Федеральное агентство по образованию

Сыктывкарский лесной институт (филиал)

Санкт-Петербургская лесотехническая академия им. С.М.Кирова

Кафедра «ЦБП, ЛХ и ПЭ»

Курсовой проект

Тема: Производительность завода 350 т/сут. воздушно – сухой целлюлозы по варке, вискозной целлюлозы, варка с предгидролизом в котлах периодического действия.

Выполнил:

Ст – т:

Технологическийфак-та

Специальности: ТХПД

Группа 342 (ЦБП), д/о

Проверил:

Демин В. А.

Сыктывкар 2005

Содержание

I. Теоретическая часть…………………………………………………………………………...3

1. Ступенчатые методы щелочной варки………………………………………………………3

2 Периодическая варка…………………………………………………………………………14

3. Описание технологической схемы………………………………………………………….15

II. Расчетная часть………………………………………………………………………………21

Список литературы

I. Теоретическая часть ступенчатые методы щелочной варки Сульфатная варка с предварительным гидролизом

Обычная сульфатная или натронная варка не дает возможности получать целлюлозу для химической переработки, обладающую достаточно высокой реакционной способностью. Типовым методом получения целлюлозы для указанных целей является щелочная варка с предварительным гидролизом щепы, т. е. двухступенчатая комбинированная варка. Предварительный гидролиз имеет целью удаление из древесины легкогидролизуемых гемицеллюлоз, ослабление связей между устойчивыми пентозанами и целлюлозой и частичное разрыхление структуры клеточных стенок, что облегчает удаление пентозанов во время последующей сульфатной или натронной варки и повышает реакционную способность целлюлозы, предназначенной для химической переработки на искусственное волокно и другие продукты.

Предварительный гидролиз (предгидролиз) осуществляют разбавленными минеральными кислотами или варкой с водой. В последнем случае роль катализатора, ускоряющего гидролиз гемицеллюлоз, выполняют образующиеся при водной варке органические кислоты, главным образом уксусная и муравьиная. Вместо водной варки некоторые предприятия практикуют иногда глубокую пропарку щепы «мокрым» водяным паром.

При предгидролизе, кроме гемицеллюлоз, гидролизующихся до моносахаридов, в раствор переходят частично экстрактивные вещества, зола и небольшая часть низкомолекулярного лигнина. Общие массовые потери древесины при предгидролизе составляют 15 - 20%.

Для кислотного предгидролиза пользуются растворами серной кислоты крепостью 0,3 - 0,5 % или соляной концентрацией 0,5 - 1 %, имеющими рН при нормальной температуре порядка 1 - 1,5. Процесс ведут при температуре от 100 до 125 °С в течение от 5 до 2 ч (чем выше температура, тем меньше продолжительность). Повышение температуры и концентрации кислоты ведет к увеличению содержания альфа-целлюлозы в получаемой после сульфатной варки целлюлозе, но одновременно повышается в ней и содержание остаточного лигнина (рис. 1), что затрудняет ее отбелку. Неблагоприятное влияние жестких условий предгидролиза объясняется кислотной конденсацией лигнина.

Оптимальными условиями кислотного предгидролиза еловой древесины можно считать: концентрацию серной кислоты 0,5 - 0,75%, температуру 120 °С, продолжительность 2 ч. Примерно такие же условия наиболее благоприятны для предгидролиза твердых лиственных пород древесины, например березы.

Таблица 1 показывает результаты варки с кислотным предгидролизом древесины различных пород по сравнению с обычной сульфатной варкой. Как видно, при сульфатной варке с кислотным предгидролизом удается получать облагороженную целлюлозу, содержащую 94 - 97 % альфа-целлюлозы, не только из хвойных пород древесины, но и из лиственных, богатых пентозанами. Однако выход облагороженной целлюлозы из лиственных пород, понятно, значительно ниже (28 - 29 %), чем из хвойных (34 %), а количество органических веществ, переходящих в раствор при кислотной обработке, соответственно больше.

