CC BY
66
Д. Ф. Зиатдинова, Р. Г. Сафин, М. А. Мазохин,
Р. Р. Зиатдинов, Д. А. Ахметова
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМЫ ГАЗООЧИСТКИ
ПРИ СУЛЬФАТНОЙ ВАРКЕ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ
Ключевые слова: целлюлоза, сульфатная варка, испарение, конденсация, математическая
модель, щелок, установка, энергозатраты.
С целью предотвращения вредных выбросов в атмосферу сульфат-целлюлозного производства и улавливания ценных компонентов из парогазовой смеси была усовершенствованна технологическая схема установки для получения сульфатной целлюлозы.
Key words: pulp, kraft, evaporation, condensation.
In order to prevent harmful emissions of sulphate pulp production and recovery of valuable components from the gas mixture was improvement of technological setup for kraft pulp.
Предприятия целлюлозно-бумажной, гидролизной и лесохимической промышленности по воздействию на окружающую среду остаются одними из экологически опасных и проблемных по величине токсичных выбросов в атмосферу и сбросов в воду. Кроме того отличительной особенностью российских промышленных предприятий являются устаревшие оборудование и технологический процесс.
Большое количество вредных и опасных веществ попадает в атмосферу в процессе работы целлюлозно-бумажного комбината. Увеличение масштабов загрязнения атмосферы делает целесообразным разработку быстрых и эффективных способов защиты от загрязнения, а также способов предупреждения вредного воздействия загрязнителей воздуха. Существуют два метода уменьшения воздействия на окружающую среду вредного производства. Первый - совершенствование очистительных установок по очистке выбросов и сбросов от токсикантов. Второй - совершенствование технологического процесса производства, разработка экологически чистых методов производства, методов по уменьшению от-ходности предприятия и безопасных промышленных установок [1-3].
С целью предотвращения вредных выбросов в атмосферу сульфат-целлюлозного производства и улавливания ценных компонентов из парогазовой смеси была усовершенствованна технологическая схема установки для получения сульфатной целлюлозы [4,5].
Процесс получения сульфатной целлюлозы, включает стадии загрузки сырья и его уплотнения, подачу варочной жидкости, повышение температуры и давления до рабочих параметров, выдержку содержимого котла при заданной температуре, выдувку массы в выдувной резервуар, отвод паров вскипания при выдувке из выдувного резервуара. На рис.1 представлена усовершенствованная технологическая схема процесса сульфатной варки целлюлозы. Из бункера 1 щепа загружается в варочный котел 2, куда заливают через штуцер 29 щелок, который поступает из баков - мерников температурой 80-90 °С. Время загрузки щепы и закачки щелоков занимает 60-90 минут. Щелок предварительно нагревают за счет конденсации паров вскипания в выдувном резервуаре. После закачки
36
1ЛІУ
->4-р
Емкость с отработанной щелочью
■03-^ а
11
29
к
=М>
Ж
ЧІ>
=^3=
/
/
30
І, I
/
/
—1X1-----1=
34 1 ^
2 - /
4«-|
—А 1—кь
^*4
33
28
19
'■■•■■Vw~-.V-.~~
±
15
22 22 22 \ л
•6 _С----------П 17
ги^
1+
X
£
20
12 Х^-13
г
14
25
\ ‘Х
26 27
/
31
32
И
18 21
23
24
9
7
2
3
1
8
4
5
6
Рис. 1 - Схема технологического процессасульфатной варки целлюлозы
щелоков котел герметизируют и начинают варку. За счет системы принудительной циркуляции щелоков через теплообменник осуществляется подъем температуры от начальной 80-90 °С до конечной температуры варки 165-175 °С, в течении 2-2,5 часа. По достижении конечной температуры содержимое котла выдерживают, то есть проводят варку продолжительностью 2-2,5 часа. После окончания варки котел опоражнивают выдувкой целлюлозной массы в выдувной резервуар, для этого открывают сначала механический затвор 11, затем затвор 10, после чего целлюлозная масса по выдувному трубопроводу 3 поступает в приемную горловину циклонного типа 4 выдувного резервуара 5. Так как варочный котел до открытия клапана находится под избыточным давлением 1,2-1,4 МПа, а выдувной резервуар под атмосферным, жидкий щелок, поступающий с целлюлозной массой за счет сброса давления резко вскипает, вследствие чего происходит бурное парообразование с выделением летучих дурнопахнущих веществ, таких как сероводород, диметилсульфид, метилмеркаптан. Готовую целлюлозу через штуцер 6 подают на сортирование и промывку, а пары вскипания отводятся через трубопровод 7 на конденсацию.
