книги / Технологические расчеты по получению различных видов целлюлозы
..pdfна 1 м3 котла
179,3 15 = 31,6 кг (0,0316 м3 ). 100 − 15
Объем, занимаемый плотной древесиной (при g = 0,36 м3/м3) ипоступившейс нейвлагой в1 м3 котла,
0,36 + 0,0316 = 0,392 м3;
оставшийся свободный объем в 1 м3 котла
1 – 0,392 = 0,608 м3.
Этот объем заполняется загружаемым варочным раствором. В ходе загрузки и последующего гидронадавливания в щепу впитывается варочный раствор в количестве 10 % от объема плотной древесины, поэтому в котел необходимо закачать бисульфитного раствора на 1 м3 объема котла
0,608 + (0,36 · 0,1) = 0,644 м3,
или на 1 т в.с. целлюлозы (при выходе в.с. целлюлозы из 1 м3 котла 105,9 кг, см. выше):
Y7.1 |
= |
0,644 1000 |
= 6,08 м3. |
|
|
105,9 |
|
Плотность бисульфитного варочного раствора лишь ненамного превышает плотность воды 1,0 кг/дм3, поэтому без заметногоущербадляточности расчетовможно принятьY7.1 = 6080 кг/т.
При определении требуемого количества бисульфита магния нужно учесть расход его на химические реакции, количество диоксида серы, удаляемого со сдувкой в конце варки, и остаточное количество бисульфита в щелоке.
Бисульфитный раствор загружается в котел с рН 4,5 и не содержит молекулярного SO2. В ходе варки образуются и накапливаются в щелоке органические кислоты, что приводит к уменьшению рН и выделению газообразного диоксида серы. Для поддер-
71
жания постоянной кислотности в конечной стадии варки проводят газовую сдувку, при этом уходит 20–30 кг SO2 (в расчете
принято S1.0 = 30 кг) и 4–6 кг водяного пара (принято Y1.0 = 6 кг) на 1 т целлюлозы.
Титр щелока в конце варки должен быть не ниже 5–6 г всего SO2 на 1 дм3 (с1.2 = 0,006 кг/дм3) во избежание «сворачивания» щелока и потемнения целлюлозы.
К концу варки в котле остается воды на 1 т целлюлозы
Y1.2 = Y0.1 + Y7.1 – Y1.0 = 298,6 + 6080,0 – 6,0 = 6372,6 кг
и SO2 в виде оставшегося неизрасходованным бисульфита магния
Y1.2 · c1.2 = 6372,6 · 0,006 = 38,2 кг.
На химические реакции варки расходуется 160 кг SO2 на 1 т целлюлозы (см. табл. 4.1). С учетом этого количества, а также ушедшего с газовой сдувкой диоксида серы и неизрасходованного бисульфита магния в котел должно быть загружено с варочным раствором всего SO2 (в виде бисульфита магния)
S7.1 = 160 + 38,2 + S1.0 = 160 + 38,2 + 30 = 228,2 кг
на 1 т целлюлозы. Концентрация всего диоксида серы (бисульфита магния в единицах SO2) в варочном растворе, загружаемом в котел, при этом составит
cS (7.1) |
= |
S7.1 1000 |
= |
228,2 1000 |
= 37,5 г/дм3. |
|
6080,0 |
||||
|
|
Y7.1 |
|
В котле к концу варки (после газовой сдувки) останется сера в виде бисульфита магния и других минеральных и органических продуктов реакций в количестве (в единицах SO2)
S1.2 = S7.1 – S1.0 = 228,2 – 30,0 = 198,2 кг
на 1 т в.с. целлюлозы.
Примем, что к концу варки завершается растворение компонентов древесины, т.е. достигается указанный в исходных
72
данных выход целлюлозы из древесины 52 %. На самом деле растворение продолжается во время конечной сдувки, однако количество веществ, переходящих при этом в раствор, невелико, поэтому принятое допущение не приведет к ощутимой погрешности. В раствор перейдет органических веществ (без S и Mg) в расчете на 1 т в.с. целлюлозы
Z1.2 |
= |
X0.1 (100 − 52) |
= |
1692,3(100 − 52) |
= 812,3 кг. |
|
100 |
||||
|
100 |
|
|
Это же значение может быть получено и другим путем.