Значительно шире, чем кислотный, в промышленной практике используется метод водного предварительного гидролиза. Путем сульфатной варки с водным предгидролизом, с последующей многоступенчатой отбелкой (с дополнительным холодным облагораживанием или без него) во многих странах производят целлюлозу для переработки на искусственное волокно - вискозное, кордное, высокомодульное и т. п.

Рис. 1. Влияние на химические показатели сульфатном предгидролизной

целлюлозы:

а - температуры; б - концентрации кислоты при предгидролизе

Рис. 2. Влияние температуры водного предгидролиза и пропарки на содержание альфа-целлюлозы и пентозанов в сульфатной целлюлозе

В Советском Союзе работают два крупнейших предприятия производственной мощностью по 100 тыс. т кордной целлюлозы в год Байкальский целлюлозный завод и целлюлозный завод № 1 Братского лесопромышленного комплекса, работающие по способу сульфатной варки с водным предгидролизом. Каждое из этих предприятий оборудовано 28 варочными биметаллическими котлами объемом 140 - 144 м³. Кроме того, в составе второй очереди Братского ЛПК был сооружен завод вискозной целлюлозы, оборудованный непрерывными установками типа

Таблица 1

Показатели	Порода древесины
	Сосна	Бук	Береза	Осина
Выход целлюлозы, % к древесине: при обычной сульфатной варке при варке с предгидролизом	40 34	33 28	38 28	41 29
Содержание альфа – целлюлозы в сульфатной целлюлозе, %: при обычной варке при варке с предгидролизом	88 95	88 94	89 97	88 97
Растворяется органических веществ при кислом предгидролизе, % к исходной древесине	18	20 - 25	31	28

Камюр, также для работы по методу варки с водным предгидролизом.

Температура водного предгидролиза колеблется от 140 до 180 °С, продолжительность - от 3 ч до 20 мин (чем выше температура, тем меньше продолжительность). На рис. 2, по данным Н. А. Розенбергера, показано влияние температуры водного предгидролиза и водной пропарки на содержание альфа-целлюлозы и пентозанов в сульфатной целлюлозе после варки.

Гидролизат, содержащий 15 - 16 % органических веществ от массы древесины, используется для выращивания дрожжей. Для производства спирта утилизировать гидролизат не удается, так как содержание гексозных сахаров в нем относительно невелико. Некоторые заводы заменяют водный гидролиз (водную варку) мокрой пропаркой щепы: в котел заливают небольшое количество воды, дают в нижний конус острый пар и постепенно поднимают температуру до 160 - 170 °С, при которой котел выдерживают 1 - 1,5 ч. Ввиду малого количества жидкости в котле гидролизат оставляют в котле. Таким образом, сразу по окончании мокрой пропарки в котел закачивают белый щелок и производят сульфатную варку, а органические вещества, перешедшие в раствор в период гидролиза, оказываются в черном щелоке и направляются с ним на сжигание. По данным Н. А. Розенбергера (см. рис. 2), метод мокрой пропарки при одних и тех же условиях приводит к получению целлюлозы с несколько меньшим содержанием альфа - целлюлозы и большим количеством пентозанов по сравнению со способом водной варки.

Кислотность предгидролизата, получаемого путем водной варки или мокрой пропарки, значительно меньше, чем при кислотном методе, и соответствует величине рН 3 - 4. В производственных условиях по величине рН гидролизата регулируют продолжительность водной варки. Глубина предгидролиза определяется потерями вещества древесины. Г. С. Косая отмечает, что, независимо от температуры, ухудшение степени провара целлюлозы после сульфатной варки и прекращение увеличения содержания альфа-целлюлозы замечается после того, как потери древесины при водном предгидролизе превысят 20 - 21 %. На практике обычно эта величина при варке хвойных пород составляет 16 - 18 %, что обеспечивает возможность получения высококачественной вискозной и кордной целлюлозы.

