10. Целлюлозное производство

До половины массы древесины любой породы составляет целлюлоза -полисахарид, который входит в состав клеточных стенок растений. Целлюлоза необходима в производстве бумаги, картона, искусственного во­локна, целлофана.

Технология получения целлюлозы основана на обработке измельченной в щепу древесины (в основном хвойных пород) щелочами, солями сернистой кислоты и другими реагентами. Процесс идет в варочных кот­лах под давлением и высокой температуре. В основном применяют два способа варки целлюлозы - сульфатный и сульфитный.

При сульфатном способе щепу обрабатывают 5-15 %-ным водным раствором едкого натра (NaOH) с добавлением сернистого натрия (Na2S). Лигнин и часть гемилцеллюлоз растворяются и переходят в так называемый черный щелок. Клетки древесины разъединяются, образуя волокнистую техническую целлюлозу. Сульфатная целлюлоза отличается высокой механической прочностью и используется для производства картонной та­ры, оберточных и технических сортов бумаги.

Черный щелок подкисляют серной кислотой или углекислотой и вы­деляют щелочной лигнин. Лигнин используют в производстве пластмасс, резино-технических изделий и другой продукции.

Смоляные и жирные кислоты, содержащиеся в древесине хвойных, при варке целлюлозы превращаются в натриевые соли. Большая их часть в виде сырого сульфатного мыла выделяется на поверхности при отстаива­нии. В зависимости от исходного сырья выход сырого сульфатного мыла составляет от 10 до 120 кг на 1 т целлюлозы. Сульфатное мыло, получае­мое из сосновой щепы, содержит до 30.. .40 % смоляных кислот, 40.. .60 % эфиров жирных кислот, 7...12 % неомыляемых веществ и 3...8 % свобод­ных жирных кислот.

Сырое сульфатное мыло перерабатывают на талловое масло-сырец путем вытеснения органических кислот сильной минеральной кислотой (чаще всего серной). Выход таллового масла-сырца составляет около 50 %.

Талловое масло-сырец подвергают ректификации (разделению на отдельные компоненты) в вакуумных аппаратах перегретым паром. В ре­зультате разделяются: вода, высококипящие нейтральные вещества, смо­ляные кислоты, жирные кислоты и легкокипящие нейтральные вещества.

Сплавлением смоляных кислот получают талловую канифоль, кото­рая по качеству уступает живичной, но находит широкое использование как более дешевая. Фракция жирных кислот применяется в мыловарении, лакокрасочной промышленности и при разделении полиметаллических руд. Кубовый остаток (пек) омыляют щелочами и получают клей, приме­няемый для проклейки низших сортов бумаги и картона. Из 1 т сырого таллового масла получают около 350 кг талловой канифоли, 300 кг жир­ных кислот, 150 кг клея.

Содержащийся в древесине скипидар удаляют из котла в начальный период варки целлюлозы. Его выделяют путем конденсации парогазовой смеси в холодильнике, отстаивания и очистки от сернистых соединений. Выход сульфатного скипидара колеблется в зависимости от смолистости щепы от 1 до 15 кг на 1 т целлюлозы.

При сульфитном способе щепу малосмолистой древесины ели и пихты обрабатывают водным раствором кислых солей Са, Mg, Na или NH₄ сернистой кислоты в присутствии свободного сернистого ангидрида.

Например, Ca(HS0₃)2+S0₂. В результате лигнин и другие нецеллюлозо-содержащие вещества переходят в раствор (сульфитный щелок), целлюлозные волокна освобождаются и получается техническая целлюлоза.

Жесткую сульфитную целлюлозу, применяемую в небеленом виде для производства газетной бумаги, в отличие от мягкой целлюлозы, вырабатывают по ускоренному процессу при более высокой температуре и концентрации варочного раствора. Мягкую целлюлозу отбеливают хлором, промывают водой, высушивают и используют для производства высококачественной писчей бумаги и бумаги для печати.

Щелок продувают острым паром для удаления сернистого ангидрида, фурфурола и других веществ, тормозящих жизнедеятельность дрожжей. Затем горячий щелок нейтрализуют известковым молоком - Са(ОН)2 и тонко-размолотым известняком - СаСОз, охлаждают и направляют на биохимическую переработку. Для сбраживания в щелок добавляют питательную соль (NH4)2SO4 дрожжи и насыщают кислородом. В результате деятельности дрожжей гексозные сахара превращаются в этиловый спирт и углекислый газ. Получаемая бражка содержит 0,5... 1 % спирта, который отделяют путем ректификации (до 90 л на 1 т выработанной целлюлозы). Спирт-ректификат используют только для технических целей, потому что помимо этилового в нем присутствует метиловый спирт. Углекислый газ превращают в сухой лед путем сжатия и охлаждения.

Освобожденный от спирта остаток бражки, называемый сульфитно-спиртовой бардой, содержит пентозы - сахара не способные к процессу брожения. Барду используют для выращивания кормовых белковых дрожжей — ценной кормовой добавки для животных и птиц и стимулятора на подсочке хвойных (см. разд. 3.1 - 3.3.). Для этого барду нейтрализуют, добавляют к ней питательные вещества и дрожжи, которые начинают быстро размножаться. Дрожжи отделяют от барды, промывают и высушивают. Выход дрожжей составляет 35...40 кг на 1 т целлюлозы.

Иногда дрожжи выращивают непосредственно на подготовленном щелоке, минуя стадию получения этилового спирта. В этом случае на по­лучение дрожжей расходуются как пентозные так и гексозные сахара, а выход дрожжей повышается до 100... 110 кг на 1 т целлюлозы.

Барду, оставшуюся после отгонки спирта (или после выращивания дрожжей), упаривают до получения концентратов. Концентраты применяют в качестве связующего литейных форм, в производстве огнеупоров, для дубления кож (в смеси с растительными экстрактами), при бурении скважин, в качестве стимулятора на подсочке сосны (см. разд. 3.1).

Скипидар, содержащийся в исходном сырье, в процессе варки целлюлозы сильно изменяется. Он содержит до 85 % n-цимола, образующегося из терпеновых углеводородов. Выход сульфитного скипидара составляет от 0,3 до 3,0 кг на 1 т целлюлозы. Из него выделяют цимол, который используют для различных синтезов.