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Verfahren zur Behandlung. von Holz und anderen zellulosehaltigen Materialien.
Die Trennung der beiden Hauptbestandteile des Holzes, Zellulose und Lignin, bildet eine der wesentlichsten Aufgaben der Zellstoffindustrie. Die derzeitige Lösung dieser Aufgabe zwecks Darstellung von Zellstoff aus Holz, Fasern u. a. zellulosehaltigen Materialien beruht auf dem Prinzip, die Rohmaterialien der Einwirkung von Chemikalien wie Alkalien, Bisulfiten u. dgl. in geschlossenen Behältern unter Anwendung von Dampf-und eventuell Gasdruck und diesem Dampf-bzw. Gasdruck entsprechender erhöhter Temperatur auszusetzen.
Dies geschieht z. B. beim Natron-Zellstoff-Verfahren in der Art, dass man das Holz mit der alkalischen Lauge einem Druck von etwa 6 bis 10 Atm. aussetzt, wobei die Temperatur auf 150 bis 1800 C gesteigert wird. Beim Sulfitkochverfahren kommt je nach der Qualität, die man erzeugen will, ein Druck von 3 bis 6 Atm. bei einer Temperatur von II5 bis 1400 C in Anwendung.
Druck und Temperatur sind bei diesen Verfahren voneinander abhängig, da einerseits die Druckerhöhung durch die Erhitzung erzeugt wird und andrerseits nur ein bestimmter Druck auch eine bestimmte Temperatur ermöglicht. Man kann zwar während des Erhitzens durch zeitweiliges Öffnen des Druckgefässes den Druck vermindern und dabei doch eine im Verhältnis zum Druck erhöhte Temperatur in der Lauge und dem Holz beibehalten, weil die einmal erhitzte Masse von Holz und Lauge sich nicht mit der gleichen Schnelligkeit abkühlt, wie der Druck beim Öffnen des Ventils abnimmt, aber naturgemäss nur vorübergehend.
Auch das umgekehrte Verhältnis, nämlich einen höheren Druck, als der jeweiligen Temperatur entspricht, kann man bei dem bekannten Sulfitverfahren unter bestimmten Bedingungen erzielen ; wenn in der Flüssigkeit nämlich ein Gas gelöst ist, wie in diesem Falle die schweflige Säure, so wird beim Erwärmen ein Teil ausgetrieben und verursacht in dem geschlossenen Behälter einen Druck, der höher ist als der Dampfdruck bei der betreffenden Temperatur. Aber auch hierbei sind Druck und Temperatur nicht unabhängig voneinander. Durch eine bestimmte Temperaturerhöhung wird immer nur eine bestimmte Menge des Gases ausgetrieben, die einen bestimmten Druck erzeugt. Es ist z. B. nicht möglich, bei 30 bis 400 auf diese Weise einen Druck von 20 bis 30 Atm. zu erzeugen.
Es ist aber auch nicht möglich, nach diesem Verfahren dauernd den hohen Druck beizubehalten, weil dieser mit dem allmählichen Verbrauch der schwefligen Säure mehr und mehr sinkt.
Man kann, kurz gesagt, auch auf diesem Wege nicht bei beliebiger Temperatur unabhängig von dieser auch jeden beliebigen Druck erzeugen und hat auch nicht die Möglichkeit, den etwa auftretenden Druck beizubehalten. Insbesondere ist es nach den bekannten Verfahren nicht möglich, gleichzeitig und beliebig lange unter sehr hohem Druck, aber bei relativ niedriger Temperatur zu arbeiten, welchen Grundsatz bei dem neuen Verfahren vorliegender Erfindung Rechnung getragen wird. Wir haben gefunden, dass gerade die Anwendung dieses Grundsatzes, nämlich Anwendung von hohem Druck und niederer Temperatur, ganz besondere Vorteile bietet, indem hierdurch die Qualität. der Zellulose in bezug auf ihre Beschaffenheit, z.
