Курс лекций по дисциплине технология щелочной целлюлозы для студентов высших учебных заведений по специальности
 Скачать 2.29 Mb.
|
|
Диффузия. За счет диффузии происходит извлечение растворен- ных веществ изнутри целлюлозных волокон. Для извлечения щелока из отдельно взятого целлюлозного волокна, погруженного в воду, нужно менее 1 с, тогда как из гнезда волокон, имеющего форму куби- ка объемом 1 см 3 , щелок будет диффундировать дольше 1 ч. Средняя величина коэффициента диффузии растворенных веществ черного сульфатного щелока, как отмечает Ю. Н. Непенин [14], составляет около 0,7∙10 –5 см 2 /с (при 20 о С). Для растворенных веществ сульфитно- го щелока коэффициент диффузии примерно в 1,5 раза меньше, чем для сульфатного, из-за большего содержания в нем коллоидных ве- 80 ществ, имеющих большие размеры частиц. Адсорбция. Целлюлозные волокна относятся к материалам, обла- дающим значительной адсорбционной способностью, проявляющейся по отношению к ионам металлов. В щелочной среде центрами ад- сорбции являются карбоксильные группы. С увеличением валентно- сти иона адсорбция растет. Практическое значение при промывке имеет адсорбция ионов натрия, влияющая на величину потерь щелочи с промытой массой. Адсорбция ионов натрия сульфатной целлюлозой носит обратимый характер. Добавки к раствору гидроксида натрия других натриевых солей (NaCl, Na 2 S) и черного щелока усиливают ад- сорбцию ионов натрия. В промытой массе после диффузорной про- мывки содержится в виде адсорбционной щелочи от 0,6 до 2,5 кг Na 2 О на 1 т в. с. ц. Вспенивание щелоков. Вспенивание черных щелоков причиняет большие затруднения при промывке на барабанных фильтрах. Вспе- нивание вызывают поверхностно-активные вещества (особенно смо- ляные и жирные мыла), присутствующие в черном щелоке после вар- ки древесины (особенно хвойной). Мыла понижают поверхностное натяжение воды на границе прикосновения щелока с воздухом и вследствие этого адсорбируются в поверхностном слое, образуя проч- ные уплотненные пленки кристаллического строения, обволакиваю- щие воздушные пузырьки. Пена черного щелока отличается чрезвы- чайной стойкостью: продолжительность ее саморазрушения составля- ет около суток, и даже пена, обработанная паром в пеноглушителе, может стоять без разрушения еще 6–8 ч. Одним из эффективных средств борьбы с пеной является введение в щелок поверхностно- активных веществ (ПАВ), обладающих большей поверхностной ак- тивностью, чем мыла, но образующих менее прочные пленки. К числу таких ПАВ относятся высокоатомные спирты. Оценка результатов промывки целлюлозы. Для оценки резуль- татов промывки решающими показателями являются количество и концентрация отделенного от целлюлозной массы крепкого щелока, направляемого на регенерацию и частично возвращаемого на варку. С этой целью пользуют относительные коэффициенты, выраженные в процентах или долях единицы и определяемые по выражениям: • степень отбора щелока (или эффективность промывки) η, пред- ставляющая собой отношение количества растворенных веществ в ис- пользуемом щелоке G к их количеству в щелоке после варки G 0 , η = G/G 0 ; (3.1) 81 • относительная концентрация f, представляющая собой отноше- ние концентраций растворенных веществ в используемом щелоке с и после варки с 0 , f = с/с 0 ; (3.2) • относительный объем m, представляющий собой отношение объема используемого щелока V к объему щелока после варки V 0 , m = V/V 0 (3.3) Коэффициенты η и f всегда меньше единицы (меньше 100%), а относительный объем т может быть и меньше и больше единицы, но, как правило, больше. Относительные потери растворенных веществ при промывке можно оценить величиной ξ = 1 – η. Результаты многоступенчатой непрерывной промывки по замкну- тому циклу (промывка на барабанных фильтрах или в прессах) удобно характеризовать так называемым фактором разбавления F, представ- ляющим собой разность между расходом промывной воды W и коли- чеством жидкости, оставшейся в промытой массе М, или разность между количеством полученного после промывки используемого ще- лока V исходным количеством щелока в массе до промывки V 0 Фактор разбавления F выражают в кубических метрах на 1 т в. с. ц. (F = W – M = V – V 0 ); он показывает, сколько воды попало в щелок при промывке целлюлозы по замкнутому циклу. Фактор раз- бавления F зависит от относительного объема щелока т по выраже- нию F = V 0 (т – 1), где V 0 – начальный объем щелока, м 3 /т целлюлозы. 