Устройство для изготовления пленок и волокон из целлюлозы и интегрированное оборудование для изготовления пленок и волокон - RU2144100C1

Чертежи

Описание

Изобретение относится к устройству для изготовления из целлюлозы пленок, волокон, мембран или других формованных изделий аминооксидным способом, а также к интегрированному оборудованию для изготовления пленок и волокон. Кроме того, настоящее изобретение относится к способу производства из целлюлозы пленок, волокон, мембран и т.д., соответствующему аминооксидному способу.

Из патента US-PS 2179181 известно, что третичные аминооксиды способны растворять целлюлозу, а из таких растворов путем осаждения в водной среде можно изготовлять целлюлозные формованные изделия. Подобный способ в описании и формуле настоящего изобретения называется "аминооксидным способом".

Из патента US-A 4246221 известен аминооксидный способ приготовления формуемых целлюлозных растворов, характеризующийся тем, что в качестве исходного материала наряду с другими веществами применяется смесь целлюлозы с водосодержащим N- метилморфолин-N-оксидом. Данный известный способ предполагает прерывистый режим получения формуемого раствора и состоит из следующих четырех этапов.

1. Обработка смеси волокнистой массы с 6-процентным массовым содержанием воды и водосодержащего раствора N-метилморфолин-N-оксида в смесительном сосуде в условиях пониженного давления и повышенной температуры, в результате чего образуется первый раствор.

2. Промежуточное хранение первого раствора в емкости.

3. Промежуточная фильтрация упомянутого раствора.

4. Обработка этого первого раствора в формовочном прессе с целью получения формуемого раствора.

Согласно этому способу целлюлозу можно растворять только в прерывистом режиме, что, кроме того, требует много времени. Уже первый этап занимает 1 час 20 минут. В течение этого времени волокнистая масса входит в контакт с раствором аминооксида при температуре, превышающей 100^oC что ведет к значительному разложению целлюлозы и аминооксида и к появлению нежелательных продуктов разложения, ухудшающих свойства изготавливаемых волокон. Более того, обработка большого количества аминооксида в один замес означает, в силу термической неустойчивости аминооксида, повышенную взрывоопасность такого процесса, а также возможность ухудшения степени полимеризации целлюлозы.

С другой стороны в ЕР-А 0356419, опубликованном в 1990 году, описывается технология, позволяющая перейти от многоэтапного процесса формовки, один из вариантов которого описан в US-A 4246221, к процессу безостановочного и к тому же одноэтапного преобразования суспензии целлюлозы в водном растворе аминооксида в формуемый раствор. Согласно этой технологии суспензия вначале распределяется в виде слоя по нагревательной поверхности. При этом слой суспензии подвергается обработке, заключающейся в интенсивном перемешивании суспензии, ее перемещении по этой поверхности и нагреве. Одновременно с этим на слой суспензии воздействует пониженное давление, способствуя испарению воды. Регулирование условий концентрирования в соответствии с фазовой диаграммой состояния трехкомпонентной смеси: целлюлоза + аминооксид + вода (смотри, например, документ WО 94/28212) позволяет достигнуть растворения целлюлозы.

Описанный выше способ тонкопленочной обработки хорошо реализуется в аппарате, описанном в документе ЕР-А 0356419 и называемом аппаратом тонкопленочной обработки. Вариантом такого аппарата является так называемый "филмтрудер" - пресс для формовки пленок, выпускаемый, например, компанией "Buss AG" (Швейцария). Аппарат для тонкопленочной обработки описан также в документе DE-OS 2011493.

Документ WO 94/06530, опубликованный в 1994 году, предлагает использование тонкопленочной технологии, известной по документу ЕР-А 0356419, для получения формуемого раствора из смеси целлюлозы с водным раствором третичного аминооксида. Этот способ реализуется в прессе для формовки пленок аналогично тому, как это предлагается в документе ЕР-А 0356419. Задачей способа, предложенного в документе WO 94/06530, является энергосбережение, и решение этой задачи предлагается за счет снижения скорости вращения ротора.

Целью настоящего изобретения являются устройство и способ для изготовления пленок и волокон из целлюлозы. В качестве исходного материала предлагается использовать суспензию волокнистой целлюлозной массы в водном растворе аминооксида, причем эта суспензия содержит не более 10% сухого компонента от веса самой волокнистой массы. Исходный материал такого рода содержит много воды и, следовательно, обладает низкой консистенцией.

