Автор работы: Пользователь скрыл имя, 08 Сентября 2014 в 09:47, курсовая работа
Целлюлоза (лат. cellula клетка) - клетчатка, основное вещество, из которого построены стенки клеток древесины, имеет волокнистую структуру, в чистом виде она белого цвета, без запаха, не растворяется в воде, спирте, ацетоне, эфире и других органических растворителях.
Целлюлоза — это высокомолекулярный полисахарид, имеющий общую формулу (С6Н10О5)n, которую, принимая во внимание три активных гидроксила в каждой структурной ее единице, можно записать в виде [С6Н7О2(ОН)3]n. Молекулы целлюлозы построены в виде цепей.
Состав отработанного варочного щелока:
Концентрация сухих веществ составляет 9 - 13 %.
Зольность сухого остатка для Ca-основания ~10 %, для Mg ~7-8 %, Na ~11 %, NH4 ~2-3 %.
Органическая часть состоит из лигносульфонатов (60 - 65 %), простых сахаров (25-28 %), летучих органических веществ ~2 %.
Количество простых сахаров от древесины 12 - 15 %, редуцирующих сахаров (РВ) от массы всего отработанного щелока 2,5 - 3 %, уксусной кислоты 0,3- 0,4 %, альдоновых кислот 6,5 - 8,5 г/л, метилового спирта 0,3 - 0,6 г/л.
Сбраживаемых сахаров при варке хвойной древесины от всех РВ 65 -67 %, несбраживаемых 33 - 35 %.
При варке лиственной древесины несбраживаемых 85 - 90 % (пентозных сахаров), гексозных 10-15 %.
Сахаров в щелоке от варки лиственных пород 3,5 -4 %, уксусной кислоты 1,2 - 1,5 %.
При бисульфитной варке и выходе целлюлозы 60 % количество РВ составляет 14 - 15 % от органических веществ в щелоке, при выходе ~75 % около 10-12 %.
Прочносвязанной серы 45 - 60 %, легкоотщепляемой 25 - 30 %, тиосульфатов, политионатов, сульфитов ~14 - 20 % от общего содержания серы в щелоке.
Плотность отбираемого щелока ~1,035 - 1,055 т/м3.
Щелока выпаривают, используют в виде лигносульфонатов или сжигают для регенерации SO2 и оснований. [2]
Задачей подготовки сульфитных щелоков к биохимической переработке, как и подготовки гидролизата, является полное превращение сахаров в моносахариды — питательные продукты для микроорганизмов — и создание среды, обеспечивающей возможность их активной жизнедеятельности. Сюда включаются операции по удалению избытка диоксида серы из щелока, его нейтрализации и обогащению питательными солями.
Подготовка щелока осуществляется следующим образом: щелок с целлюлозного завода собирается в сборнике сырого щелока. Затем, подогретый в теплообменнике до 95...97 °С, он подается в специальную колонку, где продувается паром. Обработкой щелока паром достигается извлечение S02 (до 50 % общего содержания S02 в щелоке) и одновременное его облагораживание за счет удаления летучих компонентов (фурфурола и др.). Расход пара составляет 40...50 кг/м3 щелока. Для удаления избытка сульфата в щелоках на растворимых основаниях после обработки паром щелок окисляют кислородом воздуха, продуваемым через него в окислительном баке. Затем щелок поступает в нейтрализатор, где нейтрализуется известковым молоком вначале до рН 3,5. В емкостях-выдерживателях завершается процесс нейтрализации и происходит укрупнение частиц СаС03 (шлама), которые затем легче осаждаются и удаляются при осветлении щелоков в отстойниках. Минеральные питательные вещества - раствор хлористого калия и вытяжку суперфосфата, необходимые для жизнедеятельности дрожжей, добавляют в выдерживатель. Осветленный щелок до температуры 35...37 °С охлаждается в теплообменниках, нейтрализуется 25 %-ным раствором аммиака до рН 4,0...5,5, одновременно обогащаясь азотным питанием, и поступает в сборник щелока. Подготовленный таким образом щелок, имеющий указанные параметры и обогащенный питательными солями, готов к биохимической переработке. Подобно гидролизату, в гидролизном производстве его называют суслом или субстратом.
