NO172401B - Fremgangsmaate for fremstilling av mekanisk og kjemimekanisk papirmasse - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte for fremstilling av mekanisk og kjemimekanisk papirmasse gjennom oppdeling og maling av tremateriale i minst to trinn.

Ett formål med oppfinnelsen er å gjennomføre oppdelingen og malingen på en slik måte at det totale energiforbruk redu-seres i vesentlig grad, noe som i det følgende vil bli beskrevet nærmere.

Maling av celluloseholdig materiale ved lav massekonsentrasjon har lenge vært en anvendt fremgangsmåte for å forbedre fibrenes papirdannende egenskaper. Dette gjelder imidlertid bare ligninfrie eller i hovedsak ligninfrie fibrer, så som fibrer fremstilt ifølge sulfat- eller sulfittmetoden. Når det gjelder mekanisk fremstilte masser, så som termomekanisk (TMP) eller kjemimekanisk (CTMP) masse, har man ikke ansett at maling ved lav konsentrasjon, såkalt postraffinering, kan anvendes, bortsett fra som en fremgangsmåte for å øke massenes lysspre-dende evne, og for å få en liten minskning i fiberlengden og dermed forbedre formasjonen ved fremstillingen av papir.

Det er tidligere blitt utført undersøkelser vedrørende det å ettermale en TMP fremstilt ved høy konsentrasjon ved lavere konsentrasjoner. Således beskrives i Sean Forsk Rapport 409/1984 arbeider vedrørende energiforbruk ved ettermaling ved lav konsentrasjon i sammenligning med raffinering ved høy konsentrasjon. Resultatene fra denne undersøkelse viser at man kan senke TMP's freenessgrad med 10 - 30 ml uten at styrkeegenskapene blir vesentlig dårligere, og at man kunne oppnå en energibesparelse på 50 - 150 kWh/tonn. Det totale energiforbruk var imidlertid betydelig og i størrelsesorden 1600 - 2300 kWh/tonn.

I Pulp and Paper Magazine of Canada, bd. 81, nr. 6, juni 1980, s. 72 - 80 (N. Hartler) beskrives forsøk på å minske energiforbruket ved raffinering av flis. Et forslag her er å endre det kjemiske miljø rundt fibrene gjennom tilsetning av kjemikalier. Ved tilsetning av natriumhydroksyd kunne energiforbruket minskes med 30%, men det totale forbruk ligger likevel på ca. 13 00 kWh/tonn. Ved disse forsøk ble imidlertid utbyttet noe dårligere og ISO-lyshetsgraden betraktelig dårligere.

I Svensk Papperstidning, 1982, s. R 132 - 139 (R. Axelson og R. Simonson) diskuteres innvirkning av sulfittimpregnering av flisen på raffineringsforløpet, bl.a. på energiforbruket. Ved en viss mengde opptatt sulfitt, oppviste energiforbruksdia-grammet et minimum. Totalt sett lå imidlertid energiopptaket på det høye nivå av 2000 kWh/tonn.

Det er tidligere blitt utført forsøk på behandling av termomekanisk masse med fibermodifiserende kjemikalier. Det har da vist seg at man ved behandling av den defibrerte masse med ozon før raffineringen i en to-trinnsprosess har kunnet redusere energiforbruket med opptil 30%. Dette har imidlertid bare kunnet skje på bekostning av utbyttet.

Ifølge foreliggende oppfinnelse har det vist seg mulig å fremstille mekanisk papirmasse med vesentlig redusert energiforbruk.

Ifølge oppfinnelsen skjer dette ved at tremateriale i et første trinn grovoppdeles ved en konsentrasjon på over 20%. Energitilførselen skal her være høyst 800 kWh/tonn trematerialet. De sure grupper som inngår i tremateriale, skal deretter helt eller delvis nøytraliseres, og materialet skal fortynnes med vann med en temperatur som tilsvarer ligninets mykningstemperatur. Fortynningsvannet skal ha en ionestyrke på maksimalt 0,05 mol pr. liter. Det grovt oppdelte materiale skal siden males ved en konsentrasjon på 1 - 10% med en total energitil-førsel på maksimalt 500 kWh/tonn materiale.

