Производство целлюлозы

Министерство образования и науки РФ

Федеральное агентство по образованию

Пермский государственный технический университет

Березниковский филиал

Реферат

по предмету: «Системный анализ химико-технологических процессов»

на тему: «Производство целлюлозы»

Березники 2007

Содержание

1. Краткое описание получаемого продукта……………………………………3

2. Краткое описание технологии………………………………………………...7

3. Экология………………………………………………………………………..9

Приложение 1. Технологическая схема

Приложение 2. Построение схем

Краткое описание продукта

Целлюлоза — это высокомолекулярный полисахарид, имеющий общую формулу (С₆Н₁₀О₅)_n, которую, принимая во внимание три активных гидроксила в каждой структурной ее единице, можно записать в виде [С₆Н₇О₂(ОН)₃]_n. Молекулы целлюлозы построены в виде цепей. Целлюлоза обладает ори­ентированным аморфно-кристаллическим строением, которое объясняет все ее свойства — реакционную способность, набуха­ние в воде (чем и вызывается увеличение размеров древесины при увлажнении) и др.

Гемицеллюлозы древесины состоят из различных по­лисахаридов с разной величиной молекулы. В их число входят пентозаны (C₅H₈O₄)_n и гексозаны (C₆H₁₀О₅)_n. Из пентозанов древесины известны ксилан и реже встречающийся арабан, из гексозанов — маннан, галактан, фруктан и глюкан. Все они по­строены из остатков соответствующих моносахаридов: ксилозы, арабинозы, маннозы, галактозы, фруктозы, глюкозы и при кислотном гидролизе переходят в них:

(С₅Н₈О₅)_n + (п - 1) Н₂0 = п С₅Н₁₀O₆;

(С₆Н₁₀О₅)_n + (n -1) Н₂0 = п С₆Н₁₂О₆.

В состав целлюлозно-бумажного производства входит по лучение волокнистых полуфабрикатов — целлюлозы и древес ной массы — и их переработка в различные виды бумаги и картона.

При варке измельченной древесины, т. е. обработке ее рас­твором химических реагентов (варочным раствором) при по­вышенных температуре и давлении, происходит ее делигнификация - большая часть лигнина растворяется, клетки древе­сины разъединяются и получается волокнистая техническая целлюлоза.

Основными методами получения целлюлозы являются суль­фатный и сульфитный; применяют также бисульфитный, ней­трально-сульфитный, различные комбинированные и ступенча­тые методы варки. Перспективными являются окислительные методы — кислородно-содовый, кислородно-щелочной и. др., которые не связаны с использованием серосодержащих реаген­тов и поэтому оказывают меньшее влияние на окружающую среду.

Путем соответствующего подбора реагентов и условий варки регулируют выход технической целлюлозы и ее свой­ства, в первую очередь остаточное содержание лигнина. Чем полнее удален лигнин при варке, тем волокно светлее, но вы­ход его меньше. Целлюлозу вырабатывают нормального вы­хода (40—50% от массы абсолютно сухого сырья), которая подразделяется на жесткую (содержащую 3—8% лигнина), среднежесткую (1,5—3%) и мягкую (менее 1,5% лигнина) и высокого выхода (50—60 %). Получают также полуцеллю­лозу (выход 60—85%), содержащую половину или более ис­ходного лигнина и требующую механического размола для превращения ее в волокнистую массу.

Техническая небеленая целлюлоза пригодна для изготовле­ния многих видов продукции — газетной и мешочной бумаги, тарного картона и др. Для получения высших сортов писчей и печатной бумаги, где требуется повышенная белизна, исполь­зуют среднежесткую и мягкую целлюлозу, которую отбели­вают химическими реагентами, например хлором, двуокисью хлора, гипохлоритом кальция или натрия, перекисью водорода.

Особо очищенную (облагороженную) целлюлозу, содержа­щую 92—97 % альфа-целлюлозы (т. е. фракции целлюлозы, нерастворимой в 17,5 %-ном водном растворе едкого натра) используют для изготовления химических волокон, в том числе вискозного шелка и высокопрочного вискозного кордного во­локна для производства автомобильных шин.

Древесную массу получают механическим разделением дре­весины на волокна. Большое количество волокнистой массы вырабатывают из вторичного сырья — макулатуры, доля кото­рой в производстве бумаги и картона превышает 20% от всего используемого волокна. На некоторых предприятиях целлю­лозу получают из тростника.

Производство сульфатной целлюлозы

Варят целлюлозу с варочным раствором ( сульфатным, или белым, щелоком), содержащим едкий натр, сернистый натрий, небольшое количество карбоната и сульфата натрия.

