Procédé Kraft - Kraft process

International Paper : Papeterie Kraft
Copeaux de bois pour la production de papier

Le procédé kraft (également connu sous le nom de procédé de pâte kraft ou de procédé au sulfate ) est un procédé de conversion du bois en pâte de bois , qui se compose de fibres de cellulose presque pures , le composant principal du papier . Le procédé kraft implique le traitement des copeaux de bois avec un mélange chaud d'eau, d'hydroxyde de sodium (NaOH) et de sulfure de sodium (Na 2 S), connu sous le nom de liqueur blanche , qui rompt les liaisons qui unissent la lignine , l' hémicellulose et la cellulose . La technologie comporte plusieurs étapes, à la fois mécaniques et chimiques. C'est la méthode dominante pour produire du papier. Dans certaines situations, le processus a été controversé car les usines de kraft peuvent libérer des produits odorants et dans certaines situations produire des déchets liquides substantiels .

Le nom du procédé est dérivé du mot allemand Kraft , qui signifie « force » dans ce contexte, en raison de la résistance du papier kraft produit à l'aide de ce procédé.

Histoire

Un rouleau de papier kraft

Un précurseur du procédé Kraft a été utilisé pendant les guerres napoléoniennes en Angleterre. Le procédé kraft (appelé ainsi en raison de la résistance supérieure du papier obtenu, du mot allemand Kraft pour « résistance ») a été inventé par Carl F. Dahl en 1879 à Dantzig , en Prusse , en Allemagne . Le brevet américain 296 935 a été délivré en 1884 et une usine de pâte utilisant cette technologie a vu le jour en Suède en 1890. L'invention de la chaudière de récupération par GH Tomlinson au début des années 1930 a été une étape importante dans l'avancement du procédé kraft. Il a permis la récupération et la réutilisation des produits chimiques de réduction en pâte inorganiques, de sorte qu'une usine de pâte kraft est un processus à cycle presque fermé en ce qui concerne les produits chimiques inorganiques, à l'exception de ceux utilisés dans le processus de blanchiment. Pour cette raison, dans les années 1940, le procédé kraft a remplacé le procédé au sulfite comme méthode dominante de production de pâte de bois.

Le processus

Imprégnation

Les copeaux de bois couramment utilisés dans la production de pâte ont une longueur de 12 à 25 millimètres (0,47 à 0,98 po) et une épaisseur de 2 à 10 millimètres (0,079 à 0,394 po). Les copeaux entrent normalement d'abord dans la précuisson à la vapeur où ils sont mouillés et préchauffés à la vapeur . Les cavités à l'intérieur des copeaux de bois frais sont en partie remplies de liquide et en partie d'air. Le traitement à la vapeur provoque la dilatation de l'air et environ 25 % de l'air est expulsé des copeaux. L'étape suivante consiste à saturer les chips de liqueur noire et blanche . L'air restant dans les copeaux au début de l'imprégnation de la liqueur est piégé à l'intérieur des copeaux. L'imprégnation peut être effectuée avant ou après l'entrée des copeaux dans le digesteur et se fait normalement en dessous de 100 °C (212 °F). Les liqueurs de cuisson sont constituées d'un mélange de liqueur blanche, d'eau en copeaux, de vapeur condensée et de liqueur noire faible. Lors de l'imprégnation, le jus de cuisson pénètre dans la structure capillaire des copeaux et des réactions chimiques à basse température avec le bois commencent. Une bonne imprégnation est importante pour obtenir une cuisson homogène et peu de rebuts. Environ 40 à 60 % de toute la consommation d'alcali, dans le processus continu, se produit dans la zone d'imprégnation.

Cuisson

Les copeaux de bois sont ensuite cuits dans des récipients sous pression appelés digesteurs. Certains digesteurs fonctionnent en discontinu et d'autres en continu. Il existe plusieurs variantes des processus de cuisson à la fois pour les digesteurs discontinus et continus. Les digesteurs produisant 1 000 tonnes ou plus de pâte par jour sont courants, le plus grand produisant plus de 3 500 tonnes par jour. Dans un digesteur continu, les matériaux sont alimentés à un débit qui permet à la réaction de réduction en pâte d'être achevée au moment où les matériaux quittent le réacteur. En règle générale, la délignification nécessite plusieurs heures (1,5 heures) à 170 à 176 °C (338 à 349 °F). Dans ces conditions, la lignine et l' hémicellulose se dégradent pour donner des fragments solubles dans le liquide fortement basique. La pulpe solide (environ 50 % en poids des copeaux de bois secs) est collectée et lavée. À ce stade, la pulpe est connue sous le nom de pâte brune en raison de sa couleur. Les liquides combinés, connus sous le nom de liqueur noire (en raison de sa couleur), contiennent des fragments de lignine, des glucides provenant de la dégradation de l'hémicellulose, du carbonate de sodium , du sulfate de sodium et d'autres sels inorganiques.

réaction nette de dépolymérisation de la lignine par SH − (Ar = aryle , R = groupes alkyle ).

