Một số phương pháp hiện đại sản xuất vật liệu xơ sợi cho ngành công nghiệp giấy: Phần 2 (2023)

• Sản xuất vật liệu xơ sợi
• Công nghiệp giấy
• Phương pháp sản xuất vật liệu xơ sợi
• Phương pháp sản xuất bột bán hóa
• Phương pháp sản xuất bột cơ

1. Phần 4 PHƯƠNG PHÁP NÁU KIỀM 4.1. MỘT SỐ KHÁI NIỆM c ơ BÀN VÈ NÁU BỘT GIÁY Bản chất của quá trình sản xuất bột giấy từ nguyên liệu thực vật bằngphương pháp nấu là tách xơ sợi xenlulozơ ra khỏi các chất khác, như lignin,hemixenlulozơ, các chất nhựa, chất béo, tannit,..., liên kết với xenlulozơ trong môthực vật, bằng các tác nhân hóa học nào đó. Do thành phần chù yếu trong nguyênliệu thực vật cần tách khỏi hay còn gọi là xenlulozơ là lignin, nên thuật ngữ nấubột cũng đồng nghĩa với tách loại lignin (tiếng Anh là deligniíication). Cho đếnnay, có các khái niệm và thuật ngữ cơ bản được sử dụng nhu sau: Nấu bột giấy là quá trình xử lý nguyên liệu có quy cách chất lượng nhấtđịnh, trong thiết bị chuyên dụng (nồi nấu), bằng dung dịch hóa chất ở nhiệt độ vàáp suất cao, để thu được huyền phù bột xơ sợi, sau đó được xử lý thành bột có chấtlượng nhất định, sử dụng cho sản xuất giấy. Như đã nêu trên, nấu bột xenlulozơ, sử dụng cho sản xuất hóa chất và vậtliệu, hay còn gọi là xenlulozơ tan, cũng được tiến hành tương tự nấu bột giấy. Sựkhác biệt biểu hiện ờ các chế độ công nghệ nấu và xử lý bột sau nấu, tùy thuộc vàomức chất lượng bột xenlulozơ cần đạt. Mức tách loại lignin phản ánh lượng lignin bị phân hủy, hòa tan và tách rakhỏi nguyên liệu khi nấu, hay từ bột giấy chưa tầy trắng khi tẩy trắng. Đại lượngnày có thể biểu thị bằng tỷ lệ giữa lượng lignin bị tách loại so với lượng lignin banđầu, thường có đom vị đo là %. Dịch nấu là dung dịch các hóa chất sử dụng cho nấu bột giấy. Dịch trắng là dịch nấu mới được pha chế, chuẩn bị cấp cho nấu bột. Dịch xanh là (lung dịch các hóa chát Ihu dưực từ quá irìnli thu hòi hóa cliái,sau khi hòa tan các chất vô cơ nóng chảy vào nước. Sau khi xút hóa và lắng, lọc,dịch xanh sẽ chuyển hóa thành dịch trắng. Đây là dung dịch hóa chất được tái sửdụng để nấu bột. Dịch đen là phần chất lỏng thu được sau khi nấu bột. Thành phần chủ yếucủa nó bao gồm các hóa chất còn dư của dịch nấu ban dầu, các sản phẩm hòa tan vàphân hủy nguyên liệu, đồng thời một lượng nhỏ các xơ sợi nhò chưa được loại bỏ. Tên gọi cùa các loại dung dịch nêu trên tuomg ứng với màu của chúng mà taquan sát được.60
2. Tỳ dịch hay môđun nấu là tỷ lệ giữa thể tích dịch nấu (tính bằng m3) và khốilượng của nguyên liệu mang nấu (khô tuyệt đối tính bằng tấn). Hiệu suất bột (%) là tỷ lệ giữa khối lượng bột giấy thu được so với nguyênliệu ban đầu. Quá trình nấu bột giấy (bột hóa, bột bán hóa, bột hiệu suất cao) bao gồmcác công đoạn chính, là cấp nguyên liệu và dịch nấu, tăng ôn (gia nhiệt tới nhiệtđộ nhất định), bảo ôn (duy trì ở nhiệt độ nhất định trong một khoảng thời giannhất định) và dỡ bột. 4.2. KHÁI QUÁT LÝ THUYÉT NÁU KIỀM Nấu kiềm là phương pháp sản xuất bột hóa phổ biến nhất hiện nay, đượchiểu là phuơng pháp xử lý nguyên liệu bằng dung dịch hydroxit natri ở nhiệt độ vàáp suất cao, trong các thiết bị chuyên dụng. Bột giấy được làm theo phương pháp xử lý bằng kiềm từ thời Trung Hoa cổđại. Các bản quyền đầu tiên về phucmg pháp sản xuất bột giấy bằng phương phápnấu xút, được cấp vào những năm 1853 - 1854, còn nhà máy quy mô đầu tiên đượcxây dựng tại Mỹ vào năm 1860. Từ đó đến nay, công nghệ nấu kiềm liên tục đượccài tiến. Có thể nói hiện nay phương pháp nấu kiềm đã đạt sự hoàn thiện, khẳngđịnh được tính ưu việt kể cả về mặt kinh tế lẫn môi truờng. Ở quy mô công nghiệp, ban đầu, trong chu trình thu hồi kiềm sau khi nấu,nguời ta đã sử dụng NaiCOỉ để bổ sung vào dịch đen khi đốt, nhằm bù đắp cholượng kiềm đã tiêu hao trong quá trình nấu. Năm 1879, một kỹ sư người Đức làDalh đã đưa ra sáng kiến sử dụng Na 2 SƠ4 có giá thấp hơn, để thay cho Na 2CCb.Nhờ đó, dịch nấu tái sử dụng ngoài NaOH ra còn chứa một lượng Na 2 S đáng kể,hợp chất này đã nâng cao hiệu suất và chất lượng bột thu được. Xuất phát từ đó,phương pháp mới này có tên là nấu sunfat. Cũng từ đó đến nay, nấu kiềm, mà chủyếu là nấu sunfat đã ừở thành công nghệ phổ biến sản xuất bột hóa. Hiện nay, hàngnăm hôt sunfat chiếm trên 65% tổng sản lương bôt giấy trên toàn thế giới. Nấusunfat là phương pháp sản xuất có hiệu quả kinh tế cao, cho phép sử dụng tất cảcác loại nguyên liệu khác nhau, kể cả các loại nguyên liệu có hàm lượng nhựa caovà sản xuất ra bột có chất lượng cao. Tùy thuộc vào thành phần của dịch nấu mà nấu kiềm được phân loại thànhhai phương pháp là nấu xút, khi dịch nấu chi chứa đom thuần hydroxit natni (có thểbổ sung chất trợ nấu) và nấu sunfat, khi ngoài hydroxit natri ra, trong thành phầnchính cùa dịch nấu còn có thêm sunfua natri. Trên thực tế thành phần dịch nấucông nghiệp phức tạp hom nhiều, chứa nhiều thành phần khác nhau, nhưng với hàmlượng thấp hom nhiều so với các thành phần chính đã nêu trên. Hiện nay, nấu xút ítphổ biến hom và thường chi áp dụng ờ quy mô nhỏ để sản xuất bột bán hóa. 61
3. Ở nước ta, bột giấy sunfat được sản xuất từ năm 1984 tại Nhà máy Giấy BãiBằng - Phú Thọ, thuộc Tổng Công ty Giấy Việt Nam, do Thụy Điền xây dựng vàđã trở thành một điển hình công nghiệp không chi cùa ngành giấy. Hiện nay, saukhi Công ty c ổ phần Giấy An Hòa đi vào hoạt động từ cuối năm 2011, với côngsuất thiết kế 130 ngàn tấn/năm, sản lượng bột giấy sunfat có thể đạt gần 200 ngàntấn năm, chiếm gần 50% tổng sản lượng bột giấy của cả nước. Vì vậy, có thể nóisản xuất bột giấy sunfat là lĩnh vực có quy mô lớn và giữ vai trò quan ứọng ứongcông nghiệp giấy. 4.2.1. Tính chất của dịch nấu kiềm, các khái niệm cơ bản Nhu đã nêu trên, trong công nghiệp, dịch nấu kiềm có thành phần tương đốiphức tạp. Dịch trắng nấu xút chứa thành phần chính là hydroxit natri và một lượngnhỏ cacbonat natri. Thành phần hoạt tính của dịch trăng nấu sunfat là NaOH vàNaĩS. Ngoài ra, do trong quá trình