SE528726C2 - Syrgasdelignifiering av cellulosamassa i en högtrycksdel och en lågtrycksdel - Google Patents

Description

528 726 t". kemikalier, där andra steget mer blir en förlängd alkalisk extraktion med restkemlkalier från första steget.

Genom exempelvis efterföljande patent SE505141 (= US 6.221.206; US6.319.357 samt US 6.454.900) visas ett senare system där minst 25 kg alkali samt 25kg syrgas per ton massa skall satsas initiellt i ett system med två reaktorer i serie. Endast en àtermixning sker mellan reaktorerna, dock eventuellt med mindre alkalisats. I dessa system etableras ett högre tryck i första reaktorn med ett angivet högsta tryck pà 10 bar, och ett lägre tryck om maximalt 5 bar i andra reaktorn. Samma sökande, Sunds Defibrator numera Metso Paper, har i därefter efterföljande patent SE510740(=US6238517) visat en andra variant med 4-15 bar i första reaktorn och 2-5 bar i andra reaktorn, och i SE507871 samt SE507870 redovisat en tredje och fjärde variant med 3- 10 bar i en första uppflödesreaktor och under 2 bari en andra nedflödes- reaktor. Av dessa otal varianter från samma sökande inses att denna sökande inte insett vikten av bibehàllet högt tryck i en andra reaktor efter en ommixning.

Den maximala trycksättningen på 12 bar följer de teorier som exempelvis anammats av Metso Paper och som presenterats av Olm och Teder (Tappi Proceedings Seattle, 1979, sid 169-179), där man redovisat att inga fördelaktiga effekter kan påvisas vid högre tryck över 10-12 bar. Det skall dock nämnas att dessa teorier främst etableras efter försök i laboratorier där man utnyttjat autoklaver där endast en liten mängd massa blekts i ett massaprov som ligger i autoklaven som kontinuerligt roteras, eller så har man använt laboratorie-mixrar vilka hàllit en liten mängd i massaprovet under kontinuerlig omröring och ofta under kontinuerlig trycksättning med externt tillsatt syrgas (vilket medför obegränsad tillgång av syrgas).

I patentet WO97/17489 (STORA) samt US3725194 (SAPPI) redovisas teorier om den positiva effekten av att applicera ett högt tryck under syrgas- delignifieringen i syfte att öka den mängd syrgas som åtminstone initiellt kan lösas i vätskefasen. l STOFtAs ansökan appliceras tryck pà 15-20 bar emedan SAPPl 's patent redovisar tryck upp till 400 psi (ca 27 bar). Även KUF635 20 25 30 528 726 5 dessa lösningar strävar till att få en förbättrad delignifiering där andelen syrgas som lösts i vätskefasen är hög. l ett annat patent SE369746 patenteras en specifik sekvens O-C/D-O-D där första och andra syrgassteget körs mycket tufft vid tryck pà 14 bar och temperaturer pà 119°C respektive 130°C. Även i EP865531 redovisas ett tvåstegs syrgasdelignifieringssystem där upprepad mixning sker mellan reaktorer. Här anges dock att trycket ligger i intervallet från 20 psig till topptrycket 180 psig (dvs fràn 1,37-12 bar). Här har man inte alls insett vikten av upprepad mixning vid högt tryck för att optimera andelen löst syrgas. l en variant visad i detta patents figur 4 visas en mixer följt av en reaktor försedd med omrörare vilken då kan bidra med en upprepad omröringseffekt i reaktorn. Även i Camilla Röösts avhandling The Impact of Extended Oxygen Delignification on the Process Chemistry in Kraft Pulping, ISSN 1652-2443, Maj 2004, föreslås en process med 2 syrgasreaktorer där man sökt optimera tvàstegstekniken enligt US 5.217.575 med värmning mellan stegen, och där sett ett kraftfullt delignifieringssystem där man etablerar ett tryck på 16 bar i första reaktorn och ett tryck pà 6 bar i andra reaktorn. Under optimeringen har 6/10/16 bar utprovats i första reaktorn, och trycket har visat vara en av de mest dominanta parametrarna för god delignifiering, tillsammans med alkalisatsen.

Andra lösningar har presenterats med upprepad ommixning under syrgasdelignifieringen. l US 5.460.696 redovisas ett system med 3 mixrari serie där ett tryck på 120 psig (ca 8,2 bar) etableras. Syftet här är att reducera ett alltför högt pH om man satsar all alkali i början, och den upprepade mixningen sker i syfte att successivt blanda in alkali varefter denna förbrukas.

I US 4.384.920 samt US 4.363.697 visas 3 mixrar i sekvens där dessa mixrar utgöres av liggande reaktorer med en invänding matar-/omröringsskruv.

Massan matas genom de horisontella reaktorerna under det att en gasfas KUF635 25 30 528 726 “l etableras i reaktorernas tak. Detta system körs uppenbarligen vid måttligt övertryck. l US 4.259.150 visas ett system där massan leds direkt fràn kokaren, under bibehållande av fullt kokartryck, genom 4 stycken mixerstationer i serie för tillsättning syrgas. Här användes så kallade in-line drainers (rör awattnare) vilka under passagen dränerar bort vätska med utlöst organiskt material, vilket får till följd att koncentrationen höjs varefter. Detta system blir dock mycket kostsamt då stora syrgasmängder krävs då massasuspensionen ut från kokaren har mycket stor andel oxiderbartorganiskt material i vätskefasen, och betydande mängder med ofullständigt defibrerade/kokade fiberknippen med hög ligninhalt medföljer massan då ingen silning föregår syrgas behandlingen, vilka fiberknippen förbrukar stora mängder syrgas. Här sägs att man kan justera koket så att den kokade massan får ett höjt kappatal runt 70 , istället för det normala pà 35, varefter delignfiering kan ske ned till kappa 15. Genom denna justering kan man få bättre selektivitet, d.v.s nå samma kappatal men med högre massastyrka. Detta är ingen långt driven process då flertalet syrgasdelignifieringssteg i bleklinjen verkar på cellulosamassa som har ett ingående kappatal pà denna nivå.