L'une des principales réactions chimiques qui sous-tendent le procédé kraft est la scission des liaisons éther par les ions nucléophiles sulfure (S 2− ) ou bisulfure (HS − ).

Processus de récupération

L'excès de liqueur noire contient environ 15 % de solides et est concentré dans un évaporateur à effets multiples . Après la première étape, la liqueur noire contient environ 20 à 30 % de solides. A cette concentration, le savon à la colophane remonte à la surface et est écumé . Le savon collecté est ensuite transformé en tall oil . L'élimination du savon améliore l'opération d'évaporation des effets ultérieurs.

La liqueur noire faible est ensuite évaporée à 65 % ou même 80 % de solides ("liqueur noire lourde") et brûlée dans la chaudière de récupération pour récupérer les produits chimiques inorganiques afin de les réutiliser dans le processus de réduction en pâte. Des solides plus élevés dans la liqueur noire concentrée augmentent l'efficacité énergétique et chimique du cycle de récupération, mais donnent également une viscosité et une précipitation plus élevées des solides (bouchage et encrassement des équipements). Lors de la combustion, le sulfate de sodium est réduit en sulfure de sodium par le carbone organique du mélange :

1. Na 2 SO 4 + 2 C → Na 2 S + 2 CO 2

Cette réaction est similaire à la réduction thermochimique des sulfates en géochimie.

Les sels fondus ("smelt") de la chaudière de récupération sont dissous dans une eau de procédé connue sous le nom de "weak wash". Cette eau de procédé, également appelée « liqueur blanche faible », est composée de toutes les liqueurs utilisées pour laver les boues de chaux et les précipités de liqueur verte . La solution résultante de carbonate de sodium et de sulfure de sodium est connue sous le nom de "liqueur verte". La couleur verte éponyme de la liqueur verte provient de la présence de sulfure de fer colloïdal. Ce liquide est ensuite mélangé à de l'oxyde de calcium , qui devient de l'hydroxyde de calcium en solution, pour régénérer la liqueur blanche utilisée dans le processus de réduction en pâte par une réaction d'équilibre (Na 2 S est indiqué car il fait partie de la liqueur verte, mais ne participe pas à la réaction):

2. Na 2 CO 3 + Ca(OH) 2 → 2 NaOH + CaCO 3

Le carbonate de calcium précipite de la liqueur blanche et est récupéré et chauffé dans un four à chaux où il est transformé en oxyde de calcium (chaux).

3. CaCO 3 → CaO + CO 2

L'oxyde de calcium (chaux) est mis à réagir avec de l'eau pour régénérer l'hydroxyde de calcium utilisé dans la réaction 2:

4. CaO + H 2 O → Ca(OH) 2

La combinaison des réactions 1 à 4 forme un cycle fermé en ce qui concerne le sodium, le soufre et le calcium et est le concept principal du processus dit de recustification où le carbonate de sodium réagit pour régénérer l'hydroxyde de sodium .

La chaudière de récupération génère également de la vapeur à haute pression qui alimente les turbogénérateurs, réduisant la pression de vapeur pour l'utilisation de l'usine et générant de l' électricité . Une usine de pâte kraft moderne est plus qu'autosuffisante dans sa production d'électricité et fournira normalement un flux net d'énergie qui peut être utilisé par une papeterie associée ou vendue aux industries ou communautés voisines via le réseau électrique local. De plus, l'écorce et les résidus de bois sont souvent brûlés dans une chaudière électrique séparée pour générer de la vapeur.