thu hồi hóa chất, phản ứng xút hóa và khừsunfat natri diễn ra không hoàn toàn, mà trong dịch trắng nấu sunfat còn có cácmuối cacbonat natri và sunfat natri, một lượng nhỏ các hợp chất lưu huỳnh củanatri, như thiosunfat, polysuníiia, aluminat, silicat,... Sự có mặt của các hợp chấtnày liên quan tới các phản ứng diễn ra trong quá trình thu hồi hóa chắt. Trong dịch nấu xút, hydroxit natri phân ly theo phuơng trình sau: NaOH «- Na+ + OH'và thành phần hoạt tính là hydroxyl anion. Tương tự, trong dịch nấu sunfat, cùng với sự phân ly của NaOH, diễn ra thủyphân Na 2 S theo phương trình phản ứng sau: Na2S + H20 NaOH + NaSHvà sự phân ly của hydrosunfua natri vừa được tạo thành theo phương trình sau: NaSH «- Na+ + SH~ Vì vậy, các phần tử hoạt tính của dịch nấu sunfat là anion hydroxyl và anionhydrosunủia. Chúng là các thành phần tham gia trực tiếp vào các phản ứng phânhủy các thành phần của nguyên liệu (gỗ hoặc phi gỗ). Thành phần dịch nấu kiềm được quy ước đánh giá theo một số chỉ tiêu, trongđó hàm lượng của các muối natri được biểu thị bằng một đơn vị tương đương,thường là đơn vị Na 2 Ơ (đôi khi theo đơn vị NaOH). Đom vị của chúng được quyđổi như sau: đv NaOH = đv Na 2 Ơ. 1,29 và ngược lại: đv NaíO = đv NaOH. 0,775. Kiềm hoạt tính là lượng NaOH trong nấu xút, hoặc tổng lượng (NaOH +NaĩS) ữong nấu sunfat. Tồng lượng kiềm hoạt tính và muối cacbonat (NaOH +Na2CƠ3) khi nấu xút (NaOH + NaỉS + Na 2 CCh) hay khi nấu sunfat, gọi là tổng kiềmchuẩn được, còn giá trị (NaOH + l/2Na2S) được gọi là kiềm hiệu dụng.62
4. N&s Độ sunfua = NaOH + N a ,s (%); NaOH Độ xút hóa = N aOH + N aiC O i(0/o); , ... NaĩS Mức thu hòi = ------- —— —— (%). Na,s + NaiSO. Như vậy, theo các chi tiêu và tính chất nêu ừên, dịch trắng nấu sunfat có bathành phần: - Kiềm hoạt tính: NaOH và Na2 S; - Tồng kiềm chuẩn được: NaOH + Na2 S + Na2 CC>3 ; - Tổng kiềm: toàn bộ các hợp chất của natri. Trong thực tế, độ sunfiia có thể dao động trong khoảng 25 - 40%, với côngnghệ hiện đại, độ xút hóa thông thường 75 - 85% và mức thu hồi có thể đạt 95 -99%. Mức dùng kiềm (mức sử dụng kiềm) là lượng kiềm hoạt tính (tính bàng % sovới nguyên liệu khô tuyệt đối) cần cấp cho nấu. Trong thực tế, mức dùng kiềmthường vào khoảng 18 - 22%. Tỳ dịch là tỳ lệ giữa khối lượng của nguyên liệu khô tuyệt đối (tính bằng tấn)và khối lượng chất lỏng (bao gồm dịch nấu và nước chúa ữong nguyên liệu, tínhbằng m3). Trong thực tế, tỷ dịch nấu thường vào khoảng từ 1:3 đến 1:8. Nấu sunfatgián đoạn đối với nguyên liệu gỗ thường áp dụng tỷ dịch 1:4, còn nấu liên tụcthường được tiến hành với tỳ dịch 1:3. Tàn kiềm là lượng kiềm hoạt tính còn lại trong dịch đen sau nấu, được xácđịnh bàng phương pháp chuẩn độ. Trong một số tài liệu hoặc thực tiễn sản xuất, có thể gặp một số sự khác biệtnhất định trong việc sử dụng các khái niệm ừên. Chẳng hạn, ở các nhà máy của Mỹlioạc vùng Seadlnavia, người ta blẻu thị độ sunfua bàng tỹ số cùa suntua nam trêntổng kiềm (chứ không phải kiềm hoạt tính). Nồng độ kiềm hoạt tính trong dịch trắng sử dụng cho nấu thường dao độngtrong khoảng ặo - 120 kg/m3. Khi tiến hành nấu, sau khi cấp dịch trắng vào nồinấu, dịch nấu được pha loãng bằng một phần dịch đen tái sử dụng và nước chứatrong nguyên liệu, khi đó nồng độ kiềm hoạt tính giảm xuống còn 30 - 40 kg/m3.Với nồng độ đó (tương ứng 1 - 2 mol/1), dịch nấu có độ pH ban đầu tương đối cao(khoảng 13 - 14). Trong quá trình nấu, kiềm tác dụng với các thành phần củanguyên liệu và tạo thành các hợp chất tan trong dịch đen. Khi gần kết thúc nấu,nồng độ kiềm hoạt tính giảm chỉ còn khoảng 3 - 5 kg/m3, tức giảm gần 10 lần so 63
5. với nồng độ ban đầu, nhưng pH của dung dịch (dịch đen) chi thay đổi không đángkể, vẫn ờ mức khoảng 12 - 13. Nguyên dọ là sự có mặt của một lượng lớn cácmuối natri khác nhau được tạo thành từ các axit vô cơ yếu và các axit hữu cơ trongdung dịch vào thời điểm kết thúc nấu, tạo thành một dung dịch đệm, nhờ vậy màpH của dịch nấu sau khi kết thúc nấu vẫn tương đối cao, thậm chí kể cả khi toàn bộlượng kiềm hoạt tính trong dịch nấu đã bị tiêu hao cho các phản ứng với các chấthữu cơ của nguyên liệu. Các muối natri của các axit yếu có trong dịch trắng (muối sunfua, cacbonatvà suníit) bị thủy phân một phần tạo thành các muối axit: Na2S + H20 «-» NaOH + NaSH; Na2 C 0 3 + H2 O < NaOH + NaHC03; -► Na2S 0 3 + H2 O «-> NaOH + NaHS03 Mức độ thủy phân của các muối này phụ thuộc vào nhiệt độ, nồng độ cùachúng và sự có mặt của ion hydroxyl tự do trong dung dịch. Khi pH ~ 12, sunfuanatri gần như bị thủy phân hoàn toàn thành hydrosunfua, trong khi đó ionbicacbonat xuất hiện trong dung dịch với số lượng đáng kể chi khi pH = 10. VớipH = 8, trong dung dịch xuất hiện hydrosunfua và axit cacbonic tự do. Khi có mộtlượng dư NaOH trong dung dịch, sự thủy phân cùa các muối nêu trên diễn ra tươngđối khó khăn hơn. Trong điều kiện nấu kiềm, tất cả các thành phần của nguyên liệu đều thamgia vào phàn ứng với các tác nhân của dịch nấu ờ một mức độ nào đó, các sảnphẩm phân hủy bao gồm phần lớn là lignin, một phần polysaccarit và các chất tríchly tan vàodung dịch và hình thành dịch đen. Tổng cộng có tới trên dưới 50%nguyên liệu ban đầu bị hòa tan. số lượng và thành phần cácsàn phẩm phân hủyphụ thuộc vào loại nguyên liệu và chế độ nấu. Khi nấu, kiềm bị tiêu hao cho các phản ứng với lignin, hòa tan polysaccarit,trung hòa các axit hữu cơ chứa trong nguyên liệu và các ôxy axit tạo thành từp o ly sa c c a i it tio n g q u á trin h náu, c á c p h ả n ứ n g v ớ i c á c c h ấ t tríc h ly, đ ồ n g th ờ i m ộ tphần kiềm bị hấp phụ trên bề mặt xơ sợi. Chi có khoảng 25% tổng lượng kiềm hoạttính tiêu hao cho hòa tan lignin, còn lại tiêu hao cho các phản ứng phụ nêu ừên.Tổng thề, ờ cuối quá trình nấu, trong dịch đen chỉ còn lại 65 - 80% sunfua natri vàmột lượng nhỏ NaOH. 4.2.2. Cơ chế hóa học các phản ứng của các thành phần nguyên liệu với dịch nấu kiềm Khác với nấu sunfit, khi nấu kiềm các phản ứng hóa học diễn ra mạnh hơnngay khi nhiệt độ của quá trình còn tương đối thấp. Sự biến đổi và hòa tan các64