Otaliga år de försök som utförts där man strävat till att driva delignifieringen vid medlekoncistens längre än vad som visat sig möjligt att nå i fabriksmiljö. verifiering av nya processer sker ofta i laboratorier med autoklaver eller laboratoriemixrar, vilka till skillnad mot kontinuerliga processer i fabrik, ofta sker under kontinuerlig omrörning av massaprovet samt ibland med trycksåttning med syrgas fràn extern källa vilket garanterar överskott på syrgas under hela processen, samt närvaro av mättad syrgas i alla delar av det behandlade massaprovet. Ofta kan man därför driva syrgas- delignifieringen längre i laboratorieprov än ifabriksmiljö.

Mixningen av kemikalierna, syrgas samt alkali, har av vissa ansetts betydelsefull och flera lösningar innebär att man skall etablera höga tryck och/eller tillsats av ytaktiva ämnen för att hålla den finförelade gasfasen jämnt fördelad i cellulosamassan under processen. Teorier har presenterats där man skall bibehålla en maximal kontaktyta mellan gasfasen och vätskefasen, KUF635 20 25 30 528 726 vilket kan ske genom att minimera de finfördelade gasbubblornas storlek, sä att man kan främja att syrgas i gasfas kan gå i lösning i vätskefasen över en maximerad övergàngsyta. Den fysikaliska processen där syrgasen går uti lösning går dock relativt långsamt, i jämförelse med förbrukningstakten av syrgas under reaktionens första faser, och kräver att den vätskefas som lokalt omger syrgasbubblan har lägre halt löst syrgas än vad som under rådande processvillkor är teoretiskt möjligt. Syrgasen avses dock reagera främst med lignlnet ifibern(efter det att det oxiderbara materialet i vätskefasen reagerat), och den vätskefas som trängt in iflbern omges inte direkt av syrgasbubblor vilket medför att den syrgas som skall reagera med fibermaterialet (och reducera kappatalet) först mäste gå i lösning från gasfas till vätskefas, sedan i vätskefasen diffundera in i fibern, och allt detta utan att den lösta syrgasen först förbrukas på organiskt material i vätskefasen. Detta medför att fibern har konstant låg halt av löst syrgas med vilken den kan reagera vilket är ogynnsamt för processen.

Uppfinningens syfte och ändamål Föreliggande uppfinningen avser att förbättra syrgasdelignifieringen vid medelkoncistens, i området 846% massakoncistens härefter benämnt MC, i fabriksmässig miljö så att delignifieringen kan drivas lika långt eller längre än vad som är möjligt vid testning i laboratorier. Genom uppfinningen sä kan man även i fabrlksmiljö maximera andelen löst syrgas i vätskefasen och befrämja den med syrgas mättade vätskan att tränga in i fibern om man bibehåller mycket högt tryck samt utsätter massan för en upprepad mixning vid detta höga tryck.

De principer som tillämpats i uppfinningen är att man i en första högtrycksdel med hjälp av ett flertal pumpar l serie av specifik konfiguration etablerar ett tryck som är högre än de 12-15 bar som i flertalet kommersiella system satts som maximalt lämpligt högsta drift-tryck, och att man under bibehållande av detta högre tryck initierar om-mixningseffekteri massa-suspensionen, med eller utan extra tillsats av kemikalier, i syfte att säkerställa att den i vatskefasen lösta delen av syrgasen hålls så hög som möjligt i hela vätskevolymen och att fibern rörs om i denna med syrgas mättade KUF635 20 25 30 523 7261 *iv vätskevolym så att med syrgas mättad vätska kan tillåtas tränga in ifibern på ett bättre sätt.

Typiskt etableras ett tryck på över 15-20 bar eller högre, i denna högtrycksdel. Övriga fördelar och ändamål framgår av följande beskrivning av utföringsexempel.

Ritningsförteckning Figur 1, visar schematiskt en system för syrgasdelignifiering i vilket den uppfinningsenliga metoden kan tillämpas; Figur 2, visar principiellt hur inmixad syrgas är inblandad i cellulosa- massan som finfördelad respektive löst andel under en process enligt figur 1; Figur 3 visar hur syrgasen förbrukas i ett alternativt system med 3 ommixningspositioner under högtrycksfasen och vid bibehållet tryck, samt med en omröringseffekti högtrycksdelens sista reaktor; Figur 4 visar hur syrgasen förbrukas i ännu ett alternativt system med endast 14 kg satsad syrgas samt 2 ommixningspositioner tätt inpà varandra; Figur 5 visar hur syrgasen förbrukas i ett tvàreaktorsystem med en högtryck och en làgtryckszon utan upprepad ommixning i högtryckszonen.

Detaljerad Beskrivning av föredragna utföringsformer I figur 1 visas ett syrgasdelignifieringssystem mellan en föregående tvätt Wl samt en efterföljande tvätt Wz/Wg, med ett antal reaktorer R1,R2,Fl3 samt H4 därimellan.

Efter den första tvätten Wj förs massan till ett atmosfäriskt lagringstorn ST (eller ett atmosfäriskt massastup).

