Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,118

АСПЕКТЫ РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЯ ПРИ ПОЛУЧЕНИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ЩЕПЫ И ОСВЕТЛЕНИИ БЕЛОГО ЩЕЛОКА В ПРОИЗВОДСТВЕ СУЛЬФАТНОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ

Васильев С.Б. 1 Жилин В.А. 1
1 ФББОУ ВПО «Петрозаводский государственный университет»
Цель работы – обзор аспектов ресурсосбережения при получении технологической щепы и обоснование рекомендаций по интенсификации процесса осветления белого щелока в производстве сульфатной целлюлозы. Результаты работы ориентированы на применение в целлюлозно-бумажной промышленности. Приведен краткий обзор ранее выполненных исследований в данной области. Разработана методика расчета, применение которой позволило определить границы эффективного применения однокамерных и двухкамерных установок для осветления белого щелока. Расчеты и экспериментальные исследования показали, что слой осветления имеет толщину примерно 1,00 м, слой осаждения – 1,00 м, промежуточный слой – 0,25…0,40 м, слой осадка – 1,00…2,00 м. Поэтому высота однокамерного осветлителя от днища до уровня отбора осветленного щелока должны быть не менее 3,50 м. Адекватность методики расчета проверена экспериментально.
ресурсосбережение
щепа
балансы
сульфатный процесс
белый щелок
осветление
1. Васильев С.Б., Девятникова Л.А., Колесников Г.Н. Влияние изменения длины баланса, измельчаемого в дисковой рубительной машине, на размеры частиц древесной щепы // Политематический сетевой электронный научный журнал КубГАУ. – 2012. – № 81. – С. 270–279.
2. Васильев С.Б., Девятникова Л.А., Колесников Г.Н. Влияние технологии раскроя балансовой древесины на фракционный состав щепы // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. – 2011. – № 195. – С. 125–133.
3. Васильев С.Б., Доспехова Н.А., Колесников Г.Н. Численное моделирование взаимодействия еловых балансов неодинакового диаметра в корообдирочном барабане // Resources and Technology. – 2013. – Т. 10. – № 1. – С. 024–038.
4. Васильев С.Б., Жилин В.А. Оборудование для каустизации щелоков // Леса России в XXI веке: материалы пятой междунар. научно-практ. Интернет-конференции. – СПб.: ЛТА, 2010. – С. 182–185. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://ftacademy.ru/science/internet-conference/index.php?c = 6&a = 310.
5. Васильев С.Б., Колесников Г.Н. Логистический подход к моделированию фракционирования сыпучих материалов // Ученые записки Петрозаводского государственного университета. Серия: Естественные и технические науки. – 2010. – № 4. – С. 61–65.
6. Влияние локальной жесткости корпуса корообдирочного барабана на изменение силы соударений и величину потерь древесины / С.Б. Васильев, Г.Н. Колесников, Ю.В. Никонова, М.И. Раковская // Ученые записки Петрозаводского государственного университета. Серия: Естественные и технические науки. – 2008. – № 96. – С. 84–91.
7. Исследование закономерностей изменения силы соударений с целью снижения потерь при окорке древесины в барабане / С.Б. Васильев, Г.Н. Колесников, Ю.В. Никонова, М.И. Раковская // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. – 2008. – № 185. – С. 195–202.
8. Установка для сортировки древесной щепы: патент на полезную модель RU 109025 / Васильев С.Б. Колесников Г.Н., Шегельман И.Р., Андреев А.А., Кульбицкий А.В. – Опубликовано 13.05.2011.
9. Гальперин Н.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. – М.: Химия, 1981. – 812 с.
10. Щепа технологическая. Технические условия: ГОСТ 15815-83.
11. Девятникова Л.А. Потенциал ресурсосбережения в технологии подготовки круглых лесоматериалов к переработке на щепу // Политематический сетевой электронный научный журнал КубГАУ. – 2013. – № 88. – С. 188–206.
12. Девятникова Л.А., Васильев С.Б., Колесников Г.Н. Влияние технологии раскроя балансов на фракционный состав щепы // Вестник МГУЛ – Лесной вестник. – М.: Изд-во МГУЛ, 2012. – № 3. – С. 120–124.
13. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. – М.: Альянс, 2008. – 750 с.
14. Колесников Г.Н., Васильев С.Б. Математическая модель технологического процесса фракционирования полидисперсного сыпучего материала методом рассева на установках с ярусной компоновкой сит // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. – 2012. – № 3. – С. 42–49.
15. Установка для фракционирования сыпучих полидисперсных материалов: патент RU 117326 / Колесников Г.Н., Васильев С.Б., Андреев А.А. – Опубликовано 27.02.2012.
16. Секция рольганга для сортировки транспортируемых лесоматериалов по длине: патент RU 117411 / Колесников Г.Н., Васильев С.Б., Девятникова Л.А., Доспехова Н.А. – Опубликовано 05.12.2011.
17. Комплексная химическая переработка древесины: учебник для вузов / И.Н. Ковернинский, В.И. Комаров, С.И. Третьяков, Н.И. Богданович, О.М. Соколов, H.A. Кутакова, Л.И. Селянина; Под ред. проф. И.Н. Koвернинского. – Архангельск: Изд-во Архангельского государственного техн. ун-та, 2002. – 347 с.
18. Никонова Ю.В., Раковская М.И. Методика определения жесткости балансов, результатычисленных экспериментов и испытаний образцов // Resources and Technology. – 2010. – № 8. – С. 100–106.
19. Перри Д.Г. Справочник инженера-химика. – Т. 2. – Л.: Химия, 1969. – 640 с.
20. Способ приготовления белого щелока для получения сульфатной целлюлозы: патент RU 2042003 / Полойко Е.Г., Богдан В.М., Шафранович П.П., Окладникова Т.Г., Игнатьева О.И. – Опубликовано 20.08.1995.
21. Романков П.Г., Курочкина М.И. Гидромеханические процессы химической технологии.– Л., 1982. – 288 с.
22. Vena P.F., García-Aparicio M.P., Brienzo M., Görgens J.F., Rypstra T. Effect of Alkaline Hemicellulose Extraction on Kraft Pulp Fibers from Eucalyptus Grandis // Journal of Wood Chemistry and Technology.– 2013. – Vol. 33. – № . 3. – P. 157–173.

