Технологические процессы

Содержание

Введение 3
1 Три периода, наблюдаемые при сжигании сульфатного щелока 5
2 Основные факторы сульфатной варки. Влияние температуры варки,
начальной концентрации и расхода активной щелочи на варочный процесс 9
Заключение 13
Список использованной литературы 14

Введение

Щелочная (натронная и сульфатная) варка целлюлозы из древесины различных пород на современных предприятиях производится как в периодически работающих варочных котлах, так и в варочных установках непрерывного действия.
Техника натронной и сульфатной варки целлюлозы в периодически действующих варочных котлах во многом схожа с техникой сульфитной варки. В котел из бункеров или с конвейера загружают щепу и закачивают из баков-мерников варочный, так называемый белый щелок, содержащий необходимую для варки активную щелочь.
К белому щелоку, как правило, примешивают некоторое количество отработанного черного щелока с целью получить после варки щелок более высокой концентрации, для выпарки которого в процессе регенерации будет затрачиваться меньше пара. Содержимое котла нагревают до 165—175 °С, либо острым паром, либо, чаще, непрямым способом, прогоняя щелок через обогреваемый паром подогреватель.
Температуру поднимают более или менее равномерно сразу до конечного ее значения, не делая промежуточных стоянок при более низких температурах. В процессе подъема температуры производят так называемую терпентинную сдувку, с которой из котла уходят главным образом пары скипидара (отсюда ее название), небольшое количество водяных паров, воздух, оставшийся в котле после загрузки, и некоторые органические летучие продукты.
В результате в момент достижения конечной температуры в паровом пространстве котла практически не остается посторонних газов, и показываемое манометром давление почти точно отвечает парциальному давлению водяного пара (0,75—0,85 МПа, или 7,5—8,5 кгс/см2). На конечной температуре котел выдерживают положенное по режиму варки время, как правило, при непрерывной циркуляции щелока, но без подачи пара. Конец варки устанавливают по опыту, руководствуясь продолжительностью и температурой варки; никаких анализов щелока или массы из котла в течение варки, как правило, не делается.
По истечении стоянки на конечной температуре открывают сдувку, снижают давление в котле до 0,4—0,5 МПа (4—5 кгс/см2) и выдувают массу со щелоком в выдувной резервуар, циклон или диффузор. Опоражнивание котлов по способу вымывки на сульфатцеллюлозных заводах до последнего времени не практиковалось.
1 Три периода, наблюдаемые при сжигании сульфатного щелока

Упаренный черный щелок сжигают в топке содорегенерационного агрегата (СРК). Перед сжиганием к щелоку для восполнения потерь щелочи и серы добавляют Na2SO4.
Основные задачи сжигания:
- регенерация минеральной части щелока;
- восполнение потерь химикатов путем добавки сульфата;
- восстановление Na2SO4 до Na2S;
- получение пара за счет тепла сгорания щелока.
В сухом остатке черного щелока содержится 65…70% органических и 30…35% минеральных веществ. С увеличением степени провара это соотношение сдвигается в сторону минерального остатка.
Для процесса горения важно знать элементарный состав органической части щелока. Можно считать, что содержание углерода в сухом остатке щелока составляет 40-45%, водорода – 3-5%, органической серы – 2-4%, кислорода – 15-20%.
Сжигание щелока можно условно разделить на три последовательные стадии (рис. 1):
1-сушка щелока;
2-пиролиз и коксование;
3-выжигание кокса, плавление золы, восстановление Na2SO4.
Первая стадия начинается с поступления щелока в топку СРК. Под действием высокой температуры (около 1000оС) происходит мгновенное испарение влаги. Щелок превращается в огарок аморфной структуры. CO2 дымовых газов взаимодействует с натриевыми соединениями минеральной части. Главной реакцией первой стадии является карбонизация натриевых соединений, а основным продуктом реакции - сода (Na2CO3). Некоторая часть соединений натрия превращается в сульфат:
2NaOH+CO2→Na2CO3+H2O
Na2S+CO2+H2O→Na2CO3+H2S↑
2H2S+3O2→2SO2+2H2O
4NaOH+2SO2+O2→2Na2SO4+2H2O
Рисунок 1. – Схема процессов, происходящих при сжигании сульфатного щелока
На второй стадии огарок накапливается в нижней части топки и образует «подушку» (слой высотой 2-4 м), на которую воздействует тепло, выделяющееся в третьей стадии. Происходит разложение органической части при недостатке кислорода. Такой процесс называют пиролизом или сухой перегонкой. Продуктами пиролиза являются летучие и горючие продукты: метан, метанол, ацетон, сероводород, меркаптан и др. На образование этих продуктов идёт 50 % углерода и 50 % органической серы, находящихся в щелоке перед сжиганием. Для сгорания летучих веществ в топку СРК подают вторичный воздух. В этот момент карбонизируется натрий, связанный с лигнином и другими компонентами древесины. При пиролизе все углеродсодержащие соединения превращаются в кокс. К началу третьей стадии процесса в виде кокса остается примерно половина углерода, содержащегося в исходном щелоке.
В третьей стадии главные реакции это:
- выжигание кокса: C+O2→CO2+Q,
- и восстановление сульфата: Na2SO4+2C→Na2S+2CO2↑.
Эти реакции сопровождаются плавлением минеральных солей – минеральная часть щелока превращается в плав, содержащий Na2CO3, Na2S и некоторые минеральные примеси. За счет примеси солей в плаве устанавливается эвтектическая точка плавления – около 800оС.
На восстановление сульфата оказывают влияние следующие факторы:
1. Температура. При 800оС реакция идет 3 мин, при 1100 - 4 секунды. Оптимальная температура 1127оС.
2. Соотношение C:Na2SO4 должно быть не менее 3÷3,5:1. В зону реакции требуется постоянный подвод тепловой энергии для восстановления сульфата и плавления солей. Единственным источником тепла является реакция горения углерода.
3. Необходим тесный контакт между углеродом и сульфатом, что достигается при хорошем перемешивании упаренного щелока, сульфата и уловленной золы в смесителе перед подачей в СРК.
4. Величина избытка воздуха должна быть такой, чтобы в третьей стадии была восстановительная среда, т.е. некоторый недостаток воздуха. Поэтому расход первичного воздуха составляет 60-65% от общего расхода, а вторичного 35-40%. При большом избытке воздуха идет реакция: 2Na2S+3O2+2CO2→2Na2CO3+2SO2↑ и происходит потеря серы с SO2.
2 Основные факторы сульфатной варки. Влияние температуры варки, начальной концентрации и расхода активной щелочи на варочный процесс

