Совершенствование системы газоочистки при сульфатной варке целлюлозы

Д. Ф. Зиатдинова, Р. Г. Сафин, М. А. Мазохин,

Р. Р. Зиатдинов, Д. А. Ахметова

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМЫ ГАЗООЧИСТКИ

ПРИ СУЛЬФАТНОЙ ВАРКЕ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ

Ключевые слова: целлюлоза, сульфатная варка, испарение, конденсация, математическая

модель, щелок, установка, энергозатраты.

С целью предотвращения вредных выбросов в атмосферу сульфат-целлюлозного производства и улавливания ценных компонентов из парогазовой смеси была усовершенствованна технологическая схема установки для получения сульфатной целлюлозы.

Key words: pulp, kraft, evaporation, condensation.

In order to prevent harmful emissions of sulphate pulp production and recovery of valuable components from the gas mixture was improvement of technological setup for kraft pulp.

Предприятия целлюлозно-бумажной, гидролизной и лесохимической промышленности по воздействию на окружающую среду остаются одними из экологически опасных и проблемных по величине токсичных выбросов в атмосферу и сбросов в воду. Кроме того отличительной особенностью российских промышленных предприятий являются устаревшие оборудование и технологический процесс.

Большое количество вредных и опасных веществ попадает в атмосферу в процессе работы целлюлозно-бумажного комбината. Увеличение масштабов загрязнения атмосферы делает целесообразным разработку быстрых и эффективных способов защиты от загрязнения, а также способов предупреждения вредного воздействия загрязнителей воздуха. Существуют два метода уменьшения воздействия на окружающую среду вредного производства. Первый - совершенствование очистительных установок по очистке выбросов и сбросов от токсикантов. Второй - совершенствование технологического процесса производства, разработка экологически чистых методов производства, методов по уменьшению от-ходности предприятия и безопасных промышленных установок [1-3].

С целью предотвращения вредных выбросов в атмосферу сульфат-целлюлозного производства и улавливания ценных компонентов из парогазовой смеси была усовершенствованна технологическая схема установки для получения сульфатной целлюлозы [4,5].

Процесс получения сульфатной целлюлозы, включает стадии загрузки сырья и его уплотнения, подачу варочной жидкости, повышение температуры и давления до рабочих параметров, выдержку содержимого котла при заданной температуре, выдувку массы в выдувной резервуар, отвод паров вскипания при выдувке из выдувного резервуара. На рис.1 представлена усовершенствованная технологическая схема процесса сульфатной варки целлюлозы. Из бункера 1 щепа загружается в варочный котел 2, куда заливают через штуцер 29 щелок, который поступает из баков - мерников температурой 80-90 °С. Время загрузки щепы и закачки щелоков занимает 60-90 минут. Щелок предварительно нагревают за счет конденсации паров вскипания в выдувном резервуаре. После закачки

36

1ЛІУ

->4-р

Емкость с отработанной щелочью

03-^ а

11

29

к

=М>

Ж

ЧІ>

=^3=

/

/

30

І, I

/

/

—1X1-----1=

34 1 ^

2 - /

—А 1—кь

^*4

33

28

19

'•Vw~-.V-.~~

±

15

22 22 22 \ л

•6 _С----------П 17

ги^

1+

X

£

20

12 Х^-13

г

14

25

\ ‘Х

26 27

/

31

32

И

18 21

23

24

9

7

2

3

1

8

4

5

6

Рис. 1 - Схема технологического процессасульфатной варки целлюлозы

щелоков котел герметизируют и начинают варку. За счет системы принудительной циркуляции щелоков через теплообменник осуществляется подъем температуры от начальной 80-90 °С до конечной температуры варки 165-175 °С, в течении 2-2,5 часа. По достижении конечной температуры содержимое котла выдерживают, то есть проводят варку продолжительностью 2-2,5 часа. После окончания варки котел опоражнивают выдувкой целлюлозной массы в выдувной резервуар, для этого открывают сначала механический затвор 11, затем затвор 10, после чего целлюлозная масса по выдувному трубопроводу 3 поступает в приемную горловину циклонного типа 4 выдувного резервуара 5. Так как варочный котел до открытия клапана находится под избыточным давлением 1,2-1,4 МПа, а выдувной резервуар под атмосферным, жидкий щелок, поступающий с целлюлозной массой за счет сброса давления резко вскипает, вследствие чего происходит бурное парообразование с выделением летучих дурнопахнущих веществ, таких как сероводород, диметилсульфид, метилмеркаптан. Готовую целлюлозу через штуцер 6 подают на сортирование и промывку, а пары вскипания отводятся через трубопровод 7 на конденсацию.

