Описание технологической схемы периодической варки сульфатной целлюлозы

 

 

 

                                                                                                                                          

Содержание

 

 

 

                                                              Введение

         Сульфатный процесс (крафт-процесс) - один из ведущих промышленных

методов щелочной делигнификации древесины с целью получения целлюлозы. Основная стадия этого термохимического процесса, сульфатная варка, заключается в обработке древесной щепы водным раствором, содержащим гидроксид и сульфид натрия. Целлюлозу, производимую сульфатным методом, называют сульфатной целлюлозой. Своё название - «крафт-процесс» - сульфатная варка получила от немецкого слова Kraft, означающего в переводе «сила» - длинноволокнистая сульфатная целлюлоза отличается повышенными механическими характеристиками.

Начало использования щелочной варки с использованием гидроксида натрия для производства целлюлозы датируется 1853—1854 годом. В 1879 году немецкий инженер Даль предложил добавлять в систему регенерациищёлочи сульфат натрия (Na2S04). В результате этого нововведения варочный раствор стал содержать значительное количество сульфида натрия (Na2S), что положительно сказалось на выходе и качестве получаемой целлюлозы. Изобретение в 30-ых годах XX века Томлинсоном регенерационного котла явилось одним из решающих факторов продвижения и дальнейшего технологического развития сульфатного процесса.

Длительное время ведущей технологией производства целлюлозы был сульфитный процесс, при этом доля сульфатного метода в мире оставалось довольно низкой (25 % в 1925 году), что связано, преимущественно, с коричневым цветом получаемого в результате волокнистого полуфабриката. Начиная с 60-ых годов XX века, темпы роста сульфатного процесса превысили рост сульфитного производства. Постепенно рост потребления высокопрочных сортов бумаги и картона (картон для плоских слоёв, бумага для гофрирования, мешочная бумаги и пр.), а также развитие и совершенствование процессов отбеливания привело к доминированию

 

 

крафт-процесса.

Первым производителем сульфатной целлюлозы в Северной Америке стала компания Brompton Pulp and Paper Company, открывшая завод в 1907 году в Канаде.

Первыми сульфатными заводами в Российской Империи стали производства для варки соломы, запущенные в 1910 году в Понинках и Пензе. Во время первой мировой войны на Урале был построен первый завод по выпуску сульфатной целлюлозы из древесины. В Советской России

активный рост целлюлозно-бумажного производства пришёлся на

 

предвоенные годы. С 1935 по 1939 гг. были запущены крупные

промышленные предприятия: Соломбальский, Марийский и Сегежский ЦБК.

По итогам 2010 года, крупнейшими компаниями в России по выпуску сульфатной целлюлозы являются Группа «Илим», Монди Сыктывкарский ЛПК и Соломбальский ЦБК.

Цель данной работы - рассмотрение процесса периодической варки сульфатной целлюлозы.

Основными поставленными задачами данной работы являются:

1. Ознакомится с технологической схемой периодической варки сульфатной целлюлозы
2. Рассчитать материальный баланс, а так же произвести расчет и выбрать необходимое оборудование.
3. Рассмотреть проблемы экологии, возникающие при этом

      технологическом процессе, и пути их решения               

 

 

 

 

 

 

1. Общая схема производства сульфатной целлюлозы. Общая схе5ма производства изображена на рисунке 2.1.

Рисунок 1. Общая технологическая схема производства сульфатной

целлюлозы.

Блок I. Подготовка древесины: 1 - склад балансов; 2 - древесно- подготовительный цех; 3 - щепа.

Блок II. Варка и обработка целлюлозы: 4 - варочный цех; 5 - белый щелок; 6 - целлюлоза и черный щелок; 7 -промывной отдел.

Блок III. Переработка щелоков: 8 - черный щелок; 9 - выпарной цех; 10 - концентрированный черный щелок; 11 - содорегенерационный котлоагрегат, 12 - водяной пар к турбинам; 13- газообразные продукты сгорания (дымовые газы); 14 - дымовые трубы; 15 - содовый плав; 16 - растворитель плава; 17 - зеленый щелок; 18 - цех каустизации; 19 - жженая известь; 20 - известковый шлам; 21 - цех обжига извести; 22 - дымовые газы.

