Công nghệ sản xuất giấy tissue để sản xuất bột giấy bằng phương pháp nấu sunfat

MỤC LỤC 3 PHẦN I. TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH NẤU BỘT GỖ TRONG BỘT GIẤY _______________________________________________________________6 1. Lịch sử phương pháp nấu bột giấy 6 2. Tính chất và các chỉ tiêu chất lượng của bột giấy 6 2.1. Tính chất 6 2.2. Chỉ tiêu chất lượng 7 3. Nguyên liệu và chuẩn bị nguyên liệu 7 3.1. Nguyên liệu 7 3.2. Chuẩn bị nguyên liệu 7 4. Các phương pháp nấu bột giấy chính 8 4.1. Bột cơ học (mechanical pulp) 8 4.2. Bột hóa học (chemical pulp) 9 4.3. Bột bán hóa 9 PHẦN II. PHƯƠNG PHÁP NẤU BỘT SUNFAT_____________________10 1. Khái quát về phương pháp nấu kiềm và nấu bột sunfat. 10 1.1. Nấu kiềm 10 1.1. Phương pháp nấu sunfat. 10 2. Diễn biến quá trình nấu sunfat 11 3. Các dung dịch sử dụng cho quá trình nấu.. 11 3.1.1. Nồng độ dung dịch nấu 11 3.1.2. Dịch trắng. 11 3.1.3. Dịch đen 11 3.1.4. Dịch xanh. 12 4. Mục đích của quá trình nấu bột theo phương pháp sunfat.. 13 5. Các thông số điều khiển quá trình nấu bột.. 13 5.1. Nồng độ kiềm và sunfat 13 5.2. Nhiệt độ và thời gian nấu. 13 5.3. Áp suất 14 6. Sự khác biệt với các phương pháp khác.. 14 7. Sơ đồ công nghệ sản xuất bột giấy bằng phương pháp sunfat 14 7.1. Phương pháp nấu gián đoạn. 14 7.2. Phương pháp nấu liên tục 17 KẾT LUẬN 20

MỤC Y MỤC LỤC 3 PHẦN I TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH NẤU BỘT GỖ TRONG DCSX BỘT GIẤY _6

1 Lịch sử phương pháp nấu bột giấy 6

2 Tính chất và các chỉ tiêu chất lượng của bột giấy 6

2.1 Tính chất 6

2.2 Chỉ tiêu chất lượng 7

3 Nguyên liệu và chuẩn bị nguyên liệu 7

3.1 Nguyên liệu 7

3.2 Chuẩn bị nguyên liệu 7

4 Các phương pháp nấu bột giấy chính 8

4.1 Bột cơ học (mechanical pulp) 8

4.2 Bột hóa học (chemical pulp) 9

4.3 Bột bán hóa 9

PHẦN II PHƯƠNG PHÁP NẤU BỘT SUNFAT _10 1 Khái quát về phương pháp nấu kiềm và nấu bột sunfat 10

1.1 Nấu kiềm 10

1.1 Phương pháp nấu sunfat 10

2 Diễn biến quá trình nấu sunfat 11

3 Các dung dịch sử dụng cho quá trình nấu 11

3.1.1 Nồng độ dung dịch nấu 11

3.1.2 Dịch trắng 11

5.3 Áp suất 14

6 Sự khác biệt với các phương pháp khác 14

7 Sơ đồ công nghệ sản xuất bột giấy bằng phương pháp sunfat 14

7.1 Phương pháp nấu gián đoạn 14

7.2 Phương pháp náu liên tục 17

KẾT LUẬN 20

MỞ ĐẦU

Trong khi đa phần các sản phẩm giấy bị sụt giảm thị phần thì giấy tissue vẫn phát triển Đó là lý do các công ty lớn trong ngành không ngần ngại tăng cường đầu tư Một trong những lý do khiến ngành sản xuất giấy tissue vẫn ngày càng phát triển hiện nay là nhu cầu sử dụng loại giấy này là rất lớn Vì vậy, các doanh nghiệp ngành sản xuất giấy tissue Việt Nam, ngoài việc duy trì sản xuất, còn mở rộng và tăng tốc đầu tư cho loại sản phẩm này Cầu còn cao 20%/năm là mức tăng trưởng hằng năm của ngành hàng giấy tissue Việt Nam Tuy nhiên, mức này vẫn chưa đáp ứng đủ nhu cầu trong nước cũng như xuất khẩu Thực tế, thị trường giấy tissue hiện nay có sự tham gia của nhiều công ty trong và ngoài nước với đa dạng chủng loại sản phẩm

