ВВЕДЕНИЕ

В современных целлюлозных заводах бойлер для регенерации химических растворов является наиболее дорогостоящим аппаратом. Черный отработанный варочный раствор и коричневый раствор, получаемый при промывке бумажной массы, в бойлере подвергают упариванию до получения содержания твердых веществ 55— 65 %, а затем распыляют и сжигают. В результате выделяется тепло и получаются химические соединения, входившие в состав растворов.

Рассмотренный в курсовой работе процесс предназначен для извлечения химических соединений из отработанных сульфатных растворов для варки целлюлозы и из сточных вод процесса отбеливания.

Глава 1. ПРОИЗВОДСТВО СУЛЬФАТНОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ

Общая схема производства сульфатной целлюлозы. Начало щелочным методам варки положило применение в 1853—1854 гг. едкого натра (натронной щелочи NаОН) для варки соломенной и древесной целлюлозы. В 1879 г. немецкий инженер Даль предложил потери щелочи в натронно-целлюлозном производстве возмещать добавкой в систему регенерации дешевого сульфата натрия N82504 взамен дорогостоящих кальцинированной №2СОз или каустической соды.

Полученный в результате варочный раствор наряду с едким натром содержал значительное количество сернистого натрия Ма25, благоприятно сказавшегося на выходе и качестве целлюлозы. Новый метод варки получил название сульфатного. Схема производства сульфатной целлюлозы и состав сульфатцеллюлозного завода показаны на рис. 1.

Щепа, подготовленная в ДПЦ для производства целлюлозы, поступает в варочный цех, где она варится с варочным щелоком в котлах периодического или непрерывного действия при температуре 165—178°С и давлении 0,7—1,2 МПа. После варки целлюлозная масса в промывном цехе отделяется от отработанного щелока и промывается, очищается в очистном цехе и направляется на обезвоживание и сушку в сушильный цех или же на отбелку в отбельный цех, а затем в сушильный. Отработанный щелок направляется в цех регенерации для регенерации щелочи и получения варочного щелока. Переработка побочных продуктов сульфатной варки осуществляется в специальном цехе.

называют общей щелочью

Сумму всех солей натрия, имеющихся в белом щелоке, называют всей щелочью.

Практическое значение имеют следующие характеристики белого щелока, %:

(ед. N аОН).

Задача, химизм и механизм варки. Задачей варки является более полное выделение целлюлозного волокна из древесной ткани в неповрежденном виде. Выделение целлюлозного волокна из древесной ткани основано на том, что лигнин, вследствие наличия в нем разнообразных реакционно-активных функциональных групп, более легко поддается разрушительному действию щелочных, кислотных и окислительных химических реагентов по сравнению с целлюлозой и гемицеллюлозами. Кроме того, характер распределения лигнина в древесной ткани способствует защите целлюлозы от реагентов до момента удаления его основной массы, после чего целлюлоза становится более доступной действию реагентов и также начинает разрушаться. По мере уменьшения содержания лигнина в клеточной стенке скорость его удаления замедляется, а скорость разрушения целлюлозы увеличивается и может достичь скорости удаления лигнина. Момент равенства наступает при достижении содержания лигнина в клеточной стенке 1—2 % по отношению к начальному содержанию в древесине. Очевидно, что дальнейшее продолжение варочного процесса приводит лишь к значительному разрушению целлюлозы и ухудшению ее свойств. Поэтому варку заканчивают до достижения указанного момента, обычно руководствуясь заданной жесткостью (остаточным содержанием лигнина) получаемого волокнистого полуфабриката.

Многообразие связей в полимолекуле лигнина, возникающих между отдельными структурными элементами при образовании его полимолекулы, обусловливает их различную устойчивость к действию химических реагентов. Для действия водных растворов щелочей и кислот при повышенной температуре наиболее уязвимы преимущественно простые эфирные связи р—0—4, по которым полимолекулы лигнина распадаются на отдельные фрагменты, способные растворяться и переходить из клеточной стенки в варочный раствор. Такой тип реакций относится к реакциям гидролитической деструкции, обусловливающим растворение и удаление лигнина.

