Схемы установки непрерывной варки типа Камюр

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПРОМЫШЛЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И ДИЗАЙНА»

ВЫСШАЯ ШКОЛА ТЕХНОЛОГИИ И ЭНЕРГЕТИКИ

Институт безотрывных форм обучения

Контрольная работа

По дисциплине: Технологические процессы автоматизированных производств

На тему: Схемы установки непрерывной варки типа Камюр. Состав варочного раствора для сульфатной варки

Санкт-Петербург 2020

Содержание

Введение

1. Термины и определения сульфатного процесса

2. Установки непрерывной варки Камюр

3. Совершенствование установок непрерывной варки Камюр

4. Состав варочного котла

Список литературы

Введение

Сульфамтный 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.

Достоинством метода является возможность использования в нём практически всех пород древесины, а регенерация химикатов делает процесс экономически очень эффективным.

В процессе сульфатной варки, помимо собственно целлюлозы, образуется множество отходов и побочных продуктов, из которых получают кормовые дрожжи, сульфатный лигнин, сульфатное мыло, фитостерин, талловое масло, канифоль, сернистые соединения, метанол, скипидар.

В отличие от другого щелочного способа производства, натронного, где используется только гидроксид натрия, сульфатный процесс позволяет получить целлюлозу большей механической прочности.

В настоящее время сульфатный метод является самым распространённым способом производства целлюлозы в мире.

1. Термины и определения сульфатного процесса

Белый щелок -- водный раствор, предназначенный для варки целлюлозы и содержащий в качестве основных компонентов гидроксид натрия (NaOH) и сульфид натрия (Na2S).

Зелёный щелок -- раствор зелёного цвета, образующийся путём растворения неорганического плава, который получается после сжигания в регенерационной печи чёрного щелока.

Чёрный или сульфатный щелок -- отработанный раствор, образующийся после завершения варки целлюлозы и представляющий собой сложную смесь органических и неорганических веществ;

Гидромодуль варки -- отношение общего объема жидкости в процессе варки к массе абсолютно сухой древесины;

Каустизация -- процесс осветления (регенерации) зелёного щелока в белый щелок.

Сдувка -- периодический процесс принудительного выведения парогазовой смеси из варочного котла для снижения давления, выделения ценных побочных органических продуктов, удаления газообразных отходов и утилизации тепла.

Характеристики варочного раствора:

вся щёлочь -- все натриевые соли белого щелока;

активная щёлочь -- NaOH + Na2S;

титруемая щёлочь -- NaOH + Na2S + Na2CO3;

эффективная щёлочь -- NaOH + ЅNa2S;

эквивалентная единица -- универсальная эквивалентная масса NaOH или Na2O, на которую производится пересчёт концентрации натриевых солей варочного раствора. Например, содержание в растворе 80 г NaOH соответствует 62 г в ед. Na2O.

сульфидность (степень сульфидности, C) -- характеристика состава варочного раствора, представляющая собой отношение сульфида натрия к активной щёлочи и рассчитываемая в эквивалентных единицах:

активность (степень активности, A) -- характеристика состава варочного раствора, представляющая собой отношение активной щёлочи ко всей щелочи и рассчитываемая в эквивалентных единицах:

восстановление (степень восстановления, B) -- характеристика состава регенерированного варочного раствора и показывающая степень восстановления сульфата натрия до сульфида натрия:

каустизация (степень каустизации, K) -- характеристика эффективности процесса получения белого щелока и показывающая степень превращения карбоната натрия в гидроксид натрия:

2. Установки непрерывной варки Камюр

Первая установка этого типа была пущена в 1938 г. на заводе Карлсберг в Швеции. Сегодня в установках Камюр производится около ? всей целлюлозы в мире. Единичная мощность установки Камюр уже превысила 4500 т/сут. Варочный котел при такой производительности имеет диаметр в нижней части 12,5 м и высоту 72 м. В настоящее время правами на эти установки владеет фирма Metso. Успешное развитие непрерывной варки - результат ее преимуществ перед периодическим способом. Непрерывная варка в сравнении с периодической позволяет:

- увеличить выход целлюлозы с 1 м3 котла;

- сократить объемы зданий и площади производственных помещений;

уменьшить объем емкостей для щепы, щелока и массы;

сократить расход пара на варку (из-за более низкого гидромодуля);

осуществлять диффузионную промывку массы в котле с отбором на регенерацию крепкого черного щелока;

организовать сбор и транспортировку потока дурнопахнущих газов высокой концентрации на сжигание.