Det alkali som behöver satsas till syrgasdelignifieringen kan lämpligen satsas till botten av lagringstornet (NaOHMAlN) varefter alla efterföljande pumpar (P1/P2) medverkar till god inmixning, då pumpar är en bra mixer för vätskeformiga tillsatser som exempelvis alkali(NaOH).

De tre första reaktorerna R1,l'-'l2,samt Ra ingår i en högtrycksdel vilken etablerar sitt tryck med tvà pumpar P1 samt P2 kopplade i serie. Första pumpen P1 är en fluidiserande MC-pump med avgasning, vilken dels behövs för att fluidisera MC-massan till ett pumpbart tillstànd, dels användes för att separera bort luft (Air) fràn massan, vilken luft annars inverkar negativt i KUF635 20 30 processen ur delignifieringssynvinkel (ej hög halt syrgas och innehåll av andra restgaser) samt reducerar möjligheten att trycksätta massan optimalt.

Den första pumpen motsvarar den typ av pump som visas i exempelvis US4776758, där pumpen har aktuell typ av förfluidisator (det.16), pumpkammare (det.18) samt medel (det.23) för avgasning av massan i pumpen.

Den andra pumpen P2 kan även den vara en fluidiserande MC-pump men då utan avgasning (dvs i övrigt lik pumpen i US4776758 men utan medel för avgasning), men är lämpligen en konventionell centrifugalpump optimerad för trycksättning, dä massan redan är fluidiserad samt avgasad av den första pumpen. Den andra pumpen har lämpligen en betydligt högre pumpverknings- grad, normalt 10-20% högre pumpverkningsgrad än första pumpen.

Pumparna som är kopplade i serie är företrädesvis anordnade i tät följd efter varandra med en mellanliggande flödessträcka mellan pumpar som understiger 2 meter, företrädesvis under 1 meter och än mer föredraget kopplade med en föregående pumps utloppsfläns till efterföljande pumps inloppsfläns.

Pumparna i sig är utmärkta mixrar för främst vätskeformiga kemikalier, såsom alkali som tillsättes före pumpningen. I syfte att ytterligare förbättra delignifieringen kan tillsättning av ett ytaktivt ämne tillföras massan efter den första pumpen med sin avluftning. Tillförseln av det ytaktiva ämnet störs dä inte av eventuella restgaser och/eller luft i massan och inträngningen av vätskefasen i cellulosfibrerna med vätskefasens höga andel löst syrgas förbättras.

Pumparna P1, P2 etablerar ett tryck initiellt i högtrycksdelen R1- H3 som ligger väl över 15,0 bar, typiskt i intervallet 17-30 bar och företrädesvis i intervallet 17-25 bar. Trycket kan vara högre men begränsas av praktiska skäl till 17-20 bar med två pumpar i serie. Om en trycknivä på exempelvis 18 bar skall etableras efter pumparna P1/P2 kan lämplig dimensionering/val av pumpar göras sä att den första fludiserande MC-pumpen P1 etablerar en tryckhöjd på 6-8 bar (ca 30-40°/>), och efterföljande centrifugalpump etablerar en tryckhöjd på 12-14 bar (ca 60-70%), dvs cirka 1/3 del av totalt erfoderlig tryckhöjd i första MC-pumpen och resterande pumphöjd i andra pumpen.

KUF635 30 528 726 Önskas högre tryck kan fler pumpar sättas in i serie, där en tredje och sista pump ävenledes kan vara en centrifugalpump.

Företrädesvis efter trycksättningen med pumparna P1/P2 tillsättes syrgas till den trycksatta cellulosamassan via en huvudmixer M1. Mixern M1 bör lämpligen vara en högintensiv mixer med uppehàllstider på minst O,1-2,0 sekunder, vilken i ett kraftigt skjuvkraftfält mixar in syrgasen jämnt i celiulosamassan.

Ut från den första huvudmixern M1 leds den trycksatta massan vid ett tryck på cirka 18 bar med sin inmixade syrgas till en första reaktor Ri i vilken massan strömmar uppåt med en första uppehàllstid T1 i reaktorn R1.

Efter det att massan passerat genom första reaktorn H1 leds massan till en andra ommixningsposition i form av mixern M2. Denna mixer kan vara av enklare typ än huvudmixern M1, och huvudsyftet är att fà en ommixningseffekt för att öka den lösta andelen av syrgas och befrämja penetrering av den mättade vätskefasen in i cellulosafibern. Tryckfallet över denna mixer skall hållas så lågt som möjligt, helst väl under 1 bar, och mixern kan i sin enklaste form vara en statisk mixer eventuellt i form av en halvstängd ventil. Mixern M2 kan även vara en mindre enklare pump (med begränsad tryckuppbyggnad som motsvarar tryckfallet i ledningarna/systemet fram till denna punkt), eller en agiterande och fluidiserande mixer.

Ut från den andra ommixnlngspositionen med mixern M2 leds den trycksatta massan vid ett tryck på cirka 17 bar med sin ommixade syrgas till en andra reaktor F12 i vilken massan strömmar uppåt med en andra uppehàllstid T2 i reaktorn H2.

Efter det att massan passerat genom andra reaktorn F12 leds massan till en tredje ommixningsposition i form av mixern M3. Denna mixer kan vara av samma typ som mixern M2 med samma syfte och tryckfall.

Ut från den tredje ommixnlngspositionen med mixern M3 leds den trycksatta massan vid ett tryck pà cirka 16 bar med sin ommixade syrgas till en tredje KUF635 20 30 528 726 »r reaktor H3 i vilken massan strömmar uppåt med en tredje uppehållstid T3 i reaktorn H3.

