制浆原理与工程

第二章化学法制浆1.解释化学法制浆常用名词术语。活性碱：烧碱法蒸液中的活性碱指NaOH，硫酸盐法蒸煮液中的活性碱指NaOH+Na2S，常以Na2O或⑷有效碱：烧碱法指NaOH，硫酸盐法指NaOH+1/2Na2S，常以Na2O或NaOH表示。⑸活化度：碱液中活性碱对总可滴定碱的百分比。计算时，NaOH和Na2S等均以Na2O或NaOH表示。⑹硫化度：白液的硫化度是指Na2S对活性碱的百分比。绿液的硫化度是指Na2S对总可滴定碱的百分比。计算时，NaOH和Na2S等均以Na2O或NaOH表示。⑺蒸煮液：蒸煮液系指原料蒸煮时所用的碱液⒃纸浆硬度：纸浆硬度表示残留在纸浆中的木素和其他还原性物质的相对量。可用高锰酸钾、氯或次氯酸盐等氧化剂测定，以用高锰酸钾最为普遍。2.化学法制浆主要分哪几类？碱法和亚硫酸盐法制浆主要分为哪几种？各自的特点是什么？化学法制浆：碱法制浆、亚硫酸盐法和溶剂法制浆。碱法：烧碱法、；硫酸盐法、多硫化钠法、预水解硫酸盐法、氧碱法、石灰法、纯碱法等。最常用的是硫酸盐法和烧碱法。亚硫酸盐法：酸性亚硫酸氢盐法、亚硫酸氢盐法、微酸性亚硫酸氢盐法、中性盐硫酸盐法和碱性亚硫酸盐法。碱法特点：碱法蒸煮对原料的适应范围比较广，硫酸盐法几乎适用于各种植物纤维原料，还可用于质量较差的废材、枝桠材、木材加工下脚料、锯末以及树脂含量很高的木材。烧碱法适用于棉、麻、草类等非木材纤维原料，也有用于蒸煮阔叶木的，很少用于蒸煮针叶木。3.硫酸盐法制浆和亚硫酸盐法制浆的优缺点是什么？硫酸盐法蒸煮的优缺点优点：①对原料适用范围广。②脱木素速率快，蒸煮时间较短。③纸浆强度高④蒸煮废液回收技术和设备比较完善。⑤硫酸盐浆的用途广，针叶木本色硫酸盐浆可用于抄造纸袋纸、电缆纸、电容器纸、包装纸。漂白浆用于生产文化用纸及其他用途。阔叶材和草类原料的硫酸盐浆常用于生产文化用纸或生产纸板等。⑥较少发生树脂问题和草类浆的表皮细胞群问题。⑦允许木片中有相当量的树皮。⑧可从一些材种的蒸煮放气时回收松节油和从蒸煮废液中提取塔罗油等副产品。缺点：①纸浆得率低。②成浆颜色较深，比亚硫酸盐浆难漂。③蒸煮时产生的恶臭气体污染大气。亚硫酸盐法蒸煮的有缺点优点：①本色浆较白，易漂。②得率较高。③生产精制浆不需要预水解。④各种原料的废液可用于生产饲料、酵母、粘合剂、香兰素等，针叶木的制浆废液可生产酒精。缺点：①原料要求比较严格。②大都需要耐酸设备。③蒸煮时间较长。④亚硫酸盐浆的强度较硫酸盐浆低。⑤亚硫酸盐法蒸煮废液的回收仍存在经济问4.蒸煮药液浸透的原理、影响因素和强化药液浸透的措施是什么？蒸煮药液浸透的原理：根据药液浸透推动力的不同，浸透形式可分为两类：一类是压力浸透，它的推动力是压力差，即毛细管作用和外加压力的作用。另一类是扩散浸透，即扩散作用，它的传质推动力是药液的浓度差。外加压力的高低和药液的黏度的大小都会影响压力浸透。纤维轴向的毛细管作用总是大于横向毛细管作用的50~100倍。扩散浸透效果主要取决于毛细管的有效截面积和药液的浓度差，同时还与药剂分子或离子的活性和大小有关，且受温度和原料水分影响。影响因素：药液的组成温度、压力纤维原料的种类和料片的格。强化药液浸透的措施：①蒸汽装锅和预气蒸。②蒸煮器外药液的预浸。③装锅送液时，适当提高药液温度，一般将药液预热至70~85℃后送入蒸煮器内。④抽真空。⑤盐硫酸盐法蒸煮初期加入过量药液，浸透完全时“回水”（即将多余的药液抽出并加以回收）。⑥液相变压法：5.碱法和亚硫酸盐法蒸煮过程中木素和碳水化合物的反应类型有哪些？碱法木素的化学反应类型：酚型α-芳基醚或α-烷基醚键的碱化断裂、酚型β-芳基醚键的碱化断裂和硫化断裂、非酚型β-芳基醚键的碱化断裂和硫化断裂、芳基-烷基和烷基-烷基间C-C键的断裂、甲基-芳基醚键的断裂、碱法蒸煮时木素发色基团的形成。碱法蒸煮的碳水化合物的化学反应类型：①纤维的反应：纤维素的剥皮反应、纤维素的终止反应、纤维素的碱性水解。