크래프트 과정

Kraft process
인터내셔널 페이퍼: 크래프트 제지 공장
종이 제작용 우드칩

크래프트 공정(크래프트 펄핑 또는 황산염 공정이라고도 함)은 목재를 거의 순수한 셀룰로오스 섬유로 구성된 목재 펄프로 변환하는 공정입니다.크래프트 공정은 리그닌, 헤미셀룰로오스, 셀룰로오스를 연결하는 결합을 끊는 물, 수산화나트륨(NaOH), 황화나트륨(NaaS2)의 뜨거운 혼합물로 목재 칩을 처리하는 과정을 포함한다.이 기술은 기계와 화학의 여러 단계를 수반한다.그것은 종이 제조의 지배적인 방법이다.어떤 상황에서는 크래프트 플랜트가 냄새나는 제품을 방출할 수 있고 어떤 상황에서는 상당한 액상 [1][2][3]폐기물을 배출할 수 있기 때문에 이 과정이 논란이 되어 왔다.

이 공정명은 독일어로 "강도"를 뜻하는 Kraft에서 유래한 것으로, [4]이 공정을 사용하여 만들어진 Kraft 용지의 강도에 기인한다.

역사

크래프트지 한 통

크래프트 공정의 전조는 [5]영국의 나폴레옹 전쟁 동안 사용되었다.크래프트 공정은 칼 F에 의해 발명되었습니다('강도'를 뜻하는 독일어 크래프트에서 나온 결과 종이의 우수한 강도 때문에 그렇게 불렸습니다). 1879년 달, 독일 프러시아 단치히에서.미국 특허 296,935가 1884년에 발표되었고,[6] 1890년 스웨덴에서 이 기술을 이용한 펄프 공장이 시작되었다.1930년대 초 G. H. Tomlinson에 의한 회수 보일러의 발명은 크래프트 [7]공정의 진보에 획기적인 사건이었다.이를 통해 무기 펄핑 화학물질의 회수 및 재사용이 가능하여 크래프트 밀은 표백 공정과는 별도로 무기 화학물질에 관한 거의 폐쇄적인 공정이다.이러한 이유로 1940년대에 크래프트 공정은 목재 [6]펄프를 생산하는 주요 방법으로 아황산염 공정을 대체했습니다.

프로세스

함침

펄프 생산에 사용되는 일반적인 목재 칩은 길이 12~25mm(0.47~0.98인치), 두께 2~10mm(0.079~0.394인치)입니다.일반적으로 칩은 먼저 예증기로 들어가 습윤되고 증기로 예열됩니다.신선한 목재 칩 내부의 공동은 일부는 액체로 채워지고 일부는 공기로 채워집니다.스팀 처리로 인해 공기가 팽창하여 공기의 약 25%가 칩에서 배출됩니다.다음 단계는 칩에 흑백 액체를 적시는 것이다.액상 함침 시작 시 칩 안에 남아 있는 공기가 칩 안에 갇힙니다.함침은 칩이 디지에스터에 들어가기 전 또는 후에 수행될 수 있으며 일반적으로 100°C(212°F) 이하에서 수행됩니다.조리용 술은 흰 술, 칩에 담긴 물, 응축된 증기와 약한 검은 술의 혼합물로 구성되어 있습니다.함침 시 칩의 모세관 구조 내에 조리액이 침투하여 목재와의 저온 화학반응이 시작된다.균질한 요리사와 낮은 리젝트를 얻으려면 좋은 함침이 중요하다.전체 알칼리 소비량의 약 40~60%는 연속 과정에서 함침대에서 발생한다.

요리.

