Технологические расчеты канифольно-терпентинного производства Методические указания к курсовому и дипломному проектированию для студентов бакалавриата направления подготовки 18.03.01Химическая технология всех форм обучения

Министерство науки и высшего образования РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени С. М. Кирова»

Кафедра технологии лесохимических продуктов, химии древесины и биотехнологии

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ КАНИФОЛЬНО-ТЕРПЕНТИННОГО ПРОИЗВОДСТВА

Методические указания к курсовому и дипломному проектированию

для студентов бакалавриата направления подготовки 18.03.01«Химическая технология»

всех форм обучения

Санкт-Петербург

2020

1

Рассмотрено и рекомендовано к изданию учебно-методической комиссией Ученого совета Санкт-Петербургского государственного лесотехнического университета имени С. М. Кирова

20 января 2020 г.

С о с т а в и т е л ь доктор химических наук, профессор Д. Н. Ведерников

Р е ц е н з е н т

кафедра технологии лесохимических продуктов, химии древесины и биотехнологии СПбГЛТУ

Технологические расчеты канифольно-терпентинного произ-

водства: методические указания к курсовому и дипломному проектированию для студентов бакалавриата направления подготовки 18.03.01 «Химическая технология» всех форм обучения / сост. Д. Н. Ведерников. – Санкт-Петербург: СПбГЛТУ, 2020. – 28 с.

Данное издание содержит методические указания для расчетов материальных и тепловых балансов в канифольно-терпентинном производстве. Предназначены для выполнения курсовой работы и дипломного проектирования студентов всех форм обучения по направлению подготовки 18.03.01 «Химическая технология».

Темплан 2020 г. Изд. № 91.

2

В В Е Д Е Н И Е

Потребность в канифоли и скипидаре в современных условиях растет. Канифоль используется для проклейки бумаги, для синтеза основ для лакокрасочных материалов, для получения изоляционных материалов. Скипидар применяется как растворитель, для получения пиненовой фракции и синтеза камфоры и душистых веществ, в медицине как разогревающее средство и использования в лечебных ваннах. Хотя скипидар и канифоль, полученные из живицы (терпентина), вытесняются продуктами сульфатных целлюлозных заводов, но из-за высокого качества остаются востребованными.

Настоящие методические указания содержат описание технологической схемы переработки живицы декантационным способом, материальный и тепловой расчет и элементы расчета основного оборудования.

Материальный баланс канифольно-терпентинного производства

Материальный баланс канифольно-терпентинных предприятий составляется, исходя из их мощности по переработке живицы в год. Годовая мощность предприятий по перерабатываемой живице колеблется от 10–15 до 35–40 тыс. тонн.

Учитывая, что все предприятия работают по графику непрерывно действующих производств, среднее число рабочих дней в году составляет 339. 26 дней отводится на проведение планово-предупредительных ремонтов, профилактических осмотров оборудования и его капитальных ремонтов. Составлять материальный баланс целесообразнее на часовую производительность.

1. ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ

1.1. Принципиальная технологическая схема

Производство канифоли и скипидара из живицы организовано в нашей стране в послереволюционный период. Основным видом живицы, поступающей на канифольно-терпентинные заводы страны, является живица сосны.

Технологический процесс переработки живицы (терпентина) на канифоль и скипидар складывается из следующих операций [1; 2]:

1)складирование;

2)первичная обработка сырья;

3)плавление живицы;

3

4)осветление живицы;

5)отстаивание живицы от сора и воды;

6)промывка отстоявшейся живицы;

7)повторное отстаивание;

8)отгонка скипидара и уваривание канифоли;

9)разлив канифоли.

Рис. 1. Технологическая схема производства живичной канифоли:

1 – электротельфер; 2 – бочка с живицей; 3 – живицемялка; 4 – бетононасос; 5 – бак для скипидара; 6 – плавильник реактор; 7 – друк-фильтр; 8 – буферный бак; 9 – отстойник; 10 – фильтр тонкой очистки; 11 – насос для подачи живицы на уваривание;

12 – подогреватель живицы; 13 – канифолеварочная колонна; 14 – дефлегматор; 15 – сепаратор; 16 – холодильник скипидара; 17 – вакуум-приемники; 18 – сборник для

уваренной канифоли; 19 – сборник для скипидара; 20 – баки для оборотного скипидара; 21 – подогреватель; 22 – грязевой отстойник; 23 – флорентина; 24 – бак для разбавленной фосфорной кислоты; 25 – дозировочный насос для подачи фосфорной кислоты

Основное количество живицы в нашей стране добывают в течение июля-августа. Для обеспечения равномерной работы предприятия необходимо создавать запасы живицы. Поэтому большую часть живицы летнего поступления оставляют для хранения на специально оборудованных заводских площадках.

