36,2	35,8	30,6
Средний фактор формы, %	84,8	85,7	86,4	86,2	88,2
Грубость	206	260	228	256	242
Средний угол излома	55,5	54,3	56,4	55,8	57,3
Число изломов на мм	0,42	0,36	0,28	0,28	0,186
Число больших изломов на мм	0,145	0,121	0,100	0,097	0,068
Число изломов на волокно	0,522	0,431	0,396	0,370	0,315
Число больших изломов на волокно	0,182	0,143	0,140	0,129	0,114
Средний индекс излома	1,102	0,946	0,762	0,742	0,518
Средняя длина сегмента	1,470	1,465	1,725	1,667	2,078
Доля мелочи, %	7,3	9,6	5,6	6,3	3,8

Определение структурно-размерных характеристик образцов целлюлозы проводилось на приборе Файбер-тестер. Как следует из представленных данных, на структурно-размерные характеристики волокон целлюлозы оказывает влияние способ и режим варки, число каппа целлюлозы и размол волокна. При этом наиболее заметное влияние эти факторы оказывают на длину волокна. Волокна Mg-бисульфитной целлюлозы имеют большую, по сравнению с Na-сульфитной, длину волокон. Тоже самое сохраняется и при размоле волокон до 30 и 60 °ШР. Результаты представлены в табл. 6.

Заключение

1. При моделировании процесса сульфитной и бисульфитной варки хвойной целлюлозы были получены образцы с числом Каппа 48…50. Выход сортированной массы сульфитной и сульфатной целлюлозы одинаков и составил 51,4 %, а бисульфитной 53,8 %.

2.При сульфитном способе варки продолжительность конечной стоянки 30 минут при температуре 155 °С, при бисульфитном 120 минут при температуре 160 °С, при сульфатном 65 минут при температуре 161 °С.

3. Прочностные характеристики всех образцов целлюлозы соответствуют требованиям, предъявляемым к данным полуфабрикатам.

4. Структурно-размерные характеристики волокна, при учете степени помола и числа Каппа целлюлозы, позволяют сделать вывод о том, что сульфитная или бисульфитная целлюлоза может использоваться как замена сульфатной ЦВВ.

Список литературы:

1. Сарканен К.В. Лигнины. Под ред. Перев. с англ. А.В. Оболенской, Г.С. Чиркина, В.П. Щеголева под ред. проф., д-ра хим. наук В.М. Никитина, К.В. Сарканен, К.Х. Людвиг, Г.В. Хергерт и др. : М.: Лесн. пром-сть, 1975. 632 с.

2. Никитин В.М. Теоретические основы делигнификации. М.: Лесн. пром-сть, 1981. 296 с.

3. Боголицын К.Г., Резников В.М. Химия сульфитных методов делигнификации древесины. М.: Экология, 2004. 288 с.

4. Севастьянова Ю.В. Производство сульфитной целлюлозы [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://y-sevastyanova.narod.ru/olderfiles/1/LEKCIYA_4_2012.pdf (дата обращения: 13.11.2020). – Производство сульфитной целлюлозы.

5. Бобров А.И. Производство бисульфитной целлюлозы. / М.: Лесн. пром-сть, 1979. 192 с.

6. Розенбергер Н.А. О быстрой сульфитной варке. // М.: Бумажная пром-сть, 1961. № 12.