книги / Технологические расчеты по получению различных видов целлюлозы

2. МАТЕРИАЛЬНЫЙ И ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС НЕПРЕРЫВНОЙ ВАРКИ СУЛЬФАТНОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ

ВУСТАНОВКЕ ТИПА «КАМЮР»

2.1.Материальный баланс непрерывной варки сульфатной целлюлозы

Для примера рассчитаем материальный баланс непрерывной варки на 1 т воздушно-сухой целлюлозы в установке типа «Камюр» с зоной горячей диффузионной промывки массы

вкотле. Примем, что установка имеет производительность 850 т

всутки целлюлозы из сосны с выходом 48 % от а.с. древесины. Зададимся следующими исходными данными:

Разобьем весь процесс на отдельные этапы: пропарка щепы в пропарочной цистерне; подача щепы и варочного щелока в котел; пропитка щепы в верхней зоне котла; варка целлюлозы в варочной зоне; отбор крепкого черного щелока из котла; противоточная горячая промывка и выдувка массы.

91

Пропарка щепы. При выходе целлюлозы 48 % количество абсолютно сухой древесины, поступающей в установку, на 1 т воздушно-сухой целлюлозы составит

880 100 = 1833 кг.

48

С ней поступает воды в виде влаги щепы

1833 6040 = 1222 кг.

Удельный расход древесины в виде щепы

1833 : 400 = 4,56 пл. м3.

Суточный расход древесины

4,56 · 850 = 3880 пл. м3.

Дозатор щепы при нормальной нагрузке установки вращается со скоростью 18 об/мин, причем имеет семь карманов объемом 65 дм3. Следовательно, дозатор будет подавать щепы

65 · 7 · 18 = 8300 дм3/мин= 500 м3/ч = 12 000 м3/сут.

Отсюда получим объемную плотность щепы при загрузке ее через дозатор и питатель низкого давления в пропарочную цистерну:

3650 : 12 000 = 0,324 пл. м3/м3 объема.

Количество свободного воздуха, захватываемого вместе сщепой, составит 1 – 0,3 = 0,7 м3/м3 объема щепы, или 0,7 : 0,324 = = 2,3 м3/пл. м3 древесины, или 2,3 · 4,56 = 10,5 м3 на 1 т целлюлозы. Кроме того, воздух содержится во внутренних полостях древесины. Объем пор сосновой древесины плотностью 400 кг/м3 получим

92

что в пересчете на 1 т целлюлозы дает

4,5610074 = 3,4 м3 , или 3400 дм3.

Из этого объема 1222 дм3 заняты влагой, воздухом заняты

3400 – 1222 = 2178 дм3 = 2,2 м3.

Всего воздуха содержится в поступающей в пропарочную цистерну щепе 10,5 + 2,2 = 12,7 м3; принимая плотность воздуха при атмосферном давлении и температуре около 20 °С равной 1,35 кг/м3, массу воздуха имеем 1,35 · 12,7 = 17 кг. Условно принимаем, что весь этот воздух вытесняется из щепы при пропарке.

Расход пара на пропарку щепы в цистерне принимаем 300 кг/т целлюлозы, из которых 90 %, или 270 кг, конденсируются, а 30 кг уходят с отработанными парогазами в конденсатор. Вместе с влагой щепы количество воды, уходящей с пропаренной щепой, составит 1222 + 270 = 1492 кг. За вычетом скипидара количество органических веществ в пропаренной щепе будет равно

1833 – 4 = 1829 кг.

Общий материальный баланс пропарки щепы представлен в табл. 2.1.

Подача щепы и варочного щелока в котел. При гидро-

модуле 3 м3/т а.с. древесины общее количество жидкости, поступающей в котел, должно составить 1829 · 3 = 5487 кг. За вычетом воды (влаги), сопровождающей пропаренную щепу, количество варочного щелока получим 5487 – 1492 = 3995 кг.

