Способ упаривания щелоков в производстве целлюлозы
METHOD OF ALKALI VAPORIZATION IN THE PRODUCTION OF CELLULOSE

Изобретение относится к области производства целлюлозы.
Наиболее близким к заявленному способу (Прототип) является способ / Непенин Н.Н. Технология целлюлозы, т. 2 М., «Лесная промышленность» 1976, с. 364-365 /, включающий упаривание в производстве получения сульфатной целлюлозы. Суть способа заключается в том, что черный щелок после варки технологической щепы подвергают упариванию слабый щелок от концентрации 10-25% абсолютно сухих веществ (а.с.в.) до 60-80% а.с.в. Процесс упаривания ведут в двухстадийной выпарной установке смешанного тока. На первой стадии упаривания черный щелок концентрируется обычно до 50% а.с.в. по шестиступенчатой схеме испарения с 8 корпусами в выпарной батарее. Удельная производительность выпарной батареи составляет 12 - 13,3 кг/(м⋅час). Экономичность установки определяется количеством выпаренной воды на кг подведенного к выпарной установке греющего пара с ТЭЦ и составляет 4,5 кг выпаренной воды на кг греющего пара.
На второй стадии упаривания черный щелок концентрируется в концентраторах. В этих аппаратах раствор подвергают концентрированию до 60-80%, после чего его отводят на сжигание в содорегенерационный котел.
Для снижения удельного расхода греющего пара выпарной установки выпарные батареи оснащены поверхностными трубчатыми теплообменниками, в которые подают вторичный пар корпусов выпарных аппаратов.
К недостаткам существующего способа упаривания черного щелока относятся вспенивание щелоков, образование накипи на поверхности кипятильных труб и коррозия оборудования:
- вспенивание щелоков вызывает переброс пены и брызг щелока с вторичным паром и увеличивает потери щелочи с грязным конденсатом. Пенообразование увеличивается при упаривании щелоков от варки свежевырубленной древесины;
- основным техническим затруднением при упаривании щелоков является возникновение накипи и отложений на внутренних и наружных поверхностях теплообменных труб в кипятильниках и подогревателях щелока. Образовавшиеся осадки приводят к снижению коэффициентов теплопередачи и, как следствие, снижению производительности выпарных батарей. Часто из-за накипи и коррозионного износа кипятильных труб подогреватели выводятся из работы, что ведет к увеличению удельного расхода пара на выпаривание раствора. Осадки со стороны вторичного пара на поверхности труб возникают с обеих сторон - как со стороны пара, так и со стороны раствора. Осадки со стороны пара представляют собой ржавчину. Коррозия наружной стороны трубок прогрессирует, начиная со второго корпуса. Осадки со стороны щелока могут быть органического и неорганического характера. Органические осадки представлены сульфатным мылом и волокном. Минеральная накипь может иметь различный состав. Чаще всего в их составе обнаруживают сульфат натрия, карбонат натрия, карбонат и сульфат кальция, силикаты кальция и алюмосиликаты. Наиболее неприятны силикатные и алюмосиликатные осадки. Они образуют прозрачную тонкую, но очень плотную и твердую корку на поверхности трубок. Возникают трудности в связи с увеличением концентрации черного щелока до 75-80%. В этих условиях в концентраторах выпадает содосульфатная смесь и практически вся сода. Интенсивное зарастание теплообменных поверхностей этими осадками не может ослабить даже блоковая конструкция суперконцентраторов, которая предусматривает частую промывку (через несколько часов) теплообменных поверхностей слабым раствором;
- коррозия аппаратуры при эксплуатации выпарных установок вызывает много затруднений. В наибольшей степени подвержены коррозии все части аппаратуры, соприкасающиеся с кислым соковым конденсатом: нижние концы кипятильных труб со стороны сокового пара, системы отвода конденсата и конденсаторы. Корродирующее действие грязных конденсатов обусловлено присутствием в них летучих органических кислот и кислых сернистых соединений - сероводорода, меркаптанов, сульфидов и др. Коррозия со стороны щелока происходит на верхних концах труб, на отбойном щите, на верхней трубной доске и в нижней части сепаратора, т.е. в местах разделения щелока и вторичного пара. Большому коррозионному износу подвергаются циркуляционные насосы. Снижение интенсивности коррозионного износа выпарных аппаратов, подогревателей и циркуляционных насосов достигается выполнением их из хромистых или хромоникелевых сталей.