В образующихся фрагментах освобождаются фенольные гидро-ксильные группы и появляются активные группировки бензилового спирта со свободным фенольным гидроксилом, которые способны к реакциям конденсации лигнина (объединению фрагментов лигнина между собой) под действием тех же катализаторов — кислот и щелочей. Реакции конденсации приводят к образованию новых прочных углерод-углеродных связей, увеличивающих молекулярную массу лигнина и резко снижающих его растворимость и реакционную способность.

Повышение температуры и концентрации щелочи или кислоты усиливает реакции конденсации, которые при высокой температуре становятся преобладающими над реакциями гидролитической деструкции лигнина. Следовательно, в противоположность реакциям гидролитической деструкции реакции конденсации препятствуют растворению. и удалению лигнина в сульфитных варочных процессах. (сульфонирование), проникающих в толщу клеточных стенок к активным группам лигнина с варочным раствором, начинается и продолжается в твердой фазе.

)

(Этому способствуют высокая концентрация активных реагентов в исходном варочном растворе и умеренная температура в начале варки. Достигнув определенной степени сульфидирования (сульфонирования), лигнин начинает растворяться и переходить в варочный раствор. Интенсивному удалению лигнина из древесной ткани способствует высокая температура варки, которая в этот момент достигает своего максимального значения. На более ранних стадиях варки лигнин удаляется преимущественно со вторичной стенки, а затем происходит удаление лигнина межклеточного вещества. К концу варки лигнин межклеточного вещества почти полностью растворяется, древесная ткань распадается на отдельные клетки, в стенках которых еще остается некоторое количество лигнина — остаточный лигнин [3, 5].

Целлюлоза и гемицеллюлозы не остаются безучастными в варочных процессах. Гемицеллюлозы большей частью (особенно легкогидролизуемые) разрушаются и переходят в варочный раствор . Частично также разрушается и целлюлоза, но варку всегда стремятся вести так, чтобы она выделялась полнее и в менее поврежденном виде. В целлюлозах, предназначенных для производства бумаги, стремятся по возможности больше сохранить гемицеллюлозы .

Влияние основных факторов на сульфатную варку. Под факторами понимают физические величины, свойства растворов и сырья, изменением которых можно управлять скоростью делигнификации и качеством получаемого полуфабриката. К основным факторам варки относятся: температура; расход активной щелочи на варку и концентрация ее в варочном растворе; сульфидность белого щелока; порода и качество древесины.

Температура варки — это легко изменяемый и наиболее действенный фактор, влияющий на скорость делигнификации и, следовательно, определяющий продолжительность варки. В практике руководствуются следующим правилом: при повышении температуры варки на каждые 10°С продолжительность варки до одинакового выхода полуфабриката из древесины сокращается вдвое. Интервал температур, используемый при сульфатных варках, равен 165—185 СС. Температура ниже этого интервала существенно удлиняет варку, а выше — значительно снижает выход и качество целлюлозы.

Однако для нормального хода варки необходимо иметь избыток щелочи, Составляющий 50—100 % теоретически необходимого. Увеличение степени делигнификации требует повышения расхода щелочи (табл. 3).

Повышение расхода щелочи в 2 раза в интервале выходов 40— 50% сокращает продолжительность варки до одинаковой степени делигнификации вдвое.

Расход активной щелочи на варку А , кг, в расчете на 1 т воздушносухой целлюлозы (в. с. ц.) определяется по формуле

% массы а. с . древесины;

Ь — выход целлюлозы по варке, %; 880 — содержание абсолютно сухой целлюлозы, кг, в 1 т в . с. ц.

или 40 — 80 г/л NаОН. Увеличение концентрации щелочи вдвое, также, как и ее расхода, сокращает продолжительность варки до одного и того же выхода вдвое. Одновременное увеличение и расхода и концентрации щелочи сокращает продолжительность варки до достижения одинаковой степени делигнификации примерно в 4 раза.

