BRPI1001050A2 - pré-tratamento da solução verde de material lignocelulósico - Google Patents
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Abstract
PRé-TRATAMENTO DA SOLUçãO VERDE DE MATERIAL LIGNOCELULõSICO. A presente invenção refere-se a um processo contínuo para a produção de uma pasta de grau químico, o processo compreendendo as etapas de: (a) tratamento do material lignocelulósico com vapor d'água durante um primeiro período de tempo de entre 1 e 60 minutos; (b) depois do tratamento com vapor d'água, impregnação do material lignocelulósico tratado com vapor d'água em um recipiente para impregnação com solução verde durante um segundo período de tempo de até 5 minutos e a uma temperatura de entre 110 C e 150 C e (c) depois da impregnação, cozimento contínuo do material lignocelulósico em um digestor para produzir uma pasta de grau químico.
Description
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "PRÉ-TRATAMENTO DA SOLUÇÃO VERDE DE MATERIAL LIGNOCELULÓSICO".
Este Pedido de Patente reivindica o privilégio de prioridade parao Pedido de Patente U.S. N0 61/171.109, depositado em 21 de abril de 2009,cujo conteúdo é aqui incorporado em sua totalidade.
Antecedentes da Invenção
A presente invenção, de modo geral, refere-se à impregnação dematerial lignocelulósico e ao cozimento do material lignocelulósicoimpregnado em um processo kraft contínuo de produção de celulose.
Foram feitas propostas anteriores para usar solução negra,verde e/ou branca como uma solução para impregnação durante otratamento de material lignocelulósico, que inclui, por exemplo, cavacos demadeira mole e de madeira dura. Vide, por exemplo, a Patente U.S. N05.674.359; a Patente U.S. N0 3.520.773; a Patente U.S. N0 1.691.511; a EP0 810 321 B1; Svedman et al., The Use of Green LiquorAnd Its Derivativesin Improving Kraft Pulping, Tappi Journal Vol. 81, N0 10, pp. 151-158(Outubro de 1998); Ban et ai, Low Capital, High Return Modifications to KraftPulping Operations, Tappi 2001 Pulping Conference; Ban et ai, TheRelationship of Pretreatment Pulping Parameters With Respect to Selectivity:Optimization of Green Liquor Pretreatment Conditions for Improved KraftPulping, Paperia ja Puu - Paper and Timber, Vol. 86, N0 2, pp. 102-108(2004); Ban et ai, Fundamental Correlations Between Green Liquor (GL)Pretreatment and Pulp Qualities, 2002 Tappi Fall Conference & Trade Fair;Ban et ai, Kraft Green Liquor Pretreatment of Softwood Chips. Part II:Chemical Effect of Pulp Carbohydrates, Journal of Pulp and Paper Science,Vol. 29, N0 4, pp. 114-119 (Abril de 2003); Mao et ai, TechnicaIEvaIuation ofa Hardwood Biorefinery Using the " Near-Neutraf' HemicellulosePre-Extraetion Proeess, 2007 AIChE Annual Meeting; Lucia et ai, GreenLiquor Pretreatment of Chips Could Boost Kraft Pulping Effieieney,PaperAge, Nov/Dez de 2002, pp. 24-26.
Processos de impregnação em solução negra, por exemplo, sãodescritos na Patente U.S. N0 5.192.396 e na Patente U.S. N0 5.346.591.Adicionalmente, a importância de alta sulfetação presente na solução negrae o seu uso em impregnação são descritos na Patente U.S. N0 5.660.686.
Embora se saiba que a solução negra é útil, o seu uso podeenvolver algumas complicações. Uma tal complicação pode ser a variaçãono pH que ocorre resultante da precipitação indesejável de lignina. Outra é asimples presença de material na solução negra que pode ser prejudicial àqualidade da pasta e ao consumo de substância química. É sabido que aproporção de sulfeto de sódio para hidróxido de sódio pode ser importantepara se conseguir uma solução de alta sulfetação.
Propostas anteriores também incluíram o uso de solução verdecomo um meio de impregnação. Porém estas propostas envolvem processosem batelada ou requerem o uso de longos tempos de impregnação (porexemplo, muito mais longos do que 30 minutos), o que requer grandes e/oumúltiplos recipientes para manter uma circulação constante de material emum processo comercial contínuo para obtenção de pasta de grau químico.Estas abordagens anteriores têm inconvenientes, por exemplo, em relaçãoaos maiores custos de capital e custos de manutenção.