3.3. Технология промывки целлюлозы 3.3.1. Сцежи и варочные котлы Сцежи и варочные котлы широко используют для периодической промывки целлюлозы. Это самый старый метод промывки целлюлозы. Наихудшие результаты дает одноступенчатая промывка в варочных котлах: при объемном коэффициенте m = 1 эффективность промывки составляет всего η = 0,78–0,79. Несколько лучшие результаты полу- чают при промывке водой в сцеже: при m = 1 эффективность промыв- ки повышается 0,81–0,83. Использование в обороте слабых щелоков по принципу периоди- ческого ступенчатого противотока значительно улучшает показатели промывки; в сцежах при этих условиях эффективность промывки при 82 т = 1возрастает до 0,92–0,94. 3.3.2. Барабанные фильтры При использовании многоступенчатых схем эффективность про- мывки на барабанных фильтрах составляет η = 0,96–0,99 при относи- тельной концентрации получаемого крепкого щелока f = 0,65–0,80, что при относительном объеме т = 1,3–1,4 соответствует фактору разбавления от 2 до 4 м 3 /т целлюлозы [16]. В настоящее время способ непрерывной промывки на барабанных фильтрах является наиболее распространенным. Сульфатную и натронную целлюлозу из древесины хвойных и лиственных пород промывают на барабанных фильтрах любого типа. Из отдельных кон- струкций широко применяют следующие вакуум-фильтры: секцион- ные (ячейковые), с вакуумными или сифонными трубками, бескла- панные и фильтры давления. По способу создания необходимой для фильтрации разности давлений различают фильтры высоковакуум- ные, низковакуумные и фильтры давления. По числу осуществляемых на одном барабане ступеней промывки различаются фильтры одно- зонные и многозонные (чаще всего двухзонные). Секционный двухзонный вакуум-фильтр барабанного типа (например, типа Свенсона-Ньюмена) имеет полый барабан, разделен- ный радиальными перегородками на 28 секций, каждая из которых сообщается с соответствующим ей отверстием распределительной го- ловки на торце барабана. Головка разделена на три отделения: первое – занимает более половины окружности и сообщается с вакуум- отсосом крепкого щелока; второе – занимает одну четверть окружно- сти и, сообщаясь с отсосом слабого щелока, находится под более вы- соким вакуумом, чем первое; третье – сообщается с атмосферой или с подводом сжатого воздуха и служит для съема отфильтрованного слоя массы и продувки сетки. В первом отделении, или первой зоне, про- исходит формование массного слоя на поверхности барабана, пока он погружен в жидкость (6 секций), предварительное обезвоживание слоя (4 секции) и промывка массы слабым щелоком (7 секций). Во втором отделении, или второй зоне (5 секций), происходят оконча- тельное обезвоживание целлюлозной массы и отсос слабого щелока перед съемом ее с поверхности барабана. Фильтр с вакуумными трубками работает как двухзонный. Ба- рабан этого фильтра, погруженный в ванну, полый, но отсасывающие камеры располагаются не внутри, а на наружной его поверхности и имеют небольшой объем. Перегородки между соседними камерами в 83 виде продольных планок идут вдоль всей длины барабана. Распреде- ление зон примерно такое же, как у секционного фильтра. Для улуч- шения промывки целлюлозной массы в спрыски подают слабый чер- ный щелок, горячую или холодную воду. Секционные фильтры и фильтры с вакуумными трубками, снабженные барометрическими трубами для создания вакуума, относятся к группе высоковакуумных фильтров. Они строятся многими зарубежными фирмами – «Сунд» «Импко», «Вяртсиля» и др. и выпускаются российским машинострое- нием в составе комплектных промывных установок. Бесклапанныйнизковакуумный фильтр по принципу устрой- ства и действия аналогичен вакуум-сгустителю. Основными элемен- тами являются ванна и частично погруженный в нее барабан, обтяну- тый сеткой. Для промывки слоя массы над барабаном устанавливают несколько спрысков 6 (до 7 шт.) и отжимный валик, который повыша- ет степень обезвоживания массы до 14–18%. Бесклапанный фильтр является типичным однозонным фильтром, т. к. весь щелок, попада- ющий внутрь барабана, смешивается между собой и выходит в виде раствора одной концентрации. Фильтры этого типа устанавливаются последовательно группами из трех-четырех фильтров. Из-за отсут- ствия барометрической трубы их размещают на этаже высотой 5–7 м. Фильтратные баки устанавливают рядом с фильтрами; щелок в них поступает по сливным желобам. Фильтры эти могут быть только од- нозонными. Производительность низковакуумных фильтров по срав- нению с высоковакуумными меньше на 30–50%. Время отстаивания щелока от пены в баках фильтрата составляет 7–9 мин. Фирма «Камюр» выпускает бесклапанные фильтры усовершен- ствованной конструкции, у которых длина сифонных каналов соот- ветствует половине длины окружности барабана. Фильтр собирают из стандартных секций длиной 1,5 и 2,0 м. Общая длина барабана может составлять до 9 м. Бесклапанные фильтры создают сравнительно ма- лую разность давлений, поэтому их называют низковакуумными. Удельный съем массы с 1 м 2 поверхности барабана у них на 15–20% меньше, чем у высоковакуумных. Фильтр давления обладает высокой эффективностью.