Биохимическая переработка гидролизата и сульфитных щелоков ведется одинаково и заключается в использовании микроорганизмов для получения кормовых белковых дрожжей, этилового спирта и углекислоты, средой жизнедеятельности которым служит сусло.
Производство белковых дрожжей: В основе производства кормовых белковых дрожжей лежит процесс выращивания одноклеточных микроорганизмов - дрожжеподобных грибков, или дрожжей. Рассмотрим основные факторы, обеспечивающие требуемое направление жизнедеятельности дрожжей и их максимальный выход.
Состав сред: для выращивания в промышленности применяются три вида гидролизных сред: гидролизат, сульфитный щелок, сульфитноспиртовая барда. Они служат источником основной составной части дрожжей - углерода. В процессе жизнедеятельности дрожжи усваивают углерод из таких входящих в состав гидролизных сред соединений, как сахара и органические кислоты (главным образом уксусная). Основное различие между этими средами заключается в количестве содержащихся в них питательных веществ и в соотношении сахара (РВ) и органических кислот. Так, в гидролизате содержится З...3,5 % РВ и только 0,3...0,45 % органических кислот. В барде содержится РВ 0,6...0,7, органических кислот
- около 0,2 %. Состав сахаров сульфитных щелоков, барды и гидролизата также различен. В барде содержатся только пентозные сахара, в гидролизате и щелоке около 20 % сахаров составляют пентозы, около 80 % гексозы.
Для нормального развития дрожжей на какой-либо питательной среде необходимо, чтобы эта среда содержала источники всех элементов, которые входят в состав дрожжевой клетки. Поэтому все питательные среды обогащаются такими элементами питания, как азот, фосфор, калий, магний и т. д. Все элементы задаются в виде солей в определенном количестве. Для обеспечения 50 %-ного выхода дрожжей от РВ следует задать не менее 4 % азота и 2 % P2Os от РВ или с учетом необходимого избытка -5 % азота и 2,5 % P2Os от РВ сусла. Соли дозируются в сборник сусла или ино-куляторы в виде водного раствора, в котором отдельные элементы находятся в том соотношении, в каком их надо задать для дрожжей.
В гидролизной промышленности используют следующие химикаты-источники питательных солей: аммиачную воду (с содержанием азота 16...20 %); сульфат аммония (с содержанием азота 20 %); диаммонийфосфат (с содержанием 50 % усвояемой Р205 и 13,5 % азота); суперфосфат (19...20 % Р205); хлористый калий (61 % калия в пересчете наК20).
Кислотность среды: оптимальным рН, при котором дрожжи, быстро развиваясь, дают высокий выход биомассы, принимается 3,8.. .4,6.
Температура: оптимальная температура выращивания дрожжей зависит от их расы. Для принятых в промышленности культур она находится в пределах, °С: Candida scottii 37.38; Candida tropicalis 34...36; Candida utilis 30...32.
Время роста: время роста дрожжевой клетки определяет выход дрожжей от РВ и производительность инокулятора. При соблюдении режима, отвечающего поддержанию оптимальных параметров, для удвоения биомассы дрожжей достаточно 2 ч. Практически на гидролизных средах время роста дрожжей находится в пределах 3,5...5 ч, меньшее значение для выращивания на средах с содержанием РВ < 1 % и большее при выращивании на средах с РВ 2...3 %.
Расход воздуха и производительность инокулятора: Воздух является источником кислорода и одновременно служит для перемешивания содержимого инокулятора. В промышленности расход воздуха принят около 25 м3 на 1 т товарных дрожжей. На заводах эта цифра колеблется от 17 до 40 м3/т.
Инокуляторы с аэрлифтной системой распределения воздуха обеспечивают высокую производительность. В промышленности достигнута выработка товарных дрожжей на инокуляторах вместимостью 320 м3 5 т в сутки, а на инокуляторах вместимостью 600 м3 9... 10 т в сутки.