Сульфидность белого щелока в пределах 16—40 % положительно сказывается на результатах варки. Увеличение сульфидности ускоряет варку, повышает прочность и равномерность провара целлюлозы, уменьшает содержание в ней остаточного лигнина.

Порода и качество древесины оказывают непосредственное влияние на сульфатную варку. Из ели и сосны получается примерно равноценная по качеству сульфатная целлюлоза, но выход целлюлозы из ели на 1—1,5 % выше. Выход целлюлозы из березовой древесины на 1—2 % выше, чем из еловой, а из осины несколько ниже, примерно на 2 %, что объясняется различной объемной массой древесины и химическим составом.

Варка целлюлозы в котлах периодического действия. Периодический метод варки сульфатной целлюлозы осуществляют в стационарных вертикальных котлах вместимостью 100, 125, 160 и 200 м3, изготовляемых из мягкой котельной стали. Внутренние стенки котлов облицованы нержавеющей сталью, а наружные для снижения потерь тепла покрыты изоляцией толщиной-75—100мм. Схема стационарного варочного котла, оборудованного системой принудительной циркуляции щелоков и непрямого обогрева, показана на рис. 7.

Варочный котел представляет собой цилиндрический сосуд, переходящий с обеих сторон в конусообразное сужение, заканчивающееся вверху загрузочной горловиной диаметром 800 мм, внизу — выгрузочной диаметром 700 мм. Диаметр цилиндрической части котлов 3600—4500 мм, общая высота 13 300—16900 мм. Котлы отличаются вместимостью и системами принудительной циркуляции. На рис. 7 показан котел, оборудованный системой Шауфельбергера— Эско. Штуцера для забора щелоков располагают в середине цилиндрической части, где, во избежание попадания во всасывающие трубопроводы щепы, устанавливают пояс сит с отверстиями 6—9 мм. Обратно в котел щелок подают в верхнюю и нижнюю конусные части. Циркуляционный насос должен обеспечивать 9—15-кратный обмен щелока в котле за время заварки, или 1/10 объема котла в ми-НУТ У- Для эффективного нагрева щелоков, необходимо, чтобы на 1 м3 объема котла приходилось 0,9—1,4 м2 греющей поверхности подогревателя.

Загрузка котла щепой. Щепу загружают в котел из бункеров, расположенных над котлами, или из наземных складов. Для облегчения высыпания щепы из бункеров на их нижней, конусной части устанавливают вибраторы. Из наземных складов щепу непосредственно в котлы подают ленточными транспортерами. Как в первом, так и во втором способе загрузки щепа в котел насыпается свободно. Плотность насыпки щепы в котел характеризуется степенью заполнения, показывающей, какой объем древесины в плотных м3 содержится в 1 м3 вместимости котла. При свободной загрузке щепы в котел степень заполнения составляет 0,3—0,35. Чем больше степень заполнения, тем выше выход целлюлозы с 1 м3 котла за варку и, следовательно, выше производительность котла. Поэтому степень заполнения всегда стремятся повысить. Для этого пользуются специальными приемами: применяют паровые уплотнители или же чаще всего проводят пропарку щепы паром и поливку ее белым щелоком. Для этого одновременно с загрузкой щепы в нижнюю часть котла подают пар, а сверху через циркуляционные спрыски—щелок. Таким образом, степень заполнения повышается до 0,4—0,43, кроме того, прогрев щепы обеспечивает удаление из нее части воздуха и повышение температуры содержимого котла, ускоряющие последующую пропитку щепы варочным щелоком и саму варку.

C такой концентрации начинается варка. В практике в котел стремятся равномерно и одновременно закачивать белый и черный щелоки. Начальный рН щелока находится в пределах 12—13. При периодической сульфатной варке варочные котлы не заполняются щелоком полностью под крышку. Общий объем щелоков в котле по возможности должен быть меньшим, что сокращает расход пара на варку и выпарку щелоков. Для современных варочных котлов, оборудованных мощными циркуляционными системами с непрямым нагревом щелоков (через подогреватели), объем жидкости на 1 м3 котла в момент варки может быть принят 500—600 л.