Отбельный цех сульфитцеллюлозного завода
Введение
Задача процесса отбелки целлюлозы -
придание целлюлозе стабильного белого цвета и определённых физико-химических
свойств в соответствии с её целевым назначением.
Сероватый оттенок небеленой
сульфитной и бисульфитной целлюлозы обусловлен наличием в них лигнина в виде
лигносульфоновых кислот, а также красящих веществ древесины, адсорбированного
щелока, смолы. На цвет целлюлозы также влияет наличие в производственной воде и
в варочной кислоте солей тяжелых металлов и, прежде всего солей железа.
Белизна небеленой сульфитной и
бисульфитной целлюлозы составляет обычно 60-65% [1].
Отбелка целлюлозы достигается как
путем обесцвечивания окрашивающих веществ, так и путем удаления их, главным
образом лигнина, который для этого должен быть переведён в растворимое
состояние. Причём речь идет об удалении лигнина, глубоко залегающего во
внутренних слоях между пучками целлюлозных макромолекул, удалить который при
варке без разрушения целлюлозы невозможно.
Применяемые способы отбелки
целлюлозы различаются, в первую очередь по виду, применяемого реагента. Для
отбелки целлюлозы используются элементарный хлор, гипохлориты кальция и натрия,
хлориты, диоксид хлора, пероксида водорода.
Способы отбелки различаются также по
характеру процесса (непрерывный или периодический) и по числу ступеней отбелки.
В настоящее время отбелка целлюлозы
проводится комбинированным многоступенчатым методом с промывкой целлюлозы между
ступенями, для удаления из массы продуктов реакции. Первая стадия отбелки
проводиться с целью делигнификации целлюлозы. Вторая стадия - собственно
отбелка (добелка) - осуществляется с помощью окислительных отбеливающих
реагентов (гипохлорита, диоксида хлора, пероксида).
Современные многоступенчатые
отбельные установки оснащены сложным высокопроизводительным оборудованием,
управление которым требует оперативности и высокой квалификации обслуживающего
персонала. Технология отбелки включает ряд химических и физико-химических
процессов, которые должны быть четко взаимосвязаны между собой. В связи с этим
отбельные установки являются высокоавтоматизированным участком в
технологической схеме производства беленой целлюлозы.
Одной из основных задач процесса
отбелки является максимальное удешевление его стоимости, что достигается
снижением до минимума потерь целлюлозы при отбелке и выбор химикатов,
позволяющих обеспечить требуемую степень белизны при минимальных затратах.
.
Характеристика сырья и продукции
Таблица 1.1. Качественные показатели
сульфитной небеленой целлюлозы из хвойной древесины (ГОСТ 6501-82)
Показатели
|
Норма
|
Механическая прочность при размоле в мельницах ЦРА: - разрывная длина не
менее, м - излом не менее, ч.д.п.
|
7000
1000
|
Массовая доля смол и жиров не более, %
|
1,5
|
Массовая доля пентозанов не менее, %
|
-
|
Сорность - число соринок на 1 м2: - свыше 0,1 - 1,0 мм2
не более - свыше 1,0 - 2,0 мм2 не более
|
750
20
|
Влажность не более, %
|
20
|
Таблица 1.2. Качественные показатели
сульфитной беленой целлюлозы из хвойной древесины (ГОСТ 3914)
ПоказателиНорма
|
|
Механическая прочность при размоле в мельницах ЦРА: - разрывная длина не
менее, м - излом не менее, ч.д.п.
|
7500
500
|
Белизна не менее, %
|
86
|
Массовая доля смол и жиров не более, %
|
1,0
|
Массовая доля пентозанов не менее, %
|
-
|
Сорность - число соринок на 1 м2: - свыше 0,1 - 1,0 мм2
не более - свыше 1,0 - 2,0 мм2 не более
|
90
-
|
Влажность не более, %
|
20
|
Целлюлоза сульфитная беленая из
хвойной древесины: используется для производства светочувствительной
диазотипной бумаги, бумаги глубокой печати, чертежной, картографической,
диаграммной, форзацной бумаги, пергамина упаковочного, бумаги-основы для обоев.
2. Выбор и обоснование
технологической схемы отбелки целлюлозы
При выборе схемы и режима отбелки
учитываются требования к качеству и назначению беленой целлюлозы, способ
получения и степень делигнификации исходной целлюлозы.
Решающим фактором в выборе
технологии является простота процесса, эксплуатационные расходы и капитальные
затраты.
