2.4 Виробництво паперу

Існують чотири основні хімічні способи одержання паперу: сульфатний або крафт-процес; сульфітний процес; напівхімічний процес; содовий процес. Розглянемо найбільш складні і найбільш розповсюджені з них: сульфатний і сульфітний процеси.

Однією з найважливіших технологічних операцій виробництва паперу є розмел, перед яким сухі (товарні) волокнисті напівфабрикати попередньо розпускаються водою в гідророзбивачах, далі вони змішуються між собою в певному співвідношенні в регуляторах композиції. Після цього паперова маса залежно від вимог до якості паперу може іти або на виготовлення паперу, або на додаткове введення в неї композиції проклеючої речовини, наповнювачів, барвників та інших добавок. Для осадження на волокнах у паперовій масі компонентів, що додаються, застосовують сірчанокислий алюміній, поліакриламід (ПАА) або інші речовини.

Підготовлену паперову масу регулюють за концентрацією, акумулюють в масних або машинних басейнах. Перед подачею паперової маси на паперообробну машину її розбавляють оборотною водою, очищають від вузликів та сторонніх включень і подають через спеціальні потокорозподільники в напірне устаткування і далі на рухому сітку машини. На сітці відбувається вилучення основної частини води і відлив вологого паперового полотна, яке після цього піддається пресуванню, сушінню, охолодженню, машинній обробці і намотці. В залежності від вимог до паперу він може піддаватися додатковому каландруванню на суперкаландрі. Готовий папір розрізають па рулони заданого формату, упаковують і направляють на склад готової продукції. У разі необхідності він може додатково розрізатися на бобіни або аркуші, або піддаватися крейдуванню, тисненню, гофруванню, крепуванню та іншій обробці.

Паперовий брак (вологий і сухий), що неминуче утвориться в процесі виробництва, знову перетворюється в паперову масу і в суворому дозуванні знов повертається в технологічний процес. Оборотні води, відведені від машини, містять велику кількість волокна, а також проклеючих речовин, наповнювачів та інших цінних компонентів, які вводяться в паперову масу, використовуються для розведення маси перед очисткою, для розпуску сухих напівфабрикатів і оборотного браку. Надлишкові води спрямовуються перед точкою скиду стічних вод у стік на уловлювання волокна, що також може бути використане у виробництві

Для виробництва паперу і картону застосовуються в основному волокнисті напівфабрикати різноманітних порід деревини і недеревної рослинної сировини. Разом з рослинними волокнами для спеціальних технічних видів паперу останнім часом все ширше стали застосовувати штучні, синтетичні, мінеральні та інші волокна. Однак асортимент таких видів паперу надто невеликий, тому нині і в перспективі для масових видів паперу рослинні волокна є і будуть залишатися основною вихідною сировиною, бо вони найбільш доступні, порівняно недорогі, одержуються з відтворюваної сировини і не порушують екологічної рівноваги в природі.

Целюлозні волокна - головний складовий компонент рослинних клітин; вони мають дуже цінні властивості для виробництва паперу. Ці волокна добре набухають у воді, вони здатні фібрилюватися на дрібніші волокна (фібрили і мікрофібрили), мають високу міцність та стійкість до впливу температури і хімічних речовин, легко диспергуються у воді і утворюють тривалий міжволоконний звязок між собою в паперовому аркуші. Що стосується інших волокон (штучних, синтетичних, мінеральних, вовняних), то вони цих властивостей не мають, тому в останньому випадку вимагається застосування різноманітних диспергуючих і звязуючих домішок, що робить технологічний процес виробництва паперу з цих волокон значно дорожчим та складнішим.

В залежності від способу одержання волокнисті напівфабрикати, що виготовляються навіть з однієї і тієї ж рослинної сировини, мають різні властивості. Тому виробники паперу повинні добре знати властивості цих напівфабрикатів і їх вплив на якість готової продукції.

Якість продукції залежить також від того, в якому вигляді ці напівфабрикати надходять на паперову фабрику - в сухому стані, тобто у вигляді товарного продукту, чи в рідкому вигляді з сусіднього цеху, де вони виробляються. В останньому випадку одержується більш якісна продукція і з меншими енергетичними затратами, однак це можливо лише тоді, коли паперова фабрика знаходиться в системі комбінату.