그런 다음 목재 칩은 가압된 디지스터에서 조리됩니다.일부 디지스터는 배치 방식으로 작동하며 다른 디지스터는 연속 프로세스로 작동합니다.하루에 1,000톤 이상의 펄프를 생산하는 채굴업자들이 흔하며, 가장 큰 업체들은 하루에 3,[8]500톤 이상을 생산한다.일반적으로 170~176°C(338~349°F)에서 약 2시간이[9] 필요합니다.소화 조건에서는 리그닌과 헤미셀룰로오스가 분해되어 강한 염기성 액체에 녹는 조각이 생성됩니다.고체 펄프(건조 목재 칩의 무게로 약 50%)를 채취하여 세척합니다.이 시점에서 과육은 색깔 때문에 갈색 육수로 알려져 있다.검은 술로 알려진 혼합 액체는 리그닌 조각, 헤미셀룰로오스의 분해로 인한 탄수화물, 탄산나트륨, 황산나트륨 및 기타 무기 염류를 포함합니다.

SH에 의한− 리그닌의 탈중합에서 순반응(Ar = 아릴, R = 알킬기).

크래프트 과정을 뒷받침하는 주요 화학 반응 중 하나는 친핵성 황화물(S2−) 또는 이황화물([7]HS−) 이온에 의한 에테르 결합의 분리이다.

리커버리

과잉 흑색 리큐어는 약 15%의 고형분을 함유하고 있으며 다효과 증발기에 농축되어 있습니다.첫 번째 단계 이후 검은 술은 고형분 약 20~30%를 가지고 있다.이 농도에서는 로진비누가 표면으로 떠오르고 벗겨진다.모아진 비누는 다시 높은 기름으로 가공된다.비누를 제거하면 나중에 발생하는 효과의 증발 작용이 개선됩니다.

약한 흑색 액체는 65% 또는 심지어 80%의 고형물("중량 흑색 액")[10]까지 증발시킨 후 회수 보일러에서 연소시켜 펄핑 공정에서 재사용할 무기 화학 물질을 회수합니다.고형분 농도가 높을수록 회수 사이클의 에너지 및 화학적 효율이 높아지지만 고형분(플러그 및 오염)[11][12]의 점도와 강수량도 높아집니다.연소 중에 황산나트륨은 혼합물의 유기 탄소에 의해 황화나트륨으로 환원됩니다.

1. NaSO24 + 2 C → NaS2 + 2 CO2

이 반응은 지구화학의 열화학적 황산염 감소와 유사하다.

회수 보일러의 용융 소금("용융")은 "약세척"으로 알려진 프로세스 물에 용해됩니다."약백주"라고도 하는 이 공정수는 석회 진흙과 녹즙 침전물을 씻는 데 사용되는 모든 술로 구성되어 있습니다.그 결과 탄산나트륨과 황화나트륨의 용액은 "녹색액"으로 알려져 있습니다.녹색 술의 별칭인 녹색은 콜로이드 황화 [13]철의 존재에서 비롯됩니다.그런 다음 이 액체를 용액에서 수산화칼슘이 되는 산화칼슘과 혼합하여 평형반응을 통해 펄핑 과정에서 사용되는 백색 액체를 재생한다(NaaS는2 녹색 액체의 일부이지만 반응에 참여하지 않음).

2. NaCO23 + Ca(OH)2 ←→ 2 NaOH + CaCO3

탄산칼슘은 백색액에서 침전되어 석회 가마에서 회수하여 가열하여 산화칼슘(석회)으로 변환한다.

3. CaCO3 → CaO + CO2

산화칼슘(석회)은 물과 반응하여 반응 2에 사용된 수산화칼슘을 재생한다.

4. CaO + HO2 → Ca(OH)2

반응 1~4의 조합은 나트륨, 황 및 칼슘에 대해 닫힌 사이클을 형성하며 탄산나트륨이 반응하여 수산화나트륨을 재생하는 이른바 재밀착 과정의 주요 개념입니다.