Efter den tredje reaktorn RQ, avslutas högtrycksdelen och därefter vidtages en kontrollerad och behärskad tryckreduktion inför den avslutande lågtrycksdelen i åtminstone en sista reaktor R4.

Tryckreduktionen kan implementeras genom åtminstone en ventil men företrädesvis ett flertal ventiler V1, V2 samt V3, där man säkerställer ett tryckfall som hålls så lågt som möjligt över varje ventil för att undvika stora, snabba tryckfall som onödigtvis riskerar att flasha ut gas i form av större bubblor. Ett flertal ventiler i serie medför att varje ventil även ger en omrörande mixningseffekt i den turbulens som bildas, vilket delvis motverkar tryckreduktionens negativa effekt på att hålla syrgasen jämt fördelad i form av små bubblor.

Làgtrycksdelen skall dock fortsättningsvis ha ett relativt högt tryck för att kunna bibehålla finfördelade rester av syrgasen i cellulosamassan, men samtidigt så lågt tryck att man kan värma massan med tillsats av direktånga från fabrikens àngnät för medeltryckånga (MP steam). Medeltryckànga i dessa nät håller normalt ett tryck på 10-12 bar och för att kunna införa ånga i massan krävs en positiv tryckdifferens på minst 1-2 bar. Behövlig tryckdifferens beror på aktuell mixer M4 där denna medeltryckånga tillföres massan efter det att man etablerat rätt tryck efter den kontrollerade tryckavlastningen efter ventilerna V1 -V3.

Lämpligen etableras ett tryck under 10-12 bar efter högtrycksdelen, vilken nivå bestäms av fabrikens tryck i ångnätet för medeltryckàngan, vilket tryck efter högtryckdelen bör vara minst 1-2 bar under trycket i detta àngnät med konventionella mixningsmetoder för ångan. Är det lägre tryckskillnad måste man använda en anordning för ångtillsats där man slussar in ångan i massan utan risk för utströmning av massa mot ångflödet. Ängtillsättningen medför att cellulosamassans temperatur höjs minst 5°C följt av att den uppvärmda massan leds till ett reaktorsystem i en Iågtrycksdel med KUF635 20 25 30 528 726 M; en uppehàllstid t4 som överstiger totala uppehàllstiden (t1+t2+t3) i högtrycksdelen.

Reaktorerna H1, Flg samt F13 i högtrycksdelen är så dimensionerade att cellulosamassan ges successivt längre uppehàllstid för cellulosamassan, så att med X antal högtrycksreaktorer så är uppehàllstiden för reaktorerna t1.X sådan att t1< , där tj utgör uppehàllstiden för reaktor Fi; o.s.v. Detta för anpassning till reaktionsprocessen, i form av förbrukning av satsade kemikalier, vilken sker mycket snabbt i början och avtar därefter väsentligen exponentiellt. Lämpliga uppehàllstider i reaktorerna H1 till RX i högtrycksdelen kan grovt uttryckas som: tmm = 1 minuter för t1 därefter (tx=2 *tx.1) samt tmax: X *10 minuter ; (t1=1-10, t2=2-2O; t3=4-3O;t4=8-4O min. o.s.v.), däf tX < t)(+1. l syfte att ytterligare optimera andelen löst syrgas i hela vätskevolymen i högtrycksdelen kan åtminstone i en högtrycksreaktor finnas en omrörare verkande i huvuddelen av reaktorvolymen(skal| verka över >50% av reaktorvolymen), antingen i form av en mekanisk omrörare (S) eller hydrodynamisk omrörare vilken åtminstone cirkulerar fri vätska i reaktorn.

Denna omrörare kan exempelvis finnas i den största reaktorn i högtrycksdelen eller i den reaktor där förbrukningen är som snabbast (=den första), eller i alla reaktorer. Den mekaniska omröraren kan realiseras som en roterande axel med radiellt utskjutande armar i reaktorn, vilken omrörare drivs med relativt måttligt varvtal pà 10-100 rpm och inte medför någon fluidiserande effekt pà cellulosamassan.

Uppehällstiden i den uppvärmda Iågtrycksdelen är längre än den samman- lagda tiden i högtrycksdelen. Vid en total uppehällstid på minst 3-10 minuter i högtrycksdelen är en lämplig minsta uppehällstid i Iågtrycksdelen minst 30 minuter, vilket resulterar i en total uppehàllstid pà minst 40 minuter. För dessa minivillkor kan högtryckdelen bestå av en första reaktor med minst 1 minuts uppehállstid, ommixning följt av en andra reaktor med minst 2 minuters uppehållstid samt efter ytterligare ommixning en avslutande tredje reaktor i högtryckdelen med uppehällstid pà minst 4 minuter. f KU F635 20 30 528 726 /l Lågtrycksdelen kan ha en uppehàllstid i intervallet 30-120 minuter, företrädesvis 60-90 minuter. l en anläggning som delignifierar 3000 ton MC-massa vid 10% konsistens per dygn så är flödet genom processen drygt 18 kbm per minut. Vid sådan produktion användes normalt röriedningar med diameter pà cirka 1,2 meter som då håller cirka 1,1 kbm per meter rörledning. En första reaktor som då implementeras i form av enkel rörledning med 1 minuts uppehållstid blir då cirka 16 meter läng. Ofta försöker man realisera reaktorerna som röriedningar vilket är främsta skälet till att hålla uppehàllstiderna nere l reaktorerna. En 16 meter lång rörledning kan då dras iform av en U-böj i ett vertikalplan eller liggandes i ett horisontalplan.

