Под удельным расходом понимают расход сырья, химикатов и  других материалов на производство единицы  продукции, за которую в целлюлозно-бумажном производстве принимается 1 т воздушносухой целлюлозы, древесной массы, бумаги или картона. Удельный расход древесины в плотных кубометрах рассчитывают по формуле: 

—удельный вес древесины, кг/м³ (при фактической ее влажности); Ь — выход целлюлозы из древесины, %.

При одном и  том же выходе целлюлозы из древесины  удельный расход баланса колеблется очень сильно в зависимости от удельной массы древесины. Выход  целлюлозы из древесины зависит  главным образом от степени провара  целлюлозы. Чем в большей степени проварена целлюлоза, тем больше расход балансов и наоборот. Фактический расход плотной древесины на сульфатцеллюлозных заводах, вырабатывающих жесткую целлюлозу, в зависимости от ее породы и качества составляет 4,5— 5 м³/т.

Выходом целлюлозы по варке с 1 м³ котла называют массу небеленой целлюлозы I, II и III сортов плюс непровар, потери при промывке и очистке (кг), получаемые за одну варку. Для оценки работы всего целлюлозного завода или одного варочного котла в течение года применяют показатель выхода целлюлозы (т) с 1 м³ варочного котла в год.

Выход целлюлозы  с 1 м³ котла за одну варку (кг) определяется по формуле:

В = (а*у*6)/88,

где а — объемная степень наполнения котла древесиной, м³/м³ котла;             у— удельный вес древесины, кг/м³ абсолютно сухой древесины;                       

 b — выход целлюлозы из древесины, %.

Выход сульфатной целлюлозы с 1 м3 варочного котла  за одну варку, включая непровар (кг ), составляет: высокого выхода 95— 100, жесткой 88—95, среднежесткой и электроизоляционной 82— 85 и мягкой (белимой) 70—80. Для сульфитной целлюлозы сохраняются примерно те же значения.

2.3.5 Получение целлюлозы бисульфитным способом

Сейчас  целлюлозу получают и бисульфитным способом. Совместно с ЦНИИБ (центральным  научно-исследовательским институтом бумаги) проведено 40 варок с добавлением (до 40%) осиновой щепы. Варка ведется на натриевом основании. В дальнейшем намереваются перейти на бисульфитную варку на магниевом основании с полной регенерацией химикатов (используется бисульфит магния Mg(HSO₃)₂, который получают следующим образом:

гашением  окиси магния получают гидроксид  магния:

    MgO + H₂O → Mg(OH)₂ – ΔH    

Далее через магнезиальное молоко (суспензия  Mg(OH)₂) пропускают сернистый газ:

     Mg(OH)₂ + 2SO₂  → Mg(HSO₃)₂ – ΔH.

Бисульфитные  варочные растворы не содержат растворенного  SO₂ и начальный рН их обычно составляет 3,5—5,0. Растворы химически чистых бисульфитов 1 н. концентрации при 25°С имеют рН равный 4,5. При этом значении рН SO₂ практически присутствует в виде ионов бисульфита, что создает при варке условия, в максимальной степени благоприятствующие процессу сульфонирования лигнина. Напротив, явления конденсации лигнина оказываются подавленными.

Бисульфитный  способ варки при рН 3,5 – 5,0 позволяет  перерабатывать практически любые древесные породы. Содержащиеся в ядровой древесине сосны, лиственницы и некоторых других хвойных пород вредные фенольные вещества в условиях бисульфитной варки не проявляют тормозящего действия. В результате бисульфитной варки получается целлюлоза, способная разделяться на волокна при относительно высоком выходе из древесины (60 – 62% для хвойных и 54 – 57% для лиственных пород) и имеющая более высокие прочностные свойства, чем сульфитная и моносульфитная целлюлоза той же степени провара. Однако бисульфитная целлюлоза обладает более трудной размалываемостью. По прочности на разрыв бисульфитная целлюлоза не уступает сульфатной целлюлозе, а при выходе 65 – 70% превосходит ее. В небеленом виде бисульфитная целлюлоза обладает особенно высоким сопротивлением растяжению даже при выходе 70% и более.

Бисульфитная  целлюлоза в беленом  виде

Белизна бисульфитных целлюлоз из хвойных и  лиственных пород не уступает

белизне сульфитных целлюлоз, а в области  высоких выходов и низких степеней

провара превышает белизну сульфитной. В беленом виде бисульфитная целлюлоза отличается повышенной непрозрачностью и является хорошим полуфабрикатом для выработки писчих, журнальных и книжных бумаг.

