Научная статья на тему 'ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ В ПРОЦЕССЕ ПРОИЗВОДСТВА СУЛЬФАТНОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ В ЦЕЛЛЮЛОЗНО-БУМАЖНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ'

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ В ПРОЦЕССЕ ПРОИЗВОДСТВА СУЛЬФАТНОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ В ЦЕЛЛЮЛОЗНО-БУМАЖНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

CC BY
52
9
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ЭКСЕРГЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ / ТЕХНОЛОГИЯ ТЕПЛОТЫ / ПРОИЗВОДСТВО СУЛЬФАТНОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ / ВЫПАРИВАНИЕ / ЧЕРНЫЙ ЩЕЛОК / ЭКСЕРГЕТИЧЕСКИЙ КПД / ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ / ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ

Аннотация научной статьи по химическим технологиям, автор научной работы — Казаков Владимир Григорьевич, Луканин Павел Владимирович, Федорова Олеся Вячеславовна, Зверева Эльвира Рафиковна

АКТУАЛЬНОСТЬ. В настоящей работе приводятся результаты исследований энергосберегающих технологий в процессе производства сульфатной целлюлозы в целлюлозно-бумажной промышленности. ЦЕЛЬЮ исследования является научное обоснование схемы выпаривания и анализ области выпаривания при оптимальных параметрах, на основе которых предложены конструктивные и технологические параметры процесса выпаривания. МЕТОДЫ. В работе подробно рассмотрены результаты эксергетических балансов основных процессов производства сульфатной целлюлозы - регенерация щелочей в содорегенерационных котельных агрегатах (СРК), процесса выпаривания черного щелока, варки технологической щепы, процесс декарбонизации известняка. Выполненный анализ технологической схемы позволяет выявить наиболее «узкие» места в использовании тепловой энергии и обосновать основные направления повышения энергоэффективности рассмотренных процессов. РЕЗУЛЬТАТЫ. Предложена новая энергосберегающая и экологически безопасная технология кислотно-щелочного способа регенерации химикатов, в которой эксергетический КПД возрастает до 90,4 %. Проведено научное обоснование схемы выпаривания и анализ области выпаривания при оптимальных параметрах, на основе которых предложены конструктивные и технологические параметры процесса выпаривания. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Определены основные направления по энергетическому совершенствованию производства сульфатной целлюлозы: снижение эксергетических потерь от необратимости теплообмена, полный или частичный вывод из технологического процесса содорегенерационного котла, а также реализация принципов биорефайнинга .

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по химическим технологиям , автор научной работы — Казаков Владимир Григорьевич, Луканин Павел Владимирович, Федорова Олеся Вячеславовна, Зверева Эльвира Рафиковна

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

ENERGY-SAVING TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OF SULPHATE CELLULOSE IN THE PULP AND PAPER INDUSTRY

RELEVANCE. This paper presents the results of research on energy-saving technologies in the production of sulphate cellulose in the pulp and paper industry.THE GOAL. This paper presents the results of research on energy-saving technologies in the production of sulfate cellulose in the pulp and paper industry. The purpose of the study is the scientific substantiation of the evaporation scheme and the analysis of the evaporation region at optimal parameters, on the basis of which the design and technological parameters of the evaporation process are proposed. METHODS. The paper considers in detail the results of exergetic balances of the main processes of sulfate cellulose production - the regeneration of alkalis in IBS, the process of evaporation of black liquor, cooking of technological chips, the process of decarbonization of limestone. The analysis of the technological scheme makes it possible to identify the most «bottlenecks» in the use of thermal energy and justify the main directions for improving the energy efficiency of the processes considered. RESULTS. A new energy-saving and environmentally friendly technology of acid-base chemical regeneration method is proposed, in which the exergetic efficiency increases to 90.4%. The scientific substantiation of the evaporation scheme and the analysis of the evaporation region at optimal parameters were carried out, on the basis of which the design and technological parameters of the evaporation process were proposed. CONCLUSION. The main directions for the energy improvement of the production of sulphate cellulose are determined: reduction of exergetic losses from the irreversibility of heat exchange, complete or partial withdrawal from the technological process of the sodoregeneration boiler, as well as the implementation of the principles of biorefining.