Efter lågtycksdelen släpper man på trycket i cellulosamassan i utloppet från reaktorn Ft4 och matar massan till ett atmosfäriskt massastup (eller lagringstorn) som kan leda bort restgaser, varefter tryckavlastad massa pumpas med en pump P3 till efterföljande tvättsystem, vilket i figur 1 visas i form av en tryckdiffusör W2 samt en tvättpress W3 i serie. Denna kombination kan bli aktuell om mycket högt ställda krav pà massan renhet ställs, exempelvis om massan skall användas till emballage av livsmedel. Ofta räcker det dock med en enda tvättapparat, vilket reducerar investerings- kostnaden. På konventionellt sätt leds tvättfiltrat F3 från sista tvätten Wg som tvättvätska F2 till näst sista tvätten W2, dvs leder tvättfiltrateti motström mot massatlödet. Tvättfiltratet F1 från tvätten Wg direkt efter sista reaktorn R4 leds på motsvarande sätt till en tvätt W1 före syrgasdelignifieringen som tvättvätska och/eller spädvätska till lagringstornet ST efter denna tvätt W1. Den syrgasdelignifierade och tvättade massan pumpas sedan med pumpen P5 till efterföljande bleksteg i bleksekvensen. l figur 2 visas principiellt hur syrgasen förbrukas i ett system enligt figur 1, där mängden syrgas återges pä Y-axeln samt tiden på X-axeln. Den totala satsen syrgas som tillsättes i mixern M1 är här 20kg per ton massa, vilken satsningsmängd ligger i det övre området av det intervall på 14-20 kg per ton massa som konventionellt satsas till ett syrgasdelignifierande steg. Mycket KUF635 20 25 30 528 726 :vi mer än 30-35 kg syrgas per ton massa kan normalt inte satsas till en inmixningsposition vid tryck på 12 bar då så pass stora gasmängder lätt ger kanalbildning i efterföljande reaktorer, vilket etablerar ett centralflöde genom reaktorn med mycket hög hastighet och uppehållstider pà massan i reaktorn på endast bråkdelar av den avsedda uppehàllstiden. Det höga trycket som appliceras enligt uppfinningen vid om-mixningen och i efterföljande reaktor medför ävenledes att större gasmängder kan tillsättas utan risk för kanalbildning, alternativt att risken för kanalbildning kraftigt reduceras jämfört med system med lägre tryck och samma satsning av syrgas. Restmängden syrgas som vid varje tidpunkt inte förbrukats följer i stort sett linjen 02 RESTOT och i början är förbrukningen mycket snabb. Med I, ll samt lll avses uppehâllstiden i reaktorerna Ft1, RQ respektive H3. l denna figur 2 återges med det gråmarkerade fältet 02 LiqMAX den maximala mängd som vid rådande tryck teoretiskt kan lösas i vätskefasen. Vid 20 bars tryck, 80°C samt pH 10 kan cirka 0,5 kg syrgas lösas i vätske-fasen per kbm vätska. (0,25 vid 10 bar). Med 10% massakoncistens finns det 9 kbm vätska per ton massa, vilket medför att maximalt 4,5 kg syrgas per ton massa kan lösas vid 20 bars tryck. 4,5 kg pà en totalsats på 20 kg motsvarar så mycket som 22,5% av den totala satsen. Lösligheten på syrgas i vätskefasen är relativt låg jämfört med många andra blekmedel såsom klordioxid eller andra vätskeförmiga blekmedel. Processen där syrgas går över från gasfas till vätskefas är relativt långsam, men kan påskyndas genom kraftig agitering i fluidiserande mixrar. Första mixern M1 bör därför antingen vara en högfluidiserande mixer med relativt kort uppehållstid på O,1-2,0 sekunder, vilken kraftigt agiterar blandningen av massa och gas lett intensivt skjuvkraftfält applicerat i en tunn flödesspalt, eller en måttligare kontinuerlig agitering under en längre tid på 1-10 sekunder.

Med en optimal mixning l mixern M1 kan man anta att mängden syrgas som lösts i vätskefasen ligger nära den mängd som teoretiskt kan lösas i vätskefasen. Förbrukningen av den mängd syrgas som lösts i vätskefasen sker dock mycket snabbt och betydligt snabbare än syrgasens övergång från gasfas till vätskefas, varför andelen kvarvarande löst syrgas i vätskefasen följer kurvan 02 Liq RES. Den syrgas som skall reagera med fiberväggen i KUF635 20 25 30 528 726 n? cellulosan utarmas därför alltför fort och detta medför att syrgas- delignifieringen av cellulusaflbern inte alls fortgår under gynnsamma betingelser. Därför aktiveras en ommixning efter tiden l med mixern M2 så att man kan öka andelen syrgas som är löst i vätskefasen. Även denna lösta mängd förbrukas under tidsperioden ll i reaktorn H2 och ännu en ommixning sker därför med mixern M3 för att åter öka andelen syrgas som är löst i vätskefasen. Den av av mixern M3 lösta syrgasen förbrukas sedan under tidsperioden lll i reaktor H3.