B. ihre Festigkeit, ausserordentlich verbessert und auch die Ausbeute merklich gesteigert wird, ganz abgesehen davon, dass auch die abgehenden Laugen für ihre spätere Verwendung, z. B. für die Gewinnung von Gerbmaterialien, Zucker (bzw. Alkohol) usw. geeigneter werden, weil der schädliche Einfluss der hohen Temperatur auf diese Substanzen bei dem neuen Verfahren ausgeschaltet ist., Dieses neue Verfahren besteht im wesentlichen darin, dass man das zellulosehaltige Material mit den Laugen unter Druck behandelt, den
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man, im Gegensatz zu den bisher bekannten Verfahren, von aussen durch Einpressen von Flüssigkeiten oder Gasen erzeugt, so dass man gänzlich unabhängig von der Temperatur dauernd unter jedem beliebig hohen Druck arbeiten kann.
Das Verfahren wird in der Weise ausgeführt, dass man das Zellulose-Rohmaterial in einem geeigneten Behälter, z. B. einem Zellstoffkocher, mit der zur Verwendung kommenden chemischen Flüssigkeit übergiesst und sodann, ohne zu erwärmen oder bei mässiger Temperatur, jedenfalls bei niedrigerer als der bisher üblichen Kochtemperatur, unter Druck setzt, indem man z. B. Pressluft oder ein anderes Gas oder auch geeignete Flüssigkeiten (zweckmässig die gleiche zur Behandlung des Holzes dienende Lösung) in den geschlossenen Behälter hineindrückt. Man ist bei diesem Verfahren in der Lage, unabhängig von der Temperatur jeden beliebigen Druck auf die Reaktionsmasse einwirken zu lassen, und es ist möglich, bis zu 50 und mehr Atm. zur Anwendung zu bringen, um auch bei gröberem Material eine gute Durchdringung desselben und eine durchgreifende Wirkung zu erzielen.
Um die Einwirkung zu beschleunigen und die Infiltration des Holzes zu erleichtern, kann man auch den Behälter, in welchem sich das Zellulosematerial befindet, zunächst evakuieren, dann die anzuwendende Lauge durch das Vacuum in die zellulosehaltige Masse einsaugen und darauf erst unter Druck setzen. Gegebenenfalls kann die wechselweise Einwirkung von Vacuum und Druck beliebig wiederholt werden, um so auch bei grobem Material das Innere der Massen wiederholt mit frischer Lauge in Berührung zu bringen. Die Anwendung eines von aussen durch Einpressen von Gasen oder Flüssigkeiten erzeugten Druckes ist an sich bekannt und hat in der Technik mancherlei-Verwendung gefunden.
Für die Zellstoffgewinnung ist das Verfahren bzw. seine Kombination mit dem bisher üblichen Koch- prozess neu. Es ist bekannt, durch besondere Druckmittel erzeugten Druck bei Temperaturen zu verwenden, die unter der dem betreffenden Druck entsprechenden Siedetemperatur liegen, aber unter ganz anderen Bedingungen und zum anderem Zwecke, demgemäss auch mit anderem Effekt, wie es hier der Fall ist, z. B. zur Vorbehandlung oder Imprägnierung von Zellulosematerial, zur Gewinnung einer Art Holzschliff usw. Es ist auch bekannt, durch in der Kochflüssigkeit gelöste Gase (z. B. schweflige Säure, Ammoniak) beim Erhitzen einen Druck zu erzeugen, der grösser ist als es der Dampfspannung bei der entsprechenden Tem- peratur entspricht (z. B. beim gewöhnlichen Bisulfitverfahren).
Allein im Gegensatz zu vorliegender Erfindung bleibt dabei immer der Druck.'ollständig von der Temperatur abhängig und es können nicht beliebige hohe Drucke auf diese Weise erzeugt werden. Vor allem war es nicht bekannt und nicht vorher zu sehen, daL auch die völlige Aufschliessung von Holz und anderen verholzten Fasern, d. h. die Trennung von Lignin und Zellulose, wie sie für die Zellstoffabrikation erforderlich ist, nach diesem Prinzip mit Vorteil bewerkstelligt werden könne.
