Оборудование целлюлозно-бумажного производства Том 1. Оборудование дл
.pdfных видов бумаги и картона колеблется от 4300 до 8650 МДж/т и составляет в случае белой древесной массы для картонов 4300—6500, для газетной, бумаги 6100—7600, книжно-журналь ной бумаги 6500—8600 МДж/т.
В расчетах необходимо учитывать, что установленная мощ ность привода дисковых мельниц должна быть принята на 1 0 — 15% выше рассчитанной по удельному расходу энергии на раз мол, так как в процессе эксплуатации неизбежны колебания мощности из-за неравномерности подачи щепы в зону размола,
противотока пара |
относительно направления движения щепы |
в зоне размола, |
ухудшения, состояния поверхности размалы |
вающей гарнитуры и других факторов.
При всех вариантах производства древесной массы из щепы размол отходов сортирования этой массы осуществляется в дис ковых мельницах, имеющих свободный выход массы. Обычно они снабжаются таким же приводным двигателем, как и основ ные мельницы. Размол отходов осуществляется при концентра ции 20—30%, а удельныц расход энергии составляет 2100— 4300 МДж/т. Количество отходов зависит от принятой техноло гии или набора оборудования в потоке. Обычно количество отходов В' потоке таково, что загрузить мельницы полностью не удается. Иногда с целью снижения затрат на оборудование отходы сортирования обрабатываются на мельницах второй сту пени размола основного потока.
Производительность дисковых мельниц МД-5Ш1, МД-5Ш1- 01 и МД-5Ш1-02 с учетом коэффициента загрузки 0,9 и доли расхода энергии на первой ступени 0,5—0,6 от ее общего рас хода может быть принята в соответствии с данными, приведен ными в табл. 6 .3 .
Конкретная производительность мельниц должна уточняться в соответствии с принятой технологией производства древесной Массы и схемой установки мельниц в потоке (например, одна на 1 -й ступени и одна на 2 -й ступени, или две на 1 -й ступени и одна на 2 -й и т. п.), количеством отходов сортирования после основных ступеней размола и т. д.
7. О Б О Р У Д О В А Н И Е Д Л Я О Т Б Е Л К И П О Л У Ф А Б Р И К А Т О В
Цель отбелки — придание конечному продукту стабильной белизны и требуемой химической чистоты. При производстве некоторых видов целлю лоз для химической переработки требуется также обеспечение определенной Степени полимеризации и связанной с ней вязкости растворов.
Основными компонентами древесного волокна, влияющими на белизну, Являются лигнин и смолы, обладающие способностью поглощать свет. При дание белизны целлюлозе достигается двумя способами: изменением струк туры лигнина и смол в целлюлозе, обеспечивающим уменьшение их способ ности поглощать свет, или извлечением этих компонентов из целлюлозы [36, 42]. При отбелке древесной, термомеханической массы и полуцеллюлозы лиг-
ннн, как правило, не растворяют во избежание значительного уменьшения выхода этих полуфабрикатов из древесины. Последнее привело бы к потере основных преимуществ, связанных с их производством. В этих случаях по вышение белизны продукта достигается изменением структуры лигнина в твердом состоянии и смол, достигаемым при обработке массы перекисями или гидросульфитами, а в некоторых случаях теми и другими реагентами. Белизна полуфабрикатов при такой отбелке заметно не повышается даже при больших избытках отбеливающих реагентов. Считают, что при таком способе отбелки экономически целесообразно ограничиваться достижением белизны 70—80 % [42].
Отбелку с извлечением лигнина из полуфабрикатов обычно рассматри вают как продолжение процесса варки. Существующие способы варки не обеспечивают полного извлечения лигнина, и белизна небеленой целлюлозы колеблется в пределах 20—65%.
При отбелке полуфабрикатов лигнин удаляют окислением и последую щим растворением в водных растворах щелочи. В качестве окислителей лиг нина используют такие вещества, как хлор, гипохлорит кальция или натрия, двуокись хлора, кислород и др. Окисление проводят обычно в нейтральной или восстановительной среде.