Принци- пиальное его отличие от вакуумных фильтров состоит в том, что не- обходимая для фильтрации разность давлений получается за счет из- быточного давления над наружной поверхностью барабана, а давле- ние внутри барабана близко к атмосферному. Для работы фильтра как двухзонного внутри барабана под второй группой промывных спрыс- ков неподвижно крепится воронка для приема слабого щелока, кото- 84 рый может быть выведен по отдельной сифонной трубе через ту же цапфу, что и крепкий фильтрат. Целлюлозная папка с барабана посту- пает в карман, находящийся внутри герметического кожуха и снаб- женный перемешивающим устройством. Последняя «разбивает» мас- су на отдельные волокна при одновременном смешивании с разбави- тельным щелоком, а затем насосом целлюлозная суспензия откачива- ется на следующий фильтр. Высоковакуумные вакуум-фильтры по конструкции бывают однозонными и многозонными (с числом зон от 2 до 6). Однозонные вакуум-фильтры широко применяют на предприяти- ях. Их устанавливают последовательно от трех до четырех. Многозонные вакуумные фильтры имеют отсасывающую головку, разделенную на несколько секций (зон). Соответственно разделена и поверхность барабана. Фильтрат из последней зоны подают на спрыск предпоследней и т. д. Поэтому на одном барабане можно осуществить В конструкции многозонного фильтра по сравнению с однозон- ным имеются преимущества, заключающиеся в следующем: • масса между ступенями промывки не погружается в щелок, сле- довательно, не захватывает с собой воздуха и не насыщается большим количеством прочно удерживаемых пузырьков воздуха, препятству- ющих прохождению щелока при промывке; • большое количество эффективно работающих зон промывок (нескольких фильтров с барабанами меньших размеров заменено од- ним большим); • упразднено время «холостого пробега» ячеек фильтра для опо- рожнения, необходимое в других конструкциях; • объем промывной жидкости (подаваемой только на спрыски) не- значителен, и между зонами промывки отсутствует разбавление массы щелоком; • насосы для перекачки фильтрата устанавливают меньшей произ- водительности, что упрощает их обслуживание и сокращает расход энергии на промывку; • фильтратные баки устанавливают меньшего размера, т. к. только для первого фильтрата на первой ступени промывки требуется обыч- ная емкость, а для фильтрата остальных ступеней используют не- большие отделения в общем баке; • сокращаются потери щелока в 2 раза, что составляет 9–10 кг вместо 20 кгна 1 тцеллюлозы (в ед. Na 2 SO 4 ). В настоящее время на целлюлозных заводах широко применяют фильтры давления типа РFW, позволяющие подавать массу на бара- 85 бан при концентрации 3–4%. Массу подают через коллектор в напускной ящик, снабженный контрольной планкой для регулирова- ния толщины папки. Двухзонный фильтр такого типа обеспечивает проведение двух степеней промывки на одном барабане, причем двух фильтров оказывается достаточно для завершения промывки. Благо- даря высокой концентрации поступающей на барабан массы обеспе- чиваются большая толщина слоя папки (50–60 мм) и высокий удель- ный съем с 1м 2 поверхности барабана (15 т/сут для хвойной и 18 т/сут для лиственной целлюлозы). Приведенных примеров достаточно, чтобы судить об устройстве непрерывно действующих барабанных фильтров, применяемых для промывки сульфатной целлюлозы. Различные машиностроительные заводы строят фильтры с поверхностью барабана до 100 м 2 Борьба с пенообразованием. Пена, накапливаясь в ваннах филь- тров, затрудняет контроль за работой промывного оборудования и его управлением. Это связано со сложностью определения уровня массы, ухудшением условий формования целлюлозной папки, увеличением потерь щелочи и т. д. Избежать прососа воздуха через тонкий слой целлюлозной массы при его промывке и обезвоживании на поверхно- сти барабана практически невозможно и можно лишь стремиться пре- дупредить энергичное смешивание щелока с воздухом и вскипание щелока в отсасывающей системе и отводящих трубах. Для