Bien que les chaudières de récupération utilisant l'invention de GH Tomlinson soient d'usage général depuis le début des années 1930, des tentatives ont été faites pour trouver un procédé plus efficace pour la récupération des produits chimiques de cuisson. Weyerhaeuser a exploité avec succès un gazéificateur à flux entraîné de liqueur noire Chemrec de première génération dans son usine de New Bern en Caroline du Nord , tandis qu'une usine de deuxième génération est exploitée à l'échelle pilote dans l' usine de Smurfit Kappa à Piteå , en Suède .

souffler

Les copeaux de bois cuits finis sont soufflés dans un réservoir de collecte appelé réservoir de soufflage qui fonctionne à la pression atmosphérique. Cela libère beaucoup de vapeur et de substances volatiles. Les volatiles sont condensés et collectés ; dans le cas des résineux du nord, il s'agit principalement de térébenthine brute .

Dépistage

Le tamisage de la pulpe après la réduction en pâte est un processus par lequel la pulpe est séparée des gros anas , nœuds , saletés et autres débris. L' accepter est la pulpe. Le matériau séparé de la pulpe est appelé rejet .

La section de tamisage se compose de différents types de tamis (tamis) et de nettoyage centrifuge. Les tamis sont normalement installés dans une opération en cascade à plusieurs étages car des quantités considérables de bonnes fibres peuvent aller dans le flux de rejet lorsque l'on essaie d'obtenir une pureté maximale dans le flux d'acceptation.

Les fibres contenant les anas et les nœuds sont séparées du reste des rejets et retraitées soit dans un raffineur, soit renvoyées au digesteur. La teneur en nœuds est généralement de 0,5 à 3,0 % de la sortie du digesteur, tandis que la teneur en anas est d'environ 0,1 à 1,0 %.

La lessive

La pâte brune issue du soufflage va aux étapes de lavage où les jus de cuisson usagés sont séparés des fibres cellulosiques. Normalement, une usine de pâte à papier comporte 3 à 5 étapes de lavage en série. Des étapes de lavage sont également placées après la délignification à l'oxygène et entre les étapes de blanchiment également. Les laveurs de pâte utilisent un flux à contre-courant entre les étages de sorte que la pâte se déplace dans le sens opposé au flux des eaux de lavage. Plusieurs processus sont impliqués : épaississement / dilution , déplacement et diffusion . Le facteur de dilution est la mesure de la quantité d'eau utilisée pour le lavage par rapport à la quantité théorique nécessaire pour déplacer la liqueur de la pâte épaissie. Un facteur de dilution inférieur réduit la consommation d'énergie, tandis qu'un facteur de dilution supérieur donne normalement une pâte plus propre. Un lavage minutieux de la pulpe réduit la demande chimique en oxygène ( DCO ).

Plusieurs types d'équipements de lavage sont utilisés :

  • Diffuseurs de pression
  • Diffuseurs atmosphériques
  • Laveuses à tambour sous vide
  • Déplaceurs de tambour
  • Presses à laver

Blanchiment

Article détaillé : Blanchiment de la pâte de bois

Dans une usine moderne, la pâte brune (fibres de cellulose contenant environ 5 % de lignine résiduelle) produite par la réduction en pâte est d'abord lavée pour éliminer une partie de la matière organique dissoute, puis délignifiée par diverses étapes de blanchiment .

Dans le cas d'une usine conçue pour produire de la pâte pour fabriquer du papier pour sacs bruns ou du carton doublure pour boîtes et emballages, la pâte n'a pas toujours besoin d'être blanchie à un brillant élevé. Le blanchiment diminue la masse de pâte produite d'environ 5 %, diminue la résistance des fibres et augmente le coût de fabrication.

Produits chimiques de traitement

Des produits chimiques de traitement sont ajoutés pour améliorer le processus de production :

  • Aides à l'imprégnation. Des tensioactifs peuvent être utilisés pour améliorer l'imprégnation des copeaux de bois avec les jus de cuisson.
  • L'anthraquinone est utilisée comme additif de digestion. Il agit comme un catalyseur redox en oxydant la cellulose et en réduisant la lignine . Cela protège la cellulose de la dégradation et rend la lignine plus soluble dans l'eau.
  • Un briseur d'émulsion peut être ajouté dans la séparation du savon pour accélérer et améliorer la séparation du savon des liqueurs de cuisson utilisées par floculation.
  • Les antimousse éliminent la mousse et accélèrent le processus de production. Le drainage des équipements de lavage est amélioré et donne une pâte plus propre.
  • Les agents dispersants , antiadhésifs et complexants maintiennent le système plus propre et réduisent le besoin d'arrêts de maintenance.
  • Les agents de fixation fixent les dépôts potentiels finement dispersés sur les fibres et les transportent ainsi hors du processus.