Для отбелки целлюлозы,
предназначенной для производства различных видов бумаги и картона, применяются
схемы комбинированной отбелки, позволяющие перевести в раствор остаточный
лигнин, придать целлюлозе необходимые оптические свойства (белизну,
стабильность белизны) при относительно невысоких потерях волокна и сохранении
механических показателей.
Для отбелки сульфитной хвойной
целлюлозы до белизны не менее 87% выбираем 4-ступенчатую схему отбелки Х+Д -
Щ+П - Г - П - К.
Применение этой схемы объясняется
особенностями сульфитной целлюлозы тем что в отличии от сульфатной, сульфитная
целлюлоза легче отбеливается, процесс протекает быстрее. У сульфитной целлюлозы
легче удалить лигнин. При хлорировании сульфитной целлюлозы может быть удалено
80 - 90% лигнина, содержащегося в небеленой целлюлозе.
На стадиях Х+Д и Щ идет
делигнификация целлюлозы. С целью уменьшения деструкции волокна и
интенсификации процесса хлорирование проводят смесью хлора и диоксида хлора с
расходом диоксида хлора примерно 0,1% от волокна. После делигнификации
целлюлозы идет добелка (собственно отбелка).
После делигнификации хлорно-щелочной
обработкой в целлюлозе остается высококонденсированный лигнин, который можно
перевести в раствор окислительной деструкцией гипохлоритом. Для этого
используется гипохлорит кальция, как более дешевый и доступный реагент.
Пероксид водорода применяется на
предприятиях на последних ступенях добелки, после стадий отбелки гипохлоритом и
диоксидом, для дополнительного повышения белизны и стабильности белизны при
сохранении механических показателей целлюлозы. Его окислительное действие при
отбелке направленно только на остаточный лигнин, разрушение которого
обеспечивает эффективное повышение белизны целлюлозы. Применение пероксида
имеет большие преимущества и с точки зрения охраны окружающей среды, так как в
сточных водах полностью отстутсвуют соединения хлора.
Кисловка является заключительной
стадией многоступенчатой отбелки.
Назначение кисловки:
стабилизация белизны целлюлозы за
счет боле полного удаления окрашенных продуктов;
нейтрализация избытка щелочи, если
последняя ступень отбелки проходила в щелочной среде;
служит (антихлором), восстанавливая
остатки активного хлора (после отбелки гипохлоритом и диоксидом) до HCI, а сернистая кислота
при этом окисляется до серной кислоты.
H2SO3+CI2+H2O
→ H2SO4+HCI
Введение «антихлора» позволяет в
нужный момент прервать отбелку, а именно окислительные процессы, ухудшающие
качество целлюлозы, а восстановленный хлор легко отмывается от целлюлозы;
сернистая кислота восстанавливает
карбонильные группы целлюлозы, образовавшиеся при отбелке и вызывающие
пожелтение целлюлозы при хранении. Это повышает стабильность белизны целлюлозы;
кисловка снижает зольность
целлюлозы.
Химические потери при
многоступенчатой отбелке сульфитной целлюлозы для бумаги не превышают 6%.
Промывка целлюлозы между ступенями отбелки производится на вакуум-фильтрах.
3. Описание
технологической схемы
Технологическая схема получения
хвойной беленой целлюлозы марки А приведена на рис 2.
В схеме предусмотрена 4-ступенчатая
отбелка целлюлозы:
Х+Д - Щ+П - Г - П - К
Целлюлоза жидким потоком с
концентрацией 3% подается в эжекторный смеситель (10), где смешивается с хлором
и диоксидом хлора. Далее масса поступает в башню хлорирования (1), с ходом
массы снизу вверх. На выходе из башни масса разбавляется оборотной водой до
концентрации 2,5% и подаётся на вакуум-фильтр №1 (6) для промывки, где
предварительно разбавляется до концентрации 2% и промывается теплой водой с
температурой 40˚С и горячей водой с температурой 70˚С.
Оборотная вода с вакуум-фильтра №1
идёт в бак оборотной воды (9), откуда идёт в сток, т. к. вода после отбелки
имеет тёмно-коричневый цвет. Промытая масса с концентрацией 12% поступает на
двухвальный смеситель (7), где смешивается с раствором щелочи, пероксидом
водорода и ПАВ. В смеситель подаётся: пар для нагрева массы до температуры 600С.