회수 보일러는 또한 터보 발전기에 공급되는 고압 증기를 발생시켜 제분소 사용을 위한 증기 압력을 낮추고 전기를 발생시킵니다.현대의 크래프트 펄프 밀은 자체 발전만으로 충분하며, 일반적으로 관련 제지 공장에서 사용하거나 지역 [14]전기 그리드를 통해 인근 산업 또는 지역사회에 판매할 수 있는 순 에너지 흐름을 제공합니다.또한, 나무껍질과 목재 잔류물은 증기를 생성하기 위해 별도의 전력 보일러에서 연소되는 경우가 많습니다.

G.H. Tomlinson의 발명품을 사용한 회수 보일러는 1930년대 초부터 일반적으로 사용되어 왔지만, 조리용 화학 약품을 회수하기 위한 보다 효율적인 방법을 찾기 위한 시도가 있었다.바이어하우저는 노스캐롤라이나 뉴베른 공장에서 1세대 블랙 리큐어가 들어간 플로우 가스화기를 성공적으로 가동했으며,[15] 스웨덴 피테오에 있는 스머핏 카파 공장에서는 2세대 공장을 시범 가동하고 있다.

부는

완성된 나무 조각은 대기압에서 작동하는 블로우 탱크라고 불리는 수거 탱크에 날려 보내집니다.이것은 많은 수증기와 휘발성을 방출한다.휘발성 물질은 응축되고 수집됩니다. 북부 연성재의 경우, 이것은 주로 생 테레빈유로 구성됩니다.

스크리닝

펄프 후 펄프의 스크리닝은 펄프가 큰 부스러기, 매듭, 먼지 및 기타 잔해로부터 분리되는 과정이다.수용은 과육이다.펄프에서 분리된 물질을 거부라고 합니다.

스크리닝 섹션은 다양한 유형의 체(스크린)와 원심 세척으로 구성됩니다.수용 흐름에서 최대 순도를 달성하려고 할 때 상당한 양의 양호한 섬유가 제거 스트림으로 갈 수 있기 때문에 체는 보통 다단계 캐스케이드 동작으로 설정됩니다.

샤프 및 매듭이 포함된 섬유는 나머지 리젝트에서 분리하여 정제기로 재처리하거나 굴착기로 반송됩니다.일반적으로 노트의 함량은 디지스터 출력의 0.5~3.0%인 반면 셰이브 함량은 약 0.1~1.0%입니다.

세탁

블로우로 인한 브라운 스톡은 사용한 조리용 리큐어가 셀룰로오스 섬유에서 분리되는 세척 단계로 이동합니다.보통 펄프 공장에는 3-5개의 세척 단계가 직렬로 있습니다.또한 세척 단계는 산소 탈지 후와 표백 단계 사이에 배치됩니다.펄프 워셔는 단계 간에 역류 흐름을 사용하여 펄프가 세척수의 흐름과 반대 방향으로 이동하도록 합니다.증점/희석, 변위 및 확산 등 여러 프로세스가 관련되어 있습니다.희석 계수는 걸쭉해진 펄프에서 액체를 대체하는 데 필요한 이론적인 양과 비교하여 세척에 사용되는 물의 양을 측정하는 것입니다.희석 계수가 낮을수록 에너지 소비량이 줄어들고 희석 계수가 높을수록 일반적으로 펄프가 깨끗해집니다.펄프를 철저히 세척하면 화학적 산소 요구량(COD)이 감소합니다.

다음과 같은 여러 유형의 세척 장비가 사용되고 있습니다.

  • 압력 확산기
  • 대기 확산기
  • 진공 드럼 와셔
  • 드럼 디스플레이서
  • 세탁기

표백

주요 기사:목재 펄프의 표백

펄핑에 의해 생성된 브라운스톡(약 5% 잔류 리그닌을 함유한 셀룰로오스 섬유)을 먼저 세척하여 용해된 유기물의 일부를 제거한 후 다양한 표백 [16]단계에 의해 탈색한다.

