СПОСОБ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ВЫПАРИВАНИЯ ЧЕРНОГО ЩЕЛОКА, КОТОРЫЙ ПОЛУЧАЮТ ОТ ПРОЦЕССА ВАРКИ ВО ВРЕМЯ ПРОИЗВОДСТВА ЦЕЛЛЮЛОЗНОЙ МАССЫ
METHOD AND EQUIPMENT FOR EVAPORATING BLACK LIQUOR OBTAINED FROM COOKING PROCESS IN CELLULOSE PULP PRODUCTION

Настоящее изобретение относится к способу выпаривания черного щелока, получаемого от процесса варки во время производства целлюлозной массы, где черный щелок вводится в многоступенчатую линию выпаривания по меньшей мере с пятью стадиями выпаривания, в соответствии с ограничительной частью п.1 формулы изобретения. Изобретение также относится к оборудованию, как определено п.11 формулы изобретения, причем в этом оборудовании можно применять способ согласно изобретению.
Предшествующий уровень техники
Главная цель выпаривания состоит в выпаривании воды из черного щелока так, чтобы его можно было использовать в качестве топлива в котле для натронной целлюлозы. Это должно быть выполнено таким образом, чтобы использовать самое маленькое возможное количество нового пара на выпаренное количество воды, так, чтобы потеря повторно используемых химикатов для варки и веществ на основе древесины была настолько низкой, насколько возможно, и так, чтобы выпаренную воду можно было повторно использовать в процессах целлюлозного завода. Обычно в черном щелоке из установки для варки поддерживается содержание сухого вещества, составляющее приблизительно 15%, а перед сжиганием желательным является содержание сухого вещества свыше 60%. Это означает, что должны быть удалены приблизительно 5 тонн воды на тонну сухого вещества.
Расход пара должен сохраняться настолько низким, насколько возможно, и по этой причине используется процесс по меньшей мере с пятью стадиями выпаривания, в котором новый пар подается только на конечной стадии выпаривания, где черный щелок имеет самое высокое содержание сухого вещества. Удаляемый пар, пар щелока, впоследствии направляется последовательно через другие стадии. Снижение расхода пара в линии выпаривания с пятью стадиями будет составлять приблизительно 75% от того количества, которое было бы в случае использования только одной стадии. Снижение будет составлять 80%, если используются шесть стадий. Для эффективной теплопередачи максимально используется разность температур посредством использования пара на стадиях, вплоть до высокого отрицательного давления на первой стадии, где черный щелок подвергается своему первому увеличению уровня содержания сухого вещества. Отрицательное давление обычно поддерживается на первых трех или четырех стадиях, так что можно получать большую часть выпаривания при низких температурах и при низкой концентрации черного щелока. Таким образом, выпаривание черного щелока на стадиях выпаривания происходит в диапазоне температур 50-140°C. Черный щелок дополнительно выпаривается в конце стадии выпаривания с использованием различных типов суперконцентраторов, чтобы обеспечивать уровни содержания сухого вещества немного выше 80%, часто с предшествующим этапом перемешивания, на котором выполняется перемешивание в шлаке из котла для натронной целлюлозы.
Иногда для улучшения теплоотдачи можно выполнять нагревание черного щелока перед его введением на стадии выпаривания. В книге "Lutindunstning och biprodukter" ("Выпаривание щелока и побочные продукты"), Yrkesbok Y-211, ISBN 91-7322-042-6, опубликованной Шведской федерацией отраслей промышленности леса, описано, например, как черный щелок нагревают в выпарных аппаратах Кестнера в спиральном подогревателе посредством пара, который был извлечен из устройства удаления конденсата. Тогда черный щелок, который должен подвергнуться выпариванию на стадии 1, направляется через первый теплообменник, подсоединенный к стадии 3, где конденсатный пар со стадии 3 нагревает черный щелок и где черный щелок впоследствии направляется через второй теплообменник, подсоединенный к стадии 2, где конденсатный пар со стадии 2 нагревает черный щелок на второй стадии нагревания.