С целью сокращения энергозатрат конденсацию на первой ступени осуществляют смешением отработанной щелочи с парами вскипания, отводимыми через трубопровод 7 в конденсаторе смешения 30. Сконденсировавшиеся отработанной щелочью пары вскипания собираются в емкости 32 и изолируются от окружающей среды гидравлическим затвором 31. В результате конденсации происходит нагревание отработанной щелочи до 80-90 0С. Разогретая щелочь из емкости 32 поступает по трубопроводу 33 в варочный котел 34, где происходит предварительный прогрев технологической щепы.

На второй ступени конденсации отвод несконденсировавшихся паров вскипания при выдувке осуществляется через трехступенчатую систему конденсации в противоточ-ном режиме. На входе первой ступени температуру охлаждающего агента, в качестве которого используется раствор хлористого кальция, поддерживают в пределах 40-50 °С, на входе второй ступени поддерживают температуру в пределах 17-27 °С, на входе третий ступени поддерживают температуру ниже 0 °С; линию отвода паров вскипания изолируют от окружающей среды механическим затвором в начале и гидравлическим затвором в конце, отвод несконденсировавшихся паров осуществляется эжектированием [6].

Парогазовая смесь сероводорода, диметилсульфида и метилмеркаптана, подача которой регулируется механическим затвором 11, поступает в нижнюю часть кожухотрубчатого конденсатора 15. Одновременно в верхнюю часть конденсатора с помощью центробежного насоса 21 по трубопроводу подачи 8 подается охлаждающий агент - раствор хлористого кальция, который охлаждается в теплообменнике 19 с помощью холодильника 20. Сероводород является одной из составляющих парогазовой смеси и кипит при температуре 60,3 °С. Чтобы провести полную конденсацию этого газа охлаждающем агентом, необходимо поддерживать температуру парогазовой смеси на входе в конденсатор 15 на оптимальном уровне 40-50 °С, так как при температуре ниже 40 °С необходимо увеличить энергозатраты на охлаждение раствора СаС12, а при температуре выше 50 °С уменьшается движущая сила процесса конденсации, которая должна компенсироваться увеличением поверхности конденсации. Не сконденсировавшиеся при данной температуре пары отводятся по линии отвода 22 в конденсатор 16, на входе которого аналогичным образом поддерживается температура в пределах 17-27 °С, что обеспечивает полную конденсацию диметилсульфида, температура кипения которого составляет 37,3 °С. Метилмеркаптан, кипящий при 6,8 °С, полностью улавливается в конденсаторе 17 при температуре раствора ниже 0 °С, куда поступает по линии отвода 22. Сероводород, диметилсульфид и метилмеркаптан в жидком виде собираются в соответствующие емкости 25, 26, 27. Отвод не

сконденсировавшихся паров осуществляется с помощью эжекторного устройства 18, куда подается оборотная вода через вентиль 28. Вся линия отвода паров вскипания изолируется от окружающей среды гидравлическим затвором 23, который позволяет удалить инертный газ, попавший в систему выдувки. По окончании выдувки прекращается подача охлаждающего агента отключением центробежного насоса 21 и закрываются вентили 12, 13, 14 и механический затвор 11.

Такая организация процесса получения сульфатной целлюлозы позволяет не только ликвидировать выбросы паров в атмосферу, но и сократить расход черного щелока и продолжительность процесса варки.

Математическую модель усовершенствованного процесса можно составить на основе уравнений материального и теплового балансов применительно к паровой и жидкой фазам [7].

Паровая фаза

При идеальном перемешивании компонентов пара уравнение материального баланса по І-му паровому компоненту можно записать в виде

^ - О,Р| = V. ^,

ах

Первый член левой части определяет приток -го компонента в паровую фазу за счет испарения; второй член - отвод І -го компонента из аппарата в систему удаления; правая часть - изменение массы І -го компонента в объеме аппарата.