박스 및 포장용 갈색 자루 종이 또는 라이너보드를 만들기 위해 펄프를 생산하도록 설계된 공장의 경우 펄프를 항상 높은 밝기로 표백할 필요는 없습니다.표백은 펄프의 질량을 약 5% 감소시키고 섬유의 강도를 감소시키며 제조 비용을 증가시킨다.

가공 화학물질

생산 공정을 개선하기 위해 공정 화학 물질이 첨가됩니다.

  • 임신 보조제.계면활성제를 사용하여 목재 칩과 조리용 주류의 함침이 개선될 수 있다.
  • 안트라퀴논은 디에스터 첨가물로 사용된다.셀룰로오스를 산화시키고 리그닌을 감소시킴으로써 산화 환원 촉매 역할을 합니다.이것은 셀룰로오스를 분해로부터 보호하고 리그닌의 수용성을 [17]높입니다.
  • 비누분리에는 유제브레이커를 첨가하여 [18]응집시켜 사용후 조리액에서 비누의 분리를 고속화 및 개선할 수 있다.
  • 디포머는 거품을 제거하고 생산 공정을 가속화합니다.세척 설비의 배수가 개선되어 보다 깨끗한 펄프를 얻을 수 있습니다.
  • 분산제, 분리제, 복합제 등으로 시스템을 청결하게 유지하고 유지보수를 중단할 필요가 없어집니다.
  • 정착제는 미세하게 분산된 전위 침전물을 섬유에 고정시켜 공정에서 운반한다.

다른 펄핑 프로세스와의 비교

크래프트 공정으로 제조된 펄프는 다른 펄프 공정보다 강하며 종이 강도의 중요한 결정체인 높은 유효황비(황도)를 유지한다.산성 아황산염 공정은 크래프트 공정보다 셀룰로오스를 더 분해하여 섬유질이 약해집니다.크래프트 펄프는 원래 목재에 존재하는 리그닌의 대부분을 제거하는 반면, 기계적 펄핑 공정은 대부분의 리그닌을 섬유에 남깁니다.리그닌의[19] 소수성 성질은[6] 종이 강도에 필요한 섬유에서 셀룰로오스(및 헤미셀룰로오스) 사이의 수소 결합 형성을 방해합니다(강도는 인장 강도 및 찢김에 대한 저항성을 의미합니다).

크래프트 펄프는 다른 나무 펄프보다 진하지만, 매우 하얀 펄프를 만들기 위해 표백할 수 있습니다.완전 표백 크래프트 펄프는 강도, 백색도, 황색에 대한 내성이 중요한 고품질 종이를 만들기 위해 사용됩니다.

크래프트 공정은 대부분의 다른 펄핑 공정보다 광범위한 섬유원을 사용할 수 있습니다.크래프트 공정에서는 남송과 [20]같은 수지 타입, 대나무와 케나프 등 비목재 타입 등 모든 타입의 목재를 사용할 수 있습니다.

부산물 및 배출물

상세 정보:종이가 환경에 미치는 영향
핀란드 라우마의 포르켐 고층 정유소.

크래프트 펄프의 주요 부산물은 조황산 테레빈유와 키 큰 오일 비누입니다.이러한 재료의 가용성은 목재 종, 생육 조건, 통나무와 칩의 저장 시간 및 제분 [21]공정에 따라 크게 좌우됩니다.소나무는 가장 추출력이 풍부한 숲이다.생 테레빈유는 휘발성이 있어 디지스터에서 증류되며, 생비누는 주류 저장 탱크 위에 형성된 비누층을 디커션하여 사용 후 흑주로부터 분리된다.소나무에서 테레빈유의 평균 산출량은 5~10kg/t 펄프이며, 키가 큰 원유는 30~50kg/t [21]펄프이다.