 блока, выделенных на схеме  пунктиром: подготовка древесины; варка  и обработка целлюлозы;

переработка щелока, регенерация химикатов, утилизации органических веществ.

Подготовка древесины осуществляется на лесной бирже и в древесно- подготовительном цехе. Если на предприятие поступает древесина в виде

бревен, то подготовка включает следующие основные операции: приемку,

 

раскряжевку, окорку, складирование, рубку, сортирование щепы и ее подачу на варку.

 

Из специфических особенностей операций, связанных со способом варки, следует отметить следующие. При всех щелочных способах делигнификации, к которым относится и сульфатный способ, высокая смолистость древесного сырья не является помехой, так как значительная часть смолы при варке переходит в раствор. Даже очень смолистая древесина (сосна, кедр) может перерабатываться без существенных трудностей. Поэтому нет необходимости в длительном выдерживании и хорошем проветривании древесины на лесной бирже. Это позволяет при выборе вариантов устройства биржи отдавать предпочтение кучевому способу хранения балансов или хранению в виде куч щепы.

Варка и обработка целлюлозы включает следующие операции: варку;

отделение черного щелока и промывку целлюлозы; сортирование целлюлозы.

Варка целлюлозы - это обработка древесины раствором реагентов

(варочным раствором) при высокой  температуре в варочных котлах

периодического действия. Активными компонентами варочного раствора

являются гидроксид натрия NaOH и сульфид натрия Na2S. Эти компоненты

поступают с белым щелоком из цеха каустизации. Варочный процесс

заключается в разрушении и переводе в раствор большей части лигнина. Под

 

действием щелочи разрушается и переходит в раствор также и часть полисахаридов. В самом общем виде протекающие при варке процессы можно представить схемой:

NaOH,Na2S

Д >Ц + (opr.,S), (1)

где Д - древесина; Ц - техническая целлюлоза; (opr.,Na,S) - органические вещества (продукты деструкции лигнина и полисахаридов), а также содопродукты и серосодержащие соединения (как органические, так и минеральные). Образовавшийся раствор имеет очень темную окраску (при разбавлении - красно-коричневую), за что и получил название «черный щелок».

Отделение черного щелока от целлюлозы производится в промывном отделе варочного цеха. Здесь продукты варки разделяются на два крупных потока: поток целлюлозы и поток щелока. Освобожденная от щелока и промытая водой целлюлоза подвергается очистке от крупных древесных частиц - непровара, пучков волокон, мелкого сора и других загрязнений. Часть из них (непровар, пучки волокон) перерабатывается в волокнистые полуфабрикаты, другая часть (точечный сор, минеральные загрязнения) удаляется без переработки. Полученная после очистки целлюлоза готова к использованию для выработки бумажной и картонной продукции, от которой не требуется высокой белизны: мешочной бумаги.

Переработка щелока включает решение двух задач:

• регенерацию содопродуктов и серы и их возможно более полное возвращение в варочный цех в виде белого щелока;
• утилизацию органических веществ.

Обе задачи решаются путем сжигания предварительно сконцентрированного черного щелока. Блок технологических процессов переработки щелока включает следующие операции:

• упаривание черного щелока;
• сжигание черного щелока с утилизацией тепла; 
  

• растворение образовавшегося содового плава с получением зеленого щелока;
• каустизацию карбоната натрия оксидом кальция;
• регенерацию оксида кальция из известкового шлама.

Упаривание черного щелока проводится с целью удалить избыточную

воду и сделать щелок пригодным для сжигания. Концентрация сухих веществ в черном щелоке, поступающем на регенерацию из варочного цеха, обычно не превышает 18%. Для, успешного сжигания его необходимо упарить до концентрации 55-65%.

Сжигание упаренного щелока осуществляется в топке содорегенерационного котлоагрегата (СРКА). СРКА - это паровой котел, отличающийся от обычных энергетических котлоагрегатов конструкцией топки, приспособленной для сжигания высокозольного и очень влажного жидкого топлива, каким является черный щелок. Основные химические процессы протекают в топке СРКА, куда впрыскивается через форсунки щелок, а также подается воздух, необходимый для горения. Попавший в горячую топку щелок быстро теряет влагу, органическая часть сгорает. Продуктами полного сгорания являются вода и диоксид углерода. Часть органических веществ первой стадии сжигания пиролизуется с образованием углерода. Основная часть содопродуктов и серы на этой стадии превращаются в карбонат и сульфат натрия. Общая схема реакций, протекающих в процессе горения, может быть представлена упрощенной