Основными составными частями предлагаемого в настоящем изобретении устройства для изготовления аминооксидным способом пленок и волокон из целлюлозы являются:
- смесительный аппарат для приготовления первой суспензии волокнистой целлюлозной массы в водном растворе аминооксида с содержанием сухого компонента волокнистой массы не более 10% по весу;
- аппарат для концентрирования приготовленной в смесительном аппарате первой суспензии волокнистой массы, в котором эта суспензия механическим способом распределяется в виде слоя по нагревательной поверхности, подогревается и перемещается по этой нагревательной поверхности при интенсивном перемешивании и испарении воды до тех пор, пока не испарится заданное количество воды, и не будет получена концентрированная суспензия волокнистой массы;
- следующий аппарат, предпочтительно - аппарат тонкопленочной обработки, в котором приготовленная концентрированная суспензия преобразуется в формуемый целлюлозный раствор;
- соединенный с вышеупомянутым аппаратом или с аппаратом тонкопленочной обработки дополнительный аппарат, в котором из формуемого целлюлозного раствора изготавливаются целлюлозные пленки, волокна и т.д.

Практика показала, что обработку суспензии очень влажной волокнистой массы (т.е. при более чем 10-процентном массовом содержании воды в волокнистой массе) в водном растворе аминооксида или обработку очень водянистой суспензии удобно выполнять в следующей последовательности. Сначала с применением смесительного аппарата готовится гомогенная суспензия волокнистой массы в водном растворе аминооксида, причем без испарения воды. Затем гомогенная суспензия перемещается в следующий аппарат для ее концентрирования по пленочной технологии (в частности - тонкопленочной технологии) с тем, чтобы получить концентрированную суспензию. И затем концентрированная суспензия подается в третий аппарат, где она преобразуется в раствор.

В предпочтительном варианте исполнения предлагаемое устройство характеризуется тем, что входящий в его состав аппарат для концентрирования первой суспензии волокнистой массы представляет собой аппарат тонкопленочной обработки.

Если в состав предлагаемого в изобретении устройства входит смесительный аппарат, функционирующий в прерывистом режиме, то для непрерывной подачи суспензии в аппарат тонкопленочной обработки необходимо иметь по крайней мере два подобных смесительных аппарата, соединенных с аппаратом для концентрирования первой суспензии посредством трубопровода, работающих попеременно. Таким образом, можно обеспечить безостановочную работу устройства в целом.

В другом предпочтительном варианте исполнения предлагаемое устройство отличается тем, что в качестве смесительного аппарата используется аппарат, способный дефибрировать и/или измельчать целлюлозную волокнистую массу. В число подобных аппаратов входят механизмы типа холландера, дробильные аппараты Джордана, рафинеры, дисковые дробилки и дефибреры. Дробление заключается в обработке волокнистой массы механизмом с одним подвижным и одним неподвижным рабочими элементами (жерновами).

Настоящее изобретение относится также к интегрированному оборудованию для изготовления пленок и волокон в соответствии с аминооксидным способом, при этом основными составными частями упомянутого оборудования являются:
- аппарат для приготовления волокнистой массы;
- предложенное в настоящем изобретении устройство для изготовления пленок и волокон из целлюлозы предложенным здесь же способом, причем это устройство устанавливается за аппаратом для приготовления волокнистой массы.

Обычно в качестве сырьевых материалов для аппарата приготовления волокнистой массы применяются целлюлозосодержащие материалы, в частности - древесина. В процессе приготовления целлюлозной волокнистой массы целлюлозосодержащие сырьевые материалы сначала подвергаются химической дезинтеграции, присутствующие при этом вещества, такие как лигнин и гемицеллюлоза удаляются растворением. Затем полученная волокнистая масса очищается и отбеливается.

Предпочтительный вариант предлагаемого в настоящем изобретении интегрированного оборудования для изготовления пленок и волокон отличается тем, что аппарат для приготовления волокнистой массы имеет конструкцию, позволяющую получать влажную волокнистую массу с содержанием воды по крайней мере 20% от веса сухой волокнистой массы. В данном варианте предлагаемого оборудования волокнистая масса перед переработкой в суспензию не осушается, и поэтому целлюлоза в водосодержащем аминооксиде может дробиться менее агрессивным способом с более легким последующим растворением.

