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» Выполнил: студент группы МАХП-04 (дн) Корзников Ярослав Владимирович Проверил: преподаватель Кулинская Ирина
Васильевна Березники 2007 Содержание 1. Краткое описание получаемого продукта…2. Краткое описание технологии… 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 ори¬ентированным аморфно-кристаллическим строением, которое объясняет все ее свойства — реакционную способность, набуха¬ние в воде (чем и вызывается увеличение размеров древесины при увлажнении) и др. Гемицеллюлозы древесины состоят из различных по¬лисахаридов 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 по¬строены 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 рас¬твором химических реагентов (варочным раствором) при по¬вышенных температуре и давлении, происходит ее делигнификация – большая часть лигнина растворяется, клетки древе¬сины разъединяются и получается волокнистая техническая целлюлоза. Основными методами получения целлюлозы являются суль¬фатный и сульфитный; применяют также бисульфитный, ней¬трально-сульфитный, различные комбинированные и ступенча¬тые методы варки. Перспективными являются окислительные методы — кислородно-содовый, кислородно-щелочной и. др которые не связаны с использованием серосодержащих реаген¬тов и поэтому оказывают меньшее влияние на окружающую среду. Путем соответствующего подбора реагентов и условий варки регулируют выход технической целлюлозы и ее свой¬ства, в первую очередь остаточное содержание лигнина.
Чем полнее удален лигнин при варке, тем волокно светлее, но вы¬ход его меньше. Целлюлозу вырабатывают нормального вы¬хода (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 полуцеллю¬лозу (выход 60—85%), содержащую половину или более ис¬ходного лигнина и требующую механического размола для превращения ее в волокнистую массу.
Техническая небеленая целлюлоза пригодна для изготовле¬ния многих видов продукции — газетной и мешочной бумаги, тарного картона и др. Для получения высших сортов писчей и печатной бумаги, где требуется повышенная белизна, исполь¬зуют среднежесткую и мягкую целлюлозу, которую отбели¬вают химическими реагентами, например хлором, двуокисью хлора, гипохлоритом кальция или натрия, перекисью водорода. Особо очищенную (облагороженную) целлюлозу, содержа¬щую 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 во¬локна для производства автомобильных шин. Древесную массу получают механическим разделением дре¬весины на волокна. Большое количество волокнистой массы вырабатывают из вторичного сырья — макулатуры, доля кото¬рой в производстве бумаги и картона превышает 20% от всего используемого волокна. На некоторых предприятиях целлю¬лозу 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 165-180о 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 44,5:1
Варочный котел непрерывного действия «Камюр» имеет общую высоту 45 м, диаметр 4,7 м, дает в сутки 450— 500 т целлюлозы (имеются также установки производитель¬ностью 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 транспорти¬руется 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 выдув¬ной 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 ос¬новном оксикислоты. Ацетильные группы древесины при варке отщепляются, образуя уксусную кислоту, находящуюся в ще¬локе
в виде уксусно-кислого натрия. Черный щелок упаривают в многокорпусных вакуум-выпар¬ных установках, добавляют сульфат натрия для возмещения потерь щелочи, -происходящих в производстве (отсюда и на¬звание способа), а затем щелок сжигают в топках специаль¬ных паровых котлов — содорегенерационных котлоагрегатов (СРК). При этом сгорает органическая часть щелока, а суль¬фат натрия превращается в сернистый натрий; едкий натр пе¬реходит в углекислый натрий. Плав растворяют в слабом белом щелоке или в воде и по¬лучают
зеленый щелок, который обрабатывают гашеной из¬вестью для перевода углекислого натрия в едкий натр. Полу¬чается белый щелок, который снова используют для варки целлюлозы. Смоляные и жирные кислоты, содержащиеся в древесине, при варке превращаются в натриевые соли. Эти соли при от¬стаивании собираются на поверхности черного щелока, обра¬зуя сульфатное мыло. Путем подкисления черного щелока серной кислотой или двуокисью углерода из него можно выделить щелочной
лигнин, применяемый в производстве пластических масс, резинотехни¬ческих изделий и др. Из черного щелока можно получить дру¬гие 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 рафинер¬ной древесной массы. Качество ее значительно улучшается, если перед размолом щепу пропарить; получаемый продукт называют термомеханической древесной массой. Наиболее вы¬сокое качество у химико-термомеханической древесной
массы, для получения которой щепу перед размолом пропитывают не¬которыми химикатами и пропаривают. Выход обычной древесной массы 95—96 % от древесины химико-термомеханической около 90%. Древесная масса при¬меняется при изготовлении большинства видов бумаги и кар¬тона, 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 непре¬рывно прокачивают циркуляционным насосом через подогрева¬тель. 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.) про¬изводят сдувку парогазовой смеси — терпентинную сдувку. Па¬рогазовая смесь поступает в щелокоуловитель и далее подвер¬гается дробной конденсации. От конденсата во флорентине от¬деляют 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 сер¬ной кислотой при 120—130 °С или водой, при 160—170 °С. Предгидролизат отбирают из котла и направляют на произ¬водство дрожжей, после чего в котел заливают варочный рас¬твор и начинают варку.
По окончании варки, обычно не сни¬жая 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, облицо¬ван внутри легированной сталью.
Общая высота 13—17 м, диа¬метр цилиндрической части 3,6—4,5 м, загрузочной горловины 800 мм, выгрузочной — 700 мм, вместимость 100—200 м3. Ще¬лок забирается из средней части котла и возвращается цирку¬ляционным насосом в верхнюю и нижнюю его части. Выгруженную из котла целлюлозу промывают водой в диф¬фузорах или на барабанных фильтрах и затем подвергают многоступенчатой очистке от сучков, непровара, частичек коры, песка и др. Сначала производят грубое сортирование на виб¬рационных или центробежных сучколовителях,
потом тонкое сортирование в центробежных сортировках, вихревых очисти¬телях (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 производитель¬ностью 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 транспорти¬руется щелоком к загрузочному устройству котла, оснащен¬ному 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’выдув¬ной 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 ос¬новном оксикислоты.