Результаты обстоятельных работ Г. С. Косой во ВНИИБе по изучению сульфатной варки с водным предгидролизом были использованы при проектировании и пуске в эксплуатацию отечественных предприятий. Этими работами была доказана возможность использования для получения кордной целлюлозы древесины лиственницы. Вследствие высокого содержания водорастворимых гемицеллюлоз (арабиногалактана) потери вещества древесины лиственницы при предгидролизе значительно

Рис. 3. Влияние расхода активной щелочи, ед. NaOH, на результаты пред-

гидролизной и обычной варки сосновой древесины:

1, 2 - выход целлюлозы, %; 3, 4 - степень провара, перм. ед ; 5, 6 - вязкость 1 % - ного медноаммиачного раствора целлюлозы, предгидролизная целлюлоза; обычная сульфатная целлюлоза

Рис. 4. Температурный график варки кордной целлюлозы с водным предгидролизом:

1 - подготовка котла и загрузка щепой; 2 - заливка воды; 3 - подъем температуры, 4 - водная варка при 170 °С; 5 - спуск предгидролизата; 6 - закачка белого и черного щелоков; 7 - пропитка; 8 - подъем температуры; 9 - сульфатная варка при 170 ^оС, 10 - выдувка

выше, чем для сосны, примерно 20 - 22 %, а предельная величина потерь около 24 - 25 % (после ее достижения наступают затруднения при делигнификации в стадии сульфатной варки). В связи с относительно большими потерями вещества древесины при гидролизе, выход целлюлозы после сульфатной варки из древесины лиственницы значительно ниже (31 - 32 %), чем для сосны (35 - 36 %).

Основными факторами сульфатной варки предгидролизной древесины, оказывающими влияние на скорость процесса, выход и качество целлюлозы, остаются те же, что и для обычной варки, т. е. конечная температура, расход активной щелочи по отношению к исходной древесине, концентрация щелока (или жидкостный модуль) и сульфидность щелока. Для примера на рис. 3 показаны результаты опытов Г. С. Косой, иллюстрирующие влияние расхода активной щелочи на выход и свойства целлюлозы из сосны при одинаковом температурном графике варки.

Одним из важнейших показателей вискозной и кордной целлюлозы является содержание альфа-целлюлозы. Сульфатная варка с водным предгидролизом дает возможность получать из древесины сосны и лиственницы небеленую облагороженную целлюлозу с содержанием 95 - 96 % альфа-целлюлозы. По данным Г. С. Косой, предгидролизная целлюлоза из лиственницы при одинаковых условиях варки имеет содержание альфа-целлюлозы на 1 - 1,5 % более высокое, чем из сосны.

Для вискозной и кордной целлюлозы имеет очень большое значение равномерность и однородность провара щепы. Поэтому к качеству щепы для предгидролизной варки предъявляются повышенные требования: содержание щепы нормальных размеров (остаток на ситах с отверстиями 20 х 20 и 10 х 10 мм) должно быть не менее 90%, содержание опилок - не более 1 %, кора и гниль не допускаются.

На рис. 4 показан график варки кордной целлюлозы в котле объемом 144 м³. Оборот варочного котла складывается из следующих операций, мин.