Tanken bak foreliggende oppfinnelsen består i at det fore-ligger en forbindelse mellom trematerialets nedbryting til fiber og den måte energipulsene overføres til materialet på, dvs. om energipulsene overføres i væskefase eller i dampfase. Videre må man ta i betraktning hvilken termisk og fysikalsk tilstand trematerialet befinner seg i når energipulsene over-føres.

Man har tidligere ikke lykkes i å defibrere tremassen ved maling ved lav konsentrasjon for å minske energiforbruket ved fremstilling av mekaniske masser. Grunnen til dette er at man ikke har kjent til hvordan fiberklippingen, og dermed altfor lav slit- og rivindeks for den resulterende mekaniske masse, skal kunne unngås, samtidig med at det tilveiebringes forbedrede bindingsegenskaper i massen.

For å oppnå dette, er det viktig med en nøyaktig regulering av fibersuspensjonstemperatur og kjemisk miljø i sammenheng med malingen.

For å få et lavt totalt energiforbruk, må energitilførselen i det første grovdefibreringstrinnet være lav. Det første høy-konsentrasjonstrinnet kan være under atmosfæretrykk, eller være satt under trykk, og det kan utføres ved rivning (shredding), flispressing, pluggskruing (type Impressafiner eller PREX) eller ved defibrering i en raffinør.

Den siste maling finner deretter enten sted i ett eller i flere trinn ved lav massekonsentrasjon, dvs. ved en konsentrasjon på 1 - 10%. Ved denne maling må det tas hensyn til at den spesifikke kantbelastning er tilstrekkelig lav, og at fiber-suspensjonens temperatur og kjemiske miljø er tilpasset trepolymerenes myknings- og svellingstilstand. Dette innebærer ifølge oppfinnelsen at temperaturen under maling skal være minst like høy som mykningstemperaturen for den stiveste amorfe trepolymer, at trepolymerenes sure grupper i hovedsak er ioniserte, samt at prosessvannets ionestyrke er tilstrekkelig lav.

Oppfinnelsen skal i det følgende beskrives nærmere på grunnlag av noen utførelseseksempler, og med henvisning til vedlagte tegninger, hvor

fig. 1 viser et flytskjema for en utførelsesform av

fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen,

fig. 2-4 er diagrammer som viser egenskaper og energiforbruk

for en masse fremstilt ifølge fig. 1,

fig. 5 er et flytskjema for en annen utførelsesform av

oppfinnelsen, og

fig. 6-8 viser egenskaper og energiforbruk ved fremgangsmåten

ifølge denne utførelsesform.

Eksempel 1

Flytskjemaet i fig. 1 viser fremstilling av termomekanisk masse for avispapir.

Flis av gran gjennomgår en basing i et første trinn, og forvarmes. Den forvarmede flis oppdeles så med et energiforbruk på 700 kWh/tonn i en raffinør som er satt under trykk. Ved denne grovdefibrering tilsettes 3 kg NaOH i raffinørens malesone for å nøytralisere sure grupper som inngår i trematerialet. Det defibrerte materiale tilføres fortynningsvann med en temperatur på 80°C og en ionestyrke på 2,0 mmol/1 for å tilveiebringe en massekonsentrasjon på 3%.

Ved denne konsentrasjon ble massen deretter malt i 5 trinn som fulgte etter hverandre med en spesifikk kantbelastning på 0,3 - 0,5 ws/m og et totalt netto energiforbruk på 150 kWh/tonn masse, noe som tilsvarer et brutto energiforbruk på 250 kWh/tonn masse til en freenessgrad på 150 ml CSF og en midlere fiberlengde (PML) på 1,8 mm, dvs. omtrent den samme som for en TMP-masse fremstilt på konvensjonell måte med et energiforbruk på 1750 kWh/tonn masse.