Процесс, в котором выпаренному щелоку из предварительной паровой камеры сжижения обеспечивают возможность выполнять теплообмен с нагревательным элементом и выпаренным сильнее щелоком из последующей стадии выпаривания между двумя стадиями выпаривания, известен из EP 485375 (является эквивалентом US 4963231). Здесь предполагается внутреннее повышение эффективности линии выпаривания, в которой выпаривание уже было выполнено на стадии выпаривания прежде, чем щелок используется для теплообмена. Здесь цель заключается в том, чтобы вместо охлаждения и конденсации малой величины пара в водоохладителе, охлаждать малую величину пара в предварительной паровой камере сжижения с помощью черного щелока, который должен подвергаться выпариванию. Результатом теплообмена между щелоками здесь является то, что черный щелок, который должен подвергаться выпариванию на последующей стадии, нагревается подогретым щелоком, который образуется на последующей стадии.
Цель и назначение изобретения
Настоящее изобретение предназначено для того, чтобы предложить улучшенное выпаривание черного щелока, при котором получаются следующие преимущества:
- улучшенная экономия тепла, с более низкой потребностью в новом паре;
- улучшенное отделение метанола через охлаждение черного щелока перед выпариванием, чтобы избегать перемешивания испаряющегося пара, который имеет большое содержание метанола, с выпаренным паром, который имеет низкое содержание метанола, на любой стадии;
- сниженный риск образования пены во время выпаривания благодаря замене испарения щелока охлаждением черного щелока;
- первые стадии выпаривания выполняются при низком уровне содержания сухого вещества и малой вязкости, что гарантирует благоприятные условия для теплопередачи во время первых стадий и что обеспечивает таким образом оптимальное использование установленной поверхности нагрева;
- передача тепловой энергии между черным щелоком, который должен подвергнуться выпариванию, и частично выпаренным черным щелоком, так что теплота в черном щелоке используется позже в линии выпаривания без потери уровня температуры;
- делает возможным улучшенное отделение мыла для щелоков из хвойных деревьев посредством отделения при низкой температуре и при слабой растворимости мыла.
Описание чертежей
Фиг.1 показывает основную концепцию в соответствии с изобретением, реализованную между двумя стадиями выпаривания.
Фиг.2 показывает изобретение, реализованное между тремя стадиями выпаривания.
Фиг.3 показывает изобретение, реализованное в подсоединении смешанного щелока, в котором черный щелок, который должен подвергнуться выпариванию, вводится в сопутствующем потоке на стадиях I и II и в противотоке на стадиях III и IV.
Фиг.4 показывает изобретение, реализованное на стадии с внутренней циркуляцией, и
Фиг.5 показывает вариант изобретения с внутренней циркуляцией на стадии I.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления
Фиг.1 показывает часть установки для выпаривания горячего черного щелока, получаемого от процесса варки во время производства целлюлозной массы, где черный щелок вводится в многоступенчатую линию выпаривания по меньшей мере с пятью стадиями выпаривания.
Каждая стадия I и II выпаривания имеет подводящий трубопровод 10 и 21, соответственно, для черного щелока, который поддерживает первый уровень содержания сухого вещества и который должен подвергнуться выпариванию, и каждая стадия выпаривания имеет выпускной трубопровод 20 и 22, соответственно, для черного щелока, который подвергся по меньшей мере частичному выпариванию на стадии выпаривания и поддерживает второй, более высокий, уровень содержания сухого вещества.
Каждая стадия выпаривания снабжена подводящим трубопроводом 3 и 2, соответственно, для пара, который поддерживает первую температуру пара и который используется на стадиях выпаривания, и каждая стадия выпаривания снабжена выпускным трубопроводом 2 и 1, соответственно, для пара, который использовался на стадии выпаривания и который поддерживает вторую, более низкую, температуру пара после стадии выпаривания.