Целлюлозно-бумажная промышленность является крупнейшим потребителем круглых лесоматериалов, которые подвергаются комплексной переработке [15]. Современные требования к качеству продукции и рациональному природопользованию предопределяют актуальность исследования всех аспектов производства целлюлозы.

Круглые лесоматериалы подвергаются раскрою на отрезки длиной 1,2 м, называемые балансами. Влияние технологии раскроя балансовой древесины на фракционный состав щепы исследовано в работах [2, 12]. Наличие короткомеров (отрезков длиной менее 0,8 м) в потоке балансов, поступающих на окорку в корообдирочный барабан, а после него в рубительную машину, приводит к потерям древесины и к снижению качества щепы [11]. Одна часть потерь в виде лома и отщепов образуется при окорке балансов [6]. Практика и результаты численного моделирования [3, 7] указывают на возможность уменьшения потерь, но не на полное их исключение. Часть потерь в виде некондиционных крупных и мелких древесных частиц образуется при измельчении балансов в рубительной машине. Изъятие короткомеров из общего потока балансов позволяет уменьшить эти потери [12]. Техническое решение рольганга, обеспечивающего интенсификацию сортировки транспортируемых лесоматериалов по длине, предложено в [16]. Применение этого решения позволяет реализовать некоторые возможности ресурсосбережения [11, 10].