Det totale energiforbruk ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen er således redusert fra 1750 til 950 kWh/tonn masse.

Utbyttet var ca. 97%.

En sammenligning av egenskapene for en konvensjonelt fremstilt TMP-masse og en masse fremstilt ifølge oppfinnelsen er vist i tabell 1.

I denne sammenheng bør det nevnes at det som konvensjonell TMP-prosess anvendes det raffineringssystem som krever minst elektrisk energi av de hittil kjente systemer, dvs. en dobbel-skiveraffinør satt under trykk, kombinert med kort oppholdstid i forvarmingen under trykk.

Ved tilpasning av to-trinnsprosesser med enkelskiveraf-finering kreves oftest mer enn 2000 kWh/tonn for å oppnå masse med 150 m/CSF.

Fremstilling av TMP ifølge oppfinnelsen sammenlignes i figurene 2, 3 og 4 med konvensjonelt fremstilt TMP med ett-trinnsraffinering i dobbelskiveraffinør, som er den minst ener-giforbrukende TMP-prosess som forekommer med dagens teknikk. Fig. 2 viser slitindeks som funksjon av forbruket av elektrisk energi. Av figuren fremgår det tydelig at strekkstivhets-indeksen ved et visst forbruk av elektrisk energi er betydelig større for TMP som er fremstilt ifølge oppfinnelsen. Fig. 3 viser rivindeksen som funksjon av slitindeksen for TMP ifølge oppfinnelsen og konvensjonell TMP. Det fremgår at utviklingen i rivindeks hos den respektive TMP er omtrent den samme, dvs. ved optimering av lavkonsentrasjonsmalingen ifølge oppfinnelsen unngås nesten helt den fibefklipping og dermed den kraftige minskning i rivindeks som er vanlig ved konvensjonell lavkonsentrasjonsmaling av mekaniske masser. Fig. 4 viser hvordan lysspredningskoeffisienten (s) ut-vikler seg ved konvensjonell TMP og ved TMP fremstilt ifølge oppfinnelsen. Det fremgår at s-utviklingen krever like lav tilførsel av elektrisk energi som slitindeksutviklingen, dvs. at innsparingen av elektrisk energi til en viss s-verdi er like stor som innsparingen av energi til en viss slitindeksverdi.

Eksempel 2

Foreliggende eksempel angår fremstilling av kjemimekanisk masse (CTMP eller CMP) ifølge det flytskjema som er vist i fig. 5.

Behandlingen med impregneringskjemikalier, som kan være sulfitter, peroksyder, oksygengass og/eller lut, kan skje før det første defibreringstrinn, etter dette trinn, men før sluttmalingen, etter sluttmalingen eller kombinasjoner av disse. I det viste flytskjema utføres impregneringen før det første defibreringstrinn.

Det første defibreringstrinn med høy konsentrasjon utføres på samme måte som i eksempel 1.

Ved fremstilling av kjemimekanisk masse er vasketrinnet svært vesentlig, slik at malingen ifølge oppfinnelsen skal finne sted ved lav ionestyrke. Vaskingen finner derfor sted før sluttmalingen. I de tilfeller hvor kjemikaliebehandlingen utfø-res som siste prosesstrinn, finner vasking sted selv etter dette trinn.

Sluttmalingen finner sted på samme måte som ifølge eksempel 1, men prosesstemperatur og kjemisk miljø må tilpasses de spe-sielle egenskaper som trepolymerene har fått gjennom behandling med impregneringskjemikalier. Det er vesentlig at det tas hensyn til antallet sulfonsyregrupper som er tilført ved en eventuell sulfittbehandling. Ettersom en økende mengde sulfonsyregrupper setter ned ligninets mykningstemperatur, kan prosessvannets temperatur være lavere enn ved fremstilling av TMP-masse ifølge eksempel 1. En tilstrekkelig høy temperatur ved CTMP-fremstilling er 40°C. Det å anvende lavest mulig temperatur er fordel-aktig fra lyshetssynspunkt. Gjennom en natriumsulfittbehandling er såvel sulfonsyregruppene som karboksylsyregruppene ionisert fra begynnelsen av.

