碱法蒸煮原理

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1、碱法蒸煮原理经研究认为：一般KP法蒸煮大致可分为三个阶段。第一阶段是碱液与原料接触到升温初期和中期，当原料与蒸煮液接触后，碱液就通过 细胞腔和穿过细胞壁向原料的内部扩散，进入到胞间层的碱液首先与其中的果胶、半纤维 素作用，并使其溶解，接着与胞间层的木素作用，使其不断溶于蒸煮液中，这是木素的溶 出量占原料中原有木素含量的20%。第二阶段是包括升温末期到保温初期，由于当时蒸煮温度的不断升高，木素的溶出速 度逐渐增加，最后超过了半纤维素的溶解速度，木素大量溶出，这时木素的溶出量约占原 有木素含量的65%，由此可见除去木素的主要过程在此阶段进行。第三阶段是包括保温中期和末期，此时胞间层木素也大量溶出，

2、纤维细胞壁表面已大 部分暴露在碱液中，碱液比较强烈的与纤维的细胞壁作用，溶解细胞壁中的木素，在高温 的条件下随着细胞壁内木素是进一步溶出细胞壁内的纤维素与半纤维素也会受到不同程度 的降解。在这一阶段中，碳水化合物的溶解速度逐渐增加超过木素的溶解速度，因此这段 时间不宜过长，否则纤维受到严重降解，引起纸浆强度与得率的下降。2. 碱法蒸煮的物料机理 浸透理论(解释间歇式蒸煮)药液借毛细管作用或扩散作用把药液送入胞间层。其途径一是认为阔叶木通过导 管，针叶木通过管胞及纹孔进行浸透并逐步进入胞间层。另一种看法是由于碱液的润涨作 用，药液从细胞腔通过细胞壁(S3-S2-S1-P)逐步进人胞间层，药液的侵

3、入先使易溶 组分溶出，它们的溶出又增加了孔隙度，使药液更快的浸透。 表面反应理论(解释高温快速蒸煮和连续蒸煮)药液与木片接触后，即在表面发生脱木素的反应，当部分的木素从木片表面脱出 后，通道被打开了，新鲜的药液经过通道到达逐渐内移的药液与木片界面之间的界面，继 续进行脱木素反应，反应生成物从内向外扩散到木片外面是药液中，由于反应物的溶出增 加了纤维的空隙度，因而促使药液更快的向纤维内部浸透并进行化学反应。3. 碱法蒸煮的化学反应碱液主要消耗于下列几个方面：1 与木素的反应。2与部分半纤维素。纤维素发生氧化或碱性降解反应。3中和原料中的有机酸以及在蒸煮过程中由于碳水化合物降解而4产生的有机酸。5

4、与原料中的树脂起皂化作用。6少量碱液被吸附在纤维的表面上。(1) 碱和纤维素的反应 剥皮反应：由于纤维素大分子结构中的醛基在分子链上的位置不同其性质也不同，因此对 碱的温度程度也不同。左端第一个叫非还原性末端基，右端第一个叫还原性末端 基，还原性末端基对碱极不稳定，纤维素大分子链末端的还原性末端基在高温强碱 的作用下先变成果糖末端基，然后变成异变糖酸，从分子链上脱落下来，脱落后分 子链上又出现一个还原性末端基。这样又为反应的继续进行创造了条件，这种还原 性末端基逐个脱落的过程叫剥皮反应。随着剥皮反应的不断进行，使纤维素分子链 的聚和度不断变小，使纸浆的得率和纤维素是强度降低，因此在制浆过程中要

5、尽量 抑制剥皮反应的发生。 终止反应在剥皮反应进行的同时还会发生终止反应。即在碱法蒸煮的条件下，对碱不稳 定的纤维素大分子的还原性末端基转变为对碱稳定的偏变糖酸末端基使剥皮反应终 止。在蒸煮中大部分的还原性末端基起剥皮反应，少量的还原性末端基起终止反 应。 碱性水解纤维素的碱性水解一般是在蒸煮温度150C就开始了，在碱性溶液中，纤维素葡 萄糖C2位置上的羟基首先发生电离，然后与C1形成环氧化合物，这样纤维素葡萄糖甙键就发生了断裂。(2) 碱与半纤维素的作用半纤维素为无定形物质，其分子是由一种糖基组成，它的结构较为复杂，不同 种类的原料所含的半纤维素不一样，即使同一种原料由于制浆方法不同残留在纸

6、浆 中的半纤维素也不同，因而纸浆的性质也不一样。各种纤维素的共同点是分子链短，有主链和支链，聚和度也较纤维素低得多， 它比纤维素更容易溶解和发生碱性降解，特别是蒸煮初期，半纤维素的溶出速度比 木素快，所耗碱量占全部碱量的30%，在此期间半纤维素也发生“碱性降解”这样就 降低了纸浆的收获率，也不利于强度的提高。(3) 碱与原料中其它成分的反应植物纤维所含的淀粉、果胶等为碱溶性物质，可在蒸煮时除去，但在高温下能 与碱反应生成棕褐色物质，附在纤维表面，影响纸浆质量，所用在蒸煮前要把稻麦 草的谷粒除去，木材中也含有丹宁，与硫化物作用生成有所物质，影响纸浆颜色。麦草原料特别是稻麦草灰分含量高，其主要成分