Foi descoberto que é vantajoso o uso de solução verde duranteum curto período de tempo como uma solução para impregnação. A soluçãoverde tem as vantagens de conter os compostos de enxofre vantajosospresentes na solução negra sem a presença et al. compostos sólidosindesejáveis. Além disso, a proporção de sulfeto de sódio para hidróxido desódio pode ser alta.
Sumário da Invenção
Em um aspecto, a invenção geralmente refere-se a um processocontínuo para a produção de uma pasta de grau químico, o processocompreendendo as etapas de: (a) tratamento com vapor d'água de materiallignocelulósico durante um primeiro período de tempo entre 1 e 60 minutos;(b) depois do tratamento com vapor d'água, impregnação do materiallignocelulósico tratado com vapor d'água em um recipiente paraimpregnação com a solução verde durante um segundo período de tempo deaté 5 minutos e uma temperatura entre 110°C e 150°C e (c) depois daimpregnação, cozimento contínuo do material lignocelulósico em um digestorpara produzir uma pasta de grau químico.
Breve Descrição do Desenho
A figura 1 é uma representação esquemática de um sistemadigestor com dois recipientes com impregnação.
Descrição Detalhada da Invenção
Os termos "solução negra," "solução branca," e "solução verde"como usados de acordo com os seus significados comumentecompreendidos na técnica de produção de celulose e de fabricação depapel. Por exemplo, solução negra pode, de modo geral, referir-se à soluçãoextraída durante o pós cozimento da solução residual; solução branca pode,de modo geral, referir-se a uma mistura de hidróxido de sódio dehidrossulfeto de sódio e solução verde pode, de modo geral, referir-se àmassa fundida inorgânica dissolvida proveniente da caldeira de recuperação.A solução verde pode incluir, por exemplo, sulfeto de sódio, carbonato desódio e hidróxido de sódio.
O material lignocelulósico usado neste processo podegeralmente ser cavacos de madeira das variedades de madeira mole ou demadeira dura ou de misturas das mesmas. Também é possível usar outrosmateriais celulósicos tais como palha, bagaço etc.
A figura 1 ilustra esquematicamente um processo contínuo queenvolve um sistema de dois recipientes com impregnação de solução verdeem um recipiente para impregnação e cozimento em um digestor. Comoexemplificado, o sistema pode incluir um alimentador 10 de alta pressão ououtro dispositivo de pressurização tal como uma bomba (ou pressãohidrostática) para elevar a pressão da suspensão de material lignocelulósicoque alimenta um recipiente para impregnação 11, uma linha de entrada dealta pressão 12 que conduz ao topo 13 do recipiente para impregnação 11 euma linha de retorno 17 que passa das telas de trás no topo do recipientepara impregnação 11 para o alimentador 10 de alta pressão ou para outralocação no sistema de alimentação.O material lignocelulósico pré-tratado com vapor d'água (porexemplo, o material lignocelulósico tratado com vapor d'água à pressãoatmosférica) pode ser alimentado ao alimentador 10 de alta pressão ou aoutro dispositivo de pressurização. Alternativamente, o materiallignocelulósico pode ser tratado com vapor d'água à alta pressão depois datransferência do alimentador 10 de alta pressão ou de outro dispositivo depressurização antes de entrar no recipiente para impregnação 11 (ou mesmoem um estágio inicial do recipiente para impregnação 11). O tratamento comvapor d'água pode ocorrer a qualquer pressão assim como possivelmente acondições superaquecidas.
Soluções verde, branca e/ou negra podem ser adicionadas àlinha 17 para causar impregnação, assim como a várias linhas derecirculação e sistemas associados com o digestor 30, que pode serqualquer digestor adequado para cozimento do material lignocelulósico coma solução. A mistura (material lignocelulósico e solução) é alimentada pelalinha 29 para o topo do digestor 30 e do lado do avesso das telas para otopo do digestor 30 o líquido é removido na linha 31, sendo aquecido pelosaquecedores 32.
O digestor 30 pode ser qualquer tipo de digestor convencionalou não-convencional, sem levar em conta se a fase é hidráulica ou a vapor.