На чертежах показаны две стадии I и II выпаривания, где пар, который используется, вводится в поток, протекающий через трубопроводы 3, 2 и 1 в противотоке относительно потока черного щелока, который вводится через трубопроводы 10, 20, 21 и 22. Удаляемый и произведенный пар конденсируются обычным образом в поверхностном конденсаторе SC, из которого получают подогретую воду.
На чертежах показаны первый блок HE1 теплообменника, который подсоединен к первой стадии выпаривания, причем первый блок HE1 теплообменника имеет первое впускное отверстие и первое выпускное отверстие на стороне нагревания блока теплообменника, где первое впускное отверстие первого блока теплообменника подсоединено к выпускному трубопроводу 20 для черного щелока со стадии I выпаривания и где первый блок теплообменника имеет второе впускное отверстие, подсоединенное к трубопроводу 11, и второе выпускное отверстие, подсоединенное к трубопроводу 10, на стороне охлаждения блока теплообменника, где второе впускное отверстие 11 блока теплообменника связано с горячим черным щелоком, который еще не прошел через процесс выпаривания на какой-либо стадии выпаривания.
Горячий черный щелок, получаемый от процесса варки во время производства целлюлозной массы, подвергается выпариванию таким способом, что горячий черный щелок, который должен подвергнуться выпариванию в линии выпаривания, охлаждается посредством теплообмена с частично выпаренным черным щелоком, который по меньшей мере частично был выпарен на стадии выпаривания в линии выпаривания.
Температуры для черного щелока и пара для предполагаемого применения, представленные на фиг.1, будут представлены в дальнейшем, но должно быть ясно, что в других применениях допустимы другие температуры. Черный щелок, который должен подвергнуться выпариванию, вводится в трубопровод 11 и поддерживает температуру 70°C прежде, чем он достигает теплообменника HE1. Черный щелок, который должен подвергнуться выпариванию, в этом теплообменнике охлаждается по меньшей мере на 5°C, предпочтительно по меньшей мере на 10°C, до температуры, составляющей 60°C, относительно частично выпаренного щелока, который вводится в трубопровод 20 и который уже подвергся выпариванию на стадии I. Частично выпаренный щелок, который поддерживает температуру, составляющую приблизительно 55°C, нагревается в эквивалентной степени до температуры 65°C прежде, чем он вводится через трубопровод 21 на стадию II выпаривания. Потоки пара в трубопроводах 3, 2 и 1 поддерживают температуры 75°C, 65°C и 55°C, соответственно.
Эта связь обеспечивает возможность снижать температуру черного щелока прежде, чем он подвергнется выпариванию на первой стадии, без выделения содержащегося в нем метанола слишком рано и без риска перехода щелока в конденсат через пенообразование. Главная часть процесса выпаривания происходит на первой стадии выпаривания, где температура самая низкая, в то время как вязкость щелока даже в этом случае может сохраняться на приемлемо низком уровне, через низкий уровень содержания сухого вещества, таким образом гарантируя высокий коэффициент теплопередачи.
Фиг.2 показывает вариант, в котором между стадиями II и III выпаривания подсоединен дополнительный второй блок HE2 теплообменника, но который во всем остальном является таким же, как установка, показанная на фиг.1.
Второй блок HE2 теплообменника подсоединен ко второй стадии II выпаривания, причем второй блок теплообменника имеет первое впускное отверстие, подсоединенное к трубопроводу 22, и первое выпускное отверстие, подсоединенное к трубопроводу 23, на стороне нагревания второго блока теплообменника, где первое впускное отверстие второго блока теплообменника подсоединено к выпускному трубопроводу 22 для черного щелока со второй стадии II выпаривания (это не согласуется в точности с п. 12 формулы изобретения), и где второй теплообменник HE2 имеет второе впускное отверстие, подсоединенное к трубопроводу 12 черного щелока, и второе выпускное отверстие, подсоединенное к трубопроводу 11, на стороне охлаждения второго блока теплообменника, где второе впускное отверстие второго блока теплообменника связано с горячим черным щелоком, который еще не подвергся выпариванию на какой-либо стадии выпаривания, и где горячий черный щелок, который еще не подвергся выпариванию на какой-либо стадии выпаривания, сначала вводится на сторону охлаждения второго блока теплообменника прежде, чем он вводится через передаточный трубопровод 11 на сторону охлаждения первого блока HE1 теплообменника.
