Моделирование и оптимизация процесса щелочной варки древесины в присутствии солей некоторых металлов переменной валентности

ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ

УДК 676.1.022

МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ЩЕЛОЧНОЙ ВАРКИ ДРЕВЕСИНЫ В ПРИСУТСТВИИ СОЛЕЙ НЕКОТОРЫХ МЕТАЛЛОВ ПЕРЕМЕННОЙ ВАЛЕНТНОСТИ

Докт. техн. наук КАРПУНИН И. И.

Белорусский национальный технический университет

На основании проведенных автором исследований [1-4] и материалов [5] возникла необходимость моделирования процесса щелочной варки в присутствии некоторых солей металлов переменной валентности. Это диктуется необходимостью выдачи определенных данных по ведению технологического процесса щелочной варки в производственных условиях по оптимальным параметрам. В отличие от обычной сульфатной варки в рассматриваемом случае необходимо было учесть влияние солей, приводящих к улучшению делигнификации и увеличению выхода волокнистого полуфабриката с меньшим содержанием лигнина. Для моделирования и оптимизации процесса был применен метод математического планирования эксперимента, для чего использовались подходы, изложенные в [1-4].

При щелочной варке растительного сырья переменными факторами являются температура варки, время протекания процесса и концентрация взятой соли. Необходимые исходные данные для планирования эксперимента пред-

ставлены в табл. 1. При этом следует отметить, что на протекание процесса щелочной делиг-нификации оказывают влияние как природа металла, так и его количество. Выполняемые автором исследования были проведены с целью оптимизации процесса щелочной варки древесины в присутствии сернокислой меди. Что касается оптимизации процесса щелочной варки растительного сырья, то следует заметить, что в присутствии других металлов переменной валентности опыты проводились в аналогичных условиях. Полученные результаты зависели от химической природы добавленного металла.

Характеристика плана Хартли представлена в табл. 2. Коэффициенты регрессии, полученные расчетным путем, приведены в табл. 3. Выходные параметры для уравнений регрессии (табл. 3): 71 - выход; 72 - содержание остаточного лигнина; 7з - степень делигнификации; 74 - степень удаления углеводов. По оценке значений коэффициентов регрессии и адекватности, модели для указанных параметров были получены уравнения регрессии.

Таблица 1

Данные для планирования эксперимента

Переменный фактор

Характеристика плана Температура Х1, °С Время варки Хг, ч Концентрация соли металла переменной валентности Х3*

1 2 3 1 2 3 1 2 3

Основной уровень (0) 175 160 165 2,5 2,5 2,5 0,05 0,05 0,05

Верхний уровень (+) 180 170 175 3,0 3,0 3,0 0,10 0,10 0,10

Нижний уровень (-) 160 150 150 2,0 2,0 2,0 0,01 0,01 0,01

Примечание. 1 - хвойные породы (ель); 2 - лиственные породы (береза); 3 - смесь пород древесины (40 % березы + + 60 % ели).

* В качестве добавки в щелок использовали медный купорос.

Наука итехника, № 6, 2012

Таблица 2

Характеристика плана Хартли

Показатель Значение показателя

Номер плана 6

Область эксперимента Куб

Ядро плана Х2 Х3

Число опытов в ядре N1 8

Звездное i

Число звездных точек 2к 8

Число опытов в центре П0 4

Общее число опытов N 20

Значение параметров оптимизации переводили в соответствующие желательности (di, йг, йъ, d4) и устанавливали обобщающую функцию желательности как среднее геометрическое D = ^did—d3114.

Уравнение регрессии оценивали на воспроизводимость опытов (по критерию Кохре-на). Опыты оказались воспроизводимыми. Так, Gp — ^табл, где Gp - отношение наибольшей из оценок к сумме всех оценок дисперсий.

Уравнение регрессии оценивали на адекватность по критерию Фишера.

Для нахождения оптимальных условий использовали уравнение

Y = Во + BiXi + X2 + B3X3 + BiiXX2 + B13X1X3 + + B23X2X3 + Bio X- + B20 X- + B3i x32 ,

где Bo, Bi, B2, B3, Bii, Bi3, B23, Bio, B20, B3i - коэффициенты регрессии; переменные факторы: Xi - температура; Х2 - время варки; Х3 - концентрация соли металла переменной валентности.