Первым аппаратом варочной установки является бункер щепы (рис. 1). Современный бункер - аппарат закрытого типа, в нем щепа пропаривается парами вскипания. Цель пропарки - удаление из щепы воздуха и летучих веществ, а также ее нагрев. После бункера щепа проходит два ротационных механизма - дозатор щепы и питатель низкого давления. Дозатор предназначен для подачи определенного количества щепы в питатель низкого давления. Дозатор состоит из неподвижного корпуса и вращающегося ротора с карманами, в которые из воронки бункера ссыпается щепа. При повороте ротора на 180є щепа поступает в питатель низкого давления. Количество загружаемой в котел щепы определяется емкостью карманов и частотой вращения ротора. Питатель низкого давления предназначен для подачи щепы в пропарочную камеру. Он также является запорным устройством, обеспечивающим поддержание в пропарочной камере избыточного давления (0,1-0,25 МПа). Пропарка производится парами вскипания из расширительных резервуаров в течение 3-5 мин. Передвижение щепы осуществляется транспортирующим шнеком. Избыток паров вскипания вместе с удаленным из щепы воздухом и летучими веществами отводится из пропарочной камеры в спиральный теплообменник и далее в терпентинный конденсатор. Таким образом, в процессе загрузки проводятся две стадии пропарки, что позволяет полностью удалить из щепы воздух, летучие вещества и повысить ее температуру.

После пропарочной камеры щепа промывается циркулирующим щелоком, освобождается от инородных тяжелых предметов и включений, а затем поступает в питательную трубу, где встречается с циркуляционным черным щелоком. Из нижней части питательной трубы щепа попадает в ротационный питатель высокого давления. Питатель высокого давления (ПВД) является запорным устройством между варочным котлом, работающим под давлением 1,0-1,5 МПа, и пропарочной камерой, где давление низкое: 0,1-0,25 МПа. ПВД представляет собой непрерывно вращающийся двухходовой кран, в пробке которого имеется камера с решеткой для поступления щепы и щелока. Когда пробка занимает вертикальное положение, камера заполняется щепой и щелоком. Избыток щелока фильтруется через решетку и возвращается насосом в питательную трубу. После поворота на 90є пробка занимает горизонтальное положение, и щепа вымывается струей щелока под давлением около 1,0 МПа в котел. Подача щепы в котел осуществляется при гидромодуле 20:1. Большая часть транспортирующего щелока отбирается в верхнем сепараторе котла (или пропиточного аппарата) и возвращается в ПВД. Варочный щелок подается в верхнюю горловину котла по отдельной линии.

Варочный котел представляет собой вертикальный цилиндрический сосуд. В верхней горловине котла расположен сепаратор, назначение которого заключается в отборе транспортирующего щелока и установлении заданного гидромодуля варки (2,8ч3,2):1. Сепараторы бывают различной конструкции: прямые, инвертированные, наклонные, а варочные котлы могут иметь в верхней части паровую фазу или же быть гидравлическими, когда щепа загружается под уровень щелока.

Рис 1. Система загрузки варочного аппарата Камюр:

1 - бункер щепы; 2 - дозатор щепы; 3 - питатель низкого давления;

4 - пропарочная камера; 5 - питательная труба; 6 - питатель высокого давления

На рис. 2 показана конструкция верхней горловины гидравлического варочного котла. По центру горловины установлен сепаратор, представляющий собой вертикальный загрузочный шнек 1, заключенный внутри сетчатого цилиндра 5. Транспортирующий щепу щелок попадает внутрь этого цилиндра, проходит через шлицевые отверстия цилиндра в кольцевую камеру, откуда отводится в ПВД. Количество щелока, остающегося внутри цилиндра, определяет гидромодуль загрузки. Между витками шнека и сетчатым цилиндром имеется зазор около 0,5 мм. Шнек при вращении очищает сито от мелкой щепы и опилок.