Основное оборудование производства приведено на рис. 1. Деревянные и металлические бочки с живицей выгружают из железнодорожных вагонов или автомашин с помощью электротельфера. После взвешивания живица из бочек поступает в загрузочный бункер. Живица в загрузочном бункере с помощью ленточной мешалки размешивается до однородной массы, а в осенне-зимний период разбавляется оборотным скипидаром, подаваемым из цеха переработки живицы.

4

Подготовленная живица с помощью бетононасоса марки СБ-207 (БН-20) подается по трубопроводу в цех на переработку или в емкость для хранения (рис. 2). В конструкцию насоса входит смеситель, что позволяет исключить из технологического процесса живицемялку.

Рис. 2. Схема склада бестарного хранения живицы:

1, 2 – емкости для живицы; 3 – монтежю; 4 – редуктор; 5 – электромотор; 6 – фильтр; 7 – электротельфер; 8 – насосы; 9 – аккумуляторный автопогрузчик

1.2. Плавление живицы

Операция плавления живицы сводится к нагреву ее до 90–95 °С. При этой температуре живица становится хорошо текучей.

Из сборника живица поступает в плавильник. Контроль за качеством загружаемой живицы производится с помощью весомера.

Одновременно с загрузкой живицы в плавильник из бака оборотного скипидара подается расчетное количество скипидара для увеличения текучести. Плавление живицы осуществляют острым паром при Р = 400 кПа.

Процесс плавки считается законченным при достижении температуры живицы 100 С.

5

1.3. Осветление живицы

Для повышения качества канифоли, главным образом цветности, живицу подвергают осветлению (водным раствором Н3РО4).

Операцию осветления живицы совмещают с процессом плавления. 85%-ную фосфорную кислоту разбавляют водой до 5–7 % и добавляют к живице при загрузке ее в плавильник в расчетном количестве.

1.4. Отстаивание живицы

Переработку живицы производят декантационным способом. В живице содержится вода, а также крупный сор в виде хвои, кусков коры, древесной стружки, песка и т. д.

В процессе плавления живицы и пережима ее через ложное дно в плавильнике в друк-фильтре удается отделить крупный сор. Мелкий сор и вода остаются в живице.

Обычно ведут отстаивание расплавленной и подогретой до 90–95 С живицы. При этих температурах тяжелый сор (минеральные примеси, песок, земля, вода) осаждается вниз, легкий сор всплывает.

Для улучшения свойств канифоли и снижения ее склонности к кристаллизации необходимо провести дополнительную промывку отстоявшейся живицы водой от минеральных кислот.

1.5. Уваривание канифоли

Поступающая после отстойника из буферных баков живица содержит 60–70 % канифоли, 30–40 % скипидара и от 0,4 до 1 % воды. Хорошо отстоявшаяся живица через фильтры с помощью насоса поступает в бачок постоянного уровня, откуда непрерывно через подогреватель направляется в колонну. Нагрев живицы, поступающей в верхнюю часть колонны, в нагревателе производится до температуры 160–165 С. Острый пар подается в вниз колонны. Для поддержания температуры внизу колонны (165–170 С) вводится дополнительное количество тепла с глухим паром, поступающим в подогреватель. При установившемся режиме на каждой тарелке колонны образуется слой живицы. Острый пар, проходя через слой живицы, увлекает за собой пары скипидара. Из верхней части колонны пары скипидара и воды поступают в дефлегматор, из дефлегматора направляются во флорентину, где скипидар отделяется от воды и направляется в бак оборотного скипидара. Для освобождения от воды скипидар поступает на сушку в соляно-ватные фильтры, где его высушивают и направляют в баки товарного скипидара.