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

Загрузка котла щепой (с паровым уплотнением)…………………..……. 35 - 45

Заливка воды (60 – 65 м при температуре 85 °С)……………………………. 20

Нагрев до 170°С………………………………………………………………. 120

Водная варка при 170 °С (давление 0,75 - 0,85 МПа)…………..………...70 - 80

Спуск гидролизата……………………………………………………………….30

Закачка белого и черного щелоков……………………………………………..20

Пропитка при температуре 128 °С……………………………………………..30

Подъем температуры до 170 °С………………………………………………...60

Сульфатная варка при 170 °С (давление 0,7 - 0,75 МПа)…………………….80

Выдувка массы из котла………………………………………………………...30

Итого оборот котла, ч - мин…………………………………….от 8 - 35 до 8 -55

Принудительная циркуляция работает непрерывно в период подъема температуры и стоянки на конечной температуре во время как водной, так и сульфатной варки. Расход энергии составляет 80 - 85 кВт-ч/т целлюлозы, расход пара 4,5 - 4,7 т/т целлюлозы. При варке сосновой щепы при массовой степени загрузки 170 кг абс. сухой древесины на 1 м³ котла расход абсолютно сухой древесины на одну варку составляет 170 - 144 = 24500 кг. Расход активной щелочи на котел при варке с уплотнением щепы равен 4400 кг Na₂O, или 4440 : 24500 - 100 = 18 % Na₂O к массе абс. сухой древесины. Производительность котла соответствует 23,6 т воздушно-сухой целлюлозы в сутки при числе варок 24 : 8,75 = 2,74 в сутки. Следовательно, выход воздушно-сухой целлюлозы из 1 м³ котла составляет 23600 : 2,74 - 144 = 60 кг, что, понятно, значительно ниже, чем при обычной варке без предгидролиза. Если в котел загружают 24,5 т абсолютно сухой древесины и получают за одну варку 23,6 : 2,74 = 8,86 т воздушно-сухой целлюлозы, то выход целлюлозы из древесины составит 8,6 - 0,88 : 24,5 - 100 = 30,8 %, что нельзя признать удовлетворительным при варке сосновой древесины. Из этого примера видно, что производство предгидролизной целлюлозы характеризуется значительно худшими технико-экономическими показателями, чем обычной сульфатной целлюлозы.

При освоении производства предгидролизной целлюлозы на отечественных предприятиях встретилось много затруднений, из которых главным было образование осадков «карамели» на трубопроводах и оборудовании в системе отбора и инверсии гидролизата. «Карамель» состоит частично из лигниноподобных веществ, частично из действительно карамелизовавшихся при предгидролизе Сахаров, а также минеральных веществ. Явлению карамелизации удалось достаточно успешно противодействовать путем добавки к воде, используемой для предгидролиза, небольших количеств (3 - 4 кг на 1 т целлюлозы) сульфитных концентратов. Предполагается, что лигносульфонаты, как поверхностно-активные вещества, создают вокруг коллоидных частиц, содержащихся в гидролизате, защитную пленку, препятствующую их коагуляции. Как упоминалось выше, кроме периодически действующих варочных котлов, для производства вискозной целлюлозы из хвойных и лиственных пород путем варки с предгидролизом на некоторых предприятиях используются непрерывные варочные установки с наклонными сепараторами типа Камюр (так называемые установки Mumin). На рис.5 изображена схема такой установки производительностью 800 т/сут для сульфатной варки с водным предгидролизом. Водная варка проводится в верхней части варочного котла, имеющего общую высоту 82 м. В средней части котла ведется сульфатная варка по методу противотока щепы и щелока и в нижней части — горячая диффузионная промывка массы также по методу противотока в течение 3 - 4 ч.

Вода для гидролизной варки, подогретая в теплообменнике до 80 - 85 °С, нагнетается насосом через бак постоянного уровня в нижнюю часть наклонного пропиточного сепаратора, куда через питатель высокого давления питательным насосом подается в смеси с водой щепа, предварительно пропаренная паром низкого давления в пропарочной цистерне. В верхнюю часть сепаратора, снабженного винтом (шнеком) для транспортировки щепы, подают острый пар высокого давления (1,1 - 1,2 МПа). Мокрая щепа, сопровождаемая избытком воды,

Рис. 5. Схема непрерывной варочной установки типа Камюр с наклонным сепаратором для варки вискозной целлюлозы:

1 - бункер для щепы; 2 - дозатор; 3 - питатель низкого давления; 4 - пропарочная камера; 5 - питатель высокого давления; 6 - насос транспортирующей жидкости; 7 - насос для возврата жидкости в питательную трубу; 8 - бак постоянного уровня; 9 - возвратный трубопровод транспортирующей жидкости; 10 - транспортный трубопровод; II - наклонный сепаратор; 12 - подогреватели зон нейтрализации и подогрева; 13 - теплообменник зоны диффузионной промывки; 14 - верхний расширительный циклон; 15 - нижний расширительный циклон; 16 - регулятор выдувки; 17 - насос для возврата гидролизата в котел; 18 - насос высокого давления для подачи в котел белого щелока; 19 - шаровой выдувной клапан; А - граница зоны нейтрализации; В - ситовая зона нейтрализации; С - ситовая зона отбора щелока, D - сита промывной зоны

Рис. 6. Кривые распределения рН по высоте зоны, м, предгидролиза (х) для различных скоростей движения жидкости:

1 - 0,1 м/чин; 2 - 0,167 м/мин

свободно засыпается в верхнюю горловину котла. Циркуляция воды (гидролизата) в верхней части котла отсутствует, и в верхней горловине создается паровое пространство. Продолжительность нагрева щепы до конечной температуры водной варки (170 °С) ограничивается продолжительностью пребывания щепы в наклонном сепараторе, составляющей не более 5 мин, а водная варка в верхней части котла при жидкостном модуле 2,5 : 1 целиком происходит при максимальной температуре. Продолжительность прохождения щепой зоны предгидролиза при работе с нормальной производительностью должна составлять около 2 ч. Внизу зоны предгидролиза в котле установлено циркуляционное сито, причем в заборный трубопровод циркуляционного насоса, возвращающего жидкость в низ зоны, вводится часть белого щелока (25 - 30 % общего количества) для сульфатной варки. Это имеет целью по возможности быстро повысить рН отбираемой в этом месте смеси предгидролизата и черного щелока во избежание выпадения из раствора лигнина. Основная же часть белого щелока (около 70 - 75%) подается в низ зоны сульфатной варки, которая, как сказано, работает противотоком и которая снабжена принудительной циркуляцией с непрямым нагревом. Зона горячей промывки, занимающая нижнюю часть котла, также снабжена принудительной циркуляцией с подогревателем. В нижнюю горловину котла вводится слабый черный щелок с вакуум-фильтров. В зону варки черный щелок не подается и к белому щелоку не примешивается. Переработка предгидролизата на побочные продукты при этой системе работы, очевидно, невозможна и органические вещества, переходящие в раствор при предгидролизе, уходят вместе с черным щелоком на сжигание.

На рис. 6 показаны расчетные кривые изменения величины рН по высоте зоны гидролиза, полученные И. С. Шульманом, для двух скоростей движения жидкости в этой зоне. Как можно видеть, на глубине последних 3 - 4 м внизу зоны происходит резкое изменение рН от кислых значений до щелочных, и эту область приходится считать зоной нейтрализации гидролизата черным щелоком, поднимающимся вверх из зоны варки, и специально добавляемым сюда белым щелоком. По расчетам, для обеспечения необходимой скорости движения гидролизата по направлению сверху вниз при варке сосновой щепы жидкостный модуль водной варки должен быть равен 2,5 : 1, а для поддержания режима нейтрализации гидролизата следует использовать около 35 % от общего количества белого щелока.

Естественно, что некоторая часть белого щелока, используемого в зоне нейтрализации, неизбежно уходит из котла со смесью черного щелока и гидролизата. Это обстоятельство повышает общий расход активной щелочи на варку, составляющий для сосновой древесины около 20 % Na₂O к массе абс. сухой щепы, против 17 - 18 % при периодической варке с предгидролизом. Рюдхольм - виднейший специалист фирмы Камюр в вопросах непрерывной варки - называет в качестве оптимальных значений гидромодуля при варке с предгидролизом по методу противотока для сосны – 3 : 1, для эвкалипта 3,5 : 1. Содержание альфа-целлюлозы в небеленой целлюлозе составляло 94 - 94,5 %, что ниже достигаемого при периодическом методе варки с водным предгидролизом.

В целом опыт производства вискозной целлюлозы в непрерывной установке типа Камюр с наклонным сепаратором на Братском ЛПК оказался неудачным. Количество кондиционной вискозной целлюлозы, получаемой после отбелки, не превышало одной трети от общей выработки. Большие затруднения причиняло выпадение осадка «карамели» в зоне нейтрализации. Работа установки на лиственной древесине происходила с несколько меньшими затруднениями, но качественные показатели получаемой вискозной целлюлозы заметно ухудшались.

Зарубежный опыт работы этих установок в некоторых странах, по имеющимся сведениям, также не принес положительных результатов. Мнение такого авторитетного специалиста, как Рюдхольм, о том, что установки Камюр типа Mumin способны вырабатывать предгидролизную сульфатную целлюлозу хорошей равномерности и высокого качества, таким образом, производственной практикой не подтвердилось.

ПАРИОДИЧЕСКАЯ ВАРКА