Билет №21

1. Выпаривание СФА щёлоков. При сжигании щелоков в современных, содорегенерационных агрегатах необходимо упаривать щелок до концентрации 60—65 % сухого вещества. При наличии каскадных или цик­лонных испарителей в составе агрегатов ограничиваются вы­паркой до концентрации 50—55 %.

Количество воды, кг, которое должно быть удалено из щелока при выпарке, может быть подсчитано по формуле:

W=G*(1-b /b )

где G — количество щелока, поступающее на выпарку, кг; b_н — начальная концентрация щелока, % сухого вещества, b_К-— конечная концентрация щелока после выпарки, % сухого ве­щества.

Перед подачей на выпарную станцию черный щелок должен быть возможно полнее освобожден от содержащегося в нем мыла и мелкого волокна. Присутствие в щелоке мыла, концент­рация которого при варке древесины сосны доходит до 15— 20 г/дм³, ведет к сильному вспениванию щелока в выпарных ап­паратах, что вызывает потери щелочи с перебросами пены из корпуса в корпус.

Удаление из щелока мыла производится путем отстаивания в больших баках, служащих одновременно запас­ными резервуарами. Сульфатное мыло представляет собой смесь натриевых солей смоляных и жирных кислот. Плотность смеси этих кислот, или так называемого сырого таллового масла, составляет 0,95—0,98 г/см³. Сырое сульфатное мыло, отстаивающееся в баках, имеет гораздо меньшую плотность, так как содержит значительное количество воздуха в виде пу­зырьков пены. Так как плотность щелока, поступающего на выпарку, обычно составляет 1,075—1,100 г/см³ (при 15 °С), то мыло достаточно легко всплывает на поверхность щелока.

Для улавливания мелкого волокна из щелока устанавливают наклонные сетки, барабанные фильтры, фильтры-прессы, фильтры с волокнистым подслоем из длинного волокна.

Окисление:Черный щелок после сульфатной варки содержит значи­тельные количества неизрасходованного сульфида натрия. При выпарке в условиях вакуума в последних корпусах выпарной батареи усиливается водный гидролиз остаточного сульфида с выделением газообразного сероводорода; Na₂:S + H₂0=2NaOH + H₂S. Сероводород уходит с выхлопными газами вакуум-насосов и частично растворяется в конденсатах вторич­ного пара. В результате происходят значительные потери серы и усиливаются явления коррозии выпарных аппаратов, не говоря уже об опасности для обслуживающего персонала. Чтобы препятствовать гидролизу остаточного сульфида, произ­водят продувку черного щелока перед выпаркой воздухом. При этом сульфид натрия окисляется в тиосульфат и другие про­дукты, которые хотя и могут подвергаться, гидролизу, но без выделения сероводорода.

Основной процесс, происходящий при окислении чер­ного щелока воздухом, обычно изображают реакцией

2Na₂S +20₂ + Н₂0 == 2NaOH + Na₂S₂0₃ + 900 кДж.

Для выпарки сульфатных и натронных щелоков применя­ются вертикальные выпарные аппараты пленочного типа с длин­ными трубками. По устройству их можно разделить на одно-, двух- и трехходовые, по принципу действия — на аппараты с восходящей и падающей пленкой.

Характерным представителем одноходовых аппаратов с вос­ходящей пленкой является аппарат типа Кестнера .Аппарат имеет цельносварную конструкцию и снабжен вынос­ным сепаратором. Почти всю длину кипятильника 9 занимает греющая камера, сквозь которую проходят кипятильные трубки 4 диаметром 50 мм и длиной 7 м, завальцованные в трубные доски 2. Поверхность нагрева одной трубки равна 1 м². Грею­щая камера имеет штуцер 3 для вторичного пара и штуцер 10 для свежего пара. Конденсат удаляется через нижний штуцер 8, неконденсируемые газы — через штуцер 5. Щелок поступает в нижнюю щелоковую камеру кипятильника через штуцер 7 и поднимается в трубках на высоту 2—2,5 м. Образующаяся смесь пара и щелока выбрасывается в верхнюю камеру и далее по соединительному патрубку 16 переходит в сепаратор 13. При дви­жении вверх по трубке пар устремляется по центру трубки со скоростью 10—20 м/с, увлекая за собой щелок в виде пленки по стенкам трубки.

