Курс лекций по дисциплине технология щелочной целлюлозы для студентов высших учебных заведений по специальности
 Скачать 2.29 Mb.
|
|
Температурный график непрерывной варки в аппарате типа Ка- мюр напоминает график периодической варки, но с некоторыми отли- чиями: в верхней части варочного аппарата происходит продолжи- тельная пропитка при 110–120 о С (если установка снабжена отдельным пропиточным резервуаром, то этот процесс переносится в резервуар), а в зоне нагрева осуществляют резкий подъем температуры до конеч- ной. Как подтверждает практика, такой температурный режим обес- печивает получение целлюлозы нормального выхода с нормальной степенью провара. Продолжительность варки зависит от производительности уста- новки в целом и варочного аппарата в частности. При работе варочной установки с недогрузкой продолжительность пребывания щепы в ва- рочном аппарате возрастает. Это может привести к перевару целлюло- зы. Сохранение ритмичности работы и равномерности нагрузки ва- рочного аппарата типа Камюр – одно из важных условий получения высококачественной целлюлозы с постоянной степенью провара. Скорость движения щепы по варочному аппарату оказывает существенное влияние на кинетику делигнификации. Например, сред- няя линейная скорость движения щепы по высоте варочного аппарата типа Камюр составляет 12–15 м/ч; степень уплотнения щепы в верх- ней его части достаточно велика(около 0,5 пл. м 3 /м 3 котла). Силы сцепления, возникающие между щепочками, обеспечивают движение столба щепы (а в нижней части котла – целлюлозной массы) как мо- нолита практически с одинаковой и достаточно равномерной скоро- стью независимо от расположения щепочки по сечению котла. Движение потоков щелока в варочном аппарате непрерывного действия влияет на эффективность процесса пропитки и степень про- вара целлюлозы. В верхней пропиточной зоне котла варочный щелок лишь сопровождает щепу в количестве, соответствующем начальному гидромодулю, равному 2,5–3 м 3 /т а. с. древесины. Поперечных пото- ков щелока по сечению варочного аппарата в этой зоне практически не возникает. Однако у стенок варочного аппарата за счет так называ- емого «пристеночного эффекта» варочный раствор встречает относи- тельно меньшее сопротивление. Поэтому в варочной установке типа Камюр варочный раствор устремляется вниз с большей скоростью, чем щепа и опережает ее движение. Вследствие этого возникает неко- торая циркуляция варочного раствора в пропиточной зоне. Значительно более интенсивная циркуляция происходит в зонах 72 нагрева. Например, в варочном аппарате типа Камюр, в котором рас- положены верхнее и нижнее циркуляционные сита, по центру подво- дится нагретый в подогревателях варочный раствор по центральной циркуляционной трубе. В этой зоне основное количество варочного раствора движется в радиальном направлении – от центра к перифе- рии, причем линейные скорости движения щелока уменьшаются по мере его продвижения примерно от 2–3м/с в центре до 2–3 см/с у стенки. Режим движения щелока в зоне нагрева можно считать турбу- лентным, что обеспечивает достаточно равномерный прогрев щепы. В зоне варки варочный раствор снова, как и в зоне пропитки, в основном движется вместе со щепой, постепенно превращающейся в целлюлозные волокна, которые продолжают сохранять форму щепы. Поэтому «пристеночный эффект» проявляется здесь в той же мере, что и в зоне пропитки. Циркуляция варочного раствора в зоне варки, например в аппарате типа Камюр, взначительно большей степени обусловливается отбором щелока из варочного аппарата через цирку- ляционные сита. В нижней части варочной зоны могут наблюдаться значительные скорости движения щелока в направлении от центра к периферии. Степень провара целлюлозы в период работы варочного аппарата в постоянном режиме колеблется в пределах ±3–4 ед. Каппа, что можно считать вполне удовлетворительным. Кратность циркуляции варочного раствора в зоне нагрева со- ставляет от 5 до 10, т. е. весь варочный раствор, сопровождающий щепу в ее продвижении в аппарате типа Камюр сверху вниз, должен пройти 5–10 раз через подогреватели. Увеличение скорости циркуля- ции сглаживает температурные перепады при нагреве содержимого варочного аппарата, уменьшает отложение накипи в трубках подогре- вателей, но требует большего расхода энергии на работу циркуляци- онных насосов и в некоторых случаях может привести к «присосу» волокон к циркуляционным ситам и возникновению зависаний («мо- стов») в варочном аппарате. Концентрация активной щелочи в варочном растворе из-за меньшего жидкостного модуля примерно в 1,5 раза выше, чем при пе- риодической