Технической задачей является повышение производительности процесса упаривания черного щелока при производстве сульфатной целлюлозы за счет снижения вспенивания щелоков, при одновременном уменьшении возникновения накипи и отложений на внутренних и наружных поверхностях теплообменных труб в кипятильниках и подогревателях щелока, снижении коррозии аппаратуры за счет образования гидрофобной адгезионной кремнеорганической пленки.
Поставленная задача достигается тем, что способ выпаривания черного щелока в производстве целлюлозы, включающий упаривание слабого щелока от варки технологической щепы от 10-25% абсолютно сухих веществ (а.с.в.) до 60-80% а.с.в., при многократном испарении в выпарных батареях с последующим доупариванием в концентраторах и самоиспарителях, ведут при концентрации полиалкилсиликоната натрия в количестве 1-50 мг Si-О / л щелока, где Si-О - количество полиалкилсиликоната натрия (на сухое вещество).
Существенным отличием заявленного способа является неразрывная совокупность действий, изложенная в формуле изобретения, что позволяет достигнуть технический результат, заключающийся в том, что в черный щелок вводят полиалкилсиликонат натрия, хорошо совмещающийся с щелочными растворами. При контакте с металлическими поверхностями полиалкилсиликонат натрия создает гидрофобную жидкую пленку, которая препятствует образованию накипи на теплообменных поверхностях и отложений в реакционной аппаратуре.
Преимущества предлагаемого способа по сравнению с прототипом: полиалкилсиликонат натрия является хорошим пеногасителем. При этом эффект достигается при малых концентрациях. Суть гашения пены состоит в том, что они несовместимы с органическими веществами, находящимися в черном щелоке. В результате низкого поверхностного натяжения полиалкилсиликоната натрия могут получаться дефекты в структуре пены, что вызывает разрушение пузырьков и оседание пены. Введение в рабочий раствор черного щелока полиалкилсиликоната натрия позволяет сформировать на металлической поверхности слой жидкого гидрофобного слоя. Необходимо подобрать такой расход полиалкилсиликоната натрия, при котором скорость срыва пленки с поверхности будет равна или меньше скорости формирования пленки на металлической поверхности из уплотненных у стенки мицелл. В этих условиях возможно снижение образования отложений на металлической поверхности. Таким образом, решаются эффективно вопросы образования накипи не зависимо от их химического, минералогического и фазового состава. При введении полиалкилсиликоната натрия в раствор черного щелока, направляемого на упаривание, решаются проблемы, связанные с коррозионным износом оборудования. При контакте металлических поверхностей с агрессивной средой через пленку полимера эта пленка создает барьер для проникновения этой среды к металлической поверхности. В связи с этим сокращаются затраты на ремонт оборудования.
Смоделирован процесс упаривания черного щелока на лабораторном стенде, приближенный к производственному, на примере Сегежского целлюлозно-бумажного комбината. Время проведения эксперимента 4 месяца.
Примеры реализации способа.
Пример 1
3
В раствор слабого черного щелока с концентрацией 10% а.с.в. и расходом 100 м/ч на подогрев подают в пересчете на сухое вещество 100 кг/ч (1 мг/л) полиалкилсиликонат натрия автодозатором в непрерывном режиме.
Достигаемый эффект - снижение вспенивания щелоков в 2 раза, при одновременном уменьшении возникновения накипи и отложений на внутренних и наружных поверхностях теплообменных труб в кипятильниках и подогревателях щелока, снижении коррозии аппаратуры. Дополнительно, ослабленная связь работы адгезии позволяет существенно снизить эксплуатационные затраты на чистку и ремонт теплообменного оборудования.