Рис. 2. Верхняя горловина варочного котла:

1 - загрузочный шнек; 2 - вал; 3 - электродвигатель; 4 - крышка;

5 - сетчатый цилиндр; 6 - штанга

В однососудном варочном котле щепа и щелок после верхнего сепаратора попадают в зону пропитки, продвигаясь сверху вниз за счет силы тяжести. Циркуляция щелока начинается с его отбора через кольцевое сито (рис 3). сульфатный варочный раствор котел

Отобранный щелок нагревается в теплообменнике и возвращается через центральную трубу в соответствующую зону аппарата. Радиальный поток нагретого щелока выравнивает температуру и концентрацию щелочи по сечению аппарата.

Двигаясь вниз, щепа и щелок входят в зону варки, где происходит нагрев до конечной температуры (нагрев осуществляется также, как и в зоне пропитки). В варочной зоне растворяется основное количество лигнина, в щелоке увеличивается концентрация сухих веществ, и он приобретает темно-коричневую окраску. Щепа в конце варки становится мягкой, но сохраняет свою форму.

Рис. 3. Циркуляция и отбор щелока

Нижняя часть аппарата является зоной горячей диффузионной промывки. Черный щелок из промывного отдела с температурой 70-80єС насосом высокого давления вводится в нижнюю часть котла (рис. 4).

Рис. 4. Промывка, отбор черного щелока и выдувка

Поток промывного щелока в котле двигается снизу-вверх навстречу (противотоком) проваренной щепе и вытесняет крепкий отработанный щелок, который отбирается в зону циркуляции, нагревается примерно до130 єС и снова возвращается в промывную зону через центральную трубу. Крепкий черный щелок на регенерацию отбирается в средней части котла и расширяется до атмосферного давления в двух или трех расширительных резервуарах. Сваренная целлюлоза с помощью донного шабера поступает в выдувную линию и далее при температуре 80-90єС и концентрации 10-12 % - в выдувной резервуар. Пары самоиспарения из расширительных ре зервуаров используются для пропарки щепы.

Горячая диффузионная промывка под давлением при температуре около 130 єС эквивалентна трем ступеням промывки целлюлозы на вакуумфильтрах. Использование паров вскипания после расширительных резервуаров для пропарки щепы дает экономию тепловой энергии. Качество целлюлозы, вырабатываемой в установках непрерывного действия Камюр, такое же как у целлюлозы, получаемой в периодических котлах.

3. Совершенствование установок непрерывной варки Камюр

На рис. 5 представлена схема варочной установки с горячей диффузионной промывкой массы, разработанная во 2-й половине XX столетия.

Щепа и щелок в зоне варки передвигаются в одном направлении (прямотоком). Весь белый щелок подается в верхнюю часть котла. При получении белимой целлюлозы хвойная древесина варится до числа Каппа 30, древесина лиственных пород до числа Каппа 20. В 1984 г. на заводе Варкаус в Финляндии был пущен в эксплуатацию котел для модифицированной варки (МСС) (рис. 6). В нем возможно получать более мягкую целлюлозу, отбелка которой требует значительно меньших расходов отбеливающих реагентов.

Рис. 5. Схема установки непрерывного действия для обычной (прямоточной) варки

При модифицированной варке для эффективного растворения лигнина его концентрацию в черном щелоке снижают за счет отбора черного щелока и замены свежим белым щелоком. Котел для модифицированной варки имеет зону прямоточной и зону противоточной варки, причем отбор крепкого щелока из котла производится перед противоточной варочной зоной. Подача белого щелока осуществляется раздельно на пропитку и противоточную варку. Таким образом, модифицированная варка начинается при более низком расходе активной щелочи, чем обычная варка. В зоне противоточной варки вводится оставшаяся часть белого щелока, и поток щелока, укрепленный белым щелоком, двигается вверх, навстречу массе. Углубление делигнификации происходит благодаря отбору части черного щелока с высоким содержанием лигнина (это снижает концентрацию растворенного лигнина) и за счет ускорения делигнификации в результате введения свежего белого щелока. Число Каппа хвойной целлюлозы составляет 23-25, лиственной 16-18.