Производство этилового спирта и углекислоты: Этиловый спирт получают переработкой гидролизатов и сульфитных щелоков от варок древесины хвойных пород, содержащих гексозные (сбраживаемые) моносахариды. Спиртовое брожение осуществляется с помощью фермента зимазы (спиртообразующих дрожжей), расщепляющего гексозные сахара до этилового спирта и углекислого газа:
C6H1206->2C2H5OH + 2С02
Из суммарной реакции спиртового брожения следует, что из 110 кг гексоз может быть получено 51,14 кг этилового спирта или при плотности спирта 0,792 г/см3 и температуре 15 °С- 69,34 л. Реальный же выход вследствие побочных реакций не превышает 61л (по бражке). При этом в бражке наряду с этиловым содержится от 4 до 7 % метилового спирта. Брожение ведут непрерывным методом при температуре 32...35 °С в бродильной батарее, состоящей из двух параллельно работающих головных чанов и одного дображивающего (хвостового) чана. Вместимость каждого чана в среднем равна 300 м3. Для улавливания образующегося углекислого газа головные чаны закрывают.
При брожении сусло непрерывно подается сверху в головные чаны и смешивается в них с непрерывно поступающей дрожжевой суспензией. Концентрация дрожжей в этих чанах 15...20 г/л (в пересчете на прессованные). Бродящую жидкость из головных чанов непрерывно подают в дображивающий чан, в котором завершается процесс брожения, и далее на сепараторах отделяют дрожжи от сульфитно-спиртовой бражки, содержащей спирт в концентрации 1...1,3 %. Отделенную на сепараторах дрожжевую суспензию возвращают в головные чаны, сульфитно-спиртовую бражку направляют в брагоректификационное отделение. Продолжительность брожения 6...8 ч.
Отгонка и очистка спирта осуществляются в брагоректификационном отделении, где имеются перегонные и ректификационные колонны. В общем случае процесс представляется отгонкой спиртовой фракции (этиловый и метиловый спирт) паром в бражной колонне. Обесспиртованное сусло (спиртовая барда) поступает в дрожжевой цех, а спиртовой конденсат направляют в специальную колонну (эпюрационную) для удаления из него эфиров и альдегидов и затем направляют в спирторектификационные колонны. В этих колоннах этиловый и метиловый спирты разделяют, концентрируют, очищают и получают на выходе товарные продукты.
При спиртовом брожении образуется в качестве побочного продукта углекислый газ в количестве 96 % массы спирта. Этот газ улавливают и после очистки превращают в жвдкую или твердую углекислоту. Выход продукта составляет 50...60 % теоретического. Производство углекислоты высокорентабельно.
Выходящий из бродильных чанов газ собирают в газгольдере. Технология получения жидкой углекислоты включает операции чистки, компримирования и конденсации газа. Для очистки газ последовательно пропускают через ряд колонок, в которых окисляют разбавленным раствором КМn04 содержащиеся в углекислоте летучие органические вещества, промывают газ водой, обезвоживают его в слое древесного угля и освобождают от пахнущих примесей, сорбирующихся на активном угле.
Очищенный газ сжимают в компрессоре в три ступени, последовательно увеличивая давление до 490, 1770 и 7000 кПа, охлаждая в холодильнике и дополнительно очищая его после каждой ступени сжатия. Сухой углекислый газ, сжатый до 7000 кПа, охлаждают водой и при критической температуре 27,8 °С конденсируют в жидкость, которой заполняют баллоны. [1]
Целлюлоза после варки в своем составе содержит остатки от крупной непроварившейся щепы, сучки, пучки волокон, кусочки коры, случайные металлические включения, минеральные примеси в виде песка, кусочков цемента, керамики и пр. Загрязняющие целлюлозу вещества имеют различные размеры, форму и физические свойства. Количество сора зависит от качества щепы, породы древесины, способа варки, степени провара целлюлозы, метода обогрева варочного котла. Целлюлоза нормального выхода после варки и промывки подвергается сортированию и очистке без предварительного горячего размола, но желательно при этом сучки и непровар отделить от целлюлозы перед промывкой для повышения эффективности промывки. Целлюлоза высокого выхода и полуцеллюлоза после варки поступают на горячий размол и последующее грубое и тон-кое сортирование перед промывкой целлюлозы. Отходы сортирования дополнительно размалываются до 13-15 °ШР и поступают в поток массы перед первой ступенью сортирования. Грубое и тонкое сортирование осуществляется обязательно в две ступени, т.е. отходы от первой ступени разбавляются и направляются с меньшей концентрацией на вторую ступень сортирования. Хорошая масса от второй ступени присоединяется к отсортированной массе с первой ступени сортирования, а отходы от второй ступени идут на переработку. Двухступенчатое сортирование при грубом и тонком сортировании позволяет повысить выход хорошей массы и снизить количество соринок в целлюлозе первого сорта. Очистку целлюлозы от неволокнистых включений производят в 3-4 ступени на центробежных очистителях, т.е. отходы от первой ступени после разбавления поступают на вторую ступень, отходы от второй ступени – на третью ступень и т.д. С последней ступени центробежных очистителей отходы идут в сток, а очищенная масса на повторную очистку.