Едкий натр и сернистый натрий составляют активную часть белого щелока. Их суммарная концентрация в пересчете на колеблется от 70 до 120 г/л. Чем больше активной щелочи в варочном растворе и чем выше температура и в варочном котле, тем быстрее идет варка и полнее удаляется лигнин, но тем ниже выход волокна. Обычно температура варки 165-180^о С, давление в котле 0,7 – 1,2 МПа (1 МПа равен 9,81, округленно 10 кгс/см²) Гидромодуль, т.е. объем жидкости в кубических метрах на 1т. абсолютно сухого сырья, составляет 44,5:1

Варочный котел непрерывного действия «Камюр» имеет общую высоту 45 м, диаметр 4,7 м, дает в сутки 450— 500 т целлюлозы (имеются также установки производитель­ностью 800—900 т/сут). Щепу из бункера подают при помощи питателя низкого давления в пропарочную цистерну, где из щепы удаляются вода и скипидар. Пропаренная щепа перемещается винтовым конвейером к роторному питателю высокого давления, который подает ее в котел и одновременно служит запорным клапаном. Выходящая из питателя высокого давления щепа транспорти­руется щелоком к загрузочному устройству котла, оснащенному вертикальным вращающимся винтом. Варочный щелок подают насосом в верхнюю часть котла. Щепа опускается в котле под собственной тяжестью.

В верхней зоне котла идет заварка, в средней варка, в нижней частичная промывка целлюлозы слабым щелоком. Целлюлозная масса концентрацией 14—16%, охладившаяся до 80—85 °С, непрерывно выгружается и поступает в выдув­ной резервуар. Щепа в каждой зоне находится 1,5 ч, а всего 4,5 ч.

По окончании варки щелок (7—10 м³/т целлюлозы) имеет 'почти черный цвет, поэтому его называют черным щелоком. В щелок переходит большая часть лигнина древесины в виде щелочного лигнина, а также часть гемицеллюлоз, которые в щелочной среде гидролизуются и окисляются, образуя в ос­новном оксикислоты. Ацетильные группы древесины при варке отщепляются, образуя уксусную кислоту, находящуюся в ще­локе в виде уксусно-кислого натрия.

Черный щелок упаривают в многокорпусных вакуум-выпар­ных установках, добавляют сульфат натрия для возмещения потерь щелочи, -происходящих в производстве (отсюда и на­звание способа), а затем щелок сжигают в топках специаль­ных паровых котлов — содорегенерационных котлоагрегатов (СРК). При этом сгорает органическая часть щелока, а суль­фат натрия превращается в сернистый натрий; едкий натр пе­реходит в углекислый натрий.

Плав растворяют в слабом белом щелоке или в воде и по­лучают зеленый щелок, который обрабатывают гашеной из­вестью для перевода углекислого натрия в едкий натр. Полу­чается белый щелок, который снова используют для варки целлюлозы.

Смоляные и жирные кислоты, содержащиеся в древесине, при варке превращаются в натриевые соли. Эти соли при от­стаивании собираются на поверхности черного щелока, обра­зуя сульфатное мыло.

Путем подкисления черного щелока серной кислотой или двуокисью углерода из него можно выделить щелочной лигнин, применяемый в производстве пластических масс, резинотехни­ческих изделий и др. Из черного щелока можно получить дру­гие лесохимические продукты. Например, из подкисленного упаренного черного щелока можно извлечь метилэтилкетоном уксусную и муравьиную кислоты, различные оксикислоты.

Производство древесной массы.

Существуют два основных способа получения древесной массы. Путем истирания еловых или пихтовых балансов длиной 1 —1,2 м дефибрерными камнями в дефибрерах получают дефибрерную древесную массу, а путем размола древесной щепы любых пород на дисковых мельницах (рафинерах) — рафинерную. Преимущественное развитие в последнее время получает производство рафинер­ной древесной массы. Качество ее значительно улучшается,

если перед размолом щепу пропарить; получаемый продукт называют термомеханической древесной массой. Наиболее вы­сокое качество у химико-термомеханической древесной массы, для получения которой щепу перед размолом пропитывают не­которыми химикатами и пропаривают.

Выход обычной древесной массы 95—96 % от древесины химико-термомеханической около 90%. Древесная масса при­меняется при изготовлении большинства видов бумаги и кар­тона, составляя около 40 % от всех используемых волокнистых полуфабрикатов.

Краткое описание технологии

Порядок варки целлюлозы в котлах периодического действия следующий.

