Отбельный цех сульфитцеллюлозного завода

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%.

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.

1. Характеристика сырья и продукции.

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

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

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 70? С. 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.

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.

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.

Вакуум — фильтр № 4.

Проверка.

Разбавление после П Проверка.

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

Химические потери составят:

Проверка.

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.

Вакуум — фильтр № 3.

Проверка.

Разбавление после Г Проверка.

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

Химические потери составят:

Проверка.

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

Расход гипохлорита 898,3 940,02=17,9607 кг. При концентрации гипохлорита 35 г/л количество отбельного раствора составит 17,9607:0,035=513,1628 л Расход щелочи составит 898,3 940,005=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.

Вакуум — фильтр № 2.

Проверка.

Разбавление после Щ+П Проверка.

Башня Щ+П С учетом химических потерь волокна (1%) в башню поступит волокна:

Химические потери составят:

Проверка.

Смеситель перед башней Щ+П Расход щелочи составляет 1.5%, т. е. 907,65 440,015=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. 907,65 440,005=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.

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

Расходуется оборотной воды — 257 465,5109 кг.

Образуется оборотной воды — 255 318,4715 кг.

Недостаток оборотной воды составляет:

257 465,5109 — 255 318,4715 = 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.