варке. Это ускоряет стадию варки и протекающий про- цесс делигнификации. Однако значительное сокращение продолжи- тельности стадии варки может привести ухудшению равномерности провара целлюлозы. Что касается показателей механической прочно- сти целлюлозы, то в современных установках типа Камюр, в которых обеспечивается холодная выдувка, можно получить целлюлозу с лю- бой степенью провара; при этом показатели механической прочности 73 полученной щелочной целлюлозы могут быть сопоставимыми показа- телям целлюлозы периодической варки. Отбор черного щелока из варочного аппаратапроизводится си- стемой диффузионной экстракции и горячей диффузионной промывки целлюлозы в варочном аппарате позволяют производить частичный или полный отбор черного щелока, который направляют на регенера- цию через испарители (расширители) и частично возвращают на вар- ку. При диффузионной экстракции обычно отбирают 4–5 м 3 щелока на 1 т целлюлозы, при диффузионной промывке – до 9–10 м/ 3 т. Из-за по- ниженного жидкостного модуля количество черного щелока, возвра- щаемое на варку, значительно меньше, чем при периодической варке и в варочных аппаратах типа Камюр обычно не превышает 1,5 м 3 на 1 т целлюлозы. Промывка целлюлозы происходит в нижней части варочного аппарата, представляющей собой зону горячей диффузионной про- мывки. Процесс промывки протекает постепенно. Сначала черный щелок, подаваемый из промывного отдела с температурой 70–80 о С в нижнюю часть варочного аппарата, вытесняет крепкий отработанный щелок (крепкий черный щелок) из проваренной щепы. Затем вытес- ненный черный щелок отбирается в зоне циркуляции, нагревается примерно до 130 о С и снова возвращается в промывную зону через центральную трубу. Крепкий черный щелок отбирается в средней ча- сти варочного аппарата, расширяется до атмосферного давления в двух или трех расширительных резервуарах и направляется на регене- рацию. Горячая диффузионная промывка под давлением при темпера- туре около 130 о С эквивалентна трем ступеням промывки целлюлозы на вакуум-фильтрах. Выгрузка целлюлозы осуществляется непрерывно. Сваренная целлюлоза с помощью донного шабера поступает в выдувную линию и далее при температуре 80–90 о С и концентрации 10–12% направляет- ся в выдувной резервуар. 2.10.4.3. Применение технологии Lo-Solids Технология Lo-Solids является одной из разновидностей модифи- цированной щелочной варки целлюлозы. Основное внимание в ней уделяется минимизации концентрации растворенных в щелоке ве- ществ на стадиях объемной и остаточной делигнификации [6]. Сни- жение вязкости и прочности целлюлозы происходит из-за побочных реакций углеводов с находящимися в щелоке растворенными веще- 74 ствами. Кроме того, высокое содержание растворенных веществ вызы- вает ухудшение белимости целлюлозы и увеличение расхода активной щелочи на варку. В технологии Lo-Solids стремятся не только поддерживать равно- мерный профиль концентрации активной щелочи по высоте котла, но и проводить варку при минимально возможной температуре. В не- скольких зонах аппарата (обычно в двух) производится отбор черного щелока с высоким содержанием растворенных веществ и замещение его промывным фильтратом с добавкой свежего белого щелока. По- этому происходят снижение концентрации растворенных веществ и выравнивание концентрации активной щелочи по высоте котла на стадиях объемной и остаточной делигнификации. На рис. 2.1 представлена схема варочного котла, работающего по технологии Lo-Solids [6], с двумя стадиями отбора щелока и подачи промывного фильтрата. Рис. 2.1. Схема варки по технологии Lo-Solids 75 с двумя стадиями отбора щелока и подачи промывного фильтрата Варочная установка работает без отдельного пропиточного аппа- рата. В верхней части котла при прямотоке щепы и щелока проводит- ся пропитка щепы. Затем пропиточный щелок отбирается из котла и замещается смесью предварительно нагретых промывного фильтрата и белого щелока. Эта зона называется зоной противоточного нагрева- замещения. В результате отбора пропиточного щелока и замены его нагретой смесью промывного фильтрата и белого щелока происходит значительное снижение концентрации растворенных веществ на ста- дии объемной делигнификации, что приводит к увеличению ее скоро- сти и селективности. После противоточной зоны нагрева-замещения следует зона пря- моточной варки, по завершению которой производятся отбор крепко- го черного щелока и корректировка концентрации активной щелочи путем добавления смеси промывного фильтрата и белого щелока. В нижней зоне аппарата осуществляется горячая диффузионная про- тивоточная промывка целлюлозы, но