СОДЕРЖАНИЕ ДИПЛОМНОГО ПРОЕКТА

ТИТУЛЬНЫЙ ЛИСТ

ЗАДАНИЕ

РЕФЕРАТ

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Область применения и свойства целлюлозы для химической переработки

1.2 Способы получения целлюлозы для химической переработки

1.3 Особенности отбелки

1.3.1 Кислородно-щелочная обработка целлюлозы

1.3.2 Отбелка целлюлозы диоксидом хлора

1.3.3 Горячее облагораживание целлюлозы

1.3.4 Отбелка целлюлозы гипохлоритом

1.3.5 Кисловка

1.4 Основные направления современных технологий отбелки ECF и TCF

1.5 Теоретические основы отбелки

2 ВЫБОР МЕСТА СТРОИТЕЛЬСТВА

3 ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

3 Характеристика используемых сырья, полуфабрикатов и выпускаемой проектируемым заводом готовой продукции по ГОСТ, ТУ, ОСТ

3.1.1 Характеристика готовой продукции

3.1.2 Характеристика сырья и применяемых химикатов

3.1.3 Требования к свежей, оборотной и декатионированной воде, пару

3.2 Выбор, обоснование и описание технологической схемы и основного оборудования

3.2.1 Выбор и обоснование предполагаемой технологической схемы и основного оборудования

3.2.2 Описание предполагаемой технологической схемы

3.3 Технологические расчеты

3.3.1 Расчет материального и теплового баланса отбельного цеха

3.3.2 Расчет материального баланса отдела очистки и сортирования

3.3.3 Расчет основного и вспомогательного оборудования

3.4 Укрупненный расчет материального баланса цехов

3.4.1 Расчет годовой потребности в сырье и химикатах

3.4.2 Определение суточного расхода электроэнергии

3.4.3 Технико-экономические показатели

4 АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННОГО ПРОЦЕССА ОТБЕЛКИ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ

4.1 Описание схемы автоматического контроля отбельного цеха

4.2 Спецификация контрольно-измерительных и регулирующих приборов

5 СТРОИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ

6 ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

7 ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ПРОИЗВОДСТВА

8 ОХРАНА ТРУДА И ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ В ОТБЕЛЬНОМ ЦЕХЕ

9 ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Обзор литературы

1. Область применения и свойства целлюлозы для химической переработки

Использование целлюлозы для химической промышленности росло с развитием в основном вискозной промышленности, производящей основной вид химических волокон – вискозный шелк.

С развитием вискозной промышленности росли и требования к вискозной целлюлозе. Сначала обращали внимание на такие показатели, как значение альфа-целлюлозы и вязкость, а затем все большее значение стали придавать зольности и составу зольных элементов, реакционной способности и фракционному составу целлюлозы по молекулярному весу. В последнее время все больше внимания обращается на тонкое строение целлюлозных волокон и его влияние на свойства вискозной нити.

Широкое использование вискозной целлюлозы для изготовления одежды, ковров, обивочного материала, шинного корда, целлофана, губки и очень многих других изделий объясняется не только особыми свойствами целлюлозы и ее производных, но и тем, что производство этих изделий из целлюлозных материалов обходится дешевле, чем из синтетических.

Развитие производства вискозного шелка привело к созданию основных видов вискозного волокна: текстильной нити, штапельного волокна и кордной нити. Также наблюдается рост производства штапельного волокна. Появились разновидности штапельного волокна: высокопрочная крученая целлюлозная шерсть, высокопрочное штапельное волокно и др.

Вискозный корд используется в производстве автомобильных покрышек. Повышение прочности вискозного корда способствовало появлению синтетического корда, соперничающего по прочности с вискозным. Для производства кордной нити высокого качества потребовалась высококачественная целлюлоза, обеспечивающая необходимую прочность корда и практика показала, что лучшей целлюлозой для этого производства является сульфатная предгидролизная целлюлоза.

Сульфатная предгидролизная целлюлоза используется не только для производства кордного волокна, но и для производства текстильной нити и прочного штапеля. В США эта целлюлоза используется для нитрации с целью переработки нитроцеллюлозы на твердое топливо.

Данный способ производства обладает рядом положительных сторон:

- позволяет перерабатывать на целлюлозу все виды растительного сырья, в том числе свежесрубленные очень смолистые породы древесины, дровяную смешанную хвойно-лиственную древесину, солому и т.д.;

- обеспечивает получение прочной целлюлозы, необходимой для производства технических, упаковочных и электроизоляционных бумаг и картонов, прочной беленой целлюлозы из хвойной и лиственной древесины;

- позволяет осуществлять регенерацию тепла и химикатов и т.д.

Исходя из области применения сульфатная целлюлоза для химической переработки обладает определенными свойствами.