Trong các công đoạn sản xuất giấy tissue, quá trình nấu bột là một quá trình vô cùng quan trọng và có ảnh hưởng lớn đến chất lượng sản phẩm giấy cuối cùng Vì vậy

chúng em đã chọn đề tài: “Tìm hiểu phương pháp nấu sunfat thu bột giấy”

Chúng em xin được gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới thầy Thái Đình Cường

đã hướng dẫn tận tình, chi tiết giúp chúng em hoàn thành tiểu luận môn học này Trong quá trình thực hiện đề tài này, chúng em đã rất cố gắng để hoàn thành tốt nhưng

có lẽ do vốn kiến thức còn hạn hẹp cũng như các yếu tố khách quan khác mà không thể tránh khỏi những thiếu sót Chúng em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến, phê bình và hướng dẫn thêm của thầy cũng như bạn đọc

Chúng em xin chân thành cảm ơn

PHẦN I TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH NẤU

BỘT GỖ TRONG DCSX BỘT GIẤY

Các phương pháp sản xuất bột giấy là các phương pháp xử lý nguyên liệu (gỗ hoặc phi gỗ) để phá vỡ các liên kết trong nội bộ cây thành dạng các xơ sợi riêng lẻ gọi là bột giấy Về cơ bản, để phá vỡ liên kết cấu trúc cây có thể sử dụng năng lượng cơ học, nhiệt, hóa học hoặc là sự kết hợp của các loại năng lượng này với nhau Ứng với các loại năng lượng được sử dụng để phân tách cấu trúc xơ sợi sẽ cho ra những loại bột như: Bột cơ học, bột hóa học hoặc bột bán hóa học (loại bột sản xuất dựa vào sự kết hợp giữa hóa học và cơ học) Tùy theo yêu cầu cụ thể, bột giấy có thể không tẩy trắng hoặc tẩy trắng ở các mức độ khác nhau

1 Lịch sử phương pháp nấu bột giấy

 Năm 1840, người ta đã nghiền được gỗ thành bột giấy bằng các máy nghiền cơ học

 Năm 1851-Watt Bardgess: Nấu với dd Na2CO3;

 Năm 1853-1854: nấu bột từ nguyên liệu thân thảo bằng NaOH;

 Năm 1866 nhà hóa học Mỹ Benjamin Tighman đưa ra phương pháp sản xuất bột giấy bằng hóa học, nấu bột gỗ vụn thành bột giấy bằng Na2SO3

 Năm 1879: Dalh sử dụng Na2SO4 trong chu trình thu hồi hóa chất

 Từ 1879: Phương pháp nấu sunphat

 Đến năm 1880 nhà hóa học Đức Carl F Dahl phát minh ra phương pháp nấu bộ giấy bằng Na2SO3 và NaOH

2 Tính chất và các chỉ tiêu chất lượng của bột giấy

2.1 Tính chất

 Hàm lượng lignin còn lại: là đặc trưng của bột hóa chưa tẩy trắng, xác định

bằng các phương pháp trực tiếp hoặc gián tiếp

 Hàm lượng pentozan: phụ thuộc vào quy trình nấu trong bột sunfit chứa

4-7%, bột sunfat gỗ mềm chứa 10-11% pentozan

 Hàm lượng nhựa: là khái niệm chỉ các tạp chất của giấy các tạp chất có thể

trích ly bằng các dung môi hữu cơ như etanol, ete etylic, benzene, …

 Độ tro: là hàm lượng các chất vô cơ của bột giấy Chúng có nguồn gốc từ

nguyên liệu ban đầu và từ dung dịch của các tác nhân sử dụng trong quá trình sản xuất

