Реакции компонентов древесной смолы

Разнообразные компоненты смолы представлены тремя группами соединений:

- терпены;

- смоляные и жирные кислоты;

- нейтральные вещества.

Терпены при натронной варке не претерпевают никаких изменений. Смесь их образует в сдувочном конденсате терпен­тинное масло, или скипидар, в количестве примерно 10 кг на 1 т воздушно-сухой целлюлозы из сосны и 1...2 кг из ели.

Смолы и жиры древесины при варке со щелочью подвер­гаются практически полному омылению и переходят в раствор в виде мыл - натриевых солей смоляных и жирных кислот. Выход мыл целиком зависит от содержания экстрактивных веществ в древесине, так же как и соотношение между смоляными и жир­ными мылами. Из сосны выход мыла всегда больше, чем из ели, и может доходить до 150 кг и более на 1 т воздушно-сухой цел­люлозы. В случае варки лиственных пород получаются только жирные мыла с относительно небольшим выходом.

Сырое мыло можно разложить обработкой кислотой при на­гревании. Получаемая смесь смоляных и жирных кислот носит название сырого таллового масла. Соотношение между смолами и жирами в сыром мыле, получаемом при варке хвойных пород, близко к 1:1 с небольшими отклонениями в ту или иную сторону. Среди жирных кислот присутствуют, главным образом, пальми­тиновая кислота и в небольшом количестве - олеиновая и лино-левая. Смоляные кислоты представляют собой смесь, близкую по составу к абиетиновой кислоте С₁₉Н₂₉СООН.

Нейтральные вещества в небольшом количестве (12...18 %) всегда сопутствуют смоляным и жирным кислотам в сыром мыле и талловом масле. Среди них наибольший интерес пред­ставляют стерины (эргостерин, ситостерин и др.). Выход стеринов составляет около 3 % от массы сырого мыла.

Факторы сульфатной варки

Свойства древесного сырья

Породный состав сырья

Основным сырьем для щелочных варок в России служат: из хвойных пород - сосна, ель, пихта, кедр и лиственница; из лист­венных пород - береза и осина.

Сосна - традиционное сырье сульфатцеллюлозного произ­водства. Ее основные морфологические элементы - длинные эла­стичные трахеиды, обладающие хорошими бумагообразующими свойствами. Высокое содержание смолы и присутствие в ядре фенольных веществ (пиносильвина и его монометилового эфи­ра) делают сосну малопригодной для переработки сульфитными способами и для производства древесной массы, но не препятст­вуют щелочным варкам.

Еловая древесина по скорости делигнификаций и свойст­вам целлюлозы аналогична сосновому сырью и может перераба­тываться совместно с ним без затруднений. За счет меньшего со­держания смолы выход целлюлозы из ели на 1...1,5 % выше, чем из сосны.

Пихта по скорости делигнификаций и свойствам целлюло­зы близка к ели. Из-за меньшей плотности древесины выход цел­люлозы из 1 м ³пихты ниже, чем из ели и сосны.

Кедр может поступать на сульфатцеллюлозные заводы как неизбежная примесь к другим хвойным породам. Для его перера­ботки требуется повышенный на 18...20 % расход активной ще­лочи и более тщательная пропитка варочным раствором в период заварки.

Лиственница занимает особое место в лесосырьевой базе России, Создание мощных лесопромышленных комплексов в бо­гатых лиственницей районах Сибири и Дальнего Востока делает лиственницу одним из основных видов сырья для целлюлозно-бумажного производства. Древесина лиственницы обладает ря­дом преимуществ перед другими породами древесины.

1. Выход целлюлозы из 1 м ³ древесины лиственницы выше, чем из других хвойных пород вследствие высокой плотности древесины. Соответственно, ниже объемный расход лиственнич­ной древесины на 1 m целлюлозы. При одинаковых ценах за 1 м ³хвойной древесины удельные затраты на сырье, составляющие основную долю себестоимости товарной целлюлозы, при пере­работке лиственницы оказываются более низкими в сравнении с удельными затратами на другие хвойные породы.

2. По той же причине выход целлюлозы из 1 м ³варочного котла при варке лиственницы выше, чем при варке других пород древесины, благодаря чему увеличивается эффективность ис­пользования оборудования варочного цеха.

3. По ряду прочностных свойств лиственничная целлюлоза не уступает целлюлозам из сосны, ели и пихты, а по такому важ­ному показателю, как сопротивление раздиранию, превосходит их. Лучшими показателями обладает и лиственничная белёная облагороженная целлюлоза, предназначенная для химической переработки.

4. Комплексная переработка древесины лиственницы позво­ляет получить, наряду с целлюлозой, такие ценные продукты, как арабиногалактан, дигидрокверцетин, кормовой белок и другие.

Вместе с тем, применение древесины лиственницы в качест­ве сырья для целлюлозно-бумажной промышленности встречает­ся с рядом трудностей.

1. Химический состав и физические свойства древесины ли­ственницы очень изменчивы и колеблются в широких пределах в зависимости от места произрастания, возраста и других причин.

2. Высокая плотность и твердость древесины и повышенное количество коры требуют увеличения затрат на окорку, измель­чение в щепу, утилизацию коры.

Выход целлюлозы из 1 т древесины лиственницы ниже в сравнении с другими хвойными породами, поэтому органическая часть древесины используется менее эффективно.