Из смесителя с помощью насоса высокой концентрации (8) масса подаётся в башню
щелочения (2), с ходом массы сверху вниз. На выходе масса разбавляется
оборотной водой до концентрации 2% подаваемой насосом из бака промывного
фильтра, расположенного после ступени гипохлоритной отбелки. Далее масса
насосом подаётся на вакуум-фильтр №2 (6) для промывки и сгущения. Для промывки
на вакуум-фильтр подаётся свежая теплая и горячая вода. Оборотная вода с
вакуум-фильтра идёт в бак оборотной воды (9), откуда направляется в сток. После
промывки и сгущения масса подаётся в смеситель (7), где перемешивается с
гипохлоритом и раствором щелочи. В смеситель также, подаётся пар для нагрева
массы до температуры 350С. Из смесителя с помощью насоса высокой
концентрации масса, подаётся в башню гипохлоритной отбелки (3) с ходом массы
сверху вниз.
После гипохлоритной отбелки масса
разбавляется оборотной водой из бака (9) и перекачивается насосом на
вакуум-фильтр №3 (6) где промывается теплой и горячей водой, после чего
подается в смеситель (7). В смеситель, подается пар для нагрева массы до
температуры 70ºС.
Из смесителя с помощью насоса высокой концентрации масса, подается в башню
добелки пероксидом водорода (4) с ходом массы сверху вниз. На выходе из башни
масса разбавляется оборотной водой из отдела сортирования беленой целлюлозы и
перекачивается насосом на вакуум-фильтр №4 (6). На вакуум-фильтр подаётся
свежая вода для промывки. Оборотная вода с вакуум-фильтра идёт в бак оборотной
воды (9), далее с помощью насоса подаётся на разбавление после гипохлоритной
отбелки. В шнек вакуум-фильтра (6) подаётся водный раствор SO2 для кисловки массы.
Кисловка массы протекает в бассейне высокой концентрации (5), куда масса
подаётся насосом высокой концентрации (8). Далее масса на выходе из бассейна
высокой концентрации разбавляется оборотной водой из отдела сортирования
белёной целлюлозы до концентрации 3,5% и поступает на бумажное производство.
Рисунок 2 - Принципиальная схема
отбелки целлюлозы по схеме Х+Д - Щ+П - Г - П - К
Таблица 3 - Режим отбелки целлюлозы
Ступень отбелки
|
Реагент
|
Расход, % от абсолютно сухого волокна
|
Потери волокна, %
|
Концентрация массы, %
|
Температура, 0С
|
Продолжительность, мин.
|
Хлорирование (Х+Д)
|
Cl2 ClO2
|
3.5 0.5
|
3.0
|
3
|
20
|
60
|
Щелочная обработка Щ+П
|
NaOH H2O2
|
1.5 0.5
|
1.0
|
12
|
60
|
60
|
Гипохлоритная отбелка (Г)
|
Cl2 NaOH
|
2.0 1.0
|
1.5
|
12
|
35
|
180
|
Отбелка пероксидом (П)
|
NaOH Na2SiO3 H2O2 Трилон-Б
|
1.5 3.0 1.5 0.3
|
0.5
|
12
|
60
|
120
|
Кисловка (К)
|
SO2
|
1
|
-
|
12
|
20
|
-
|
Исходные данные для
расчета:
Расход воды на спрыски
вакуум-фильтров - 10 м3/т;
Концентрация массы, поступающей на
вакуум-фильтр - 2%;
Концентрация волокна в фильтре
вакуум-фильтров - 50 г./м3 или 0,005%;
Концентрация массы в бассейнах
небеленой и беленой целлюлозы - 12%;
Концентрация растворов:
едкого натра ……………………………………………. 100
г./л;
пероксида водорода ……………….…………………
350 г./л;
силиката натрия .……………………….…………….
200 г./л;
трилона-Б …………………….………………………… 70
г./л;
диоксида хлора.…………….……………………. 10
г./л (в ед. ClO2);
диоксида серы ……………………….…………………….
2%.
4. Материальный баланс
Расчет ведем на 1 тонну воздушно
сухой целлюлозы (880 тонн абсолютно сухого волокна).