6. thành phần cùa nguyên liệu được bắt đầu gần như ngay từ thời điểm nguyên liệutiếp xúc với dịch nấu. Diễn biến của quá trình nấu xút và nấu sunfat cũng có sựkhác biệt tuomg đối lớn, có thể thấy qua một trường hợp nấu xút và nấu sunfat ờcùng 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, tốcđộ hòa tan cùa hydrat cacbon gần như nhau; - Với hàm lượng lignin tương đương, bột sunfat có hiệu suất cao hơn so vớinấu 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 phảnứng và bị tiêu hao, các phản ứng diễn ra mạnh nhất ờ giai đoạn đầu của quá trinhnấu, giảm dần vào giai đoạn cuối. Tổng tiêu hao lưu huỳnh vào khoảng 1 - 1,5% sovới nguyên liệu. Phản ứng của lưu huỳnh với lignin nâng cao độ tan của lignin sovới khi nấu xút. Lignin tan trong dung dịch sau khi nấu xút được gọi là lignin kiểm, là mộthỗn hợp các hợp chất thơm. Các hợp chất cao phân từ chiếm 70 - 80% lignin kiềm,chúng có thể kết tủa bằng axit dưới dạng bột màu nâu. Phần còn lại cùa lignin kiềmkhông tủa được bằng axit và là các hợp chất thấp phân tử hay còn được gọi là"lignin tan". Khối lượng phân tử trung bình của lignin kiềm vào khoảng 1000 -3000. Để hòa tan lignin của nguyên liệu vào dung dịch, cần phải phá hủy các liênkết của nó với hemixenlulozơ và các thành phần khác của nguyên liệu, tiến hànhphản ứng phân hủy các đại phân tò lignin có cấu trúc không gian bằng kiềm, tạocác nhóm chức ưa nước trong lignin, làm tăng khả năng hòa tan của nó. Trong quá trình nấu kiềm, song song với các phản ứng phân hủy lignin làphản ứng ngưng kết lignin, diễn ra đồng thời mang tính “chạy đua” với phản ứngphân hủy và cản trở sự hòa tan lignin. Vì vậy, chế độ nấu phải đáp ứng được mứcđộ phân hủy lignin cần thiết và hạn chế được sự ngưng kết của nó. Cần phải nói rằng, cho đến nay cơ chế hóa học tách loại lignin vẫn chỉ đượcđược đưa ra trên cơ sở nghiên cứu các hợp chất mô phỏng lignin, bởi đây là hợpchất có cấu tạo phức tạp và không giống nhau đối vói từng loại nguyên liệu, thậmchí trong từng phần của một cá thể thực vật. Vì vậy, có thể nói, các phản ứng hóahọc chỉ mang tính tham khảo, mặc dù chúng đã được chứng minh là đủ cơ sờ và cótính thuyết phục, phản ánh được trạng thái và chuyển hóa lignin trong quá trình nấukiềm. Có thể khái quát các quá trinh chuyển hóa lignin như sau: Các phản ứng chính của lignin trong quá trình nấu kiềm là các phản ứng dịthể, diễn ra theo cơ chế thế nucleophin SnI. Khi nấu xút, nucleophin duy nhất làanion hydroxyl OH“. Dưới tác dụng của hydroxit natri, các nhóm metoxyl bị tách 65
7. loại, tạo thành phenolat và metanol. Hàm lượng các nhóm metoxyl trong gỗchiếm khoảng 16 -1 7 /0 đối với cây lá kim, 25 - 27% đối với cây lá rộng, còntrong lignin kiềm tương ứng là 13 - 14% và 17 - 18%. Nhờ phản ứng tách loại nhóm metoxyl, tạo thành các nhóm phenol hydroxyltự do, dễ dàng phản ứng với ĩ ,aOH tạo thành phenolat. Lignin dưới dạng phenolat ’hòa tan vào d|óh đen: Ru , -OCH3 + NaOH — CH 3OH + -ONa Phenolathay: OH ONa Như đã nêu trẽn, sự khác biệt của nấu sunfat so với nấu xút là sự có mặt củasunfua natri trong môi trường phản ứng. Nhờ phản ứng thủy phân, trong dịch nấuluôn tồn tại hai nuđeophin là 0H~ và HS~. So với ion hydroxyl, anion hydrosunfualà nucleophin mạnh hơn, nó làm cho lignin bị phân hủy mạnh hom và hạn chế đượcphản ứng ngưng kết. Phản ứng của anion hydrosunfua với lignin tạo thành các hợpchất hóa học của lưu huỳnh với lignin có cấu tạo khác nhau. Ở nhiệt độ cao, từ các nhóm metoxyl của lignin tạo thành metylsunfua theophương trinh phản ứng sau: R Lig-O CH 3 + NaSH — CH3SH + R,.ig-ONavà metylsunfua có thể bị ôxy hóa thành dimetylsunfua. Các hợp chất này có mùikhó chịu, một phần được thải ra môi trường theo khí thài. Lưu lượng của chúng cóthể đạt gần 4 kg/1 tấn bột thành phầm. N h ư đ ă b iế t, m ụ c đ íc h c ủ a q u ả trin h n ấ u h ộ t h ó a là tá c h lo ạ i lig n in . T u ynhiên, cùng với các phàn ứng tách loại và hòa tan lignin, diễn ra các phản ứngkhông theo mong muốn, đó là hòa tan polysaccarit. Tổn thất xenlulozo có thể đạtkhoảng trên dưới 10% so với khối lượng ban đầu trong nguyên liệu. Có khoảng75% glucomannan bị hòa tan, còn xylan bị phân hủy khoảng 45 —50%. Kể cả khinấu sunfat và nấu xút, lượng kiềm chủ yếu (tới 75%) bị tiêu hao cho phản ứng vớicác ôxy axit hình thành từ polysaccarit, chi có khoảng 25% tiêu hao cho hòa tanlignin. Trong quá trình nấu kiềm, giữa kiềm và polysaccarit diễn ra các tương tácsau:66
8. - Trương nờ, gây ra những biến đổi lý học trong vách tế bào thực vật; - Các polysaccarit bị hòa tan mà không bị biến đổi về cấu tạo hóa học; - Xà phòng hóa các nhóm axetyl; - Phản ứng bào mòn (peeling) các mắt đầu chuỗi có tính khử; - Phản ứng ổn định (stopping), nhờ đó các polysaccarit biến đổi thành dạng)ền vững trong môi trường kiềm; - Phân hủy (thủy phân kiềm) các liên kết p-glucozit. Tương tác giữa kiềm và polysaccarit đuợc bắt đầu từ quá trình hydrat hóa:ác nhóm hydroxin và trung hòa các nhóm cacboxyl của các axit uronic, nhờ đó mà>olysaccarit bị trương nở mạnh. Bản thân các polysaccarit có khối lượng phân tửhấp, chúng có thể bị trương nờ vô hạn và hòa tan trong dịch đen mà không bị biếntổi về mặt cấu tạo. Hiện tượng này diễn ra trong giai đoạn tăng nhiệt độ và cảrong bất kỳ giai đoạn nào của quá trình nấu. Ờ cuối quá trình nấu, khi pH của dịch nấu giảm xuống còn khoảng 12, các>olysaccarit bị hòa tan (chủ yếu là xylan và glucomannan) có thể năng kết bám lên>ề mặt xơ sợi. Hiện tượng này được gọi là “hấp phụ hemixenlulozơ”, diễn ra mạnhìhờ phân hủy các mạch nhánh cùa polysaccarit. Các phàn ứng chù yếu của polysaccarit, ảnh hường đến hiệu suất và tính chất:ùa bột hóa, bao gồm: - Phản ứng bào mòn các mắt đầu chuỗi chứa nhóm cacbonyl; - Phàn ứng ổn định cấu trúc polysaccarit dưới tác dụng cùa kiềm; - Phản ứng thủy phân kiềm các liên kết ^-glucozit. Phản