Текст научной работы на тему «ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ В ПРОЦЕССЕ ПРОИЗВОДСТВА СУЛЬФАТНОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ В ЦЕЛЛЮЛОЗНО-БУМАЖНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ»

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И КОМПЛЕКСЫ

УД К 66.046.8

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ В ПРОЦЕССЕ ПРОИЗВОДСТВА СУЛЬФАТНОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ В ЦЕЛЛЮЛОЗНО-БУМАЖНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Казаков1 В.Г., Лукании1 П.В., Федорова10.В., Зверева2 Э.Р.

^анкт-Петербургский государственный университет промышленных технологий и

дизайна

" Казанский государственный энергетический университет

lukanin (a)gturp. spb.ru

Резюме: АКТУАЛЬНОСТЬ. В настоящей работе приводятся результаты исследований энергосберегающих технологий в процессе производства сульфатной целлюлозы в целлюлозно-бумажной промышленности. ЦЕПЬЮ исследования является научное обоснование схемы выпаривания и анализ области выпаривания при оптимальных параметрах, на основе которых предложены конструктивные и технологические параметры процесса выпаривания. МЕТОДЫ. В работе подробно рассмотрены результаты эксергетических балансов основных процессов производства сульфатной целлюлозы - регенерация щелочей в содорегенерационных котельных агрегатах (СРЮ, процесса выпаривания черного щелока, варки технологической щепы, процесс декарбонизации известняка. Выполненный анализ технологической схемы позволяет выявить наиболее «узкие» места в использовании тепловой энергии и обосновать основные направления повышения энергоэффективности рассмотренных процессов. РЕЗУЛЬТАТЫ. Предложена новая энергосберегающая и экологически безопасная технология кислотно-щелочного способа регенерации химикатов, в которой эксергетический КПД возрастает до 90,4 %. Проведено научное обоснование схемы выпаривания и анализ области выпаривания при оптимальных параметрах, на основе которых предложены конструктивные и технологические параметры процесса выпаривания. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Определены основные направления по энергетическому совершенствованию производства сульфатной целлюлозы: снижение эксергетических потерь от необратимости теплообмена, полный или частичный вывод из технологического процесса содорегенерационного котла, а также реализация принципов биорефайнинга

Ключевые слова: эксергетический анализ; технология теплоты; производство сульфатной целлюлозы; выпаривание; черный щелок; эксергетический КПД; энергосбережение; экологическая безопасность.

Для цитирования: Казаков В. Г., Лукании П.В., Федорова О.В., Зверева Э.Р. Энергосберегающие технологии в процессе производства сульфатной целлюлозы в целлюлозно-бумажной промышленности // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2023. Т. 15. №1 (57). С. 3-11.

ENERGY-SAVING TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OF SULPHATE CELLULOSE IN THE PULP AND PAPER INDUSTRY

VG. Kazakov1, PV. Lukanin1, OV. Fedorova1, E.R Zvereva2

'Saint Petersburg State University of Industriel Technologies and Design» 2 Kazan State Power Engineering University

lukan in (aigturp. spb.ru

Abstract: RELEVANCE. This paper presents the results of research on energy-saving technologies in the production of sulphate cellulose in the pulp and paper industry.THE GOAL. This paper presents the results of research on energy-saving technologies in the production of sulfate cellulose in the pulp and paper industry. The purpose of the study is the scientific substantiation of the evaporation scheme and the analysis of the evaporation region at optimal parameters, on the basis of which the design and technological parameters of the evaporation process are proposed. METHODS. The paper considers in detail the results of exergetic balances of the main processes of sulfate cellulose production - the regeneration of alkalis in IBS, the process of evaporation of black liquor, cooking of technological chips, the process of decolonization of limestone. The analysis of the technological scheme makes it possible to identify the most «bottlenecks» in the use of thermal energy and justify the main directions for improving the energy efficiency of the processes considered. RESULTS. A new energy-saving and environmentally friendly technology of acid-base chemical regeneration method is proposed, in which the exergetic efficiency increases to 90.4%. The scientific substantiation of the evaporation scheme and the analysis of the evaporation region at optimal parameters were carried out, on the basis of which the design and technological parameters of the evaporation process were proposed. CONCLUSION. The main directions for the energy improvement of the production of sulphate cellulose are determined: reduction of exergetic losses from the irreversibility of heat exchange, complete or partial withdrawal from the technological process of the sodoregeneration boiler, as well as the implementation of the principles ofbiorefming.

Keywords: exergetic analysis; heat technology; sulphate cellulose production; evaporation; black liquor; exergetic efficiency; energy Mving; environmental safety.

