книги / Технологические расчеты по получению различных видов целлюлозы

Варка целлюлозы в варочной зоне. В зонах нагрева и варки происходит дальнейшее растворение органических веществ древесины до достижения конечного выхода целлюлозы 58 % от исходной древесины, т.е. 1517 · 0,58 = 880 кг. Растворяется органических веществ в варочной зоне 1365 – 880 = 485 кг. Количество растворенных органических веществ в растворе к концу варки составит 152 + 485 = 637 кг.

При титре кислоты в конце пропитки 1,2 % SO2 и основания 0,6 % в растворе будет содержаться

4930	1,2	= 59 кг SO2 и	4930	0,37	=18 кг MgO.
	100			100

По разности расход химикатов на химические реакции в период варки составит

207 – 59 = 148 кг SO2 и 59 – 18 = 41 кг MgO.

Других материальных изменений во время варки не происходит.

В табл. 3.5 представлен общий материальный баланс зоны варки.

					Таблица			3 . 5
Общий материальный баланс зоны варки
			Приход			Расход
		перешло	отхими-		нахими-	перешлов
Вещества		иззоны	ческих	итого	ческие	зону отбо-		итого
		пропитки	реакций		реакции	ракрепко-
						гощелока
Вода, кг		4930	–	4930	–	4930		4930
Древесина, кг		1487	–	1487	607	880		1487
Растворенныеорга-		152	485	637	–	637		637
ническиевещества,	кг
SO2, кг		207	–	207	148	59		207
MgO, кг		59	–	59	41	18		59

111

Отбор крепкого черного щелока из котла. Общее коли-

чество сухих веществ, содержащихся в щелоке к концу варки,

составляет 637 + 313,5 = 950,5 кг.

Содержание органических веществ в сухом остатке щелока

950,5637 100 = 67,0 %,

а минеральных, соответственно, 100 – 67 = 23 %. Концентрация сухих веществ в щелоке равна

950,5

100 =16,2 %.

4930+950,5

Принимаем эффективность промывки, или степень отбора щелока, равной 0,98. Иными словами, потери сухих веществ при окончательной промывке на барабанных фильтрах или других промывных аппаратах равны 2 %. Следовательно, при отборе крепкого щелока из котла будет извлечено 950,5 · 0,98 = 931 кг сухих веществ. Эти вещества направляются со щелоком на выпарку. Потери сухих веществ при окончательной промывке на промывных аппаратах составят 950,5 – 931 = 19,5 кг.

Проверим суммарный баланс сухого вещества. В щелок из древесины при варке перешло 1517 – 880 = 637 кг органических веществ. С варочной кислотой на варку пришло 313,5 кг минеральных веществ. Всего имеем в приходе сухих веществ 637 + 313,5 = 950,5 кг. Вычитая отсюда потери при промывке, имеем 950,5 – 19,5 = 931 кг, которые, как мы правильно рассчитали, и направляются со щелоком на регенерацию.

При концентрации сухого вещества в крепком щелоке 16,2 % общее его количество составит 931 : 0,162 = 5747 кг, а количество воды в нем 5747 – 931 = 4816 кг. Чтобы вытеснить такое количество жидкости, в зону отбора крепкого щелока из промывной зоны должно поступить такое же количество более слабого щелока. Примем, что средняя концентрация сухого вещества

112

в этом слабом щелоке будет равна 8 %. Следовательно, со слабым

щелоком из зоны промывки поступит 4816 8 = 420 кг сухо100 − 8

го вещества.

Суммарный материальный баланс зоны отбора щелока показан в табл. 3.6.

Таблица 3 . 6

Суммарный материальный баланс зоны отбора щелока

		Приход			Расход
Вещество		сослабым		сотбор-	перешло
	иззоны	щелоком	итог	нымкреп-		итого
	варки	иззоны		кимщело-	взону
					пропитки
		промывки		ком
Вода, кг	4930	4816	9746	4816	4930	9746
Сухиевещества
вщелоке, кг	950,5	420	1370,5	931	439,5	1370,5
Итогощелока, кг	5880,5	5236	11 116,5	5747	5369,5	11 116,5
Целлюлоза, кг	880	–	880	–	880	880

Промывка и выдувка массы. В зону горячей промывки подается слабый щелок из промывных аппаратов в количестве, достаточном для вытеснения крепкого щелока из зоны отбора и для разбавления целлюлозной массы при выдувке. Принимаем концентрацию массы при выдувке равной 10 %. Тогда с ней должно уходить слабого щелока

880 (100−10) = 7920 кг.

10

Общее количество подаваемого в низ котла слабого промывного щелока 4816 + (7920 – 4930) = 7806 кг. При содержании в нем 4 % сухого остатка количество последнего составит

7806 · 0,04 = 312 кг.

Общий материальный баланс зоны горячей промывки и выдувки представлен в табл. 3.7.

