книги / Технологические расчеты по получению различных видов целлюлозы

I.ПРОЦЕССЫ МАССОПЕРЕНОСА

СУЧАСТИЕМ ТВЕРДОЙ ФАЗЫ II

1. МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС ВАРКИ СУЛЬФИТНОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ

Для лучшего уяснения вопроса о том, каким образом связаны между собой разные величины, характеризующие процесс варки, рассчитаем материальный баланс варки среднежесткой целлюлозы, предназначенной для выработки беленых бумаг. Примем, что загрузка щепы производится с паровым уплотнением, варка ведется непрямым паром, с принудительной циркуляцией и перепуском щелока, система регенерации – тепловая, кислота готовится на натриевом основании и котел опоражнивается выдувкой.

Зададимся следующими основными величинами:

11

Выход целлюлозы из 1 м3 котла составит: абсолютно сухой

163,5 · 0,49 = 80,1 кг; воздушно-сухой (в.с.): 80,1 : 0,88 = 91,0 кг.

Выход воздушно-сухой целлюлозы из котла за одну варку равен

91,0 · 320 = 29 120 кг, или 29,1 т.

Расчет материального баланса будем вести на 1 т воздуш- но-сухой целлюлозы из котла.

График изменения основных показателей во время варки: температуры, давления, содержания SO2 и Na2О в щелоке, выхода целлюлозы и количества удаляемой из котла жидкости – примем согласно рис. 1.1.

Рис. 1.1. Диаграмма изменения основных показателей во время варки (к расчету материального баланса варки) [1–4]

Для удобства расчета разобьем процесс варки на следующие основные этапы: 1) наполнение котла щепой и кислотой; 2) заварка до 110 °С и пропитка; 3) подъем температуры до конечной и варка на конечной температуре; 4) конечная сдувка (спуск давления); 5) выдувка.

12

Наполнение котла щепой и кислотой. На 1 т воздушно-

сухой целлюлозы, получаемой из котла (880 кг абсолютно сухой), в котел должно быть загружено абсолютно сухой древесины 880 : 0,49 = 1800 кг. С ней поступит воды в виде влаги

1800 (40 : 60) = 1200 кг/т целлюлозы, или 1200 (91,0 : 1000) = = 110 кг/м3 котла.

Примем, что расход пара на паровой уплотнитель составляет 0,2 т/т целлюлозы и что 90 % этого пара конденсируется и остается в котле. Конденсата пара тогда получим 200 · 0,90 =

=180 кг/т целлюлозы, или 180 (91,0 : 1000) = 16 кг/м3 котла.

Будем считать, что этот конденсат размещается целиком в

пространстве между щепками. Тогда свободный объем в 1 м3 котла за вычетом объема, занятого щепой и конденсатом, соста-

вит 1000 – (420 + 16) = 564 л.

Примем, что при закачке горячей кислоты и перепуске жидкости в щепу впитается 30 % кислоты от объема щепы. Объем закачиваемойкислотына1 м3 котласоставит564 + (0,30 · 420) = 690 л. Общий объемкислотыв котле будетравен 690 · 320 = 220 800 л.

На 1 т целлюлозы закачивается регенерационной кислоты и перепускной жидкости 220 800 : 29,1 = 7560 л. С ними в котел поступит на 1 т целлюлозы 7560 · 0,08 = 605 кг SO2 и 7560 · 0,009 = = 68,0 кг Na2O.

Кроме того, примем во внимание, что варочная кислота и перепускной щелок содержат некоторое количество органических веществ – сахаров, лигносульфоновых соединений и т.п., перешедших в раствор от предыдущих варок. Ориентировочно примем количество органических растворенных веществ в регенерационной кислоте и перепускной жидкости равным 190 кг/т целлюлозы; тогда содержание их в кислоте составит

190 · 1000 : 7560 = 25,2 г/л.

Общий приход веществ, поступающих в котел при загрузке щепы и закачке кислоты, приведен в табл. 1.1.

Заварка до 110 °С и пропитка. Во время подъема темпе-

ратуры до 110 °С из котла с первыми сдувками уходит жидкость

13

в количестве 5 % (см. рис. 1.1) от общего ее объема, что соста-

вит 8940 · 0,05 = 450 л/т целлюлозы.

Таблица 1 . 1

Общий приход в котел веществ при загрузке щепы и закачке кислоты

Учитывая уплотнение щепы и пониженное отношение Na2О:древесина, расход SO2 на химические реакции примем равным9 % отабсолютносухойдревесиныиусловноотнесемегоцеликом кпериоду пропитки. Расход SO2 составит 1800 · 0,09 = 162 кг/т целлюлозы.