Лиственная целлюлоза имеет меньшую прочность на разрыв и продавливаниё, что ограничивает ассортимент выраба­тываемой из нее бумаги и картона.

Лиственные породы варятся сульфатным способом без за­труднений. При этом получается целлюлоза с высоким сопро­тивлением разрыву и продавливанию, но значительно уступаю­щая хвойный полуфабрикатам по сопротивлению излому. До 1955 г. лиственная древесина почти не использовалась отечест­венными предприятиями ЦБП. К 1965 г. объем ее потребления достиг лишь 1,7 % от общего количества перерабатываемого сырья, к 1975 г. - менее 11 %. По прогнозным оценкам, к 2005 году доля лиственной древесины в общем балансе древесного сырья может достичь 14...15 %. Обладая гибкими волокнами с большой поверхностью контакта, лиственная целлюлоза в сочетании с длинноволокнистыми хвойными полуфабрикатами улучшает однородность структуры бумажного листа, придает бумаге мяг­кость, гладкость, улучшает печатные свойства. Значительное влияние на снижение себестоимости продукции оказывают вы­сокая плотность и низкая цена лиственной древесины.

Отечественная промышленность имеет опыт совместной переработки лиственной и хвойной древесины.

Древесина разных пород может поступать на целлюлозно-бумажные предприятия как разделенной по породам, так и без разделения. Принято считать, что варка хвойной, лиственной древесины и лиственницы должна вестись раздельно. Основные возражения против совместной варки сводятся к следующим до­водам:

- из-за различий в скорости процессов сорбции щелочи, про­питки растворами реагентов, химических реакций, растворения лигнина и углеводов целлюлоза в конце варки оказывается неод­нородной по степени делигнификации;

- по той же причине невозможно выбрать режим варки, оди­наково оптимальный для каждой из пород, вследствие чего не удается в наилучшей степени учесть и использовать индивиду­альные особенности, присущие разным породам древесины.

Насколько основательны эти возражения? Различие в пове­дении древесины разных пород проявляется в разной степени, в зависимости от способа варки и глубины делигнификации. Со­вместная сульфатная варка хвойной и лиственной древесины до достижения выхода 55...56 % не только возможна, но во многих случаях целесообразна, так как различия в поведении древесины разных пород в этом случае не очень велики. Безоговорочное ис­ключение составляет только производство целлюлозы для хими­ческой переработки.

К этому следует добавить, что целый ряд предприятий ЦБП в силу объективных обстоятельств вынужден перерабатывать сырье смешанного породного состава, причем у некоторых из них этот состав не остается постоянным, а подвержен значитель­ным колебаниям. Анализ состояния в этой области показал, что поставки сырья переменного состава предприятиям ЦБП не только не уменьшаются, но даже проявляют тенденцию к увели­чению. Это связывают как с неподготовленностью лесозаготови­тельной промышленности к полному удовлетворению требова­ний ЦБП в части поставки однородного сырья, так и со всё воз­растающим использованием технологической щепы из низко­сортной древесины и отходов деревообработки.

Следует отметить также, что переработка смешанной древе­сины без разделения по породам позволяет значительно упро­стить лесобиржевое хозяйство предприятия и повысить произво­дительность труда на этом наиболее трудоемком участке произ­водства.

Качество сырья

Основное влияние на варочный процесс и свойства целлю­лозы оказывают:

- размер щепы;

- качество окорки и присутствие коры;

- наличие гнили.

Размер щепы имеет большое значение и в сильной степени влияет на выход и провар целлюлозы, несмотря на то, что пропитка при щелочной варке происходит относительно быстро. При варке щепы, неравномерной по размерам, в особенности по толщине, выход целлюлозы понижается вследствие перевара опилок и мелкой щепы, а количество непровара возрастает из-за неудовлетворительной делигнификации толстых кусков и отщепов.

Щепа для варки должна быть равномерной по толщине (3...5 мм)и содержать не менее 90 % частиц нормальной длины (15...25 мм). Наиболее равномерной получается щепа при рубке балансов на многоножевой рубительной машине, а наименее равномерной - при рубке лесопильных отходов. Разница в выхо­де целлюлозы при варке этих видов щепы в одинаковых услови­ях может достигать 4...5 %.

Присутствие коры не является серьезной помехой для ще­лочной делигнификации. Варка неокоренной древесины приме­няется некоторыми сульфатцеллюлозными заводами, вырабаты­вающими целлюлозу для обертки, картона или мешочной бума­ги. Кора неоднородна. При достаточно большом расходе щелочи пробковый слой сосновой коры полностью растворяется, а лубя­ной слой дает небольшое количество волокнистой целлюлозы с выходом 15...20 % от массы коры. При варке смеси коры и обычной щепы, во избежание ухудшения степени провара, рас­ход активной щелочи необходимо увеличивать примерно на 0,4 % Na₂О на каждый процент коры, присутствующей в щепе. Од­нако при этом неизбежно повышение сорности целлюлозы.

Гниль при варке древесины щелочными методами допуска­ется в относительно большей степени развития, чем при других способах переработки. Выход целлюлозы заметно понижается лишь в результате значительного поражения гнилью, при этом необходимо увеличивать расход реагентов на варку и отбелку.