В котел загружают щепу в количестве 0,3— 0,35 м³ на 1 м³ вместимости котла, а при применении пропарки щепы или специальных уплотнителей — 0,4 м³ или даже больше. Затем заливают варочный раствор, закрывают котел и начинают нагревать его содержимое, для чего щелок непре­рывно прокачивают циркуляционным насосом через подогрева­тель. Температуру в котле поднимают до заданной конечной величины (этот период называют заваркой), потом следует стоянка при этой температуре (собственно варка). Заварку ведут медленно, чтобы щепа хорошо пропиталась варочным щелоком; в этот период для; удаления воздуха и образующихся летучих продуктов (скипидара, метилового спирта и др.) про­изводят сдувку парогазовой смеси — терпентинную сдувку. Па­рогазовая смесь поступает в щелокоуловитель и далее подвер­гается дробной конденсации. От конденсата во флорентине от­деляют сырой сульфатный скипидар в количестве 8—12 кг из сосновой древесины, 1—2 кг из еловой древесины в расчете на 1 т выработанной целлюлозы.

При производстве вискозной и кордной целлюлозы щепу в котле сначала подвергают предгидролизу с целью удаления гемицеллюлоз. Для этого ее обрабатывают 0,3—0,5%-ной сер­ной кислотой при 120—130 °С или водой, при 160—170 °С. Предгидролизат отбирают из котла и направляют на произ­водство дрожжей, после чего в котел заливают варочный рас­твор и начинают варку. По окончании варки, обычно не сни­жая давления в котле, целлюлозную массу выдувают из него в выдувной резервуар, осматривают котел и готовят к новой загрузке.

Полный оборот котла продолжается 5—8 ч, в том числе загрузка щепы и заливка щелока примерно 1 —1,5 ч, заварка 2—4,5 ч, варка до 1 ч, конечная сдувка, выгрузка целлюлозы и осмотр котла около 1 ч.

Стационарный варочный котел (рис. 2.2) стальной, облицо­ван внутри легированной сталью. Общая высота 13—17 м, диа­метр цилиндрической части 3,6—4,5 м, загрузочной горловины 800 мм, выгрузочной — 700 мм, вместимость 100—200 м³. Ще­лок забирается из средней части котла и возвращается цирку­ляционным насосом в верхнюю и нижнюю его части.

Выгруженную из котла целлюлозу промывают водой в диф­фузорах или на барабанных фильтрах и затем подвергают многоступенчатой очистке от сучков, непровара, частичек коры, песка и др. Сначала производят грубое сортирование на виб­рационных или центробежных сучколовителях, потом тонкое сортирование в центробежных сортировках, вихревых очисти­телях (центриклинерах) и др.

Варочный котел непрерывного действия «Камюр» _(рис. 2,3) имеет общую высоту 45 м, диаметр 4,7 м, дает в сутки 450— 500 т целлюлозы (имеются также установки производитель­ностью 800—900 т/сут).

Щепу из бункера подают при помощи питателя низкого давления в пропарочную цистерну, где из щепы удаляются вода и скипидар. Пропаренная щепа перемещается винтовым конвейером к роторному питателю высокого давления, который подает ее в котел и одновременно служит запорным клапаном. Выходящая из питателя высокого давления щепа транспорти­руется щелоком к загрузочному устройству котла, оснащен­ному вертикальным вращающимся винтом. Варочный щелок подают насосом в верхнюю часть котла. Щепа опускается в котле под собственной тяжестью.

В верхней зоне котла идет заварка, в средней варка, в нижней частичная промывка целлюлозы слабым щелоком. Целлюлозная масса концентрацией 14—16%, охладившаяся до 80—85 °С, непрерывно выгружается и поступает в'выдув­ной резервуар. Щепа в каждой зоне находится 1,5 ч, а всего 4,5 ч.

По окончании варки щелок (7—10 м³/т целлюлозы) имеет почти черный цвет, поэтому его называют черным щелоком. I В щелок переходит большая часть лигнина древесины в виде щелочного лигнина, а также часть гемицеллюлоз, которые в щелочной среде гидролизуются и окисляются, образуя в ос­новном оксикислоты. Ацетильные группы древесины при варке отщепляются, образуя уксусную кислоту, находящуюся в ще­локе в виде уксусно-кислого натрия.

Черный щелок упаривают в многокорпусных вакуум-выпар­ных установках, добавляют сульфат натрия для возмещения потерь щелочи, происходящих в производстве (отсюда и на­звание способа), а затем щелок сжигают в топках специаль­ных паровых котлов — содорегенерационных котлоагрегатов (СРК). При этом сгорает органическая часть щелока, а суль­фат натрия превращается в сернистый натрий; едкий натр пе­реходит в углекислый натрий.

