Моделирование процесса выгрузки варочного котла при переработке древесных отходов

УДК 66.013

Д. Ф. Зиатдинова, Р. Г. Сафин, Д. Ш. Гайнуллина,

М. А. Мозохин, Р. Р. Зиатдинов

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВЫГРУЗКИ ВАРОЧНОГО КОТЛА ПРИ ПЕРЕРАБОТКЕ ДРЕВЕСНЫХ ОТХОДОВ

Ключевые слова: математическое моделирование, древесина, переработка, варка, технологическая щепа, сброс

давления.

Рассматривается технология производства вспененного теплоизоляционного материала на основе отходов деревообработки с получением математической модели позволяющей рассчитать давление в реакторах и котлах в зависимости от состава жидкой смеси.

Key words: mathematical modeling, wood processing, cooking, technology chips, and pressure.

The technology of production of foam insulation material based on wood waste to produce a mathematical model allowing to calculate the pressure in the reactors and boilers, depending on the composition of the liquid mixture.

При переработке древесных материалов часто приходится сталкиваться с процессом нагрева сырья под избыточным давлением [1,2]. При таких процессах меняются физикохимические свойства материалов, ускоряются химические процессы, примерами таких процессов являются: сульфатная варка целлюлозы [3,4], измельчение древесных частиц сбросом давления [5], безреактивное расщепление отходов деревообработки путем гидролиза [6], производство вспененных теплоизоляционных материалов на основе использования древесных отходов.

Вышеперечисленные процессы сопровождаются выделением токсичных веществ, которые при выгрузке варочных котлов могут попасть в окружающую среду. Для избежания попадания токсичных веществ в атмосферу выгрузку продуктов реакции с реакторов целесообразно производить в выдувные резервуары, изолированные от окружающей среды специальными затворами. При такой организации процесса решаются не только экологические вопросы, но также сохраняются материальные ресурсы, за счет улавливания ценных компонентов.

Вспененные теплоизоляционные материалы на основе отходов деревообработки, можно получить при смешивании древесно-целлюлозной массы, с раствором связующего материала коллоидного типа, нагрева смеси в герметичном объеме и быстрой выгрузки нагретой смеси. За счет сброса давления происходит вскипание растворителя, совместное вспенивание коллоидного связующего с древесно-целлюлозной массой и образование вспененного теплоизоляционного материала.

Качество теплоизоляционного материала при этом во многом определяется степенью измельчения древесно-целлюлозной массы.

Наиболее эффективным способом получения древесно-целлюлозной массы при этом является разволокнение технологической щепы путем варки в герметичном объеме последующим сбросом давления (рис. 1).

Процесс протекает следующим образом. Заданное количество щепы и щелока загружается варочный котел 1. Проводится процесс герметизации и начинается процесс варки. Нагревают древесную щепу в реакторе до конечной температуры 165-175°С. По достижению конечной температуры содержимое варочного котла выдерживают, то есть проводят варку. После окончания варки реактор выгружают выдувкой древесно-целлюлозной массы в выдувной резервуар 2. Так как варочный котел находится под избыточным давлением 1,2-1,4 МПа, а выдувной резервуар под атмосферным, жидкий щелок, поступающий с древесноцеллюлозной массой за счет сброса давления резко вскипает, вследствие чего происходит

бурное парообразование с выделением летучих дурнопахнущих веществ, таких как сероводород, диметилсульфит, метилмеркаптан. Готовый продукт (древесно-целлюлозную массу) сливают на дальнейшую обработку, а образовавшиеся пары вскипания эжекционным конденсатором смешения 3 конденсируют.

Рис. 1 - Технологическая схема производства древесно-целлюлозной массы: 1 -варочный котел, 2 - выдувной резервуар, 3 - конденсатор смешения, 4 -поверхностный конденсатор I ступени, 5 - поверхностный конденсатор II ступени, 6 -холодильник, 7 - абсорбер, 8 - сборник диметилсульфида, 9 - сборник

метилмеркаптана, 10 - теплообменник

Несконденсировавшаяся парогазовая смесь диметилсульфида и метилмеркаптана поступают на первую ступень конденсации в поверхностный конденсатор 4.

На первой стадии конденсируется диметилсульфид. Диметилсульфид является одной из составляющих парогазовой смеси и кипит при температуре 37,3 °С.

Несконденсировавшиеся пары метилмеркаптана отводятся на вторую ступень конденсации 5. Поддерживаемая холодильником 6 температура в 0°С обеспечивает полную конденсацию метилмеркаптана, кипящего при 6,8 °С. Диметилсульфид и метилмеркаптан в жидком виде собираются в емкостях 8,9. Пары сероводорода улавливаются насадочным абсорбером 7.

Предлагаемая разработка позволяет полностью исключить выбросы вредных дурнопахнущих веществ в атмосферу, извлечь отдельные соединения с целью получения ценных компонентов для их дальнейшего рационального использования.

Величина давления в выдувном резервуаре зависит от температуры и содержания диметилсульфида и метилмеркаптана. Поэтому представляет интерес разработка математической модели, позволяющей рассчитать давление в резервуаре в зависимости от температуры и концентрации компонентов смеси. Связи с этим была создана экспериментальная установка (см рис. 2.) для определения экспериментальных значений давления в зависимости от температуры и концентраций компонентов в смеси.