Однако полностью избавиться от короткомеров не удаётся, поскольку любой баланс на финишной стадии измельчения в рубительной машине неизбежно превращается в короткомер. Моделирование этой ситуации впервые рассмотрено в статье [1]. Измельчение короткомеров в существующих рубительных машинах служит одной из причин появления избыточно крупных и мелких частиц в щепе. Если избыточно крупные частицы древесины поступают на варку целлюлозы, то появляются так называемые непровары целлюлозы. Мелкие же частицы поглощают большое количество реактивов и также ухудшают качество целлюлозы. Чтобы получить технологическую щепу [10], измельченная древесина на сортировочной установке разделяется на фракции по критерию крупности частиц [17]. Щепа на выходе из рубительной машины представляет собой полидисперсный сыпучий материал. Математическая модель процесса фракционирования полидисперсного сыпучего материала методом рассева предложена в [5, 14]. Техническое решение для реализации этих теоретических результатов предложено в установке по патенту [15].

Технологическая щепа [10], являясь продукцией древесно-подготовительной стадии, используется в качестве основного сырья на очередной стадии производства целлюлозы. Щепа поступает на термохимическую обработку с целью делигнификации и получения целлюлозы. В настоящее время целлюлозу производят, как правило, используя сульфатный процесс (крафт-процесс). Основная стадия этого процесса, сульфатная варка, заключается в обработке древесной щепы белым щёлоком – водным раствором, который содержит гидроксид натрия, сульфид натрия и другие соли натрия. В процессе варки состав белого щёлока существенно меняется – концентрация щёлочи уменьшается, в растворе появляются органические соединения и натриевые соли неорганических и органических кислот, что более подробно рассмотрено в [17]. Достоинства сульфатного метода: возможность использования щепы практически всех пород древесины; высокие механические свойства сульфатной целлюлозы; возможность регенерации щелочи, расходуемой на варку целлюлозы.

Далее рассматриваются вопросы совершенствования технологии осветлении белого щелока в производстве сульфатной целлюлозы.

Материалы и методы исследования

При регенерации щелочи самым продолжительным является процесс осветления щелоков [4, 17]. Для осветления щелоков часто используется метод осаждения и соответствующее оборудование (осветлитель). В целях совершенствования осветлителей был выполнен комплекс исследований [4].

Известно, что в осветлителе можно выделить определённые слои, различающиеся содержанием твердых веществ и протекающими в них процессами: слой осадка, слой осаждения, слой осветления, а также промежуточные слои [13, 19, 21]. Баланс исходной суспензии Eqn50.wmf, осветленного щелока Eqn51.wmf и шлама Eqn52.wmf (м3/ч) в некотором i-м слое может быть представлен следующим уравнением:

Eqn53.wmf (1)

Масса твердых веществ, проходящих через i-й слой, равна их массе в исходной суспензии и в удаляемом шламе:

Eqn54.wmf (2)

где Qисх и Qшл– соответственно расход подаваемой в осветлитель суспензии и расход откачиваемого из осветлителя шлама, м3/ч; Ci, Cисх и Cшл – концентрации твёрдого вещества (кг/м3) соответственно в i-м слое, в исходной суспензии и в шламе.

Из (1) и (2) найдем

Eqn55.wmf (3)

Для предотвращения уноса твердой фазы восходящими потоками жидкости необходимо, чтобы в любой области слоя осаждения величина Qосв/S не превышала скорости осаждения твердой фазы Eqn56.wmf [9, 13], где S – площадь осаждения, м2. Если в (3) подставить взамен Eqn51.wmf максимально допустимое его значение, равное Eqn57.wmf, то получим максимально допустимое значение удельного расхода исходной суспензии Qисх/S, при котором имеет место баланс в любом i-м слое:

Eqn58.wmf (4)

Выражение (4) определяет максимально возможный удельный расход исходной суспензии, такой, чтобы в i-й области соблюдалось равновесие и не возникло уноса твердого вещества с осветлённым щёлоком. Для расчета производительности осветлителя вычисляют допустимый расход исходной суспензии (4) для каждого i-го слоя зоны осаждения. Минимальное из этих значений определяет производительность аппарата, соответствующий слой будет лимитирующим слоем.