Кроме того, настоящее изобретение относится к способу изготовления пленок и волокон из целлюлозы на основе аминооксидного способа. Предлагаемый способ включает в себя следующие этапы:
- образование первой суспензии волокнистой массы в водном растворе аминооксида с содержанием в суспензии сухого компонента в количестве, не превышающем 10% от веса сухой волокнистой массы;
- концентрирование этой первой суспензии волокнистой массы, при котором суспензия механическим способом распределяется в виде слоя по нагревательной поверхности, подогревается и перемещается по этой нагревательной поверхности при интенсивном перемешивании и испарении воды до получения концентрированной суспензии;
- приготовление формуемого целлюлозного раствора путем подогрева концентрированной суспензии и преобразования в формуемый целлюлозный раствор в процессе испарения воды;
- изготовление из формуемого целлюлозного раствора волокон, пленок или других формованных изделий известным способом;
при том условии, что этапы концентрирования первой суспензии волокнистой массы и приготовления формуемого целлюлозного раствора выполняются в разных аппаратах.

Предпочтительный вариант предлагаемого способа состоит в преобразовании концентрированной суспензии в целлюлозный раствор путем механического распределения суспензии в виде слоя по нагревательной поверхности, ее подогрева и перемещения по этой нагревательной поверхности при интенсивном перемешивании и испарении воды до тех пор, пока не будет получен формуемый целлюлозный раствор.

Для приготовления первой суспензии предлагаемым в настоящем изобретении способом предпочтение отдается использованию влажной волокнистой массы с 20-процентным массовым содержанием воды.

Еще один вариант предлагаемого способа предусматривает суспензирование волокнистой массы в водном растворе аминооксида путем дефибрирования и/или дробления предварительно измельченной волокнистой массы в водном растворе аминооксида. Было показано, что дробление целлюлозы во влажной среде аминооксида дезинтегрирует или активирует ее волокнистую массу настолько эффективно, что облегчает последующее приготовление раствора.

Подобный способ "влажного" дробления целлюлозы известен из документа CA-PS 914674. Его задачей является улучшение дезинтеграции волокнистой массы, подлежащей дальнейшей переработке в ацетат целлюлозы для химической реакции.

При "влажном" дроблении волокна целлюлозы разрубаются, фибриллируются и набухают. Под фибрилляцией специалисты понимают сращивание волокон в направлении, параллельном их осям. После дробления значительная часть фибрилл прилипает к волокнам, подобно бахроме.

Предпочтительное содержание сухого компонента в концентрированной суспензии составляет не менее 12% от веса сухой волокнистой массы.

Предлагаемый согласно настоящему изобретению способ позволяет осуществлять технологический процесс безостановочно.

Для изготовления из целлюлозы пленок и волокон предлагаемым способом наиболее предпочтительным является использование в качестве аминооксида N-метилморфолин-N-оксида.

Ниже со ссылкой к прилагаемым чертежам схематически раскрываются предложенные в настоящем изобретении варианты устройства (фиг. 1) и интегрированного оборудования (фиг. 2) для изготовления пленок и волокон.

На фиг. 1В и фиг. 1В' соответственно показаны два так называемых дефибрера, которые используются в бумажном производстве. В производстве бумаги дефибреры применяются для приготовления из волокнистой массы и воды пасты, из которой, в конечном итоге, получается бумага. Дефибреры, подходящие для применения в составе предлагаемого устройства, производятся, например, компанией "Cellwood Grubbens АВ" под наименованиями: "плоский дефибрер W-типа" или "вертикальный дефибрер SRM-типа". В отображенном варианте предлагаемого устройства дефибреры В, В' применяются для приготовления из волокнистой массы и водного раствора аминооксида первой суспензии, которая концентрируется в аппарате тонкопленочной обработки С и затем преобразуется в формуемый раствор в аппарате тонкопленочной обработки D. Формуемый раствор отводится из аппарата тонкопленочной обработки D и перерабатывается известным способом в пленки, волокна или другие формованные изделия. Этот этап технологического процесса не отражен на фиг. 1.

Принцип работы этого устройства следующий.

Сначала в дефибрер В помещается заданное количество водосодержащего аминооксида. Затем в дефибрер В с помощью ленточного дозатора 1 при работающем роторе подается дополнительное количество волокнистой массы (в данном случае - листовой волокнистой массы) до достижения требуемой плотности сухого материала. Предпочтительные значения массового содержания сухого материала находятся в пределах от 4 до 10% от веса волокнистой массы. Затем при работающем роторе волокнистая масса в течение примерно 15-30 минут обрабатывается в дефибрере с целью получения первой гомогенной суспензии.

