ІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ Й НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

«КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІСТИТУТ»

КАФЕДРА ЕКОЛОГІЇ ТА ТЕХНОЛОГІЇ РОСЛИННИХ ПОЛІМЕРІВ

КУРСОВИЙ ПРОЕКТ

На тему: «Проект цеху періодичного варіння

сульфатної целюлози марки НС-1»

Перевірив викладач: Виконала студентка: ф.ІХФ, ЗЛЦ-11,

Лобан Людмила Леонідівна

Черьопкіна

Романія Іванівна

КИЇВ-2006

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ Й НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

«КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІСТИТУТ»

КАФЕДРА ЕКОЛОГІЇ ТА ТЕХНОЛОГІЇ РОСЛИННИХ ПОЛІМЕРІВ

КУРСОВИЙ ПРОЕКТ

На тему: «Проект цеху періодичного варіння

сульфатної целюлози марки НС-1»

Перевірив викладач: Виконала студентка: ф.ІХФ, ЗЛЦ-11,

Лобан Людмила Леонідівна

Черьопкіна

Романія Іванівна

КИЇВ-2006

Анотация

В данном курсовом проекте изложены теоретические основы технологических процессов

сульфатцеллюлозного производства, — сульфатной варки и промывки целлюлозы, выпарки,

сжига­ния и каустизации щелоков. Описаны типы применяемого оборудования и приведена

технологическая схема, а также описан процесс работы котла периодической варки. Приведены

расчеты материальных и тепловых балан­сов важнейших процессов, даны основные

производственно-технические и тех­нико-экономические показатели. Приведены допускаемые

ГОСТы к выпускаемой целлюлозе НС-1.

Кратко освещены вопросы производства целлюлозы на Украине, охраны окружаю­щей среды, автоматизации производства и

организации труда на сульфатцеллюлозных предприятиях.

К курсовому проекту прилагается

два чертежа: А1 – «Технологическая схема варки в котлах периодического действия»,

А2- «Ротационного питателя варочного котла».

ЦЕЛЛЮЛОЗА (ФРАНЦ . CELLULOSE)

=======

От лат. cellula, букв. - комнатка, здесь - клетка) (клетчатка), полисахарид, образованный остатками глюкозы; главная составная часть клеточных стенок растений, обусловливающая механическую прочность и эластичность растительных тканей. В коробочках хлопчатника содержится 95-98% целлюлозы, в лубяных волокнах 60-85%, в стволовой древесине 40-55%. В природе разложение целлюлозы осуществляют организмы, имеющие целлюлозу. Природные (хлопковые, лубяные) и модифицированные волокна из целлюлозы используются в текстильной промышленности

ЛИГНИН

=======

Органическое полимерное соединение, содержащееся в клеточных оболочках сосудистых растений; вызывает их одревеснение. Древесина лиственных пород содержит 20-30% лигнина, хвойных - до 50%. Ценное химическое сырье, используемое во многих производствах.

СУЛЬФАТНЫЙ ЩЕЛОК

=======

раствор, образующийся при варке целлюлозы по сульфатному способу. Содержит ок. 50% щелочного лигнина. Из сульфатного щелока отстаиванием выделяют сульфатное мыло.

СУЛЬФИТНЫЙ ЩЕЛОК

=======

Раствор, образующийся при сульфитной варке целлюлозы. Содержит углеводы и лигниносульфонаты (до 10%). Путем химической переработки из сульфитного щелока получают фенолы, ароматические кислоты, ванилин; биохимическим путем - этиловый спирт, кормовые дрожжи, антибиотики и др.

Аналіз виробництва сульфатної целлюлози в Україні

Упродовж 2003 долі українська паперова промисловість продовжувала нарощувати виробництво основних видів продукції. Загальний обсяг виробництва паперу і картону досяг 523,3 тис. т, що на 10% більше, ніж у 2002 р. Виробництво паперу збільшилось із 124,1 до 136 тис. т, картону — з 350 до 387 тис. т. Завантаженість паперових і картоноробних машин зросла з 68 до 76%. Аналіз виробництва окремих видів продукції показує, що виробництво сульфітної та сульфатної целюлози зокрема в Україні запозбавилося на попередньому рівні, хоча виробництво сульфатної целюлози Жидачівський ЦПК збільшив його випуск на 556 т. Загалом ситуація на ринку целюлози у впродовж 2003 долі була напруженою. Масовий демпінг з боку Польщі та Росії змусив вітчизняного виробника вносити корективи у свої виробничі програми. Так, зокрема, у 2003 р. у новітній історії вітчизняної целюлозно-паперової промисловості сталася знакова подія — на Жидачівському ЦПК було введено в дію нову папероробну машину потужністю 30 — 35 тис. т на рік .Зараз майже вся продукція з цьогокомбінату експортується. Це свідчить про високий технічний рівень. Що стосується інших виробників целлюлози, то їх виробництво зросло майже до 14 тис. т. Завісься приріст відбувся за рахунок виробництва на Дніпропетровській паперовій фабриці сульфіним способом в основному на експортованій сировині та вітчизняній мпа. Слід зазначити, що це підприємство розвивається дуже динамічно. У кінці долі на фабриці введено в дію нову лінію для виробництва учнівських зошитів, підвищується якість продукції, впроваджуються природоохоронні заходи. За останніми даними, Дніпропетровська ПФ у 2003 р. розширить асортимент продукції, ввівши в дію нову папероробну машину з виробництва туалетного паперу зі знебарвленої макулатури. Це буде перша лінія по знебарвленню макулатури в Україні. Виробництво писального паперу та учнівських зошитів на Понінківському КПК скоротилось відповідно в 1,6 і 2,5 рази. Зараз цей комбінат перебуває в надзвичайно важкому становищі і без сторонньої допомоги вже не зможе подолати кризу, що неухильно насувається. За минулий рік майже в півтора разу збільшилось виробництво палітурного картону (з 2200 т до 3250 т). Це опосередковано свідчить, що випуск книжкової продукції в Україні все-таки зростає. Головні виробники палітурного картону — Жидачівський ЦПК та Луцький КРЗ. Десять років тому Жидачівський ЦПК був єдиним в Україні виробником палітурного картону. Потім на багато років призупинив його виробництво і лише минулого долі вийшов на ринок знову. Зараз фахівці підприємства активно працюють над усуненням недоліків своєї продукції, тісно співпрацюють з поліграфістами і планують у цьому році наростити ще на 1500 т випуск вітчизняного палітурного картону. 2003 році доля риноку пакувального картону була в Україні надзвичайно динамічною .

Таблица.2

						тис. т
Виробництво		Імпорт		Експорт		Споживання
2002	2003	2002	2003	2002	2003	2002	2003
63,0	84,4	65	86	33	42	95	128,4

Вітчизняні виробники — Київський КПК, Жидачівський ЦПК і «Львівкартонопласт» виготовили 84,4 тис. т. пакувального картону, з їх половину експортували. Натомість в Україну завезено 86 тис. т поліграфічних видів картону. Тобто імпорт перевищив виробництво. Зважаючи на ті, що змінюється структура ринку і відбувся поворот українських споживачів у бік якісної упакування, цей сегмент ринку буде в найближчі роки розвиватиметься високими темпами. Отже, українські виробники зможуть нарощувати потужності з виробництва пакувальних картонів. Йдеться передусім про картони, придатні для виготовлення високоякісної упакування з багатоколірним друком. За нашими даними, у цьому році Київський КПК розпочинає комплексну програму модернізації виробництва пакувального картону. Будемо сподіватись, що його присутність на українському ринку незабаром відчутно зросте.

ТЕХНИКА ПЕРИОДИЧЕСКОЙ ВАРКИ

УСТРОЙСТВО ВАРОЧНЫХ КОТЛОВ

(Типы, форма и размеры котлов)

Для варки натронной и сульфатной древесной целлюлозы по периодическому методу применяются стальные клепаные или сварные вертикальные варочные котлы. Варочные котлы рассчитывают на рабочее давление 1—1,25 МЛа; тол­щина стенки составляет 25—30 мм. Внутренней футеровки котлы для щелочной варки, как правило, не имеют. Для обес­печения плотности клепаных котлов стыки и заклепочные го­ловки по окончании клепки и чеканки обваривают изнутри электросваркой. В последние годы на сульфатцеллюлозных за­водах устанавливают котлы исключительно сварной конструк­ции.

Вертикальные котлы для сульфатной и натронной варки опоражниваются по способу выдувки и имеют сигарообразную форму с отношением высоты к диаметру в пределах от 2,8 до 4,5. Угол нижнего конуса близок к 60°, верхнего — к 90°; иногда верхний конус выполняется в форме полу­сферы.