Так как количество а.с. целлюлозы в конце варки Xl.2 = 880 кг/т, в раствор переходят остальные органические вещества древеси-
ны в количестве
Z1.2 = Y0.1 – X1.2 = 1692,3 – 880,0 = 812,3 кг/т.
Проверим материальный баланс загрузки и варки (рис. 4.3, узел 1). Суммарное количество веществ Σ1 во всех потоках (с учетом знаков «+» для веществ, входящих в узел, «–» для веществ, выходящих из узла) должно равняться нулю:
Σ1 = 1692,3 + 298,6 + 6080,0 + 228,2 – 6,0 – 30,0 –
– 880,0 – 812,3 – 6372,6 – 198,2 = 0.
Конечная сдувка и выгрузка
Температуре начала сдувки tн(2) = 160 °С (температура варки) соответствует абсолютное давление 0,618 МПа (см. табл. П1 приложения). Конечную сдувку проводят до достижения в котле избыточного давления 0,2 МПа (см. табл. 4.1), т.е. до абсолютного давления
0,2 + 0,101 = 0,301 МПа.
Этому давлению соответствует температура в конце сдувки (см. табл. П1 приложения) tк(2) = 134 °С.
Количество тепла Qп, уносимого из котла сдувочным паром в теплоутилизационную установку,
73
Qп(2.4) = [(X1.2 + Z1.2) qz + Y1.2qy] (tн(2) – tк(2)) =
= [(880,0 + 812,3) ·1,34 + 6372,6 · 4,19] (160 – 134) = 7,53 · 105 кДж,
здесь qz – средняя теплоемкость целлюлозы и растворенных органических веществ, qz = 1,34 кДж/кг; qy – теплоемкость воды, qy = 4,19 кДж/кг.
Средняя температура жидкости в котле за период конечной сдувки
0,5 (tн(2) + tк(2)) = 0,5 (160 + 134) = 147 oС,
этой температуре соответствует теплота парообразования (см. табл. П1 приложения) j = 2123 кДж/кг. Количество пара, образовавшегося при конечной сдувке и удаляемого в теплоутилизационную установку,
Y2.4 = Qп(2.4) : j = 7,53 · 105 : 2123 = 354,7 кг.
Количество воды в котле в конце сдувки
Y2.3 = Y1.2 – Y2.4 = 6372,6 – 354,7 = 6017,9 кг.
Потоком пара из котла и сцежи (при выдувке) уносится 1–2 % щелока. Этот «переброс» задерживается ловушкой и возвращается в сцежу, поэтому не влияет на общий материальный и тепловой баланс варочного цеха.
Проверка материального баланса конечной сдувки и выгрузки (см. рис. 4.3, узел 2):
Σ2 = 880,0 + 812,3 + 6372,6 + 198,2 – 354,7 –
– 880,0 – 812,3 – 6017,9 – 198,2 = 0.
4.2. Материальный баланс сцежи
Далее в расчетах до конца пункта 4.2 количество всех веществ отнесено к 1 т в.с. целлюлозы.
Во время выдувки избыточное давление падает с 0,20 МПа до нуля, следовательно, среднее избыточное давление в сцеже за
74
период выдувки составляет 0,10 МПа, ему соответствует абсолютное давление 0,10 + 0,1013 = 0,2013 МПа и теплота парообразования (см. табл. П1 приложения) j = 2200 кДж/кг. Температура
понижается с tн(3) = 134 °С до tк(3) = 100 °С. Количество тепла, уносимого парами вскипания в теплоутилизационную установку,
Qп(3.4) =[(X3.4 + Z3.4) qz + Y3.4qy] (tн(3) – tк(3)) =
= [(880,0 + 812,3) · 1,34 + 6017,9 · 4,19] · (134 – 100) = = 9,34 · 105 кДж.
Количество пара, образующегося в сцеже при выдувке и уходящего в теплоутилизационную установку,
Y3.4 = Qп(3.4) : j = 9,34 · 105 : 2200 = 424,7 кг.
Количествоводы, оставшейсявсцежепозавершениисдувки,
Y3 = Y2.3 – Y3.4 = 6017,9 – 424,7 = 5593,2 кг.
