Отбельный цех сульфитцеллюлозного завода

Отбельный цех сульфитцеллюлозного завода

Введение

Задача процесса отбелки целлюлозы - придание целлюлозе стабильного белого цвета и определённых физико-химических свойств в соответствии с её целевым назначением.

Сероватый оттенок небеленой сульфитной и бисульфитной целлюлозы обусловлен наличием в них лигнина в виде лигносульфоновых кислот, а также красящих веществ древесины, адсорбированного щелока, смолы. На цвет целлюлозы также влияет наличие в производственной воде и в варочной кислоте солей тяжелых металлов и, прежде всего солей железа.

Белизна небеленой сульфитной и бисульфитной целлюлозы составляет обычно 60-65% [1].

Отбелка целлюлозы достигается как путем обесцвечивания окрашивающих веществ, так и путем удаления их, главным образом лигнина, который для этого должен быть переведён в растворимое состояние. Причём речь идет об удалении лигнина, глубоко залегающего во внутренних слоях между пучками целлюлозных макромолекул, удалить который при варке без разрушения целлюлозы невозможно.

Применяемые способы отбелки целлюлозы различаются, в первую очередь по виду, применяемого реагента. Для отбелки целлюлозы используются элементарный хлор, гипохлориты кальция и натрия, хлориты, диоксид хлора, пероксида водорода.

Способы отбелки различаются также по характеру процесса (непрерывный или периодический) и по числу ступеней отбелки.

В настоящее время отбелка целлюлозы проводится комбинированным многоступенчатым методом с промывкой целлюлозы между ступенями, для удаления из массы продуктов реакции. Первая стадия отбелки проводиться с целью делигнификации целлюлозы. Вторая стадия - собственно отбелка (добелка) - осуществляется с помощью окислительных отбеливающих реагентов (гипохлорита, диоксида хлора, пероксида).

Современные многоступенчатые отбельные установки оснащены сложным высокопроизводительным оборудованием, управление которым требует оперативности и высокой квалификации обслуживающего персонала. Технология отбелки включает ряд химических и физико-химических процессов, которые должны быть четко взаимосвязаны между собой. В связи с этим отбельные установки являются высокоавтоматизированным участком в технологической схеме производства беленой целлюлозы.

Одной из основных задач процесса отбелки является максимальное удешевление его стоимости, что достигается снижением до минимума потерь целлюлозы при отбелке и выбор химикатов, позволяющих обеспечить требуемую степень белизны при минимальных затратах.

.       
Характеристика сырья и продукции

Таблица 1.1. Качественные показатели сульфитной небеленой целлюлозы из хвойной древесины (ГОСТ 6501-82)

Показатели	Норма
Механическая прочность при размоле в мельницах ЦРА: - разрывная длина не менее, м - излом не менее, ч.д.п.	7000 1000
Массовая доля смол и жиров не более, %	1,5
Массовая доля пентозанов не менее, %	-
Сорность - число соринок на 1 м2: - свыше 0,1 - 1,0 мм2 не более - свыше 1,0 - 2,0 мм2 не более	750 20
Влажность не более, %	20

Таблица 1.2. Качественные показатели сульфитной беленой целлюлозы из хвойной древесины (ГОСТ 3914)

ПоказателиНорма
Механическая прочность при размоле в мельницах ЦРА: - разрывная длина не менее, м - излом не менее, ч.д.п.	7500 500
Белизна не менее, %	86
Массовая доля смол и жиров не более, %	1,0
Массовая доля пентозанов не менее, %	-
Сорность - число соринок на 1 м2: - свыше 0,1 - 1,0 мм2 не более - свыше 1,0 - 2,0 мм2 не более	90 -
Влажность не более, %	20

Целлюлоза сульфитная беленая из хвойной древесины: используется для производства светочувствительной диазотипной бумаги, бумаги глубокой печати, чертежной, картографической, диаграммной, форзацной бумаги, пергамина упаковочного, бумаги-основы для обоев.

2. Выбор и обоснование технологической схемы отбелки целлюлозы

При выборе схемы и режима отбелки учитываются требования к качеству и назначению беленой целлюлозы, способ получения и степень делигнификации исходной целлюлозы.