Плав растворяют в слабом белом щелоке или в воде и по­лучают зеленый щелок, который обрабатывают гашеной из­вестью для перевода углекислого натрия в едкий натр. Полу­чается белый щелок, который снова используют для варки целлюлозы.

Смоляные и жирные кислоты, содержащиеся в древесине, при варке превращаются в натриевые соли. Эти соли при от­стаивании собираются на поверхности черного щелока, обра­зуя сульфатное мыло.

Путем подкисления черного щелока серной кислотой или двуокисью углерода из него можно выделить щелочной лигнин, применяемый в производстве пластических масс, резинотехни­ческих изделий и др. Из черного щелока можно получить дру­гие лесохимические продукты. Например, из подкисленного упаренного черного щелока можно извлечь метилэтилкетоном уксусную и муравьиную кислоты, различные оксикислоты и др.

Экология

Очистка и обезвреживание промышленных стоков и газовых выбросов

В процессах производства лесохимических продуктов обра­зуются различные сточные воды — отбросные воды ректифика­ционных аппаратов, промывные, подсмольные и подскипидарные воды и др. Все они объединяются общим названием про­мышленных стоков (промстоков). Они подразделяются на сильно загрязненные, частично загрязненные и условно чистые воды.

К условно чистым водам относится охлаждающая вода от теплообменных аппаратов, не содержащая вредных примесей и используемая в основном повторно в виде оборотной воды. Доля оборотной воды на лесохимических предприятиях доходит до 90 % от общего количества стоков. К числу сточных вод от­носятся также загрязненные хозяйственно-бытовые стоки и лив­невые воды.

Особенно много сильно загрязненных стоков получается при извлечении уксусной кислоты из жижки и при выработке этилацетата (табл.1). Они содержат кислоты, спирты, эфиры, альдегиды и кетоны, смолистые вещества, соли металлов и др. В меньших количествах загрязненные промышленные стоки об­разуются в канифольно-скипидарном производстве.

На всех стадиях производства лесохимических продуктов об­разуются также и газовые выбросы. Их количество и состав не постоянны, так как зависят от многих причин.

Очистка и обезвреживание промышленных стоков

Таблица: «Количество сточных вод, м³ на 1 т продукции»

Количество промышленных стоков и степень их загрязнен­ности зависят от принятой схемы технологических процессов и на различных заводах колеблются в весьма широких пределах. В частности, при экстракции уксусной кислоты из жижки этилацетатом загрязненность отбросной воды с эфироводного аппарата по ХПК при переработке неперегнанной жижки превы­шает 70 тыс. мг/л, а при перегнанной жижке не более 13 тыс. мг/л. Наименьшую загрязненность (не выше 5 тыс. мг/л) имеют аналогичные стоки с азеотропных установок, использующих в качестве антренера спиртовые масла или бутилацетат.

Часть отбросных вод используется повторно. Например, про­мывная вода от скрубберов после трехкорпусного аппарата и вода от вакуум-насосов может циркулировать в системе много­кратно. Воду от эфироводных НДА в уксусно-кислотном произ­водстве и частично в производстве ацетатных растворителей применяют для промывки кубов; отбросную воду от регенера­ции эфироводы нейтрализуют содой и используют для про­мывки эфира-сырца и приготовления растворов соды. В произ­водстве метанола до 40 % отбросной воды с НДА-I и НДА-П после отстаивания идет на отмывку спиртовых масел, сиропку метанола-сырца и растворителя-сырца.

При налаженной системе оборотного водоснабжения с испа-рительно-охладительными устройствами (бассейном, градир­ней) расход свежей воды (на подпитку) можно сократить до 10 % от оборотной, а общий расход снизить на 70 %. На одном из заводов оборотное водоснабжение организовано при помощи искусственного пруда. Нагретая условно чистая вода сбрасы­вается в дальний конец пруда, зеркало которого рассчитано на охлаждение воды до заданной температуры. В некоторых слу­чаях расход охлаждающей воды можно снизить в 3—4 раза пу­тем использования конденсаторов воздушного охлаждения, на­пример, для конденсации паров сушки и отдувки щепы в канифольно-экстракционном производстве.

Существенно уменьшить объем загрязненных промышлен­ных стоков можно путем применения более совершенной техно­логии на ряде предприятий.

Основными способами обезвреживания промышленных сто­ков лесохимических предприятий являются их биохимическая очистка, выпаривание и сжигание. Менее загрязненные про­мышленные стоки отстаиваются, фильтруются, обрабатываются химикатами, разбавляются оборотной или условно чистой водой и направляются в биохимическую очистку. Наиболее загрязнен­ные стоки, не поддающиеся очистке (например, различные кубо­вые остатки), выпаривают или сжигают в различных печах.