благодаря введению в зону бело- го щелока, она одновременно является зоной варки (т. к. в ней про- должается растворение лигнина). Продленное время варки (за счет зо- ны диффузионной промывки) позволяет снизить температуру варки на 10–15 о С, что способствует повышению селективности делигнифика- ции и, следовательно, увеличению выхода и прочности целлюлозы. Применение технологии Lo-Solids по сравнению с варкой ЕМСС (продленная модифицированная сульфатная варка), как отмечает Ю. С. Иванов [6], обеспечивает снижение содержания растворенных органических веществ в щелоках на стадиях объемной и остаточной делигнификации. Технология Lo-Solids применяется при реконструкции установок непрерывного действия различного типа. В 1993–2010 гг. около 50 установок, расположенных в США и Канаде, были переведены на новый метод варки благодаря достижению следующих положитель- ных эффектов: • увеличение прочности целлюлозы на раздирание на 10–15%; • снижение числа Каппа целлюлозы на 3–5 ед. без увеличения расхода щелочи; • улучшение белимости целлюлозы и увеличение вязкости беле- ной целлюлозы; • снижение расхода отбеливающих реагентов; • улучшение отбора щелока и промывки массы в котле. Отличительной особенностью технологии Lo-Solids является ис- 76 пользование однососудного гидравлического варочного котла. Все ва- рианты модифицированной варки Metso проводятся в двухсосудной установке с отдельным пропиточным аппаратом, поэтому при рекон- струкции старых установок необходимо их дооборудование, что до- роже, чем применение технологии Lo-Solids. В 2004–2010 гг. на тех- нологию Lo-Solids были переведены реконструированные установки в РФ (на Сегежском целлюлозно-бумажном комбинате, Усть-Илимском и Сыктывкарском лесопромышленных комплексах). Кроме усовершенствования самого варочного котла большие из- менения внесены в систему подачи щепы. Так, в закрытом бункере для щепы Diamondback проводится две ступени пропарки. Эффектив- ность такой пропарки настолько велика, что позволяет отказаться от пропарочной камеры. Щепа после бункера Diamondback вместе со щелоком подается в варочный котел тремя низкоскоростными насо- сами, каждый из которых последовательно увеличивает давление на 0,3 МПа. Новая система загрузки варочного котла называется Turbo Feed. Ее применение позволяет не только отказаться от питателей низкого и высокого давления и пропарочной камеры, но и снизить ка- питальные затраты. Технология Lo-Solids имеет несколько вариантов, предназначен- ных для переработки лиственных и хвойных пород древесины. Мно- гие предприятия, работающие на древесине лиственных пород, отме- чают снижение удельного расхода древесины от двух до десяти про- центов в результате увеличения выхода целлюлозы. Таким образом, сульфатный способ сохраняет свое доминирую- щее положение и продолжает совершенствоваться в направлении улучшения качества продукции, сокращения выбросов, создания энер- го- и ресурсосберегающих технологий производства щелочных видов целлюлозы различного назначения. 77 3. ТЕОРИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ ПРОМЫВКИ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ 3.1. Основные положения Целлюлозная масса после натронной или сульфатной варки со- держит от 4,0 до 6,5 м 3 отработанного черного щелока на 1 т в. с. ц. Из общего количества щелока небольшая часть (примерно 0,3–0,4 м 3 на 1 т в. с. ц. или около 5% от общего объема) содержится во внутрен- них капиллярах клеточных стенок. Некоторая часть щелока (1,0–1,5 м 3 на 1 т в. с. ц. или 15–20% от общего объема) заключена во внутренних каналах и полостях волокон. Остальное количество щелока (75–80% от общего объема) составляет свободный щелок, окружающий от- дельные волокна или пучки волокон. Цель промывки состоит в отделении черного щелока от получен- ной целлюлозной массы с целью регенерации щелочей и последую- щей ее обработки (сортирования, очистки, сгущения, отбелки и т. д.). Задача промывки состоит в том, чтобы возможно полнее с наименьшими потерями растворенных веществ отделить весь черный щелок от целлюлозной массы. Важно сначала собрать его в виде кон- центрированного (неразбавленного) раствора, а затем направить на выпаривание, сжигание и каустизацию. После промывки необходимо получать промытую целлюлозную массу, не содержащую больших остатков щелока, т. к. санитарные и экономические требования дик- туют необходимость минимизации объемов сточных вод и степени их загрязненности щелочью и растворенными органическими вещества- ми. Промывку целлюлозы осуществляют методами диффузионной промывки, отжатия и путем комбинирования этих