For citation: Kazakov VG, Lukanin PV, Fedorova OV, Zvereva ER. Energy-sm'ing technologies in the production of sulphate cellulose in the pulp and paper industry. KAZAN STATE POWER ENGINEERING UNIVERSITY BULLETIN. 2023; 15; 1(57):3-11.

Введение (Introduction)

Задачи снижения затрат сырья, энергии и повышения качества конечной продукции являются актуальными и основными при совершенствовании производства целлюлозы и бумаги. Проблема снижения затрат энергии во многом определяет экологическую безопасность производства. Уменьшение энергетических затрат в технологический процесс от внешнего источника обуславливает эквивалентное снижение отвода теплоты в окружающую среду, а, следовательно, тепловые и химические загрязнения (С02, NOx и др).

Около 90 % целлюлозы в настоящее время получают сульфатным методом. Решение задач энергосбережения в основном достигается при варке древесной щепы, выпаривании черных щелоков, сушке растворов с регенерацией карбонатной и сульфидной серы, декарбонизации известняка.

Практически вся подводимая энергия (75%) для непрерывного функционирования технологической схемы производства сульфатной целлюлозы обеспечивается за счет сжигания лигнина и других растворенных органических компонентов древесины, т.е. путем использования биотоплива - внутренних источников перерабатываемого сырья. Технические решения, обеспечивающие энергосбережение путем регенерации вторичных материальных ресурсов, являются научными и практическими достижениеями в технологии производства сульфатной целлюлозы.

Научная и практическая зачимость данного исследования заключается в научном обоснование схемы выпаривания и анализе области выпаривания при оптимальных параметрах, на основе которых предложены конструктивные и технологические параметры процесса выпаривания черного щелока, варки технологической щепы, процесса декарбонизации известняка, который позволяет выявить наиболее «узкие» места в использовании тепловой энергии и обосновать основные направления повышения энергоэффективности рассмотренных процессов.

Проведенными термодинамическими исследованиями [1] установлен низкий эксергетический КПД (48 %) действующего производства сульфатной целлюлозы. Такой низкий КПД определяется технологическим процессом регенерации химикатов при получении сульфатной целлюлозы. КПД этого процесса определяется величиной 46,7 % при подводе 93,8 % эксергии от всей подведенной эксергии в технологический процесс.

В процессе регенерации щелочи в содорегенерационных котельных агрегатах затрачивается 71,2% эксергии, подведенной в схеме. Из них 53% затрачивается на процессы

выпаривания воды из раствора и получения водяного пара в котле с эксергетическими КПД - 25,56% и 45,38%, соответственно. Влияние этих процессов на общий эксергетический КПД настолько велико, что они определяют величину эксергетического КПД схемы в целом, который составляет 48%. Вторым теплоиспользующим процессом по величине затраченной эксергии является процесс декарбонизации известняка. Здесь затрачивается 11,46% от всей затраченной эксергии в схеме технологии производства. Этот процесс характеризуется низким (37%) эксергетическим КПД.

Третьим теплоиспользующим процессом является выпаривание черного щелока. Величина затраченной эксергии в процессе составляет 11,10% при эксергетическом КПД этого процесса 81%.

Четвертым теплоиспользующим процессом по величине затраченной эксергии (6,25%) является варка технологической щепы. Этот процесс характеризуется эксергетическим КПД 69,44%, что не отвечает современным требованиям к эксергетическому КПД современных процессов [2-8].

Материалы и методы ßlaterials and methods)

Выполненный эксергетический анализ технологической схемы производства сульфатной целлюлозы позволяет выявить наиболее «узкие» места в использовании тепловой энергии и обосновать основные направления повышения энергоэффективности рассмотренных процессов.

Развитие теории эксергетического метода термодинамического анализа проведено путем введения понятия приращения эксергий, что устраняет недостатки, присущие изложенным выше методам. При составлении эксергетических балансов предлагается пользоваться не значениями эксергии относительно окружающей среды, а их приращениями в процессе взаимодействия тепловых потоков. Такой подход позволил установить математическую связь между эксергетическим КПД элемента с эксергетическим КПД сложной тепловой схемы, куда входит этот элемент.

Кардинальным решением этой проблемы является исключение из технологической цепи СРК - этого энергозатратного и экологически опасного процесса.