Рослинні волокна, застосовувані для виробництва паперу, відрізняються між собою як за хімічним складом, так і за анатомічною і морфологічною будовою. Найбільш цінними є волокна, одержані з хвойних порід деревини. Вони мають гарні папероутворюючі властивості і являють собою стрічкоподібні клітини рослинної тканини, що називаються трахеїдами. їхня довжина 2,5-4,5 мм, а ширина в середньому 0,03-0,04 мм. Ці волокна можна застосовувати не тільки самостійно, але і додавати до них менш цінні коротко-волокнисті напівфабрикати, такі, як деревна маса, волокна листяних порід деревини і однорічних рослин, макулатурна маса.

Волокнисті напівфабрикати з листяних порід відрізняються від напівфабрикатів з хвойних порід передусім тим, що вони мають більш короткі волокна, які, крім того, менш однорідні за своєю анатомічною будовою. Ці волокна утворені на 75-90% з відносно коротких і товстостінних клітин лібриформу з голкоподібними "кінцями і на 10-25% з судинних клітин неволокнистої будови, що являють собою короткі, тонкостінні і широкосмугові трубки. Клітини лібриформу мають довжину 0,7-1,5 мм, ширину близько 0,025 мм; довжина судин 0,3-0,7 мм, ширина - 0,05-0,06 мм. Тому при розламі напівфабрикатів з листяних порід деревини цей процес слід проводити таким чином, щоб не було істотного сіфрочування волокон і не відбувалося значного збільшення ступеня помелу маси.

Напівфабрикати з однорічних рослин містять волокна ще менш однорідні, ніж з листяних порід деревини. В них міститься значна кількість (до 50%) лубяних волокон, що являють собою довгі тонкі стрічкоподібні клітини з загостреними кінцями, трохи волокон, що нагадують лібриформу листяних порід деревини. Це найбільш цінні волокна, що мають гарні папероутворюючі властивості. Однак в однорічних рослинах міститься до 50% менш цінних, з точки зору паперового виробництва, коротких клітин покривного шару (епідермісу): паренхімних, судинних, спіральних та ін. Тому напівфабрикати з однорічних рослин так само, як і з листяних порід деревини, вимагають мяких умов розмелу.

Застосовувані волокнисті напівфабрикати класифікуються як за способом одержання, так і за виходом з абсолютно сухої сировини. Основними компонентами рослинної тканини є: целюлоза (клітковина), лігнін, геміцелюлози (пентозани і гексозани), смоли, жир, віск та ін.В технічній клітковині, крім хімічних елементів чистої клітковини, містяться також і означені компоненти. Геміцелюлози покращують папероутворюючі властивості волокна, а лігнін їх погіршує.

В залежності від величини виходу напівфабрикатів з рослинної сировини їх поділяють на клітковину, клітковину високого виходу, напівцелюлозу, напівцелюлозу високого виходу і деревну масу. Приблизні межі виходу цих напівфабрикатів, %: клітковини 45-55, клітковини високого виходу 55-65, напівцелюлози 65-85, напівцелюлози високого виходу 85-90 і деревної маси 90-97. Чим більший вихід напівфабрикату, тим більше в ньому міститься геміцелюлоз і лігніну. Тому якість виробленого паперу великою мірою залежить від виду застосованих напівфабрикатів.

На сьогодні основними волокнистими напівфабрикатами є: клітковина сульфатна з хвойних і листяних порід деревини, клітковина сульфітна, деревна маса, напівцелюлоза, макулатура, ганчірна напівмаса, клітковина вдосконалена, інші види волокон (синтетичні, штучні, мінеральні, вовняні).

Клітковину сульфатну одержують варінням подрібненої рослинної сировини в розчині в котлах періодичної або безперервної дії при температурі 160-180°С і тиску 0,7-1,2 МПа. Цей спосіб дозволяє переробляти будь-яку рослинну сировину і одержувати найбільш тривкі волокнисті напівфабрикати. Сульфатна клітковина після варіння має темний колір, тому в небіленому вигляді застосовується в основному для технічних виглядів паперу і картонів високої міцності, наприклад, електроізоляційних, пакувальних тощо.