Systemet i figur 1 är av konventionell typ där trycket sjunker succesivt genom systemet p.g.a tryckfall i ledningar e.t.c. I figur 1 sjunker därför trycket från reaktor Rj till F12 med cirka 1 bar, och från Rz till H3 med cirka 1 bar exklusive tryckfall beroende på förluster i statisk höjd. Med en reaktor med 10 meters höjd blir det även ett tryckfall på 1 bar pga skillnad i statisk höjd mellan in- och utlopp på reaktorn. Med ett högt starttryck på 17 bar får man cirka 16 samt 15 bar i reaktorerna Fig respektive H3. Tryckfallet genom systemets högtrycksdel HP (=reaktorerna H1, F12, H3) skall minimeras då principen i uppfinningen är att så långt möjligt bibehålla trycket högt i hela högtrycksdelen HP och att aktivera ommixningar under bibehållet tryck för att så långt det är praktiskt möjligt hälla andelen syrgas som är löst i vätskefasen så hög som möjligt.

Trycket i sig själv är väsentligt för att underlätta övergången från gasfas till vätskefas då man kan hålla kontaktytan mellan gasfas och vätskefas hög om icke löst syrgas (distribuerad i suspensionen som antingen synligt eller icke synligt skum/bubblor) kan bibehàllas i form av små bubblor och motverka att dessa klumpas ihop till större gasaggregat, vilket bl.a sker om trycket sänks.

Om gasen kan hållas i form av bubblor med 0,1 mm's diameter istället för 1 mm's diameter så ökar kontaktytan mellan gasfas samt vätskfas med en faktor på 100. Små bubblor kan även lättare hàllas fördelade över hela suspensionsvolymen samt kan lättare penetrera in till fiberväggar.

Efter högtryckdelen HP reduceras trycket ned till en lägre nivài lâgtrycks- delen LP, vid ett tryck där mellantrycksånga kan användas för att direktvärma massasuspensionen. Vid en lämplig trycknivå på 10 bar i lågtrycksdelen så kan endast hälften av den mängd syrgas som kan lösas vid 20 bar gå ut i KUF635 20 25 30 528 if! 726 lösning. Restmängden syrgas vid denna processposition är dock pà grund av den höga förbrukningen i högtrycksdelen relativt låg. Den teoretiskt lösbara mängden syrgas vid 10 bars tryck kan dock ändock uppgå till 40-60% av den restmängd syrgas som finns kvar, och i vissa system kan man därför vilja satsa lite extra syrgas inför làgtrycksdelen.

Sammanfattnignsvis visar figur 2 hur man genom upprepad ommixning kan hälla andelen i vätskefasen löst syrgas hög genom dels ommixning samt dels bibehàllet högt tryck. Båda dessa villkor är nödvändiga för att kunna lösa sä pass stor andel som drygt 20% av den totala satsen syrgas, samt bibehålla mängden syrgas i vätskefasen hög genom hela högtrycksdelen. Härigenom etableras gynnsamma villkor för delignifiering av fiberväggen i dess kontakt med vätskefasen som ävenledes tränger in i och emellan fibrerna.

I figur 3 visas en annan variant där man har 3 ommixningspositioner mellan 4 reaktorer, och där man i den sista reaktorn även har en omrörare S som visas schematiskt i figur 1. Här är samma höga tryck etablerat genom hela högtrycksdelen HP, vilket eventuellt kan säkerställas med mixrari ommixnings-positionerna som höjer trycket. Kvaerner Pulping AB's mixrar DUALOMIXTM är en sådan typ av mixer som vid vissa applikationer (storlek/flöden) och utförande pà mixern kan ge tryckuppbyggnad. Alternativt kan man sätta in hjälppumpar mellan reaktorerna. Även här satsas 20 kg syrgas i början men ommixningarna sker tätare med kortare samt successivt ökande uppehàllstider mellan ommixningspositionerna.

I figur 4 visas en variant med initiell syrgassats pà 14 kg, bibehàllet tryck genom systemet och tätare mellan ommixningarna relativt figur 2 men i övrigt lika.

I figur 5 visas hur syrgasen skulle förbrukas om inte den uppfinningsenliga metoden tillämpades i ett tvà-reaktorssystem med en första högtrycksdel samt en andra lägtrycksdel, d.v.s. om inte ommixning sker i högtrycksdelen. Här framgår att mängden löst syrgas i vätskefasen snabbt faller till mycket låg KUF635 20 25 30 528 726 l 5” mängd, varför delignifiering av fibern/fibervåggen sker långt fràn gynnsamma villkor i första högtrycksdelens senare del.

Principiellt skall huvuddelen av den erfoderliga mängden kemikalier, både syrgas samt alkali, satsas före den första reaktorn, vilka kemikaliemänger är sådana att alkali satsas för erhållande av ett start pH väl över 9,0 samt syrgas i en sats mellan 5-50 kg per ton massa. Aktuell sats är beroende av ingående kappatal. Med massa med ingående kappatal på 40-50 enheter och reduktion ned till kappatal 8-10 kan syrgassatsen uppgå till 30-50 kg per ton massa, dvs en kappafaktorstyrning på 1-2 kg per Akappa och ton massa. Med lägre ingående kappatal ligger kappafaktorn typiskt på 1,5-3,0 kg per Akappa och ton massa. Uppfinningen tillämpas således i en syrgasdelignifeirng med kappafaktor satsning av syrgas i omådet 1.0-3,0 (kg syrgas per Akappa och ton massa).

Alkali måste tillsättas så att pH bibehålles på ett slut-pH på 10-10,5 så att alkaliteten bibehålles hög under hela processen. Normalt innebär detta att 80- 100% av alla syrgas satsas till första inmixningspositionen, emedan 70-90% av allt alkali, i vissa enstaka fall hela satsen då främst totala uppehållstiden år kort, tillsättes samma inmixningsposition.