 Độ bụi: là số lượng vết bẩn trên 1 m2 Được xeo theo phương pháp tiêu chuẩn hóa

 Độ trắng: là thuộc tính đặc trưng của bột giấy trắng, phụ thuộc nhiều vào

phương pháp sản xuất bột và có thể điều chỉnh bằng cách tẩy trắng, xác định bằng thiết bị đo chuyên dụng

 Độ nhớt: là một thuộc tính quan trọng của bột giấy, phản ánh chiều dài của

đại phân tử xenlulozo và hemixenlulozo Về nguyên tắc độ nhớt bột cao kéo theo độ bền cơ học thấp

 Các tính chất độ bền cơ học: phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ bền, chiều

dài xơ sợi, độ mềm dẻo và tính đàn hồi của xơ sợi, …

2.2 Chỉ tiêu chất lượng

Các chỉ tiêu chất lượng của bột giấy được xác định bằng các phương pháp tiêu chuẩn hóa, như các tiêu chuẩn quốc tế: TAPPI, ISO, SCAN, ASTM, TCVN, …

3 Nguyên liệu và chuẩn bị nguyên liệu

3.1 Nguyên liệu

 Nguyên liệu gỗ: có hai loại là gỗ cây lá kim thuộc loại gỗ mềm (soflwood) và

gỗ cây lá rộng thuộc loại gỗ cứng (hardwood) Nước ta chủ yếu có các loại cây sau:

- Keo tai tượng

- Keo lá tram

- Keo lai

- Bạch đàn

- Bồ đề

- Gỗ lá kim: thông, tùng, tần bì, …

 Nguyên liệu phi gỗ:

- Luồng

- Tre, nứa

- Lồ ô

- Cây đay

- Rơm rạ

- Bã mía

3.2 Chuẩn bị nguyên liệu

 Cắt khúc, phân loại gỗ

 Rửa gỗ

 Bóc vỏ

 Chặt mảnh

 Sàng chọn và kiểm soát chất lượng dăm mảnh

 Rửa mảnh và làm đều ẩm

4 Các phương pháp nấu bột giấy chính

4.1 Bột cơ học(mechanical pulp)

Hai phương pháp cơ bản để sản xuất bột cơ là phương pháp mài và nghiền Bột cơ học

là bột gỗ hiệu suất cao (85-98%) (chủ yếu là nghiền bằng máy nghiền đĩa) Tuy nhiên,

cả 2 phương pháp đều có 1 số giai đoạn cơ bản tương tự nhau như sau:

4.2 Bột hóa học (chemical pulp)

 Nguyên liệu được xử lý bằng các tác nhân hóa học (nấu bột) để thu bột hóa: + Nấu sunfit: dùng tác nhân là dung dịch H2SO3 và các muối của nó để tách loại lignin thu bột xenluloza, được sử dụng với gỗ lá kim (SW)

+ Nấu kiềm: có nấu xút (NaOH) và nấu sunfat (NaOH + Na2S) để tách loại lignin thu bột xenluloza, được sử dụng với gỗ lá rộng (HW)

 Bột hóa thu được với hiệu suất khoảng 50% so với nguyên liệu ban đầu Chiều dài xơ sợi: bột sunfit > bột sunfat > bột cơ

4.3 Bột bán hóa

Bột giấy bán hóa học (semi-chemical pulp): Bột giấy được sản xuất bằng cách loại khỏi nguyên liệu một phần các thành phần không phải là xenluylô bằng quá trình xử lý hóa học, ví dụ như quá trình nấu nguyên liệu với các loại hóa chất khác nhau, giai đoạn tách xơ sợi tiếp theo cần phải có quá trình xử lý cơ học