С целью сокращения энергозатрат конденсацию на первой ступени осуществляют смешением отработанной щелочи с парами вскипания, отводимыми через трубопровод 7 в конденсаторе смешения 30. Сконденсировавшиеся отработанной щелочью пары вскипания собираются в емкости 32 и изолируются от окружающей среды гидравлическим затвором 31. В результате конденсации происходит нагревание отработанной щелочи до 80-90 0С. Разогретая щелочь из емкости 32 поступает по трубопроводу 33 в варочный котел 34, где происходит предварительный прогрев технологической щепы.
На второй ступени конденсации отвод несконденсировавшихся паров вскипания при выдувке осуществляется через трехступенчатую систему конденсации в противоточ-ном режиме. На входе первой ступени температуру охлаждающего агента, в качестве которого используется раствор хлористого кальция, поддерживают в пределах 40-50 °С, на входе второй ступени поддерживают температуру в пределах 17-27 °С, на входе третий ступени поддерживают температуру ниже 0 °С; линию отвода паров вскипания изолируют от окружающей среды механическим затвором в начале и гидравлическим затвором в конце, отвод несконденсировавшихся паров осуществляется эжектированием [6].
Парогазовая смесь сероводорода, диметилсульфида и метилмеркаптана, подача которой регулируется механическим затвором 11, поступает в нижнюю часть кожухотрубчатого конденсатора 15. Одновременно в верхнюю часть конденсатора с помощью центробежного насоса 21 по трубопроводу подачи 8 подается охлаждающий агент - раствор хлористого кальция, который охлаждается в теплообменнике 19 с помощью холодильника 20. Сероводород является одной из составляющих парогазовой смеси и кипит при температуре 60,3 °С. Чтобы провести полную конденсацию этого газа охлаждающем агентом, необходимо поддерживать температуру парогазовой смеси на входе в конденсатор 15 на оптимальном уровне 40-50 °С, так как при температуре ниже 40 °С необходимо увеличить энергозатраты на охлаждение раствора СаС12, а при температуре выше 50 °С уменьшается движущая сила процесса конденсации, которая должна компенсироваться увеличением поверхности конденсации. Не сконденсировавшиеся при данной температуре пары отводятся по линии отвода 22 в конденсатор 16, на входе которого аналогичным образом поддерживается температура в пределах 17-27 °С, что обеспечивает полную конденсацию диметилсульфида, температура кипения которого составляет 37,3 °С. Метилмеркаптан, кипящий при 6,8 °С, полностью улавливается в конденсаторе 17 при температуре раствора ниже 0 °С, куда поступает по линии отвода 22. Сероводород, диметилсульфид и метилмеркаптан в жидком виде собираются в соответствующие емкости 25, 26, 27. Отвод не
сконденсировавшихся паров осуществляется с помощью эжекторного устройства 18, куда подается оборотная вода через вентиль 28. Вся линия отвода паров вскипания изолируется от окружающей среды гидравлическим затвором 23, который позволяет удалить инертный газ, попавший в систему выдувки. По окончании выдувки прекращается подача охлаждающего агента отключением центробежного насоса 21 и закрываются вентили 12, 13, 14 и механический затвор 11.
Такая организация процесса получения сульфатной целлюлозы позволяет не только ликвидировать выбросы паров в атмосферу, но и сократить расход черного щелока и продолжительность процесса варки.
Математическую модель усовершенствованного процесса можно составить на основе уравнений материального и теплового балансов применительно к паровой и жидкой фазам [7].
Паровая фаза
При идеальном перемешивании компонентов пара уравнение материального баланса по І-му паровому компоненту можно записать в виде
^ - О,Р| = V. ^, (1)
ах
Первый член левой части определяет приток -го компонента в паровую фазу за счет испарения; второй член - отвод І -го компонента из аппарата в систему удаления; правая часть - изменение массы І -го компонента в объеме аппарата.