Эта первая гомогенная суспензия подается в аппарат тонкопленочной обработки С, например, в "филмтрудер" или пресс для формовки пленок типа HS/HSG производства компании "Buss AG", Швейцария. Схема аппарата, выбранная для рассматриваемого чертежа, соответствует типовому прессу для формовки пленок (смотри, к примеру, статью Э. Хаймгартнера "Обработка пластмасс с целью снижения их испаряемости" в "Ingeneurwissen", стр.69-97, Дюссельдорф, 1980 г. , издательство "VDI - Verlag GmbH"). На фиг.1 показан частичный продольный разрез данного аппарата. Позицией 2 обозначена внутренняя стенка корпуса (предпочтительно - вертикальная) вращающегося ротора, которая в отображенном на чертеже типовом исполнении имеет форму цилиндрического контейнера почти по всей своей длине. Своей большей частью внутренняя стенка 2 окружена нагревательной рубашкой 3, 4, в которой имеются средства соединения 5, 6, 7 и 8 с линиями движения теплопередающей среды, причем средства соединения 6 и 8 служат для подвода теплопередающей среды (насыщенного пара), а средства соединения 5 и 7 служат для ее отвода.

Позицией 9 обозначен ротор, вращаемый двигателем 10 и имеющий лопатки 11. Лопатки ротора 11, являющиеся в показанном типовом варианте изобретения плоскими, выступают из ротора радиально по отношению к оси ротора. При этом плоскости лопаток повернуты на угол α относительно оси ротора 9, а величина этого угла предпочтительно регулируется. Для части лопаток 11 ротора этот угол может быть равен 0^o.

Над лопатками 11 к ротору прикреплено распределительное кольцо 12, которое распределяет целлюлозную суспензию, вводимую через входной канал 13,13', в виде слоев по внутренней стенке 2. Таким образом, распределительное кольцо 12 установлено на уровне входного канала 13, 13'.

Лопатки 11 ротора отделены от внутренней стенки 2 по всей длине контейнера радиальным зазором, преобладающий размер которого составляет 20 мм. Этот зазор может быть постоянным или переменным по длине контейнера 2.

В своей нижней части контейнер имеет форму усеченного конуса, переходя в резервуар 14 для концентрированной суспензии волокнистой массы 15. В резервуаре 14 может быть установлен аппарат для перемешивания концентрированной суспензии. К примеру, перемешивающий аппарат, соединенный с двигателем, может быть погружен в среду суспензии, находящейся в резервуаре 14 (на чертеже не показан). Уровень суспензии в резервуаре 14 может контролироваться посредством радиоактивного датчика уровня.

Кроме того, для создания разрежения в контейнере, а также для отвода водяных паров предусмотрено отверстие 16. С помощью откачивающего насоса 17 концентрированная суспензия волокнистой массы выводится из резервуара 14 и подается в аппарат тонкопленочной обработки D. В качестве такого аппарата может применяться, например, пресс для формовки пленок типа HS 0200, производства компании "Buss AG", Швейцария.

Принцип работы аппарата тонкопленочной обработки С следующий.

Первая суспензия волокнистой массы непрерывно подается в контейнер с пониженным давлением через входной канал 13, захватывается в нем распределительным кольцом 12 и распределяется по внутренней стенке 2. Лопатки 11 ротора продвигают суспензию по внутренней стенке 2, представляющей собой нагревательную поверхность непрямого нагрева, к выходному каналу в нижней части контейнера. В качестве носителя теплоты для подогрева внутренней стенки пригодны такие средства теплопередачи, как вода, масло или пар.

В процессе движения вдоль внутренней стенки 2 с непрямым подогревом суспензия подогревается одновременно с испарением воды, чему способствует пониженное давление. При этом суспензия становится концентрированной. Благодаря постоянной циркуляции и перемешиванию целлюлозной суспензии внутри тонкой пленки, вода из нее может быть удалена в очень короткий промежуток времени. Предпочтительно, водяной пар отводится в том же направлении, в каком перемещается суспензия волокнистой массы.

Поскольку аппарат тонкопленочной обработки С работает в безостановочном режиме, а дефибрер - в прерывистом режиме, то для обеспечения бесперебойной работы аппарата С к нему подключен второй дефибрер В', приготавливающий суспензию волокнистой массы попеременно с первым дефибрером В.