Экспериментальная установка состоит из реактора 4, снабженным датчиком давления 5 и давления температуры 8, патрубком отвода паров 6 и патрубком отвода проб 12 установленным в термостате 2.

Регулирование температуры в термостате осуществляется электроконтактным термометром 3 с помощью реле 1.

Реактор 4 с помощью патрубка 6 и вентиля 7 может сообщаться через холодильник 9 с выдувным резервуаром 10. Перед проведением экспериментов из полости установки откачивается инертный газ с помощью вакуумного насоса 12. Затем с помощью вентиля 11 система изолируется от окружающей среды, а вакуумный насос отключается.

Рис. 2 - Экспериментальная установка для определения давления насыщения

На экспериментальной установке получены зависимости (см. рис.З) давления насыщения от температуры для различных компонентов смеси (диметилсульфида, метилмеркаптана, воды).

Р[кПа]

Рис. 3 - Зависимость давления насыщения от температуры среды

В результате математической обработки получены экспоненциальные зависимости: для воды

Рнв=ехр

78

для диметилсульфида

Рн1 = 13,76е°’2843Т

для метилмеркаптана

Рн2=64,026 е°’2428Т

Подстановка значений экспоненциальных зависимостей в уравнение Р=Х1РН1+ Х2РН2 +(1- Х1 — Х2) Рнв,, полученное совместным решением уравнений Дальтона и Рауля дает соотношение, позволяющее рассчитать давление в варочном котле или выдувном резервуаре от времени разгрузки при различных концентрациях компонентов х1 и х2.

На рис. 4 приведена экспериментальная зависимость температуры в выдувном резервуаре 10 при выгрузке реактора 4. Время разгрузки реактора регулируется с помощью вентиля 7 и поверхностью холодильника 9.

Рис. 4 - Зависимость температуры от времени в выдувном резервуаре

На рис. 5 представлены расчеты моделирования процесса выгрузки реактора при различных концентрациях диметилсульфида, метилмеркаптана в варочном растворе.

Р[<Па]

Рис. 5 - Зависимость давления от времени при концентрации ДМС и ММ: 1 - А - Х1= х2=0, 2 - о Х1= х2=0,05, 3 -  - Х1= хг=0,1

Анализ результатов моделирования показывает, что увеличение концентрации диметилсульфида и метилмеркаптана вызывает значительное повышение давления в выдувном резервуаре.

При быстром сбросе давления происходит резкий подъем давления, который может привести к разрушению выдувного резервуара. Разработанная математическая модель позволяет рассчитать конструкцию выдувного резервуара в зависимости от условий выгрузки.

Исследования по данной работе выполнены в рамках реализации федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научнотехнологического комплекса России на 2007-2013» по теме: «Создание технологии и опытной установки комплексной переработки отходов лесной промышленности с получением теплоизоляционного материала», при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации.

Литература

1. Сафин, Р.Г. Технологические процессы и оборудование деревообрабатывающих производств / Р.Г. Сафин. - М.: Изд-во МГУЛ, 2003. - 500 с.

2. Сафин, Р.Р. Анализ современного состояния лесопромышленного комплекса и перспективы его развития на базе кафедр лесотехнического профиля КГТУ / Р.Р. Сафин, Р.Г. Сафин //Вестник Казан. технол. ун-та. - 2010. - №4. - С. 120-130.

3. Зиатдинова, Д.Ф. Усовершенствование системы газоочистки при сульфатной варке целлюлозы /

Д.Ф. Зиатдинова, Р.Г. Сафин., М.А. Мозохин, Р.Р. Зиатдинов, Д.А. Ахметова// Вестник Казан.

технол. ун-та. - 2010. - №11. - С. 166-170.

4. Зиатдинова, Д.Ф. Усовершенствование промышленной установки для улавливания паров с выдувного резервуара при сульфатной варке целлюлозы/ Д.Ф. Зиатдинова, Р.Г. Сафин., Д.Ш. Гайнуллина, М.А. Мозохин // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2011. - Т.14, №14. - С. 215-219.

5. Зиатдинова, Д. Ф. Совершенствование технологий переработки древесных материалов, сопровождающихся выделением парогазовой фазы: монография / Д.Ф. Зиатдинова. - Казань КГТУ, 2009. - 144 с.

6. Зиатдинова, Д.Ф. Усовершенствование системы газоочистки в производстве целлюлозы и побочных продуктов в виде спиртов, дрожжей, фурфурола при безреактивном расщеплении отходов деревообработки/ Д.Ф. Зиатдинова, Р.Г. Сафин., М.А. Мозохин, Р.Р. Зиатдинов, Д.А. Ахметова// Вестник Казан. технол. ун-та. - 2010. - №10. - С.574-578.

© Д. Ф. Зиатдинова - канд. техн. наук, доц. каф. переработки древесных материалов КНИТУ, ziatdinova@rambler.ru; Р. Г. Сафин - д-р техн. наук, проф., зав. каф. переработки древесных материалов КНИТУ, safin@kstu.ru; Д. Ш. Гайнуллина - уч. мастер той же кафедры; М. А. Мозохин -асп. той же кафедры; Р. Р. Зиатдинов - зав. учебными мастерскими той же кафедры.