Анализ полученных уравнений показывает, что поверхность отклика выходных параметров

(71, 72, 7з, 74) представляет параболоид. Параболоид имеет точку вне плана эксперимента. Из литературных данных известно, что все многообразие поверхностей отклика разделяется на 3 класса. В рассматриваемом автором случае поверхность отклика принадлежит к 3-му классу и представляет собой тип «седла». Такие поверхности характеризуются тем, что коэффициенты уравнения в канонической форме имеют разные знаки, а центр поверхности находится поблизости от центра эксперимента. Для нахождения условного экстремума и критерия оптимальности с участием медного купороса необходимо было учитывать ограничения, наложенные на влияющие факторы и остальные функции отклика. Статистический анализ экспериментальных данных был проведен согласно литературным источникам. Все коэффициенты оказались значимыми (В;- > 1Бв}). Принятая модель является адекватной, так как по критерию Фишера Ррасч < Ртабл.

Вычисления, выполненные на ЭВМ, показывали, что оптимальный параметр имеет максимум для хвойных пород древесины (ель), если варку вести при температуре 175-180 °С в течение 3 ч с содержанием Си8О4 • 5ШО в щелоке - 0,03 % к навеске исходного сырья. Для лиственных пород древесины (береза) температура должна быть 165-170 0С, а процесс варки продолжаться в течение 2,5 ч; для смеси хвойных и лиственных пород древесины (60 % ели + 40 % березы) температура должна быть в пределах 170-175 0С, содержание Си8О4 • 5Н2О в щелоке - 0,03-0,04 % к навеске исходного сырья, время варки - 2,75 ч.

Таблица 3

Коэффициенты регрессии, полученные расчетным путем

Порода древесины Индекс параметра Во Bi В2 В3 В10 В11 В13 В20 В23 В31

Ель Yi 53,42 -13,27 5,05 2,05 -1,19 -3,52 0,07 0,10 -0,84 3,54

Y2 9,67 -10,32 2,25 -0,2 -3,55 0,57 2,84 -2,90 -1,8 2,42

Y3 81,54 24,92 8,27 -0,64 1,53 0,92 1,92 -1,80 -0,40 -8,46

Y4 26,05 7,84 5,67 2,40 -5,66 0,12 3,15 0,30 -2,72 -3,68

Береза Yi 49,52 -11,05 -4,55 4,84 3,07 0,15 -2,20 2,47 0,23 2,62

Y2 7,05 -4,11 -2,82 1,23 -0,26 -0,22 0,09 -0,21 -0,66 1,10

Y3 83,77 18,19 12,07 -6,95 -4,81 2,80 1,85 -5,54 -0,18 -5,43

Y4 30,75 6,62 7,49 -5,03 -2,93 2,02 -2,28 0,12 0,84 -1,85

Смесь хвойных и лиственных пород (60 % ели + + 40 % березы) Yi 51,37 -16,61 -4,42 2,59 0,52 -2,81 0,32 0,74 1,15 4,12

Y2 8,51 -9,57 -2,16 0,07 -2,91 0,41 1,76 -2,30 -1,19 2,96

Y3 82,80 25,22 8,91 0,00 2,17 1,31 -3,23 -0,99 1,80 10,56

Y4 28,60 6,18 1,37 -5,01 0,04 1,98 1,07 -2,06 -1,03 -3,05

Наука итехника, № 6, 2012

Анализ литературных данных позволил использовать имеющиеся в них подходы для разработки оптимальных условий щелочной варки растительного сырья в присутствии солей некоторых металлов переходной валентности. Результаты анализа щелочных варок опилок (с участием и без указанных солей) послужили основой для разработки оптимальных условий щелочной варки растительного сырья (древесины) в виде щепы. Для варки использовали березовую и еловую древесину, а также смесь из 60 % еловой и 40 % березовой древесины.