113

Таблица 3 . 7

Общий материальный баланс зоны горячей промывки и выдувки

		Приход			Расход
Вещества	иззоны	сослабым		взону	выдува-
		промыв-	итог	отборасо		итого
	отбора	нымще-		слабым	етсяиз
	щелока				котла
		локом		щелоком
Вода, кг	4930	7806	12736	4816	7920	12736
Сухиевеществав
щелоке, кг	439,5	312	751,5	420	331,5	751,5
Итогощелока, кг	5369,5	8118	13 487,5	5236	8251,5	13 487,5
Целлюлоза, кг	880	–	880	–	880	880

Для полной картины процесса составим еще материальный баланс домывки целлюлозы в промывных аппаратах и баланс самоиспарения щелока в расширителе.

Домывка целлюлозы. Примем, что домывка целлюлозы после горячей промывки в котле производится в две ступени на вакуум-фильтрах, из которых промытая масса выходит с концентрацией 10 %. Тогда с промытой массой будут уходить из вакуумфильтров те же 7920 кг воды, которые с ней приходят из котла, а расход промывной воды при промывке в вакуум-фильтрах будет равен количеству слабого промывного щелока, подаваемому в зону горячей промывки, т.е. 7806 кг/т целлюлозы. Потери сухого веществаспромытоймассой составят439,5 – 420 = 19,5 кг.

Самоиспарение щелока в расширителях. Из зоны отбора щелока из котла в расширители направляется (см. табл. 3.6) 5747 кг крепкого щелока, содержащего 4816 г воды и 931 кг сухих веществ. Примем следующие исходные данные: температура отбираемого щелока – 160 °С, теплоемкость воды – 4,19 кДж/(кг·°С), теплоемкость сухих веществ щелока – 1,35 кДж/(кг·°С), давление в расширителе – 0,02 МПа. По таблицам насыщенного пара (см. табл. П1 приложения) находим соответствующую этому давлению теплоту испарения 2250 кДж/кг, а также температуру насыщения 105 °С.

114

При охлаждении щелока со 160 до 140 °С в расширителе выделится тепла: (4816 · 4,19 + 931 · 1,35) · (170 – 105) = = 1 648 725 195 кДж, за счет которого испарится 1 648 725 195 : 2250 = 732 кг пара давлением 0,02 МПа. После расширителя в щелоке останется воды 4816 – 732 = 4084 кг.

Примем во внимание, что одновременно с паром из щелока при самоиспарении в расширителе выделяются некоторые летучие органические продукты (уксусная и муравьиная кислоты, фурфурол, цимол, ацетон, углекислый газ, метиловый спирт). Количество их округленно примем равным 4 % от массы древесины. В пересчете на 1 т целлюлозы это составит 1517 · 0,04 = 61 кг. За вычетом этих веществ количество сухих веществ в щелоке уменьшится до 931 – 61 = 870 кг.

Концентрация сухих веществ в крепком щелоке после расширителя составит

870

100 =17,6 %.

870+4084

4.РАСЧЕТЫ ПО ОТБЕЛКЕ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ

4.1.Выбор технологической схемы, режима отбелки целлюлозы и краткое обоснование некоторых исходных данных для расчета

Для отбелки используется небеленая сульфатная целлюлоза марки НС-2 с числом Каппа 26–36 (см. табл. П7 приложения). Беленая целлюлоза марки ХБ-1 (см. табл. П13 приложения) должна иметь белизну не менее 88 %.

Принимаем 5-ступенчатую схему отбелки (Д/Х – ЩОП – Д – П – К), обеспечивающую получение целлюлозы с заданной белизной (не менее 88 %) при понижении механических показателей целлюлозы в процессе отбелки примерно на 5 % по сравнению с небеленой целлюлозой.

115

Обозначения ступеней отбработки:

Д/Х – обработка диоксидом хлора с последующей обработкой хлором без промывки (стадия делигнификации);

ЩОП – окислительное щелочение в присутствии пероксида водорода и кислорода;

Д – ступень добелки диоксидом хлора; П – пероксидная отбелка; К – кисловка массы.

Технологическая схема отбелки целлюлозы представлена на рис. 4.1, принципиальная схема – на рис. 4.2.

Режим отбелки целлюлозы и основные исходные данные выбираем на основании данных по теории и технологии отбелки в учебных пособиях [5, 6], в источниках [4, 7, 8] (см. также табл. П11 приложения).

Приводим краткое обоснование некоторых исходных данных для материальных расчетов.

Более подробная информация о проектировании схем отбелки и облагораживании имеется в учебных пособиях [1–3].