②半纤维素的反应：脱乙酰基、半纤维素总的反应情况、聚木糖的反应和保留、己烯糖醛酸。亚硫酸盐法木素的化学反应：①酸性亚硫酸盐蒸煮时木素的化学反应：α-碳原子脱除酚型和非酚型的木素结构单元中的α-碳原子磺化。②碱性和中性亚硫酸盐法蒸煮木素的反应：酚型Cα和Cγ的磺化反应、酚型β-芳基醚键的断裂和磺化、酚型或非酚型甲基-芳基醚键的亚硫酸盐解。亚硫酸盐法碳水化合物的化学反应：酸性水解、酸性氧化反应、单糖的氧化和分解反应6.碱法蒸煮过程中，纤维素在什么情况下发生剥皮反应和碱性水解？如何减少纤维素的降解？高温强碱的条件下发生剥皮反应和碱性水解。将末端羰基氧化为羧基、将末端羰基还原为伯醇羟基、蒸煮时加入能与羰基起反应的化合物将还原性末端封锁。7、试述木材与草类原料减法蒸煮脱木素反应历程的异同?答：木材碱法蒸煮脱木素反应过程可分为三个阶段：初始脱木素阶段，大量脱木素阶段，和残余木素脱除阶段。草类原料硫酸盐法或烧碱法蒸煮脱木素反应历程近视可分为大量脱木素阶段，补充脱木素阶段，残余木素脱除阶段。8、试述碱法蒸煮得影响因素答：㈠用碱量（effectofalkalicharge）a.用碱量的大小会影响脱木素速率和脱木素程度，同时也会影响碳水化合物的降解程度b.当纸浆得率和质量要求和其它工艺参数不变时，提高用碱量是加快蒸煮速率、缩短蒸煮时间、提高产量的有效措施。c.蒸煮用碱量的大小，主要决定于原料的种类、质量和成浆的质量要求。d.蒸煮终了时蒸煮液中还必须有一定的残碱，一般4-10g/L，以利于后期木素的溶出。（2）液比(EffectofLiquor-to-WoodRatio)液比与用碱量共同决定药液的浓度（C）。C会影响反应速率。①用碱量一定时，液比↓，则C↑，结果：a.加快脱木素，缩短蒸煮时间；b.增加碳水化合物的降解，得率↓；c.汽耗↓；d.若液比过小，液与料混合不匀，蒸煮不匀，粗渣率↑。②直接通汽加热，液比可小些；间接加热，液比要大点。③回转式蒸煮器蒸煮，液比可小些。④快速蒸煮，可适当缩小液比，但要保证药液良好循环。⑤若生产物理强度大，α–纤维素含量高的浆，宜用较低的药液浓度，较大的液比。⑥结构紧密的原料，可用较小的液比。(3)硫化度①硫化度的大小影响蒸煮速率在一定范围内，硫化度↑，可加快蒸煮，但若超过一定范围，效果不明显，甚至降低蒸煮速率。②硫化度对浆得率和质量的影响用碱量一定，适当提高硫化度，可提高得率，若过高，硫化木素不能充分溶出，浆质量下降。(4)蒸煮最高温度（EffectofMaximumPulpingTemperature–Tmax）Tmax↑，脱木素速率↑。9、添加助剂的碱法蒸煮过程仲，蒽醌、多硫化钠和亚硫酸钠的作用各是什么？答：AQ(蒽醌)的作用:提高脱木素速率，缩短蒸煮时间，保护碳水化合物，提高纸浆得率。缺点：蒽醌在碱法中溶解度小，蒽醌与浆料难以混合均匀，漂白浆泡沫多，打浆掃化慢，漂白困难多硫化钠得作用：增加[OHˉ],保护碳水化-合物，S2ˉ在碱性条件下把纤维素或半纤维素的还原性-CHO氧化为-COOH,以减少剥皮反应。缺点对设备腐蚀性强，温度大雨100°C时，Na2Sn分解。亚硫酸钠的作用：（Na2SO3+NaOH）保护碳水化合物，减少剥皮反应。10、什么叫H-因子？H-因子的意义是什么？如何如利用计算机控制蒸煮？答：H—因子是个蒸煮温度得相对反应速率常数与蒸煮时间的定积分。H-因子的意义：同一原料，在用碱量，硫化度，液比等蒸煮条件相同时，控制H—因子相同，则其纸浆得率及浆中木素含量相同。利用计算机控制蒸煮：用计算机来控制间接蒸煮，连续蒸煮器的蒸煮质量，受到良好的效果。由于蒸煮质量有很多影响因素，如有效碱，H-因子和硫化度等因此用微型计算机综合进行蒸煮质量的控制需要一个公式或数学模型。其中T-因子是H-因子的改进形式，它考虑了化学药品浓度的影响，T-因子的定义如下：T=[S/(2-S)]([EA/（L:W）]2)式中S—硫化度；EA-有效碱用量；L:W-液比；H-H-因子11、碱法蒸煮操作过程包括哪几个部分？