В дальнейшем модифицированную варку пытались усовершенствовать за счет подачи небольшого количества белого щелока в зону диффузионной промывки. Этот способ получил название продленной модифицированной варки (ЕМСС). Однако невысокая температура в зоне диффузионной промывки (130-135 єС) не позволила добиться эффективного растворения лигнина и существенно снизить число Каппа.

Рис. 6. Схема варочного котла для модифицированной варки

4. Состав варочного котла

Варочный раствор для щелочной варки называется белым щелоком. При натронной варке белый щелок содержит один активный реагент, растворяющий лигнин, - гидроксид натрия (NaOH). При сульфатной варке активных реагентов два - гидроксид натрия и сульфид натрия (Na2S).

Кроме того, в белом сульфатном щелоке вследствие неполноты реакций каустизации и восстановления сульфата обязательно присутствуют карбонат (Na2CO3) и сульфат (Na2SO 4). В небольшом количестве содержатся сернистые соединения натрия - тиосульфат (Na2S2О3), сульфит (Na2SO3), полисульфиды (Na2SХ), а также алюминат (NaAlO2) и силикат (Na2SiO3).

Состав белого щелока принято характеризовать несколькими показателями, причем содержание натриевых солей выражают в одних и тех же эквивалентных единицах, чаще всего в единицах Na2О (иногда NaОН). В составе белого сульфатного щелока различают следующие компоненты:

активную щелочь NaОН + Na2S;

общую титруемую щелочь NaOH + Na2S + Na2CO3;

всю щелочь, т. е. сумму всех присутствующих в белом щелоке соединений натрия.

Расходом активной щелочи на варку называют ее суммарное количество, отнесенное к массе абсолютно-сухой древесины и выраженное в процентах.

Основными характеристиками производственного белого щелока являются следующие эквивалентные соотношения, %:

степень сульфидности (сульфидность)

степень каустизации

степень восстановления ;

степень активности .

В производственных условиях степень сульфидности составляет 25-40 %, степень каустизации 75-85 %, степень восстановления 90-99 %, степень активности 70-90 %. За рубежом вместо понятия «активная щелочь» часто используют термин «эффективная щелочь» (NaОН + ЅNa2S).

Обычно концентрация активной щелочи в белом щелоке составляет

90-120 г/л в ед. Na2О. В варочном котле за счет разбавления влагой,

содержащейся в щепе, и черным щелоком концентрация активной

щелочи снижается до 30-60 г/л, а pH варочного щелока составляет 13-14. К концу варки концентрация активной щелочи уменьшается примерно в 10 раз, а рН снижается только на 1 (до 12-13). Это происходит потому, что к концу варки в щелоке содержится много натриевых солей слабых минеральных и органических кислот, что вызывает создание значительной щелочной буферной ёмкости, благодаря чему конечный рН черного щелока остается высоким.

Натриевые соли слабых кислот в водном растворе гидролизуются:

Na2S + H2O NaOH + NaHS,

Na2CO3 + H2O NaOH + NaHCO3,

Na2SO3 + H2O NaOH + NaHSO3.

Степень гидролиза зависит от температуры, концентрации раствора и рН. При рН 12 Na2S полностью гидролизуется до NaНS. Ионы HCO3 в заметном количестве появляются при рН 10, а сероводород, свободная угольная кислота и NaНCO3 при рН 8. Присутствующий в белом щелоке гидроксид натрия тормозит гидролиз этих солей.

Температура влияет на процесс гидролиза незначительно. Так, при

25 °С Na2S в производственном белом щелоке гидролизуется до NaНS на

40 %, а при 165 °С на 76-88 %. В условиях обычной сульфатной варки

NaНCO3 может появиться только в ее конце, а NaНSO3 практически не образуется.

Список литературы

1. Иванов, Ю.С. Современные способы варки сульфатной целлюлозы: Учебное пособие. -- СПб.: ГОУ ВПО СПбГТУРП, 2005. -- 63 с.

2. Иванов, Ю.С. Производство сульфатной целлюлозы: Учебное пособие. -- СПб.: ГОУ ВПО СПбГТУРП, 2017. -- 22 с.

Размещено на Allbest.ru