Недостатком бисульфитного способа является низкая концентрация РВ (содержание сахаров) в отработанном («красном») щелоке и невозможность биохимической его переработки без дополнительной инверсии. Низкий выход РВ в бисульфитном щелоке является результатом не только недостаточно глубокого гидролиза полисахаридов, но и повышенного разрушения сахаров в растворе с образованием альдоновых и углесульфоновых кислот (как следствия высокой концентрации ионов бисульфита). 
 

2.4 Хлорно-щелочной  и азотнокислый  способы варки

Вышеописанные способы получения целлюлозы  составляют две основные группы, одна из которых характеризуется тем, что варка целлюлозы всегда проводится в щелочной среде, а другая применением в качестве варочного реагента сульфитсодержащих растворов. Ранее характерным для последней группы способов считалось проведение варки в кислой среде. Однако за последнее время были разработаны способы варки, основанные на применении нейтральных и щелочных сульфитных варочных растворов.

Прочие способы  варки подразделяют не по их химическому  характеру, а скорее по их распространению  в промышленности. Из этих способов наиболее широкое применение в промышленности получили хлорно-щелочной и азотнокислый способы варки. Однако в настоящее время они утратили свое значение. Интересное решение представляет собой гидротропный способ варки, однако в промышленном масштабе он еще не применяется. В литературе описан целый ряд способов варки, которые пока еще разрабатываются в лабораторных условиях, поэтому освещаются лишь основные направления исследований по этому вопросу.

2.4.1 Хлорно-щелочной  способ

Исходя из теоретических основ хлорно-щелочного способа варки, разработали две его разновидности: обработку растительного сырья в процессе варки хлорной водой или газообразным хлором. Для большей доступности лигнина воздействию хлора и придания ему свойств растворимости в воде или щелочи сырье на первой ступени варки экстрагируется щелочью для освобождения от жиров, восков и пектинов. В результате такой обработки растворяется также часть лигнина и гемицеллюлоз и получается промежуточный продукт типа полуцеллюлозы, который затем хорошо делигнифицируется при последующем воздействии хлора.

Хлорно-щелочной способ применяется в основном для  варки однолетних растений, главным  образом соломы хлебных злаков. По литературным данным, он может применяться  также для варки некоторых видов древесины (таблица 2).

Технологические параметры хлорно-щелочного  способа варки

 
 

Как уже упоминалось, существуют две разновидности хлорно-щелочного  способа. Так, способ Де-Вейнс основан  на применении хлорной воды, а способ Катальди-Помилио на применении газообразного хлора. Однако наиболее широкое промышленное распространение получил способ Помилио - Цельдекор.

По способу  Помилио-Цельдекор очищенная от пыли и зерен соломенная сечка  непосредственно из циклона смешивается  с раствором едкого натра либо в мешальном бассейне, откуда пропитанная сечка подается в варочный котел либо ленточным конвейером, либо с помощью шнека-питателя, над которым смонтированы спрыски, смачивающие поступающую к нему сечку натронным щелоком. Избыток щелока стекает сквозь решетку и может использоваться повторно (рисунок 4). 
 
 
 
 

2.4.2 Схема получения  целлюлозы по способу  Помилио-Цельдекор

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рисунок 4. Аппаратурно-технологическая схема получения целлюлозы по способу Помилио-Цельдекор:

1— пневматическая  подача сечки;  2 —циклон:  3 —метальное устройство;  4 —цилиндрический   варочный   котел:   5 — метальный   бассейн;   6 — сгуститель;   7 — ленточный  транспортер;   8 — шаровая   мельница;   9 — дозатор;    10 — башня    хлорирования;    11— фильтр; 12 — бассейн  для   сточных   вод;   13 — щелочная   промывка;   14 — промывной   фильтр 

Стальной вертикальный котел загружается пропитанной  щелоком соломенной сечкой и паром  при давлении 0,05— 0,15 МПа (0,5—1,5 кгс/см²) нагревается до температуры 100° С. Производительность котлов составляет соответственно 50—55 т целлюлозы в сутки. Для достижения хорошей степени провара продолжительность варки составляет 2 ч. Сечка непрерывно подается в верхнюю часть котла, а из нижней также непрерывно отбирается готовый полуфабрикат.