Котлы обязательно снабжаются системой принудительной циркуляции щелока. В случае прямого обогрева щелок заби­рается насосом из-под ложного днища в нижнем конусе котла и по наружной циркуляционной трубе подается в верхнюю часть. Пар внутрь котла подводится по кольцевой трубе, рас­положенной в месте перехода цилиндрической части в нижний конус или через штуцер, расположенный в нижней горловине. При прямом обогреве образующийся конденсат пара разбав­ляет щелок. Поэтому уже давно на натронных и сульфатных заводах стали применять системы принудительной циркуляции щелока с непрямым нагревом.

Циркуляци­онный центробежный насос забирает щелок из-под круговой циркуляционной сетки, состоящей из отдельных секций и распо­ложенной посредине цилиндрической части котла. Щелок, на­гретый в подогревателе, делится в верхней его головке на две части, из которых одна поступает в верхний, вторая — в ниж­ний конус котла через соответствующие штуцеры. Объем сульфатцеллюлозных варочных котлов в среднем зна­чительно меньше, чем сульфитцеллюлозных. Это различие сло­жилось исторически и объясняется тем, что продолжительность сульфатной варки гораздо меньше, чем сульфитной. В табл. 15 указаны основные размеры клепаных и сварных котлов объе­мом от 95 до 160 м³, применяемых в европейской практике,

Объем котла, м3

Рабочее давление, МПа

Внутрен­ний диаметр, мм

Полная высота между фланцами, мм

Отношение высоты к диаметру

Высота цилиндриче­ской части, мм

Масса котла, т

Таблица 2

Клепаные котлы

95

	1,2	3600	12510	3,48	6560	48,0
106	1,2	3600	13500	3,75	7550	51,0
125	1,1	4000	13500	3,37	6980	55,0
140	1,2	4500	12950	2,88	5500	76,7
150	1,2	4500	13550	3,01	6100	85,0
60	1,2	4500	14 150	3,13	6700	90,5

Сварные котлы

3,83

3.70

3,30

3,10

Отечественные (сварные) котлы

1. Осмотр варочного котла, всей аппаратуры и подготовка их к очередному циклу варки.

2. Загрузка котла щепой и варочным ще­локом.

3. Заварка (подъем температуры в котле до конечной температуры варки).

4. Терпентинные сдувки (удаление газов и воздуха).

5. Варка при конечной температуре.

6. Конечные сдувки для снижения давле­ния (если выдувка массы не производится с полного давления варки).

7. Выдувка массы.

При осмотре варочного котла проверяется полнота удаления массы из котла, очистка клапана и седла выдувного клапана от остат­ков массы (при необходимости). При осмотре циркуляционного насоса контролируется на­личие масла в подшипниках или их заполне­ние консистентной смазкой и поступление на подшипник и вал насоса охлаждающей воды. При обнаружении в охлаждающей воде сле­дов щелока, попавшего через сальник, набив­ку уплотняют или заменяют.

Загрузка щепы начинается после осмотра котла и установки воронки или телескопичес­кой трубы, соединяющей бункер с горловиной котла. В течение загрузки щепа уплотняется паром. Для этого используется уплотняющее устройство, которое установлено в верхней гор­ловине котла. Щепа также может уплотнять­ся циркуляцией щелока во время и после за­грузки (с одной или двумя дозагрузками), а также комбинированным способом пропарки и циркуляции. При этом способе залива­ется часть черного щелока, загружается щепа до половины котла и в низ котла подается пар на пропарку. Далее после окончания заг­рузки щепы и при выходе пара через верх­нюю горловину подается заданное количество белого щелока и недостающее количество чер­ного щелока. При заливке щелоков пар кон­денсируется и в котле образуется вакуум, что улучшает уплотнение и пропитку щепы. Все операции проводят при циркуляции щелока. После завершения дозагрузки котла и залив­ки варочного щелока котел переходит в ста­дию заварки.

На современных заводах для более равно­мерного распределения щепы в котле и со­кращения непроизводительного времени, за­трачиваемого на загрузку котла и уплотнение щепы с помощью паровых уплотнителей, за­грузку осуществляют путем подачи щепы че­рез циклон, в который она подается либо по транспортеру, либо пневмотранспортом. Иног­да загрузка производится с использованием загрузочного питательного шнека.

Заварка котла производится после завер­шения загрузки его щепой и заливки щело­ков, затем котел герметизируется и начина­ется постепенный подъем температуры и дав­ления в котле. Этот процесс проводится в стро­гом соответствии с графиком варки согласно технологическому режиму. На современных заводах процесс контролируется и управляет­ся системой автоматического управления тех­нологическим процессом.

Образующиеся в процессе подъема темпе­ратуры газообразные продукты и пары орга­нических соединений создают в котле избы­точное давление, не соответствующее темпера­туре варки. Поэтому, начиная со 120... 130 °С, производят так называемую терпентинную сдувку, которая продолжается до достижения температуры варки 165...175 "С. Терпентин­ной сдувка называется потому, что в сдувочных газах находятся главным образом пары скипидара. В зависимости от режима варки терпентинные сдувки проводятся во время заварки периодически или непрерывно. Во избежание уноса щелока из котла во время сдувок их проводят постепенно при не полно­стью открытом клапане на сдувочном трубо­проводе.

Варка при конечной температуре начина­ется после достижения ее согласно техноло­гическому режиму.

На конечной температуре котел выдерживается предусмотренное графи­ком время. В период стоянки на конечной температуре подача пара к котел или подо­греватель полностью прекращается, а цирку­ляция продолжает работать непрерывно до окончания варки. Конец варки определяется временем варки по режиму; иногда конец вар­ки определяют, анализируя пробу массы из пробоотборника котла.

В зависимости от температурного режима варки можно получать массу с различной сте­пенью делигнификации и выходом из расти­тельного сырья.

Например:

Сульфатная полуцеллюлоза с выходом,% 65...75

Целлюлоза высокого выхода с выходом,% 55...65

Жесткая целлюлоза с выходом, % ... 52...55

Среднежесткая целлюлоза с выходом, % 48...52

Мягкая целлюлоза с выходом, % .... 42...46

Конечная сдувка производится по заверше­нии варки. Давление в котле при этом сни­жается с 0,7...0,8 МПа до 0,4...0,5 МПа. На большинстве отечественных заводов для со­кращения оборота котла вместо конечной сдув-ки производят выдувку массы с полного дав­ления в котле.

Перед началом выдувки выдувной трубо­провод прогревается паром, проверяется пра­вильность установки трехходового вентиля на выдувной линии и затем постепенно откры­вается выдувной клапан. При нормальном ходе выдувки массы из котла давление в нем снижается постепенно, а когда в котле прак­тически не остается массы, оно резко падает до нуля. При выдувке массы в выдувной ре­зервуар продолжительность выдувки при нор­мальных условиях в зависимости от объемов котла и диаметра выдувного трубопровода составляет 10...20 мин. При объеме котлов 110...140 м³ диаметр выдувного трубопрово­да должен быть не менее 250...300 мм.

Современные технологии периодической сульфатной варки с холодной выгрузкой мас­сы из котла и рекуперацией тепла черного щелока («модифицированные варки») несколь­ко отличаются от традиционной сульфатной варки как по существу проведения процесса, так и по технико-экономическим показате­лям процесса.

В качестве примера описания энергосбере­гающей технологии периодической сульфат­ной варки можно привести работу на швед­ском заводе в г. Вейя, где применяется техно­логия Сундс-Целлеко. Основными задачами модернизации на этом заводе, которую прово­дила фирма «Сундс Дефибратор», были — сни­жение расхода пара на варку, увеличение эф­фективности промывки целлюлозы, уменьше­ние разбавления щелока.

Щепу при загрузке уплотняют свежим па­ром. Черный щелок, нагретый до 170 °С, и бе­лый щелок при 155 °С подают в котел по от­дельным трубопроводам. Это позволяет регу­лировать их соотношение. В варочные котлы объемом 265 м³ закачивается по 160 м³ ще­лока. Температура в котле после закачки со­ставляет величину 140...150 °С. Нагрев до конечной температуры варки 170 °С осуществ­ляется за 30...40 мин вместо 60...90 мин до модернизации. Объем циркулирующего ще­лока в начале варки 1200 м /ч, в конце вар­ки — 600 м /ч. Стоянка при температуре вар­ки около 60 мин, контроль по Н-фактору. Пос­ле варки из котла вытесняют 180...200 м го­рячего черного щелока. Вытеснение осуществляется снизу вверх. Время оборота котла 4 ч. Управление процессом варки пол­ностью автоматизировано. Расход свежего пара на варку после внедрения новой техноло­гии составил 1 т пара на 1 т целлюлозы (1,6 ГДж/т), т. е. на 55 % ниже, чем по ста­рой обычной технологии периодической вар­ки. На заводе Вейя варку ведут до жесткости 50...52 ед. Каппа. Конечная продукция пред­приятия — мешочная бумага.