двух методов. Диффузионная промывка основана на постепенном вытеснении черного щелока из промежутков между целлюлозными волокнами и диффузии щелока, заключенного внутри волокон; промывку проводят с использованием сначала слабого черного щелока, а затем – горячей или теплой водой. Существует два способа диффузионной промывки в зависимости от применяемого оборудования: периодический (в диф- фузорах) и непрерывный (на барабанных фильтрах). Промывка методом отжатия заключается в нескольких опера- циях отжатия до возможно высокой концентрации с промежуточным разбавлением массы слабым черным щелоком, а перед последним от- жатием – горячей водой. Промывка производится на шнек-прессах или дисковых прессах. 78 Комбинированная промывка заключается в сочетании указанных двух методов с применением барабанных фильтров и шнек-прессов или дисковых прессов. Оборудование, применяемое для промывки целлюлозы, и процесс промывки должны обеспечить выполнение следующих требований: • отделить от целлюлозы концентрированного черного щелока при его высокой температуре; • минимизировать потери щелока и обеспечить его отсутствие в целлюлозной массе после промывки; • минимизировать количество сточных промывных вод; • сократить расход воды на промывку и уменьшить фактор раз- бавления; • ускорить процесс промывки; • повысить производительность оборудования и обеспечить его обслуживание; • минимизировать капитальные затраты на оборудование и экс- плуатационные расходы. В существующих методах частично используются для отделения щелока механические процессы (отжим, прессование, фильтрация). Основным техническим приемом является промывка водой, при кото- рой часть щелока удаляется из целлюлозной массы путем вытеснения без разбавления, а часть неизбежно смешивается с водой за счет вза- имной диффузии. Принято различать промывку по методу вытеснения и промывку по методу смешения с последующим отжимом или от- фильтровыванием щелока. К первому типу относится промывка в сцежах, в варочных котлах и диффузорах периодического и непре- рывного действия, ко второму – непрерывная многоступенчатая про- мывка на барабанных и ленточных фильтрах, в пресс-фильтрах, вин- товых и дисковых прессах. 3.2. Теория процесса промывки целлюлозы В теорию промывки целлюлозы весомый вклад внесли Ю. Н. Не- пенин [7, 14] и Н. Н. Непенин [15]. К числу важнейших физико-механических процессов и физико- химических явлений, происходящих при промывке целлюлозы, отно- сятся: отжим щелока от целлюлозной, массы, фильтрация его сквозь целлюлозную массу, диффузия растворенных веществ щелока из цел- люлозных волокон, адсорбция волокнами растворенных веществ ще- лока и вспенивание щелоков. Рассмотрим эти процессы и явления. 79 Отжим. Механический отжим щелока от целлюлозной массы ис- пользуют в прессах различного типа, что обеспечивает отделение ще- лока в неразбавленном виде. Однако необходимую полноту его отде- ления одноступенчатый отжим обеспечить не может, т. к. развиваемое в прессах давление недостаточно для того, чтобы удалить щелок из внутренних капилляров целлюлозных волокон. При отжиме целлю- лозная масса отдает жидкость до тех пop, пока возрастание внутрен- него капиллярного давления, происходящее вследствие спрессовыва- ния массы и уменьшения диаметра капилляров, не уравновесит внеш- него приложенного давления. Относительная сухость целлюлозы до- стигает 59% при давлении 15 МПа. Остаточное содержание щелока в целлюлозной массе, полученной по щелочному (для целлюлозы суль- фатной жесткой) и сульфитному (для целлюлозы сульфитной мягкой) способам не превышает 0,7 кг/кг сухого волокна. Содержание влаги в ультрамикроскопических порах в стенках волокон составляет около 0,3 г/г. Следовательно, при давлении 15 МПа масса удерживает щелок не только в клеточных стенках волокон, но и в их люменах. Фильтрация. В зоне промывки на барабанном фильтре промыв- ная жидкость (вода или слабый щелок) фильтруется сквозь образо- вавшийся слой сгущенной массы, вытесняя из него крепкий щелок. При промывке в сцеже, котле или диффузоре весь процесс протекает, как фильтрация жидкости сквозь слой массы. Скорость фильтрации измеряется количеством жидкости, проходящей через единицу по- верхности фильтра в единицу времени. Целлюлозная масса представ- ляет собой сжимаемый фильтрующий слой. При фильтрации через тонкий слой массы (например, на барабанном фильтре) степень уплотнения по толщине слоя примерно одинакова. При фильтрации через толстый слой масса сильно спрессовывается только у фильтру- ющей перегородки (сита), где сосредоточивается почти все сопротив- ление фильтрации. |