Уравнение теплового баланса паровой смеси определяется по соотношению

рпсмСпсм

Ч.СІТ = СсмРТ

І=1

Левая часть уравнения - изменение теплосодержания смеси; первый член правой части - приток тепла с паровой смесью удаляемой с поверхности жидкости; второй член -отвод тепла из реактора за счет производительности конденсатора.

Жидкая фаза

Дифференциальное уравнение переноса энергии для жидкой фазы имеет вид

С ж тсмСТ + ссмТСтсм + тсмТСссм =

ЙХсТн Сх - £}с жі ТРСх - Йі^Сх

і=і і=і і=і

Левая часть уравнения (3) определяет изменение теплосодержания жидкой смеси; первое слагаемое правой части характеризует приход тепла с загружаемыми компонентами; второе - потерю тела с уходящими парами компонентов; третье - расход тепла на парообразование.

Дифференциальное уравнение переноса массы можно записать соотношением

Стсм = ЯізСХ - Я^х

і=і і=і

Левая часть уравнения определяет изменение массы -го компонента в реакторе; первое слагаемое правой части характеризует массы -го компонента за счет загрузки компонента, второе - за счет испарения -го компонента.

Совместное решение уравнений теплового и материального баланса для паровой и жидкой фазы позволяет определить кинетические зависимости технологического процесса.

Основные обозначения:

] - поток пара, кг/(м с);

Р - поверхность испарения, м2;

0к - объемная производительность конденсатора, м3/с;

Усв - свободный объем аппарата, м3; р -плотность, кг/м3; т - время, с;

с - теплоемкость, Дж/(кгК);

Т - текущая температура, К; т - масса смеси, кг;

0з - загрузка компонента, кг/с.

Индексы:

I - компонент пара или жидкости; ж - жидкость; н - начальная; п - пар; см - смесь.

Литература

1. Пен, Р.З. Технология целлюлозы. Т. 1. Производство сульфатной целлюлозы: учебное пособие для студентов специальности 260300 всех форм обучения / Р.З. Пен. - Красноярск: СибГТУ, 2001.

- 358 с.

2. Седых В.В. Основы научных исследований и проектирование предприятий целлюлознобумажного производства. Инженерное обеспечение предприятий: учебное пособие / В.В. Седых.

- Красноярск, СибГТУ, 2004.- 104 с.

3. Пен Р.З. Технология целлюлозы. Технологические расчеты варочного отдела завода сульфатной целлюлозы: учебное пособие / Р.З. Пен, И.В. Мирошниченко. - Красноярск: СибГТУ, 2004. -54 с.

4. Сафин Р.Г. Совершенствование технологических процессов, сопровождающихся выбросами токсичных веществ/ Р.Г.Сафин, Д.Ф.Зиатдинова, Н.Ф.Тимербаев, В.Н.Башкиров, А.Ш.Беляев // Вестник КГТУ -2002. - №2 - С.68-72.

5. Сафин Р. Г. Моделирование химических процессов, протекающих в герметичных условиях / Р.Г.Сафин, Д.Ф.Зиатдинова, Н.Ф.Тимербаев // Математические методы в химии и химической технологии: Тез.докл.междунар.науч.конф. - Тамбов, 2002. - Т.4. - С.66-67.

6. Исаченко В.П. Теплообмен при конденсации / В.П.Исаченко. - М.: Энергия, 1977.-240с.

7. Сафин Р.Г. Технологические процессы и оборудование деревообрабатывающих производств / Р.Г.Сафин. - Казань: изд-во КГТУ, 2000. - 400с.

© Д. Ф. Зиатдинова - канд. техн. наук, доц. каф. переработки древесных материалов КГТУ, ziatdinova@rambler.ru; Р. Г. Сафин - д-р техн. наук, проф. каф. переработки древесных материалов КГТУ; М. А. Мазохин - асп. той же кафедры; Р. Р. Зиатдинов асп. той же кафедры; Д. А. Ахметова - канд. техн. наук, доц. той же кафедры.