Расход активной щелочи (в кг Na2O) на 1 т целлюлозы составит 1829 · 0,16 = 293 кг. При концентрации белого щелока 110 г активного Na2О/дм3 количество его будет равно 293 : 110 = 2660 кг. Следовательно, количество черного щелока, которое нужно добавить, равно3995 – 2660 = 1335 кг. Общееколичествосухихвеществ, которое приходит с черным щелоком, будет 1335 · 0,18 = 240 кг. Примем, что в составе сухого вещества 70 % приходится на орга-

93

нические и 30 % на минеральные вещества. Получим 240 · 0,70 = = 168 кг органических и 240 – 168 = 72 кг минеральных веществ. Содержание всей Na2О в сухом веществе черного щелока, допустим, составляет 23 %; количество всей Na2O в черном щелоке

240 · 0,23 = 55 кг.

Таблица 2 . 1

Материальный баланс пропарки щепы

Степень активности, т.е. отношение активной Na2О ко всей Na2О, для белого щелока примем равной 0,90. Тогда количество всей Na2О, поступающей в котел с белым щелоком,

составит 293 : 0,90 = 326 кг.

Коэффициент пересчета с единиц Na2О на собственные единицы минеральных веществ принимаем 1,35. Тогда общее количество минеральных веществ, поступающих с белым щелоком на варку, составит 326 · 1,35 = 440 кг.

Суммарный баланс загрузки котла показан в табл. 2.2.

94

Таблица 2 . 2 Суммарный баланс загрузки котла

Пропитка щепы (пропиточная зона). Принимаем график изменения температуры и выхода целлюлозы по высоте котла согласно рис. 2.1. По этому графику в конце зоны пропитки выход древесного остатка составляет 80 % от исходной древесины, или 1829 · 0,8 = 1463 кг. Следовательно, за время пропитки растворяется 1829 – 1463 = 366 кг органических веществ древесины и количество их в растворе составит 168 + 366 = 534 кг.

Никаких других материальных изменений в пропиточной зоне котла не происходит. Сдувки при варке в котлах типа «Камюр» практически не производят.

Варка целлюлозы в варочной зоне. В зонах нагрева и варки происходит дальнейшее растворение органических веществ древесины до достижения конечного выхода целлюлозы 48 % от исходной древесины, т.е. 1833 · 0,48 = 880 кг.

Растворяется органических веществ в варочной зоне 1463 – 880 = 583 кг. Количество растворенных органических веществ в растворе к концу варки составит 534 + 583 = 1117 кг.

Других материальных изменений во время варки не происходит.

Отбор крепкого черного щелока из котла. Общее коли-

чество сухих веществ, содержащихся в щелоке к концу вар-

ки, составляет 1117 + 512 = 1629 кг.

95

или степень отбора, равной примерно 0,98; иными словами, потери сухих веществ при окончательной промывке на барабанных фильтрах или других промывных аппаратах примем равными 2 %. Следовательно, при отборе крепкого щелока из котла будет извлечено 1629 · 0,98 = 1596 кг сухих веществ, из коих 240 кг возвращаются на варку, а 1596 – 240 = 1356 кг направляются со щелоком на выпарку. Потери сухих веществ при окончательной промывке на промывных аппаратах составят

1629 – 1596 = 33 кг.

Проверим суммарный баланс сухого вещества. За вычетом скипидара, ушедшего при пропарке, в щелок из древесины при варке перешло 829 – 880 = 949 кг органических веществ. С белым щелоком на варку пришло 440 кг минеральных веществ. Всего имеем в приходе сухих веществ 949 + 440 = 1389 кг. Вычитая отсюда потери при промывке, имеем 1389 – 33 = 1356 кг, которые, как мы правильно рассчитали, и направляются со щелоком на регенерацию.

При концентрации сухого вещества в крепком щелоке 18 % общее его количество составит 1596 : 0,18 = 8866 кг, а количество воды в нем 8866 – 1596 = 7270 кг (дм3). Чтобы вытеснить такое количество жидкости, в зону отбора крепкого щелока из промывной зоны должно поступить такое же количество более слабого щелока. Примем, что средняя концентрация сухого вещества в этом слабом щелоке будет равна 10 %. Следовательно, со слабым щелоком из зоны промывки

поступит 7270 10 = 809 кг сухого вещества. 100 − 10

Содержание всей Na2О в сухом остатке после зоны варки получим 1629381 100 = 23,4 %, что достаточно хорошо совпадает

с предварительно принятым для черного щелока, возвращаемого на варку (23 %).

Суммарный материальный баланс зоны отбора щелока по воде, сухому веществу и всей Na2O показан в табл. 2.3.