В США и Канаде распространенным типом пленочных аппаратов является вы­парной аппарат системы Свенсона. Кипятильник и сепаратор у этого аппарата расположены на одной оси и в дополне­ние к сепаратору на паропроводе вторич­ного пара имеется ловушка для пены. Греющий пар вводится через штуцер 8, перед которым установлена отбойная пе­регородка 9 для предохранения трубок от механического удара струи пара. Конден­сат отводится через штуцер 6. Греющая камера снабжена линзовым компенсато­ром 7. Жидкий щелок вводится по цент­ральному патрубку 5, заполняет нижние концы труб, вскипает и выбрасывается в сепаратор. Ударившись об отражатель­ный зонт 10, сгущенный щелок стекает в низ сепаратора и отводится из него по трубе 3. Соковый пар, пройдя ловушку, уходит по широкому трубопроводу 1, а задержанный в ловушке щелок стекает по трубке 2 и присоединяется к сгу­щенному щелоку. Предусматривается возможность частичной рециркуляции щелока по патрубку 4

.

Для увеличения коэффициента теплопередачи пленочные вы­парные аппараты выполняются двухходовыми. Нижняя щелоковая камера делится вертикальной перегород­кой на две части; нижняя часть сепаратора под отбойным зонтом также имеет перегородку. Щелок, предварительно подогретый в подогрева­теле, входит в первую половину щелоко-вой камеры, выбрасывается вверх по по­ловине пучка трубок, возвращается из сепаратора во вторую половину щелоко-вой камеры и проходит вторую половину пучка. Скорость движения щелока по трубкам в двухходовом выпарном аппа­рате примерно в 2 раза больше, чем в одноходовом, что и обеспечивает уве­личение коэффициента теплопередачи.

Выпарные аппараты с падающей пленкой появились сравнительно не­давно. Схема уст­ройства такого аппарата, представляющего собой как бы по­ставленный «с ног на голову» нормальный пленочный аппарат; кипятильник 2 располагается вверху, сепаратор 4 — внизу. Ще­лок поступает в верхнюю щелоковую камеру 1 и стекает вниз по стенкам кипятильных трубок в виде пленки, подгоняемой об­разующимся паром. В сепараторе вторичный пар отделяется с помощью решетки 7, сгущенный щелок собирается в нижней камере 5 и выводится через штуцер 6, вторичный пар отводится через патрубок 3. Греющий пар входит в кипятильник через штуцер 9, конденсат удаляется через патрубок 8. Опыт эксп­луатации аппаратов с падающей пленкой пока невелик, но из­готовители их утверждают, что они обеспечивают более высо­кий коэффициент теплопередачи, чем нормальные аппараты с восходящей пленкой.

2. Химизм СФА варки. Как показывают наблюдения, лигнин дре-весиы при сульфатной варке переходит в раствор быстрее и легче, чем при натронной, благодаря чему сокращается про­должительность варки до одной и той же степени провара цел­люлозы. Так как углеводы растворяются в обоих случаях при­мерно с одинаковой скоростью, сокращение продолжительности варки способствует улучшению селективности процесса, и вы­ход технической целлюлозы при одинаковой степени провара оказывается при сульфатной варке более высоким, чем при на­тронной, а прочностные свойства целлюлозы лучше. Очевидно, что более быстрое и легкое растворение лигнина при сульфат­ной варке может быть объяснено специфическим действием ионов сульфида или гидросульфида, присутствующих в суль­фатном варочном щелоке. Еще в твердой фазе лигнин древе­сины под действием этих ионов вступает в реакцию сульфидирования, которая способствует его растворению и в из­вестной мере препятствует его конденсации под действием щелочи.