Предлагается кислотно-щелочной способ регенерации химикатов [3-6].

Результаты (Results)

Техническим результатом предлагаемого авторами способа является исключение энергетических и эксплуатационных затрат в процессах сжигания черного щелока в СРК, обжига известняка, каустизации содового раствора, повышения эксплуатационной надежности оборудования и устранение экологической опасности этих процессов путем их вывода из технологической цепи аппаратов.

На рисунке 1 представлена упрощенная принципиальная схема предлагаемого способа. Производственный черный щелок подкисляется серной кислотой, после чего получается два продукта: суспензия лигнина и газообразные вещества. Газообразные вещества, выделяющиеся при подкислении черного щелока в основном в виде H2S и С02 взаимодействуют с натриевой щелочью, полученной после регенерации щелочи из смеси сульфата натрия и сульфата калия. В результате такого взаимодействия регенерируют сульфид натрия, который используют в виде оборотного раствора. Суспензию лигнина фильтруют. Лигнин после фильтрации промывают и высушивают в распылительной сушилке. Маточный раствор лигнина обрабатывают оборотным раствором NaOH до pH = 78. Величина pH определяется, главным образом исходя из условия возможности применения выпарных аппаратов из обычной углеродистой стали.

Полученный после нейтрализации раствор упаривают в выпарной установке на первой стадии упаривания до концентрации насыщения солей натрия и калия. Укрепленный раствор далее подают на вторую стадию упаривания, где концентрируют раствор до получения суспензии при Ж/Т (вес.) равным 3-5. Суспензию щелочей после второй стадии концентрирования разделяют на два продукта: маточный раствор и твердый продукт солей сульфатов. Маточный раствор направляют на смешение с раствором, поступающим на вторую стадию упаривания. Отфильтрованный продукт направляется на конвенцию с 50 % раствором КОН. В результате конверсии регенерируют едкий натрий и получают товарный сульфат калия. Раствор NaOH после фильтрации на центрифуге направляют на регенерацию Na2S и после корректировки используют в качестве оборотного раствора для варки технологической щепы. Сульфат калия после сушки является товарным продуктом. Приведенные величины параметров являются ориентировочными и подлежат уточнению и оптимизации. По предлагаемому способу можно осуществить коренную модернизацию целлюлозного производства на основе энергосберегающей технологии регенерации химикатов при низких капиталовложениях.

Эффективность предлагаемого способа определяется снижением энергетических, капитальных и эксплуатационных затрат в процессе переработки черных щелоков. При этом обеспечивается экологическая безопасность процессов на основе вывода из технологической цепи аппаратов СРК, печей декарбонизации известняка и каустизации содовых растворов.

Новые технологии теплоты, а также способ выпаривания с кристаллизацией солей потребовали научного обоснования схемы и анализа области выпаривания при оптимальных параметрах

Рис. 1 Принципиальная технологическая схема Fig.l - Schematic flow diagram of the acidbase кислотно-щелочного способа регенерации method for the regeneration of chemicals from химикатов из растворов черного сульфатного solutions of black sulfate liquor щелока

*Псточник: составлено автором. Source: compiled by the author.

В качестве критерия оптимальности принимается стоимость 1 кг выпаренной воды на 1 кг абсолютно-сухих веществ. Была поставлена задача по определению минимального значения критерия оптимальности в соответствии с заданными исходными данными. Рассмотрим в качестве примера формирование критерия оптимальности, по которому будем определять оптимальные параметры работы выпарной батареи, представленной выпарными аппаратами С принудительной циркуляцией (Источник: составленоавтором./Зоигсе: compiled by the author.);

где С - стоимость выпаривания, руб./кг (руб/кг) выпаренной воды; р - стоимость топлива, поступающего в выпарную установку с греющим паром, руб./кг (руб/кг); О/ -низшая теплота сгорания лигнина, Дж/кг; г) - КПД котла, %; 1)( - удельные эксергетические потери, кДж/с; Л',„, - общая удельная мощность циркуляционных насосов, кВт; Р/ - стоимость и изготовление 1 м2 поверхности, руб/м2 ; /•' - суммарная поверхность теплообмена, м2; А0 -доля амортизационных отчислений от общей начальной стоимости оборудования; т -количество рабочих часов в году; р,т - стоимость циркуляционного насоса, руб; п- число

ступеней выпаривания (циркуляционных насосов); W - суммарное количество выпаренной воды, кг/кг.