Решающим фактором в выборе технологии является простота процесса, эксплуатационные расходы и капитальные затраты.

Для отбелки целлюлозы, предназначенной для производства различных видов бумаги и картона, применяются схемы комбинированной отбелки, позволяющие перевести в раствор остаточный лигнин, придать целлюлозе необходимые оптические свойства (белизну, стабильность белизны) при относительно невысоких потерях волокна и сохранении механических показателей.

Для отбелки сульфитной хвойной целлюлозы до белизны не менее 87% выбираем 4-ступенчатую схему отбелки Х+Д - Щ+П - Г - П - К.

Применение этой схемы объясняется особенностями сульфитной целлюлозы тем что в отличии от сульфатной, сульфитная целлюлоза легче отбеливается, процесс протекает быстрее. У сульфитной целлюлозы легче удалить лигнин. При хлорировании сульфитной целлюлозы может быть удалено 80 - 90% лигнина, содержащегося в небеленой целлюлозе.

На стадиях Х+Д и Щ идет делигнификация целлюлозы. С целью уменьшения деструкции волокна и интенсификации процесса хлорирование проводят смесью хлора и диоксида хлора с расходом диоксида хлора примерно 0,1% от волокна. После делигнификации целлюлозы идет добелка (собственно отбелка).

После делигнификации хлорно-щелочной обработкой в целлюлозе остается высококонденсированный лигнин, который можно перевести в раствор окислительной деструкцией гипохлоритом. Для этого используется гипохлорит кальция, как более дешевый и доступный реагент.

Пероксид водорода применяется на предприятиях на последних ступенях добелки, после стадий отбелки гипохлоритом и диоксидом, для дополнительного повышения белизны и стабильности белизны при сохранении механических показателей целлюлозы. Его окислительное действие при отбелке направленно только на остаточный лигнин, разрушение которого обеспечивает эффективное повышение белизны целлюлозы. Применение пероксида имеет большие преимущества и с точки зрения охраны окружающей среды, так как в сточных водах полностью отстутсвуют соединения хлора.

Кисловка является заключительной стадией многоступенчатой отбелки.

Назначение кисловки:

стабилизация белизны целлюлозы за счет боле полного удаления окрашенных продуктов;

нейтрализация избытка щелочи, если последняя ступень отбелки проходила в щелочной среде;

служит (антихлором), восстанавливая остатки активного хлора (после отбелки гипохлоритом и диоксидом) до HCI, а сернистая кислота при этом окисляется до серной кислоты.

H₂SO₃+CI₂+H₂O → H₂SO₄+HCI

Введение «антихлора» позволяет в нужный момент прервать отбелку, а именно окислительные процессы, ухудшающие качество целлюлозы, а восстановленный хлор легко отмывается от целлюлозы;

сернистая кислота восстанавливает карбонильные группы целлюлозы, образовавшиеся при отбелке и вызывающие пожелтение целлюлозы при хранении. Это повышает стабильность белизны целлюлозы;

кисловка снижает зольность целлюлозы.

Химические потери при многоступенчатой отбелке сульфитной целлюлозы для бумаги не превышают 6%. Промывка целлюлозы между ступенями отбелки производится на вакуум-фильтрах.

3. Описание технологической схемы

Технологическая схема получения хвойной беленой целлюлозы марки А приведена на рис 2.

В схеме предусмотрена 4-ступенчатая отбелка целлюлозы:

Х+Д - Щ+П - Г - П - К

Целлюлоза жидким потоком с концентрацией 3% подается в эжекторный смеситель (10), где смешивается с хлором и диоксидом хлора. Далее масса поступает в башню хлорирования (1), с ходом массы снизу вверх. На выходе из башни масса разбавляется оборотной водой до концентрации 2,5% и подаётся на вакуум-фильтр №1 (6) для промывки, где предварительно разбавляется до концентрации 2% и промывается теплой водой с температурой 40˚С и горячей водой с температурой 70˚С.

