1.6.1.5. Управление процессами двухступенчатой сульфатной варки (целлюлоза для химической переработки)

Первой ступенью процесса получения целлюло­зы для химической переработки является варка в водной или паровой фазе (предгидролиз).

Качественным показателем процесса является глубина предгидролиза, или количество древесно­го вещества, перешедшего в раствор. Для оценки глубины предгидролиза используется интегральный показатель, структура которого задается в виде

T(t)-100 10

(1.185)

dt,

F = \n 0

где F — интегральный критерий; п — температур­ный коэффициент, показывающий, во сколько раз возрастает скорость реакции при увеличении темпе­ратуры варки на 10 °С, для процесса предгидролиза п - 2,8; T(t) — температура варочного раствора, °С.

Варка ведется до заданного значения интеграль­ного критерия. Расчет критерия начинается при температуре 100 °С.

1.6.1.6. Математические модели сульфитной варки

Уравнение делигнификации для сульфитной вар­ки имеет вид

dL

г = == = -fyft(:r)[HS03^U][H^+p]L^Y, (1.186)

где г — скорость реакции делигнификации; L — содержание лигнина в древесине; k(T) — коэффи­циент, учитывающий зависимость скорости реак­ции делигнификации от температуры; &₀ — кон­станта; [HSOg] — концентрация ионов бисульфи­та; [Н⁺] — концентрация ионов водорода.

По данным N. Н. Schoon [90]:

il2

Д2

1) <х= 0,82; (3= 0,705; у= 0,642; k_Q= 1,36-10^J если остаточный лигнин > 12,4 % ;

2)а=0,765;Р= 0,779; у= 1,621; k_Q= 0,407- 10^J если остаточный лигнин < 12,4 %.

[HS0₃]

Расчет концентраций ионов бисульфита и водо­рода [91]:

2связ80₉ - К

, 2связ80о _ _лл . + J( s. + ^-BecbS0₂); (1.187)

. 2cbh3S0₂ _ ~„ _ч + J( + ^BecbS0₂).

, -2связ80о - К [Я⁺] = s +

(1.188)

Значения констант диссоциации сернистой кис­лоты К приведены ниже [91]:

Т, °С 25 70 100 110

к 0,0172 0,0046 0,0024 0,0016

Т, °С 120 130 140 150

к 0,0011 0,0009 0,0005 0,0003

Предполагая линейную зависимость между со­держанием лигнина и степенью делигнификации целлюлозы в диапазоне 20...40 ед. Каппа и интег­рируя уравнение скорости делигнификации, полу­чим выражение для кинетического критерия:

F = kQ\e~^E/Rnt) HSOf H^dt. (1.189)

Критерий проверялся для промышленных усло­вий при условии отбора пяти проб щелока в процес­се варки для определения свободного и связанного S0₂. Обрабатывались температурно-временные диа­граммы, значения критерия между точками отбора проб аппроксимировались прямолинейными зави­симостями. Расчет критерия проводился методом численного интегрирования. Значение коэффици­ента корреляции между F и жесткостью составил 0,59, что соответствует снижению колебаний ка­чественных показателей на 23 % .

Компанией «Honeywell* были проведены исследо­вания по применению датчика Precisition^tm Chemical Sensor Model 413 для определения корреляции меж­ду показаниями датчика и составом варочной кис­лоты. Данные получены в процессе промышлен­ной эксплуатации на одном из швейцарских заво­дов, работающих на кальциевом основании. Квад­рат коэффициента корреляции между общим S0₂ и показаниями прибора составил 0,92, между свя­занным S0₂ и показаниями прибора — 0,81. При использовании Precisition^tm Chemical Sensor Model 413 точность критерия F может существенно возрасти.

Для управления процессом сульфитной варки может быть использован S-фактор [92]

S = ] p^ae^A'^B/Tdt, (1.190)

0

где р — парциальное давление паров S0₂; а — коэффициент, равный 0,75 (подобрано минимиза­цией ошибки для лабораторных экспериментов); _еА-В/Т — зависимость скорости реакции от темпе­ратуры.

S-критерий входит в математические модели сульфитной варки как комплексный параметр. Зна­чение Pso₂ рассчитывается следующим образом:

р =^cbo6S0₂; £ ₁₀3,507-1106/T+0,1465J.

I = 2связ80₂,(в ед. СИ), или p_sc>2 = р_тот - Рн₂0>

где р_тот — общее давление в котле; давление водя­ных паров Рщо определяется по таблицам Вука-ловича [93].

С использованием S-критерия разработаны ма­тематические модели для процесса двухступенча­той варки [92]:

где у — степень делигнификации целлюлозы; а^, а₂, а₃, а₄, а₀ — коэффициенты, определяемые экс­периментальным путем; С — концентрация актив­ных химикатов на первой ступени варки.

Критерий S описывает вторую ступень процес­са, т. е. температура, длительность и парциальное давление относятся ко второй стадии процесса. Коэффициент корреляции в лабораторных услови­ях составил 0,96.

Для процесса бисульфитной варки на магние­вом основании получено уравнение [94]:

где А, В, С, D — коэффициенты, определяемые экспериментально; SA — концентрация сильных кислот, образующихся в процессе варки (опреде­лялась кондуктометрическим титрованием проб, отобранных в процессе варки).

Коэффициент корреляции составил 0,82, что говорит о возможности использования модели.

Использование только //-фактора практически не дает положительных результатов. Коэффици­ент корреляции, рассчитанный по данным промыш­ленных результатов, составляет 0,3...0,4. Управ­ление по величине //-фактора при таком значении коэффициента корреляции неэффективно.

Тем не менее рассчитывать //-фактор целесооб­разно как параметр, характеризующий температур-но-временной режим процесса варки.

В настоящее время на заводах России конец вар­ки определяет оператор процесса, ориентируясь на изменение цвета варочного раствора. Промышлен­ных приборов для измерения цвета варочного ра­створа не существует. В связи с этим система управ­ления для стабилизации качественных показателей процесса сульфитной варки прежде всего должна обес­печить выполнение требований технологического рег­ламента. Как было показано, математические моде­ли достаточно сложны и требуют индивидуального подхода для каждого производства.