Приняты следующие значения: стоимость лигнина Р = 2 руб/кг, низшая теплота сгорания лигнина {¿н =19274кДж/кг, КПД котла т)к = 0,4, температура окружающей среды (холодильника) Тх=290 К, стоимость и изготовление 1 м2 поверхности Pf = 16000 руб./м2, доля амортизационных отчислений от общей начальной стоимости (для теплообменного оборудования А0 = 0,15), количество рабочих часов в году т=8760, стоимость циркуляционного насоса р,„, = 15 тыс. руб;

Для описания области поиска оптимальных параметров тепловой схемы используется рототабельный центральный композиционный план. Выделим три варьируемых переменных: xj- общая разность температур; х2- число ступеней выпаривания; х3 - общая мощность циркуляционных насосов.

Для определения исходных данных в натуральных значениях примем значения параметров на нулевом уровне, шаги варьирования для каждого параметра и далее по формуле перехода от кодируемых переменных в натуральные переменные заполним матрицу планирования эксперимента в натуральных значениях переменных.

В качестве нулевого уровня примем: хо(1) = 130 °С - общая разность температур в выпарной батарее; х0(2) = 8 - число ступеней выпаривания; х0(3) =2,0 м/с - скорость раствора на одну трубу; \х | =20 °С, Ах2=2 ступени, Ах3=0,50 м/с - шаги для общей разности температур, числа ступеней выпаривания выпарной батареи и скорости циркуляции на одну

трубу. Источник: составлено автором./Source: compiled by the author.

Для = +1 x1=x0(1)+Ax1.3c1 = 130+20-1=150 °C; x2= Xo(2)+ Ax2. 5^=8+2-1=10; x3 = Xq3' + Ax3 • x3 = (2,0 + 0,5 • l) = 2,5м/с

ДляХх = -1 Xj= x0(1)+ Axb JC1=130+20-(-l)=110 °C; x2= Xo(2)+ Ax2. Xj =8+2-(-l)=6;

x3 = + Ajc3 • x3 = 2,0 + 0,5 • (-1) = 1,5м! с

Для JCj = 1,682 xj= x0(1)+ Axb 5^=130+20-1,682=164 °C;

m D

x2= Xo(2)+Ax2. z =8+2-1,682=11;

x3 = 43) + • = (2,0 + 0,50 • (l,682)) = 2,84м/ с

Для Xx = -1,682 xj= x0(1)+ Axj. 5c1=130+20-(-1,682)=96°C;

x2= x0(2)+Ax2. =8+2-(-l,682)=4,6=5; x3 = xjf} + Ar3 • x3 = (2,0 + 0,50• (-1,682)) = 1,16м/с

Следующим шагом после построения матрицы плана эксперимента для описания области оптимальных параметров является выбор стратегии постановки плана. Затем проводится расчёт выпарной батареи с целью определения необходимых исходных данных для расчёта критерия оптимальности, по полученным исходным данным осуществляется расчёт критерия оптимальности с составлением теплового баланса выпарной батареи и расчётом эксергетических потерь для всех потоков схемы. По завершению этих действий полученные значения критерия оптимальности обрабатываются регрессионным уравнением второго порядка.

Матрица плана эксперимента для описания области оптимальных параметров. В таблицах 1 и 2 приведен план эксперимента в кодовых и действительных значениях.

Таблица 1 Table 1

План эксперимента в кодовых значениях переменных

The plan of the experiment in the code values of variables_

Номер Матрица плана Стоимость выпаренной воды, руб/кг. вып. воды

опыта Xi Х2 Х3

1 -1 -1 -1 0,104

2 +1 -1 -1 0,015

3 -1 +1 -1 0,025

Ядро плана 4 +1 +1 -1 0,028

5 -1 -1 +1 0,110

6 +1 -1 +1 0,077

7 -1 +1 +1 0,168

8 +1 +1 +1 0,171

9 -1,682 0 0 0,025

10 +1,682 0 0 0,033

Звездные точки 11 0 -1,682 0 0,043

12 0 +1,682 0 0,022

13 0 0 -1,682 0,021

14 0 0 +1,682 0,036

Центр плана 15 0 0 0 0,027

Источник: составлено автором. Source: compiled by the author.