снижения пенообразования при разбавлении массы перед по- дачей на ее первый фильтр и в промежуточных мешалках разбави- тельный щелок к бачкам и мешалкам подают снизу. Разбавительный бачок перед первым фильтром делают закрытым. Масса подводится в щель по всей ширине ванны. Промежуточное перемешивающее устройство имеет два горизонтальных вала. Верхний вал оснащен ко- сонасаженными дисками и вращается медленно (20–30 мин –1 ), нахо- дясь над поверхностью массы; он разрывает на куски целлюлозную папку, снимаемую с барабана, и погружает их в жидкость. Второй вал, снабженный винтообразными билами, расположен внизу, полностью погружен в целлюлозную массу и вращается с частотой 100–300 мин – 1 ; назначение его – разбивание массы и смешение ее со щелоком (фильтратом следующего вакуум-фильтра). Разбавленная целлюлоз- ная масса по всей ширине ванны, без каскадов и .переливов, поступает на следующий вакуум-фильтр. Разрушение уже образовавшейся пены, накапливающейся в при- емных баках, представляет собой нелегкую задачу. Пользующиеся наибольшим распространением механические центробежные разбива- 86 тели требуют дополнительных затрат энергии. Для уменьшения пено- образования добавляют в ванны вакуум-фильтров поверхностно- активные вещества (например, силиконовые соединения). На 1 т цел- люлозы достаточно добавлять 20–40 г силиконовых поверхностно- активных веществ, чтобы значительно уменьшить пенообразование и сократить потери щелочи с промытой массой. Для уменьшения пенообразования, сокращения потерь щелочи, повышения производительности и обеспечения нормальной работы вакуум-промывной установки, важное значение имеет обеспечение постоянного рабочего режима. Для этого промывные установки осна- щают необходимыми автоматическими контрольными приборами и регуляторами, позволяющими обеспечить стабильные параметры тех- нологического процесса, к числу которых относятся концентрация массы, количество массы и щелоков, циркулирующих в системе, рас- ход и температура промывной воды и т. д. 3.3.3. Винтовые пресса Эффективность промывки целлюлозной массы в винтовых прес- сах (шнек-прессах) не уступает эффективности промывки на барабан- ных вакуум-фильтрах. При трехступенчатой промывке в винтовых прессах эффективность составляет η = 0,96 при относительной кон- центрации f = 0,78, что отвечает фактору разбавления F = 2,l м 3 /т цел- люлозы. На целлюлозных заводах широко применяют однозонные (одна ступень промывки) и двухзонные (две ступени промывки) вин- товые пресса. Двухзонный промывной винтовой пресс производительностью 115 т целлюлозы в сутки состоит из конического червяка общей дли- ной 3,35 м и диаметром 450 мм, вращающегося со скоростью 55 мин –1 в цилиндрической перфорированной стальной трубе с отверстиями диаметром 2,15 мм. Концентрация массы, поступающей в винтовой пресс, составляет 11–12%, а выходящей массы – 38–40%. Однако промежуточное разбавление массы внутри пресса ведет к снижению пропускной способности. Однозонный винтовой пресс имеет производительность в 2 раза большую по сравнению с двухзонным таких же размеров. Схема про- мывки в однозонных винтовых прессах строится по принципу проти- вотока как и на барабанных фильтрах. Предварительно масса обезво- живается на барабанном сгустителе без промывки. Масса, разбавлен- ная в нижнем конусе выдувного резервуара до 3,5%, перекачивается 87 на сгуститель. Концентрация массы повышается до 10% и поступает в приемную воронку первого винтового пресса. Проходя последова- тельно все винтовые прессы, масса отжимается в каждом из них до концентрации 35–40%, а в промежуточных винтовых конвейерах раз- бавляется фильтратом следующей стадии промывки. Перед послед- ним прессом масса разбавляется горячей водой. Щелок, подаваемый на варку и на регенерацию, отбирается только со сгустителя. В щело- ке, отжимаемом винтовыми прессами, содержится до 0,5% волокна, поэтому в щелочных баках устанавливают мешалки; заботиться об улавливании этого волокна не нужно, так как щелок с прессов на вар- ку не подается. Потери щелочи на 1 т целлюлозы при трехступенчатой промывке составляют около 40 кг Na 2 SO 4 , при четырехступенчатой – 30, а при пятиступенчатой – около 25 кг [16]. При проходе через винтовой пресс масса подвергается сильному прессованию. Обработка в таком прессе может влиять на механиче- ские качества целлюлозы и вызывать скручивание волокна. Возмож- но, что именно это обстоятельство послужило причиной того, что винтовые прессы не получили широкого распространения. |