PHẦN II PHƯƠNG PHÁP NẤU BỘT

SUNFAT

1 Khái quát về phương pháp nấu kiềm và nấu bột sunfat

1.1 Nấu kiềm

- Là phương pháp sản xuất bột hóa phổ biến nhất hiện nay, là phương pháp xử lý nguyên liệu bằng dung dịch NaOH ở nhiệt độ và áp suất cao, trong thiết bị chuyên dụng

- Tùy thuộc vào thành phần của dịch nấu mà nấu kiềm được phân loại thành 2 phương pháp là nấu xút, khi dịch nấu chỉ chứa đơn thuần NaOH (có thể thêm chất trợ nấu) và nấu sunfat, khi ngoài NaOH, trong thành phần chính của dịch nấu còn có thêm sunfua natri

- Ở quy mô công nghiệp thì thành phần dịch náu phức tạp hơn, nhưng hàm lượng thành phần chính thấp hơn nhiều

- Hiện nay nấu xút ít phổ biến hơn và thường chỉ sử dụng ở quy mô nhỏ để sản xuất bột bán hóa

1.2 Phương pháp nấu sunfat

- Thành phần hoạt tính của dịch trắng nấu sulfat là NaOH và Na2S Ngoài ra, do trong quá trình thu hồi hóa chất, phản ứng xút hóa và phản ứng khử sunfat natri diễn ra không hoàn toàn, mà trong dịch trắng nấu sulfat còn có các muối cacbonat natri và sunfat natri, một lượng nhỏ các hợp chất lưu huỳnh của natri, như thiosunfat,

polysunfua, aluminat, silicat, … Sự có mặt của các hợp chất này liên quan đến các phản ứng diễn ra trong quá trình thu hồi hóa chất

- Trong dịch nấu xút, NaOH phân ly theo phương trình sau:

NaOH → Na+¿¿

+

trong đó thành phần hoạt tính là

OH-+ Sự phân ly của Na2S:

Na2S + H2O → NaOH + NaSH

và sự phân ly của NaSH:

NaSH → Na+¿¿

+ SH−¿¿

2 Diễn biến quá trình nấu sunfat

- Quá trình nấu sulfat (hay nấu kiềm) bao gồm các giai đoạn diễn ra liên tục theo trình

tự sau đây:

+ Nguyên liệu được ngâm tẩm bằng dịch nấu, tức dịch nấu được thẩm thấu vào sâu trong tận vách tế bào của nguyên liệu thực vật

+ Kiềm hoạt tính hấp phụ lên bề mặt chịu phản ứng của dăm mảnh nguyên liệu, các tác nhân của dịch nấu thâm nhập qua vách tế bào, làm trương nở mô thực vật

+ Các phản ứng hóa học diễn ra ngay tức khắc, giữa các tác nhân của dịch nấu với các thành phần của nguyên liệu trong đó, chủ yếu là lignin bị phân hủy mạnh, một phần hemixenlulozo và xenlulozo đồng thời cũng bị phân hủy, các trích ly và các chất vô cơ

bị hòa tan

+ Các sản phẩm phân hủy nguyên liệu khuếch tán và hòa tan vào dung dịch, còn lại là

xơ sợi, có thành phần chủ yếu là xenlulozo, hemixenlulozo, chứa các tạp chất là lignin, các chất trích ly và các chất vô cơ chưa bị hòa tan

+ Trong dung dịch tiếp tục diễn ra các biến đổi hóa học của các sản phẩm mới tạo thành và các quá trình phụ được tiếp diễn, tới khi tạo thành các hợp chất thấp phân tử, bền hóa học ở điều kiện nấu

Kết thúc quá trình nấu ta thu được huyền phù bột xơ sợi lẫn trong dung dịch (dịch đen), có nồng độ khoảng 20% Để thu được bột phù hợp cho sản xuất giấy, cần phải xử

lý qua các công đoạn tiếp theo, như rửa bột, sàng chọn, làm sạch bột và tẩy trắng

3 Các dung dịch sử dụng cho quá trình nấu

3.1.1 Nồng độ dịch nấu

Nồng độ dịch nấu là yếu tố quan trọng quyết định đến hiệu quả của quá trình nấu Khi thay đổi nồng độ dịch nấu tính chất của bột cũng thay đổi Người ta quy hoạch nấu với nhiều nồng độ khác nhau và thấy rằng Để đạt được hiệu suất nấu cao theo một số