Горячий черный щелок, который должен подвергнуться выпариванию, охлаждается таким образом по меньшей мере два раза в теплообмене с частично выпаренным черным щелоком, который подвергся по меньшей мере частичному выпариванию на первой и на второй стадии выпаривания в линии выпаривания.
Фиг.2 показывает, что черный щелок вводится прямо на стадию I. Практически, черный щелок может вводиться, как только его температура упадет ниже 100°C, в резервуар черного щелока для хранения или для отделения мыла. Предпочтительно, чтобы это хранение располагалось после охлаждения до 60°C (что является оптимальной температурой относительно растворимости мыла), то есть после охладителя HE1 щелока и перед стадией I.
Эта технология может использоваться на множестве дополнительных стадий, но на практике максимальное количество стадий составляет 3-6, где третий блок теплообменника подсоединен к третьей стадии выпаривания таким же способом, как второй блок теплообменника был добавлен к установке на фиг.2. Третий блок теплообменника таким же образом имеет первое впускное отверстие и первое выпускное отверстие на стороне нагревания третьего блока теплообменника, где первое впускное отверстие третьего блока теплообменника подсоединено к выпускному трубопроводу для черного щелока с третьей стадии выпаривания, и где третий блок теплообменника имеет второе впускное отверстие и второе выпускное отверстие на стороне охлаждения третьего блока теплообменника, где второе впускное отверстие третьей блока теплообменника связано с горячим черным щелоком, который еще не подвергся выпариванию на какой-либо стадии выпаривания, и где горячий черный щелок, который еще не подвергся выпариванию на какой-либо стадии выпаривания, сначала вводится на сторону охлаждения третьего блока теплообменника прежде, чем он вводится через передаточные трубопроводы на стороны охлаждения второго и первого блоков теплообменника.
Горячий черный щелок, который должен подвергнуться выпариванию, охлаждается таким образом по меньшей мере три раза в теплообмене с частично выпаренным черным щелоком, который подвергся по меньшей мере частичному выпариванию на первой, на второй и на третьей стадии выпаривания.
Первая, вторая и, где это уместно, третья стадии выпаривания предпочтительно соединены последовательно в установке для выпаривания, куда черный щелок, который должен подвергнуться выпариванию на стадиях выпаривания, вводится последовательно, с первой на вторую и далее на третью, и также возможно, далее на четвертую стадию выпаривания через стороны нагревания теплообменников. Частично выпаренный черный щелок с первой, второй и, возможно, также с третьей (или даже больше) стадий выпаривания таким образом используется для теплообмена с горячим черным щелоком, где частично выпаренный черный щелок получает повышение уровня содержания сухого вещества от первой ко второй стадии выпаривания, и дополнительное повышение уровня содержания сухого вещества от второй к третьей стадии выпаривания.
Фиг.3 показывает еще один вариант изобретения, в котором черный щелок, который должен подвергнуться выпариванию, вводится в первый теплообмен с частично выпаренным черным щелоком в теплообменнике HE2, который подсоединен между стадией III и стадией IV. Черный щелок после этого первого теплообмена вводится для второго теплообмена с частично выпаренным черным щелоком в теплообменнике HE1, подсоединенном между стадией II и стадией III. Стадии I и II соединены с использованием подсоединения сопутствующего потока (в котором черный щелок, который должен подвергнуться выпариванию, имеет такую же последовательность протекания через стадию выпаривания, как пар). Выше была представлена иллюстрация того, что охлаждение щелока не должно охватить весь процесс выпаривания. Предпочтительно, чтобы любые резервуары черного щелока, которые должны использоваться для отделения мыла, были размещены после HE1. Они также могут быть размещены раньше по потоку щелока, как только температура щелока падает ниже 100°C.