Клітковину сульфітну одержують головним чином з деревини малосмолистих хвойних порід шляхом впливу сульфітного варильного розчину, основними компонентами якого є водний розчин сульфітів і бісульфітів відповідних основ (кальцію, магнію, натрію або амонію). Сульфітне варіння здійснюється поки що в основному в котлах періодичної дії при температурі 130- 145°С і тиску 0,6-1,2 МПа.

При виробництві сульфітної клітковини досягається більш високий, ніж при сульфатному варінні, вихід клітковини з деревини, а з відпрацьованих лугів одержують етиловий спирт, білкові кормові дріжджі, ливарні концентрати, дубителі та інші цінні продукти.

В останні роки виробництво сульфітної клітковини практично не збільшилося, що передусім пояснюється обмеженістю запасів хвойної деревини. Однак застосування розчинної основи і різноманітних східчастих модифікацій сульфітного варіння дозволяє одержувати сульфітну клітковину з різних порід деревини, що за своїми фізико-механічними показниками не поступається сульфатній. Сульфітна клітковина після варіння одержується більш світлою у порівнянні з сульфатною і легше піддається відбілюванню.

Сульфатний або крафт-процес

Деревна пульпа містить два основні компоненти - клітковину і лігнін. Волокна клітковини, що складають пульпу, в деревині звязані лігніном. Щоб перевести клітковину в форму, придатну для виробництва паперу, необхідно спочатку використати будь-який хімічний процес для вилучення лігніну.

В цьому процесі деревні тріски варяться при підвищеній температурі і тиску в сульфатній варильній рідині ("білій рідині"), що являє собою водний розчин сульфіду натрію №,8 і гідроксиду натрію (NаОН). Біла рідина хімічно розчиняє лігнін деревини. Клітковина (у вигляді пульпи), що залишається, відфільтровується від відпрацьованої варильної рідини і промивається водою. Звичайно процес приготування пульпи складається з кількох проміжних стадій промивання і, можливо, вилуговування, після чого пульпа пресується і висушується в кінцевий продукт - папір.

Для підведення балансу процесу необхідно регенерувати витрачені реактиви і рекуперувати тепло. Відпрацьована варильна рідина і вода після промивання пульпи змішуються разом, утворюючи слабку чорну рідину, що концентрується в багатоступеневому випарному пристрої до вмісту твердих речовин близько 55%. Чорну рідину можна концентрувати далі до вмісту твердих речовин 65% або у випарнику прямого контакту, в якому рідина випарюється при контакті з газами, що відходять з рекупераційної топки, або у випарнику непрямого контакту. Міцна чорна рідина (лігнітний шлак) подається в регенераційну топку. При згорянні органічних продуктів, розчинених в рідині, виділяється тепло, необхідне для генерації пари, що використовується в процесі перетворення сульфату натрію Ка₂8О₄ в Ка₂8. Для компенсації втрати реагентів технологічного циклу звичайно додається сульфат натрію, який в топці перетворюється в сульфід №,8. Сульфат додається до магнітного шлаку перед його розпиленням у топці. Неорганічні продукти, що містяться в лузі, збираються на дні топки у вигляді сплаву.

Сплав, що складається з карбонату натрію (№₂СО₃) і сульфіду натрію, розчиняється в воді, утворюючи зелену рідину, що подається в каустифікаційний резервуар, куди додається негашене вапно СаО для перетворення карбонату натрію в гідроксид натрію. Утворення гідроксиду натрію завершує регенерацію білої рідини, яка повертається в автоклав. Шлак карбонату кальцію, що осаджується в каустифікаторі, кальцинується у вапняковій печі для регенерації негашеного вапна.

Сульфітний процес

Виробництво пульпи сульфітним методом схоже з крафт-процесом, але основна різниця полягає в тому, що для розчинелігніну деревини замість сульфідного лужного розчину використовується сіль сірчистої кислоти. Для підвищення буферності розчину використовуються гідросульфіти магнію, амонію, кальцію або натрію. Системи на основі кальцію використовуються тільки на старих підприємствах і витісняються новими процесами.