Пар для нагрева  содержимого котла по кольцевому трубопроводу подается в трубы, вмонтированные в стенки котла.

Котел имеет  также паровую рубашку для  непрямого нагрева. Расход пара зависит  от продолжительности варки и  составляет Бри производстве полуцеллюлозы 0,65 т/т соломы, а при производстве белимой целлюлозы — более 0,8 т. В нижней части котла расположены один или два У-образных ребристых разгрузочных устройства. Эти устройства позволяют регулировать продолжительность варки. Сваренная масса непрерывно выгружается в метальный бассейн. Расход энергии на варку и промывку составляет 40 кВт ч/т воздушносухой полуцеллюлозы.

В результате варки  в зависимости от установленных  параметров можно получать довольно мягкую целлюлозу или полуцеллюлозу. Так, при расходе 7% едкого натра от массы абс. сухого сырья при продолжительности варки 1,5—2 ч может быть получен полуфабрикат хорошего качества с выходом примерно €5%, который после разделения на волокна и тщательной промывки пригоден для изготовления картона с хорошими показателями механической прочности. При производстве беленой целлюлозы расход едкого натра на варку составляет 10—15% от массы абс. сухого сырья. Выход целлюлозы в этом случае составляет 55—60%.. Объем отработанного щелока при этом составляет примерно 20 м^э/т абс. сухой полуцеллюлозы. И хотя он все еще имеет щелочную реакцию, в нем практически не содержится свободного NаОН.

Для получения  беленой целлюлозы масса после  предварительной обработки подвергается промывке и обезвоживанию на винтовом прессе до 30%.-ной сухости. Затем грубая фракция обезвоженной массы разрыхляется в шнековом питателе и измельчается в конической мельнице. После этого масса пневматическим или механическим способом подается в башню хлорирования.

Установлено, что  пребывание целлюлозы в течение 2—3 дней в башне хлорирования не вызывает деструкции целлюлозного волокна.

Из башни хлорирования целлюлоза выгружается при помощи таких же устройств, как и из варочного  котла, но изготовленных из керамики или стали с резиновой облицовкой.

Химикаты для  производства хлорно-щелочной целлюлозы  получают непосредственно на целлюлозном  заводе способом электролиза. Расход электроэнергии на электролиз составляет 800 кВт • ч/т воздушносухой соломенной целлюлозы. Около 100 кВт-ч электроэнергии потребляется на выпрямление переменного тока. Расход энергии на работу двигателей и насосов составляет 350 кВт • ч/т целлюлозы.

Недостатки этого  способа — отсутствие регенерации  химикатов и чрезвычайно высокий  расход энергии.

Другой разновидностью этого способа является способ Де-Вейнс. Как и при способе Помилио-Цельдекор, хорошо промытая масса после щелочной обработки разбивается на волокна и сортируется. После последующей промывки для обработки целлюлозы вместо газообразного хлора применяется хлорная вода. Для нейтрализации образующейся соляной кислоты и растворения хлорлигнина целлюлоза обрабатывается горячим щелоком. И в этом случае необходимые химикаты получают непосредственно на целлюлозном заводе путем электролиза хлористого натрия. 

2.4.3 Азотнокислый способ

Этот способ производства целлюлозы также находит  применение в промышленности. Хотя делигнифицирующее действие азотной  кислоты известно издавна, в промышленности этот способ стал применяться лишь в 30-е годы XX в. и лишь там, где азотная кислота образуется как дешевый побочный продукт.

В промышленности нашли применение два варианта азотнокислого  способа варки.

Первый вариант  был применен при варке буковой  древесины. Заключается он в следующем. Щепа пропитывается 15%-ной азотной  кислотой при температуре 40—45°С и давлении 0,3 МПа (3 кгс/см²) в течение 3 ч. После пропитки азотная кислота разбавляется горячей водой до 4%-ной концентрации. В результате экзотермических химических процессов температура раствора в процессе варки повышается и за 7 ч достигает 90°С (требуется тщательный контроль за температурой). Нитро-производные лигнина удаляются из щепы при промывке сначала горячей водой, затем 1—1,5%-ным раствором едкого натра и в заключение 4%-ным раствором едкого натра при температуре 80° С. При азотнокислой варке кислая среда требует особенно тщательной пропитки. В связи с этим для варки применяется щепа малых размеров, не более 15 мм.