Оборотная вода с вакуум-фильтра №1 идёт в бак оборотной воды (9), откуда идёт в сток, т. к. вода после отбелки имеет тёмно-коричневый цвет. Промытая масса с концентрацией 12% поступает на двухвальный смеситель (7), где смешивается с раствором щелочи, пероксидом водорода и ПАВ. В смеситель подаётся: пар для нагрева массы до температуры 60⁰С. Из смесителя с помощью насоса высокой концентрации (8) масса подаётся в башню щелочения (2), с ходом массы сверху вниз. На выходе масса разбавляется оборотной водой до концентрации 2% подаваемой насосом из бака промывного фильтра, расположенного после ступени гипохлоритной отбелки. Далее масса насосом подаётся на вакуум-фильтр №2 (6) для промывки и сгущения. Для промывки на вакуум-фильтр подаётся свежая теплая и горячая вода. Оборотная вода с вакуум-фильтра идёт в бак оборотной воды (9), откуда направляется в сток. После промывки и сгущения масса подаётся в смеситель (7), где перемешивается с гипохлоритом и раствором щелочи. В смеситель также, подаётся пар для нагрева массы до температуры 35⁰С. Из смесителя с помощью насоса высокой концентрации масса, подаётся в башню гипохлоритной отбелки (3) с ходом массы сверху вниз.

После гипохлоритной отбелки масса разбавляется оборотной водой из бака (9) и перекачивается насосом на вакуум-фильтр №3 (6) где промывается теплой и горячей водой, после чего подается в смеситель (7). В смеситель, подается пар для нагрева массы до температуры 70ºС. Из смесителя с помощью насоса высокой концентрации масса, подается в башню добелки пероксидом водорода (4) с ходом массы сверху вниз. На выходе из башни масса разбавляется оборотной водой из отдела сортирования беленой целлюлозы и перекачивается насосом на вакуум-фильтр №4 (6). На вакуум-фильтр подаётся свежая вода для промывки. Оборотная вода с вакуум-фильтра идёт в бак оборотной воды (9), далее с помощью насоса подаётся на разбавление после гипохлоритной отбелки. В шнек вакуум-фильтра (6) подаётся водный раствор SO2 для кисловки массы. Кисловка массы протекает в бассейне высокой концентрации (5), куда масса подаётся насосом высокой концентрации (8). Далее масса на выходе из бассейна высокой концентрации разбавляется оборотной водой из отдела сортирования белёной целлюлозы до концентрации 3,5% и поступает на бумажное производство.

Рисунок 2 - Принципиальная схема отбелки целлюлозы по схеме Х+Д - Щ+П - Г - П - К

Таблица 3 - Режим отбелки целлюлозы

Ступень отбелки	Реагент	Расход, % от абсолютно сухого волокна	Потери волокна, %	Концентрация массы, %	Температура, 0С	Продолжительность, мин.
Хлорирование (Х+Д)	Cl2 ClO2	3.5 0.5	3.0	3	20	60
Щелочная обработка Щ+П	NaOH H2O2	1.5 0.5	1.0	12	60	60
Гипохлоритная отбелка (Г)	Cl2 NaOH	2.0 1.0	1.5	12	35	180
Отбелка пероксидом (П)	NaOH Na2SiO3 H2O2 Трилон-Б	1.5 3.0 1.5 0.3	0.5	12	60	120
Кисловка (К)	SO2	1	-	12	20	-

Исходные данные для расчета:

Расход воды на спрыски вакуум-фильтров - 10 м³/т;

Концентрация массы, поступающей на вакуум-фильтр - 2%;

Концентрация волокна в фильтре вакуум-фильтров - 50 г./м³ или 0,005%;

Концентрация массы в бассейнах небеленой и беленой целлюлозы - 12%;

Концентрация растворов:

едкого натра ……………………………………………. 100 г./л;

пероксида водорода ……………….………………… 350 г./л;

силиката натрия .……………………….……………. 200 г./л;

трилона-Б …………………….………………………… 70 г./л;

диоксида хлора.…………….……………………. 10 г./л (в ед. ClO₂);

диоксида серы ……………………….……………………. 2%.

4. Материальный баланс

Расчет ведем на 1 тонну воздушно сухой целлюлозы (880 тонн абсолютно сухого волокна).