Вязкость целлюлозы меняется в широких пределах и связано это со способами переработки целлюлозы на вискозное волокно. Высоковязкая целлюлоза содержит меньшее количество низкомолекулярных фракций, которые оказывают вредное влияние на процесс получения вискозной нити. Использование для получения прочных нитей целлюлозу более высокой вязкости и соответственно более высокой СП (1000 и выше) связано с тем, что вискозное волокно из такой целлюлозы обладает наиболее однородным фракционным составом.

Содержание альфа-целлюлозы – один из основных показателей качества вискозной целлюлозы. Увеличение содержания альфа-целлюлозы сопровождается повышением качества вискозного волокна и производительности предприятия. Но производство целлюлозы с высоким содержанием альфа-целлюлозы (до 97 % и выше) ведет к снижению выхода целлюлозы, что отрицательно сказывается на экономике производства такой целлюлозы, кроме этого требуются значительные расходы щелочи, что также сказывается на стоимости целлюлозы.

При получении вискозного корда не меньшее значение имеет наличие в исходной целлюлозе гемицеллюлоз и низкомолекулярных фракций (бета-целлюлозы). Повышенное содержание гемицеллюлоз свидетельствует о недостаточном облагораживании целлюлозы, а повышенное содержание пентозанов служит признаком пониженной реакционной способности целлюлозы. Следовательно, наличие гемицеллюлоз указывает на недостаточную чистоту целлюлозы. Чем выше содержание бета-целлюлозы в исходной целлюлозе, тем ниже сопротивление вискозной нити к старению.

Стремление к чрезмерному снижению в целлюлозе сопутствующих углеводов не всегда технологически и экономически целесообразно, так как при жестких условиях обработки целлюлозы, с целью отделения этих углеводов, происходит образование низкополимерных фракций целлюлозы.

Неоднородность вискозной целлюлозы оказывает вредное влияние при химической переработке целлюлозы. Молекулярная однородность целлюлозы не только положительно влияет на физико-механические свойства вискозного волокна, но и на структуру вискозных растворов. Неоднородность целлюлозы по молекулярному весу, а именно наличие в ней фракций с высокой степенью полимеризации, ухудшает фильтруемость вискозных растворов. Отрицательное влияние на прочность волокна оказывает часть целлюлозы с СП менее 200, в которой содержится основное количество не целлюлозных компонентов, ухудшающих свойства волокна.

Реакционная способность целлюлозы – это способность целлюлозы давать после этерификации прозрачные и хорошо фильтрующиеся растворы, что характеризует полноту завершения процесса химической обработки. При производстве целлюлозы для химической переработке основным требованием должна быть низкая реакционная способность, выражаемая в умеренной скорости созревание щелочной целлюлозы; однако целлюлоза должна обладать высокими вискозообразующими свойствами, т. е. должна давать равномерные, хорошо фильтрующие вискозные растворы.

Повышенная зольность целлюлозы приводит к нарушению режима производства и ухудшению свойств волокна. Соединения кальция и кремния ухудшают процесс фильтрации вискозы. При получении волокна высокой прочности присутствие кремния нежелательно, так как его кристаллы создают слабые места в волокне и снижают его динамическую прочность. Содержание в золе солей кремния резко снижает предел выносливости вискозного волокна. При повышении зольности целлюлозы от 0,05 до 0,25 % фильтруемость вискозы уменьшается в 5 раз. Содержание золы в целлюлозе и ее состав зависят от качества производственной воды, коррозиоустойчивости оборудования и чистоты применяемых химикатов, растворов и культуры производства.

Наличие в вискозном растворе солей железа вызывает большие затруднения при переработке такой вискозы, так как вязкость растворов значительно увеличивается. Большое содержание кальция вызывает следующие затруднения: осаждение гемицеллюлоз в растворе, уменьшение фильтруемости вискозы (образуются отложения).

Мелкое волокно ухудшает реакционную способность целлюлозы, так как оно имеет очень низкую реакционную способность, также влияет на физические свойства листа, ухудшает его впитывающую способность. Отрицательное влияние мелкого волокна обуславливается тем, что в нем содержится основное количество загрязнений. При удалении мелкого волокна в целлюлозе снижается содержание пентозанов, золы и низкополимерных фракций, также значительно повышается морфологическая однородность целлюлозы, улучшается ее химический состав, уменьшается смолистость и зольность, повышается содержание альфа-целлюлозы и реакционная способность [1].

2. Способы получения сульфатной целлюлозы для химической переработки

Одним из распространенных способов 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 течении 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 гемицеллюлоз подвергается воздействию кислых продуктов предгидролизата, способствуя их растворению при последующей сульфатной варке. В предгидролизате часть гемицеллюлоз находится в виде моносахаридов, а часть в виде полисахаридов. Соотношение этих веществ, а также общее количество гемицеллюлоз в предгидролизате характеризуют глубину и интенсивность предгидролиза.