Любой окислитель, обеспечивающий разрушение лигнина при отбелке, одновременно вызывает деградацию целлюлозы и гемицеллюлоз. Степень до стижения белизны и степень деградации целлюлозы при отбелке зависят от относительной скорости этих реакций. В случае применения любого спе цифического окислителя необходимо обеспечивать оптимальные условия обра: ботки массы, ускоряющие взаимодействие реагента с лигнином и замедляю щие реакции окисления углеводов (целлюлозы и гемицеллюлоз).
К основным факторам, влияющим на условия обработки массы, отно сятся: продолжительность и температура обработки, pH среды, концентра ция массы. Рациональное использование белящих реагентов при достижении требуемых свойств обеспечивает многоступенчатая отбелка,
Для каждого вида целлюлозы (с учетом требований к конечному про дукту) подбирают наиболее рациональную схему отбелки и условия обра ботки, обеспечивающие получение заданных свойств. На практике число сту пеней отбелки целлюлозы колеблется от 3 до И. Например, при отбелке сульфитной целлюлозы для бумаг применяют от 3 до 7 ступеней по схемам [42]: Х -Щ -Г ; Х -Щ -Г -Д ; Х - Щ - Д - Щ - Д ; Х - Щ - Г - Г - Д - К ;
X—X—Щ—Г—Г—Д —К. Здесь и далее приняты следующие условные |
обо |
||||
значения: X —хлорирование; Щ —щелочная экстракция; |
Г — обработка ги |
||||
похлоритом; |
Д — обработка |
двуокисью хлора; |
К — кисловка; П — обработка |
||
перекисью; |
ГС — обработка |
гидросульфитом; |
КЩ — кислородно-щелочная |
||
обработка; |
А — обработка |
аммиаком; Х/Д — обработка |
хлором в |
смеси |
с двуокисью хлора. Белизна целлюлозы в зависимости от исходного сырья, схемы и режимов обработки может колебаться от 85 до 95 единиц при ис ходной белизне сульфитной целлюлозы после варки 55—65 единиц.
Современные схемы отбелки сульфитной целлюлозы могут быть приме нимы для обработки бисульфитной и нейтрально-сульфитной целлюлозы.
Сульфатная целлюлоза, имеющая после варки белизну 18—28 единиц, труднее поддается отбелке. При сохранении высокой прочности волокна ее
не удается отбелить более чем до 75 единиц [36]. Современные схемы отбелки позволили обеспечить повышение белизны сульфатной целлюлозы до 85 еди ниц при уменьшении прочности волокна на 5—7% [42].
Применяемые схемы отбелки сульфатной целлюлозы: X—Щ—Г—Щ—Г; Х - Щ - Х -Щ - Г - Щ —Г; X—Х -Г —Щ -Г -Щ —Г—К; Х -Щ -Г —Щ—Г—Д. Сегодня наиболее распространены схемы X—Щ—Д—Щ—Д и X—Щ—Г—Д — —Щ—Д. В некоторых случаях на первой ступени обработку целлюлозы про изводят смесью хлора с двуокисью хлора.
Обработка древесной массы, как указывалось выше, осуществляется бе лящими реагентами, не приводящими к деструкции компонентов волокна. Отбелка древесной массы гидросульфитом дает прирост белизны на 4— 6 единиц. При обработке перекисью можно достичь увеличения белизны на 10—12 единиц. Схемы отбелки П—ГС; ГС—П.
По указанным схемам без промывки между ступенями отбелки можно достичь белизны древесной массы из лиственной древесины до 80 единиц [42]. Аналогичные схемы применяют сегодня для отбелки термомеханической массы. Белизна ее после отбелки, при использовании хвойных пород древе сины, составляет 72 единицы. Опыт показывает, что наиболее высокой бе лизной обладает масса, полученная из свежесрубленной качественной дре весины.