Es war bis jetzt also weder bekannt noch vorauszusehen, dass es durch geeignete Behandlungsweise unter hohem Druck auch ohne die bisher angewendeten hohen Temperaturen möglich sein würde, die zellulosehaltige Faser des Holzes in genügender Weise aufzuschliessen oder die Aufschliessung so weit vorzubereiten, dass eine leichte und vollständige Trennung. ebenfalls ohne die bisher angewandten hohen Temperaturen möglich sei. Daher ist auch der mit dem neuen Verfahren verbundene Vorteil überraschend. Die Zellstoffaser erweist sich als weit weniger angegriffen und infolgedessen stärker und widerstandsfähiger, als die nach dem seither üblichen Verfahren bei hoher Temperatur erzeugte.
Hohe Temperaturen, insbesondere in Verbindung mit Alkalien, Säuren und Salzen, greifen die Zellstoffasern offenbar mehr an, als man bisher annahm, und wirken auch auf die in der Lauge sich lösenden Nebenprodukte, Harz, Gerbstoff, Kohlenhydrate usw nachteilig ein, so dass man nach dem neuen Verfahren infolge Vermeidung starker Erhitzung auch bei Verwertung der Ablaugen qualitativ und quantitativ bessere Resultate erzielt.
Das neue Verfahren kann also entweder an die Stelle der bisherigen Kochverfahren treten, und zur vollständigen Aufschliessung des zellulosehaltigen Materials dienen oder man kann es auch benutzen, um die Trennung von Zellulose und Lignin nur vorzubereiten,
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ohne die bisher angewendeten hohen Temperaturen eine leichtere und schnellere vollständige Trennung herbeizuführen.
In gleicher Weise kann das Verfahren auch zur Einwirkung aller anderen flüssigen oder gasförmigen Reagentien, die anderen Zwecken, z. B. der Verzuckerung, dienen, angewendet werden.
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Method of treatment. of wood and other cellulosic materials.
The separation of the two main components of wood, cellulose and lignin, is one of the most important tasks of the pulp industry. The current solution to this problem for the purpose of displaying pulp made of wood, fibers and the like. a. Cellulosic materials are based on the principle that raw materials are exposed to chemicals such as alkalis, bisulfites and the like. Like. In closed containers using steam and possibly gas pressure and this steam or. To expose gas pressure to correspondingly increased temperature.
This happens e.g. B. in the soda pulp process in such a way that the wood with the alkaline lye is a pressure of about 6 to 10 atm. exposing, the temperature being increased to 150 to 1800 C. In the sulphite cooking process, depending on the quality that you want to produce, there is a pressure of 3 to 6 atm. at a temperature of II5 to 1400 C in use.
In these processes, pressure and temperature are dependent on one another, since on the one hand the pressure increase is generated by the heating and on the other hand only a certain pressure enables a certain temperature. You can reduce the pressure during the heating by temporarily opening the pressure vessel and at the same time maintain a temperature in the lye and the wood which is higher than the pressure, because the once heated mass of wood and lye does not cool down with the same rapidity as the pressure decreases when the valve is opened, but naturally only temporarily.
The opposite ratio, namely a higher pressure than the respective temperature, can also be achieved in the known sulphite process under certain conditions; if a gas is dissolved in the liquid, as in this case sulphurous acid, part of it is expelled when heated and causes a pressure in the closed container which is higher than the vapor pressure at the temperature in question. But here too, pressure and temperature are not independent of one another. A certain increase in temperature only expels a certain amount of the gas, which creates a certain pressure. It is Z. B. not possible at 30 to 400 in this way a pressure of 20 to 30 atm. to create.
However, it is also not possible to permanently maintain the high pressure after this process, because this decreases more and more with the gradual consumption of the sulphurous acid.