Normalt tillsättes före lågtrycksdelen endast alkali främst vid långa totala uppehållstider, samt mindre mängd syrgas om uppehållstiden i lågtrycksdelen är lång. Det har praktiskt visat sig att de allra flesta system uppvisar förbättrad delignifiering samt förbättrad styrka på massan, d.v.s förbättrad selektivitet, om en mindre mängd (typiskt 10-40% av totalsatsen) satsas till andra steget.

Anpassning av satsningsstrategi sker i beroende av ett flertal faktorer som o ingående kappatal, där högre ingående kappatal kan medföra fler satsningspositoner av alkali och/eller syrgas; ~ total kappareduktion i syrgasdelignifieringen, ~ aktuell cellulosa (löwed, barrved, tung eucalyptus etc där kortfibrig lövved kan kräva tätare eller fler ommixningspositioner i högtrycksdelen) 0 efterföljande bleksteg (ECF eller TCF sekvens, förekomst av andra alkaliska bleksteg typ P-steg, samt effekt och antal av alkaliska extraktionssteg av E-/EO-/EOP-typ), KUF635 20 30 528% 726» R» - önskade egenskaper pà slutblekt massa ~ krav på COD-halt i utsläpp (kan kräva tuffare körning i syrgasen trots minskad selektivitet vilket kan reducera erfoderlig mängd klordioxid i D- steg). l syfte att få optimal verkan på cellulosamassan, och inte förbruka kemikalierna på onödigt organiskt material i vätskefasen kan cellulosamassan före syrgasdelignifieringen awattnas till högre konsistens samt återutspädes inför syrgasdelignifieringen till medelkonsistens med rent filtrat (filtrat som kommer från tvåttsteg efter syrgasdelignifieringen eller annat rent processvatten) som företrädesvis oxiderats dessförinnan i en oxiderande reaktor OxR. Det alkali som satsas kan av samma skäl satsas till delar eller helt i form av oxiderad vitlut.

Uppfinningen kan varieras pà ett flertal sätt inom ramen för uppfinningen.

Exempelvis kan andra typer av reaktorer än uppflödestorn användas såsom nedflödestorn eller enkla rörledningar som dras i horisontalplanet eller vertikalplanet i en U-böi. l vissa svårdellgnifierade massor såsom löwed kan satsning av syrgas krävas i alla mixningspostioner l systemet. Fler än 3 reaktorer med föregående mixningari högtrycksdelen och/eller mer än 1 reaktor i den efterföljande lågtrycksdelen kan även krävas.

Dock skall minst en ommixningsposition etableras i högtrycksdelen med en minsta förbestämd tidsutdräkt efter en föregående huvudmixningsposition och med en efterföljande làgtrycksdel i minst en reaktor.

Den förbestämda tidsutdräkten mellan mixningspositionerna kan anpassas till aktuell förbrukning av i vätskefasen löst syrgas eller den totalt satsade syrgassatsen, där en ommixning lämpligen kan ske så fort som mer än 30% av syrgasen som satsats dessförinnan förbrukats. De angivna föredragna uppehållstiderna för massan i reaktorerna R1-Fl3 är dock bra riktmärken för de allra flesta processer, vilka riktmärken är anpassade till den snabba förbrukningen i början av processen vilken förbrukningshastighet avklingar successivt.

KU F635 10 20 25 528 72s 17' Uppfinningen kan även tillämpas i ett delignifierings system med en kort första lågtrycksdel, där en mindre mängd syrgas, typiskt väl mindre än 40% och företrädesvis mindre än 20% av det som totalt satsas till syrgassteget, tillsättes före eller i lágtryckdelen i syfte att oxidera det material som finns löst i vàtskefasen. På detta sätt kan man undvika att den syrgas som tillsättes till efterföljande högtrycksdel onödigtvis förbrukas på oxiderbart material i vätskefasen, och till större del utnyttjas för delignifiering av cellulosan i högtrycksdelen.

Företrädesvis användes även oxiderad vitlut som alkalitillsats.

Med den uppfinningsenliga metoden kan syrgasdelignifieringen i fabriksmiljö lättare drivas till lägre kappatal, och exempelvis lövved som vid laboratorieförsök kan delignifieras ned till kappatal 9 eller lägre kan även i fabriksmiljö närma sig denna potentiella kappreduktion. Under vissa omständigheter kan kappatalsreduktionen i fabriksmiljö förbättras upp till 3 kappaenheter med bibehållen styrka i massan. Alternativt kan man erhålla samma kappatalsreduktion med väsentligen förbättrad massastyrka eller mellanvarianter mellan dessa båda ytterlighets-alternativ där både massastyrkan samt kappareduktionen förbättras. Kostnaderna för bleklinjens drift, främst kostnader för övriga blekkemikalier i efterföljande bleksteg reduceras kraftigt om man redan tidigt i bleklinjen i syrgasdelignifieringen kan reducera kappatalet med 2-3 enheter ytterligare.