После модернизации концентрация отрабо­танного щелока увеличилась с 16 до 19 %, что позволило сократить расход пара и на выпар­ке. Следует отметить, что на заводе для нагре­ва белого щелока горячим черным щелоком используется трехступенчатый теплообменник пластинчатого типа фирмы «Целлеко» с боль­шой поверхностью нагрева и длиной секции 6 м. При промывке целлюлозы фактор раз­бавления снизился с 2,5 М³/т до 1,5 м³/т, про­мывку после диффузионной промывки в кот­ле ведут на четырех вакуум-фильтрах Вяртси-ля, а затем на вытеснительном прессе Сундс.

Конечная концентрация массы составляет 32 %, степень отбора щелоков — 99 %, поте­ри сульфата натрия снизились с 13 до 8... 10 кг/т .

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОЦЕССА СУЛЬФАТНОЙ ВАРКИ

Порядок операций

Щелочная (натронная и сульфатная) варка целлюлозы из древесины различных пород на современных предприятиях про­изводится как в периодически работающих варочных котлах, так и в варочных установках непрерывного действия.

Техника натронной и сульфатной варки целлюлозы в пе­риодически действующих варочных котлах во мно­гом схожа с техникой сульфитной варки. В котел из бункеров или с конвейера загружают щепу и закачивают из баков-мерни­ков варочный, так называемый белый щелок, содержа­щий необходимую для варки активную щелочь. К бе­лому щелоку, как правило, примешивают некоторое количество отработанного черного щелока с целью получить после варки щелок более высокой концентрации, для выпарки которого в процессе регенерации будет затрачиваться меньше пара. Со­держимое котла нагревают до 165—175 °С либо острым паром, либо, чаще, непрямым способом, прогоняя щелок через обогре­ваемый паром подогреватель. Температуру поднимают более или менее равномерно сразу до конечного ее значения, не делая промежуточных стоянок при более низких температурах. В про­цессе подъема температуры производят так называемую тер­пентинную сдувку, с которой из котла уходят главным образом пары скипидара (отсюда ее название), небольшое ко­личество водяных паров, воздух, оставшийся в котле после за­грузки, и некоторые органические летучие продукты. В резуль­тате в момент достижения конечной температуры в паровом пространстве котла практически не остается посторонних газов, и показываемое манометром давление почти точно отвечает парциальному давлению водяного пара (0,75—0,85 МПа, или 7,5—8,5 кгс/см²). На конечной температуре котел выдерживают положенное по режиму варки время, как правило, при непре­рывной циркуляции щелока, но без подачи пара. Конец варки устанавливают по опыту, руководствуясь продолжительностью и температурой варки.

Периодическая варка. Когда котел будет заполнен щепой (это будет видно по показателю индикатора уровня щепы). При это останавливают вибратор, находящийся в бункерной коробке, затем последовательно дозатор щепы, шнек пропарной камеры, а через 1-2 мин. Питатель выс.давления и насос возвратного варочного щелока. После этого прекращают подачу пара низкого давления, и шнек загрузочного устройства котла. Затем прекращается циркуляция варочного щелока в питательной линии верхней циркуляции и перекрываются вентили на трубопроводах подачи в котел черного щелока. Для заливки его необходимого по расчету на варку кол. Белого щелока, избыток черного щелока до тех пор, пока уровень жидкости в котле не установится примерно на высоте 1.5 м выше варочной зоны. Воздух из котла удаляют через предохранительный клапан, а затем вентиль, соединяющий сдувочную линию с пропарочной камерой. Процесс начинается с включения в работу циркул. Насосов нагнетающих нагретый щелок.

Заварка котла. В процессе заварки происходит пропитки щепы раствором щелочи. Пропитка щепы заканчивается при температуре 120-130С, после чего начинается растворение инкрустирующих веществ.

Продолжительность варки должна быть не менее 1.5-2ч. Во время заварки периодически сдувают газообразные вещества. Продукты сдувки направляют на специальные установки, где отбирают метиловый спирт и скипидар.

Варка. В зависимости от вида получаемой целлюлозы, время варки колеблется от 0.5 до 2ч. При температуре 160-180С. Окончание варки определяют по температуре, времени заданного режима, а так же по пробе массы, отобранной в конце варки через штуцер.

Выдувка массы. По истечении времени производят опорожнение котла выдувкой в диффузоры, выдувные резервуары или циклоны. Выдувной резервуар должен составлять не менее трех объемов варочного котла. В нижней части должна стоять резервуара устанавливают вертикальную пропеллерную мешалку. Масса поступает в верхнюю часть резервуара через выдувное сопло, расположенное по касательной стенке резервуара. Пары, выделяющиеся при этом отводятся из верхней части резервуара через трубу в теплоулавливающую установку. После выдувки масса имеет концентрацию 11-12%.

Для подачи на промывку массу разбавляют черным щелоком до концентрации 3-5%.

Щелок подается под давлением через сопла в нижний конус резервуара. Количество щелока определяется автоматически в зависимости от нагрузки Эл.двигателя мешалки. Благодаря этому поддерживается постоянная концентрация массы выходящей из резервуара.

Высокий выход целлюлозы объясняется тем, что в процессе варки из древесины удаляется меньше лигнина и гемицеллюлоз, чем при обычной варке.

Преимущества варки высокого выхода по сравнению с обычным режимом, следующие:

Сокращение оборота котла, уменьшение расхода щелочи на варку, сокращение удельного расхода пара, высокий выход целлюлозы с 1м3 котла (115-120кг), при обычном = 75-95 кг.

Эквивалентные соотношения (последние два подсчиты­ваются только для сульфатного щелока):

степень каустизации =

степень сульфидности = -

степень восстановления =

Чаще всего эти соотношения выражаются в процентах и при их расчете содержание соответствующих натриевых соедине­ний в щелоке пересчитывается на единицы NaOH или Na2O. Численно степень каустизации в производственных условиях со­ставляет 82—88%, степень сульфидности колеблется от 15 до 35%, а степень восстановления на современных предприятиях превышает 90 %. Концентрация активной щелочи в белом щелоке колеблется в пределах от 90 до 120 кг NajO в 1 м³ раствора. После за­качки щелока в котел за счет разбавления частично возвращае­мым на варку черным щелоком и водой, содержащейся в щепе, концентрация активной щелочи снижается до 30—60кгК'а₂О/м³, или до 40—80 кг NaOH/м³. При таких концентрациях, отве­чающих 1—2 молярным, варочный щелок имеет весьма высо­кий начальный рН, примерно 13—14. К концу варки концент­рация активной щелочи в растворе понижается до 3—5 кг МлзО/м³, т. е. уменьшается примерно в 10 раз против началь­ного значения, но рН варочного раствора снижается лишь на единицу и удерживается в явно щелочной области (рН 12—13). Содержание п варочном растворе достаточно большого количе­ства натриевых солей слабых минеральных, а к концу варки также органических кислот способе щелочной буферной емкости, раствора остается достаточно, если вся активная ще­лочь будет полностью израсходована на реакции с органическими веществами. Натриевые соли слабых кислот, имеющиеся в белом щелоке(сульфид,карбонат и сульфит), в результате водного гидролиза частично образуют кислые соли:

Na₂S + H₂O=F±NaOH + NaSH; Na₂CO₃ + Н₂0 + NaOH

Конец и начало варки

Освоение модифицированной сульфатной вар­ки

с холодной выгрузкой массы

из котла и рекуперацией тепла черного щелока.

Щелок вытесняется в аккумулятор, откуда затем за­качивается в варочные котлы. Схема вытес­нения представлена на рис.(1) После завершения варки в низ котла через гидромонитор и шаровой клапан Б с позицио­нером по линии 2 из фильтратного бака про­мывной станции высоконапорным насосом подается слабый черный щелок. При этом горячий черный щелок из варочного котла ВК по линии сдувок через шаровой клапан С вы­тесняется в бак-аккумулятор ДА. В процессе вытеснения клапан терпентинных сдувок Е и клапан конечных сдувок Д на варочном котле закрыты. На баке-аккумуляторе кла­пан С открыт, а клапан Е открыт и работает в режиме регулирования. Окончание вытесне­ния контролируется по температуре в вароч­ном котле.

После завершения вытеснения горячего черного щелока из ВК в бак-аккумулятор БА клапан С на варочном котле закрывается и ВК переходит в стадию выгрузки массы, а бак-аккумулятор в стадию «ожидания». При этом шаровые клапаны С, Д и Ј на БА закрыты. Для выравнивания температуры и давления в баке-аккумуляторе периодически вклю­чается его система циркуляции черного ще­лока. По окончании загрузки в варочный котел щепы и белого щелока в систему циркуляции щелока в котле из бака-аккумулятора по ли­нии 1 через регулирующие клапаны Q и А подается горячий черный щелок. Расход по­даваемого черного щелока регулируется при помощи клапана Q. Подача осуществляется при включенном циркуляционном насосе ва­рочного котла.

По окончании загрузки необходимого ко­личества горячего черного щелока в варочный котел клапаны А и Q закрываются и котел переводится в режим варки целлюлозы по заданному графику.

Начиная с температуры 125...130 °С и до конечной температуры вар­ки клапан терпентинных сдувок работает по установленной программе.