答：①装料，送液②升温，小放气③在最高压力或温度下的保温和蒸煮终点的确定（④大放气和放料12、小放气的作用是什么？答:①排除蒸煮器内的空气和其他气体，消除假压，以利于温度的上升②小放气时，锅内产生自然沸腾，减少锅内不同的温度差和浓度差，利于药品得浸透和均匀蒸煮③松木原料蒸煮小放气时除了能排除空气以外，还能排除松节油和其他挥发性物质，通过小放气可对松节油进行收集。此外草类原料装液送料时由于草片吸收药液较快，因此草片中存在的空气没有木片多，升温时，进行或不进行小放气都可以。13、提高碱法蒸煮脱木素选择性的四个基本原则是什么？答：①蒸煮过程仲得碱液浓度尽量保持均匀，即在蒸煮初期碱液浓度适当低一些，接近蒸煮终了时碱液浓度适当高一些：②蒸煮液中HSˉ浓度应尽量高，特别是蒸煮初期和大量脱木素阶段开始时，应保持较高的HSˉ浓度；③蒸煮液中的溶解木素和Na+浓度应尽量低，特别是在残余木素脱除阶段；④保持较低的蒸煮温度，尤其是在蒸煮初期和后期。15、与传统的卡米尔连续蒸煮相比较，EMCC(ITC)和低固形物蒸煮技术的特点是什么？答：传统的卡米尔连续蒸煮器在木片预浸渍后，采用木片和全部蒸煮液一开始就接触，然后向同一方向移动并进行蒸煮，在171℃，蒸煮至终点，在扩散洗涤区加冷黑液降温至130℃进行喷放，在这种情况下，蒸煮液中的碱浓度愈来愈低，溶在蒸煮液中的木素浓度越来越大，这就限制了木片中的木素进行深度的脱除。EMCC将蒸煮区分为顺流和逆流蒸煮区两部分，而又将逆流蒸煮部分扩大到了逆流扩散洗涤区，而且整个系统都以同样的温度160℃进行蒸煮；EMCC技术采用了分段加入白液的方法，浸渍阶段加入了白液的总量的65%，顺流蒸煮区继续加入5%，原逆流区再加入10%，最后在原逆流洗涤区加入20%的白液以维持较高的碱浓。；卡米尔连续蒸煮器采用传统ITC技术时，在用碱量和得率相近的情况下，纸浆粘度对卡伯值的比较，ITCMCCCK.说明，ITC和MMC技术的纸浆不但脱除木素较多，而且纤维收到损伤也比较少。低固形物蒸煮的工艺特点：在蒸煮器的前段和后段同时抽取黑液；在黑液抽取处下方得蒸煮循环回路中加进白液和洗涤液，以保持恒定的液比和利用稀释作用以降低各蒸煮区内固形物得浓度；蒸煮白液在三处加入。与EMCC法相比，低固形物蒸煮有效碱浓度分布曲线更加均匀，制浆选择性进一步提高。深度脱木素的四个基本原则在低固形物的蒸煮过程中都得到了充分的应用。低固形物蒸煮技术得几个工艺参数的变化：白液浓度低而均匀，浸渍开始后，整个蒸煮器碱浓度均低于15g/L（以NaOH计，下同）；浸渍后至大量脱木素，残碱只有4g/L,而硫化度较高，HSˉ/OHˉ摩尔比〉3；由于洗涤区也改为逆流蒸煮区，蒸煮将结束时，浆中木素含量很低；整个过程，蒸煮液中溶解的木素等固形物含量低；蒸煮温度均匀。16、为什么置换蒸煮可获得较低的硬度和较高黏度（聚合度）的纸浆？答：用温黑液加压预浸渍，再用热黑液置换，可充分利用黑液中的热能，蒸煮加热到最高温度，（如170℃）仅需要少量的蒸汽。同时还利用了黑液中硫化物，因此，置换蒸煮比传统KP蒸煮更有选择性。传统的KP蒸煮开始的有效碱浓度高，而硫化度较低。相反，在RDH蒸煮里，开始有效碱浓度低而硫化度非常高，例如，温黑液硫化度73%，热黑液71%，因为蒸煮开始时大量温黑液和热黑液流过木片，所以木片受到大量的硫化物作用，置换蒸煮以高硫化度的液体进行循环，脱木素选择性很高。这就是为什么置换蒸煮有可能蒸煮出低卡伯值得浆料，而又能维持较好强度的原因。19、为什么硫酸盐法蒸煮的脱木素速率比烧碱法快？答：硫酸盐法蒸煮过程中，除去氢氧化钠和木素的反应外，硫化钠和木素的反应是脱木素的主要的反应，在Na2S的水溶液中，由于Na2S的离解，溶液中同时存在HSˉ硫氢根离子和S2ˉ，OHˉ的反应与烧碱法与木素的反应情形一样，除了OHˉ作用外，由于还有HSˉ和S2ˉ的存在，这些离子比OHˉ具有更强的亲核作用。因此，木素结构单元聚合体与亲核性较强的HSˉ和S