In short, it is not possible to generate any pressure at any temperature independently of this, and it is also not possible to maintain any pressure that may occur. In particular, according to the known methods, it is not possible to work simultaneously and for any length of time under very high pressure but at a relatively low temperature, which principle is taken into account in the new method of the present invention. We have found that it is precisely the application of this principle, namely the use of high pressure and low temperature, that offers very special advantages in that it increases the quality. of cellulose with regard to its nature, e.g.
B. their strength is greatly improved and the yield is noticeably increased, quite apart from the fact that the outgoing alkalis for their later use, z. B. for the production of tanning materials, sugar (or alcohol), etc. are more suitable, because the harmful influence of the high temperature on these substances is eliminated in the new process. This new process essentially consists in removing the cellulose-containing material treated with the alkalis under pressure, the
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In contrast to the previously known methods, it is generated from the outside by injecting liquids or gases, so that one can work continuously under any high pressure, completely independently of the temperature.
The method is carried out by placing the cellulosic raw material in a suitable container, e.g. B. a cellulose digester, with the coming chemical liquid to be used and then, without heating or at a moderate temperature, at least at a lower than the usual cooking temperature, pressurized by z. B. compressed air or another gas or suitable liquids (expediently the same solution used for treating the wood) is pressed into the closed container. With this method, it is possible to apply any pressure to the reaction mass, regardless of the temperature, and it is possible to use up to 50 atmospheres and more. to be applied in order to achieve a good penetration of the same and a thoroughgoing effect even with coarser material.
In order to accelerate the action and to facilitate the infiltration of the wood, the container in which the cellulose material is located can first be evacuated, then the lye to be used can be sucked into the cellulose-containing mass through the vacuum and then put under pressure. If necessary, the alternating action of vacuum and pressure can be repeated as required, so that the interior of the masses can repeatedly come into contact with fresh lye, even with coarse material. The use of a pressure generated externally by forcing in gases or liquids is known per se and has found various uses in technology.
The process or its combination with the previously common cooking process is new for pulp production. It is known to use pressure generated by special pressure medium at temperatures which are below the boiling point corresponding to the pressure in question, but under completely different conditions and for a different purpose, accordingly also with a different effect, as is the case here, e.g. B. for pretreatment or impregnation of cellulose material, to obtain a kind of wood pulp, etc. It is also known to generate a pressure that is greater than that of the gases (e.g. sulphurous acid, ammonia) dissolved in the cooking liquid when heated Corresponds to the vapor tension at the corresponding temperature (eg with the usual bisulfite process).
However, in contrast to the present invention, the pressure always remains completely dependent on the temperature and any high pressures cannot be generated in this way. Above all, it was not known and could not be seen beforehand that the complete breakdown of wood and other woody fibers, i. H. the separation of lignin and cellulose, as is necessary for the manufacture of pulp, can be achieved with advantage according to this principle.
Up to now it was neither known nor foreseeable that by means of a suitable treatment method under high pressure it would be possible, even without the high temperatures previously used, to break down the cellulose-containing fibers of the wood sufficiently or to prepare the breakdown to such an extent that an easy and complete Separation. also possible without the high temperatures previously used. Therefore, the advantage associated with the new process is also surprising. The cellulose fiber proves to be far less attacked and consequently stronger and more resistant than that produced by the process that has been common since then at high temperature.
High temperatures, especially in connection with alkalis, acids and salts, apparently attack the cellulose fibers more than was previously assumed, and also have a disadvantageous effect on the by-products, resin, tannin, carbohydrates, etc., which dissolve in the lye, so that after the new process achieved qualitatively and quantitatively better results due to the avoidance of excessive heating, even when recycling the waste liquors.
The new process can either replace the previous cooking process and serve to completely break down the cellulose-containing material, or it can also be used to prepare the separation of cellulose and lignin,
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without bringing about an easier and faster complete separation without the high temperatures used up to now.
In the same way, the method can also be used for the action of all other liquid or gaseous reagents which have other purposes, e.g. B. saccharification, are used.