KUF635

Claims (15)

1. 0 20 25 30 1. 528 726 .få PATENTKRAV Metod för kontinuerlig alkalisk syrgasdelignifiering av kokad samt efter koket tvättad cellulosamassa som lagras i ett väsentligen atmosfäriskt lagringstorn eller massastup och som håller medelkonsistens i området 8- 16% och som häller ett kappatal pä åtminstone 15 enheter, företrädesvis kappatal över 20 enheter, där syrgasdelignifieringen sker i ett reaktorsystem med en högtrycksdel samt en lågtrycksdel i direkt följd med en bestämd uppehâllstid på cellulosamassan i reaktorsystemet, där cellulosamassan tillsättes alkali för erhållande av ett start pH över 9,0 samt syrgas i en sats mellan 5-50 kg per ton massa i åtminstone en position före en första syrgasreaktor i reaktorsystemet och där massan har en förbestämd uppehállstid pá över 45 minuter totalt i reaktorsystemet k ä n n e t e c k n a d av att i samband med tillsats av nödvändiga kemikalier och initiell inmixning för syrgasdelignifieringen så trycksättes cellulosamassan till ett initialtryck pá mer än 15,0 bar medelst åtminstone tvà pumpar i serie, där den första pumpen i serien är en fluidiserande MC- pump med en rotor med dels en förfluidisator dels en i massaflödets riktning efterföljande pumpkammare, med medel för avgasning från MC- pumpen och den sista pumpen i serien en pump som antingen är en MC- pump utan avluftning eller en centrifugalpump, vilken sista pump har en pumpverkningsgrad som är minst 10% högre, företrädesvis mer än 20% högre, än den första pumpen och att massan undergàr mer än en ommixningsposition i högtrycksdelen, varefter massan efter att ha passerat reaktorsystemets högtrycksdel tryckavlastas till ett tryck under 10-12 bar.

2. Metod enligt krav 1 kännetecknat av att pumparna som är kopplade i serie är anordnade i tät följd efter varandra med en mellanliggande flödessträcka mellan pumpar som understiger 2 meter, företrädesvis under 1 meter och än mer föredraget kopplade med en föregående pumps utloppsfläns till efterföljande pumps inloppstläns.

3. Metod enligt krav 2 kännetecknat av att syrgas, företrädesvis huvuddelen av den satsade mängden syrgas till syrgassteget, tillsättes cellulosa- 04095 E3-KUFó35doc 10 20 25 30 massan direkt efter det att initialtrycket pá mer än 15 bar etablerats av de i serie anordnade pumparna. .

4. Metod enligt krav 3 kännetecknat av att antalet pumpar anordnade i serie överstiger 2 stycken pumpar, och att de pumpar som är anordnade mellan första och sista pumpen är av samma typ som sista pumpen. .

5. Metod enligt krav 3 k ä n n e t e c k n a d av att sluttrycket efter den sista ommixningspositionen är minst 13 bar och med en minsta uppehållstid i denna första högtryckssdel på minst 3-10 minuter.

6. Metod enligt krav 5 k ä n n e t e c k n a d av att massan efter passage genom reaktorsystemets högtrycksdel värmes med ånga så att temperaturen på massan genom àngtillsättningen höjs minst 5°C. .

7. Metod enligt krav 1 eller 5 k ä n n e t e c k n a d av att mellan åtminstone tvà pumpar i seriekopplingen tillsättes ett vätskeformigt ytaktivt ämne.

8. Metod enligt krav 7 k ä n n e t e c k n a d av att följt av att den uppvärmda massan leds till ett reaktorsystem i en lågtrycksdel med en uppehàllstid som överstiger uppehàllstiden i högtrycksdelen. .

9. Metod enligt krav 5 k ä n n e t e c k n a d av att ommixningspositionerna utgöres av fluidiserande mixrar, antingen i form av en fluidiserande pump, en fluidiserande strypning, en fluidiserande mixer eller någon flödesrestriktion som ger ett tryckfall på mindre än 1 bar.

10. Metod enligt krav 6 k ä n n e t e c k n a d av att efter den initiella inmixningen finns en första högtrycksreaktor i vilken cellulosamassan ges en första uppehàllstid, och efter ommixningspositionerna i högtrycksdelen följer en högtrycksreaktor efter var och en av ommixningspositionerna. 0409SE3~KUF63Sdoc 20 25 528 726 .jlCl

11.Metod enligt krav 7 k ä n n e t e c k n a d av att reaktorernai högtrycksdelen är så dimensionerade att cellulosamassan ges successivt längre uppehällstid för cellulosamassan, sà att med X antal högtrycksreaktorer så är uppehállstiden ti - tx för respektive reaktor H1 - Fix sådan att t1< .

12. Metod enligt krav 8 k ä n n e t e c k n a d av att uppehállstiderna ti - t>< för respektive reaktor Fli - RX i högtrycksdelen är uttryckt som: tmm = 1 minut för ti därefter (tx=2 * tm) samt Tmax: X *10 minuter ; (t1=1-i0, t2=2-20; t3=4-30;t4=8-40 min. o.s.v.), däf IX < TX+1.

13. Metod enligt något av föregående krav k ä n n e t e c k n a d av att i åtminstone en högtrycksreaktor finns en omrörare verkande i huvuddelen av reaktorvolymen(>50%), antingen i form av en mekanisk omrörare (S) eller hydrodynamisk omrörare vilken åtminstone cirkulerar fri vätska i reaktorn.

14. Metod enligt något av föregående krav k ä n n e t e c k n a d av att syrgas och eller alkali kan satsas till cellulosamassan i samband med ommixningspositionerna i högtrycksdelen i en mängd som understiger den mängd som tillsattes vid den initiella inmixningen och att syrgas och eller alkali kan satsas i början på lågtrycksdelen.

15.Metod enligt något av föregående krav k ä n n e t e c k n a d av att cellulosamassan före syrgasdelignifieringen avvattnas till högre konsistens samt àterutspädes inför syrgasdelignifieringen till medelkonsistens med rent filtrat som företrädesvis oxiderats dessförinnan, samt att alkali i form av oxiderad vitlut användes i syrgasdelignifieringen. 0409SE3-KUF635Lloc