6

2. МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС КАНИФОЛЬНО-ТЕРПЕНТИННОГО ПРОИЗВОДСТВА

Материальный баланс рассчитывается по следующим основным операциям:

1)подготовка живицы;

2)плавление живицы;

3)отстаивание живицы (на первой ступени декантации);

4)промывка живицы;

5)отстаивание живицы (на второй ступени декантации);

6)канифолеварение;

7)охлаждение канифоли и розлив.

2.1.Подготовка живицы к плавлению

1.Производительность канифольно-терпентинного производства 30000 т живицы в год.

2.Число рабочих дней оборудования 339 дней в году. Часовая производительность будет 30000/(339∙24)=3687,3 кг/ч. Живица поступает на завод в следующем составе: канифоль –74,8 % – 2758,1 кг/ч; скипидар –

18,2 % – 671,1 кг/ч; сор – 1,5 % – 55,3 кг/ч; вода – 5,5 % – 202,8 кг/ч. Итого

3687,3 кг/ч.

Из-за большой вязкости живицы затрудняется ее подача из живицемялки в приемник живицы.

Живицу в живицемялке разбавляют скипидаром (до содержания скипидара – 20 %). Следовательно, состав живицы изменится и будет:

1.канифоль – 2758,1 кг/ч – 73,2 %

2.скипидар – 754 кг/ч – 20 %

3.сор – 55,3 кг/ч – 1,4 %

4.вода – 202,8 кг/ч – 5,4 %

Всего – 3770,2 кг/ч – 100 %

Содержание скипидара на стадии плавления доводят до 40 % – 3770,2+х=(754+х)∙100/40; прибавляя – х=1256,7 кг/ч.

Прибавляют дополнительное количество скипидара, предусматривая унос скипидара с паром – 2 % от общего количества скипидара

(1256,7+ 754)∙0,02 = 40,2 кг/ч.

Тогда общее количество скипидара 1256,7+754+40,2 = 2050,9 кг/ч,

в том числе оборотного – 1256,7+40,2+82,9=1379,8 кг/ч.

7

Состав живицы, поступающей в плавильник:

1.канифоль – 2758,1 кг/ч – 54,4 %

2.скипидар – 2050,9 кг/ч – 40,5 %

3.сор – 55,3 кг/ч – 1,1 %

4.вода – 202,8 кг/ч – 4,0 %

Всего – 5066,1 кг/ч – 100 %

2.2. Плавление и фильтрация живицы

Плавление живицы производится острым паром от начальной температуры tн = 20 С до конечной tк =100 С. Количество общего пара определяется по формуле

где G – количество живицы, кг/ч; Сср – теплоемкость, Дж/кг; tн – начальная температура, при которой живица поступает на переработку; tн = 20 С; tк– конечная температура живицы, выходящей из плавильника; tк=100 С; i – энтальпия пара Дж/кг; iк – энтальпия конденсата, Дж/кг.

В среднем теплоемкость определяется как аддитивная величина:

Сср=0,01(Ск∙ак+Сск∙аск+Сс∙ас+Св∙ав),

Ск – теплоемкость канифоли, 2262 Дж/(кг∙град) [1]; Сск – теплоемкость скипидара, 1760 Дж/(кг∙град) [1]; Св – теплоемкость воды, 4190 Дж/(кг∙град) [1]; Сс – теплоемкость сора, 2550 Дж/(кг∙град) [1];

ак, аск, ав, ас – процентное содержание канифоли, скипидара, воды и сора в живице, поступающей на плавление.

Тогда:

Сср = 0,01∙(2262∙54,4+1760∙40,5+1,1∙2550+4190∙4,0) = 2139 Дж/кг.

Плавление живицы производится острым паром давлением 400 кПа. При энтальпии греющего пара i = 2744 Дж/кг; энтальпии конденсата

iк = 419 Дж/кг расход пара на плавление живицы составит:

D = 4939∙2139∙(100–20)/((2744–419)∙1000) = 363,5 кг/ч.

Пары в конденсатор-холодильник поступают в соотношении 1:2

1.Скипидара – 40,5

2.Воды – 81

Всего – 121,5 кг/ч

8

При фильтрации живицы на фильтрующем дне плавильника остается 80 % сора, содержащегося в живице: 55,3∙0,8 = 44,2 кг/ч.