Отбелка полуфабрикатов является одним из дорогостоящих процессов, оказывающих наиболее сильное влияние на загрязнение окружающей среды. Из большого числа возможных вариантов отбелки предпочтение отдают тем способу и схеме, которые требуют наименьших капитальных затрат и экс плуатационных расходов.
Отбелка целлюлоз может производиться на установках непрерывного или периодического действия. Широко применяются установки первого типа, как более производительные и экономичные. Отбельные установки периоди ческого действия в настоящее время используют в основном при производ стве специальных высококачественных видов бумаг. В данном разделе они не рассматриваются.
7.1, УСТАНОВКИ НЕПРЕРЫВНОЙ ОТБЕЛКИ ПОЛУФАБРИКАТОВ
Установки данного вида обеспечивают непрерывность про цесса, требуемую последовательность обработки целлюлозы и возможность применения автоматизированных систем управле ния. Состав и конструкция оборудования различных отбельных установок значительно отличаются в зависимости от применя емого способа отбелки. К настоящему времени в практике опре делились три основных способа отбелки: 1 ) отбелка полуфаб рикатов в водных растворах химических реагентов; 2 ) газовая отбелка; 3 ) динамическая отбелка, или отбелка вытеснением. Рассмотрим схемы отбельных установок каждого из этих спо собов.
7.1.1. Установки непрерывной отбелки полуфабрикатов в водных растворах химических реагентов
Установки этого типа получили наибольшее распространение на предприятиях целлюлозно-бумажной промышленности. В ка честве примера на рис. 7.1 показана технологическая схема шестиступенчатой отбелки сульфатной целлюлозы для бумаги с промывкой на фильтрах.
Основным звеном технологической схемы установки явля ется ступень отбелки. На каждой ступени целлюлозная масса подвергается обработке раствором определенного отбеливаю щего реагента и по окончании реакции — промывке. Название ступени определяется белящим реагентом. Наиболее распрост ранены ступени отбелки: хлорирование, щелочная экстракция, обработка гипохлоритом, двуокисью хлора, кисловка и т. д.
В состав ступени обычно входит следующее оборудование: смеситель-подогреватель массы, смеситель массы с химикатами, транспортирующие насосы, отбельная башня, промывной ап парат. Полная принципиальная схема установки обусловлива ется выбором оптимального сочетания числа и типов ступеней отбелки в зависимости от исходного сырья и требований к ко нечному продукту.
Различия условий обработки массы на каждой ступени обус ловливают некоторые особенности в аппаратурном оформлении. Это выражается в применении различных конструкций отбель ных башен, смесителей массы и другого оборудования. Так, ступень хлорирования в отличие от ступени обработки дву окисью хлора не требует подогрева массы, а следовательно, и не имеет в своем составе подогревателя массы.
В тех случаях, когда для ведения процесса отбелки необхо димо повысить температуру (при обработке двуокисью хлора, гипохлоритом, щелочью), массу предварительно нагревают па ром в смесителе-подогревателе (прямой нагрев).
Масса с реагентами смешивается (в зависимости от токсич ности и растворимости химикатов в воде) либо в отдельном смесителе, либо в смесителе-подогревателе. Так, в рассматри ваемой схеме (см. рис. 7.1) масса со щелочью смешивается в смесителе-подогревателе, устанавливаемом непосредственно за вакуум-фильтром. В этом случае химикат целесообразно по давать спрыском непосредственно на папку массы, сходящей с фильтра, что обеспечит более равномерное распределение щелочи.
Для смешивания массы с двуокисью хлора, выделяющейся из раствора при нагреве, используют отдельный смеситель, рас полагаемый перед башней за смесителем-подогревателем и на сосом массы высокой концентрации.
Обработка массы в отбельных башнях всех ступеней, кроме хлорирования, проводится обычно при концентрации 10—14%.