Точное количество растворенных в щелоке минеральных веществв их собственныхединицахподсчитатьзатруднительно из-за большого числа разнообразных соединений, в состав которых входят сера и магний. Можно принять с достаточной для технического расчета точностью, что их суммарная масса равна массе всей серы в единицах SO2, умноженной на 1,5. Toгда общее количество растворенныхвеществ(органических и минеральных) Gp составит
Gр(3) = Z2.3 + 1,5 S2.3 = 812,3 + 1,5 · 198,2 = 1109,6 кг,
количество щелока
Gщ(3) = Y3 + Gp(2.3) = 5593,2 + 1109,6 = 6702,8 кг,
его концентрация
ср(3) = Gр(3) : Gщ(3) = 1109,6 : 6702,8 = 0,166 кг/кг,
концентрация волокнистой суспензии
с |
Х (3) |
= |
|
Х2.3 |
|
= |
880,0 |
= 0,116 кг/кг (11,6 %); |
|
Х |
|
|
|
880,0 + 6702,8 |
|||||
|
|
2.3 |
+ G |
|
|||||
|
|
|
|
|
щ(3) |
|
|
75
концентрация всего SO2 в щелоке
сS(3) = S2.3 : Gщ(3) = 198,2 : 6702,8 = 0,0296 кг/кг.
Из сцежи отбирают свободно отекающий крепкий щелок. Концентрация волокнистой суспензии, оставшейся в сцеже после отбора щелока, составляет 16 % (см. табл. 4.1). Количество веществ в этой суспензии (в дальнейшем они направляются в размольно-очистной и промывной цех):
целлюлозы
|
Х3.9 = Х2.3 = 880,0 кг; |
щелока |
|
G |
= 880,0 (100 − 16) = 4620,0 кг, |
щ(3.9) |
16 |
|
в том числе растворенных органических и минеральных веществ
Gp(3.9) = Gщ(3.9) сp(3) = 4620,0 · 0,166 = 766,9 кг;
воды
Y3.9 = Gщ(3.9) – Gp(3.9) = 4620,0 – 766,9 = 3853,1 кг;
всего SO2
S3.9 = Gщ(3.9) сS(3) = 4620,0 · 0,0296 = 136,8 кг.
С отбираемым из сцежи крепким щелоком уходит в цех регенерации серы и магния:
щелока
Gщ(3.8) = G3 – Gщ(3.9) = 6702,8 – 4620,0 = 2082,8 кг,
в том числе воды
Y3.8 = Y3 – Y3.9 = 5593,2 – 3853,1 = 1740,1 кг;
растворенных органических и минеральных веществ
Gp(3.8) = Gр(3) – Gp(3.9) = 1109,6 – 766,9 = 342,7 кг;
76
всего SO2
S3.8 = S2.3 – S3.9 = 198,2 – 136,8 = 61,4 кг.
Растворенные органические вещества (без S и Mg) распределятся между потоками пропорционально количеству отбираемых из сцежи щелоков:
Z3.8 |
= |
|
Z2.3Gщ(3.8) |
= |
812,3 2082,8 |
= 252,3 кг, |
|
Gщ(3) |
6702,8 |
||||
|
|
|
|
|
||
Z3.9 |
= |
|
Z2.3Gщ(3.9) |
= |
812,3 4620,0 |
= 560,0 кг. |
|
Gщ(3) |
6702,8 |
||||
|
|
|
|
|
Проверка материального баланса сцежи (рис. 4.3, узел 3):
Σ3 = 880,0 + 812,3 + 6017,9 + 198,2 – 424,7 – 252,3 –
– 1740,1 – 61,4 – 880,0 – 560,0 – 3853,1 – 136,8 = 0.
Рис. 4.3. Материальный баланс варочного цеха (обозначения те же, что на рис. 4.2). Цифры у стрелок соответствуют
количеству вещества в килограммах на 1 т в.с. целлюлозы (сверху вниз): а.с. древесина (а.с. целлюлоза); растворенные органические вещества (без S и Mg); вода; вся сера (единицы SO2)
77
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ К ГЛАВЕ I
1.Непенин Н.Н. Технология целлюлозы. Т. 1. Производство сульфитной целлюлозы / под ред. Ю.Н. Непенина. – М.: Лесная промышленность, 1976. – 624 с.