ứng thủy phân kiềm các liên kết (3-glucozit chi diễn ra ở nhiệt độ cao>150°) và làm giảm bậc trùng hợp của polysaccarit. Tại các vị trí tách chuỗi>olysaccarit, xuất hiện các mắt đầu chuỗi mới có tính khử, rồi chúng lại bị tách loạibào mòn). Phản ứng này là nguyên nhân chủ yếu làm giảm khối lượng phân tử của»olysaccarit trong quá trình nấu kiềm, được bắt đầu ngay ở nhiệt độ duới 100 °c. Trong dung dịch kiềm, các mằt đầu chuôi đã tách loại khỏi polysaccarit tiếpục biến đổi theo các hướng khác nhau, tạo thành sản phẩm cuối cùng là các axitlưu cơ (ôxy axit), lacton, axit focmic và các hợp chất thấp phân tử khác. Tác dụng của kiềm nóng đối với hemixenlulozơ phụ thuộc vào tính chất củaiên kết giữa các monome và dạng các nhóm thế. Do bậc trùng hợp thấp,'lucomannan bị phân hủy mạnh, nên hàm luợng của chúng trong bột xenlulozơ thutược không vượt quá 6 - 7%. Xylan thường là một polysaccarit phức tạp. Cácnạch nhánh chứa nhóm arabinozơ liên kết với mạch chính bởi liên kết 1 - 3 . Dướiác dụng của kiềm, chúng bị đồng phân hóa thành các đom vị cấu trúc bền kiềm làixit metasacarinic. Vì thế arbinozo và nhóm axit glucuronic có thể bị hòa tan chỉ 67
9. khi ờ nhiệt độ cao nhờ thủy phân kiềm. Đặc điểm này cho phép bảo tồn đuợc xylandưới tác dụng của kiềm, vì thế bột sunfat thường có hàm lượng xylan tương đối cao(8 -1 0 % ). Trong quá trình nấu kiềm, xenlulozơ được lignin bảo vệ tránh phân hủykiềm, vì vậy chi bị phân hủy vào thời điểm kết thúc nấu, làm cho độ nhớt, bậctrùng hợp của bột giảm, một phần xenlulozơ bị hòa tan, hiệu suất bột giảm. Ngoài lignin và polysaccarit bị hòa tan ra, trong quá trình nấu kiềm còn diễnra các phản ứng phụ sau: - Tách loại các nhóm metoxyl từ lignin, tạo thành metanol. Một phànmetanol còn lại trong dịch đen, một phần bay hơi cùng với khí thài. Hiệu suấtmetanol phụ thuộc vào dạng nguyên liệu: gỗ lá kim cho khoảng 7 kg/tấn, còn gỗ lárộng cho khoảng 8 kg/tấn nguyên liệu. - Tách loại các nhóm axetyl từ hemixenlulozơ, tạo thành axit axetic, chứatrong dịch đen dưới dạng muối natri, vì vậy không bị bay hơi theo khí thải. Ngoàira còn một số axit dễ bay hơi khác, chiếm khoảng 5% khối lượng nguyên liệu gỗmềm, đối với gỗ cứng lượng axit dễ bay hơi có thể thu được có thể gấp hai lần. - Tecpen thu được từ khí thải chi trong truờng hợp nấu gỗ mềm. Lượngtecpen có thể đạt từ 1 - 2 kg đến 10 kg/tấn bột thành phẩm. - Các chất nhựa và chất béo bị xà phòng hóa và tan trong dịch đen dưới dạngcác hợp chất xà phòng (các muối natri của axit béo và axit nhựa). Hiệu suất xàphòng phụ thuộc vào hàm lượng các chất trích ly trong nguyên liệu và tỷ lệ giữaaxit béo và axit nhựa. Khi nấu nguyên liệu gỗ cứng, ta chỉ thu đuợc các axit béovới hiệu suất không cao. Trong dịch đen, các hợp chất xà phòng tạo thành dungdịch keo. Khi lắng lâu dịch đen, dưới tác dụng của các chất điện ly, các chất xàphòng kết tụ với nhau và nhờ sự khác biệt về tỷ trọng, chúng nổi lên trên bề mặtdung dịch. Tuyển nổi xà phòng là công đoạn kéo dài và không bao giờ tách triệtđể được chúng. Vì thế, hiệu suất của xà phòng sunfat (nếu có) luôn luôn thấp homtheo lý thuyét. Bằng cách đun nóng và xứ lý bằng axit, từ xà phòng suníat ngườita thu được dầu talo thô (hỗn hợp các axit béo và axit nhựa). Tỷ lệ các axit nàytrong dầu talo khoảng 50:50, ngoài ra, dầu talo còn chứa 12 — 18% các chất trungtính, trong đó có các chất có giá trị như sterin với hiệu suất khoảng 3% so với xàphòng sunfat thô. Ngoài các sản phẩm phụ nêu trên, nấu suníat còn tạo thành các hợp chất củalưu huỳnh, chủ yếu là: - Metylsuníua (CH 3 SH): khoảng 1 kg/tấn; - Dimetylsuníủa (CH 3 SCH 3): khoảng 3 kg/tấn;68
10. - Dimetyldisunfua (CH 3 SSCH3): khoảng 0,3 kg/tấn; - Hydrosunfua (H 2 S): khoảng 0,1 kg/tấn. Hỗn hợp các sản phẩm này có tên là sunfan, thu được từ “khí giả” và khí thảiphóng đinh sau khi kết thúc nấu, có mùi khó chịu, ức chế hô hấp. Lượng sunfan thuđuợc tỷ lệ thuận với độ sunfiia của dịch nấu. 4.2.3. Các yếu tố công nghệ cần kiểm soát trong quá trình nấu kiềm Các yếu tố công nghệ được hiểu là các biến số của quá trình, mà sự thay đổigiá trị của chúng có ảnh hưởng lớn đến tốc độ tách loại lignin, hiệu suất và tínhchất cùa bột. Các yếu tố công nghệ của quá trình nấu kiềm bao gồm: nhiệt độ, nồngđộ ban đầu và mức dùng kiềm hoạt tính, độ sunfiia của dịch trắng, quy cách chấtlượng và dạng nguyên liệu. 4.2.3.1.Nhiệt độ nấu Cũng như nấu sunfit, theo sự thay đồi nhiệt độ, quá trình nấu kiềm có thểchia làm ba giai đoạn: - Tăng ôn, tức nâng nhiệt độ từ nhiệt độ ban đầu sau khi cấp dịch nấu vàonồi nấu đến nhiệt độ tối đa. Gia nhiệt có thể tiến hành liên tục hoặc dừng giữachừng (gọi là bào ôn giữa), để đảm bảo cho nguyên liệu được thấm ướt tốt. - Bào ôn, tức là giữ ở nhiệt độ tối đa trong một thời gian nhất định. - Dỡ bột, kéo theo nhiệt độ và áp suất giảm, có thể tới áp suất thường. Nấu sunfat được tiến hành ở nhiệt độ tối đa trong khoảng 160 - 180 °c(tương ứng với áp suất trong nồi nấu 0,8 - 1,0 MPa), tùy thuộc vào dạng nguyênliệu và chất lưựng bột cần đạt. Trong khoảng nhiệt độ nêu trên, để đạt được cùngmột hiệu suất bột, cứ tăng nhiệt độ lên 10 °c thì có thể giảm thời gian bảo ônxuống hai lần, còn khi nấu xút, thời gian nấu có thể giảm thậm chí gấp ba lần, chodù thời gian nấu xút thường kéo dài hơn do quá trình tách loại lignin diễn ra chậm. T ùy th u ộ c vàu lo ạ i b ộ t tliu đ u ự c , th ờ i g ia n u á u c ó th ẻ dnu đ ộ n g tro n g m ộ tkhoảng rộng, từ một đến vài giờ. Khi nấu gỗ cứng, nhiệt độ nấu thường không vượtquá 170 °c, vì nếu nấu ớ nhiệt độ cao hơn, hiệu suất bột có thể giảm rõ rệt. Hệ số H (H-factor) là chi số của quá trình nấu, đặc trưng cho mối liên hệgiữa thời gian và nhiệt độ nấu: H = [ K.dr Jo Có thể tính hệ số H như sau: Vẽ biểu đồ nhiệt độ nấu (khúc tuyến nấu) vàbiểu đồ tương quan giữa hằng số vận tốc và thòi gian nấu (hình 4.1), khi đó hệ số Hlà phần diện tích (không đơn vị) dưới đường cong của hàm K = f(ĩ) tính từ thời 69