§
«5§
( fbjlic
г
Небеленая |
целлюлоза |
8
Рис. 7.1. Установка отбелки сульфатной целлюлозы для бумаг с промывкой на фильтрах (границы ступеней отбелки ус ловно показаны штриховой линией):
/ — бассейн |
небеленой |
массы; |
2 — смеситель |
мас |
|||
сы с |
химикатами; |
3 — башня |
хлорирования; |
4 — |
|||
башня |
щелочения; |
5 — башня |
гипохлоритной |
от |
|||
белки; |
6 — башня отбелки двуокисью |
хлора; |
7 — |
||||
насос |
массный; 8 — бассейн массы высокой |
кон |
|||||
центрации; |
9 — фильтр |
промывной; |
1 0 — смеси |
||||
тель-подогреватель; |
11 — насос массы высокой |
||||||
концентрации |
|
|
|
|
|
Рис. 7.2. Установка отбелки сульфатной целлюлозы для бумаги с промывкой на диффузорах:
/ — смеситель массы с химикатами; 2 — башня хлорирования; 3 — башни щелочения; 4 — башня гипохлоритной отбелки; 5 — башни отбелки двуокисью хлора; 6 — бассейн массы высокой концентрации
Хлорирование массы производится при концентрации з—5 о/0 в основном из-за низкой растворимости хлора в воде и для об легчения смешивания массы с реагентом.
Значения основных параметров, характеризующих режим обработки [42] целлюлозной массы на различных ступенях от белки, приведены в табл. 7.1.
7.1. Основные параметры режимов обработки целлюлозы по ступеням отбелки
Наименование
ступени
отбелки
Концентра ция массы, |
Продолжи тельность обработки реагентом, мин |
Темпе |
pH |
Наименова |
Расход |
ратура |
ние отбели |
Отбеливаю |
|
процес |
среды |
вающего |
щего |
са, °С |
|
реагента |
реагента, |
|
|
|
Кг/т а. с. в. |
Хлориро |
3—5 |
40—90 |
10—20 |
2—3 |
Хлор-газ |
30—90 |
вание |
10—14 |
60—120 |
60 |
11 —12 |
Раствор |
|
Щелочение |
10—25 |
|||||
|
|
|
|
|
едкого |
|
Гипохлорит- |
10—14 |
60—240 |
30—60 |
11 —12 |
натра |
|
Раствор |
20—40 |
|||||
ная об |
|
|
|
|
гипо |
(активного |
работка |
|
|
|
|
хлорита |
хлора) |
|
|
|
|
|
кальция |
|
Обработка |
10—14 |
60—240 |
70 |
4,5 |
или натрия |
15—30 |
Раствор |
||||||
двуокисью |
|
|
|
|
двуокиси |
(активного |
хлора |
10—14 |
120—240 |
100—145 |
И |
хлора |
хлора) |
Горячее |
Раствор |
60—100 |
||||
облагора |
|
|
|
|
едкого |
|
живание |
|
|
|
|
натра |
|
На каждой ступени по окончании реакции масса разбавля ется в нижней части башни оборотной водой, перемешивается и при концентрации 1,5—2,5% насосом подается на промывку
вванну барабанного фильтра. Здесь масса дополнительно раз бавляется до концентрации 0 ,8 —2 % (последнее обусловлено режимом работы фильтра). Промывка массы на барабане осу ществляется оборотной либо свежей водой (теплой или горячей
взависимости от схемы использования вод на предприятии и схемы отбелки). Концентрация промытой массы в ванне фильтра составляет 10—14%.
Применение диффузоров непрерывного действия вместо про мывных барабанных фильтров существенно изменило традици
онную схему отбельной установки (рис. 7.2). Применение диф фузоров непрерывного действия в отбельных установках дает ряд преимуществ [54]:
масса после диффузора ступени хлорирования, имея кон центрацию 1 0 —1 2 %, проходит по всей отбельной установке, без разбавления, что исключает циркуляцию оборотной воды в си
стеме бак фильтрата — нижняя часть отбельной башни и не обходимость ее перемешивания в зоне разбавления, при этом отсутствует контакт оборотной воды с воздухом, а следова тельно, и условия пенообразования;
исключается система коммуникаций удаления газовоздуш ной смеси, необходимая при промывке на барабанных филь трах;
исключение системы циркуляции оборотных вод и уменьше ние потерь тепла при промывке позволяет сократить расход пара на отбелку.