크래프트 [22]공정을 이용하는 펄프 공장의 악취 공기 방출 특성에는 황화수소, 메틸메르캅탄, 황화디메틸, 디술피드 및 기타 휘발성 황화합물을 포함한 다양한 부산물이 원인이다.크래프트 펄프 공장의 이산화황 배출량은 아황산염 공장의 이산화탄소 배출량보다 훨씬 적다.전형적인 현대식 크래프트 펄프 공장 외부의 외기에서는 예를 들어 유지보수를 위해 공장을 정지하거나 장시간 정전이 발생했을 때 등 교란 상황에서만 황산화물 냄새가 감지됩니다.냄새의 제어는 흑액과 함께 회수 보일러에서 이러한 냄새 가스를 수집 및 연소함으로써 달성됩니다.잘 건조된 고형물이 회수 보일러에서 연소되는 현대식 제분소에서는 이산화황은 보일러에서 거의 배출되지 않습니다.고온 보일러에서는 흑액 방울에서 방출되는 나트륨이 이산화황과 반응하여 무취 황산나트륨 결정을 형성함으로써 효과적으로 소거할 수 있다.

펄프 공장은 상당한 물 수요 때문에 거의 항상 큰 수역 근처에 위치해 있습니다.화학 펄프의 제거는 상당한 양의 유기 물질을 환경, 특히 강이나 호수로 방출합니다.폐수 유출물은 또한 알코올, 염소산염, 중금속 및 킬레이트제와 함께 나무의 리그닌, 높은 생물학적 산소 요구량(BOD), 용해된 유기 탄소(DOC)를 포함한 주요 오염원이 될 수 있습니다.프로세스 폐수는 생물학적 폐수 처리 시설에서 처리할 수 있으며,[23][24] 이로 인해 독성을 상당히 줄일 수 있습니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ Hoffman, E., Lyons, J., Boxall, J., Robertson, C., Lake, C. B. 및 Walker, T. R. (2017년)교정조치 결정을 알리기 위해 펄프밀 금속(액체) 오염 침전물에 대한 시공간적 평가(4분기)Environmental Monitoring and Assessment, 189(6), 257.
  2. ^ Hoffman, E., Bernier, M., Blotnicky, B., G., Janes, J., Kader, A., ... & Walker, T. R. (2015).펄프 및 종이 시설에서의 공공 인식 및 환경 준수 평가: 캐나다의 사례 연구.Environmental Monitoring and Assessment, 187(12), 766.
  3. ^ 루돌프 패트 외2002 Wiley-VCH, Weinheim에 있는 Ulmann의 산업화학 백과사전의 "종이와 펄프".doi: 10.1002/14356007.a18_545.pub4
  4. ^ 문헌에는 대문자와 소문자의 철자("Kraft process"와 "Kraft process")가 모두 나와 있지만, "kraft"는 펄프 및 제지 산업에서 가장 일반적으로 사용됩니다.
  5. ^ Joint Textbook Committee of the Paper Industry (1969). Macdonald, Ronald Gordon; Franklin, John N. (eds.). Pulp and Paper Manufacture, vol. 1 : The Pulping of Wood. Pulp and Paper Manufacture. Vol. 1 (2nd ed.). McGraw Hill. OCLC 867778880.
  6. ^ a b c Biermann, Christopher J. (1993). Essentials of Pulping and Papermaking. San Diego: Academic Press, Inc. ISBN 0-12-097360-X.
  7. ^ a b E. Sjöström (1993). Wood Chemistry: Fundamentals and Applications. Academic Press. ISBN 0-12-647480-X.
  8. ^ Woodman, Jocelyn (1993). "Pollution Prevention Technologies for the Bleached Kraft Segment of the U.S. Pulp and Paper Industry". U.S. Environmental Protection Agency. p. 66. Retrieved 2022-02-06.
  9. ^ "Basics of Kraft Pulping" (PDF). University of Tennessee Knoxville - Department of Chemical and Biomolecular Engineering. Retrieved 2021-10-23.
  10. ^ "Equipment to handle heavy black liquor". Archived from the original on 2005-04-20. Retrieved 2007-10-09.
  11. ^ Hsieh, Jeffery S.; Smith, Jason B. "Second Critical Solids Black Liquor Scaling" (PDF). Pulp and Paper Engineering, School of Chemical Engineering, Georgia Institute of Technology. Archived from the original (PDF) on 2011-08-31. Retrieved 2007-10-09.