11. điểm ban đầu đến khi kết thúc nấu. Như vậy, nếu tiến hành hai mẻ nấu theo các chếđộ nhiệt khác nhau, nhưng có hệ số H như nhau, thì kết quả thu được (hiệu suấtbột, mức tách loại lignin) sẽ tuơng đương nhau. Tuy nhiên, trong trường hợp này,các thông sổ công nghệ khác (như nồng độ ban đầu và mức dùng kiềm, độ sunfua,loại nguyên liệu, quy cách chất lượng nguyên liệu) cũng phải tương đương nhau. Thời gian (h) Hình 4.1. Tương quan giữa nhiệt độ, hằng số vận tốc tương đối và thòi gian nắu. Điều khiển quá trình nấu sunfat theo hệ số H là phương pháp tương đối phổbiến trong công nghiệp. Nếu biết trước thời gian nấu cần thiết ờ một nhiệt độ TInào đó, thì có thể xác định được thời gian nấu ờ một nhiệt độ T 2 như sau: tìm cácgiá trị hằng số tương đối K ti, K t ĩ và tính thời gian nấu, với điều kiện hệ số H bằngnhau, khi đó: Ngoài ra, nhiệt độ còn có ảnh hưởng đến hiệu suất và chất lượng bột. Khităng nhiệt độ cao hơn 180°c, hiệu suất của bột sẽ giảm nếu cần thu bột có hàmlượng lignin như nhau. Do polysaccarit bị thủy phân kiềm, nên độ nhớt và độ bềncơ học cùa bột bị giảm ở thời điểm nấu sớm hom, so với khi bảo ôn ở nhiệt độ thấphơn. Vì vậy xu hướng trong công nghiệp là giảm nhiệt độ nấu, nhằm thu được bộtcó độ nhớt thấp hơn và độ bền cơ học cao hơn. 4.2.3.2. Nồng độ vả mừc dùng kiềm hoạt tính Nồng độ kiềm hoạt tính trong dịch nấu và mức dùng kiềm là các yếu tố quantrọng quyết định tốc độ nấu. Trong quá trình nấu, nồng độ kiềm trong dịch giảm 870
12. - 10 lần, do chúng bị tiêu hao cho trung hòa các axit hữu cơ tạo thành khi phân hủycác thành phần của nguyên liệu. Lượng kiềm hoạt tính cần thiết để phân hủy lignin và kết hợp với các sảnphẩm có gốc axit được gọi là mức dùng kiềm theo lý thuyết. Trên thực tế, khôngthể tiến hành nấu theo mức dùng kiềm theo lý thuyết, bời ừong điều kiện như vậysẽ không bao giờ đạt mức độ tách loại lignin theo dự định. Ngoài ra với nồng độkiềm thấp, có thể xảy ra hiện tượng lignin sẽ bám kết trên bề mặt xơ sợi. Vì vậy,cằn tiến hành nấu với một mức dùng kiềm cao hơn so với theo lý thuyết. Lượngkiềm dư so với lý thuyết này sỗ là dung môi hòa tan các sản phẩm phân huỷ cácthành phần của nguyên liệu trong quá trình nấu. Mức dư kiềm chiếm khoảng 10 - 15% của mức dùng kiềm đối với bột có trịsố Kappa cao và có thể chiếm tới 40% đối với bột có trị số Kappa thấp. Vói hiệusuất bột trong khoảng 40 - 48%, bằng cách tàng mức dùng kiềm gấp hai lần sẽgiảm 'được thòi gian nấu xuống hai lần mà vẫn đạt được hiệu suất tương đương.Song song với với tác dụng thúc đẩy tách loại lignin, tăng mức dùng kiềm có thểlàm polysaccarit bị phân hủy và hòa tan nhiều hơn. Mối liên hệ giữa nồng độ kiềm hoạt tính ban đầu và mức dùng kiềm, tỷ dịchđược mô tả bằng phương trinh sau:trong đó: A - mức dùng kiềm hoạt tính (% so với nguyên liệu khô tuyệt đối); C0-nồng độ kiềm ban đầu (g Na20/lít); \) - tỷ dịch (m5 dịch trên 1,0 tấn nguyên liệukhô tuyệt đối). Trong điều kiện sản xuất, để điều chình tốc độ nấu không thể chi thay đổinồng độ và mức dùng kiềm, do quá trình nấu gián đoạn hay liên tục đều diễn ra vớimột tỳ dịch cố định. Vì vậy, cần tăng mức dùng kiềm đồng đều trong suốt thời giannấu. Để đạt được cùng một hiệu suất bột, khi duy trì mức dùng kiềm cố định, tăngn à n g đ ộ từ 3 0 đ ế n 6 0 g/1 v à từ 6 0 đốn 90 g/1 BC g iả m đ ư ợ c 1/2 th ờ i g ian n ấ u T ro n gthực tiễn sản xuất, nồng độ kiềm hoạt tính trong dịch nấu ờ vào khoảng 40 - 60 g/1(tính theo đom vị NaỉO). Khi nấu, người ta bổ sung vào nồi nấu một lượng dịch đen để tăng nồng độkiềm trong dịch nấu, duy trì tỷ dịch cần thiết và tiểt kiệm nước, hóa chất. Luợngdịch đen cần bổ sung phụ thuộc vào nồng độ kiềm trong dịch trắng và độ ẩm củanguyên liệu ban đầu, chiếm khoảng 20 - 25% tổng lượng dịch nấu, tùy thuộc vàochất lượng cần thiết của bột. Khi nấu gián đoạn, nồng độ kiềm trong nồi sau khi bổ sung thêm dịch đenphụ thuộc vào phương pháp gia nhiệt. Khi gia nhiệt gián tiếp, nồng độ kiềm có thể 71
13. nằm trong khoảng trị số nêu trên, còn khi gia nhiệt trực tiếp thì nồng độ ban đầuphải cao hom do dịch sẽ được pha loãng bằng nước ngưng từ hơi. Như vậy, mức dùng kiềm, nồng độ kiềm trong dịch nấu, nhiệt độ bảo ôn vàthời gian nấu là những thông số công nghệ cỏ mối liên hệ chặt chẽ với nhau, cỏ ảnhhường quyết định tới quá trình nấu. Từ những mối liên hệ nêu trên của các yếu tố công nghệ, ta có Nguyên tắcđiều chình quá trình nấu thứ nhất (để thu được bột có hiệu suất và tính chấttương đương): - Khi sử dụng dịch nấu cỏ nồng độ kiềm hoạt tính cao, cần giảm nhiệt độbảo ôn hoặc giảm thời gian nấu; - Khi muốn kéo dài thời gian nấu, cần giảm mức dùng kiềm và nhiệt độ nấu; - Với nhiệt độ bảo ôn cao, cần giảm mức dùng kiềm hoặc giảm thời giannấu. 4.2.3.3. Độ sunfua của d|ch trắng Cũng như các yếu tố công nghệ nêu trên, độ sunfiia của dịch nấu có ảnhhường lớn đến quá trình nấu sunfat. Các ion hydrosunfua tạo thành nhờ phân lysunfiia natri, tham gia vào các phản ứng với lignin, thúc đẩy sự hòa tan lignin, màhầu như không ảnh hưởng đến tốc độ hòa tan polysaccarit. Vì vậy thời gian nấugiảm so với nấu xút với mức tách loại lignin tương đương. Tính theo lý thuyết, tiêu hao lưu huỳnh cho phản ứng với lignin vào khoảng10 kg/tấn nguyên liệu gỗ khô tuyệt đối. Quy đổi sang kiềm hoạt tính tương đươngvới 2% NaỉO so với gỗ khô tuyệt đối. Vỉ vậy, nếu tiến hành nấu với mức dùngkiềm 20% Na 2 0 , độ sunfua tối thiểu cần thiết là: (2/20). 100 = 10%. Đối với nguyên liệu là gỗ cứng, ảnh hường có lợi của Na 2 S được biểu hiệnngay cả khi độ sunfua của dịch nấu thấp, độ sunfua khoảng 5% đã có thể thúc đẩymạnh quá trình nấu và cải thiện tính chất của bột so với nấu xút. Công nghệ nấu sunfat hiện đại sử dụng dịch nấu có độ sunfua 25 - 40%,thường là 25%. Khi nấu xút và nấu sunfat, để đạt được cùng một mức tách loạilignin tương đương, sự có mặt của sunfiia natri trong dịch nấu sunfat làm giảmđược thài gian nấu, tăng hiệu suất bột, nhờ khả năng bảo vệ polysaccarit và thúcđẩy quá trình hòa tan lignin. Ngoài ra, các chi số độ bền cơ học của bột sunfat cũngcao hom so với nấu xút. Ở cùng một điều kiện nấu sunfat, tăng độ sunfiia của dịch nấu sẽ giảm đượchàm lượng lignin trong bột thu được, tàng hiệu suất và một số tính chất cơ học củabột như độ dài đứt, độ bền uốn và độ bền nén. Mặc dù vậy, tăng độ sunfiia của dịch nấu cũng kéo theo một số bất lợi, như: - Lượng các hợp chất metylsunfua dễ bay hơi tăng;72