В установках рассматриваемого типа масса с химикатами смешивается в нижней части отбельной башни, здесь располо жен радиальный смеситель. Масса нагревается в диффузоре в процессе промывки горячей водой. Такая установка компакт нее установки с промывкой массы на фильтрах, имеет меньшую металлоемкость и занимает меньшую площадь.
Несмотря на преимущества, отбельные установки с промыв кой массы на диффузорах не заменили еще полностью отбель ные установки с промывкой массы на фильтрах даже в новых разработках. Это новый вид оборудования требует широкого подтверждения своих преимуществ в промышленном масштабе и определенной доработки. Работающие установки не на всех ступенях отбелки смогли обеспечить требуемое качество про мывки в диффузорах. В частности, возникла необходимость в дополнительной промывке массы на ступени хлорирования. Кроме того, появляются новые способы отбелки, могущие в про мышленных масштабах конкурировать с установками отбелки
сдиффузионной промъткой.
7.1.2.Установки отбелки полуфабрикатов газообразными реагентами
Сущность этого способа отбелки заключается в обработке распущенной целлюлозной массы концентрацией 30—40% газо образными реагентами. Принципиальная схема установки от белки целлюлозы высокой концентрации в газовых потоках показана на рис. 7.3.
Количество ступеней отбелки может быть различным. В установках такого типа предполагаются следующие сочета ния ступеней отбелки: Д—П—Д; X—А—Д—А—Д.
Обычно ступень отбелки в газовой фазе включает следую щее оборудование: обезвоживающий пресс барабанного типа, сгущающий массу от концентраций с 3—5 до 30—40%; питаю щее устройство, обеспечивающее герметизацию реактора; рых литель массы; реактор; уплотнитель, используемый на раз грузке массы. Между ступенями отбелки масса разбавляется промывной водой. Отжим промывной воды осуществляется на прессе последующей ступени обработки. В качестве питающего
устройства применяют винтовой пресс или насос массы высокой, концентрации.
Продолжительность отбелки массы в установках этого типа незначительна. Так, процесс хлорирования осуществляется в те чение 1—5 мин, длительность обработки аммиаком измеряется в секундах, продолжительность делигнификации двуокисью хлора около 2 0 мин.
С учетом возможного образования токсичных продуктов реакции между хлором и аммиаком Канадским исследователь ским институтом бумаги предложена следующая схема уста-
Рис. 7.3. Установка отбелки целлюлозы высокой концентрации в газовых потоках:
/ — пресс обезвоживающий; 2 — реактор хлорирования; 3 — реакторы щелочения; 4 — ре акторы отбелки двуокисью хлора; 5 — бассейн массы высокой концентрации; 6 — устрой ство питающее; 7 — рыхлитель массы; 8 — смеситель-подогреватель
новки (схема Паприкан): X—Щ—Д—Щ—Д [56, 64]. В схеме предусмотрено проведение быстрого щелочения на отжимных прессах.
Газообразная отбелка по сравнению с классической схемой отбелки целлюлозы в водных растворах имеет следующие пре имущества: небольшой объем реакторов и, как следствие, малые объемы производственных зданий; рациональную компо новку оборудования; сокращение расхода свежей воды, а так же количества и степени загрязненности сточных вод; умень шение расхода химикатов для получения соответствующей белизны массы; малую инерционность процесса в связи с сокра щением продолжительности реакции на всех ступенях и удоб ство регулирования процессом отбелки. Однако установки этого типа еще не получили надлежащего промышленного примене ния. Имеются определенные трудности в освоении этого про цесса отбелки. Еще не сложилось однозначное мнение по во просам перспективы его развития.