При вычислении производительности осветлителя необходимо в (4) подставить скорости осаждения, соответствующие всем значениям концентраций в зоне осаждения. Для расчетов были использованы данные экспериментов по отстаиванию суспензий белого щелока различных концентраций. Процессу стесненного осаждения соответствует интервал концентраций от 10 до 260 г/л. При меньших концентрациях происходит свободное осаждение (ωoc = const), которому соответствует зона осветления. При больших концентрациях наблюдается сгущение, флокулы шлама соприкасаются, деформируются и частично разрушаются. Эмпирические зависимости скорости ωoc (мм/мин) от концентрация твёрдых веществ в суспензии c (г/л) имеют вид

ωoc = 69,77·(1,025)–c, при 10 г/л ≤ c ≤ 100 г/л; (5)

ωoc = 8,72 – 0,0272c, при 100 г/л ≤ c ≤ 260 г/л. (6)

Результаты исследования и их обсуждение

Расчет величины Qисх/S (4) выполнен для Сi = 80…260 г/л, Cисх = 80…150 г/л и Cшл, равного 400 и 500 г/л. В (4) подставлялись данные о скорости (5) и (6). Зависимость Qисх от Cисх монотонно убывающая. Зависимость Qисх/S от Сi имеет ряд экстремумов, два из которых находятся в рабочем диапазоне: при Сi = 100 г/л и при Сi = 260 г/л. В зоне осаждения Сi ≥ Cисх. Например, если Cисх = 150 г/л и Cшл = 500 г/л, то в лимитирующем слое Сi = 260 г/л.

В многокамерных осветлителях отбор осветленного щелока распределяется между всеми камерами, нагрузка на верхнюю часть зоны осаждения в каждой из камер уменьшается. Нагрузка на нижнюю часть зоны осаждения не снижается, так как весь шлам перетекает из камеры в камеру. Применение таких осветлителей целесообразно, если лимитирующей оказывается верхняя часть зоны осаждения.

Адекватность результатов моделирования подтверждена в экспериментах [4].

Результаты работы не противоречат данным других авторов [20, 22].

Заключение

Результаты работы показали, что для осветления белого щелока при концентрации взвеси более 100 г/л целесообразно использовать однокамерные осветлители, а при меньших концентрациях – двухкамерные осветлители.

Согласно полученным данным, слой осветления имеет толщину примерно 1,00 м, слой осаждения – 1,00 м, промежуточный слой – 0,25…0,40 м, слой осадка – 1,00…2,00 м. Поэтому высота однокамерного осветлителя от днища до уровня отбора осветленного щелока должна быть не менее 3,50 м. Погружение трубы, подающей исходную суспензию, должно составлять 2 м.

Применение полученных результатов на целлюлозно-бумажном комбинате позволило на 25 % повысить производительность однокамерных осветлителей [4].

Рецензенты:

Колесников Г.Н., д.т.н., профессор, зав. кафедрой механики, зам. директора по НИР Института рационального природопользования на Европейском Севере, г. Петрозаводск;

Питухин А.В., д.т.н., профессор, зав. кафедрой технологии металлов и ремонта, ФБГОУ ПетрГУ, г. Петрозаводск.

Работа поступила в редакцию 23.08.2013.


Библиографическая ссылка

Васильев С.Б., Жилин В.А. АСПЕКТЫ РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЯ ПРИ ПОЛУЧЕНИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ЩЕПЫ И ОСВЕТЛЕНИИ БЕЛОГО ЩЕЛОКА В ПРОИЗВОДСТВЕ СУЛЬФАТНОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 10-3. – С. 495-498;
URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=32306 (дата обращения: 19.12.2018).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252