O recipiente para impregnação 11, além disso, pode compreender uma oumais zonas de impregnação, por exemplo, duas zonas diferentes primeirocom uma zona a uma temperatura mais baixa e então uma zona a umatemperatura mais alta e possivelmente com um nível diferente de álcalieficaz em cada uma das zonas. Além disso, cada uma das duas ou maiszonas de impregnação pode envolver diferentes concentrações de soluçãoverde, de solução branca e/ou de solução negra.
No processo de impregnação, o álcali difunde-se na parede defibra. Isto abre a estrutura de madeira e talvez dissolva parcialmente umaparte da madeira durante o pré-tratamento. Esta impregnação pode durarum curto período de tempo (por exemplo, 1 minuto) ou um longo período detempo (por exemplo,até várias horas). A temperatura de impregnação é deaproximadamente 110°C - 150°C mais preferivelmente em torno de 120°C.
No recipiente para impregnação 11, a (s) zona (s) deimpregnação pode estar na direção da corrente e/ou em contracorrente (emqualquer combinação ou permutação). Embora ilustrado como um recipientepara impregnação separado, fica entendido que sob algumas circunstânciasa impregnação pode ser no topo do digestor 30. De novo o digestor 30 podeser qualquer tipo adequado usado na indústria de celulose e de papel.
Em uma modalidade, há um processo contínuo que usa asolução verde para produzir uma pasta. Este processo pode requerer menossubstâncias químicas em comparação com os processos existentes. Oprocesso pode, de modo geral, incluir estas etapas: (a) tratamento comvapor d'água do material lignocelulósico; (b) depois do tratamento com vapord'água, impregnação do material lignocelulósico tratado com vapor d'águacom solução verde em um recipiente para impregnação e (c) depois daimpregnação, cozimento contínuo do material lignocelulósico sob condiçõesconvencionais, possivelmente com a adição de solução branca, paraproduzir uma pasta de grau químico.
Em algumas modalidades, pode ser possível que se tenha duasou mais outras etapas de impregnação que envolvam solução verde,solução branca e/ou solução negra antes do cozimento contínuo do materiallignocelulósico. De preferência, a solução verde é drenada e o materiallignocelulósico impregnado é enviado imediatamente para o digestor paracozimento com a solução (por exemplo, solução branca) sem outra (s) etapa(s) de impregnação.
Na etapa (a), o material lignocelulósico - tais como, por exemplo,os cavacos de madeira macia ou de madeira dura - são tratados com vapord'água (por exemplo, a uma temperatura de 100°C a 0,1 MPa (1 bar)durante um período de tempo de 1-60 minutos (e de preferência de em tornode 15 minutos) com vapor d'água na ausência de quaisquer produtosquímicos adicionados (por exemplo, na ausência de solução branca, desolução negra ou de solução verde). Outras temperaturas e pressões (porexemplo, 0,6 MPa (6 bar) ou 1 MPa (10 bar) podem ser adequadas para aetapa de tratamento com vapor d'água.
Na etapa (b), a impregnação ocorre durante um período detempo de até 5 minutos (por exemplo, 1 minuto, 2 minutos ou 5 minutos) aaltas pressões (por exemplo, 0,6 MPa (6 bar) ou 1 MPa (10 bar)). Aimpregnação pode ocorrer a uma temperatura de aproximadamente 110°C -150°C, mais preferivelmente em torno de 120°C. Depois do tempo decontato desejado, a solução verde livre pode ser removida antes da etapa (c).
Usando-se o processo descrito acima, acredita-se que uma boatransferência de sulfetação para o material lignocelulósico proveniente dasolução verde poderia ser conseguida no estágio de tratamento bem inicial eisto poderia manifestar-se com grandes vantagens para o processo completode cozimento. É sabido que a transferência de sulfetação em um estágioinicial do processo contribui para melhorar as propriedades da misturaproduzida em comparação com a transferência de sulfetação nos estágiosposteriores do processo. Vide, por exemplo, a Patente U.S. N0 5.660.686 deHenricson etal.
Pelos testes que usam o processo descrito (assim como umexemplo comparativo conduzido a 90 - 100°C) foi descoberto que a umatemperatura de impregnação de em torno de 120°C e entre 2 e 5 minutos detempo de contato, o número kappa pode ter um impacto positivo de 2unidades Kappa. Acredita-se que a pressão não seja um fator significativo, oque significa que, quando ocorreu a impregnação com a solução verde àmesma temperatura, porém a diferentes pressões, pode não ter havidovantagem conseguida por meio de variação da pressão.