7、是SiO2,在蒸煮时与碱作用生 成Na2SiO3,能溶于黑液中，给碱回收带来困难。(4) 碱与木素的反应是蒸煮过程的主要反应，反应的一般结果认为在苛性钠法蒸煮时是生成碱木 素，硫酸盐法在蒸煮时除生成碱木素外，还生成硫化木素，并使木素大分子变小， 增加了木素分子的亲水性，得以溶出。当纤维细胞间的木素溶出后，纤维更易分离 成浆，同时木素的大分子变成小分子产生大量的酚羟基，木素中游离的酚羟基与 NaOH作用生成碱木素，碱木素易溶于碱液中。在硫酸盐蒸煮时由于SH 和S2的亲核性强，因此与木素反应进行的非常迅 速，使木素迅速裂解成小碎片而溶出，这就是硫酸盐蒸煮能加速脱木素速度和增加 脱木素量的原因。此外

8、Na2S的存在还能减少对纤维素的破除作用。由于 Na2S+ H2O= NaOH + NaSHNa2S水解形成的NaOH是逐渐生成的，以补充蒸煮过程碱是消耗，这样就避免 了一开始就与弄NaOH接触，减少碱对纤维素的作用，因此纸浆强度大，得率高， 蒸煮时间短，但由于纸浆中残留了部分的硫化木素，致使纸浆的颜色为深褐色，漂 白也困难些。苛性钠法蒸煮过程中。蒸煮药剂与木素苯环上的甲氧基起反应生成甲醇。甲醇 对眼睛有刺激。在此法中可用回收甲醇，KP法除了甲醇外还有恶臭气体甲硫醇，它的沸点低(5.8C)，溶解度小，极 易挥发，具有恶臭，1m3的空气中只有含有万分之一就能嗅出，因此可用作煤气的 臭化剂。甲硫醇

9、的产量与碱量、硫化度、蒸煮温度有关，当用碱量低、硫化度高、 蒸煮温度高时甲硫醇的产量就高。在蒸煮洗涤和蒸发工段都有甲硫醇挥发出来，污 染空气。现代化的制浆厂都把它收集起来烧掉以减少公害。用碱量高时，甲硫醇与过量碱作用生成不易挥发的钠盐，而且进一步生成无臭 的二甲硫醚，其沸点38CoCH3SH + NaOH CH3SNa + H2O2CH3SNa(CH3)2S + Na2SCH3SNa + ROCH3ROCH3RONa +(CH3)2S二甲硫醚是制二甲亚飒的中间产物，可直接利用碱法黑液制取二甲亚飒，它是新出现 是高效溶剂，在石油、化工、轻工、医药部门有着广泛的用途。4. 影响蒸煮的因素影响蒸煮过

10、程和纸浆质量的因素很多，有植物纤维原料的品种和质量、用碱量、硫 化度、药液的浓度，蒸煮的最高温度与蒸煮时间等。(1) 植物纤维原料的品种和质量各种植物原料均可用碱法蒸煮，尤其是使用KP法时，原料品种更加广泛。因各 种原料特点各异，如木材原料木素含量高，草类原料木素较少，木材与竹类原料组 织紧密绝大多数的草类原料组织较疏松，因此对不同品种的原料和不同的质量要 求，应有不同的方法和条件。(2) 用碱量原料品种不同，其化学组成和物理结构不同，用碱量也不同。例如麦草，北方 喷放用12%，四川用15%，旧草北方用13%，新草用15%。汉中用15%。虽是同种原料，随浆的用途不同，用碱量也有差异。一般认为制

11、纸板用的半化 学浆取下限，制本色化学浆取中间值，制漂白化学浆取上限。同一原料产地不同， 生产季节不同，用碱量也不一样，尤其是稻草的差别最大。(3) 蒸煮液的浓度和液比蒸煮液的浓度是指活性碱的浓度而言，它取决于用碱量与液比。蒸煮过程中 提高蒸煮液的浓度，可以加快脱木素的速度，但同时也会加强对纤维是降解作用。 因此在生产过程中在保持较高粗浆得率的前提下，应采用较低药液浓度与较长蒸煮 时间，或是较高的药液浓度与较短的蒸煮时间相配和的工艺条件，以达到脱木素的 同时尽可能多的保留纤维素的目的。(4) 硫化度蒸煮液中硫化度的大小对蒸煮时间、纸浆的得率、质量都有一定的影响。在用 碱量一定其它条件相同，在一定