Бассейн высокой концентрации
Проверка
Приход
|
Масса
|
Волокно
|
Вода
|
со шнека
|
8791,82
|
879,18
|
7912,64
|
с ОВ
|
16351,03
|
0,82
|
16350,21
|
Итого
|
25142,85
|
880
|
24262,85
|
Расход
|
25142,86
|
880
|
24262,86
|
Шнек вакуум - фильтра №4
В шнек вакуум - фильтра для
проведения кисловки подается водный раствор SO2. Расход SO2
- 1% от волокна. Так как потери при кисловке незначительны, то их не учитываем,
тогда
Расход SO2 составит:
Раствора (при концентрации 2%) в
шнек поступит:
Проверка
Приход
|
Масса
|
Волокно
|
Вода
|
с вакуум - фильтров
|
8352,23
|
879,18
|
7473,05
|
с химикатами
|
439,59
|
0
|
439,59
|
Итого
|
8791,82
|
879,18
|
7912,64
|
Расход
|
8791,82
|
879,18
|
7912,64
|
Вакуум - фильтр №4
Проверка
Приход
|
Масса
|
Волокно
|
Вода
|
со свежей водой
|
10000
|
-
|
10000
|
с разбавления
|
58813,0316
|
882,1995
|
57930,8361
|
Итого
|
68813,0316
|
882,1995
|
67930,8361
|
Расход
|
в шнек
|
8352,23
|
879,18
|
7473,05
|
с оборотной водой
|
60460,8016
|
3,02
|
60457,7786
|
Итого
|
68813,0316
|
881,8476
|
67930,8286
|
Разбавление после П
Проверка
ПриходМассаВолокноВода
|
|
|
|
с оборотной водой
|
51482,8539
|
2,5741
|
51480,2797
|
из башни П
|
7330,1778
|
879,6213
|
6450,5564
|
Итого
|
58813,0316
|
882,1995
|
57930,8361
|
Расход
|
58813,0316
|
882,1995
|
57930,8361
|
Башня П
С учетом химических потерь волокна
(0,5%) в башню поступит волокна:
Химические потери составят:
Проверка
Приход
|
Масса
|
Волокно
|
Вода
|
из смесителя
|
7334,5979
|
884,0414
|
6450,5565
|
Расход
|
химические потери
|
4,4201
|
4,4201
|
-
|
на разбавление
|
7330,1778
|
879,6213
|
6450,5565
|
Итого
|
7334,5979
|
884,0414
|
6450,5565
|
Смеситель перед башней П
На отбелку П расход: H2O2 составит 1,5%, Na2SiO3 3%, NaOH1,5%, Трилона-Б 0,3%.
При концентрации раствора:
H2O2 350 г./л или 0,35 кг/кг
воды,
Na2SiO3200 г./л или 0,2 кг/кг
воды,
NaOH100 г./л или 0,1 кг/кг воды,
Трилона-Б 70 г./л или 0,07 кг/кг
воды.
Подсчитаем затраты тепла на подогрев
массы до 600 С. Температуру массы, сходящей с вакуум - фильтра №3,
принимаем равной 400 С, температуру раствора - 200 С,
теплоемкость волокна - 1,34 кДж/(кг·0С), теплоемкость воды - 4, 19
кДж/(кг·0С).
Расход тепла составит:
Тогда расход пара давлением 0,35 МПа
с энтальпией 2740 кДж/кг составит:
Проверка
Приход
|
Масса
|
Волокно
|
Вода
|
с паром
|
|
-
|
|
с раствором
|
|
-
|
|
с вакуум - фильтров
|
|
|
|
Итого
|
7334,5979
|
|
6450,5565
|
Расход
|
7334,5979
|
|
6450,5565
|
Вакуум - фильтр №3
Проверка
Масса
|
Волокно
|
Вода
|
со свежей водой
|
10000
|
-
|
10000
|
с разбавления
|
59143,8350
|
887,1575
|
58256,6775
|
Итого
|
69143,8350
|
887,1575
|
68256,6775
|
Расход
|
в смеситель
|
6755,3957
|
884,0414
|
5871,3543
|
с оборотной водой
|
62388,4393
|
3,1194
|
62388,4393
|
Итого
|
69143,8350
|
887,1608
|
68256,6742
|
Разбавление после Г
Проверка
ПриходМассаВолокноВода
|
|
|
|
с оборотной водой
|
51772,4275
|
2,5886
|
51769,8388
|
из башни П
|
7371,4075
|
884,5689
|
6486,8386
|
Итого
|
59134,8350
|
887,1575
|
58256,6775
|
Расход
|
59134,8350
|
887,1575
|
58256,6775
|
Башня Г
С учетом химических потерь волокна
(1,5%) в башню поступит волокна:
Химические потери составят:
Проверка
Приход
|
Масса
|
Волокно
|
Вода
|
из смесителя
|
|
|
|
Расход
|
химические потери
|
|
|
-
|
на разбавление
|
|
|
|
Итого
|
|
|
|
Смеситель перед башней Г
На отбелку Г расход составит 2%
гипохлорита (в ед. активного хлора) и 1% NaOH.
Расход гипохлорита
898,03940,02=17,9607 кг. При
концентрации гипохлорита 35 г/л количество отбельного раствора составит
17,9607:0,035=513,1628 л
Расход щелочи составит
898,03940,005=4,4901 кг. При
концентрации щелочи 100 г/л в смеситель поступит 4,4901:0,1=44,9010 л.