Химические потери при отбелке без облагораживания

восновном зависят от содержания лигнина в небеленой целлюлозе, так как отбелка обеспечивает практически полную делигнификацию волокна. Более или менее полно переходят

враствор или эмульгируются экстрактивные вещества. Гемицеллюлозы разрушаются лишь частично, а повреждение клетчатки при отбелке ограничивается изменением вязкости, степени полимеризации, появлением окисленных групп. На каждый процент удаленного лигнина в раствор переходит 1–1,5 % сопровождающих органических веществ при отбелке сульфитной мягкой целлюлозы и 0,75–1 % при отбелке сульфатной среднежесткой целлюлозы. Величина химических потерь при отбелке зависит также от конечной белизны целлюлозы: чем она выше, тем больше потери.

116

117

Рис. 4.1. Технологическаясхемаотбелкицеллюлозы: 1 – башняобработкиД; 2 – башняобработкиХ; 3 – башняЩОП(окислительноещелочение); 4 – башняотбелкиД; 5 – башняотбелкиП; 6 – бассейнвысокой

концентрации; 7–1 – смесительроторно-пульсационный№1; 7–2 – смесительроторно-пульсационный№ 2; 8 – эжекторныйсмеситель; 9–2 – бакоборотнойводы№2; 9–3 – бакоборотнойводы№3; 9–4 – бакоборотной воды№4; 10–1 – двухбарабанныйпромывнойпресс№1; 10–2 – двухбарабанныйпромывнойпресс№2; 10–3 – двухбарабанныйпромывной пресс№ 3; 10–4 – двухбарабанныйпромывнойпресс №4; 11–1 – насос среднейконцентрации №1 МС; 11–2 – насос среднейконцентрации№ 2 МС; 11–3 – насоссредней концентрации№ 3 МС; 12 – смесительМС; 13 – насос-смесительМС; 14 – радиальныйсмесительбашни отбелкиСlО2; 15 – насосыцентробежные

Рис. 4.2. Принципиальная схема отбелки сульфатной лиственной целлюлозы

118

Приблизительная величина потерь целлюлозы в отбельном цехе установлена нормами проектирования (см. также табл. П11 приложения). Для более точного расчета общей величины химических потерь при отбелке (без облагораживания) можно использовать эмпирические формулы:

для сульфитной мягкой целлюлозы

А = 2,25 · Л + 0,1 (Б – 70);

для сульфатной среднежесткой целлюлозы

А = 1,75 · Л + 0,08 (Б – 60),

где А – химические потери целлюлозы, %; Л – массовая доля лигнина в небеленой целлюлозе, %; Б – конечная белизна целлюлозы, %.

Например, при отбелке сульфитной целлюлозы с массовой долей лигнина Л = 2 % до белизны Б = 85 % химические потери составят

А= 2,25 · 2 + 0,1 (85 – 70) = 6 %,

апри отбелке сульфатной среднежесткой целлюлозы с массовой долей лигнина А = 4,5 % до белизны Б = 90 %

А= 1,75 · 45 + 0,08 (90 – 60) = 10,3 %.

Втехнической и нормативной документации небеленую целлюлозу обычно характеризуют не массовой долей лигнина,

астепенью делигнификации по перманганатному числу K (число Каппа, единицы Каппа). Массовую долю лигнина Л, %, можно вычислить по эмпирическим уравнениям:

– для сульфитной целлюлозы – Л= 0,17K;

– для сульфатной целлюлозы – Л= 0,15K;

– для полуцеллюлозы – Л = 0,16K.

119

4.2. Материальный баланс процесса отбелки целлюлозы

Режим отбелки целлюлозы и основные исходные данные для расчета баланса воды и волокна приведены в табл. 4.1.

Таблица 4 . 1

Режим отбелки целлюлозы и исходные данные для расчета

			Расход	Химиче-	Концен-	Темпе-	Продолжи-
	Ступень	Химикаты	химикатов,	скиепоте-	трация	ратура,	тельность,	pH
	отбелки		% ота.с.	риволок-	массы,	°C	мин
			вещества	на, %	%
		ClO2
	Д/Х	(вед. акт.	1,5	3,5	3,0–3,5	15–20	15–20	3,5–4,5
		хлора)
		Сl2	2,6				40–45	2–2,5
	ЩОП	NaOH	1,5
		H2O2	0,5	2,0	12	70	120	10–11
		O2	1,5
	Д	ClO2	2,6 (вед.	2,1	12	70	180	4,5–5,5
			акт. хлора)
		H2O2	2,0
	П	NaOH	2,0	1,0	12	80	12	10–11
		Na2SiO3	3,0
		ТрилонБ	0,5
	К						Темпе-
		SO2	1,0	0,1	12	25	ратура	4,5–5,5
							потока
		Дополнительные исходные данные для расчета:
	Расход, кг/т:
		оборотной воды на спрыски двухбарабанных
		промывных прессов (на промывку целлюлозы)........ 3500
		свежей воды на спрыски двухбарабанных
		промывных прессов (на промывку барабанов) ......... 3500

120