Общее количество жидкости в котле к концу заварки будет равно 8940 – 450 = 8490 л/т целлюлозы.

При титре кислоты в конце стоянки 4,5 % SO2 и 0,3 % Na2О (см. рис. 1.1) в растворе будет содержаться

14

Имея в виду, что в начале варки в котле было 605 кг SO2, получим, что в виде газа с первой сдувкой из котла должно уйти

SO2 605 – (27 + 162 + 382) = 34 кг/т целлюлозы.

Парообразование при первой сдувке вследствие относительно низких температур весьма незначительно, и для простоты его можно не учитывать.

По разности расход Na2O на химические реакции составит

68,0 − (3,0 + 25,5) = 39,5 кг/т целлюлозы.

За время заварки переходит в раствор органических веществ (см. кривую выхода на рис. 1.1): 100 – 85 = 15 % от массы древесины.

На 1 т целлюлозы это составит 1800 · 0,15 = 270 кг.

Из них очень небольшая часть уходит со сдувочной жидкостью. Ко времени получения жидкости (см. кривую выхода на рис. 1.1) успевает перейти в раствор приблизительно 2 % веществ от древесины, или 1800 · 0,02 = 36 кг.

Средняя концентрация органических веществ в растворе с учетом веществ, поступивших в котел с кислотой и перепускной жидкостью, составит

(36,0 + 190)10008490 = 26,6 г/л.

С 450 л сдувочной жидкости из котла уйдет

26,61000450 = 12 кг органических веществ.

Итоговый материальный баланс заварки (на 1 т целлюлозы) приведен в табл. 1.2.

15

Таблица 1 . 2

Итоговый материальный баланс заварки

Подъем температуры до конечной и варка на конечной температуре (140 °С). Во время подъема температуры после стоянки на 110 °С производят перепуск щелока в следующий котел, с которым уходит 20 % общего первоначального объема жидкости, или 8940 · 0,20 = 1790 л/т целлюлозы.

Среднее содержание в сдувочной жидкости, спускаемой из котла между 5,5 и 6,5 ч варки (см. рис. 1.1), приблизительно составит

Следовательно, с перепускной жидкостью из котла уходит:

Количество жидкости в котле к концу варки ориентировочно определим, приняв, что со сдувками уходит пара 40 кг/т целлюлозы. Тогда объем жидкости в котле к концу варки составит

8490 − 1790 − 40 = 6660 л/т целлюлозы.

При содержании 1,5 % SO2 и 0,1 % Na2O (см. кривые на рис. 1.1) в конечном щелоке остается

16

Расход Na2O на химические реакции по разности составит

25,5 − (4,1+ 6,7) = 14,7 кг.

Расход SO2 на химические реакции мы условно целиком отнесли на период пропитки (заварки). Следовательно, уменьшение содержания SO2 в щелоке должно было произойти за счет SO2, уходящего со сдувками. В виде газообразного SO2, следовательно, должно уходить 382 – (64 + 100) = 218 кг SO2.

Подсчитаем теперь более точно, сколько уходит водяного пара со сдувками. Для упрощения допустим, что в газовом пространстве котла находится лишь SO2 и водяной пар. Тогда по закону Дальтона общее давление в котле равно

Р = Р1 + Р2 ,

где P1 – парциальное давление водяного пара; P2 – парциальное давление SO2.

Для каждого из газов можно написать уравнение Клайперона – Менделеева:

для водяного пара P1V = G1R1T,

где P1 – парциальное давление водяного пара, Па; P2 – парциальное давление SO2, Па; V – объем газовой смеси (примем его равным 1 м3); G1 – масса водяных паров, заключенных в этом объеме, кг; G2 – масса SO2, заключенного в этом объеме, кг; R1 – газовая постоянная водяного пара, R1 = 461,2 Дж/(кг·°С); R2 – газовая постоянная SO2, R2 = 129,8 Дж/(кг·°С); T – абсолютная температура газовой смеси, К.

В нашем случае (см. рис. 1.1) сдувки во время варки начинаются через полчаса после окончания стоянки и продолжаются

17

непрерывно до достижения температуры 140 °С. Средняя температура в котле за это время составляет (116 + 140): 2 = 128 °С и, следовательно, Т = 128 + 273 = 401 К.