Сор удерживает смолистые вещества, которых чуть меньше сора –

90 % от сора: 44,2 ∙ 0,9=39,8 кг/ч.

Так как живицу доводят до 40 % содержания скипидара, то состав смолистых веществ будет:

1.скипидара 39,8∙0,4= 15,8 кг/ч

2.канифоли 39,8 – 15,8= 24,0 кг/ч

Количество массы на дне больше из-за удерживания воды до 30 % воды. По пропорции, если смолистых и сора на дне – 70 %, то воды:

30∙(39,8+44,2)/70 = 36,0 кг/ч.

Общее количество массы на фильтре: 39,8+44,2+36,0=120 кг/ч. Количество и состав живицы, поступающей на отстаивание после

фильтрации:

1.канифоль – 2758,1–24 = 2734,1 кг/ч

2.скипидар – 2050,9 – 15,8 = 2035,1 кг/ч

3.сор – 55,3 – 44,2 = 11,1 кг/ч

4.вода – (202,4+365,6) – 36 = 532 кг/ч

Всего – 5312,3 кг/ч

2.3. Экстракция смолистых веществ из сора

На экстракцию поступает сор состава:

1.канифоль – 24,0 кг/ч – 20,0 %

2.скипидар – 15,8 кг/ч – 13,2 %

3.вода – 36,0 кг/ч – 30 %

4.сор – 44,2 кг/ч – 36,8 %

Всего – 120,0 кг/ч – 100 %

На экстракцию подают скипидар. По практическим данным в экстракте содержится 15 % канифоли.

Состав экстракта в соре и окружающем сор растворе считают одинаковым.

После экстракции сор содержит до 90 % смолистых веществ: 39,8∙0,9=35,8 кг/ч, в том числе: канифоль 35,8∙0,15=5,5 кг/ч, скипидар

35,8 – 5,5=30,3 кг/ч.

Количество скипидара, необходимого для экстракции, 30,3∙90/10 = = 273,3 кг/ч.

Необходимо добавить оборотного скипидара 273,3 – 30,3 = 240 кг/ч. Проэкстрагируется канифоли 24,0–5,5=18,5 кг/ч.

9

Общее количество отфильтрованного экстракта поступает в отстой-

ник: 240 +18,5 кг/ч.

После экстракции сор пропаривается. На пропаривание поступает сор следующего состава:

1.канифоль – 5,5 кг

2.скипидар – 30,3 кг

3.вода – 36,0 кг

4.сор – 44,2 кг Всего 116,0 кг/ч

На 30,3 кг/ч скипидара необходимо в 2 раза больше пара – 60,6 кг/ч. При пропаривании испаряется 95 % скипидара 28,8 кг/ч. После пропа-

ривании в соре остается 30,3 – 28,8 = 1,5 кг скипидара. Количество воды в соре возрастает на 18 кг.

Сор, идущий на выброс (в котельную), содержит:

1.канифоль – 5,5 кг – 6,3 %

2.скипидар – 1,5 кг –1,7 %

3.вода – 54 кг – 37,8 %

4.сор – 44,2 кг – 54,2 %

Всего – 105,2 кг – 100 %

2.4. Осветление живицы

Для осветления живицы используется фосфорная кислота, в количестве 6–10 кг 100%-ной концентрации на тонну исходной живицы.

Так как количество исходной живицы, поступающей на плавление, 3687,3 кг/ч, то расход 100%-ной фосфорной кислоты составит – 3687,3∙6/1000 = 22 кг при расходе 6 кг/т живицы.

Так как содержание влаги в живице составляет 532 кг/ч, то концентрация фосфорной кислоты составит: 22∙100/532=4,1%, что соответствует технологическим нормам процесса осветления живицы. Дозировку 100%- ной фосфорной кислоты вводят непрерывно в количестве 22 кг/ч.

На отстаивание поступает живица в количестве 5312,3 кг/ч +257+22 =

=5591,3 кг/ч следующего состава:

1.канифоль – 2752,6 кг/ч – 49,2 %

2.скипидар – 2273,6 кг/ч – 40,7 %

3.сор – 11,1 кг/ч – 0,2 %

4.вода – 532,0 кг/ч – 9,5 %

5.Н3Р04 – 22,0 кг/ч – 0,4 %

Всего: 5591,3 – 100 %

10