14. - Tăng khả năng ăn mòn thiết bị của dịch nấu; - Bột thu được có màu sẫm hơn. Một trong những giải pháp công nghệ khắc phục vấn đề khí thải là ôxy hóadịch trắng (chứa Na 2 S) bằng không khí hoặc ôxy có bổ sung xúc tác, khi đó Na2 Sbị ôxy hóa thành các muối polysuníua hoặc tiosunfat theo phương trình sau: 3S2- + 02 + H2 O — 40H- + S2 S2- Đây cũng là cơ sở của phương pháp nấu sunfat biến tính hay còn gọi làphương pháp nấu sunfat bồ sung polysuníua làm chất trợ nấu. Các ion polysunfiia có thể ôxy hóa các mắt đầu chuỗi tính khử củapolysaccarit hoặc lignin và bị khử thành HS“. Trường hợp thứ nhất chúng kìm hãmquá trình tách trùng hợp polysaccarit, trường hợp thứ hai chúng thúc đẩy quá trinhphân húy lignin. Cà hai trường hợp đều mang lại lợi ích đáng kể cho quá trình nấu. 4.2.3.4. Dạng nguyên liệu và chất lưựng nguyên liệu Khác với nấu sunfit, nấu kiềm cho phép sử dving tất cả các dạng nguyên liệukhác nhau. Mặc dù vậy, chùng loại nguyên liệu cũng gây ảnh hưởng không nhỏ tớiquá trình nấu. Khi nấu kiềm, dăm mảnh nguyên liệu được thẩm thấu nhanh hom vàđều hơn. Mặc dù vậy, thẩm thấu dọc theo chiều dài xơ sợi vẫn diễn ra nhanh hơnnhiều so với theo chiều ngang, vì thế mà chiều dày của dăm mảnh là yếu tố quantrọng. Khi tăng chiều dày dăm mành gỗ lên gấp hai lần, thời gian thẩm thấu có thềkéo dài gấp bốn lần. Khi cần thu bột có hiệu suất tương đương, tăng chiều dày dămmảnh có thề làm cho hiệu suất bột tốt sau sàng chọn giảm và hiệu suất bột sốngtăng, v ề tính chất cơ - lý học, với chi số chiều dài đứt tương đương, tăng chiều dàydăm mảnh sẽ làm giảm độ bền xé của bột. Nguyên do là với dăm mảnh có độ dàylớn, lignin của lớp ngoài và lớp trong cùa dăm mảnh bị tách loại không đồng đều,trong khi lớp ngoài bị phân hủy mạnh thì lớp trong có thể còn nguyên. Sự phân hủymạnh của lớp ngoài ảnh hường lớn đến polysaccarit, vỉ vậy độ nhớt và độ bền cơhọc cùa bột sản xuất từ dăm mảnh có độ dày lón thường thấp hơn. Chiều dày tối ưucủa dăm mành là 3 - 5 mm (sản xuất ra dăm mảnh mỏng hom không kinh tế). Nhờcó các vết nứt nhỏ mà dăm mảnh trong sản xuất thường được thẩm thấu nhanh hơn50 với dăm mảnh thu được ờ điều kiện phòng thí nghiệm. Đối với những loại gỗ nguyên liệu có sự khác biệt về thành phần gỗ, phầngỗ lõi và dác gỗ dễ thấm dịch hom, nhưng hiệu suất bột từ gỗ lõi thấp hơn 1,5 -3,0% so với bột từ dác gỗ, do phần gỗ lõi chứa các thành phần ngoài xenlulozơnhiều hơn. Với những đặc điểm trên, để thu được bột chất lượng tốt, yêu cầu chung đốivới dăm mảnh nguyên liệu là: - Có độ dày đồng đều ( 3 - 5 mm); 73
15. - Tỷ lệ dăm mảnh có chiều dài 15 - 25 nun phải > 90%; - Tỷ lệ mùn vụn và dăm mảnh nhỏ (dạng que diêm) phải ở mức thấp nhấtcó thế; Nấu sunfat có thể cho phép sử dụng dăm mảnh có tỷ lệ “mục” cao hơn sovới nấu sunfit. Ngoài ra, khi sản xuất bột hóa không quan trọng độ bụi (chẳng hạnbột kraft cho sàn giấy bao bì, cactong), có thể sử dụng gỗ chưa bóc vỏ. Trongtrường hợp này, mức dùng kiềm phải cao hom, khoảng 0,4% Na20 trôn 1% vỏ. Bộtsản xuất ra có độ bụi cao hom và độ bền cơ học thấp hơn. Ngoài quy cách chất lượng nguyên liệu dăm mảnh ra, dạng nguyên liệu cũngcó ảnh hưởng nhất định đến quá trình nấu. Lignin của gỗ cứng dễ bị tách loại hơnso với gỗ mềm. Nấu gỗ mềm thường được tiến hành với mức dùng kiềm và nhiệtđộ thấp hơn. Mặc dù vậy, các chi số độ bền cơ học của bột sunfat gỗ cứng có thểđạt tương đương bột gỗ mềm, ngoại trừ độ bền đứt. Thông thuòmg, bột sunfat gỗcứng có độ bền đứt thấp hơn 20 - 30% so với bột gỗ mềm. Bên cạnh đó, hiệu suấtbột sunfat gỗ cứng thông thường cao hơn so với gỗ mềm, nếu sử dụng dăm mảnhcó quy cách chất lượng tương đương nhau. Sự khác biệt về hiệu suất bột liên quanđến hàm lượng lignin và hemixenlulozơ của hai dạng nguyên liệu khác nhau. 4.2.3.5. Các yếu tố khác Các yếu tố khác, như bổ sung dịch đen cho nấu, sự có mặt của các hợp chấtkhác không phải là kiềm hoạt tính, cũng có ảnh hưởng nhất định đến quá trình nấu. Bổ sung dịch đen vào thành phần dịch nấu là giải pháp công nghệ phổ biếntrong công nghiệp, nhàm tận dụng hóa chất, tiết kiệm nước, đồng thời nâng caohàm lượng chất khô của dịch đen sau khi nấu, nhờ đỏ tiết kiệm được tiêu hao nhiệtcho chưng bốc dịch đen khi thu hồi. Thực tế cho thấy, bổ sung 50 - 60% dịch đen(so với tổng lượng dịch nấu) thúc đẩy quá trình nấu và giảm tỳ lệ bột sống. Tỷ lệdịch đen cao hơn sỗ cho tác dụng ngược lại. Sự có mật cùa tiosuníat natri ơong dịch nấu làm cho bột dược náu chin lóthơn. Bẽn cạnh đó, các hợp chất khác như polysunfiia natri, antraquinon cũng cóảnh hường rất tốt tới quá trinh nấu. Các phương pháp sử dụng các chất trợ nấu nàysẽ được trinh bày ờ phần sau. 4.3. KỸ THUẬT NÁU SUNFAT GIÁN ĐOẠN 4.3.1. Thiết bj nấu gián đoạn Nấu sunfat gián đoạn được tiến hành trong các nồi nấu chuyên dụng, chế tạotừ thép thông thường. Khi sản xuất bột xenlulozơ sử dụng cho sản xuất vật liệu hay74