Первое выпаривание черного щелока происходит здесь на стадии II с использованием черного щелока, который сначала был охлажден в теплообменниках HE1 и HE2 способом, подобным показанному на фиг.2. Охлажденный щелок подвергается первому процессу выпаривания на стадии II, после которого частично выпаренный черный щелок вводится на стадию I. Частично выпаренный щелок, который прошел через стадии II и I, впоследствии вводится на стадию III через подогреватель PH и через теплообменник HE1.
Впускное отверстие на стороне нагревания теплообменника присоединено, в нормальном альтернативном варианте, который показан на фиг.1-3, к передаточному трубопроводу, переносящему черный щелок, который подвергся выпариванию, с одной предшествующей стадии выпаривания к последующей стадии выпаривания. Частично выпаренный черный щелок, который был удален из передаточного потока между двумя стадиями выпаривания, таким образом используется для теплообмена с горячим черным щелоком.
В альтернативном варианте осуществления установки для выпаривания, показанной на фиг.4, частичное количество частично выпаренного и подогретого черного щелока повторяет цикл стадии выпаривания с помощью циркуляционного трубопровода 21b.
Соединение, показанное на фиг.1, в альтернативной конструкции может быть объединено с дополнительными охладителями черного щелока для нагревания частично предварительно выпаренного черного щелока в потоке щелока, протекающем через охладитель черного щелока. Фиг.5 показывает, как параллельный поток частично выпаренного черного щелока вводится в охладитель HE1D щелока и выводится оттуда обратно на стадию I, либо вместе с подводящим потоком к этой стадии, либо в ее собственном подводящем потоке. Охлажденный черный щелок из HE1C вводится в HE1D для дополнительного охлаждения прежде, чем он будет подан на стадию 1 через трубопровод 10. Также можно объединить HE1D с этой стадией.
Установка для выпаривания также может быть модифицирована несколькими способами, где черный щелок может подвергаться некоторой форме предварительного выпаривания или обработки прежде, чем будет происходить теплообмен между черным щелоком, который был по меньшей мере частично подвержен выпариванию на стадии выпаривания в линии выпаривания. Это может происходить уже в связи с установкой для варки или на стадии выпаривания в пределах процесса выпаривания. Эта предварительная обработка может выполняться через снижение давления или через увеличение вязкости, вызываемое добавлением частично выпаренного черного щелока, где последний процесс известен как "облагораживание". Горячий черный щелок, получаемый от процесса варки, таким образом может вводиться по меньшей мере через один охладитель, в котором холодная вода охлаждает черный щелок в теплообменнике, или через резервуар сброса давления, или через оба устройства, прежде, чем вводить горячий черный щелок в первый теплообменник, в котором частично выпаренный щелок нагревается горячим черным щелоком. Горячий черный щелок, получаемый от процесса варки, проходит таким образом по меньшей мере одну стадию охлаждения прежде, чем подвергается теплообмену с частично выпаренным черным щелоком, который подвергся по меньшей мере частичному выпариванию на стадии выпаривания в линии выпаривания.
Изобретение можно преимущественно применять таким образом, чтобы горячий черный щелок охлаждался в большой степени, по меньшей мере на 5-10°C при каждой операции теплообмена с частично выпаренным черным щелоком, и таким образом, чтобы частично выпаренный черный щелок нагревался по меньшей мере на 5-10°C при каждой операции теплообмена с горячим черным щелоком. Черный щелок, естественно, может охлаждаться как относительно щелока, передаваемого между двумя стадиями, так и относительно щелока, циркулирующего внутри стадии.