К факторам варки относятся переменные процессы, изменение которой оказывает влияние на скорость делигнификации и качество получаемого полуфабриката. Наиболее существенными факторами являются:
• Концентрация активной щелочи в варочном растворе;
• Расход активной щелочи на варку;
• Температура варки;
• Порода древесины;
• Качество щепы;
• Сульфидность белого щелока;
• Добавка черного щелока в процесс;
• Применение принудительной циркуляции при варке;
• Присутствие посторонних натриевых соединений.
Расход активной щелочи, заключенной в белом щелоке зависит от свойств древесины и качества получаемой целлюлозы и составляет теоретически 12 % в единицах Nа2O к массе абсолютно сухой древесины, но для нормального хода варки необходимо иметь избыток щелочи составляющей 50…70 % от теоретического.
Увеличение глубины провара требует повышения расхода щелочи, так как количество кислых продуктов реакции повышается за счет большого разрушения углеводов. Для целлюлозы повышенного выхода (53…55 %) требуется активной щелочи 200…260 кг/т воздушно-сухой целлюлозы.
Для изоляционной целлюлозы (45…46 %) требуется 330…360 кг/т воздушно-сухой целлюлозы. Чем мягче мы варим целлюлозу, тем больше составляет расход активной щелочи. Это объясняется более глубокой деструкцией углеводов, так как именно продукты разрушения углеводов связывают основное количество щелочи. Повышение расхода активной щелочи уменьшает продолжительность варки, повышает содержание αцеллюлозы за счет разрушения гемицеллюлоз.
Скорость варки можно изменить в зависимости от концентрации активной щелочи в пределах концентрации от 30 до 90 Na2O/л щелока, повышение ее в 2 раза ускоряет процесс варки вдвое. Однако повышение концентрации щелочи усиливает деструкцию углеводов, понижает выход целлюлозы, ее механическая прочность.
В производственных условиях концентрация активной щелочи не может быть выше, чем позволяет это сделать работа цехов по регенерации щелоков. С учетом добавки черного щелока для обеспечения гидромодуля варки концентрация актив, щелочи в варочном щелоке равна 30…60 г/л в ед. Na2O
Температура варки является основным фактором, влияющим на продолжительность варки. При повышении температуры на 10 °С в интервале от 140 до 180 °С увеличивается скорость варки в 2…3 раза. Повышение температуры до 200 °С ведет к понижению выхода целлюлозы на 1…3 %, увеличивая при этом количество непровара. Оптимальной является температура от 170.
Могут применяться любые породы древесины, но результаты варок будут не одинаковы из-за отличия в химическом составе и морфологическом строении древесины. При варке сосны выход целлюлозы на 1…1,5 % меньше, чем из ели, из-за меньшего содержания смолы в древесине ели.
Древесина лиственных пород дает целлюлозу с хорошими показателями механической прочности. Выход целлюлозы из березы на 1…2 % больше, чем из ели при меньшем расходе шелочи. Практикуют совместные варки различных пород, но выход целлюлозы при этом ниже, а степень провара ухудшается. Возможно, добавлять до 15…20% неокоренной лиственной древесины без снижения прочности целлюлозы и получать из нее мешочную бумагу.
Несмотря на то, что пропитка при щелочной варке происходит быстро и равномерно, качество щепы сильно влияет на выход и провар целлюлозы. При варке щепы неравномерной по размерам, особенно по толщине, повышается количество непровара. Толщина щепы должна быть равна 3…5 мм, 90 % щепы должно иметь нормальную длину (15…25 мм).
Сульфидность – эквивалентное отношение Na2S к сумме NaOH+Na2S, выраженное в % или относительных долях. В производственных условиях сульфидность щелока равна 15…35 % Na2S участвует в процессе делигиификации древесины и благоприятно влияет на ход варки. Он облегчает делигнификацию, ускоряя переход лигнина в раствор, в то время как скорость растворения углеводной части древесины практически не изменяется. При повышении сульфидности варка ускоряется, повышается прочность и равномерность провара целлюлозы, понижается содержание остаточного лигнина.
Na2S положительно влияет в пределах от 16 до 40 %. При большей сульфидности (75…100 %) варка замедляется, понижается степень делигиификации целлюлозы. Оптимальная сульфидность зависит от расхода щелока. Повышение сульфидности имеет ряд нежелательных моментов: усиливается коррозия оборудования, повышается образование дурнопахнущих летучих соединений, целлюлоза после варки имеет более темный цвет и труднее поддается отбелке.
Перед началом варки в белый щелок добавляется черный щелок. Органические вещества черного щелока в умеренных количествах благоприятно влияют на ход варки. Добавка в котел черного щелока осуществляется с целью повышения концентрации щелока после варки и экономии тепла на его выпарку, а также для поддержания заданного гидромодуля варки. Добавка черного щелока до 50 % от общего количества жидкости в котле ускоряет варку, улучшает провар целлюлозы, снижает белизну после варки. Дальнейшее повышение приводит к обратному эффекту.
Имеет особое значение в связи с относительно небольшой продолжительностью процесса. Применение данной системы выравнивает температуру и концентрацию щелочи во всем объеме котла и способствует получении равномерно проваренной целлюлозы с повышенным выходом. С принудительной циркуляцией чаще всего используется не прямой способ обогрева котла, что позволяет устранить разбавление щелока конденсатом пара и влечет за собой ускорение процесса варки.
Заключение