97

Таблица 2 . 3

Суммарный материальный баланс зоны отбора щелока

Промывка и выдувка массы. В зону горячей промывки подается слабый щелок из промывных аппаратов в количестве, достаточном для вытеснения крепкого щелока из зоны отбора и для разбавления целлюлозной массы при выдувке. Принимаем концентрацию массы при выдувке равной 10 %. Тогда

с ней должно уходить 880 (100 − 10) = 7920 кг слабого щело10

ка. Общее количество подаваемого в низ котла слабого про-

мывного щелока 7270 + (7920 – 5487) = 7270 + 2433 = 9703 кг.

При содержании в нем 4 % сухого остатка количество последне-

го составит 9703 · 0,04 = 388 кг, в том числе 388 · 0,234 = 91 кг всей Na2О.

Общий материальный баланс зоны горячей промывки и выдувкипредставленвтабл. 2.4.

Для полной картины процесса составим еще материальный баланс домывки целлюлозы в промывных аппаратах и баланс самоиспарения щелока в расширителях.

Домывка целлюлозы. Примем, что домывка целлюлозы после горячей промывки в котле производится в непрерывно действующих диффузорах, из которых промытая масса выходит

98

с концентрацией 10 %. Тогда с промытой массой будут уходить из диффузора те же 7920 кг воды, которые с ней приходят из котла, а расход промывной воды при промывке в диффузоре будет равен количеству слабого промывного щелока, подаваемому в зону горячей промывки, т.е. 9703 кг/т целлюлозы. Потери сухого вещества с промытой массой составят 842 – 809 = 33 кг, как уже было подсчитано выше, а потери всей Na2O будут равны

(см. табл. 2.4.) 197 – 190 = 7 кг/т целлюлозы.

Таблица 2 . 4

Общий материальный баланс зоны горячей промывки и выдувки

Самоиспарение щелока в расширителях. Из зоны отбо-

ра щелока из котла в расширители направляется (см. табл. 2.3) 8866 кг крепкого щелока, содержащего 7270 кг воды и 1596 кг сухих веществ. Примем следующие исходные данные: температура отбираемого щелока – 170 °С, теплоемкость воды – 4,19 кДж/(кг·°С), теплоемкость сухих веществ щелока – 1,35 кДж/(кг·°С), давление в первом расширителе – 0,3 МПа, во втором – 0,02 МПа. По таблицам насыщенного пара (см. табл. П1 приложения) находим соответствующие этим давлениям теплоту испарения: в первом расширителе – 2160 кДж/кг, во втором – 2250 кДж/кг, а также температуру насыщения: в первом расширителе – 140 °С, во втором – 105 °С.

99

При охлаждении щелока со 170 до 140 °С в первом расши-

рителе выделится тепла: (7270 · 4,19 + 1596 · 1,35) (170 – 140) = = 979 500 кДж, за счет которого испарится 979 500 : 2160 = 453 кг пара давлением 0,3 МПа. Во второй расширитель поступит со щелоком 7270 – 453 = 6817 кг воды. Выделится тепла: (6817 · 4,19 + 1596 · 1,35) (140 – 105) = 1 073 000 кДж, за счет которого испарится 1 073 000 : 2250 = 477 кг пара давлением 0,02 МПа. Всего из щелока выделится 453 + 477 = 930 кг пара. Послевторого испарителяв нем останетсяводы7270 – 930 = 6340 кг.

Примем во внимание, что одновременно с паром из щелока при самоиспарении в расширителях выделяются некоторые летучие органические продукты (скипидар, метиловый спирт, метилсернистые соединения и т.п.). Количество их округленно примем равным 20 кг/т целлюлозы. За этот счет количество сухих веществ в щелоке уменьшится до 1596 – 20 = 1576 кг.

Концентрация сухих веществ в крепком щелоке после расширителей

После возвращения на варку 1335 кг щелока, содержащего 240 кг сухих веществ, для использования на регенерацию останется 6340 – 1335 = 5005 кг крепкого щелока, содержащего 1576 – 240 = 1336 кг сухого вещества. Количество всей Na2O

вщелоке, направляемом на регенерацию, найдем как разность между количеством, поступившим на варку с белым щелоком, и потерями при промывке: 326 – 7 = 319 кг. Содержание Na2O

всухом веществе щелока будет равно

1336319 100 = 23,9 %.

100