Обезвреживание газовых выбросов

Отходящие газы от различных аппаратов лесохимических производств содержат значительное количество паров летучих веществ и подлежат очистке с целью предотвращения попада­ния их в атмосферу и регенерации некоторых из них.

Газовые выбросы уксусно-кислотного производства.

При из­влечении уксусной кислоты из жижки экстракцией этилацета-том наибольший унос паров летучих веществ через воздушники происходит при регенерации экстрагента на эфирокислотном и эфироводном аппаратах. Так, в пробах воздуха из общего воз­душника этих аппаратов обнаружено 41 ±1 тыс. мг/м³ этилаце-тата и до 4 тыс. мг/м³ спиртов (табл. 14.6). Во избежание потерь этих веществ на большинстве заводов воздушники аппа­ратов и емкостей экстракционной системы и этилацетатного от­деления присоединяют к коллектору, связанному со скруббе­ром, орошаемым кислой или оборотной водой. Воздушники от ректификационных аппаратов также связаны с коллектором. Промывная вода от скрубберов присоединяется к жижке.

Несмотря на такую промывку, суммарное содержание лету­чих веществ в газах, отходящих из общего воздушника уксусно-кислотного производства, превышает в среднем 4 тыс. мг/м³; особенно много в них альдегидов и кетонов, а также этилаце-тата. Однако вследствие того, что количество газов, выбрасы­ваемых из общих воздушников, незначительно, заметного за­грязнения атмосферы не происходит.

Газовые выбросы канифольно-скипидарных производств.

В канифольно-терпентинном производстве воздушные выбросы от аппаратов загрязнены парами скипидара, однако этих выб­росов немного и их влияние на состояние атмосферы незначи­тельно. Для очистки от скипидара воздух от воздушников про­пускают через концевой холодильник, охлаждаемый большим количеством речной или артезианской воды.

В канифольно-экстракционном производстве применяемая схема очистки газовых выбросов обеспечивает одновременно и сокращение количества сточных вод. По этой схеме оборотная вода пропускается через холодильную машину и с температу­рой 1—2 °С подается в насадочный скруббер, куда противото­ком поступает воздух из системы воздушников. При охлажде­нии воздуха происходит конденсация содержащихся в нем па­ров бензина в виде очень мелких капель. Эти капли механи­чески улавливаются водой, а промытый воздух с температурой 3—5°С отводится в атмосферу. Промывная вода из скруббера с температурой 8—10°С поступает во флорентину, откуда вод­ный слой самотеком стекает к вакуум-насосу. После вакуум-на­соса вода собирается в сборник и затем насосом вновь подается в холодильную машину. Далее цикл повторяется. Потери бен­зина при этом определяются количеством отходящего воздуха, его температурой и упругостью паров применяемого бензина. Исчерпывающую очистку от паров бензина можно обеспечить, если воздух дополнительно направить на скруббер, орошаемый охлажденным соляровым маслом.

Адсорбционные методы для улавливания паров бензина в канифольно-экстракционном производстве неприменимы, так как в воздухе от воздушников, кроме бензина, содержатся также терпеновые углеводороды, которые легко окисляются и полимеризуются в порах; адсорбента.

Кроме предельно-допустимых концентраций вредных веществ в атмосферном воздухе, предприятия должны руководствоваться величинами предельно-допустимых выбросов в единицу времени (ПДВ). Нормативы ПДВ утверждаются для каждого предпри­ятия отдельно с таким расчетом, чтобы после смешения выбросов с приземным слоем воздуха концентрация вредных веществ в этом слое не превышала ПДК.

Помимо выбросов в атмосферу, вредные вещества могут по­падать через неплотности в аппаратах и в воздух производ­ственных помещений. Если их концентрация в воздухе рабочей зоны превысит ПДК, условия труда станут неблагоприятными. Поэтому содержание вредных веществ в воздухе рабочей зоны должно систематически контролироваться.

Неблагоприятные условия труда могут возникать и при от­клонении параметров, характеризующих микроклимат в рабо­чей зоне, от допустимых величин, установленных ГОСТом 12.1.005—76. Этими параметрами являются температура, влаж­ность и подвижность (скорость движения) воздуха.

При надлежащей герметизации и теплоизоляции аппара­туры и эффективной работе вентиляционных систем воздух ра­бочей зоны соответствует установленным санитарно-гигиениче­ским требованиям. Например, в производстве этилацетата на рабочем месте аппаратчиков обычно обнаруживается около 50 мг/м³ этилацетата, в производстве бутилацетата 50—85 мг/м , т. е. значительно ниже ПДК.