брутто-схемой:      02 1200°с

         С(Орг., Na, S) — ---- > Н20 + С02 + Na2C03 + Na2S04 (2)

Во второй фазе реакций образовавшийся сульфат восстанавливается с углеродом до сульфида натрия:

Na2S04 + 2С Na2S + 2С02 (3)

Остальная часть углерода, образовавшегося при пиролизе, сгорает, окисляясь до С02. В результате этих процессов а топке котлоагрегата

образуется горячая парогазовая смесь (дымовые газы) и зольный остаток (минеральный или содовый плав).

Основными компонентами дымовых газов являются: пары воды - как поступившие с черным щелоком, так и образовавшиеся в результате реакции по схеме (2); диоксид углерода, образовавшийся как при горении органических веществ щелока, так и при восстановлении сульфата; азот и остатки кислорода, поступившие в топку с воздухом. Дымовые газы уносят из топки основное количество выделившегося при горении тепла. Это тепло

используется для выработки водяного пара высоких параметров в фестонной

и кипятильной части коглоагрегата, для нагревания воды и воздуха в

экономайзерах. Водяной пар направляется к турбинам для конверсии тепла в

электроэнергию, а дымовые газы после тщательной очистки выбрасываются в атмосферу через дымовую трубу.

Зольный остаток в топке представляет собой смесь, главным образом, карбоната и сульфида натрия (N2СОз и Na2S). Температура плавления этой смеси около 800 °С, то есть ниже температуры в топке СРКА. Поэтому зольный остаток собирается на поду толки в виде смеси расплавленных солей (так называемый содовый плав).

Растворение содового плава происходит в растворителе плава. Расплавленные содопродукты стекают из топки СРКА в растворитель плава (бак с интенсивной мешалкой) и растворяются в воде или, как это чаще делается в производственных условиях, в слабом белом щелоке. Образовавшийся раствор имеет зеленоватую окраску, которую ему придают соли железа, поэтому получил название «зеленый щелок». Из двух основных компонентов зеленого щелока один - сульфид натрия - является активным компонентом варочного раствора. Другой компонент - карбонат натрия (техническое название «кальцинированная сода») - должен быть превращен в гидроксид натрия (технические названия «каустическая сода», «каустик»). Процесс превращения называется каустизацией, он осуществляется в цехе каустизации. 

Процесс каустизации оксидом кальция (техническое название «жженая известь») может быть представлен двумя реакциями:

СаО + Н20 Са(ОН)2; (4) Na2C03 + Са(ОН)2«-> 2NaOH + СаС03 4 (5)

Сульфид натрия в цехе каустизации не претерпевает никаких изменений. Продуктом каустизации является белый щелок - раствор гидроксида и сульфида натрия. Карбонат кальция выпадает в осадок и отделяется от белого щелока в виде известкового шлама, после чего белый щелок направляется в варочный цех. Этим замыкается цикл регенерации

содопродуктов и серы.

Известковый шлам не относится к числу дорогостоящих сырьевых ресурсов, однако практиковавшееся раньше удаление его в отвал считается сейчас совершенно неприемлемым из-за загрязнения больших территорий. Все современные предприятия регенерируют известь из известкового шлама путем обжига. При температуре выше 1000 °С карбонат кальция разлагается по эндотермической реакции:

СаС03 СаО + С02, (6) и образовавшийся оксид кальция может быть возвращен в цех каустизации, замыкая еще один технологический цикл. Операцию обжига производят в известерегенерационных печах. На технологической схеме показана туннельная вращающаяся печь. Источником тепловой энергии служит вводимое в печь топливо: жидкое (нефть, мазут) или газообразное (природный газ, генераторный газ). Для поддержания горения подается воздух. Дымовые газы, состоящие, главным образом, из азота, диоксида углерода, остаточного кислорода и паров воды, после тщательной очистки выбрасываются в атмосферу через дымовую трубу.

Характерной особенностью рассматриваемой схемы производства

сульфатной целлюлозы является ее замкнутость по расходуемым реагентам.

Около половины перерабатываемой древесины превращается в техническую

целлюлозу. Остальная часть древесного вещества в виде растворенных