Линия 4 служит для подачи белого и чер­ного щелока в варочные котлы в исходной схеме. При установке высоконапорного насо­са на первом этапе освоения технологии хо­лодной выгрузки массы из котла с рекупера­цией тепла черного щелока линия может быть использована для вытеснения горячего чер­ного щелока из котла в аккумулятор. При этом черный щелок из бака черного щелока через клапан А и циркуляционный насос по­дается в нижнюю циркуляцию котла через клапан 5. В это время клапаны 6 и 7 закры­ты. Горячий черный щелок по линии 3 через клапаны С на котле и баке-аккумуляторе БА поступает в последний. идним в преимуществ модифицированной сульфатнойпериодической варки является то, что при хиодной выгрузке массы из котла резко сокрацается выброс вредных серосодер­жащих соединений, что снижает экологичес­кую нагружу на окружающую среду в райо­не предпршгия. В табл. 5.18 приводятся срав­нительные цанные [23] состава газовых вы­бросов при обычной периодической сульфат­ной варке шри варке с холодной выгрузкой массы из ила.

Модифицированная периодическая суль­фатная вари позволяет проводить процесс до низких зниений числа Каппа (продленная делигнифииция) с сохранением вязкости цел­люлозы на более высоком уровне, чем при обычной сульфатной варке.

Таблица газовых выбросов

	Содержание, кг/т, в. с. целлюлозы
	обычная периоди­ческая варка	варка с холодной выгрузкой
Сероводород	0,04	0,00

Рис. Схема вытеснения горячего щелока в аккумулятор .

Для окисления сульфатного щелока используются в основном угольные катали­заторы (способ МОКСИ). Эти предприятия находятся в США, Норвегии, Японии и Кана­де. Применение полисульфидного способа наи­более рационально на заводах с ограниченны­ми мощностями по варке и/или регенерации химикатов, где повышение выхода целлюло­зы будет способствовать увеличению ее выра­ботки и/или снижению нагрузки на цикл ре­генерации. Однако работы по усовершенство­ванию метода и повышению его экономической привлекательности продолжаются доста­точно интенсивно.

ПОЛУЧЕНИЕ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ ДЛЯ ХИМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ

СУЛЬФАТНЫМ СПОСОБОМ С ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫМ ГИДРОЛИЗОМ

Химические способы:

Сульфитная обработка.

Это кислотный процесс, применяемый для мяг­ких пород древесины, особенно для ели.

Бисульфит кальция и диоксид серы, растворенные в воде, подаются в автоклавную башню, наполненную древесными опилками. Опилки и жид- кость запариваются вместе на срок от 6 до 24 часов, после чего полученный продукт просеивается и промывается.

В процессе термообработки основные примеси, присутствующие в дре­весных опилках — лигнин, смола, элементы гемицеллюлозы — постепен­но исчезают, и остаются лишь чистые волокна целлюлозы, необходимые для получения качественной бумаги.

По сравнению с механическим способом, выход готового продукта здесь довольно небольшой: только около 50% веса целлюлозы от веса сухих дре­весных опилок.

Сульфатная обработка.

Это щелочной процесс, иногда называемый крафт-процесс, применяется как для мягких пород древесины (в основном, сосна), так и для твердых пород (в основном, береза).

Каустическая сода, сульфид натрия и сульфат натрия применяются для термообработки при непрерывной подаче древесных опилок в автоклав. После 2 — 3 часов волокна легко отделяются, сохраняя полную свою длину — в этом основное преимущество процесса, используемого для получения прочной целлюлозной массы.

Выход готового продукта также достаточно велик: около 65-70% от веса древесных опилок.

В любом случае — при сульфитном или сульфатном методе — получен­ный продукт затем промывается, просеивается и подается в секцию отбе­ливания в форме кашицы.

Окончательный продукт носит название беленной сульфитной или суль­фатной целлюлозы соответственно.

Одним из распространенных способов про­изводства целлюлозы для химической пере­работки является сульфатный способ с пред­варительным гидролизом древесины. Гидро­лиз древесины перед сульфатной варкой яв­ляется наиболее эффективным и дешевым способом облагораживания сульфатной ра­створимой целлюлозы.

Известны два основных способа предвари­тельного гидролиза древесины — кислотный и водный. Имеется достаточно много их мо­дификаций.

Кислотный гидролиз проводится разбавлен­ными растворами минеральных кислот при концентрации 0,25...0,55 % и при темпера­туре 120...130°С. Водный и паровой гидролиз проводятся при температуре 150...170°С в течение 1,5...2 ч при гидромодуле 1,5...4,5:1.

В процессе предварительного гидролиза дре­весины в кислой среде при достаточно высо­ких температурах часть гемицеллюлоз пере­ходит в раствор. Оставшаяся в твердом остат­ке древесины после гидролиза часть гемяцеллюлоз подвергается воздействию кислых продуктов предгидролизата, способствуя их растворению при последующей сульфатной вар­ке.

Таблица (3)

Влияние способа гидролиза на показатели небеленой целлюлозы, из хвойкой древесины

Показатель	Водный гидролиз			Кислотные гидролиз
	I	2	3	1	2	3
Температура гидролиза, "С	150	160	170	110	120	130
Выход небеленой сульфатной целлюлозы, %	36,4	37,1	35,9	35,6	35,0	31,6
Жесткость целлюлозы, п. е.	Т6	80	73	79	84	135
Содержание а-целлюлозы, %	95,2	95,1	95,2	95,1	95,4	94,7
Вязкость небеленой целлюлозы, мПа - с	32,8	34,3	29,5	33,7	23,7	17,9
Содержание пентозанов, %	5,9	5,9	5,7	5,8	4,7	3,8

В предгидролизате часть гемицеллюлоз находится в виде моносахаридов, а часть в виде полисахаридов. Соотношение этих ве­ществ, а также общее количество гемицеллю­лоз в предгидролизате характеризуют глубинуи интенсивность предгидролиза (кислотность среды, температура, продолжительность).

Водный гидролиз протекает в более мяг­ких условиях, чем кислотный, так как источ­ником водородных ионов в данном случае яв­ляются органические кислоты — уксусная и муравьиная, которые каталитически ускоря­ют процесс гидролиза и позволяют осуществ­лять его при более высоком рН. Гидролизованные сахара, перешедшие в раствор, разру­шаются в процессе предгидролиза до фурфу­рола и других продуктов, которые могут быть утилизированы и переработаны в ценные про­дукты. При кислотном или водном предгид-ролизе в раствор переходит от 18 до 25 % ве­ществ древесины.

В настоящее время наиболее распространен­ным способом предгидролиза при производ­стве сульфатной вискозной целлюлозы явля­ется водный, хотя в 1934-1945-х гг. в про­мышленности Германии и Швеции применял­ся кислотный предгидролиз древесины перед сульфатной варкой. Выход твердого остатка после кислотного предгидролиза ниже, чем после водного. Соответственно выход раство­римой небеленой целлюлозы при одинаковой степени провара после сульфатной варки в случае кислотного предгидролиза также ниже, хотя и тот, и другой способ предгидро­лиза позволяют получать растворимую цел­люлозу высокого качества как по содержанию целлюлозы, так и пентозанов.

В отличие от кислотного предгидролиза водный предгидролиз древесины протекает в менее агрессивных условиях при конечном рН 3,3...4,0. Поэтому процесс водного и паро­вого гидролиза осуществляется в тех же ва­рочных котлах, что и сульфатная варка.

При кислом гидролизе условия процесса более жесткие, рН предгидролизата более низ- кий, что требует применения кислотоупорных материалов при аппаратурном оформлении процесса. Поэтому процесс разделен на две стадии: первая — кислый предгидролиз про­водится в гидролизаппаратах со специальной кислотостойкой обмуровкой или с покрыти­ем из кислотоупорной стали, затем вторая — промывка гидролизованной щепы от остатков кислоты и погружение ее в емкости типа силосов, откуда щепа загружается в варочные котлы для проведения сульфатной варки.

ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПРЕДГИДРОЛИЗА НА СВОЙСТВА

РАСТВОРИМОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ

При получении целлюлозы для химической переработки с заданными свойствами необхо­димо регулировать процесс предгидролиза та­ким образом, чтобы получать целлюлозу необ­ходимого качества пока­зано, что увеличение продолжительности и тем­пературы гидролиза приводит к снижению выхода целлюлозы, ухудшению степени ее про­вара, а также к некоторому снижению содер­жания А-целлюлозы. Эти закономерности ха­рактерны как для хвойной, так и для ли­ственной древесины. Было предложено для сокращения расхода ще­лочи на варку, повышения съема РВ после предгидролиза и улучшения степени провара цел­люлозы проводить промывку предгидролизованной щепы и подавать антрахинон на варку.

Способ с промывкой предгидролизованной щепы по­зволяет получать небеленую кордную целлю­лозу высокого качества, увеличивая почти на 25 % съем редуцирующих веществ и сокра­щая расход щелочи на сульфатную варку на 1,3...1,5 %.