12、范围内增加硫化度，即能降低纸浆中木素的含量又 能缩短蒸煮时间，但是硫化度的提高是有一定限度的，当硫化度超过33%，由于有 效碱的下降，筛渣率增加，细浆得率下降，纸浆木素含量增高，色泽差，打浆困 难。草浆一般采用1520%硫化度。(5) 蒸煮的最高温度。时间、H因子蒸煮的最高温度与蒸煮时间是两个相应的变数，温度高可适当地缩短蒸煮时 间，进一步地提高蒸煮温度虽可缩短蒸煮时间，但却会加速纤维素的碱性降解。蒸煮时间主要是指升温时间与保温时间。蒸煮时间也是蒸煮温度、蒸煮液、及 原料状况等因素的函数值。是随上述因素而改变的。由于造纸工业不断的向连续化、自动化发展，生产过程实现程序控制、电子计 算机控制，迫

13、切需要将生产过程的控制用数学的方式来表示，因此蒸煮时间与蒸煮 温度结合称为一个变数，即H因子。，即科学又比较准确的调整蒸煮过程，使成浆 的质量控制在要求的范围中之内。当用碱量、H因子、液比固定时，硫化度约在 1535 %之间，纸浆内木素含量没有多大变化。尽管在一定条件下，所用原料不 同，其木素结构及脱木素速率也有所不同，也会影响纸浆中木素的含量。但只要控 制好用碱量、液比、H因子，由原料质量引起的纸浆硬度的波动仍可调整到很小的 范围。5. 蒸煮作业蒸煮操作包括装锅、送液、升温、小放气、最高温度的保温、大放气、放锅、废液的 回收等。(1) 装锅、送液装锅要求装的多，装的快，为了达到这个目的，各厂

14、采取了很多措施，如先将碱液 预热到7590C，采用装锅器边装锅边送液预浸等。边装锅边送液的优点是因为蒸煮液已经预热，当原料与热碱液接触后，重量增加， 在装锅器气流或机械的作用下，可以装的更紧密，增加装锅量，尤其是草类原料切断后， 单位自由容积大，与热的蒸煮液接触后变软，体积缩小，提高装锅量更显著。某厂先经预 浸螺旋挤压后，再用离心装锅器装锅，装锅量达157.5公斤/m3, 一般只用离心搅拌器而 不经预浸的装锅量也可达到140公斤/m3。装锅与送液应配合好，最好在原料加完后，还有多余碱液能在35分钟内加完。碱 液提前加完或装完原料还留下大量的碱液，都会降低装锅量，并影响蒸煮液与原料的均匀 混合。

15、边装锅边送液，采用装锅器和预浸还可以减轻体力劳动，改善劳动条件（灰尘少）， 缩短蒸煮时间，蒸煮均匀，提高得率和浆的质量。（2）升温与小放气升温是指从装锅后的初温升到蒸煮的最高温度，这段时间的作用是把原料和蒸煮液 升到要求的温度，使蒸煮液向纤维原料内部浸透，为了更有效的升温，要排出蒸煮锅内及 原料带进的空气及升温中产生的气体，所以要进行小放气，这样避免产生“假压”。在小放 气时，由于减压，蒸煮液自然沸腾，产生对流，使原料和药液翻腾，更有利于蒸煮均匀， 减少蒸煮器内部各部分的温差和蒸煮液的浓度差。升温时间的长短取决于纤维原料是否容易浸透及温度是否均匀，在保证浸透及温度 均匀时可以很快升温，到达最高

16、温度进行蒸煮。（3）保温升温到最高温度后，应保持一定时间以进一步脱除木素，特别是脱除细胞壁内的木 素。保温时间的长短与用碱量、蒸煮最高温度、原料种类以及纸浆质量要求有关，一般 在1： 304： 00之间。（4）放锅现在大多采用全压喷放或减压喷放，蒸汽喷放比倒放的优点有：1可以缩短蒸煮时间；2喷放时浆料在管道中高速流动及剧烈冲击，3有利于纤维的疏解；4 喷放到喷放锅或喷放仓，5浓度高，6 温度高，7 便于黑液提取及碱回 收；8操作方便，9减轻体力劳动。但全压喷放会损伤纤维，降低纸浆强度，所以卡米尔连蒸改用高温洗涤，低温放 料。放锅时由于减压，要放出大量的热量，污染环境，所以要进行热能的回收。热回

17、收系统，Page119，图1 5 18。蒸煮过程的小放气。大放气与放料过程中均有大量蒸汽，合理地回收利用这些蒸汽 的热量是有意义的。小放气与大放气放出的气体，可通过螺旋热交换器加热清水，在松木浆蒸煮中，可 同时回收松节油。图1 5 18。它主要是由汽水直接接触的喷射冷凝器、污冷凝水收集槽、螺旋热交换器、热水槽 等组成。来自喷放锅的蒸汽进入喷射冷凝器4与由泵1抽出来的温度较低的冷却水直接接 触而冷凝，冷凝水连同冷却水一并进入污冷凝水收集槽7的上部，比较热的冷凝水通过过 滤器3以后，由泵2抽送至螺旋热交换器8,然后仍然返回冷凝水收集槽的下部或直接由 泵1抽送至喷散冷凝器，进入螺旋热交换器的清水经加热后送热水槽，供洗涤工段应用。在操作时注意送入喷散冷凝器的冷却水温度应不超过4045C，而喷射冷凝器出口 的水温应不超过9095C。