Теплообменник в установке для выпаривания предпочтительно представляет собой трубчатый теплообменник или пластинчатый теплообменник, в который горячий черный щелок вводится с одной стороны теплообменника, а частично выпаренный щелок, который прошел по меньшей мере через одну стадию выпаривания, вводится с другой стороны теплообменника. Таким образом, теплообмен происходит в теплообменнике через косвенный теплообмен, без смешивания этих щелоков, и содержание метанола, например, в черном щелоке, который должен подвергнуться выпариванию, сохраняется незатронутым.
n
n
n-1
n
.
Изобретение не ограничено использованием в установке для выпаривания, в которой общее количество  стадий выпаривания присутствует в линии выпаривания, выполненной в строго противоточном соединении, где пар, который используется для выпаривания, вводится через передаточные трубопроводы для пара со стадии  выпаривания на стадию  выпаривания и т.д., и до стадии 1 выпаривания, и, там, где горячий черный щелок, который должен подвергнуться выпариванию, вводится в противотоке в поток пара через передаточные трубопроводы для частично выпаренного черного щелока со стадии 1 выпаривания на стадию 2 выпаривания и т.д., - до стадии  выпаривания Однако использование в строгом противотоке является предпочтительным, поскольку первое выпаривание происходит при самом низком уровне содержания сухого вещества и при самой низкой вязкости черного щелока, что гарантирует высокий коэффициент теплопередачи.
Изобретение может быть изменено рядом способов в пределах формулы изобретения.
Давление черного щелока можно, например, снижать до того, как этот щелок вводится для первого теплообмена с частично выпаренным черным щелоком. Пар, который получают от такого снижения давления, может быть смешан, например, с паром щелока, который вводится между стадиями выпаривания, находящимися выше в линии выпаривания: он может быть смешан, например, с паром щелока, который вводится со стадии 6 на стадию 5. Если черный щелок, который получают от процесса варки, хранить под давлением и поддерживать температуру, например, 110°C, тогда его давление можно снижать, задавая температуру 100-105°C, где пар с этапа понижения давления смешивается с паром щелока, который поддерживает эквивалентную температуру. Однако в наиболее выгодном варианте осуществления, черный щелок вводится прямо из установки для варки, например, при 110°C, через один или несколько охладителей щелока, которые извлекают теплоту черного щелока без испарения. Это является предпочтительным, поскольку испарение черного щелока вносит риск образования пены и более скудного отделения метанола.
Каждый блок теплообменника, в котором черный щелок охлаждается относительно частично выпаренного черного щелока, может быть образован также посредством одного или нескольких блоков теплообменника, соединенных последовательно или параллельно.
Температуры, которые были определены на фиг.1-3, являются типовыми примерами устанавливаемых уровней температуры для реализации изобретения.
Термин "черный щелок" используется для обозначения черного щелока, получаемого от процесса варки, в котором этот черный щелок не подвергался какой-либо стадии выпаривания на стадиях выпаривания линии выпаривания, и который поддерживает уровень содержания сухого вещества, составляющий менее 30%. Однако черный щелок может предварительно подвергаться охлаждению, кондиционированию ("облагораживанию") или другой форме выпаривания, например, через механическое сжатие пара или с другим паром, отличающимся от пара, который имеет место в линии выпаривания, с новым паром или с паром щелока, который последовательно вводится через стадии выпаривания.
Термин "частично выпаренный черный щелок" используется для обозначения черного щелока, который подвергся по меньшей мере одной стадии выпаривания в линии выпаривания с новым паром или паром щелока, который последовательно вводится через стадии выпаривания.
Изобретение особенно выгодно для выпаривания черного щелока, получаемого от варки сульфата, и имеет дополнительную выгоду, если варка сульфата основана на древесине хвойного дерева, прежде всего сосны. Этот сорт дерева содержит высокие уровни экстрагируемых веществ (мыла), которые легко вызывают проблемы, связанные с пенообразованием для щелока, который не был подвергнут процессу удаления мыла.