При кислотном или водном предгидролизе в раствор переходит от 18 до 25 % веществ целлюлозы.

В настоящее время наиболее распространенным способом предгидролиза при производстве сульфатной вискозной целлюлозы является водный. 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 получат растворимую целлюлозу высокого качества как по содержанию α-целлюлозы, так и пентозанов.

При всех положительных качествах получения растворимой целлюлозы с водным предгидролизом имеет место экологическая проблема, суть которой в том, что большая доля загрязнений попадает в общие стоки производства от дрожжевого завода, перерабатывающего предгидролизаты в биологически активный продукт – кормовые дрожжи. Доля загрязнений от дрожжевого завода может составлять в общем объеме загрязнений комбината до 30…40 %. С целью сокращения загрязнений в процессе получения целлюлозы для химической переработки с предгидролизом и повышения экономичности процесса водный предгидролиз заменяется на паровой.

В России в настоящее время растворимую целлюлозу сульфатным способом производят с паровым предгидролизом. Образующийся в небольшом количестве кислый конденсат-предгидролизат нейтрализуют черным и белым варочными щелоками и направляется совместно с отработанным черным щелоком на регенерацию по обычной схеме.

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 α-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 течении 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 поучать высококачественную целлюлозу с сокращенным расходом пара на предгидролиз.

3. Способ предгидролиза древесины раствором SO₂ и Na₂SO₄ осуществляется либо при совместной обработке раствором SO₂ и Na₂SO₄, либо сначала проводится глубокая пропитка раствором Na₂SO₄ и затем гидролиз раствором SO₂. В том и другом случае температура предгидролиза не должна превышать 130 ˚С. При этом способе предгидролизная небеленая целлюлоза отличается от целлюлозы, полученным с водным гидролизом, повышенным выходом, лучшей степенью провара, более светлым цветом, лучшей белимостью и более высоким содержанием α-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 отобранным щелоком перед сульфатной варкой [2].

3. Особенности отбелки сульфатной вискозной целлюлозы

В настоящее время свыше половины всего количества вырабатываемой в мире целлюлозы выпускается в беленом виде, то есть подвергается отбелке. Основной целью отбелки является придание целлюлозе белого цвета, то есть повышение степени белизны. Кроме повышения белизны, процесс отбелки должен обеспечивать стабильность белизны, то есть сохранение белизны на достигнутом уровне в течении длительного времени при хранении, использовании и переработке целлюлозы, бумаги и картона.

В настоящее время в целом в производстве применяются исключительно методы комбинированной многоступенчатой отбелки с использованием на отдельных стадиях процесса различных отбеливающих и делигнифицирующих химикатов [3, с.201-202].

До середины 80-х годов прошлого века наиболее распространенными реагентами отбелки являлись хлор и гипохлорит. Но с момента обнаружения в стоках отбельного цеха высокотоксичных хлоринов из схем отбелки стали исключать хлор и гипохлорит. В результате основными реагентами в современных схемах отбелки являются диоксид хлора, кислород, пероксид водорода. С конца прошлого века все более широко применяются при отбелке озон, перкислоты, ферменты (энзимы).

Носителем цветности в небеленых целлюлозах является в основном остаточный лигнин, содержащий различные хромофорные группы. Небеленая сульфатная целлюлоза имеет темный, коричневый цвет.

Для собственно отбелки целлюлозы, т.е. для повышения степени ее белизны было бы достаточно разрушить хромотофорные группировки остаточного лигнина, но такая обработка не достаточна для отбелки целлюлозы; для достижения высокой и стабильной белизны необходимо завершить процесс делигнификации, начатый при варке[3, с. 202-203].

Процесс отбелки предгидролизной целлюлозы имеет свои специфические особенности. К этим особенностям относят, например, более высокий выход предгидролизной целлюлозы при облагораживании, также различную степень повышения содержания альфа-целлюлозы при горячем и холодном облагораживании как обычной, так и предгидролизной целлюлозы.

Основная особенность предгидролизной целлюлозы заключается в том, что на отбелку она поступает уже облагороженная, с высоким содержанием альфа-целлюлозы. Поэтому процесс отбелки нужно вести так, чтобы при удалении сопутствующих примесей и повышении белизны сохранились высокие качественные показатели целлюлозы, достигнутые в результате варки с предгидролизом.

Поэтому варку предгидролизной сульфатной целлюлозы необходимо проводить так, чтобы уже небеленая целлюлоза возможно лучше отвечала требованиям, предъявляемым к вискозной целлюлозе. Тогда в процессе отбелки должно происходить лишь частичное, незначительное изменение этих свойств. Именно с этой точки зрения и следует подходить к отбелке предгидролизной целлюлозы [1].

Кратко остановимся на отдельных стадиях отбелки этого вида целлюлозы.