При всех положительных качествах небеленого полуфабриката из древесины осины и березы.

Из представленных данных видно, что, управляя глубиной и интенсивностью процесса предгидролиза и параметрами последующей сульфатной варки, можно получать небеленый полуфабрикат с требуемыми показателями качества и с экономически целесообразным и обоснованным выходом.

Водный предгидролиз древесного сырья позволяет получать высококачественную ра­створимую целлюлозу и рационально исполь­зовать продукты растворения древесины, пе­рерабатывая растворенные гемицеллюлозы на спирт и дрожжи. При этом можно получить до 100 кг дрожжей на 1 т целлюлозы.

С целью сокращения загрязнений в процес­се получения целлюлозы для химической пе­реработки сульфатным способом с предгид­ролизом и повышения экономичности процес­са водный предгидролиз заменяется паровым.

Паровой предгидролиз, известный как ступен­чатый способ парового гидролиза, позволил осуществить более равномерное проведение гидролиза по всему объему варочного котла и получить целлюлозу такого же качества, что и при водном гидролизе.

Достаточно большое влияние на качество предгидролизной целлюлозы оказывает фрак­ционный состав щепы, подаваемой на варку, так как крупная щепа и опилки ухудшают степень провара целлюлозы.

Рекомендуемый фракционный состав щепы должен быть следующим:

Крупная — остаток на ситах с отверсти­ями размером 30x30 мм........... 2,0 %

Нормальная — остаток на ситах с от­верстиями размером 20x20 и 10x10 мм 90,0 %

Мелкая — остаток на ситах с разме­рами отверстий 5x5 мм............ 7 %

Содержание опилок должно быть не более 1 %, кора и гниль не допускаются.

Однако на практике такие показатели фрак­ционного состава практически не достигают­ся, в основном фракционный состав произ­водственной щепы находится в пределах зна­чений:

Крупная фракция ..............До 5 %

Нормальная фракция............До 87 %

Мелкая фракция ...............До 10 %

Содержание опилок .............До 2 %

Имеет место засоренность корой и гнилью, в среднем, 0,5 и 1,5 % соответственно.

Помимо качества сырья на показатели ка­чества растворимой целлюлозы в определен­ной степени оказывают влияние и параметры сульфатной варки.

Большое значение при производстве целлю­лозы для химической переработки имеет сте­пень провара небеленого полуфабриката. С увеличе­нием степени провара растворимой целлюло­зы, с одной стороны, снижается содержание пентозанов в целлюлозе и значительно улуч­шается фильтруемость вискозных растворов, по­лученных из такой целлюлозы, с другой сторо­ны, значительно понижается выход целлюлозы.

Таблица( 5)

Влияние сульфидности на свойства предгидролиз­ной целлюлозы из сосны и березы

Показатель	Сульфидность щелока, %
	20	25	30	3S	40
Выход целлюлозы, %	36,7	37,0	36,9	37,2	37,2
Степень провара, п. е.	106	ПО	108	117	118
Содержание а-целлюло	96,3	96,2

	96,5	96,3	96,5
зы, %
Вязкость процентного	70,0	75,0	98,0	112,0	115,0
медно-аммиачного раст-
вора, мПа с

Низкая вязкость цел­люлозы в небеленом полуфабрикате указыва­ет на деструкцию самой клетчатки, ведущую к увеличению содержания низкополимерных фракций как в самой целлюлозе.

Таким образом, технологический режим варки предгидролизной целлюлозы следует выбирать таким образом, чтобы не получить слишком мягкую целлюлозу.

В мировой практике производства раство­римых целлюлоз широкое распространение получило использование в качестве сырья лиственной древесины — эвкалипта, бука, то­поля, акации, осины и березы. Это обусловле­но более низкой себестоимостью вискозной лиственной целлюлозы по сравнению с хвой­ной, высокими показателями реакционной способности и белизны, возможностью при минимальных затратах исключить использо­вание при отбелке соединений хлора.

Далее приводятся обороты варочных кот­лов, производящих растворимую вискозную целлюлозу с водным и паровым ступенчатым предгидролизом и сульфатной варкой.

Оборот котла при производстве целлюло­зы с водным предгидролизом при гидромодуле 4:1, мин:

Осмотр и подготовка котла.......... 20

Загрузка котла щепой ............35...45

Заливка водой................... 20

Гидролизная заварка до 170 ± 1 "С . . . . 120

Гидролизная варка при 170°С ......70 ..80

Спуск гпдролизата............... 30

Заливка белого щелока............ 10

Заливка черного щелока........... 10

Пропитка при 128 ± 2 Ч?........... 30

Продолжительность подъема температу­ры от 128 до 170 °С .............. 60

Сульфатная варка при температуре

170±1°С ............80 (по титру 75...90)

Выдувка массы из котла.......... 30

Полный оборот

котла ............8 ч 35 мин ... 8 ч 55 мин

Необходимое качество небеленой целлюло­зы для корда должно быть следующим: жест­кость — 95...115 п. е., вязкость — 30,0... 40,0 мПа • с, содержание А-целлюлозы — не ме­нее 95,5 %.

Оборот котла при производстве вискозной целлюлозы с двухступенчатым паровым гид­ролизом, мин:

Загрузка котла с уплотнением..........40

Нагрев котла от 100 до 160 °С.......... 60

Стоянка при 160 "С .................40

Подъем темпернтуры от 160 до 170 "С .... 10

Стоянка при 170 °С ..............55. ..60

Спуск гидролизата-конденсата ......... 10

Заливка белого и черного щелока .......20

Пропитка варочным щелоком

при температуре 130. ..140 °С........... 30

Продолжительность заварки

от 135 до 170 "С....................60

Сульфатная варка при температуре

170 ± 1 °С ..............60...90 (по титру)

Передувка, осмотр котла.............30

Полный оборот

котла ............6ч55 мин ... 7ч 30 мин

Качество небеленой целлюлозы для вискоз­ного волокна должно отвечать следующим требованиям: жесткость — 60...80 п. е., вязкость — 18,0...28,0 мПа-с, содержание а-целлюлозы — не менее 94,0 %.

При произведенье растворимой целлюлозы из древесины лиственных пород, особенно бе­резы, возникают проблемы с высоким содер­жанием смолы в полуфабрикате, которая ухуд­шает качество целевого продукта. Повышен­ное содержание смолы в целлюлозе вызывает существенные затруднения не только при сор­тировании и отливе, но и при дальнейшей пе­реработке. Известен ряд способов обессмоливания целлюлозы: регулирование продолжи­тельности хранения древесины и щепы перед варкой, удаление мелкого волокна, добавка талька (неприемлемо при производстве раство­римой целлюлозы). варке, так и при отбелке, например, бероцелл-451, талловое масло и др.

Эффектив­ность добавки при варке вискозной целлюло­зы из березы сырого сульфатного мыла (хвой­ных пород) в количестве 2...3 % от массы аб­солютно сухой древесины. При этом содер­жание смолы в образцах небеленой целлюлозы сокращается до 0,23...0,20% по сравнению с контрольным образцом, в котором содержа­ние смолы находилось на уровне 0,46 %. В опытных образцах после отбелки содержа­ние смолы составляло 0,08...0,07 % , а в конт­рольном образце — 0,2 %.

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СУЛЬФАТНОЙ ВАРКИ С ПРЕДГИДРОЛИЗОМ

Наряду с рассмотренными выше способами получения растворимых целлюлоз, которые нашли применение в промышленном масш­табе, разрабатываются новые, усовершенство­ванные способы получения предгидролизной сульфатной целлюлозы. Целью усовершен­ствования процесса является получение ра­створимой целлюлозы с высокими показате­лями качества и с повышенным выходом после варки. Вот некоторые из них:

1. Способ водной варки с предварительной пропиткой щепы под давлением позволяет получать более проваренную целлюлозу с боль­шей вязкостью и содержанием а-целлюлозы, что можно объяснить не только большей рав­номерностью процесса предгидролиза, но и снижением окислительных процессов вслед­ствие удаления воздуха из щепы.

2. Способ водного предгидролиза древеси­ны в паровой фазе включает в себя операции водной пропитки щепы под гидравличес­ким давлением до 1,0 МПа при температуре 100...130 °С в течение 30...60 мин с последу­ющим удалением жидкости из котла в дру­гой котел на пропитку и проведение предгид­ролиза при 160...165 °С в паровой фазе. Спо­соб позволяет получать высококачественную целлюлозу с сокращенным расходом пара на пре;г гидролиз.

3. Способ предгидролиза древесины раство­ром S0₂ и Na₂SO. осуществляется либо при совместной обработке раствором S0₂ и Na₂S04, либо сначала проводится глубокая пропитка раствором Na₂S04 и затем гидролиз раство­ром S0₂.

В том и в другом случае температура предгидролиза не должна превышать 130 °С.