Температуре 128 °С по таблицам насыщенного пара (см. табл. П1 приложения) отвечает абсолютное давление водяного пара Р1 = 254 800 Па (2,6 кгс/см2). Примем, что в результате незначительных колебаний среднее избыточное давление в котле за время сдувки составляет 593 880 Па (6,06 кгс/см2). Общее абсолютное давление будет больше на 101 325 Па (на одну физическую атмосферу), т.е. будетравноP = 593 880 + 101 325 = 695 205 Па.

Тогда парциальное давление SO2 составит P2 = P – P1 = = 695 205 – 254 800 = 440 405 Па.

Подставив значения в уравнение Клапейрона – Менделеева, найдем массу водяного пара в 1 м3 парогазовой смеси, кг:

и массу SO2, кг:

G2 = Р2V = 440 405 1 = 8,45.

Р2T 129,8 401

Доля водяного пара в газовой смеси составит

По нашему расчету со сдувками ушло 218 кг газообразного SO2; количество сопровождающих их водяных паров составит

218 85,914,1 = 36 кг.

18

Так как расхождение с предварительно принятой цифрой 40 кг/т целлюлозы получилось небольшое, оставим ее без изменения.

Кконцу варки выход целлюлозы составляет 49 % от дре-

весины, или 1800 · 0,49 = 880 кг.

После стоянки при температуре 110 °С оставалось нерастворенной древесины 1530 кг (см. табл. 1.2). Переходит в раствор органических веществ за время варки 1530 – 880 = 650 кг. Из этого количества часть уходит со сдувками в виде газообразных

илетучих веществ и часть – с перепускной жидкостью в виде растворенных веществ.

Кначалу перепуска, согласно кривой выхода (см. рис. 1.1), врастворпереходит100 – 77 = 23 % органическихвеществотдреве-

сины, или 1800 · 0,23 = 414 кг, а к концу перепуска 100 – 62 = 38 %, или1800 · 0,38 = 684 кг.

Из этих количеств 270 кг перешло в раствор за время заварки; следовательно, с момента начала подъема температуры в раствор перешло органических веществ: к началу перепуска

414 – 270 = 144 кг, к концу перепуска 684 – 270 = 414 кг.

Вместе с 448 кг органических веществ, имевшихся в растворе после заварки (см. табл. 1.2), будем иметь органических веществ в растворе: к началу перепуска 144 + 448 = 592 кг, к концу перепуска 414 + 448 = 862 кг.

К началу перепуска в котле находится 8490 л жидкости. Концентрацияорганическихвеществврастворевэтотмоментравна

59210008490 = 69,8 г/л.

К концу перепуска со сдувками уйдет около 20 кг водяных паров; в котле останется жидкости 8490 – (1790 + 20) = 6680 л.

Концентрация органических веществ в растворе составит

862 10006680 =129,0 г/л.

19

Средняя концентрация органических веществ в растворе за время перепуска будет равна

69,8 +129,0 = 99,4 г/л.

2

Следовательно, с перепуском уйдет из котла растворенных органических веществ

99,417901000 =178 кг.

Всего за время заварки и варки со сдувочной и перепускной жидкостью уйдет растворенных органических веществ 12 + 178 = 190 кг. Эти вещества перейдут в варочную кислоту для следующей варки. Мы как раз принимали, что с варочной кислотой и перепускной жидкостью поступает в котел органических веществ 190 кг/т целлюлозы (см. табл. 1.1).

Количество газообразных и летучих продуктов, уходящих со сдувками, примем в процентах от абсолютно сухой древесины: углекислого газа – 0,75; ацетона – 0,33; метилового спирта – 0,48; фурфурола и цимола – 2,20; уксусной кислоты – 0,21; муравьиной кислоты – 0,22; всего 3,99, или округленно 4 % от массы древесины. Впересчетена1 тцеллюлозыэтосоставит1800 · 0,04 = 72 кг[1].

За вычетом этих веществ из общего количества 650 кг органических веществ, перешедших в раствор при варке, останется в растворе 650 – 72 = 578 кг. Из них в свою очередь 178 кг уходит с перепускной жидкостью; остается в котле 578 – 178 = 400 кг. Вместе с ранее имевшимися в растворе 448 кг органических веществ это составит 400 + 448 = 848 кг.

Концентрация органических веществ в щелоке к концу варки будет равна

848 10006660 =129 г/л.

Итоговый материальный баланс на 1 т целлюлозы для периода варки представлен в табл. 1.3.

20