Бассейн высокой концентрации

 

 

 

 

 

 

 

 

Проверка

Приход	Масса	Волокно	Вода
со шнека	8791,82	879,18	7912,64
с ОВ	16351,03	0,82	16350,21
Итого	25142,85	880	24262,85
Расход	25142,86	880	24262,86

 

Шнек вакуум - фильтра №4

 

В шнек вакуум - фильтра для проведения кисловки подается водный раствор SO₂. Расход SO₂ - 1% от волокна. Так как потери при кисловке незначительны, то их не учитываем, тогда

Расход SO₂ составит:

Раствора (при концентрации 2%) в шнек поступит:

Проверка

Приход	Масса	Волокно	Вода
с вакуум - фильтров	8352,23	879,18	7473,05
с химикатами	439,59	0	439,59
Итого	8791,82	879,18	7912,64
Расход	8791,82	879,18	7912,64

Вакуум - фильтр №4

Проверка

Приход	Масса	Волокно	Вода
со свежей водой	10000	-	10000
с разбавления	58813,0316	882,1995	57930,8361
Итого	68813,0316	882,1995	67930,8361
Расход
в шнек	8352,23	879,18	7473,05
с оборотной водой	60460,8016	3,02	60457,7786
Итого	68813,0316	881,8476	67930,8286

 

Разбавление после П

Проверка

ПриходМассаВолокноВода
с оборотной водой	51482,8539	2,5741	51480,2797
из башни П	7330,1778	879,6213	6450,5564
Итого	58813,0316	882,1995	57930,8361
Расход	58813,0316	882,1995	57930,8361

 

Башня П

С учетом химических потерь волокна (0,5%) в башню поступит волокна:

Химические потери составят:

Проверка

Приход	Масса	Волокно	Вода
из смесителя	7334,5979	884,0414	6450,5565
Расход
химические потери	4,4201	4,4201	-
на разбавление	7330,1778	879,6213	6450,5565
Итого	7334,5979	884,0414	6450,5565

 

Смеситель перед башней П

На отбелку П расход: H₂O₂ составит 1,5%, Na₂SiO₃ 3%, NaOH1,5%, Трилона-Б 0,3%.

При концентрации раствора:

H₂O₂ 350 г./л или 0,35 кг/кг воды,

Na₂SiO₃200 г./л или 0,2 кг/кг воды,

NaOH100 г./л или 0,1 кг/кг воды,

Трилона-Б 70 г./л или 0,07 кг/кг воды.

Подсчитаем затраты тепла на подогрев массы до 60⁰ С. Температуру массы, сходящей с вакуум - фильтра №3, принимаем равной 40⁰ С, температуру раствора - 20⁰ С, теплоемкость волокна - 1,34 кДж/(кг·⁰С), теплоемкость воды - 4, 19 кДж/(кг·⁰С).

Расход тепла составит:

Тогда расход пара давлением 0,35 МПа с энтальпией 2740 кДж/кг составит:

Проверка

Приход	Масса	Волокно	Вода
с паром		-
с раствором		-
с вакуум - фильтров
Итого	7334,5979		6450,5565
Расход	7334,5979		6450,5565

 

Вакуум - фильтр №3

Проверка

Масса

Волокно

Вода

со свежей водой

10000

-

10000

с разбавления

59143,8350

887,1575

58256,6775

Итого

69143,8350

887,1575

68256,6775

Расход

в смеситель

6755,3957

884,0414

5871,3543

с оборотной водой

62388,4393

3,1194

62388,4393

Итого

69143,8350

887,1608

68256,6742

Разбавление после Г

Проверка

ПриходМассаВолокноВода
с оборотной водой	51772,4275	2,5886	51769,8388
из башни П	7371,4075	884,5689	6486,8386
Итого	59134,8350	887,1575	58256,6775
Расход	59134,8350	887,1575	58256,6775

 

Башня Г

С учетом химических потерь волокна (1,5%) в башню поступит волокна:

Химические потери составят:

Проверка

Приход	Масса	Волокно	Вода
из смесителя
Расход
химические потери			-
на разбавление
Итого

Смеситель перед башней Г

 

На отбелку Г расход составит 2% гипохлорита (в ед. активного хлора) и 1% NaOH.

Расход гипохлорита 898,03940,02=17,9607 кг. При концентрации гипохлорита 35 г/л количество отбельного раствора составит 17,9607:0,035=513,1628 л

Расход щелочи составит 898,03940,005=4,4901 кг. При концентрации щелочи 100 г/л в смеситель поступит 4,4901:0,1=44,9010 л.