Все большее значение во всех странах приобретает производство сульфатной целлюлозы из древесины лиственных пород, в частности березы. Березовая сулъфатная целлюлоза характеризуется более высокими показателями механической прочности, чем хвойная сульфитная; прочность ее составляет примерно 70—80 % от прочности сульфатной хвойной целлюлозы.
Большая часть лиственной сульфатной целлюлозы подвергается отбелке и служит полуфабрикатом для выработки печатных и типографских бумаг. Имея возможность выбора из нескольких видов волокнистой массы, изготовитель бумаги решает, какой из них в наилучшей степени удовлетворяет предъявляемым к качеству бумаги требованиям.
Он также добавляет в исходный материал химические реактивы, играющие роль наполнителей и связующих элементов которые влияют на окончательный выход целлюлозы.
Список использованной литературы

Технология целлюлозы. В 3 т. Т.II. Непенин Ю. Н. Производство сульфатной целлюлозы: учеб. пособие для вузов.—2-е изд., перераб.— М.: Лесная промышленность, 1990.— 600 с.
Комплексная химическая переработка древесины: учебник для вузов / И.Н. Ковернинский, В.И. Комаров, С.И. Третьяков и др.; под ред. проф. И.Н. Ковернинского. – 3-е изд., испр. и доп. - Архангельск: Изд-во АГТУ, 2006. – 374 с.
Пен Р. З. Технология целлюлозы: учеб. пособие. В 2 т. Т. 1. Подготовка древесины. Производство сульфатной целлюлозы. – 3-е изд., перераб. – Красноярск: Изд-во СибГТУ, 2006. – 344 с.
Технология целлюлозно-бумажного производства: справочные материалы. В 3 т. / ВНИИ ЦБП; редкол.: Осипов П. С. (отв. ред.) и др. – СПб.: ЛТА, 2002.
Технология целлюлозно-бумажного производства. Т.1. Сырье и производство полуфабрикатов. Ч. 2. Производство полуфабрикатов / Г. Л. Аким и др. – СПб.: Политехника, 2003. – 633 с.
Выпарка – современные достижения // Целлюлоза. Бумага. Картон, 2005. - № 9. - С. 56-60.
Переработка черных щелоков сульфатного производства: учеб. пособие / О.Б. Григорай, Ю.С. Иванов, А.А. Комиссаренков и др. - 2-е изд., испр. - СПб.: СПбГТУРП. - 2012. – 105 с.
Каустизация щелоков: тенденции современной технологии // Целлюлоза. Бумага. Картон, 2005. - № 3. - С. 56-59.
Мандре Ю.Г., Аким Э.Л. Сжигание дурнопахнущих газов – логический этап эколого-технологической реконструкции // Целлюлоза. Бумага. Картон, 2005. - № 7. - С. 24-27.
Иванов Ю.С., Никандров А.Б. Технология целлюлозы. Варочные растворы, варка и отбелка целлюлозы: учебно-практическое пособие / СПб.: СПбГТУРП. – 2014. – 41 с.