Mantendo-se a temperatura de impregnação, foi explorado oefeito de tempo de contato. A solução verde foi deixada em contato com omaterial lignocelulósico durante três períodos de tempo específicos: 1minuto, 2 minutos e 5 minutos. Embora houvesse uma diferença no númerode Kappa quando o contato ocorria durante 1 minuto versus 2 minutos (oinício em 2 minutos sendo mais favorável), não houve diferença significativano número Kappa quando o contato ocorreu durante 5 minutos versus 2minutos. Estes testes de tempo de contato podem indicar que a soluçãoverde penetra rapidamente na parede do material lignocelulósico paraencher o espaço vazio na parede do material lignocelulósico.
Este breve tempo de contato pode ser significativo, porque istopode ser responsável por existir uma condição de pH estável durante aimpregnação. O breve tempo de contato da solução verde resulta em umavariação mínima no pH do material lignocelulósico e da mistura da soluçãoverde antes que a solução verde possa ser retirada e substituída pelasolução branca. O ambiente de pH relativamente estável pode resultar emuma menor possibilidade de precipitação de Iignina da lignina solúvel emácido. A menor precipitação de Iignina pode causar menos reaçõescolaterais, tal como a condensação da lignina.
A vantagem da impregnação da solução verde de curta duraçãocomo descrito acima também pode incluir uma redução (por exemplo, de até40%) no consumo da carga de Álcali Eficaz (EA) no processo de cozimento.Por exemplo, para se conseguir um número Kappa 16 no processo semcarga verde podem ser necessários uns 18% de (EA). Usando-se umprocesso de solução verde descrito, um número de Kappa de 16 poderequerer uma variação de 10% de EA. Esta redução significativa naquantidade de EA pode reduzir o tamanho da planta de caustificação assimcomo reduzir o tamanho das instalações do forno rotativo de cal. A reduçãonestas instalações (assim como a redução óbvia no tamanho do recipientepara impregnação) pode causar uma redução na energia global consumidano moinho assim como uma redução nos poluentes tal como dióxido decarbono.
Embora a invenção tenha sido descrita em associação com oque é atualmente considerado como sendo a modalidade mais prática epreferida, deve ser entendido que a invenção não precisa estar limitada àmodalidade descrita, porém, ao contrário; pretende-se que esta abranjavárias modificações e arranjos equivalentes incluídos no espírito e noescopo das reivindicações anexas.
Claims (11)
1. Processo contínuo para produzir uma pasta de grau químico, oprocesso compreendendo as etapas de:(a) tratamento do material lignocelulósico com vapor d'água duranteum primeiro período de tempo de entre 1 e 60 minutos;(b) depois do tratamento com vapor d'água, impregnação do materiallignocelulósico tratado com vapor d'água em um recipiente para impregnação comsolução verde durante um segundo período de tempo de até 5 minutos e a umatemperatura de entre 110°C e 150°C e(c) depois da impregnação, cozimento contínuo do materiallignocelulósico em um digestor para produzir uma pasta de grau químico.
2. Processo contínuo de acordo com a reivindicação 1, em que omaterial lignocelulósico compreende cavacos de madeira.
3. Processo contínuo de acordo com a reivindicação 1, em que aetapa (a) ocorre na presença de vapor d'água e na ausência de solução branca,de solução verde e de solução negra.
4. Processo contínuo de acordo com a reivindicação 1, em que oprimeiro período de tempo dura aproximadamente 15 minutos.
5. Processo contínuo de acordo com a reivindicação 1, em que aetapa (a) ocorre à pressão atmosférica.
6. Processo contínuo de acordo com a reivindicação 1, em que aetapa (a) ocorre a uma pressão de até 1 MPa (10 bar).
7. Processo contínuo de acordo com a reivindicação 1, em que aetapa (b) ocorre durante um período de tempo de até 2 minutos.
8. Processo contínuo de acordo com a reivindicação 1, em que aetapa (b) ocorre durante um período de tempo de até 1 minuto.
9. Processo contínuo de acordo com a reivindicação 1, em que aetapa (b) ocorre a uma pressão de até í MPa (10 bar).
10. Processo contínuo de acordo com a reivindicação 1, em que aetapa (b) ocorre a uma pressão de até 0,6 MPa (6 bar).
11. Processo contínuo de acordo com a reivindicação 1, que tambémcompreende a etapa de remover solução verde livre entre a etapa (b) e a etapa (c).
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