Таблица 2 Table 2

План эксперимента в действительных значениях переменных

The plan of the experiment in the actual values of the variables_

Номер опыта Матрица плана Стоимость выпаренной воды, руб/кг. вып. воды

Xl х2 х3

Ядро плана 1 110 6 1,50 0,104

2 150 6 1,50 0,015

3 110 10 1,50 0,025

4 150 10 1,50 0,028

5 110 6 2,50 0,110

6 150 6 2,50 0,077

7 110 10 2,50 0,168

8 150 10 2,50 0,171

Звездные точки 9 96 8 2,00 0,025

10 164 8 2,00 0,033

11 130 5 2,00 0,043

12 130 11 2,00 0,022

13 130 8 1,16 0,021

14 130 8 2,84 0,036

Центр плана 15 130 8 2,00 0,027

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Источник: составлено автором. Source: compiled by the author.

Анализ результатов показывает, что оптимальные значения параметров наступают в тринадцатом опыте, так как они соответствуют минимальной себестоимости выпаривания. Тринадцатый опыт характеризуется значением общего полезного температурного напора 130 градусов при 8-и ступенях выпаривания и скорости циркуляции на одну трубу 1,16 м/с.

Удельную стоимость выпаривания можно описать следующей математической моделью Источник: составлено автором. /Source: compiled by the author'.

С 1

— = 2,5151 - 0,7509Л. + 0,3588Х, + 2,7645Х, +1,2750Х" +1,6000Х, • X, 4 W '

+0, 7000Xj - Л', • 1381 ОХ; + 2,7250Х2 ■ Х3

■ 1,2750X

2

Далее необходимо получить аналитический минимум путем решения системы уравнений, составленных путем дС _ ^ дС _ ^ дС _ ^

а\'1 ' дх2 3 агз

Решение этих уравнений позволяет определить оптимальные значения параметров выпаривания. Оптимальными значениями переменных для рассматриваемой области технико-экономических исходных данных общий температурный напор по батарее составляет 136 град, при 8 ступенях выпаривания и 1,5 м/с скорости раствора на одну трубу. Уточненные результаты хорошо соответствуют данным, полученным в тринадцатом опыте.

Выполнена оптимизация параметров работы выпарной станции.

Число ступеней-5 Числсступеней-6 Число ступеней-8 Число ступе'Ней-10 Число ступеней^!!

100 108 116 124 132 140 148 156 164 Температурный напор, °С

Рис. 2 Зависимость стоимости выпаривания от Fig. 2 - Dependence of evaporation cost on total общего температурного напора при различном temperature pressure with a different number of числе ступеней выпаривания evaporation steps. Add a caption to English

Источник: составлено автором. Source: compiled by the author

Для исследования влияния режимных параметров на критерий оптимальности построены графики зависимости критерия оптимальности от: общего температурного напора при различном числе ступеней выпаривания (рис. 2); общего температурного напора при различной скорости пленки; числа ступеней выпаривания при различном общем температурном напоре; числа ступеней выпаривания при различной скорости пленки; скорости пленки при различном числе ступеней выпаривания; скорости пленки при различном общем температурном напоре.

На основе проведенных исследований предложены конструктивные и технологические параметры процесса выпаривания.

" Заключение (•Conclusions)

1. Определены основные направления по энергетическому совершенствованию производства сульфатной целлюлозы (эксергетический КПД существующей технологии составляет 48 %) - снижение эксергетических потерь от необратимости теплообмена, полный или частичный вывод из технологического процесса содорегенерационного котла, а также реализация принципов биорефайнинга.

2. Предложена новая энергосберегающая и экологически безопасная технология регенерации химикатов. Эксергетический КПД предлагаемой системы возрастает до 90,4 %. Разработаны следующие базовые технологии и аппаратурные технические решения: полное или частичное извлечение органических соединений путем обработки черного щелока серной кислотой; вывод из технологического процесса регенерации химикатов всех энергоемких, экологически опасных и капиталоемких процессов (СРК и печи декарбонизации известняка).

3. Проведено научное обоснование схемы выпаривания и анализ области выпаривания при оптимальных параметрах

Литература

1. Луканин П.В. Эксергетический анализ технологии производства сульфатной целлюлозы /П.В. Луканин, В.Г. Казаков, О.С. Смирнова // Промышленная энергетика. -2011. №7. С.37-42.