Работы по освоению этого способа отбелки и созданию обо рудования для его реализации ведутся в СССР и за рубежом.
Имеются сведения о промышленном внедрении установок от белки целлюлозы газообразными реагентами. Так, в США на сульфатном заводе «West Coast» введена в эксплуатацию уста новка этого типа производительностью 500 т/сут [59].
7.1.3. Установки кислородно-щелочной отбелки полуфабрикатов
Способ кислородной отбелки целлюлозы, основанный на исключительно благоприятном окислительном воздействии мо лекулярного кислорода на лигнин древесных волокон в щелоч ной среде, нашел широкое применение в промышленности. Кислородно-щелочная обработка позволяет удалить до 9 5 % лигнина ш. Однако полная делигнификация целлюлозы кисло родом и щелочью сопровождается резким снижением ее выхода и ухудшением свойств. Поэтому глубину делигнификации цел люлозы кислородом ограничивают определенными пределами. Для уменьшения окислительной деструкции углеводной части обычно вводят различные ингибиторы, в частности магниевые комплексы. Чем ниже требования степени полимеризации и прочности конечного продукта, тем большая часть лигнина мо жет быть удалена на кислородной ступени отбелки.
Первые промышленные установки кислородно-щелочной от белки введены в эксплуатацию в 1970 г. Анализ опыта работы установок этого типа, показал следующие их преимущества [1, 55, 61]: значительно снижается общий объем сточных вод и их токсичность; расход хло^а на отбелку сокращается на 50— 80%, в некоторых случаях возможно полное его исключение; отработаные щелоки кислородно-щелочной ступени могут быть использованы для приготовления варочных растворов; легче, чем при традиционной отбелке, решаются проблемы удаления
смоляных веществ; возможно полное |
отбеливание костры, |
что позволяет применить безотходную |
систему сортирования |
с возвратом в целлюлозную массу размолотых сучков; химиче ские потери волокна при отбелке сульфатной целлюлозы для
бумаги |
уменьшаются на 1 —2 %, а при отбелке и облагоражи |
вании |
сульфитной целлюлозы для химической переработки — |
до 6 %. Эти серьезные преимущества кислородно-щелочной от белки перед традиционными методами обеспечили ее широкое признание. В 1973 г. в различных странах работали 6 установок кислородно-щелочной отбелки, в 1976 г. 12; а в 1977 г. 18 [1].
Принципиальная схема отечественной установки кислород: но-щелочной отбелки целлюлозы высокой концентрации пока зана на рис. 7.4, а. Эта схема позволяет вести обработку суль фитной вискозной целлюлозы и сульфатной целлюлозы для бумаги. Сульфатная целлюлоза поступает на обезвоживающий пресс, повышающий ее концентрацию с 3 до 20—30%, далее она транспортируется в смеситель-подогреватель, откуда сме шанная со щелочью и нагретая паром до 80—95° С поступает
в винтовой питатель, подающий массу в виде пробки, удержи вающей противодавление газа и пара, в верхнюю часть р е к тора. При поступлении в реактор пробка массь* разрушается рыхлителем, расположенным в верхней части аппарата, и риал в виде пушонки падает на верхнюю полку аппарата.
Рис. 7.4. Установка кислородно-щелочной отбелки целлюлозы:
а — для массы высокой концентрации; б — для массы низкой концентрации; 1 — колонка предварительной обработки; 2 — реактор; 3 — приемная емкость; 4 — бассейн массы; 5 — пресс обезвоживающий; 6 — смеситель-подогреватель; 7 — устройство питающее; 8 — ры хлитель массы; 9 — баки оборотной воды; 10 — насос массы высокой концентрации; / / — смесители массы с химикатами; 12 — фильтр промывной
После обработки кислородом в щелочной среде частично разбавленная масса выдувается в приемную емкость. Давление в реакторе поддерживается в пределах 0,8—1 МПа. Из резер вуара масса перекачивается насосом на обезвоживающий пресс либо (в некоторых случаях) на промывной фильтр.
зоо