При СФА варке протекают процессы что и при натронной, а также реакции сульфидирование. Так бензилепиртовые группы лигнина реагируют с гидросульфидом первоначально с образованием меркаптана (меркаптизация лигнина), а затем это неустойчивое в щелочной среде соединение, реагируя с бензилспиртовой группой другой фенилпропановой единицы лиг­нина, образует стойкий сульфид по схеме:

1 –

2–

П ри сульфатной варке гидроксид натрия расщепляет фенольные простые эфирные связи, и осво­бодившиеся фенольные гидроксилы активируют диалкилэфирные простые поперечные связи у альфа-углеродных атомов пропановой цепочки, которые, в свою очередь, расщепляются гид­росульфидом. Это явление можно назвать сульфидолизом и изобразить реакцию следующей схемой:

Таким образом, гидросульфид участвует не только в реакции сульфидирования, но и в реакциях разрыва простых эфирных связей в молекулах ЛГ.

О бразуются также эписульфидные связи:

Выход основных органических продуктов , присутствующих в чёрном щёлоке после натронной и СФА варке, примерно одинаков.

Гемицеллюлозы, как и при натронной варке, переходят в рас­твор главным образом в виде оксикислот и частично в виде простых органических кислот — щавелевой, муравьиной и т. п. При обработке щепы сероводородом в слабощелочной среде происходит восстановление конечных альдегидных групп углеводов в тиольные (меркаптанные) группы, что защищает углеводы от реак­ции отщепления. Метоксильные группы лигнина во время сульфатной варки омыляются примерно в таком же количестве, как и при натронной, но, кроме метилового спирта, продуктом омыления оказываются летучие метилсернистые соединения — главным об­разом метилмеркаптан CH₃SH и , диметилсульфид CH₃SCH₃, обладающие резким, неприятным запахом.

3. Факторы влияющие на процесс сушки бумаги на БДМ. Влияние процесса сушки на свойства бумаги. Основ­ными факторами процесса сушки бумаги на бумагоделательной машине являются: температура греющего пара и температура су­шильных цилиндров, скорость машины, свойства окружающего воздуха и система вентиляции, а также коэффициент теплопере­дачи от пара бумаге. К перечисленным выше факторам процесса следует добавить свойства самой бумаги: ее толщину, степень помола бумажной массы и композицию, а также конструктивные особенности бума­годелательной машины.

Температура греющего пара. Температура пара в пограничном слое со стен­кой сушильного цилиндра — один из главных факторов сушки, от которого зависит скорость и эффективность процесса. С повышением средней температуры сушильных цилиндров и температуры греющего пара скорость сушки возрастает примерно по закону прямой линии.

Скорость бумагоделательной машины. Повышение скорости бумагоделательной машины ин­тенсифицирует процесс сушки бумаги, при этом увеличивается доля воды, испаряемой на сво­бодных участках бумажного по­лотна между сушильными ци­линдрами. Объясняется это со­кращением времени пребывания бумаги между сушильными ци­линдрами, меньшим ее охлажде­нием при переходе с цилиндра на цилиндр и более бурным ис­парением влаги по этой причине со свободной поверхности бу­маги.

Свойства окружающего воздуха. Свойства окружающего воз­духа практически не влияют на скорость сушки бумаги на нагре­той поверхности сушильного цилиндра при нормальном атмосфер­ном давлении, но влияют лишь на испарение влаги на свобод­ных участках бумажного полотна и имеют большое значение для вентиляции бумагоделательной машины.

Коэффициент теплопередачи от пара бумаге. Коэффициент те­плопередачи от пара бумаге К определяют по формуле

где α1 — коэффициент теплоотдачи от пара стенке сушильного ци­линдра, ккал/м² • ч °С; а₂ — то же от стенки цилиндра бумаге, ккал/м² • ч -°С; б — толщина стенки сушильного цилиндра, м; λ— коэффициент теплопроводности материала стенки, ккал/м • ч • °С. Термическое сопротивление чугунной стенки сушильного ци­линдра невелико, поэтому общий коэффициент теплопередачи от пара бумаге больше зависит от коэффициентов α1и а_2; На величину коэффициента а₁ может оказать влияние наличие в сушильном цилиндре воздуха и конденсата, а также загрязнений на внутренней поверхности стенки в виде накипи или масла. Они оказывают добавочное сопротивление передаче тепла от пара стенке и уменьшают значение коэффициента. На величину коэффициента а₂ влияют загрязнения наружной поверхности стенки сушильного цилиндра, наличие воздушной прослойки и плохой контакт между стенкой цилиндра и бумагой, а также влажность и другие свойства самой бумаги.