3.1.3 Dịch đen

Dịch thoát ra từ thiết bị nấu cùng với dăm gỗ mềm, có màu sẫm và chứa nước, các thành phần phân rã của lignin, các sản phẩm hòa tan từ nguyên liệu dăm gỗ, các chất

vô cơ, kim loại, hữu cơ như acid và metanol…Trong dịch này lưu hùynh bị oxy hóa thành SO42- và S2O32-

3.1.4 Dịch xanh

Là dịch sinh ra từ thiết bị thu hồi khi đốt dịch đen, các chất hữu cơ sẽ cháy hết còn những chất vô cơ nóng chảy gồm có Na2CO3, Na2S hòa tan trong nước

Người ta thường dùng các biến đổi hóa học sau để chuyển dịch xanh sang dịch trắng:

Ca(OH)2 + Na2CO3 = CaCO3 + 2 NaOH Tiếp tục nung CaCO3 thu được CaO dùng cho quá trình sản xuất dịch trắng tiếp theo Đây là quá trình tuần hoàn gần như khép kín của việc thu hồi triệt để kiềm dùng cho sản xuất, làm giảm giá thành và ô nhiễm môi trường Trong các quá trình sản xuất tiếp theo người ta chỉ cần thêm một lượng Na2SO4 do không thu hồi được để bù đắp cho lượng Na2S bị hao hụt Việc thu hồi kiềm chính là ưu điểm nổi trội về mặt kinh tế và môi trường của phương pháp nấu bột Kraft Nếu thiếu công đoạn này trong dây

chuyền sản xuất sẽ làm cho giá thành bột rất cao và gây thảm họa lớn cho môi trường Thành phần chủ yếu gồm các CO32−¿ ¿và OH- có thể chuyển qua dịch trắng dùng điều chỉnh pH

Bảng 3.1 Thành phần hóa học của dịch trắng và đen

Tính toán tỷ lệ dịch cho quá trình nấu bột bao gồm tỷ lệ kiềm, tỷ lệ dịch nấu và nước

Tỷ lệ kiềm sử dụng là tỷ số tính bằng khối lượng kiềm hiện hữu (NaOH + ½ Na2S) tính theo Na2O với khối lượng dăm khô tuyệt đối dùng để nấu bột Ví dụ nấu 1 mẻ bột giấy sử dụng dăm gỗ thông với tỷ lệ kiềm sử dụng là 18% có nghĩa là cứ 100 kg nguyên liệu dăm gỗ khô tuyệt đối cần phải dùng 18 kg kiềm hữu hiệu (NaOH +

½ Na2S) tính theo Na2O Biết khối lượng dăm gỗ, nồng độ kiềm hiện hữu của dịch trắng người ta tính được lượng dịch trắng cần sử dụng Tỷ lệ dịch là khối lượng nước ban đầu với khối lượng dăm mảnh khô tuyệt đối Lượng nước này là tổng giá trị của nước có trong các thành phần nguyên liệu (dăm mảnh, dịch trắng, dịch đen…) và nước thêm vào Ví dụ tỷ lệ dịch nấu cho một mẻ bột là 4:1 có nghĩa là cứ 100 kg nguyên liệu khô tuyệt đối cần 400 kg nước Biết hàm lượng nước có trong các thành phần tham gia nấu bột sẽ tính được lượng nước cần bổ sung Tỷ lệ này phải được tính toán sao cho dăm mảnh được ngập trong dịch để quá trình thẩm thấu hóa chất diễn ra dễ

dàng Nếu giá trị này nhỏ quá, dăm mảnh không được thẩm thấu hết, bột sẽ chín không đều Ngược lại thì nồng độ kiềm thấp, quá trình tách loại lignin sẽ khó khăn