Comparaison avec d'autres procédés de mise en pâte

La pâte produite par le procédé kraft est plus résistante que celle produite par d'autres procédés de réduction en pâte et conserve un taux de soufre effectif élevé (sulfuration), un déterminant important de la résistance du papier. Les procédés au sulfite acide dégradent davantage la cellulose que le procédé kraft, ce qui conduit à des fibres plus faibles. La réduction en pâte kraft élimine la majeure partie de la lignine présente à l'origine dans le bois, tandis que les procédés de réduction en pâte mécanique laissent la plus grande partie de la lignine dans les fibres. La nature hydrophobe de la lignine interfère avec la formation des liaisons hydrogène entre la cellulose (et l'hémicellulose) dans les fibres nécessaires à la résistance du papier (la résistance fait référence à la résistance à la traction et à la résistance à la déchirure).

La pâte kraft est plus foncée que les autres pâtes de bois, mais elle peut être blanchie pour obtenir une pâte très blanche. La pâte kraft entièrement blanchie est utilisée pour fabriquer du papier de haute qualité où la résistance, la blancheur et la résistance au jaunissement sont importantes.

Le procédé kraft peut utiliser une plus large gamme de sources de fibres que la plupart des autres procédés de réduction en pâte. Tous les types de bois, y compris les types très résineux comme le pin du sud , et les essences non ligneuses comme le bambou et le kénaf peuvent être utilisés dans le procédé kraft.

Sous-produits et émissions

Informations complémentaires : Impact environnemental du papier
Raffinerie de tall oil Forchem à Rauma , Finlande.

Les principaux sous-produits de la pâte kraft sont la térébenthine sulfate brute et le savon de tall oil . La disponibilité de ceux-ci dépend fortement des essences de bois, des conditions de croissance, de la durée de stockage des grumes et des copeaux et du processus de l'usine. Les pins sont les bois riches les plus extractifs. La térébenthine brute est volatile et est distillée hors du digesteur, tandis que le savon brut est séparé de la liqueur noire épuisée par décantation de la couche de savon formée au-dessus des réservoirs de stockage de liqueur. À partir des pins, le rendement moyen en térébenthine est de 5 à 10 kg/t de pâte et de tall oil brut est de 30 à 50 kg/t de pâte.

Divers sous-produits contenant du sulfure d'hydrogène , du méthylmercaptan , du sulfure de diméthyle , du disulfure de diméthyle et d'autres composés soufrés volatils sont à l'origine des émissions atmosphériques malodorantes caractéristiques des usines de pâte utilisant le procédé kraft. Les émissions de dioxyde de soufre des usines de pâte kraft sont bien inférieures à celles des usines de sulfite. Dans l'air ambiant à l'extérieur d'une usine de pâte kraft moderne typique, l'odeur de dioxyde de soufre n'est perceptible que lors de situations de perturbation, par exemple lorsque l'usine est arrêtée pour une interruption de maintenance ou lorsqu'une panne de courant prolongée se produit. Le contrôle des odeurs est réalisé par la collecte et la combustion de ces gaz odorants dans la chaudière de récupération aux côtés de la liqueur noire. Dans les usines modernes, où les solides bien séchés sont brûlés dans la chaudière de récupération, pratiquement aucun dioxyde de soufre ne sort de la chaudière. À des températures de chaudière élevées, le sodium libéré par les gouttelettes de liqueur noire réagit avec le dioxyde de soufre, le piégeant ainsi efficacement en formant des cristaux de sulfate de sodium inodores .

Les usines de pâte à papier sont presque toujours situées à proximité de grands plans d'eau en raison de leur forte demande en eau. La délignification des pâtes chimiques libère des quantités considérables de matières organiques dans l'environnement, en particulier dans les rivières ou les lacs. Les effluents d'eaux usées peuvent également être une source majeure de pollution, contenant des lignines des arbres, une demande biologique élevée en oxygène (DBO) et du carbone organique dissous (COD), ainsi que des alcools , des chlorates , des métaux lourds et des agents chélatants . Les effluents du procédé peuvent être traités dans une station d'épuration biologique des effluents , ce qui permet de réduire considérablement leur toxicité.

Voir également

Les références

Lectures complémentaires

  • Gullichsen, Johan; Carl-Johan Fogelholm (2000). Science et technologie de la fabrication du papier : 6. Mise en pâte chimique . Finlande : Tappi Press. ISBN 952-5216-06-3.

Liens externes