Уравнение теплового баланса паровой смеси определяется по соотношению
рпсмСпсм
Ч.СІТ = СсмРТ (Йі) Сх - ЬкРпсмСпсмТах (2)
І=1
Левая часть уравнения - изменение теплосодержания смеси; первый член правой части - приток тепла с паровой смесью удаляемой с поверхности жидкости; второй член -отвод тепла из реактора за счет производительности конденсатора.
Жидкая фаза
Дифференциальное уравнение переноса энергии для жидкой фазы имеет вид
С ж тсмСТ + ссмТСтсм + тсмТСссм =
ЙХсТн Сх - £}с жі ТРСх - Йі^Сх (3)
і=і і=і і=і
Левая часть уравнения (3) определяет изменение теплосодержания жидкой смеси; первое слагаемое правой части характеризует приход тепла с загружаемыми компонентами; второе - потерю тела с уходящими парами компонентов; третье - расход тепла на парообразование.
Дифференциальное уравнение переноса массы можно записать соотношением
Стсм = ЯізСХ - Я^х (4)
і=і і=і
Левая часть уравнения определяет изменение массы -го компонента в реакторе; первое слагаемое правой части характеризует массы -го компонента за счет загрузки компонента, второе - за счет испарения -го компонента.
Совместное решение уравнений теплового и материального баланса для паровой и жидкой фазы позволяет определить кинетические зависимости технологического процесса.
Основные обозначения:
] - поток пара, кг/(м с);
Р - поверхность испарения, м2;
0к - объемная производительность конденсатора, м3/с;
Усв - свободный объем аппарата, м3; р -плотность, кг/м3; т - время, с;
с - теплоемкость, Дж/(кгК);
Т - текущая температура, К; т - масса смеси, кг;
0з - загрузка компонента, кг/с.
Индексы:
I - компонент пара или жидкости; ж - жидкость; н - начальная; п - пар; см - смесь.
Литература
1. Пен, Р.З. Технология целлюлозы. Т. 1. Производство сульфатной целлюлозы: учебное пособие для студентов специальности 260300 всех форм обучения / Р.З. Пен. - Красноярск: СибГТУ, 2001.
- 358 с.
2. Седых В.В. Основы научных исследований и проектирование предприятий целлюлознобумажного производства. Инженерное обеспечение предприятий: учебное пособие / В.В. Седых.
- Красноярск, СибГТУ, 2004.- 104 с.
3. Пен Р.З. Технология целлюлозы. Технологические расчеты варочного отдела завода сульфатной целлюлозы: учебное пособие / Р.З. Пен, И.В. Мирошниченко. - Красноярск: СибГТУ, 2004. -54 с.
4. Сафин Р.Г. Совершенствование технологических процессов, сопровождающихся выбросами токсичных веществ/ Р.Г.Сафин, Д.Ф.Зиатдинова, Н.Ф.Тимербаев, В.Н.Башкиров, А.Ш.Беляев // Вестник КГТУ -2002. - №2 - С.68-72.
5. Сафин Р. Г. Моделирование химических процессов, протекающих в герметичных условиях / Р.Г.Сафин, Д.Ф.Зиатдинова, Н.Ф.Тимербаев // Математические методы в химии и химической технологии: Тез.докл.междунар.науч.конф. - Тамбов, 2002. - Т.4. - С.66-67.
6. Исаченко В.П. Теплообмен при конденсации / В.П.Исаченко. - М.: Энергия, 1977.-240с.
7. Сафин Р.Г. Технологические процессы и оборудование деревообрабатывающих производств / Р.Г.Сафин. - Казань: изд-во КГТУ, 2000. - 400с.
© Д. Ф. Зиатдинова - канд. техн. наук, доц. каф. переработки древесных материалов КГТУ, [email protected]; Р. Г. Сафин - д-р техн. наук, проф. каф. переработки древесных материалов КГТУ; М. А. Мазохин - асп. той же кафедры; Р. Р. Зиатдинов асп. той же кафедры; Д. А. Ахметова - канд. техн. наук, доц. той же кафедры.