Пример 2
3
Раствор черного щелока с концентрацией 36% а.с.в. и расходом 100 м/ч подают на упаривание в 3 корпус выпарной батареи. Перед упариванием раствора в него подают в пересчете на сухое вещество 3 кг/ч (30 мг/л) полиалкилсиликонат натрия автодозатором в непрерывном режиме.
Достигаемый эффект - снижение вспенивания щелоков в 3 раза, при одновременном уменьшении возникновения накипи и отложений на внутренних и наружных поверхностях теплообменных труб в кипятильниках и подогревателях щелока, снижении коррозии аппаратуры. Дополнительно, увеличивается производительность выпарной батареи на 30-50% и снижается удельный расход пара на 15-20% путем предотвращения накипи и повышения работоспособности подогревателей черного щелока, возможности увеличения полезного температурного напора по выпарной батарее.
Пример 3
3
Раствор черного щелока с концентрацией 55% а.с.в. и расходом 65 м/ч подают на упаривание в суперконцентратор выпарной батареи. В концентраторе раствор упаривается до концентрации 80% а.с.в. Перед упариванием раствора в него подают в пересчете на сухое вещество 3,2 кг/ч (50 мг/л) полиалкилсиликонат натрия автодозатором в непрерывном режиме.
Достигаемый эффект - снижение вспенивания щелоков в 5 раз, при одновременном уменьшении возникновения накипи и отложений на внутренних и наружных поверхностях теплообменных труб в кипятильниках и подогревателях щелока, снижении коррозии аппаратуры. Дополнительно, возможность упаривания раствора до более высоких концентраций а.с.в., с соответствующим снижением расхода топлива в СРК, повышением производительности концентратора на 20-30% и снижением риска по нанесению экологического ущерба окружающей среде. Это связано с тем, что при повышении концентрации черного щелока до 70% и выше предотвращается гидролиз сернистых соединений.
Реализация предлагаемого способа позволяет:
1) в предлагаемом способе достигается эффект разрушения пены в результате низкого поверхностного натяжения полиалкилсиликоната натрия;
2) тепловые процессы в рекуперативных теплообменниках и выпарных аппаратах ведут с существенным снижением зарастания;
3) открывается возможность увеличения производительности выпарных батарей путем увеличения общего температурного напора в батарее и повышения среднеэксплуатационного коэффициента теплопередачи;
4) существенно снижается адгезия образующихся отложений к металлической поверхности. Это позволяет при очень низких концентрациях полиалкилсиликоната натрия в растворе (когда образование накипи в процессе не является критичным) заменить чистку теплообменной аппаратуры химическими реагентами на механическую чистку, например, гидромонитором;
5) уменьшить эксплуатационные затраты на ремонт реакционной и теплообменной аппаратуры из-за коррозионного износа;
6) снизить энергетические затраты пара в процессах упаривания черных щелоков и топлива в процессе сжигания черного щелока.
Минимальное значение 1 мг/л (на сухое вещество) соответствует заметному снижению работы адгезии отложений в процессе нагрева и упаривания. При этом не создается условия безнакипного режима при нагреве и упаривании черного щелока. Ослабленная связь работы адгезии позволяет существенно снизить эксплуатационные затраты на чистку и ремонт теплообменного оборудования. По мере увеличения концентрации полиалкилсиликоната натрия в указанном диапазоне эффект появляется более отчетливо и при 30-50 мг/л (на сухое вещество) отмечается наступление без накипного режима с формированием устойчивой гидрофобной кремнеорганической адгезионной пленки на металлической поверхности. Расход выше 50 мг Si-O/л нецелесообразен из-за больших затрат на полиалкилсиликонат натрия и заметный рост термического сопротивления гидрофобной кремнеорганической адгезионной пленки.