Контакт бумаги с греющей поверхностью цилиндра. Для созда­ния хорошего контакта бумаги с греющей поверхностью сушиль­ных цилиндров на бумагоделательной машине служат сушильные сукна. Они прижимают бумагу к поверхности цилиндров и тем са­мым способствуют лучшей передаче тепла. Кроме того, сушильные сукна, прижимая бумагу к гладкой поверхности цилиндров, умень­шают усадку бумаги и предотвращают ее коробление и сморщива­ние при сушке.

Большое значение имеет степень натяжения сушильных сукон. При слабом натяжении сукон испарение влаги в сушильной части машины ухудшается.

Свойства бумаги. Физико-химические свойства бумаги оказы­вают значительное влияние на процесс сушки бумаги. Из них больше всего влияют толщина или вес 1 м² бумаги и степень по­мола массы, из которой изготовлена бумага. Меньше влияет ком­позиция бумаги: род волокон, со­держание проклеивающих и напол­няющих веществ.

Влияние процесса сушки на свойства бумаги

Изменение физико-химических свойств бумаги при сушке. При

сушке из бумаги удаляется вся свободная влага, находящаяся в промежутках между волокнами и в каналах самих волокон, а также значительная часть связанной влаги, содержащейся в их клеточных стенках.

В результате сушки изменяются размеры волокон и их физико-химические свойства (гибкость, эластичность, гидрофильность и прочность), а сам лист бумаги подвергается усадке. Деформации бумаги способствуют силы поверхностного натяжения воды, уда­ляемой при сушке, которые стягивают между собой отдельные во­локна, образуя плотную структуру листа бумаги. При наличии хорошо гидратированной бумажной массы волокна в бумажном листе приходят в тесное соприкосновение и после удаления воды создаются условия для возникновения водородных связей между свободными гидроксильными группами на поверхности микрофиб­рилл соседних волокон. Таким образом образуются межволокон­ные связи в бумажном листе.

Усадка бумаги при сушке. Усадка бумаги при сушке зависит от рода волокон и их гидратационных свойств, зависящих в свою очередь от химического состава волокон, наличия гемицеллюлозных спутников целлюлозы, количества лигнина, степени помола массы, а также от условий выработки бумаги на машине (натяже­ния бумаги в мокрой и сушильной частях машины и натяжения сушильных сукон).

Основная усадка бумаги происходит в направлении толщины листа. Изменению линейных размеров бумаги в других направ­лениях препятствует натяжение бумаги в продольном направлении листа, кроме того, сушильные сукна прижимают бумагу к поверх­ности сушильных цилиндров и препятствуют ее свободной усадке при сушке. Поэтому усадка бумаги по ширине и длине листа зна­чительно меньше, чем по толщине, а поперечная усадка больше продольной.

Гидрофобизация бумаги при сушке. В процессе сушки бумаги происходит дегидратация, или «отбухание», волокон, сопровождаю­щаяся падением их гидрофильных свойств. Это явление заклю­чается в том, что свободные полярные гидроксильные группы цел­люлозы на поверхности микрофибрилл волокна и в микропорах, освобожденные во время размола массы, взаимно насыщают друг друга после удаления: адсорбированной воды и образуют прочные водородные связи. По этой причине набухание целлюлозы и бумаги, изготовленной из нее, после нагрева и сушки снижается, так как процесс отбухания волокон при сушке обратим не полностью. Та­ким образом, в процессе сушки бумаги происходит до некоторой степени ее гидрофобизация.