При этом способе предгидролиза небеленая целлюлоза отличается от целлюлозы, получен­ной с водным гидролизом, повышенным вы­ходом, лучшей степенью провара, более свет­лым цветом, лучшей белимостью и более вы­соким содержанием А-целлюлозы .

4. Гидролиз древесины восстановительны­ми соединениями фосфора позволяет значи­тельно повысить выход сульфатной предгид­ролизной целлюлозы и улучшить качество получаемой целлюлозы.

5. Способ предварительного отбора части чер­ного щелока из котла до окончания сульфат­ной варки и предварительной пропитки предгидролизованной щепы черным отработан­ным щелоком перед сульфатной варкой .Из перечисленных способов только послед­ний, применяется в настоящее время в промышленности.

ТЕХНИКА ПЕРИОДИЧЕСКОЙ ВАРКИ РАСТВОРИМОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ

Растворимая целлюлоза производится в основном периодическим способом в кот­лах периодического действия различного объе­ма. На сегодняшний день в мировой практи­ке работают две установки непрерывной вар­ки фирмы «Камюр» для производства раство­римой вискозной целлюлозы: одна в Мангейме (ФРГ) варит сульфитную целлюлозу с кисло­той на магниевом основании, вторая в Брази­лии производит вискозную целлюлозу из эв­калипта при совмещении предгидролиза и варки в одном котле. Периодическим спосо­бом сульфатную целлюлозу с предгидролизом так же, как и сульфитную растворимую, варят в биметаллических котлах сварной конструк­ции, которая уменьшает возможность корро­зии стыков и швов по сравнению с клепаны­ми котлами.

В таблицах приводятся размеры котлов, применяемых в условиях Украины при варке растворимой целлюлозы как сульфит­ным, так и сульфатным способом с предгид­ролизом.

Толщина стенок котла в зависимости от его объема находится в пределах 25...35 мм, а тол­щина плакирующего слоя из коррозиойностойкой стали 3...5 мм.

Размеры варочных котлов сульфитных заводов

Объем, м3	Общая высота, мы	Диаметр, мм	Высота цилиндрической части, мм	Способ выгрузки	Отношение высоты к диаметру
330 280 142	15500 14 150 11 770	6600 6500 5000	6000 5100 4780	Вымывка Выдувка Вымывка	2,35 2,18 2,35

Размеры варочных котлов сульфатных заводов

Объем, м*	Общая высота, мм	Диаметр, мм	Высота цилиндрической части, мм	Способ выгрузки	Диаметр верхней горловины/ диаметр нижней горловины
140

	14 500	4000	-	Выдувка	800/300
144	14 475	4150	-	Выдувка	750/250
160	15 000	4500	6700	Выдувка	805/250

Сульфитным способом варки рассчитываются на рабочее давление 0,7. ..0,8 МПа, а сульфатным способом с предгидролизом — на рабочее дав­ление 1,1... 1,2 МПа, при этом гидравличес­кие испытания котлов проводятся при давле­нии 1,0...1,2 и 1,6...1,8 МПа соответственно.

Отделение непровара про­исходит на сортировках (сучколовителях) типа Ковен ПС-500. Далее масса поступает в отдел сортирования, где проходит сначала сортиров­ки Йенсен-Линдгрена в две ступени, затем мас­са I сорта проходит еще сортировки Биффара и фильтры Аттис. Отсортированная и сгущен­ная на фильтрах Аттис масса поступает в башню высокой концентрации для хранения пе­ред отбелкой.

Основные параметры промышленно освоенных процессов получения сульфат­ной растворимой целлюлозы с предваритель­ным гидролизом и последующей сульфатной варкой.

1. Водный гидролиз при температуре 160...170 °С.

2. Гидролиз с растворами минеральных кис­лот, например, 0,1...0,5 % H₂SO₄ при темпера­туре 95...140°С.

3. Паровой гидролиз при температуре 165... 170°С.

4. Ступенчатый паровой гидролиз:

I ступень при температуре 150...160°С;

II ступень при температуре 170...172 °С.

5. Сульфатная варка во всех случаях обыч­но проводится при температуре 170...172°С.

ХИМИЯ НАТРОННОЙ ВАРКИ

Химический состав черного щелока

Одним из методов изучения химических явлений, происходя­щих во время варки, является анализ органических веществ, содержащихся в отработанном черном щелоке. Впервые такой метод исследования применительно к черному щелоку натрон­ной варки целлюлозы использовал Класон [46, с. 86], который установил, что теоретическое количество щелочи, необходимое для нейтрализации кислых органических веществ, переходящих в раствор при натронной варке, должно составлять около 120 г NaOH на 1 кг исходной древесины и что на долю щелочного лигнина в щелоке приходится около 60 % растворенных орга­нических веществ, причем связывается с ним только Чь часть щелочи, или около 2,5 % NaOH от массы древесины. Брауне и Граймз [47], исходя из содержания метоксильных групп в при­родном и щелочном лигнинах, подсчитали теоретический расход щелочи на растворение лигнина, оказавшийся равным 2,8 % NaOH от массы древесины; эта величина хорошо совпадает с данными Класона.

Хэгглунд ] получил следующие средние цифры, %, выхода целлюлозы и органических продуктов в щелоке для ва­рок еловой щепы по натронному способу.

Целлюлоза 42,8

Щелочной лигнин 21,6

Растворимый лигнин (не осаждаемый кислотами) 6,9

Лактоны и оксикислоты 18,2

Уксусная кислота 3,2

Муравьиная кислота 1,7

Метиловый спирт 0,4

Не определено 5,2

Итого 100,0

Суммарный выход лигнина в щелоке (щелочной плюс раство­римый лигнин) составляет около 50 % от органических веществ древесины, перешедших в раствор при варке; выход лактонов и оксикислот — около '/з- Оксикислоты и лактоны являются продуктами разрушения полисахаридов древесины, и с ними, по данным Класона, связывается около 40 % от общего теоре­тического расхода NaOH. С учетом уксусной и муравьиной кислот, свыше 70 % всей израсходованной щелочи связывается с кислотами, возникающими в результате распада полисаха­ридов.

Для характеристики состава черного щелока от варки древесины лист­венных пород могут служить данные, полученные Гриффином [1, с. 491 пля натронной варки древесины тополя, % от сухого вещества щелока.

Минеральная часть щелока:

кремнскислота (Si0₂) 0,11

полуторные окислы (Fe.,O₃ + А1₂О₃) 0,02

известь (СаО) ....".' 0,05

окись калия (К₂О) 0,69

окись натрия (\'а₂О) 25,69

Органическая часть щелока:

углекислота (С0₂) 3,43

уксусная кислота (СН₃СООН) 9,89

вещества, экстрагируемые петроленным эфиром 1,56

» » эфиром 7,14

» » абсолютным спиртом 28,62

» » водой 17,02

Щелочь в черном щелоке после натронной варки осины связывается от­дельными веществами следующим образом, % от общего количества щелочи:

уксусной кислотой 25,8

углекислотой 8,0

нерастворимыми органическими веществами 13,5

растворимыми органическими веществам» 39,4

свободная щелочь 13,3

Как видно, состав органической части черного щелока от варки древе­сины лиственных пород примерно такой же, как и от варки древесины хвой­ных пород, с той лишь разницей, что в щелоке после варки древесины лиственных пород отсутствуют смоляные кислоты, а летучие органические кислоты содержатся в большем количестве.

Область применения сульфатной целлюлозы

Совершенствование схем комбинированной отбел'ки, а также метод варки с предварительным гидролизом значительно рас­ширили область применения сульфатной целлюлозы как в бу­мажном производстве, так и для химической переработки. Цел­люлоза высокого выхода (ЦВВ), с выходом в среднем около 55 % от массы древесины, применяется как полуфабрикат для изготов.тенпя тароупакопочных картонов, в частности покров­ного слоя тарного картона (так называемого крафт-лайнсра), и для выработки оберточной бумаги. Очень жесткая целлюлоза нормального выхода, при степени делнгннфикацни 40—50 еди­ниц Каппа, используется для производства мешочной бумаги, оберточных, упаковочных и некоторых технических видов бумаги.

Нормально жесткая или среднежесткая сульфатная цел­люлоза при степени делигнификации 25—35 единиц Каппа при­меняется в качестве полуфабриката для изготовления электро­технического картона и электротехнических видов бумаги — кабельной, телефонной, конденсаторной — и многих техниче­ских видов — шпульной, намоточной, патронной, пропиточной, наждачной и др. Посл'е многоступенчатой отбелки с примене­нием диоксида хлора из такой целлюлозы получают высокобс-леную сульфатную целлюлозу со степенью белизны до 90 % и выше, которая широко используется для производства высших сортов белых видов бумаги дл'я печати — книжных, журналь­ных, мелованных, типографских.