Ацетильные группы древесины при варке отщепляются, образуя уксусную кислоту, находящуюся в ще¬локе в виде уксусно-кислого натрия. Черный щелок упаривают в многокорпусных вакуум-выпар¬ных установках, добавляют сульфат натрия для возмещения потерь щелочи, происходящих в производстве (отсюда и на¬звание способа), а затем щелок сжигают в топках специаль¬ных паровых котлов — содорегенерационных котлоагрегатов (СРК). При этом сгорает органическая часть щелока, а суль¬фат натрия превращается в сернистый натрий;
едкий натр пе¬реходит в углекислый натрий. Плав растворяют в слабом белом щелоке или в воде и по¬лучают зеленый щелок, который обрабатывают гашеной из¬вестью для перевода углекислого натрия в едкий натр. Полу¬чается белый щелок, который снова используют для варки целлюлозы. Смоляные и жирные кислоты, содержащиеся в древесине, при варке превращаются в натриевые соли. Эти соли при от¬стаивании собираются на поверхности черного щелока, обра¬зуя сульфатное мыло. Путем подкисления черного щелока серной кислотой или двуокисью углерода из него можно выделить щелочной лигнин, применяемый в производстве пластических масс, резинотехни¬ческих изделий и др. Из черного щелока можно получить дру¬гие 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 обра¬зуются различные сточные воды — отбросные воды ректифика¬ционных аппаратов, промывные, подсмольные и подскипидарные воды и др. Все они объединяются общим названием про¬мышленных 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 от¬носятся также загрязненные хозяйственно-бытовые стоки и лив¬невые 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 об¬разуются в канифольно-скипидарном производстве. На всех стадиях производства лесохимических продуктов об¬разуются 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» Продукция Стоки, подлежащие очистке Условно чистые воды Промышленные Хозяйственно-бытовые Всего Уголь древесный 0,5 1,5 2,0 59 Уксусная кислота: • техническая 28,0 5,7 33,7 596 • пищевая 0,3 1,9 2,2 77 Древесно-спиртовые продукты 1,0 0,3 1,3 25 Этилацетат 5,4 7,2 12,6 425 Рутилацетат 0,4 0,3 0,7 41 Количество промышленных стоков и степень их загрязнен¬ности 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 превы¬шает 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, про¬мывная вода от скрубберов после трехкорпусного
аппарата и вода от вакуум-насосов может циркулировать в системе много¬кратно. Воду от эфироводных НДА в уксусно-кислотном произ¬водстве и частично в производстве ацетатных растворителей применяют для промывки кубов; отбросную воду от регенера¬ции эфироводы нейтрализуют содой и используют для про¬мывки эфира-сырца и приготовления растворов соды. В произ¬водстве 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, градир¬ней) 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 сбрасы¬вается в дальний конец пруда, зеркало которого рассчитано на охлаждение воды до заданной температуры. В некоторых слу¬чаях расход охлаждающей воды можно снизить в 3—4 раза пу¬тем использования конденсаторов воздушного охлаждения, на¬пример, для конденсации паров сушки и отдувки щепы в канифольно-экстракционном производстве. Существенно уменьшить объем загрязненных промышлен¬ных стоков можно путем применения более совершенной техно¬логии на ряде предприятий. Основными способами обезвреживания промышленных сто¬ков лесохимических предприятий являются их биохимическая
очистка, выпаривание и сжигание. Менее загрязненные про¬мышленные стоки отстаиваются, фильтруются, обрабатываются химикатами, разбавляются оборотной или условно чистой водой и направляются в биохимическую очистку. Наиболее загрязнен¬ные стоки, не поддающиеся очистке (например, различные кубо¬вые 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 попада¬ния их в атмосферу и регенерации некоторых из них. Газовые выбросы уксусно-кислотного производства. При из¬влечении 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 воз¬душника 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 аппа¬ратов и емкостей экстракционной системы и этилацетатного от¬деления присоединяют к коллектору, связанному со скруббе¬ром, 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 лету¬чих 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, выбрасы¬ваемых из общих воздушников, незначительно, заметного за¬грязнения атмосферы не происходит. Газовые выбросы канифольно-скипидарных производств.
В канифольно-терпентинном производстве воздушные выбросы от аппаратов загрязнены парами скипидара, однако этих выб¬росов немного и их влияние на состояние атмосферы незначи¬тельно. Для очистки от скипидара воздух от воздушников про¬пускают 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 температу¬рой 1—2 °С подается в насадочный скруббер, куда противото¬ком поступает воздух из системы воздушников. При охлажде¬нии воздуха происходит конденсация содержащихся в нем па¬ров бензина в виде очень мелких капель. Эти капли механи¬чески 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 вод¬ный
слой самотеком стекает к вакуум-насосу. После вакуум-на¬соса вода собирается в сборник и затем насосом вновь подается в холодильную машину. Далее цикл повторяется. Потери бен¬зина 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 предпри¬ятия 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 по¬падать через неплотности в аппаратах и в воздух производ¬ственных 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 от¬клонении параметров, характеризующих микроклимат в рабо¬чей зоне, от допустимых величин, установленных ГОСТом 12.1.005—76. Этими параметрами являются температура, влаж¬ность и подвижность (скорость движения) воздуха. При надлежащей герметизации и теплоизоляции аппара¬туры и эффективной работе вентиляционных систем воздух ра¬бочей зоны соответствует установленным санитарно-гигиениче¬ским 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.