Полученный волокнистый полуфабрикат характеризовался как целлюлоза (I), целлюлоза высокого выхода (II), полуцеллюлоза (III). Для целлюлозы (I) выход составлял 44-50 %, для целлюлозы высокого выхода (II) - 51-60 %, для полуцеллюлозы (III) - 61-68 %. Подбор фрагмента исходных данных по щелочной варке еловой и березовой древесины, а также смеси хвойных и лиственных пород в присутствии солей показывал, что при щелочной варке еловой древесины при наличии в качестве катализатора медного купороса (с достижением выхода 44-50 %, 51-60 % и 61-68 %) возрастают физико-механические свойства (разрывная длина, число двойных перегибов и сопротивление продавливанию) целевого продукта.

Расчет показал, что для оптимизации процесса при выходе целевого продукта от 44 до 50 % с заданными показателями (разрывная длина, сопротивление излому и продавлива-нию) щелочную варку растительного сырья нужна проводить в следующих условиях:

• еловой древесины: температура процесса -172-175 °С; время варки - 2,7-3,0 ч; количество медного купороса к навеске исходного сырья - 0,035 %;

• для получения целлюлозы из березовой древесины: температура процесса - 166-168 °С; время варки - 2,2-2,4 ч; количество медного купороса - 0,028 %;

• смеси хвойных и лиственных пород древесины (60 % ели + 40 % березы): температура процесса - 169-172 °С; время варки - 2,00-2,35 ч; количество медного купороса - 0,032 %.

Аналогично при получении целлюлозы высокого выхода (II) щелочную варку следует проводить:

• еловой древесины: время варки - 1,10-1,22 ч; температура процесса - 177-180 °С; количество соли - 0,037 % к навеске исходного сырья;

• березовой древесины: время варки -0,88-0,92 ч; температура процесса - 175-176 °С; количество соли металла - 0,022 %;

• смеси хвойных и лиственных пород древесины (60 % ели + 40 % березы): время варки - 0,95-1,10 ч; температура процесса -176-178 °С; количество соли металла - 0,042 %.

При получении полуцеллюлозы (III) щелочную варку растительного сырья нужно проводить при следующих условиях:

• еловой древесины: время варки - 0,35-0,45 ч; температура процесса - 183-185 °С; количество введенной соли к навеске исходного сырья -0,017 %;

• березовой древесины: время варки -0,3-0,35 ч; температура процесса - 180-182 °С; количество соли - 0,025 %;

• смеси хвойных и лиственных пород (60 % ели + 40 % березы): время варки - 0,33-0,37 ч; температура процесса - 182-183 °С; количество соли - 0,036 %.

В Ы В О Д Ы

Оптимизация процесса щелочной (сульфатной) варки зависит от химической природы металла.

На щелочную делигнификацию растительного сырья и выход целевого продукта оказывает влияние не только природа металла, введенного в виде соли, но и его количество.

Качественные показатели целевого продукта зависят от химической природы и количества используемого металла, температуры и времени варки.

Выход целевого продукта, его физико-механические показатели и процесс делигнифика-ции при варке в присутствии соли металла зависят и от породы древесины.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. Карпунин, И. И. Научно-технические основы ресурсосберегающих экологически состоятельных технологий переработки растительного целлюлозосодержаще-го сырья: автореф. дис. ... докт. техн. наук. - Минск, 2004. - 42 с.

2. Капуцкий, Ф. Н. Исследование влияния некоторых солей металлов переменной валентности при щелочной делигнификации древесины / Ф. Н. Капуцкий, И. И. Карпунин // Журнал прикладной химии. - 1980. - Т. 53, вып. 5. - С. 1135-1139.

3. Карпунин, И. И. Влияние солей металлов переменной валентности на щелочную варку растительного сырья и регенерацию щелока / И. И. Карпунин // Весщ НАН Беларуси. Серыя хм. навук. - 2001. - № 4. - С. 111-116.

4. Карпунин, И. И. Особенности щелочной варки растительного сырья с участием солей переменных металлов / И. И. Карпунин // Весщ НАН Беларуси. Серыя хм. навук. - 2002. - № 2. - С. 111-115.

5. Непенин, Ю. Н. Производство сульфатной целлюлозы. Технология целлюлозы / Ю. Н. Непенин. - М: Лесн. пром., 1990. - Т. 2. - 599 с.

Поступила 28.03.2012

Наука итехника, № 6, 2012