Среднемягкая сульфатная целлюлоза при степени делигни­фикации около 20 единиц Каппа в небеленом виде использу­ется для изготовления некоторых специальных бумаг, отличаю­щихся высокой впитываемостыо, а после отбелки до степени белизны 85—87 % применяется в композиции писчих и печат­ных видов бумаги и для производства белых картонов. Произ­водство беленой сульфатной целлюлозы сделало большие ус­пехи за последние годы, и беленая сульфатная целлюлоза с успехом вытеснила беленую сульфитную из композиции боль­шинства белых видов бумаги и картона.

Предгндролизная сульфатная целлюлоза, получаемая из древесины хвойных пород, в среднем имеет выход околи 35 % от массы древесины. После многоступенчатой отбелки она ис­пользуется как беленая облагороженная целлюлоза для хими­ческой переработки главным образом на искусственное во­локно, в частности на вискозный корд [42], закладываемый в качестве армирующего материала в покрышки автомобилей и самолетных шасси.

Кроме этих основных видов, следует упомянуть полубеле­ную сульфатную целлюлозу с белизной 65—70 %, которая упо­требляется дл'я замены небеленой сульфитной целлюлозы в ком­позиции газетной бумаги и для производства бумаги типа тет-рапак для молочных пакетов.

МАТЕРИАЛЬНЫЙ И ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ПРОИЗВОДСТВА

НЕБЕЛЕНОЙ ВИСКОЗНОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ С ПАРОВЫМ ПРЕДГИДРОЛИЗОМ

/. Исходные данные для расчета

Объем варочного котла, м ...........

Древесное сырье (береза):

плотность базисная, кг/и³ .........

влажность щепы расчетная, %

Степень уплотнения щепы в котле, % ... 10

Объемная степень заполнения, %....... 36

Выход целлюлозы из древесины, % ..... 36

Расход активной щелочи на варку от мас­сы а. с. древесины, ед. Na₂O, % ........ 21

Концентрация активной щелочи в белом

щелоке, ед. NagO, г/л ............... 95

Температура в котле в конце первой стадии

заварки при сульфатной варке, °С....... 155

Температура белого щелока, поступающего

из каустизации, °С................. 80

Температура щепы:

летом, "С ..................... +25

зимой, °С..................... -5

Теплоемкость материала котла, кДж/кг . . 0,5 Температура слабого щелока, подаваемого

на вытеснение из котла, °С ........... 80

Температура горячего черного щелока, вы­тесняемого из котла, "С.............. 160

Теплота таяния льда, кДж/кг ......... 334

Температура белого щелока, подаваемого

в котел, "С....................... 130

Теплоемкость льда, кДж/кг • град ...... 2,1

Теплоемкость щепы и органических ве­ществ, кДж/кг - град................1,34

Теплоемкость жидкости, кДж/кг • град . . . 4,19 Теплоемкость черного щелока,

кДж/кг • град ....................3,96

Теплосодержание пара при давлении

0,3 МПа, кДж/кг..................2740

Теплосодержание пара при давлении

1,2 МПа, кДж/кг................ 1977,7

Плотность белого щелока, кг/м³......1050

Плотность крепкого черного щелока,

кг/м³....................... 1100

Теплотворная способность древесины,

кДж/кг . . . ."....................19 093

Количество тепла от экзотермической реак­ции относительно теплотворной способно­сти древесины, %.................. 1,2

2. Расчет материального и теплового ба­ланса парового предгидролиза

Расчет ведется на 1 котловарку целлю­лозы.

Расход щепы на варку

масса а. с. щепы в 1 м при объемной степени заполнения 36 % и степени уп­лотнения 10 %

кг/м³; масса а.

с. щепы в котле кг а. с. щепы.

Выход а. с. целлюлозы из котла за варку при выходе целлюлозы из древесины 36 %

кг а. с. целлюлозы.

Выход b.c. целлюлозы (сухость 88 %)

0,88

кг в. с. целлюлозы.

Масса воды, поступившей со щепой влаж­ностью 50 %,

Количество пара, расходуемого на уплотне­ние щепы

где 200 — относительный расход пара низко­го давления (0,3 МПа) на уплотнение щепы, кг/ т в. с. целлюлозы;

- теплосодержа­ние конденсата при 133 °С кДж/кг.

Количество пара, расходуемого на таяние льда

где 334 кДж/кг — теплота таяния льда.

Количество пара, расходуемого на уплотне­ние щепы и таяние льда

Подано тепла с паром при уплотнении щепы летом

зимой

Температура щепы после уплотнения летом

Зимой

где 2,1— теплоемкость льда, кДж/(кг • град).

Далее расчет проводится применительно к зимним условиям.

Поступило тепла с материалом котла

где 56 000 — масса материала котла, кг; 90 — температура корпуса котла после уплотнения щепы паром, °С.

Количество пара, расходуемого на пропар­ку и нагрев содержимого котла до 100 °С

где 5000 — количество подскипидарной или окисленной воды с теи^ерятурой 60 °С-

Расход пара при пропарке содер­жимого котла

где 20 — время нагрева, мин.

Количество пара, конденсирующегося в кот­ле в процессе пропарки и нагрева

где 0,9 — массовая доля сконденсированного пара.

Количество жидкости в котле в начале гид­ролизной варки

Тепловой баланс

Баланс тепла в котле в процессе подъема температуры до 160 °С

Количество тепла, расходуемого в период подъема температуры от 100 до 160 °С

Количество пара, расходуемого в период подъема температуры от 100 до 160 °С

Расход пара в период подъема температуры

где 50 — время подъема температуры, мин.

Баланс тепла в процессе гидролизной варки

Количество тепла, расходуемого в период гидролизной варки

Количество пара, расходуемого в период гидролизной варки

Расход пара в период гидролизной варки

где 15 — время подъема температуры, мин.

Общее количество пара, расходуемого на заварку и гидролизную варку щепы

Расход пара на 1 т в. с. целлюлозы при за­варке и гидролизной варке

Общее количество тепла, поступившего в котел

Количество парогазов, удаляемых в процес­се терпентинной сдувки (во время подъема температуры от 120 до 170 °С)

где 240 — количество парогазов, удаляемых в течение терпентинной сдувки, отнесенное к 1 т в. с. целлюлозы, кг/т.

Переброс гидролизата со сдувками, считая, что переброс составляет 1 % от количества жидкости в котле перед заваркой

Масса гидролизованной щепы в котле к концу гидролизной варки

где 0,745 — выход гидролизованной щепы (74,5 % от исходной).

Остается жидкости к концу гидролизной варки

Гидромодуль к концу гидролизной варки равен

Количество летучих продуктов (метанола), выделяющихся в процессе сдувки, из расчета 10,6 кг летучих продуктов на 1 т в. с. целлю­лозы

Уходит органических веществ с перебросом гидролизата (из расчета 2 % от массы переброса)

Количество сухих веществ, перешедших в раствор во время гидролизной варки

Количество сухих веществ в растворе с уче­том уноса при сдувке и перебросе

Потери тепла с терпентинной сдувкой: с жидкостью

где 145 — средняя температура терпентин­ной сдувки, °С;

с парами вскипания

где 611 — теплосодержание конденсата при 145 °С, кДж/кг.

Тепло, оставшееся в котле восле терпентин­ной сдувки,

Потери тепла в окружающую среду во вре­мя подъема температуры — 3 %

Общий рроход тепла на предгидролиз с уче­том потерь

Общее количсстно пора, р*сх мого >а иредгидролиа, мриж-дппшг к пн| ,'" давле­нии 1,2 МПа

Общий расход

Количество жидкости в котле гидролизата до гидромодуля 1,5

Количество отобранного гидролизата

Количество сухих веществ', оста котле со щепой

Всего древесного остатка

Количество сухих веществ, выведенных из котла с гидролизатом

Тепло, уходящее с гидролизатом,

Тепло, оставшееся в котле,

Сульфатная варка

Масса жидкости в котле в период про­питки

где 4 — гидромодуль в котле при про­питке.

Расход активной щелочи на варку

где 0,21 — относительный расход активной щелочи на варку (21,0 %).

Объем белого щелока, поступающего на варку

Баланс тепла в момент заливки щелоков

где 95 — концентрация активной щелочи в белом щелоке, кг/м .

Количество белого щелока на варку

где — плотность белого щелока, кг/м³.

Количество черного щелока, добавляемого до гидромодуля 4,

Температура содержимого котла после отбора гидролизата определяется по урав­нению

Температура в котле после заливки ще­локов

Масса растворимых веществ древесины, пе­решедших в раствор во время варки,

Масса сдувочных паров, отводимых из кот­ла за период варки,

Где — масса сдувочных паров, отводимых из котла в период варки на 1 т древесины, подаваемой на варку, кг/т.

Масса черного щелока в котле в конце варки

Масса содержимого котла в конце варки

Объем содержимого котла

Где — плотность суспензии, содержащей­ся в котле, кг/м³.