2. Патент №2617569 Российская Федерация. МПК D21C 11/00 (2006.01). Способ кислотно-щелочной переработки черного щелока сульфатного производства целлюлозы: № 2014108629: заявл.05.03.2014: опубл. 10.09.2015 / Луканин П.В., Казаков В.Г., Смирнова О С.; заявитель СПбГТУРП. - 2с.

3. Патент №2687986 Российская Федерация. МПК D21C 11/00 (2018.08). Способ регенерации натриевых солей из раствора черного щелока при производстве сульфатной целлюлозы: №2018131322: заявл. 30.08.2018: опубл. 17.05.2019 /Луканин П.В.. Казаков В.Г., Федорова О.В.; заявитель СПбГУПТД. - 2с.

4. Луканин П.В. Влияние технологических параметров на извлечение органических соединений из растворов черного щелока производства сульфатной целлюлозы / П.В. Луканин, О.В. Федорова, В.Г. Казаков [и др.] // Вестник СПбГУПТД; Сер.1 Естественные и технические науки. - 2016. - №4. - С.49-52.

5. Shyy Woei Chang, Wei Ling Cai, Ruo Sin Syu. Heat transfer and pressure drop measurements for tubes fitted with twin and four twisted fins on rod // Experimental Thermal and Fluid Science. 2016. N74. pp. 220-234.

6. Zhang /... Way J.D., Wolden C.A., et al. Barium-promoted ruthenium catalysts on yittria-stabilized zirconia supports for ammonia synthesis // ACS Sustainable Chemistry and Engineering. 2019. Vol. 7, N21. pp.18038-18047.

7. Луканин П.В. Оценка энергетической эффективности производства сульфатной целлюлозы методом приращения эксергий / П.В.Луканин // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2020. Т. 22. № 2. С. 3-11.

8. Казаков В.Г. Энерготехнологический комплекс для глубокой переработки древесины / В.Г. Казаков, Е.Н. Громова. А.С. Алешина // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2022. Т. 14. № 3 (55). С. 48-58

9. Громова Е.Н.Тепломассообмен на участках свободного хода при сушке бумаги на много цилиндровых контактно-конвективных установках / Е.Н. Громова. В.Ю. Лакомкин, А.Г. Николаева // Инженерно-физический журнал. 2019. Т. 92. № 6. С. 2636-2640.

10. Старжинская Е.В. Промывка смешанного сульфатного мыла нейтрализованной кислой водой / Е.В.Старжинская, A.M. Кряжев., С.И. Третьяков, А.А. Глуханов // Известия высших учебных заведений. Лесной журнал. 2019. № 5 (371). С. 194-202.

11. Пен Р.З. Бумагообразующие свойства пероксидной целлюлозы из пшеничной соломы в композиции с древесной сульфатной целлюлозой / Р.З.Пен, ИЛ Шапиро, Ю.А. Амбросович, В.Р. Пен // Хвойные бореальной зоны. 2022. Т. 40. № 3. С. 227-231.

12. Nimish Dubey, Morrish Kumar. CFD Analysis of Fluid Flowing Through a Heat Exchanger Tube Having a Twisted Tape with a Centrally Placed Semi-Circular Groove // International Journal of Science and Research. 2017. Vol.6, N6. pp. 2200-2207.

13. Hansen E, The Global Forest Sector: Changes. Practices and Prospects. R Panwar, R. Vlosky // Taylor & Francis Group (NY); 2017.

14. Sivashanmugam P. Experimental studies on heat transfer and friction factor characteristics of turbulent flow through a circular tube fitted with helical screw-tape inserts / P Sivashanmugam. S. Suresh //Chemical Engineering and Processing. 2007. N46. pp. 1292-1298.

15. Бачурихин АЛ. Обезвреживание сточных вод производства сульфатной целлюлозы / АЛ. Бачурихин, И.М. Горицкий, М.Ш. Ефендиев // Водоочистка. 2019. № 4. С. 67-70.

Авторы публикации

Луканин Павел Владимирович - др. техн. наук, профессор, первый проректор Санкт-Петербургского государственного университета промышленных технологий и дизайна (СПБГУПТД).

Казаков Владимир Григорьевич - др. техн. наук, старший научный сотрудник, профессор кафедры промышленной теплоэнергетики Санкт-Петербургского государственного университета промышленных технологий и дизайна (СПБГУПТД).

Федорова Олеся Вячеславовна - канд. техн. наук, проректор по дистанционному обучению Санкт-Петербургского государственного университета промышленных технологий и дизайна (СПБГУПТД).