16. giấy cách điện, nấu sunfat được tiến hành theo phương pháp tiền thủy phân bàngaxit, vì vậy trong trường hợp đó nồi nấu được chế tạo từ vật liệu lưỡng kim. Cácloại nồi nấu gián đoạn hiện nay phổ biến là nồi nấu kiểu đứng hình trụ cỏ sức chứa200 - 400 m3. Kiểu dáng của chúng tương đối đa dạng, khác nhau bời hình dạngcùa phần miệng và phần đáy nồi. Phần đáy nồi có dạng hình chóp, còn phần miệngnồi có dạng hình chóp hoặc hình bán cầu (hình 4.2). Nga và các nước Liên Xô cũsử dụng các loại nồi nấu gián đoạn sức chứa 110, 125, 140, 160 và 200 m3. Cácnước khác có các loại nồi sức chứa 85, 100, 125, 135, 160, 200, 225,..., 400 m3.Đường kính nồi 3,4 —4,8 m, chiều cao 12 - 18 m. Các nồi nấu đều có lớp cáchnhiệt, thành nồi có độ dày 75 - 100 mm. Ngoài ra, đa số nồi nấu có sức chứa <100 m3 thường là nồi cầu, sứ dụng ờ quy mô sản xuất vừa và nhò, chù yếu áp dụngcông nghệ nấu xút. Ưu điểm cùa các nồi nấu lớn là năng suất cao và tiết kiệmnhiệt, chiếm ít diện tích mặt bằng, tỷ trọng chi phí xây dựng và lắp đặt thấp. Hình 4.2. Một số dạng nồi nấu suníat gián đoạn kiểu đúng. Ở nuớc ta, Nhà máy Giấy Bãi Bằng hiện sử dụng ba nồi nấu kiểu đứng sứcchứa 140 m3, có hộ thống tuần hoàn dịch và gia nhiệt gián tiếp, sử dụng nhiệt khépkín do Thụy Đién cung cấp và một nồi nầu sức chứa tương đương do Việt Nam thiétkế chế tạo. Các nồi nấu hiện đại có hệ thống tuần hoàn dịch nấu và gia nhiệt gián tiếp(hình 4.3). Nắp của các nồi nấu hiện đại là dạng phăng hoặc hình cầu với cơ cấulàm kín dạng bán cầu và có hệ thống điều khiển tự động, cho phép nồi hoạt độngvới áp suất vận hành tới 1,2 MPa và nhiệt độ 180 °c. Thành nồi nấu (ố) được phủ một lớp cách nhiệt (7), đảm bảo ổn định nhiệtcho dăm mảnh và dịch nấu (73), đồng thời an toàn cho quá trình vận hành. Gianhiệt dịch nấu và dăm mảnh tới nhiệt độ cần thiết theo quy trình công nghệ, đượcthực hiện bằng bộ trao đổi nhiệt dạng ống chùm (/2), tại đó hơi quá nhiệt được sử 75
17. dụng để đun nóng dịch tuần hoàn, được rút liên tục qua lưới rút dịch ỤO). Đẻ đápứng yêu cầu gia nhiệt, cần lẳp đặt bộ trao đổi nhiệt phù hợp, sao cho diện tích bềmặt ừao đổi nhiệt vào khoảng 1 - 1 ,5 m2/l m3 nồi nấu. nhiệt Hình 4.3. Nồì nấu gián đoạn kiểu đúng có hộ thống tuàn hoàn dịch nẳu. Tuần hoàn dịch nấu được thực hiện bằng bơm (4), với động cơ điện (3), quahệ thống đường rút (P) và ống chuyển (8). Lưới rút dịch có mắt kích thước 5 - 8run. Sau khi đun nóng trong trao đổi nhiệt, dịch nấu được cấp vào đường ống cấp(14), qua các vòi phun dịch (16) phía trên đinh nồi và cấp dịch từ dưới đáy nồi, với76
18. tý lệ khoảng 2/3 lượng dịch cấp vào phía trên và 1/3 xuống dưới đáy nồi. Quá trìnhnày được điều khiển tự động bằng van (75) và các dụng cụ đo lường. Năng suấtcủa bơm phải đáp ứng 10 - 15 lần tuần hoàn dịch trong suốt quá trình nấu hay 1/10dung tích nồi nấu ưong 1 phút. Sau khi kết thúc nấu, bột được dỡ ra khỏi nồi qua đường ống tháo (/), nhờvan (2) đóng mở tự động. Toàn bộ cơ cấu điều chinh quá trình nấu được trang bịdụng cụ kiểm tra và điều khiển tự động, theo dõi ưên màn hình máy tính. Một sốbộ phận quan trọng nhất được trang bị cơ cấu vận hành trực tiếp, đề phòng trườnghợp hệ thống điều khiển gặp sự cố. 4.3.2. Trình tự tiến hành một mẻ nấu sunfat gián đoạn Các thao tác chính khi vận hành thiết bị nấu gián đoạn cho một mẻ nấu baogồm các bước lần lượt sau: - C huẩn bị cho mẻ nấu: Kiểm tra hệ thống thiết bị nấu; hệ thống cấpnguyên liệu, cấp hoi, nước, dịch nấu và hệ thống tiếp nhận bột sau nấu (bể phóng).Thao tác này có thể chiếm 5 - 1 0 phút. - C ấp nguyên liệu (30 - 60 phút): Dăm mảnh nguyên liệu được cấp vào nồi từ bunke dăm mành, bằng băng tải,vít tải hay bộ nạp khí nén. IChi dăm mảnh được cấp vào miệng nồi, chúng có thểđược nén bằng cách xông hơi bời thiết bị nén hơi được lắp trên miệng nồi hoặcđược thấm ướt bằng dịch nấu từ hệ thống phun dịch tuần hoàn từ trên xuống, haykết hợp cả hai phuơng pháp nêu trên, nhằm tạo cho dăm mảnh có độ ẩm nhất định,chúng trờ nên nặng hom và có thể được sắp xếp ưong nồi với mật độ cao hom mứcthường 10 - 15% và có thể đạt 0,35 - 0,45 m3 nén trên 1 m3 nồi nấu. Sau khi nguyên liệu được cấp đủ (được xác định bằng hệ thống định lượngđiều khiển tự động), có thề tiến hành xông hơi mảnh, khi đó hơi bão hòa được cấptừ phía dưới nồi, để nâng cao hiệu quà thẩm thấu dịch nấu cùa dăm mảnh. - Cấp dịch nấu (30 - 40 phút): Sau khi cấp đủ nguyên liệu vào nồi, tiến hành cấp dịch nấu qua hệ thốngbơm tuần hoàn dịch vào nồi. Với mẻ nấu đầu tiên, người ta chi cấp dịch trắng(NaOH và Na 2 S) và nước nóng với khối lượng cần thiết, dựa trên mức dùng kiềmhoạt tính và tỷ dịch nấu. Với các mẻ nấu tiếp theo, người ta cấp dịch nấu bao gồmdịch trấn g và một lượng dịch đen thay cho nước. Dịch đen cấp cho nấu là dịch đenthu hồi từ công đoạn rửa bột. Nhiệt độ của dịch nấu khi cấp vào nồi thường vào khoảng 50 - 60 °c đốivới dịch trắng và 60 - 80 °c đối với dịch đen. Trinh tự cấp dịch đen và dịch trắngvào nồi được áp dụng theo nhiều cách khác nhau. Hợp lý nhất là trình tự, khi mà 77
19. trước tiên cấp vào nồi một ít dịch đen, sau đó cấp hết lượng dịch trắng cần thiết vàcuối cùng cấp lượng dịch đen còn lại vào nồi. Với trình tự như vậy, ữong hệ thốngống dẫn không còn sót dịch tráng, tổng lượng kiềm hoạt tính cần thiết được cấp vàonồi và mức độ trộn lẫn của dịch đen và dịch trắng là tương đối cao. Một số nhàmáy lại cấp dịch trắng trước rồi dịch đen sau hay trộn đều hai loại tnrớc khi chovào nồi. Trên thực tế, lượng dịch đen cấp cho nấu có thể giao động trong khoảng20 - 50% tổng lượng dịch nấu. Tổng lượng chất lỏng ứong nồi phụ thuộc vào điều kiện tuần hoàn dịch vàphương pháp trao đồi nhiệt. Trung bình, đối với nồi nấu có tuần hoàn dịch cưỡngbức và trao đổi nhiệt gián tiếp, tồng lượng chất lỏng trên 1 mJ nồi thông thườngquy ước là 0,45 - 0,55 m3 (kể cả lượng nước chứa trong nguyên liệu). Lượng dịchtrắng thông thường chiếm 0,25 - 0,3 thể tích nồi nấu. Nếu tính cả lượng nước chứatrong nguyên liệu và nước ngưng khi xông hơi mảnh, tỳ dịch sau khi cấp dịchtrắng vào khoàng 1: (2,2 - 2,5). Lượng chất lòng còn lại cần cấp sao cho đạt tỳdịch cần thiết 1:(3,8 - 4,5) được bổ sung bằng dịch đen. Mức dùng kiềm hoạt tính cho mỗi mẻ nấu phụ thuộc vào tính chất củanguyên liệu và quy cách chất lượng bột cần đạt. Khi tính toán chi tính lượngkiềm chứa trong dịch trắng, còn lại trong dịch đen bổ sung (khoảng 5 —8 g/1 theođv Na 2 Ơ) không tính đến. Tiêu hao kiềm hoạt tính cho một mẻ nấu có thể tính theo công thức sau: a = (A.880)/b kg Na 2 Ơ hoặc NaOH