Для обессмоливания целлюлозы, что свойственно для кислых способов варки, применяют смолоотделители. Это сортировки, работающие при очень низкой концентрации массы (0,2-0,3 %).
Для грубого сортирования целлюлозы после варки используются сортировки, работающие при концентрации массы 2-4 % и имеющие отверстия размером от 4 до 10 мм. Чем выше требования к целлюлозе по сорности, тем меньше величина отверстий на поверхности сортирования.
При тонком сортировании сортировки работают при концентрации массы 1-3 %, а величина отверстий зависит от породы древесины. При сортировании хвойной целлюлозы, имеющей длину волокон (трахеид) 1,5-4,5 мм, величина отверстий составляет 1,5-3 мм, а при сортировании лиственной целлюлозы, у которой длина основных элементарных клеток (либриформов) составляет 0,5-1,5 мм, а длина клеток сосудов 0,3-0,7 мм, размеры отверстий сит находятся в пределах 1-2 мм.
Очистка целлюлозы от неволокнистых включений осуществляется на центробежных очистителях при концентрации массы 0,5-0,6 %. Масса под давлением 0,35-0,45 МПа по касательной подается в центриклинер, где она разделяется на два потока. Очищенный поток поступает на сгущение, а поток отходов, который составляет 15-25 % от поступившей массы, разбавляется оборотной водой и поступает на вторую ступень центробежных очистителей; отходы от второй ступени после разбавления поступают на третью ступень, и т.д. Обычно бывает 3 – 4 ступени очистителей. Отходы от последней ступени идут в сток, а очищенная масса в оборот на повторную очистку.
Допускаемое количество сора в целлюлозе зависит от марки вырабатываемой целлюлозы. В зависимости от этого находится количество отходов, выводимых при грубом, тонком сортировании и очистке целлюлозы. При сортировании и очистке целлюлозы после кислых способов варки количество отходов сортирования увеличивается до 7 - 7,5 % при выработке целлюлозы, предназначенной для отбелки с выводом мелкого волокна, составляющего около 3 %, на котором удерживаются частицы смолы. При кислых варках смола не растворяется в варочных растворах и имеет тенденцию скапливаться на мелком волокне. А без вывода мелкого волокна выход сортированной и очищенной целлюлозы составляет 94 - 96 %, т.е. количество отходов приближается к количеству отходов при сульфатной варке целлюлозы низкой и средней жесткости и составляет 4 - 6,5 %.
Качество сортирования и очистки определяется подсчетом количества соринок на 1 м2 целлюлозы. Размер соринок регламентируется ГОСТом на производимую целлюлозу.
Сортирование и очистка целлюлозы связаны с высоким разбавлением массы по потоку, поэтому экономия свежей воды должна быть обязательной. Отсортированная и очищенная масса идет на сгущение для того, чтобы возможно было ее аккумулировать, т.е. создавать запас в бассейнах на 4 - 16 ч работы последующих цехов. А для создания запаса массы даже при средней концентрации (8 - 12 % волокна) при 4-часовом запасе для завода, производящего 500 т/сут объем башни составит около 500 - 600 м3. При сгущении массы отделяется большой объем оборотной воды, содержащей волокно, в количестве 40 - 70 мг/л. Вода оборотная должна быть полностью использована по потоку для разбавления массы перед грубым, тонким сортированием и очисткой целлюлозы. Если ее недостаточно, то тогда добавляют свежую воду, а если избыток, то направляют в другие отделы для разбавления массы или промывки целлюлозы. Свежая вода всегда подается только на сгустители для промывки фильтрующей поверхности. [1]