2.Технология целлюлозно-бумажного производства:
в3 т. Т. 1. Ч. 1. Сырье и производство полуфабрикатов. – СПб.: Политехника, 2002. – 420 с.
3.Пен Р.З., Шапиро И.Л. Технология целлюлозы. Примеры технологических расчетов: учеб. пособие. – Красноярск: Изд-во Сиб. гос. техн. ун-та, 2011. – 336 с.
4.Пен Р.З. Технология целлюлозы: в 2 т. Т. 2. Сульфитные способы получения, очистка, отбелка, сушка целлюлозы: учеб. пособие. – 3-е изд., перераб. – Красноярск: Изд-во Сиб. гос. техн. ун-та, 2006. – 349 с.
5.Непенин Ю.Н. Технология целлюлозы. Т. 2. Производство сульфатной целлюлозы. – М.: Лесная промышленность, 1990. – 597 с.
6.Технология целлюлозно-бумажного производства:
в3 т. Т. 1. Ч. 2. Сырье и производство полуфабрикатов. – СПб.: Политехника, 2002. – 420 с.
7.Пен Р.З. Технология целлюлозы. Т. 1. Подготовка древесины. Производство сульфатной целлюлозы: учеб. пособие. – 3-е изд., перераб.– Красноярск: Изд-во Сиб. гос. техн. ун-та, 2006. – 343 с.
78
II.СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
ВЦЕЛЛЮЛОЗНО-БУМАЖНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ
1.МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС СУЛЬФАТНОЙ ВАРКИ
Для наглядного представления о коэффициентах и показа- |
||
телях, связанных с процессом сульфатной варки, рассчитаем |
||
материальный баланс сульфатной варки |
жесткой целлюлозы |
|
в котле объемом 125 м3. |
|
|
Допустим, что варка ведется по |
ускоренному |
методу, |
с непрямым обогревом и принудительной циркуляцией щелока. |
||
Сырьем служит сосновая балансовая щепа влажностью 40 %. |
||
Примем следующие основные данные для расчета. |
|
|
Выход целлюлозы из древесины, %................................... |
|
48 |
Расход активной щелочи в единицах Na2O |
|
|
по отношению к массе а.с. древесины, % ...................... |
15,5 |
|
Общее количество жидкости в котле |
|
|
(с учетом влаги щепы) на 1 м3 котла, дм3 ....................... |
550 |
|
Концентрация активной Na2O в белом щелоке, кг/м3 .... 100 |
||
Плотность заливаемого в котел черного щелока |
|
|
(при 15 °С), г/см3.............................................................. |
|
1,09 |
Плотность влажной древесины в пересчете |
|
|
на а.с., кг/м3 ........................................................................ |
|
430 |
Степень объемного заполнения котла щепой, |
|
|
пл. м3/м3 ............................................................................. |
|
0,38 |
График изменения температуры и давления в котле и расписание оборота котла примем по рис. 1.1. На том же рисунке изображена примерная кривая выхода, соответствующая условиям варки.
Расчет будем вести на 1 т воздушно-сухой целлюлозы, получаемой из котла. Для удобства разобьем рабочий процесс на
79
стадии: загрузка щепы и заливка щелоков; заварка (подъем температуры и терпентинная сдувка); варка (стоянка на конечной температуре); спуск давления (конечная сдувка); выдувка.
Рис. 1.1. График варки (к расчету материального баланса):
1 – температура; 2 – давление; 3 – выход целлюлозы из древесины
Загрузка щепы и заливка щелоков. Количество абсолют-
но сухой древесины, загружаемой в 1 м3 котла, составит
430 · 0,38 = 163,4 кг.
Выход целлюлозы из 1 м3 котла:
абсолютно сухой – 163,4 · 0,48 = 78,4 кг,
воздушно-сухой – 78,4 : 0,88 = 89 кг.
Выход воздушно-сухой целлюлозы из котла за одну варку
89 · 125 = 11 125 кг.
На 1 т воздушно-сухой целлюлозы, получаемой из котла (880 кг абсолютно сухой), в котел необходимо загрузить абсолютно сухой древесины
80