trên 1 tấn bột khô giỏ (có độ ẩm -12% ),trong đó a là mức dùng kiềm hoạt tính trên 1 tấn bột; A là mức dùng kiềm hoạttính so với nguyên liệu khô tuyệt đối (tính bằng % Na20 hoặc NaOH); b là hiệusuất bột (%). - Gia nhiệt ( 2 - 6 h): Sau khi cấp đủ nguyên liệu và dịch nấu, nồi nấu được đóng kín và bắt đầugia nhiệt bằng cách tuần hoàn dịch nấu qua trao đổi nhiệt. Quá trình gia nhiệt đượctiến hành theo chế độ công nghệ áp dụng. Giai đoạn gia nhiệt tới nhiệt độ tối đa (160 -170 °C) được gọi là tăng ôn. Duy trì ở nhiệt độ tối đa trong khoảng thời gian nhấtđịnh gọi là bảo ôn. Đối với các nhà máy hiện đại và quy mô, toàn bộ quá trìnhtăng ôn, bảo ôn và các thao tác khác được kiểm soát bằng hệ thống điều khiển tựđộng hóa quá trình sản xuất. Để gia nhiệt, hơi nước (áp suất khoảng 1,2 MPa) được cấp vào thiết bị traođổi nhiệt và hệ thống tuần hoàn dịch được khởi động, dịch nấu được rút ra khỏinồi qua lưới rút dịch, qua trao đổi nhiệt, được đun nóng và cấp trờ lại nồi nấu(2/3 được cấp vào phía trên nồi nấu, 1/3 được cấp vào phía dưới nồi), rồi lại đượcrút ra khỏi nồi. Cứ như vậy, bơm tuần hoàn dịch đảm bảo một vòng tuần hoàncủa dịch nấu tối thiểu trong vòng 5 - 1 0 phút và 12 - 15 lần tuần hoàn dịch trong78
20. 1 giờ, nhờ đó dịch nấu được đun nóng tới nhiệt độ tối đa (160 - 170 °C), tươngứng với áp suất trong nồi khoảng 0,8 - 1,2 MPa. Trong thời gian tảng ôn, các sản phẩm khí khác nhau được hình thành(metanol, metylsuníủa, tecpen, ...), chúng tạo thành một áp suất dư trong nồi,nhung nhiệt độ của hơi khí trong nồi nấu không tương ứng với nhiệt độ của hơinước bão hòa ờ cùng áp suất, cũng vì thế trong thực tể người ta thường gọi là “khí%ià ” (tức không phải hơi nước bão hòa). Đe duy tri được nhiệt độ của hỗn hợp hơikhí trong nồi tương đưcmg với nhiệt độ của hơi nước bão hòa, khi nhiệt độ đạtkhoảng 110 - 120 °c, người ta tiến hành xả khí “giả” từ từ, tới khi đạt nhiệt độ tốiđa. Xả khí già có thể tiến hành liên tục hoặc luân phiên tùy thuộc vào quá trình nấu.Khí già được thu gom trong một hệ thống trao đồi nhiệt để thu hồi và tận dụngnhiệt, đồng thời thu sản phẩm phụ. - Bảo ôn Sau khi gia nhiệt đến nhiệt độ tối đa, ngừng cấp hơi cho cho trao đổi nhiệt,trong khi đó hệ thống tuần hoàn dịch nấu vẫn tiếp tục hoạt động tới khi kết thúcnấu, nồi nấu được giữ ở nhiệt độ này trong khoảng thời gian quy định theo chế độnấu (khoảng 0,5 -2 giờ). Một nhiệt lượng không đáng kể bị tổn thất, được bù đắpbằng nhiệt lượng sinh ra từ các phàn ứng hóa học. Thời điểm kết thúc bảo ôn đượcxác định theo thời gian quy định. Thông thường, ưong suốt quá trình nấu người ta không tiến hành phân tíchmẫu hay thừ nghiệm gì khác đối với bột và dịch nấu. - Dỡ bột Thông thường bột sau nấu được dỡ ra khỏi nồi bằng phương pháp phóng bộtờ áp suất cao hoặc áp suất thấp. Phóng bột được tiến hành vào thiết bị gọi là bểohóng, là một thiết bị chịu ap tương tự nồi nấu, nhưng có súc chứa gấp khoảng balần một nồi nấu. Phía dưới bể có cơ cấu khuấy. Khi tiến hành phóng bột, trong bểphóng phải có một lượng bột hoặc một lượng dịch đen nhất định, không tiến hànhphóng bột vào bể rỗng. v ề nguyên tắc, đường ống phóng bột kết nối 2 - 4 nồi nấu với một bề phóng.Với sức chứa của nồi nấu 110 - 140 m 3, đường kính cùa đuờng ống phóng bộtphải > 250 - 300 mm. Đầu của đường ống này được lắp với bề phóng theo đườngtiếp tuyến cùa đường kính phần miệng bể phóng. Khi bột được phóng vào bể, hơikhí được thu gom vào hệ thống thu gom và tận dụng nhiệt, bột được giữ lại trongbể. Đối với phương pháp phóng bột ở áp suất thấp, sau khi kết thúc thời gianbảo ôn, người ta tiến hành xả khí từ phía trên nồi nấu hay còn gọi là phóng đinh, tớikhi áp suất trong nồi giảm từ 0,8 - 1,2 MPa xuống còn 0,4 - 0,5 MPa. Thời gianphóng đinh có thề kéo dài từ khoảng 10 phút đến hàng giờ, tùy thuộc vào thể tích 79

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

• Sử dụng bộ điều khiển nơron được tối ưu bằng giải thuật di truyền trong mạch truyền thẳng điều khiển robot bằng phương pháp tính momen. 6 p | 787| 317
• CÁC PHƯƠNG PHÁP HÀN ÁP DỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP TÀU THỦY100 p | 301| 102
• Phương pháp quản lý dự án xây dựng4 p | 127| 8
• Các phương pháp hiện đại trong kỹ thuật chẩn đoán cách điện (Phần 1)4 p | 70| 5
• Một số điều chỉnh khi tính toán nội lực trong cọc đối với móng cọc đài cao theo các tài liệu hiện hành5 p | 80| 5
• Phân tích một số phương pháp xử lý vòng lặp vô hạn trong quá trình ước lượng câu truy vấn đối với chương trình datalog.10 p | 86| 4
• Một phương pháp diều khiển dựa trên đại số gia tử với tham số biến.12 p | 78| 4
• Xác định chiều dài tính toán của cột trong khung thép nhiều tầng theo TCVN 5575:2012 và EN 1993-1-111 p | 72| 3
• Sử dụng phương pháp bóc tách cơ học trong sản xuất vật liệu graphene đa lớp (FLG)5 p | 10| 2
• Phương pháp thiết kế anten mảng răng lược công nghệ vi dải cho hệ thống di động thế hệ mới hoạt động ở dải tần 28 GHz5 p | 84| 1
• Phương pháp tham số cho bài toán ước lượng thời gian trễ thay đổi theo thời gian giữa hai tín hiệu điện cơ7 p | 19| 1
• Nghiên cứu ảnh hưởng một số yếu tố công nghệ đến hiện tượng sóng khóa nẹp áo jacket6 p | 44| 1
• Một số kinh nghiệm trong công nghệ xử lý bùn đỏ bằng phương pháp thải khô tại các nhà máy alumin trên thế giới5 p | 25| 1
• Nghiên cứu cấu trúc địa chất sâu và dự báo một số khu vực có triển vọng dầu khí thuộc dải ven biển châu thổ sông Hồng theo tài liệu địa vật lý19 p | 45| 1
• Hiện đại hóa, tích hợp Ra đa Garpun-E với hệ thống tích hợp chiến đấu MGS-1241 trên tàu tên lửa 1241REs8 p | 38| 1
• Một số phương pháp thiết kế phân hoạch mờ dựa trên đại số gia tử tiếp cận ngữ nghĩa thế giới thực9 p | 22| 0
• Về một phương pháp phát hiện tấn công trong mạng điều hành giám sát công nghiệp10 p | 29| 0
• Phân tích động lực học vết nứt trong vật liệu lẫn hạt cứng và lỗ rỗng bằng phương pháp phần tử hữu hạn nội suy liên tiếp mở rộng7 p | 43| 0