Концентрированная суспензия волокнистой массы, отведенная из аппарата тонкопленочной обработки С, направляется в пресс для формовки пленок D и перерабатывается там в раствор известным способом. Приготовление такого раствора описано в документе ЕР-А 0356419. Для приготовления раствора суспензия вводится в пресс для формовки пленок через входной канал 18. Пресс для формовки пленок D имеет практически ту же конструкцию, что и формовочный пресс С: вошедшая в него суспензия, захватывается распределительным кольцом 12, перемещается лопатками ротора вдоль нагревательной поверхности и подогревается. Одновременно при пониженном давлении происходит дальнейшее испарение воды - вплоть до растворения волокнистой массы в соответствии с фазовой диаграммой состояния трехкомпонентной смеси: целлюлоза + аминооксид + вода (смотри, например, документ WO 94/28212). Водяной пар отводится в направлении, противоположном направлению движения суспензии. Выпускное отверстие для выхода водяного пара обозначено на чертеже позицией 19.

Готовый формуемый целлюлозный раствор с помощью откачивающего насоса (на чертеже не показан) выводится из пресса для формовки пленок D, подается известным способом, например - в вытяжной аппарат, где из него вытягиваются волокна. Соответствующие способы изготовления волокон и пленок известны, например, из соответствующих документов WO 93/19230 и WO 95/07811, права на которые принадлежат заявителю настоящего изобретения.

На фиг. 2 представлена схема предлагаемого варианта устройства для изготовления пленок и волокон. На этой схеме позицией А обозначен аппарат для приготовления волокнистой массы (предпочтительно - влажной). Позициям В, В', С и D соответствуют дефибреры и прессы для формовки пленок, отображенные на фиг. 1. Позиция E обозначает известные аппараты для изготовления пленок, волокон или других формованных изделий.

Технологический процесс приготовления формуемого целлюлозного раствора рассматривается ниже на следующем примере.

Пример
В вертикальном дефибрере производства компании "Cellwood Grubbens АВ" примерно за 5 минут было проведено суспензирование 100 килограммов влажной волокнистой массы типа "Lenzing BKZ ЕМ 9 feucht" с 50-процентным содержанием воды в 600 килограммах распространяемого на коммерческой основе раствора N-метилморфолин- N-оксида с массовым содержанием N-метилморфолин-N-оксида 58%. При этом была получена гомогенная суспензия волокнистой массы с массовым содержанием сухого компонента 8,33% от веса самой волокнистой массы.

Эта суспензия с температурой 58^oC вводилась со скоростью подачи 600 кг/ч в пресс для формовки пленок типа " Buss HS/HSG 0200", где она была концентрирована до массового содержания сухого компонента 12,38% от веса самой волокнистой массы. Нагревательная поверхность пресса для формовки пленок подогревалась насыщенным паром с температурой 160^oC. Окружная скорость вращения ротора составляла 4 м/с. Производительность пресса для формовки пленок позволяла получить в час примерно 404 кг концентрированной суспензии с температурой 85^oC.

Дальнейшее концентрирование суспензии, а также ее преобразование в готовый формуемый раствор, содержащий 15,0% целлюлозы, осуществлялось в прессе для формовки пленок типа "Buss HS/HSG 0200", в который концентрированная суспензия, имеющая температуру 80^oC, подавалась с расходом, равным примерно 404 кг/ч. Нагревательная поверхность пресса для формовки пленок подогревалась насыщенным паром с температурой 142^oC. Окружная скорость вращения ротора составляла 4 м/с. Производительность пресса для формовки пленок позволяла получить в час примерно 333 кг формуемого целлюлозного раствора с температурой 105^oC.

Реферат

Объектом изобретения является устройство с интегрированным оборудованием для изготовления из целлюлозы пленок и волокон аминооксидным способом. Основными составными частями оборудования устройства являются аппарат для производства целлюлозы, смеситель (B, В'), предназначенный для приготовления низкоконсистентной целлюлозной суспензии в водном растворе аминооксида, а также аппарат (С) для концентрирования низкоконсистентной целлюлозной суспензии. В аппарате (С) целлюлозная суспензия механическим способом распределяется в виде слоя по нагревательной поверхности, подогревается и перемещается по этой нагревательной поверхности при интенсивном перемешивании и испарении воды до испарения заданного количества воды и получения концентрированной целлюлозной суспензии. В аппарате (D) концентрированная целлюлозная суспензия, полученная в аппарате (С), преобразуется в формуемый целлюлозный раствор, а в формовочном аппарате, соединенном с аппаратом (D), из формуемого целлюлозного раствора изготавливаются целлюлозные пленки или волокна. В упомянутом выше оборудовании осуществляют способ формования из целлюлозы пленок и волокон. Технический результат - непрерывный процесс получения пленок и волокон. 3 с. и 11 з.п.ф-лы, 2 ил.

Формула