Dersom det ved CTMP-fremstillingen velges å modifisere treet med peroksyd, oksygen eller ozon, oppstår det riktignok ingen sulfonsyregrupper, men trematerialets, først og fremst ligninets, innhold av karboksylsyregrupper økes vesentlig, noe som medfører en reduksjon i ligninets mykningstemperatur.

I eksemplet ifølge fig. 5 ble flis fra gran underkastet basing og impregnert med en natriumsulfittløsning i en mengde tilsvarende en 2%-sats, hvoretter den ble forvarmet ved en temperatur på 13 0°C i 3 minutter. Materialet ble deretter grovoppdelt med et energiforbruk på ca. 600 kWh/tonn i en flisraf-finør under trykk med høy konsentrasjon (ca. 35%). Det resulterende utbytte var ca. 96%. Det resulterende grovdefibrerte materiale ble fortynnet til ca. 3%, og ble latensbehandlet ved 80°C i 20 - 30 minutter. Massen ble presset til en konsentrasjon på 45 - 50%, og igjen fortynnet til 3% ved en temperatur på 70°C. Ved denne konsentrasjon ble massen så malt med en spesifikk kantbelastning på 0,3 - 0,5 Ws/m i fem trinn som fulgte etter hverandre med et netto energiforbruk på 150 kWh/tonn, som tilsvarer et brutto energiforbruk på 250 kWh/tonn, for å oppnå en masse med en freenessgrad på 250 ml CSF og en gjennomsnittlig fiberlengde (PML) på 1,7 mm, dvs. tilsvarende en konvensjonelt fremstilt CTMP-masse, fremstilt i ett trinn med et energiforbruk på 1750 kWh/tonn.

Ved hjelp av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen hadde man således minsket energiforbruket fra det konvensjonelle 1750 til 850 kWh/tonn.

Den oppnådde CTMP-massens egenskaper i sammenligning med konvensjonell CTMP-masse fremgår av tabell 2.

Fremstillingen av CTMP ifølge oppfinnelsen er i figurene

6, 7 og 8 sammenlignet med fremstilling ifølge konvensjonell teknikk.

I fig. 6 vises slitindeks som funksjon av energiforbruket for en CTMP-masse fremstilt ifølge oppfinnelsen, og for en masse fremstilt på konvensjonell måte. Sammenlignet ved en viss slitindeks, f.eks. 40 kNm/kg, forbruker konvensjonell raffinering ca. 1750 kWh/tonn masse, mens det ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen bare forbrukes ca. 850 kWh/tonn.

Ved sammenligning av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen med konvensjonell fremgangsmåte med hensyn til rivindeks som funksjon av slitindeks, fremgår det at sammenhengen er av samme slag, dvs. man unngår den ved lavkonsentrasjonsmaling vanlige fiberklipping som er årsak til en kraftig redusert rivindeks. Dette fremgår av diagrammet i fig. 7.

Den ifølge oppfinnelsen fremstilte CTMP-massens lysspred-ningskoeffisient som funksjon av energiforbruket, vises i diagrammet i fig. 8, i sammenligning med masse fremstilt på konvensjonell måte. Det fremgår her at man ifølge oppfinnelsen oppnår et vesentlig lavere energiforbruk til en viss lysspredningsin-deks.

Eksempel 3

Dette eksempel angår fremstilling av høysulfonert CTMP eller CMP, dvs. masse som inneholder mer enn 4 g bundet svovel pr. kg tremateriale.

Flis av gran ble impregnert med en natriumsulfittløsning som inneholdt ca. 120 g natriumsulfitt pr. liter i en mengde tilsvarende en sats på ca. 12%. Flisen ble forvarmet ved en temperatur på 140°C i 10 minutter, hvoretter den ble grovoppdelt med et energiforbruk på ca. 400 kWh/tonn tre. Defibreringen ble gjennomført i en flisraffinør under trykk, og man fikk på denne måte en utbytte på 93 - 94%. Etter en latensbehandling ved 60°C i 20 - 30 minutter ved en massekonsentrasjon på 3%, ble massen malt i 3 trinn med en kantbelastning på 0,3 - 0,5 Ws/m og et netto energiforbruk på 100 kWh/tonn, noe som tilsvarer et brutto energiforbruk på 160 kWh/tonn.