Зверева Эльвира Рафиковна - др. техн. наук, профессор кафедры «Инженерная экология и охрана труда», Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ).

References

1. Lukanin PV. Exergetic analysis of sulfate cellulose production technology /P.V. Lukanin, V.G. Kazakov, O.S. Smirnova. Industrial power engineering. 2011;7:37-42.

2. Lukanin PV, Kazakov VG, Smirnova OS. Patent No. 2617569 Russian Federation, IPC D21C 11/00 (2006.01). Method of acid-base processing of black liquor of sulfate pulp production: No. 2014108629: application 05.03.2014: publ. 10.09.2015. applicant SPbGTURP. - 2s.

3. Lukanin PV, Kazakov VG, Fedorova OV Patent No. 2687986 Russian Federation, IPC D21C 11/00 (2018.08). Method of regeneration of sodium salts from a solution of black liquor in the production of sulfate cellulose: No.2018131322: application 30.08.2018: publ.17.05.2019 / applicant SPbGUPTD. - 2s.

4. Lukanin PV. The influence of technological parameters on the extraction of organic compounds from solutions of black liquor produced by sulfate cellulose / P.V. Lukanin, O.V. Fedorova, V.G. Kazakov [et al.] Bulletin of SPbGUPTD', Ser.l Natural and Technical Sciences. -2016;4:49-52.

5. Shyy Woei Chang, Wei Ling Cai, Ruo Sin Syu. Heat transfer and pressure drop measurements for tubes fitted with twin and four twisted fins on rod. Experimental Thermal and Fluid Science. 2016;74:220-234.

6. Zhang Z, Way J.D, Wolden C. A, et al. Vagiim-promoted ruthenium catalysts on yittria-stabilized zirconia supports for ammonium synthesis. ACS Sustainable Chemistry and Engineering. 2019;7(21): 18038-18047.

7. Lukanin PV. Evaluation of the energy efficiency of the production of sulfate cellulose by the method of increment of exergies. Izvestia of higher educational institutions. Energy problems. 2020;22(2):3-ll.

8. Kazakov V.G. Energotechnological complex for deep processing of wood / V.G. Kazakov, E.N. Gromova, A.S. Alyoshina. Bulletin of the Kazan State Energy University. 2022;14:3 (55):48-58

9. Gromova EN, Lakomkin Y, Nikolaeva AG. Heat and mass transfer in freewheeling areas when drying paper on multi-cylinder contact-convective installations. Engineering and Physics journal. 2019;92(6):2636-2640.

10. Starzhinskaya EV, Tretyakov SI, Glukhanov AA, et al. Washing of mixed sulfate soap with neutralized acid water. Izvestia of higher educational institutions. Forest magazine. 2019; 5 (371): 194-202.

11. Pen RZ, Shapiro IL, Ambrosovich YuA, et al. Paper-forming properties of peroxide cellulose from wheat straw in a composition with wood sulfate cellulose. Coniferous boreal zones. 2022;40(3):227-231.

12. Nimish Dubey, Morrish Kumar. CFD Analysis of Fluid Flowing Through a Heat Exchanger Tube Having a Twisted Tape with a Centrally Placed Semi-Circular Groove. International Journal of Science and Research. 2017;6(6):2200-2207.

13. Hansen E, Panwar R, Vlosky R. The Global Forest Sector: Changes. Practices and Prospects. Taylor & Francis Group (NY); 2017.

14. Sivashanmugam P. Experimental studies on heat transfer and friction factor characteristics of turbulent flow through a circular tube fitted with helical screw-tape inserts / P. Sivashanmugam, S. Suresh. Chemical Engineering and Processing. 2007;46:1292-1298.

15. Bachurikhin AL. Neutralization of wastewater from the production of sulfate cellulose / A.L. Bachurikhin, I.M. Goritsky, M.Sh. Efendiev. Water treatment. 2019;45: 67-70.

Authors of the publication

Pavel V. Lukanin -St. Petersburg State University of Industrial Technologies and Design. Vladimir G. Kazakov - St. Petersburg State University of Industrial Technologies and Design. Olesya V. Fedorova - St. Petersburg State University of Industrial Technologies and Design. Elvira R. Zvereva - Kazan State Power Engineering University.

Получено 09.02.2023г

Отредактировано 16.02.2023г

Принято 28.02.2023г

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.