Объем щелока, подаваемого в котел на за­полнение перед вытеснением крепкого горя­чего щелока,

что составляет в единицах массы

Масса щелока в котле после заполнения

Баланс тепла в котле на первой стадии заварки

Источник тепла

Расчет, кДж

Количество, кДж

Щепа

Жидкость со щепой

Щепа

Щелок Приход

Расход

Всего

Количество тепла, расходуемого на первой стадии заварки,

Количество пара, подаваемого в теплообмен­ник на первой стадии заварки,

Расход пара на первой стадии заварки

где мин — время подъема температуры.

Количество тепла, расходуемого на второй стадии заварки и варки

Количество пара, расходуемого на второй стадии заварки и варки

Расход пара на второй стадии заварки и варки

где мин — время подъема температуры.

Количество пара, расходуемого на заварку и варку

Расход пара на заварку и варку на 1 т в. с. Целлюлозы

Нетехнологические затраты тепла в период сульфатной варки

Расход пара на нетехнологические затраты

Общий расход пара

Расход пара на варку на 1 т в. с. целлю­лозы

Общий расход пара на сульфатную варку с предгидролизом на 1 т в. с. целлюлозы (без учета расхода пара на уплотнение и пропарку щепы)

Баланс тепла черного щелока

Количество массы в котле перед вытесне­нием щелока

Концентрация массы в котле

Количество массы, вымываемой из котла при концентрации 3,5%,

Масса щелока, вытесненного из котла

Количество массы в котле перед вытесне­нием щелока

Концентрация массы в котле

Количество массы, вымываемой из котла при концентрации 3,5%,

Масса щелока, вытесненного из котла

Количество промывного щелока, подаваемо­го в котел на вымывку массы,

Расход промывного щелока на вымывку массы из котла

где — время вымывки массы, мин.

ПРОМЫВКА ЦЕЛЛЮЛОЗЫ

Общая характеристика процесса промывки

Целью промывки целлюлозы является из­влечение из целлюлозной массы (суспензии) заключенных в ней растворенных веществ древесины, прореагировавших с компонента­ми варочного раствора.

Сухой остаток, заключенный в жидкой фазе массы, состоит из органических веществ (ра­створенной части древесины) и минеральных веществ (компонентов варочного раствора).

Промывка целлюлозы после варки осуще­ствляется по многоступенчатой (3...5 ступе­ней) противоточной схеме, в которой горячая промывная вода (60...80 °С) подается на зак­лючительную ступень промывки в количестве 5...10 м /т, а отбор отработанного щелока в систему регенерации производится только с первой ступени промывки целлюлозы.

Степень отбора сухого остатка, или эффек­тивность промывки, %, определяется отноше­нием

Л =

где G — количество сухих веществ в щелоке, отбираемом с первой ступени промывки цел­люлозы, кг/т; gq — количество сухих веществ в отработанном щелоке после варки, кг/т.

Для современных промывных установок эффективность промывки должна составлять 98...99%.

Оценить результаты промывки можно так­же по относительной концентрации сухих ве­ществ (f):

f = тг- =

где С — концентрация сухих веществ в отби­раемом щелоке; С₀ — концентрация сухих ве­ществ в щелоке после варки.

Обратная величина, характеризующая сте­пень разбавления отбираемого щелока, может быть выражена зависимостью

Относительный объем щелоков (т) так­же характеризует степень разбавления от­бираемого с первой ступени промывки щелока:

т =

где W_k — масса отбираемого с промывки ще­лока, т/т в. с. целлюлозы; Q_k — масса щелока в конце варки целлюлозы, т/т в. с. целлюлозы. W_k всегда больше Q_k на фактор разбавле­ния при промывке (Ф), который представляет собой количество воды, внедрившейся в отби­раемый щелок при многоступенчатой проти-воточной промывке целлюлозы после варки, т. е.

Фактор разбавления можно определить так­же по формуле

где W₀ — расход воды на промывку, т/т а. с. целлюлозы; Q, — количество жидкости, остав­шейся в промытой массе, т/т а. с. целлюлозы.

Промывка целлюлозы — сложный процесс, сопровождаемый различными явлениями, зависящими от применяемого промывного обо­рудования .

К числу важнейших физико-химических явлений, происходящих при промывке целлю­лозы, можно отнести [3]: отжим щелока из целлюлозной массы; фильтрацию щелока сквозь целлюлозную массу; диффузию раство­ренных веществ из целлюлозного волокна; адсорбцию волокном растворенных в щелоке веществ; вспенивание щелока.

При механическом отжиме щелока прес­сами различного типа полнота отделения ще­лока за одну ступень ограничена из-за возра­стания внутреннего капиллярного давления и уменьшения диаметров капилляров вслед­ствие спрессовывания массы.

Как известно, высота поднятия жидкости в капилляре (Л) определяется из выражения

где а — поверхностное натяжение жидкости;

Y — плотность жидкости;

d — диаметр ка­пилляра.

Капиллярное давление (р) равно

Даже при давлении 15 МПа на слой массы остаточное содержание щелока в массе состав­ляет 0,7 кг/кг сухого волокна, что отвечает сухости 59 %. Удерживается влага не только в клеточных стенках волокон, но и в люменах волокон.

При фильтрации происходит движение жидкости через слой массы, находящейся на фильтрующей поверхности. Скорость фильт­рации измеряется количеством жидкости, проходящей через единицу поверхности филь­тра в единицу времени, и может быть вычис­лена по уравнению Пуазейля

Где — разность давлений по сторонам фильтрующего слоя; I — толщина слоя; R — коэффициент сопротивления фильтра,

Здесь — динамическая вязкость жидко­сти; — коэффициент живого сечения фильт­ра (доля площади поверхности, приходящаяся на промежутки между волокнами); — сред­ний диаметр капилляров в фильтрующем слое.

Целлюлозная масса представляет собой сжи­маемый фильтрующий слой. С повышением перепада давления на слое масса спрессо­вывается и коэффициент сопротивления филь­тра R растет по степенной зависимости

где А — постоянное число; л — дробный по­казатель сжимаемости, равный 0,40...0,55.

Закономерно, что добиться успешной филь­трации и избежать «мертвой» запрессбвки можно при промывке массы в тонком слое.

Извлечение растворенных веществ из кле­точных стенок целлюлозных волокон проис­ходит за счет диффузии. Скорость диффузии определяет продолжительность промывки цел­люлозной массы и обуславливает многоступен­чатость процесса.

Целлюлоза относится к материалам, обла­дающим адсорбционной способностью. Содер­жащиеся в целлюлозе карбоксильные груп­пы являются центрами адсорбции ионов ме­таллов. Вспенивание щелоков вызывает боль­шие затруднения при промывке на барабан­ных фильтрах, так как в отработанных щелоков.

Стандарты на целлюлозу сульфатную небеленую НС-1 (ГОСТ 11208-65)

Степень делигнификации	23.0 – 34.0
Мех. Прочность Розрывн. Длина,	м, не менее	10 200
Сопротивление продавливанию кПа (кгс\см2)	М, не менее	490.5 (5.0) 823,8 (84)
Сорность – число соринок на 1м2 Площадь 0.1-1.0мм2; Площадь 1.0-2.0мм2;	Не более	5 100 96
Площадью при поставке %, Влажность расчетн.%	Не более	23 12

Вывод:

Растворимая целлюлоза производится в основном периодическим способом в кот­лах периодического действия различного объе­ма. На сегодняшний день в мировой практи­ке работают две установки непрерывной вар­ки фирмы «Камюр» для производства раство­римой вискозной целлюлозы: одна в Мангейме (ФРГ) варит сульфитную целлюлозу с кисло­той на магниевом основании, вторая в Брази­лии производит вискозную целлюлозу из эв­калипта при совмещении предгидролиза и варки в одном котле. Периодическим спосо­бом сульфатную целлюлозу с предгидролизом так же, как и сульфитную растворимую, варят в биметаллических котлах сварной конструк­ции. Способ предварительного отбора части чер­ного щелока из котла до окончания сульфат­ной варки и предварительной пропитки предгидролизованной щепы черным отработан­ным щелоком перед сульфатной варкой. Из перечисленных способов только послед­ний, применяется в настоящее время в промышленности.

Все большее значение во всех странах приобретает про­изводство сульфатной целлюлозы из древесины лиственных пород, в частности березы. Березовая сулъфатная целлюлоза характеризуется более высокими показате­лями механической прочности, чем хвойная сульфитная; проч­ность ее составляет примерно 70—80 % от прочности сульфат­ной .хвойной целлюлозы. Большая часть лиственной сульфатной целлюлозы подвергается отбелке и служит полуфабрикатом для выработки печатных и типографских бумаг.

Имея возможность выбора из нескольких видов волокнистой массы, из­готовитель бумаги решает, какой из них в наилучшей степени удовлетво­ряет предъявляемым к качеству бумаги требованиям.Он также добавляет в исходный материал химические реактивы, игра­ющие роль наполнителей и связующих элементов которые влияют на окончательный выход целлюлозы.

Общая инструкция по охране труда

(Вводный инструктаж)