Подсчитаем затраты тепла на подогрев массы до 35⁰С. Температуру массы, сходящей с вакуум - фильтра №2, принимаем равной 50⁰С, температуру раствора - 20⁰С, теплоемкость волокна - 1,34 кДж/(кг·⁰С), теплоемкость воды - 4, 19 кДж/(кг·⁰С).

Расход тепла составит:

Тогда расход пара давлением 0,35 МПа с энтальпией 2740 кДж/кг составит:

Проверка

Приход	Масса	Волокно	Вода
с паром		-
с раствором		-
с вакуум - фильтров
Итого	7384,8780		6486,8386
Расход	7384,8780		6486,8380

Вакуум - фильтр №2

Проверка

Приход	Масса	Волокно	Вода
со свежей водой	10000	-	10000
с разбавления
Итого
Расход
в смеситель		898,0394	5865,0352
с оборотной водой
Итого			69179,2944

Разбавление после Щ+П

 

Проверка

Приход	Масса	Волокно	Вода
с оборотной водой
из башни П
Итого		901,2075	59179,2922
Расход		901,2075	59179,2922

Башня Щ+П

С учетом химических потерь волокна (1%) в башню поступит волокна:

Химические потери составят:

Проверка

Приход	Масса	Волокно	Вода
из смесителя
Расход
химические потери			-
на разбавление
Итого

Смеситель перед башней Щ+П

Расход щелочи составляет 1.5%, т.е. 907,65440,015=13,6148 кг. При концентрации гипохлорита 100 г/л количество отбельного раствора составит 13,6148:0,1=136,1480 л

Расход пероксида составляет 0,5%, т.е. 907,65440,005=4,5382 кг. При концентрации щелочи 350 г/л в смеситель поступит 4,4901:0,35=12,9662 л.

Подсчитаем затраты тепла на подогрев массы до 60⁰ С. Температуру массы, сходящей с вакуум - фильтра №1, принимаем равной 20⁰ С, температуру раствора - 20⁰ С, теплоемкость волокна - 1,34 кДж/(кг·⁰С), теплоемкость воды - 4, 19 кДж/(кг·⁰С).

Расход тепла составит:

Тогда расход пара давлением 0,35 МПа с энтальпией 2740 кДж/кг составит:

Проверка

Приход	Масса	Волокно	Вода
с паром		-
с раствором		-
с вакуум - фильтров
Итого			6589,5711
Расход			6589,5711

Выход беленой целлюлозы из небеленой

Общие потери волокна (химические+механические) составят 6,1% от небеленой целлюлозы.

Расходуется оборотной воды - 257465,5109 кг.

Образуется оборотной воды - 255318,4715 кг.

Недостаток оборотной воды составляет:

,5109 - 255318,4715 = 2147,0394 кг.

Недостаток оборотной воды восполняется водой, поступающей с бумажной фабрики.

отбелка целлюлоза цех технологический

5. Технико-экономические показатели работы отбельного цеха (на 1 тонну воздушно-сухой беленой целлюлозы)

Расход небеленой целлюлозы (абс. сухой), кг………937,44

Потери волокна (абс. сухого), кг……………………. 55,08

Расход, кг:

диоксида хлора (100%-ного)…………………………….. 1,78

едкого натра (100%-ного)……………………………31,36

диоксида серы (100%-ного)………………………………. 8,79

пероксида водорода (100%-ного)………………………………19,57

силиката натрия (100%-ного)……………………………….. 26,52

Трилона-Б (100%-ного)………………………………………. 2,65

расход свежей воды, м³…………………………………………51

расход электроэнергии, кВт*ч………………………. 136,0

расход тепла, МДж………………………………………….2338

кг………………………………………………………1028,1

Заключение

В данном курсовом проекте рассматривался процесс отбелки небеленой целлюлозы. Была составлена принципиальная и технологическая схема, проведен расчет материального баланса воды и волокна, определен расход пара, химикатов, свежей воды.

Полученные технико-экономические показатели соответствуют современным требованиям производства и данная схема может быть внедрена на практике.