Đồ thị ảnh hưởng nồng độ của Lingin

4 Mục đích của quá trình nấu bột theo phương pháp sunfat

Mục đích chính của quá trình nấu bột là lấy đi một lượng đủ lớn lignin để cấu trúc sợi

có thể tách ra và tạo huyền phù bột giấy trong nước Sau quá trình nấu sẽ thu được dung dịch có màu rất sẫm gọi là dung dịch đen Việc đốt dung dịch đen sẽ cung cấp một nhiệt lượng rất lớn và đồng thời còn cho phép thu hồi lượng kiềm tái sử dụng trong quy trình nấu bột giấy

Nguyên tắc của phương pháp là nấu gỗ hoặc các thành phần tương tự với dung dịch kiềm gồm NaOH và Na2S ở nhiệt độ cao để làm mềm lignin và tách xơ sợi tạo thành huyền phù đồng nhất trong nước Sau quá trình nấu người ta còn thu được dung dịch

có màu rất sẫm gọi là dung dịch đen mà sau khi đốt sẽ cho một nguồn năng lượng được tái sử dụng rất lớn

5 Các thông số điều khiển quá trình nấu bột

5.1 Nồng độ kiềm và sunfat

Nồng độ dịch nấu là yếu tố quan trọng quyết định đến hiệu quả của quá trình nấu Khi thay đổi nồng độ dịch nấu tính chất của bột cũng thay đổi Người ta quy hoạch nấu với nhiều nồng độ khác nhau và thấy rằng Để đạt được hiệu suất nấu cao theo một số

giờ Tổng thời gian nấu có thể 2h (làm giấy bìa) 2,5÷4h hoặc 4÷6h ( làm giấy chất lượng cao) tuỳ thuộc vào chất lượng gỗ cũng như chất lượng bột giấy sau khi nấu

5.3 Áp suất

Áp suất trong tháp được giữ khoảng 1,5÷2at vừa làm tăng khả năng thẩm thấu vừa tạo

ra áp suất cho quá trình phóng bột

6 Sự khác biệt với phương pháp khác

- Khác với nấu sunfit, khi nấu kiềm các phản ứng hóa học diễn ra mạnh hơn ngay khi nhiệt độ của quá trình còn tương đối thấp Sự biến đổi và hòa tan các thành phần của nguyên liệu được bắt đầu gần như ngay từ thời điểm nguyên liệu tiếp xúc với dịch nấu Diễn biến quá trình nấu xút và nấu sunfat ở cùng một nồng độ và mức dùng kiềm hoạt tính, chế độ nhiệt như nhau:

+ Tốc độ hòa tan của lignin cao hơn nhiều trong trường hợp nấu sunfat, tốc độ hòa tan của hydrat cacbon gần như nhau

+ Với hàm lượng lignin tương đương, bột sunfat có hiệu suất cao hơn so với nấu xút,

do thời gian nấu ngắn hơn và vì vậy tác dụng của kiềm đối với hydratcacbon cũng được hạn chế

+ Khi nấu sunfat, ngoài kiềm hoạt tính ra, sunfua natri cũng tham gia phản ứng và bị tiêu hao, các phản ứng diễn ra mạnh nhất ở giai đoạn đầu của quá trình nấu, giảm dần vào giai đoạn cuối Tổng tiêu hao lưu huỳnh vào khoảng 1- 1,5% so với nguyên liệu Phản ứng của lưu huỳnh với lignin nâng cao độ tan của lignin so với khi nấu xút

7 Sơ đồ công nghệ sản xuất bột giấy bằng phương pháp sunfat

• Ưu điểm:

- Vận hành khá đảm bảo;

- Đơn giản hóa và linh hoạt khi điều khiển và kiểm soát quá trình;

- Tính chất của quá trình không thay đổi đột ngột trước các thay đổi về chất lượng nguyên liệu;

- Mức độ nấu chín bột chênh lệch nhau không nhiều giữa các mẻ nấu;

- Chi phí vận hành thấp

• Nhược điểm:

- Năng suất thấp;

- Hiệu quả kinh tế thấp (về phương diện sử dụng hơi)