Подсчитаем затраты тепла
на подогрев массы до 350С. Температуру массы, сходящей с вакуум -
фильтра №2, принимаем равной 500С, температуру раствора - 200С,
теплоемкость волокна - 1,34 кДж/(кг·0С), теплоемкость воды - 4, 19
кДж/(кг·0С).
Расход тепла составит:
Тогда расход пара
давлением 0,35 МПа с энтальпией 2740 кДж/кг составит:
Проверка
Приход
|
Масса
|
Волокно
|
Вода
|
с паром
|
|
-
|
|
с раствором
|
|
-
|
|
с вакуум - фильтров
|
|
|
|
Итого
|
7384,8780
|
|
6486,8386
|
Расход
|
7384,8780
|
|
6486,8380
|
Вакуум - фильтр №2
Проверка
Приход
|
Масса
|
Волокно
|
Вода
|
со свежей водой
|
10000
|
-
|
10000
|
с разбавления
|
|
|
|
Итого
|
|
|
|
Расход
|
в смеситель
|
|
898,0394
|
5865,0352
|
с оборотной водой
|
|
|
|
Итого
|
|
|
69179,2944
|
Разбавление после Щ+П
Проверка
Приход
|
Масса
|
Волокно
|
Вода
|
с оборотной водой
|
|
|
|
из башни П
|
|
|
|
Итого
|
|
901,2075
|
59179,2922
|
Расход
|
|
901,2075
|
59179,2922
|
Башня Щ+П
С учетом химических потерь волокна
(1%) в башню поступит волокна:
Химические потери составят:
Проверка
Приход
|
Масса
|
Волокно
|
Вода
|
из смесителя
|
|
|
|
Расход
|
химические потери
|
|
|
-
|
на разбавление
|
|
|
|
Итого
|
|
|
|
Смеситель перед башней Щ+П
Расход щелочи составляет
1.5%, т.е. 907,65440,015=13,6148 кг. При
концентрации гипохлорита 100 г/л количество отбельного раствора составит
13,6148:0,1=136,1480 л
Расход пероксида
составляет 0,5%, т.е. 907,65440,005=4,5382 кг. При
концентрации щелочи 350 г/л в смеситель поступит 4,4901:0,35=12,9662 л.
Подсчитаем затраты тепла
на подогрев массы до 600 С. Температуру массы, сходящей с вакуум -
фильтра №1, принимаем равной 200 С, температуру раствора - 200
С, теплоемкость волокна - 1,34 кДж/(кг·0С), теплоемкость воды - 4,
19 кДж/(кг·0С).
Расход тепла составит:
Тогда расход пара
давлением 0,35 МПа с энтальпией 2740 кДж/кг составит:
Проверка
Приход
|
Масса
|
Волокно
|
Вода
|
с паром
|
|
-
|
|
с раствором
|
|
-
|
|
с вакуум - фильтров
|
|
|
|
Итого
|
|
|
6589,5711
|
Расход
|
|
|
6589,5711
|
Выход беленой целлюлозы из небеленой
Общие потери волокна
(химические+механические) составят 6,1% от небеленой целлюлозы.
Расходуется оборотной воды -
257465,5109 кг.
Образуется оборотной воды -
255318,4715 кг.
Недостаток оборотной воды
составляет:
,5109 - 255318,4715 = 2147,0394 кг.
Недостаток оборотной воды
восполняется водой, поступающей с бумажной фабрики.
отбелка целлюлоза цех
технологический
5. Технико-экономические
показатели работы отбельного цеха (на 1 тонну воздушно-сухой беленой целлюлозы)
Расход небеленой целлюлозы (абс.
сухой), кг………937,44
Потери волокна (абс. сухого),
кг……………………. 55,08
Расход, кг:
диоксида хлора
(100%-ного)…………………………….. 1,78
едкого натра
(100%-ного)……………………………31,36
диоксида серы
(100%-ного)………………………………. 8,79
пероксида водорода (100%-ного)………………………………19,57
силиката натрия
(100%-ного)……………………………….. 26,52
Трилона-Б
(100%-ного)………………………………………. 2,65
расход свежей воды, м3…………………………………………51
расход электроэнергии,
кВт*ч………………………. 136,0
расход тепла,
МДж………………………………………….2338
кг………………………………………………………1028,1
Заключение
В данном курсовом проекте
рассматривался процесс отбелки небеленой целлюлозы. Была составлена
принципиальная и технологическая схема, проведен расчет материального баланса
воды и волокна, определен расход пара, химикатов, свежей воды.
Полученные технико-экономические
показатели соответствуют современным требованиям производства и данная схема
может быть внедрена на практике.