Принципиальная технологическая схема производства сульфатной целлюлозы

Проф. Казаков В.Г.

Выпарные установки

Лекции для бакалавров (заочное обучение обучение)

12 часов

С- Петербург

2017

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. Общие сведения о промышленных способах производства целлюлозы..............................................................................................2

2. Температурные потери в процессе выпаривания……………….. 11

3. Основные технологические схемы выпарных установок...............................................................................................15

4. Материальный баланс и тепловые расчеты выпарных установок..................................................................................................25

5. Основные конструкции выпарных аппаратов....................................30

Общие сведения о промышленных способах производства целлюлозы

Сырье для производства целлюлозы

Технологическая щепа. Древесное сырье для выработки волокнистых полуфабрикатов используется главным образом в виде щепы. Основную массу составляет собственная щепа, получаемая из балансов непосредственно на целлюлозно-бумажных комбинатах. Все древесные отходы, низкокачественная древесина и дрова превращаются в технологическую щепу, которая поставляется на предприятия в готовом к переработке виде и должна содержать: не менее 84% щепы нормальных размеров, не более 3 % коры, не более 6 % гнили и не более 1 % опилок, остальное — мелочь. Более 23% перерабатываемого сырья для производства целлюлозы относится к привозной технологической щепе.  Прогнозируется дальнейший рост производства и потребления привозной технологической щепы. Это связано с вовлечением в производство технологической щепы из отходов лесозаготовок и деревообработки. Более 85 % потребляемой ЦБП технологической щепы перерабатывается в сульфатную целлюлозу различного назначения.

Принципиальная технологическая схема производства сульфатной целлюлозы

Рассмотрим принципиальную схему получения сульфатной целлюлозы.Сущность получения целлюлозы состоит в том, что в результате обработки древесной технологической щепы каустической и сульфидной щелочью при температуре 160 – 170 ⁰С в течение трех часов происходит переход лигнина из технологической щепы в раствор (делигнификация). Остаточный волокнистый продукт называют целлюлозой и после специальной обработки, он является сырьем для получения бумаги.

  Древесная технологическая щепа (рис.1.1.), предварительно пропитанная паром, транспортирующим потоком черного щелока поступает в варочный котел для делигнификации. Туда же направляют варочный (белый) щелок, представляющий раствор оборотной каустической и сульфидной серы. После варки древесной технологической щепы остаточная целлюлозная масса подвергается фильтрации с получением черного щелока и целлюлозного волокна. На фильтрах также осуществляется промывка целлюлозы. Целлюлоза после классификации по классу плюс минус 25 мм подвергается очистке и является конечным продуктом целлюлозного производства.

Переработка щелокавключает решение двух задач:

-  регенерацию содопродуктов и серы и их возможно более полное воз­вращение в варочный цех в виде белого щелока;

-  использование органических веществ, содержащихся в древесной технологической щепе в качестве топлива в виде концентрированного черного щелока.

Блок технологических процессов переработки щелока включает следующие операции:

-  упаривание черного щелока;

-  сжигание черного щелока с регенерации теплоты;

-  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 % и выше.

Сжигание упаренного щелока осуществляется в топке содорегенерацион­ного котлоагрегата (СРКА).

 СРКА - это паровой котел, отличающийся от обычных энергетических котлоагрегатов конструкцией топки. Ее конструкция разработана для сжигания высокозольного и очень влажного жидкого топлива, каким является черный щелок.

Поэтому зольный оста­ток при сжигании черного щелока собирается на поду топки 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 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:

CaO+ H2O= Ca(OH)2;                                                          ( 1.1)

N2CO3 + Ca(OH)2 = 2NaOH+ CaСO3.(1.2.)

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.

Черный щелок обычно концентрируют на двухстадийной (по пару) выпарной станции от 9 – 10% до 50-80% а.с.в.

Выпарная станция первой стадии представлена современными 6 – 7 ступенчатыми выпарными батареями, работающими по противоточной или смешанной схеме выпаривания. На этой стадии раствор концентрируется до 50% абсолютно сухих веществ (а.с.в.)

На второй стадии раствор концентрируют до 70 - 80% .

Упаренный раствор черного щелока подают в содорегенерационный котлоагрегат (СРК). СРК является многофункциональной установкой. Основная его технологическая функция – регенерация щелочей. Она достигается путем сжигания лигнина и других форм органических соединений, находящихся в растворе черного щелока. После удаления влаги и органической части черного щелока в остатке остается минеральная составляющая черного щелока – натриевые соли в виде плава.

Рис.1.1. Принципиальная технологическая схема

производства сульфатной целлюлозы

В условиях высокой температуры и недостатке кислорода сульфаты натрия восстанавливаются до сульфида натрия. Вторая функция СРК – получение пара высокого давления для выработки теплоты и электроэнергии. Это становится возможным благодаря большому количеству энергии, выделяющейся при сгорании органической части черного щелока.

После растворения плава в промывной воде получают раствор натриевых солей, называемый зеленым щелоком. Этот раствор нельзя использовать для варки древесной щепы, так как каустическая щелочь в СРК подверглась карбонизации углекислым газом продуктов сгорания. Для перевода карбонатной щелочи в каустическую, раствор обрабатывают оксидом кальция. Этот процесс называют каустизацией. В результате химической реакции получают каустическую щелочь и карбонат кальция. Раствор каустической щелочи и сульфида натрия, называемый белым щелоком, направляют на варку древесной технологической щепы, а карбонат кальция - на декарбонизацию во вращающую печь.

В настоящее время более 80% целлюлозы выпускают по сульфатному методу. По этому способу одним из крупных потребителей теплоты в форме пара низкого давления является процесс выпаривания. В настоящее время суть выпаривания состоит в концентрировании черного щелока с целью подготовки его для сжигания в содорегенерационном котле.

Выпарные установки в производстве целлюлозы укомплектованы выпарными аппаратами большой единичной мощностью (до 3500 м²).

Принципиальная аппаратурно – технологическая схема сульфатцеллюлозного производства представлена на рис.1.2.

Следует отметить, что процесс производства сульфатной целлюлозы является большим потребителем энергии (24 ГДж / т. а.с.ц.). Из этой величины 20 ГДж / т. а.с.ц. относится к органической части черного щелока и 4 ГДж / т. а.с.ц. в виде природного газа на декарбонизацию известняка.

Рис.1.2. Принципиальная аппаратурно – технологическая схема сульфатцеллюлозного производства:

1 — корообдирочный барабан; 2 — рубительная машина; З — варочный котел; 4— выдувной резервуар; 5 — отбелка целлюлозы; 6— сортировка; 7— формование; 8— прессование; 9 — сушка на пресспате; 10— цепной пресс; 11 — топка для сжигания корьевых отходов; 12 — выпарная станция;13 - содорегенерационный котел; 14— бак-растворитель плава; 15 — цех каустизации; 16 —регенерационная печь извести.