Den resulterende masses egenskaper ble bestemt, og i tabell 3 i det følgende er de oppnådde verdier angitt i sammenligning med en CTMP fremstilt på konvensjonell måte i en entrinnsprosess med en energitilførsel på 1500 kWh/tonn.

Eksempel 4

Denne utførelsesform er et eksempel på hvordan man i første trinn kan anvende ekstrudere for grovoppdeling av trematerialet. Ifølge eksemplet anvendes en ekstruder av type Bivis.

Granflis ble utsatt for basing på vanlig måte ved 100°C i 10 minutter, hvoretter den ble matet inn i en Bivis-maskin. Under defibreringen i maskinen ble det anvendt 2-3% natrium-sulfittløsning, slik at materialets sulfoneringsgrad ble 1,5 g svovel pr. kg tre. Forbruket av elektrisk energi var ca. 400 kWh/tonn tre når materialet passerte gjennom dobbeltskruens fire kompresjonssoner. Etter at materialet var kommet ut av maskinen, ble det fortynnet til ca. 5% måssekonsentrasjon ved ca. 70°C, hvoretter suspensjonen ble pumpet til maling i syv trinn i en lavkonsentrasjonsraffinør. Etter det femte maletrinn, var massens freenessgrad ca. 250 ml CSF, slitindeks 55 kNm/kg og rivindeks 6 Nm/kg, med et netto energiforbruk på 150 kWh/tonn og et brutto energiforbruk på 250 kWh/tonn.

Det totale energiforbruk ved fremstilling av kjemimekanisk masse (CTMP) til en freenessverdi på 250 ml CSF i henhold til fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen er således 650 kWh/tonn, som kan sammenlignes med ca. 1750 kWh/tonn ifølge den beste konvensjonelle teknikk til samme freenessverdi.

Ved å male i syv lavkonsentrasjonstrinn ifølge oppfinnelsen kan man oppnå en freenessverdi på 50 ml CSF, og får da en CTMP-masse som er egnet for anvendelse for avispapir og LWC-papir. Det totale energiforbruk kan allikevel holdes under 850 kWh/tonn. Masse av den sistnevnte type kan ikke produseres med konvensjonell teknikk, ettersom man da ikke oppnår tilstrekkelig overflatej evnhet.

Oppfinnelsen er ikke begrenset av de eksempler som her er beskrevet, men kan varieres innenfor rammen av oppfinnelsens idé.

Claims (4)

1. Fremgangsmåte for med lav energitilførsel å fremstille mekanisk og kjemimekanisk papirmasse ved oppdeling og maling av tremateriale i minst to trinn, karakterisert ved at materialet grovoppdeles i det første trinn ved en konsentrasjon på over 20% med en energi-tilførsel på høyst 800 kWh/tonn tremateriale, at de sure grupper som forekommer i trepolymerene nøytraliseres helt eller delvis ved tilsetning av NaOH i en mengde på maksimalt 9 kg/tonn, at materialet fortynnes med vann med en temperatur tilsvarende ligninets mykningstemperatur, dvs. 40 - 95°C, og med en ionestyrke på maksimalt 0,05 mol pr. liter, samt at materialet deretter males i ett eller flere trinn ved en konsentrasjon på 1 - 10% med en total energitilførsel på høyst 500 kWh/tonn materiale.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at minst 25% av den totale energitilførsel tilføres ved malingen.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at det grovoppdelte materiale vaskes etter det første trinn for å redusere ionestyrken.

4. Fremgangsmåte ifølge hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at energitilførselen i hvert maletrinn er 50 - 150 kWh/tonn masse.