  12. ^ 미국 Optima Specialty Chemicals & Technology Inc.에 배정된 Mualla Berksoy & Yaman Boluk, 1996-06-18 "고형 흑색주 저점도 및 저점도법 고형 흑색주"를 5527427
  13. ^ Giddings, J.F.; Roll, D.R.; Cappellino, C.A.; Day, M.; Nardone, R.A. (2008). "12.12.4.". In Karassik, I.; Messina, J.; Cooper, P.; Heald, C. (eds.). Pump Handbook (4th ed.). New York: McGraw Hill. ISBN 9780071460446. Retrieved February 21, 2013.
  14. ^ Jeffries, Tom (March 27, 1997). "Kraft pulping: Energy consumption and production". University of Wisconsin Biotech Center. Archived from the original on September 28, 2011. Retrieved 2007-10-21.
  15. ^ "Chemrec web site". Archived from the original on 2012-07-09. Retrieved 2011-01-07.
  16. ^ "Environmental Comparison of Bleached Kraft Pulp ManufacturingTechnologies" (PDF). Archived from the original (PDF) on 2004-12-18. Retrieved 2007-09-28.
  17. ^ Goyal, Gopal C. (1997). Anthraquinone Pulping. A TAPPI Press Anthology of Published Papers, 1977-1996. Atlanta: TAPPI Press. ISBN 0-89852-340-0.
  18. ^ "Tall Oil and Tall Oil Soap Recovery" (PDF). Archived from the original (PDF) on 2012-03-05. Retrieved 2008-12-19.
  19. ^ Hubbe, Martin a.; Lucian A. Lucia (2007). "The "Love-Hate" Relationship Present in Lignocellulosic Materials". BioResources. 2 (4): 534–535. Retrieved 2015-02-03.
  20. ^ "The Southern Pines" (PDF). US Department of Agriculture. 1985. Retrieved 2007-09-13.
  21. ^ a b 를 클릭합니다Stenius, Per, ed. (2000). "2". Forest Products Chemistry. Papermaking Science and Technology. Vol. 3. Helsinki, Finland: Fapet OY. pp. 73–76. ISBN 952-5216-03-9..
  22. ^ Hoffman, E., Gernsey, J.R., Walker, T.R., Kim, J.S., Sherren, K. 및 Andreou, P.(2017).노바스코샤 주 픽토우 카운티에 있는 캐나다 크래프트 펄프 및 종이 시설 근처의 대기 독성 물질 배출을 조사하는 파일럿 연구.환경과학 및 오염연구, 24(25), 20685-20698.
  23. ^ Hoffman, E., Bernier, M., Blotnicky, B., G., Janes, J., Kader, A., ... & Walker, T. R. (2015).펄프 및 종이 시설에서의 공공 인식 및 환경 준수 평가: 캐나다의 사례 연구.환경 감시 및 평가, 187(12), 766.
  24. ^ Hoffman, E., Lyons, J., Boxall, J., Robertson, C., Lake, C. B. 및 Walker, T. R. (2017년)교정조치 결정을 알리기 위해 펄프밀 금속(액체) 오염 침전물에 대한 시공간적 평가(4분기)환경 감시 및 평가, 189(6), 257.

추가 정보

  • Gullichsen, Johan; Carl-Johan Fogelholm (2000). Papermaking science and Technology: 6. Chemical Pulping. Finland: Tappi Press. ISBN 952-5216-06-3.

외부 링크

Wikimedia Commons에는 Kraft 프로세스와 관련된 미디어가 있습니다.